Strength Design Methods for Glass Structures

• 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.

• 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

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Teknisk mekanik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Applied Mechanics (hsv//eng)

Nyckelord

finite element

computational techniques

laminated glass

stress concentration factor

design chart

bolt fixing

adhesive joint

balustrade

shear-capacity

dynamic impulse load

insulated glass

Publikations- och innehållstyp

dok (ämneskategori)

vet (ämneskategori)