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Serviceability and Post-Failure Behaviour of Laminated Glass Structural Elements

Piscitelli, Lorenzo Ruggero

Structural laminated glass elements are being used ever more frequently in the construction industry, following a growing architectural trend that looks for light and transparency. Nevertheless, an analysis of both regulatory and scientific state-of-the-art reveals several fields of inquiry which could benefit from deeper investigations. Namely, properties of plastics used as interlayer materials within the glass plies are scarcely investigated, professionals being far from unanimous on reliable techniques for comparing different materials on the same grounds. This manuscript presents the results of a multi-scale experimental research on the mechanical response of three interlayers: PVB, SG and DG41. The hyperelastic behaviour is studied with simple tensile tests on interlayer specimens; in the end, a novel generalized response model is proposed, which can be tuned to replicate the complex short-term and finite-strain response of any thermoplastic using few coefficients. The temperature-dependent viscoelastic problem is investigated on a larger scale, using double-lap laminated glass joints under compressive loadings. Finally, calibrated Prony series for viscoelastic models are provided together with Williams Landel Ferry coefficients for time-temperature superposition, allowing to model the viscoelastic responses of the three interlayer materials at arbitrary temperatures. Results from dynamic and static tests are compared and the tension stiffening effect of interlayers in partially damaged elements is investigated. An equivalent thermal expansion is proposed to model the mutual effects which are generated among broken and intact plies in the event of partial failure. Further tests have been carried out in fully damaged conditions, to evaluate the residual load-bearing capacity and the effects of ageing such conditions. Uniaxial tensile and compressive test on fully damaged laminated glass specimens are performed. Results are used to model the response of fully damaged beams. In the last part of the manuscript, examples of application of newly found results are used in possible laminated glass structural designs.

Infolge des wachsenden Architekturtrends zu Licht und Transparenz, werden tragende Verbundglasselemente im Bauwesen immer öfter verwendet. Nichtsdestoweniger, zeigt eine Analyse des rechtlichen und wissenschaftlichen Stands der Technik einige Fachgebiete auf, die von gründlicher Forschung Nutzen ziehen könnten. Namentlich Eigenschaften von Plastik, innerhalb eines Scheibenpaars als Schicht verwendet, sind aus den bereits angeführten Gründen bisher kaum untersucht, Professionelle sind weit von einstimmigen und verlässlichen Techniken entfernt, um verschiedene Materialien zu vergleichen. Dieses Manuskript stellt die Ergebnisse einer experimentellen Multiskalenforschung für eine mechanische Reaktion von drei Zwischenschichten: PVC, SG und DG41 vor. Das hyperelastische Verhalten wird mit einfachen Zugversuchen an Zwischenschichtproben untersucht; am Ende wird ein neuartiges verallgemeinertes Reaktionsmodell vorgeschlagen, das so abgestimmt werden kann, dass es die komplexe Kurzzeit- und Enddehnungsreaktion eines beliebigen Thermoplasten mit wenigen Koeffizienten repliziert. Das temperaturabhängige viskoelastische Problem wird in größerem Umfang mit Hilfe von Doppelschlag-Verbundglasverbindungen unter Druckbelastung untersucht. Schließlich werden kalibrierte Prony-Reihen für viskoelastische Modelle zusammen mit Williams Landel Ferry-Koeffizienten für die Zeit-Temperatur-Überlagerung bereitgestellt, um die viskoelastischen Reaktionen der drei Zwischenschichtmaterialien bei beliebigen Temperaturen zu modellieren. Ergebnisse aus dynamischen und statischen Tests werden verglichen und die spannungssteifende Wirkung von Zwischenschichten in teilweise beschädigten Elementen untersucht. Eine äquivalente thermische Ausdehnung wird vorgeschlagen, um die Wechselwirkungen zu modellieren, die zwischen gebrochenen und intakten Lagen im Falle eines Teilausfalls auftreten. Weitere Tests wurden unter völlig beschädigten Bedingungen durchgeführt, um die Resttragfähigkeit und die Auswirkungen der Alterung dieser Bedingungen zu bewerten. Es werden einachsige Zug- und Druckprüfungen an vollständig beschädigten Verbundglasproben durchgeführt. Die Ergebnisse werden verwendet, um das Verhalten von vollständig beschädigten Trägern zu modellieren. Im letzten Teil des Manuskripts werden Anwendungsbeispiele für neu gefundene Ergebnisse in möglichen Verbundglaskonstruktionen verwendet.

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Piscitelli, L.R., 2019. Serviceability and Post-Failure Behaviour of Laminated Glass Structural Elements. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-201907191302-0
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