Load-bearing capacity of hybrid timber-glass beams

• Autorzy: Kozłowski M. , Hulimka J.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The conservative approach to design timber-glass structural elements assumes that a glass pane only fills a load-bearing frame and does not contribute in the total load-bearing behavior of the component. This study is based on a different assumption – that timber and glass components work together to carry external loads. The objectives were to develop the knowledge about mechanical co-operation, mechanism of failure and post-breakage strength of adhesively bonded hybrid timber-glass beams. A sample of nine 300 mm high and 1800 mm long hybrid beams bonded with three types of adhesives: acrylate, silicone sealant and polymer based on polyurethane resin were built and tested in four-point bending test. To simulate the behaviour of the hybrid beams numerical models which include a simplified method of modelling cracks in the glass web were made. Additionally, a modified γ-method included in PN-EN 1995-1-1 was proposed to estimate the load at which the glass fails. The results show that the hybrid timber-glass beams are able to withstand a much higher load than the load that causes initial failure of the glass web. This solution provides ductility and a warning signal relatively long before the total collapse. The highest post-breakage residual strength is presented by the beams bonded with acrylate adhesive. Despite the lower load-bearing capacity, the beams bonded with silicone sealant and polymer allow for much greater deformations. The modified γ-method and numerical models simulate correctly the linear-elastic behaviour of the beams and estimate the load at initial failure of glass with good accuracy.

PL

Tradycyjne podejście do projektowania elementów szklano-drewnianych bazuje na założeniu, że szklana tafla jedynie wypełnia nośną, drewnianą ramę, a tym samym nie uczestniczy w aktywnym przenoszeniu obciążeń zewnętrznych. Przedstawiony w artykule projekt badawczy zakłada, że komponenty wykonane ze szkła i drewna współpracują ze sobą, tworząc synergiczną hybrydę. Głównym celem projektu jest rozwinięcie wiedzy na temat mechanicznej współpracy komponentów belki, w tym opisanie przebiegu zniszczenia i określenie nośności poawaryjnej hybrydowych belek drewniano-szklanych z połączeniami klejowymi. W artykule przedstawiono wyniki badań modelowych dziewięciu hybrydowych belek drewniano-szklanych o wysokości 300 mm i długości 1800 mm klejonych przy wykorzystaniu klejów konstrukcyjnych o różnej sztywności (klej akrylowy, poliuretanowy i silikon strukturalny) w próbie czteropunktowego zginania. Dodatkowo, przestawiono wyniki analiz numerycznych oraz propozycję rozwiązania analitycznego w postaci zmodyfikowanej metody gamma zawartej w normie PN-EN 1995-1-1. Wyniki badań modelowych potwierdzają wysoką nośność poawaryjną hybrydowych belek drewniano szklanych; siła przy całkowitym zniszczeniu belek jest kilkakrotnie wyższa od tej, która powoduje powstanie pierwszej rysy w szklanym środniku. Połączenie szklanego środnika i drewnianych pasów sprawia, że hybrydowe belki niszczą się w sposób ciągliwy, a tym samym belka dostarcza sygnał ostrzegawczy na długo przed całkowitym zniszczeniem. Najwyższą sztywność i nośną poawaryjną osiągają belki łączone przy wykorzystaniu kleju akrylowego. Belki z klejem poliuretanowym i silikonem strukturalnym, pomimo niższej nośności i sztywności, ulegają zniszczeniu przy znacznie większych wartościach ugięć. Zmodyfikowana metoda gamma, jak i modele numeryczne poprawnie symulują zachowanie belek w fazie sprężystej oraz pozwalają na określenie z dużą dokładnością siły rysującej szklany środnik

Słowa kluczowe

EN

glass; hybrid glass beams; adhesives; post-breakage strength; ductility

PL

szkło; hybrydowe belki szkła; kleje; wytrzymałość po stłuczeniu; plastyczność

• Wydawca: Silesian University of Technology
• Czasopismo: Architecture Civil Engineering Environment
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 7, no. 2
• Strony: 61--71
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz.

Twórcy

autor

Kozłowski M.

• Faculty of Civil Engineering, The Silesian University of Technology, Akademicka 5, 44-100 Gliwice, Poland

autor

Hulimka J.

• Faculty of Civil Engineering, The Silesian University of Technology, Akademicka, 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Stiell W., Schmidt J., Krause H., Stengel F.; Geklebte Glaselemente in Holz-tragwerken. Abschlußbericht (Bonded glass elements in wood contract works. Final Report). Inst. für Fenstertechn, Rosenheim 1996 (in German).
• [2] Schmidt J., Götz M., Hoeckel C., Krause H., Stengel F., Taute H.; Einsatz von geklebten Glaselementen bei Holztragwerken – ein Beitrag zur Innovation in der Holzbauarchitektur (Use of bonded glass elements in timber structures – a contribution to innovation in the wooden architecture). Inst. für Fenstertechn, Rosenheim 1996 (in German).
• [3] Schmidt J., Götz M., Hoeckel C., Krause H., Stengel F., Taute H.; Einsatz von geklebten Glaselementen bei Holztragwerken – ein Beitrag zur Innovation in der Holz-bauarchitektur. Objektversuche (Use of bonded glass elements in timber structures – a contribution to innovation in the wooden architecture. Object trials). Inst. für Fenstertechn, Rosenheim 1998 (in German).
• [4] Natterer J., Kreher K., Natterer J.; New joining techniques for modern architecture. Rosenheimer Fenstertage, 2002.
• [5] Hamm J.; Tragverhalten von Holz und Holzwerkstoffen im statischen Verbund mit Glas (Structural behavior of wood and wood-based materials in the static composite with glass). PhD thesis, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne 1999 (in German).
• [6] Hamm J.; Development of Timber-Glass Prefabricated Structural Elements. Proceedings of the Innovative Wooden Structures and Bridges IABSE Conference. Lahti 2001, p.41-46.
• [7] Kreher K.; Tragverhalten und Bemessung von Holz- Glas-Verbundträgern unter Berücksichtigung der Eigenspannungen im Glas (Structural behavior and design of wood-glass composite beams taking into account the residual stresses in the glass). PhD thesis, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne 2004 (in German).
• [8] Kreher K.; Load Introduction with Timber as Reinforcement for Glued Composites (Shear-Walls, I-Beams) Structural Safety and Calculation-Model. Proceedings of the 9th World Conference on Timber Engineering. Portland 2006.
• [9] Kreher K., Natterer J.; Timber-Glass-Composite Girders for a Hotel in Switzerland. Structural Engineering International, 2004; Vol.14, No.2, p.149-151.
• [10] Cruz P., Pequeno J.; Timber-Glass Composite Beams: Mechanical Behaviour and Architectural Solutions. Proceedings of the Challenging Glass Conference. Delft 2008.
• [11] Blyberg L., Serrano E.; Timber/Glass Adhesively Bonded I-beams. Proceedings of the Glass Performance Days. Tampere 2011.
• [12] PN-EN 572-2:2012 – Basic soda lime silicate glass products - Part 2: Float glass.
• [13] Veer F., Zuidema J.; The strength of glass, effect of edge quality. Proceedings of the Glass Processing Days. Tampere 2003; p.106-109.
• [14] SIKA SCHWEIZ AG. Technical Data Sheet, Sikasil® SG-20, Version 01, 07/2009.
• [15] SIKA SCHWEIZ AG. Technical Data Sheet, SikaFast® 5221, 08/2002.
• [16] SIKA SCHWEIZ AG. Technical Data Sheet, Icosit® KC 340/7, 08/2009.
• [17] PN-EN 1995-1-1 Eurocode 5: Design of timber structures– Part 1-1: General – Common rules and rules for buildings.
• [18] Abaqus ABAQUS user’s manual (2011). Version 6.11.
• [19] DIN 18008-1:2010 Glass in Building – Design and construction rules – Part 1: Terms and general bases.
• [20] PN-EN 408:2012 Timber structures – Structural timber and glued laminated timber – Determination of some physical and mechanical properties.
• [21] Neuhaus H.; Timber building engineering. Polish Technical Publishing, Rzeszow.