Computer modelling of point supported laminated glass panes

• Autorzy: Woźniczka Piotr

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.141890

Warianty tytułu

PL

Modelowanie komputerowe podpartych punktowo płyt ze szkła laminowanego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In recent years significant progress has been made in structural application of glass elements in building industry. However, the issues related to computer modelling of glass panes, as well as analytical procedures allowing for taking into account the bonding action of PVB foil are not widely known in the engineering environment. In this paper results of numerical study of laminated glass plates are presented. The scope of the research covers over 40 cases of panes. Narrow (characterized by edge length ab > 2) and square (a/b = 1) panes made of two or three layer laminated glass have been taken into account. The paper deals mainly with point supported glass. However, selected results for linearly supported plates have been included as well for comparison. For each considered case an advanced computational model have been developed within the environment of Abaqus software. Pointwise supports have been modelled using methods of various complexity. The obtained results have been compared with the results of standard calculations using Wölfel-Bennison and Galuppi-Royer-Carfagni hypotheses. The analytical procedures proposed by CEN have been applied as well. As a result, recommendations for static calculations of laminated glass panes have been formulated. The computational procedure based on the hypothesis presented by L. Galuppi and G. Royer-Carfagni should be considered the most universal. The remaining methods may be applied only in limited scope. In order to estimate maximum principal stress in the support zone an advanced computer model has to be used. The support may be modelled in an exact or simplified manner.

PL

W ostatnich latach dokonano znaczącego postępu w zakresie konstrukcyjnego wykorzystania w budownictwie elementów ze szkła. Równocześnie trwają prace nad drugą edycją norm europejskich, wśród których przewidziano przygotowanie odrębnej normy dotyczącej projektowania konstrukcji szklanych. Zgodnie z dokumentami opracowanymi przez odpowiedni komitet techniczny Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego, wspomniana norma powinna obejmować swoim zakresem także nowoczesne procedury w zakresie obliczeń statycznych prętów i płyt ze szkła laminowanego. Tego typu elementy konstrukcyjne podparte w sposób punktowy lub w sposób liniowy są powszechnie stosowane w praktyce inżynierskiej ze względów architektonicznych i funkcjonalnych. Problematyka związana z modelowaniem komputerowym elementów ze szkła, jak również procedury analityczne pozwalające na uwzględnienie zespalającego działania folii PVB, nie są jednak powszechnie znane i stosowane w środowisku inżynierskim. W tej sytuacji w artykule przedstawiono wyniki weryfikacji wybranych procedur obliczeniowych dotyczących płyt ze szkła laminowanego. W przeprowadzonych analizach uwzględniono metody obliczeniowe oparte na hipotezach opracowanych przez E. Wolfela i S.J. Bennisona, a także przez zespół autorski L. Galuppi i G. Royer-Carfagni. Rozpatrywano również ścisłe rozwiązanie zagadnienia zginanego pręta ze szkła laminowanego wyprowadzone z modeli reologicznych przez K. Langosch. Otrzymane rezultaty porównano każdorazowo z wynikami zaawansowanych symulacji komputerowych. W celu możliwie dokładnego odwzorowania zachowania się danej płyty szklanej oraz zespalającej warstwy PVB stosowano bryłowe elementy skończone, natomiast obliczenia były prowadzone jako geometrycznie nieliniowe. Szczególną uwagę poświecono zagadnieniom związanym z analizą płyt podpartych w sposób punktowy. Naprężenia główne w strefie podporowej były wyznaczane dla modeli komputerowych o zróżnicowanym stopniu skomplikowania, w tym również dla przypadków w których uwzględniono dokładna geometrię danej rotuli. Omówiono propozycję uproszczonego sposobu modelowania strefy podporowej. Analizy były prowadzone dla dwóch grup płyt o zróżnicowanej geometrii. W zakresie rozwiązań poszczególnych płyt rozpatrywano elementy ze szkła dwu- oraz trójwarstwowego. W celach porównawczych w artykule przedstawiono również rezultaty uzyskane dla płyt podpartych w sposób przegubowo-liniowy. Na podstawie przeprowadzonych badan sformułowano wnioski w zakresie przydatności poszczególnych metod obliczeniowych.

Słowa kluczowe

EN

computer modelling; laminated glass; nonlinear analysis; point support; thin plate theory

PL

analiza nieliniowa; modelowanie komputerowe; podpora punktowa; szkło laminowane; teoria płyt cienkich

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 3
• Strony: 353--368
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Woźniczka Piotr

• Cracow University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Cracow, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5471-9526

Bibliografia

• [1] A. Piekarczuk, Elementy konstrukcyjne ze szkła budowlanego. Warszawa: Instytut Techniki Budowlanej, 2013.
• [2] J. Belis, D. Mocibob, A. Luible, M. Vandebroek, “On the size and shape of initial out-of-plane curvatures in structural glass components”, Construction and Building Materials, 2011, vol. 25, no. 5, pp. 2700-2712, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2010.12.021.
• [3] K. Langosch, “Das Tragverhalten von Glasstützen mit Mono- und Verbundquerschnitten”, PhD Dissertation, RWTH Aachen University, Germany, 2013.
• [4] DIN EN 13474-1. Glass in Building - Design of glass panes - Part 1: General basis of design, 1999.
• [5] DIN EN 13474-2. Glass in Building - Design of glass panes - Part 2: Design for uniformly distributed loads, 2000.
• [6] M. Gwóźdź, Konstrukcje szklane i aluminiowo szklane. Kraków: Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 2020.
• [7] R. Kasper, K. Langosch, G. Siebert, Guidance for European Structural Design of Glass Components support to the implementation, harmonization and further development of the Eurocodes. Joint Research Centre, 2016, DOI: 10.2788/5523.
• [8] M. Feldmann, R. Kasper, K. Langosch, Glas für tragende Bauteile. Berlin: Werner Verlag, 2012.
• [9] M. Gwóźdź, “Formulae for buckling load bearing capacity of glass structure elements”, Archives of Civil Engineering, 2020, vol. 66, no. 2, pp. 353-368, DOI: 10.24425/ace.2020.131814.
• [10] G. Sedlacek, F. Wellershoff, H. Düster, Bemessungsschubmodul für PVB Folien in Verbundsicherheitglas unter Klimatenlasten in Deutschland. Bericht G 2003/10-06, RWTH Aachen, 2003.
• [11] M. Gwóźdź, P. Woźniczka, “New static analysis methods for plates made of monolithic and laminated glass”, Archives of Civil Engineering, 2020, vol. 66, no. 4, pp. 593-609, DOI: 10.24425/ace.2020.135239.
• [12] Architectural Technical Applications Center, “Saflex®DG structural interlayer”. [Online]. Available: www.mepla.net/media/medien/product-technical-sheet-saflex-dg_060415_9ab18.pdf. [Accessed: 20.12.2020].
• [13] E. Wölfel, “Elastic Composite: An Approximation Solution and its Application Possibilities”, Stahlbau, 1987, vol. 6, pp. 173-180.
• [14] S.J. Bennison, L. Stelzer, “Structural properties of laminated glass. Short Course”, presented at Glass Performance Days, 12-15 Jun. Tampere, 2009.
• [15] National Research Council of Italy, CNR-DT 210/2013. Guide for the Design, Construction and Control of Buildings with Structural Glass Elements. Italy, 2013.
• [16] L. Galuppi, G. Royer-Carfagni, “Effective thickness of laminated glass beams: New expression via variational approach”, Engineering Structures, 2012, vol. 38, pp. 53-67, DOI: 10.1016/j.engstruct.2011.12.039.
• [17] L. Galuppi, G. Royer-Carfagni, “The effective thickness of laminated glass plates”, Journal of Mechanics of Materials and Structures, 2012, vol. 7, no. 4, pp. 375-400, DOI: 10.2140/jomms.2012.7.375.
• [18] M. Asik, S. Tezcan, “A mathematical model for the behaviour of laminated glass beams”, Computers & Structures, 2005, vol. 83, no. 21-22, pp. 1742-1753, DOI: 10.1016/j.compstruc.2005.02.020.
• [19] P. Foraboschi, “Three-layered plate: Elasticity solution”, Composites Part B: Engineering, 2014, vol. 60, pp. 764-776, DOI: 10.1016/j.compositesb.2013.06.037.
• [20] P. Foraboschi, “Analytical model for laminated-glass plate”, Composites Part B: Engineering, 2012, vol. 43, no. 5, pp. 2094-2106, DOI: 10.1016/j.compositesb.2012.03.010.
• [21] J. Xu, Y. Li, B. Liu, M. Zhu, D. Ge, “Experimental study on mechanical behavior of PVB laminated glass under quasi-static and dynamic loadings”, Composites Part B: Engineering, 2011, vol. 42, no. 2, pp. 302-308, DOI: 10.1016/j.compositesb.2010.10.009.
• [22] Dassault Systemes Simulia Inc., Abaqus Analysis User’s Guide. USA, 2010.
• [23] B. Song, W. Chen, “One-Dimensional Dynamic Compressive Behavior of EPDM Rubber”, Journal of Engineering Materials and Technology, 2003, vol. 125, no. 3, pp. 294-301, DOI: 10.1115/1.1584492.
• [24] M. Cheng, W. Chen, “Experimental investigation of the stress-stretch behavior of EPDM rubber with loading rate effects”, International Journal of Solids and Structures, 2003, vol. 40, no. 18, pp. 4749-4768, DOI: 10.1016/S0020-7683(03)00182-3.
• [25] W.D. Pilkey, D.F. Pilkey, Peterson’s Stress Concentration Factors, 3rd ed. New Jersey: John Wiley & Sons, 2008.
• [26] B. Weller, M. Engelmann, F. Nicklisch, T. Weimar, Glasbau-Praxis. Konstruktion und Bemessung. Band 2: Beispiele nach DIN 18008, 3rd ed. Berlin - Vienna - Zurich: Beuth Verlag GmbH, 2013.
• [27] J. Beyer, M. Seel, “Spannungsfaktoren für die Bemessung punktgestützter Verglasungen”, Stahlbau, 2012, vol. 81, no. 9, pp. 719-727, DOI: 10.1002/stab.201201601.
• [28] M. Tibolt, C. Odenbreit, “The stress peak at the borehole of point-fitted IGU with undercut anchors”, Journal of Facade Design and Engineering, 2014, vol. 2, no. 1-2, pp. 33-66, DOI: 10.3233/FDE-130011.
• [29] Inter-Cad Kft., AxisVM X5 User’s Manual. Hungary, 2020.
• [30] Dlubal Software GmbH, RFEM 5. User Manual. Germany, 2020.
• [31] DIN 18008-3. Glass in Building - Design and construction rules - Part 3: Point fixed glazing. 2013, DOI: 10.31030/2006043.
• [32] DIN 18008-5. Glass in Building - Design and construction rules - Part 5: Additional requirements for walk-on glazing. 2013, DOI: 10.31030/2006045.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).