Strength Design Methods for Glass Structures

Abstract

In this thesis, user friendly and efficient methods for the design of glass structures are

developed. The glass structures comprise various boundary conditions. Several types of

glass are considered: single layered glass as well as laminated and insulated glass units.

Typical load cases for strength design of glass are applied.

A recently developed finite element is suggested to be suitable for the modeling of laminated

glass structures. It is shown that the new finite element is superior to standard solid

elements for modeling of laminated glass. The results show that the element provides excellent

capabilities for modeling of complex laminated glass structures with several bolted

or adhesive joints.

The new element is utilized in the development of a method to compute stress concentration

factors for laminated glass balustrades with two horizontal rows with two bolt fixings.

The stress concentration factors are represented graphically in design charts. The use of

the design charts allow the maximum principal stresses of the balustrade to be determined

without using finite element analysis or advanced mathematics.

The shear-capacity of adhesive glass-joints is tested in a short-term load-case. Commonly

used stiff and soft adhesives are considered. Finite element models of the test are developed

to determine the material models of the adhesives. The material models are verified

through large-scale tests. For the stiff adhesives and the main part of the soft adhesives, the

material models are experimentally validated for both small-scale and large-scale tests.

For a group of the soft adhesives, further research is necessary to validate the material

models for a large-scale joint.

A reduced model for determining the maximum principal stresses of a glass subjected

to dynamic impact load is developed and validated. The developed model is general in

the sense that it is applicable to arbitrary location of the impact as well as to structures

of arbitrary boundary condition. The validation is made for a four-sided supported glass

pane and centric applied impact as well as excentric applied impact. It is shown that the

model is applicable to small and medium sized structures. Finally it is proven that the

model performs very well for a laminated glass balustrade of standard dimensions and

with clamped fixings.

Finally, insulated glass subjected to soft body impact is analyzed be means of structureacoustic

analysis. A parametric study is made with respect to in-plane dimensions, glass

thickness and thickness of the gas layer. For quadratic panes, a larger glass has a larger

center displacement but lower stresses than a smaller glass. A single layered glass is

proven to have only marginally greater stresses than the corresponding double glass. The

air layer thickness has almost no influence on the stresses of the insulated glass but the

thickness of the glass has a large influence. Finally, there is almost nothing to be gained

to add a third glass pane to the insulated unit.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Glas som konstruktionsmaterial är relativt nytt och har blivit mer utbrett på grund av

tekniska framsteg inom produktion av planglas, för vidarebearbetning av det tillverkade

glaset och utvecklingen inom datorbaserade analysmetoder som finita elementmetoden.

Jämfört med andra konstruktionsmaterial, till exempel betong, är kunskapen om glasets

mekaniska egenskaper och strukturmekaniska beteende mindre.

Standarddimensioneringsmetoden inom konstruktion går ut på att dimensionerna hos en

struktur bestäms genom att se till att de högsta spänningarna inte är större än materialets

hållfasthet någonstans i strukturen. Den här typen av dimensionering är vanlig vid

glaskonstruktion. Vid användning av den här metoden är det viktigt att de maximala

spänningarna bestäms med tillförlitlighet.

Glas är ett sprött material som inte deformeras plastiskt innan brott. Spänningskoncentrationer

som uppstår vid exempelvis ett borrhål reduceras därför inte. Det finns ett stort intresse

för att bygga med glas i bärande delar av konstruktioner och att i glaskonstruktioner

använda så lite annat material som möjligt. För att uppnå detta används infästningstyper

som bultförband och limfogar. Tyvärr saknas det enkla och säkra dimensioneringskriterier

och verktyg för att konstruera med glas utom för fall med enkla geometrier, infästningtyper

och laster. Att utföra experiment är möjligt men det blir dyrt och inte så effektivt att

utföra dimensionering på det sättet.

Syftet med det här arbetet är att utveckla metoder för att utföra effektiv dimensionering

av avancerade glasstrukturer med olika infästningstyper och som utsätts för olika lastfall.

En ny metod baserad på finita elementmetoden implementeras för att beräkna spänningsfördelningarna

i avancerade strukturer av laminerat glas korrekt och effektivt. Den här

metoden utgör en bas för utvecklingen av en analytisk dimensioneringsmetod för bultinfästa

balustrader av laminerat glas. Metoden utgör ett komplement för att dimensionera

den här typen av struktur och är lättare att använda än finita elementmetoden. Med hjälp

av metoden kan spänningarna i balustraden bestämmas med hjälp av enkla formler och

diagram.

En del av avhandlingen fokuserar på limfogar. Limfogar belastas ofta i skjuvning. Därför

analyseras vanligt använda limmers skjuvkapacitet och finita elementmodeller tas fram så

att limfogarna ska kunna analyseras med hjälp av beräkningar.

Glasstrukturer kan behöva dimensioneras för så kallad tung stöt. Det innebär att en vikt

släpps i en pendelrörelse mot glaset. Inom ramen för detta arbete utvecklas en förenklad

metod för att dimensionera glas för tung stöt. Förenklingarna går mestadels ut på att skapa

mindre modeller. Fördelen med metoden är att den är flexibel och kan användas för olika

glastyper och för olika typer av infästningar.

I bland annat fönster och fasader är det vanlig att använda isolerglas. Ett isolerglas består

av två eller flera glas med mellanliggande gasspalt(er). I den här avhandlingen används

strukturakustisk analys för att modellera isolerglas utsatt för tung stöt. Förutom att visa

att den föreslagna metoden utgör ett hjälpmedel vid dimensionering, så används metoden

för att utöka kunskapen om det strukturmekaniska beteendet hos isolerglas när det utsätts

för stöt.

v

• author: Fröling, Maria
• supervisor: Kent Persson
• opponent: PhD Lamela Rey, Maria Jesús, Dept. of Construction and Manufacturing Engineering, Universidad de Oviedo, Spain
• organization: Department of Construction Sciences; Structural Mechanics
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Applied Mechanics
• keywords: finite element, computational techniques, laminated glass, stress concentration factor, design chart, bolt fixing, adhesive joint, balustrade, shear-capacity, dynamic impulse load, insulated glass
• in: Report TVSM
• pages: 147 pages
• defense location: Lecture Hall A:C, A-building, Sölvegatan 24, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2013-10-31 13:15:00
• ISSN: 0281-6679
• ISBN: 978-91-7473-600-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 2757e147-8693-421c-9c47-64ebddf06998 (old id 4076154)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:19:11
• date last changed: 2023-10-05 09:12:51