Strength Design Methods for Glass Structures
(2013) In Report TVSM- 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... (More) - 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. (Less) - 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... (More) - 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 (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/4076154
- author
- Fröling, Maria LU
- supervisor
-
- Kent Persson LU
- opponent
-
- PhD Lamela Rey, Maria Jesús, Dept. of Construction and Manufacturing Engineering, Universidad de Oviedo, Spain
- organization
- publishing date
- 2013
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- 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
- publisher
- Department of Construction Sciences, Lund University
- 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
@phdthesis{2757e147-8693-421c-9c47-64ebddf06998, abstract = {{In this thesis, user friendly and efficient methods for the design of glass structures are<br/><br> developed. The glass structures comprise various boundary conditions. Several types of<br/><br> glass are considered: single layered glass as well as laminated and insulated glass units.<br/><br> Typical load cases for strength design of glass are applied.<br/><br> A recently developed finite element is suggested to be suitable for the modeling of laminated<br/><br> glass structures. It is shown that the new finite element is superior to standard solid<br/><br> elements for modeling of laminated glass. The results show that the element provides excellent<br/><br> capabilities for modeling of complex laminated glass structures with several bolted<br/><br> or adhesive joints.<br/><br> The new element is utilized in the development of a method to compute stress concentration<br/><br> factors for laminated glass balustrades with two horizontal rows with two bolt fixings.<br/><br> The stress concentration factors are represented graphically in design charts. The use of<br/><br> the design charts allow the maximum principal stresses of the balustrade to be determined<br/><br> without using finite element analysis or advanced mathematics.<br/><br> The shear-capacity of adhesive glass-joints is tested in a short-term load-case. Commonly<br/><br> used stiff and soft adhesives are considered. Finite element models of the test are developed<br/><br> to determine the material models of the adhesives. The material models are verified<br/><br> through large-scale tests. For the stiff adhesives and the main part of the soft adhesives, the<br/><br> material models are experimentally validated for both small-scale and large-scale tests.<br/><br> For a group of the soft adhesives, further research is necessary to validate the material<br/><br> models for a large-scale joint.<br/><br> A reduced model for determining the maximum principal stresses of a glass subjected<br/><br> to dynamic impact load is developed and validated. The developed model is general in<br/><br> the sense that it is applicable to arbitrary location of the impact as well as to structures<br/><br> of arbitrary boundary condition. The validation is made for a four-sided supported glass<br/><br> pane and centric applied impact as well as excentric applied impact. It is shown that the<br/><br> model is applicable to small and medium sized structures. Finally it is proven that the<br/><br> model performs very well for a laminated glass balustrade of standard dimensions and<br/><br> with clamped fixings.<br/><br> Finally, insulated glass subjected to soft body impact is analyzed be means of structureacoustic<br/><br> analysis. A parametric study is made with respect to in-plane dimensions, glass<br/><br> thickness and thickness of the gas layer. For quadratic panes, a larger glass has a larger<br/><br> center displacement but lower stresses than a smaller glass. A single layered glass is<br/><br> proven to have only marginally greater stresses than the corresponding double glass. The<br/><br> air layer thickness has almost no influence on the stresses of the insulated glass but the<br/><br> thickness of the glass has a large influence. Finally, there is almost nothing to be gained<br/><br> to add a third glass pane to the insulated unit.}}, author = {{Fröling, Maria}}, isbn = {{978-91-7473-600-7}}, issn = {{0281-6679}}, keywords = {{finite element; computational techniques; laminated glass; stress concentration factor; design chart; bolt fixing; adhesive joint; balustrade; shear-capacity; dynamic impulse load; insulated glass}}, language = {{eng}}, publisher = {{Department of Construction Sciences, Lund University}}, school = {{Lund University}}, series = {{Report TVSM}}, title = {{Strength Design Methods for Glass Structures}}, url = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/3905499/4076692.pdf}}, year = {{2013}}, }