Project

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Design Tool for Adhesively Bonded Timber Joints

English title Design Tool for Adhesively Bonded Timber Joints
Applicant Vassilopoulos Anastasios
Number 136680
Funding scheme NRP 66 Resource Wood
Research institution Laboratoire de construction en composites EPFL - ENAC - IIC - CCLAB
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.10.2012 - 31.01.2016
Approved amount 353'024.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Material Sciences
Civil Engineering

Keywords (9)

Design Tool ; Long Term Load; Fatigue Load; Adhesive Bonding; Timber Sructures ; Size Effects; Climate Load; Probabilistic Approach; Timber Joints

Lay Summary (German)

Lead
Bemessung geklebter Verbindungen im Holzbau Das Projekt befasst sich mit geklebten Anschlüssen im Holzbau. Ziel ist ein zuverlässiges Bemessungskonzept zu entwickeln, das alle relevanten Lastfälle in der Baupraxis abdeckt. Die Informationskette bei der Bemessung von Holzverbindungen muss hinterfragt und neu bewertet werden, um die Erkenntnisse schliesslich in ein Design-Tool für die Holzbaupraxis zu überführen.
Lay summary

Hintergrund
Moderne Holzbau-Architektur entwickelt sich stark in Richtung von "Freiformen", für welche die heute verwendeten Verbindungselemente noch keine optimalen Lösungen bieten. Zudem stören traditionelle Verbindungen oftmals den Gesamteindruck nicht standardisierter Bauwerke und sie genügen deren Anforderungen in Bezug auf strukturelle Effizienz nicht. Geklebte Verbindungen stellen eine architektonisch bessere Alternative dar. Sie weisen in der Regel höhere Tragfähigkeiten und Steifigkeiten auf als Anschlüsse mit mechanischen Verbindungselementen. Damit geklebte Verbindungen in der Praxis künftig breitere Anwendung finden, braucht es Methoden, welche die Tragfähigkeit und Steifigkeit zuverlässig vorhersagen.

Ziel
Ziel des Projekts ist es, ein zuverlässiges Bemessungskonzept für geklebte Anschlüsse im Holzbau zu entwickeln. Das Konzept wird alle klassischen Lastfälle wie statische Kurzzeit-, Dauer-, Schwingungs- und Klimalasten abdecken. Die Bemessungsmethode beruht auf einer genauen Beschreibung aller beteiligten Komponenten unter Berücksichtigung des Grössenef-fekts und der Variabilität der Materialparameter. Die Forschenden bewerten die gesamte Informationskette im Zusammenhang mit der Bemessung von Holzverbindungen neu. Dabei betrachten sie relevante Informationen wie Materialkennwerte und Berechnungsansätze auf der Ebene der eingesetzten Materialien (Holz- und Klebstoffe), der Anschlüsse und der Gestaltung durch Praktiker.

Bedeutung
Die Entwicklung neuer Klebverbindungen wird eine neue Formensprache im Holzbau ermöglichen, entweder als reine Holz- oder auch in gemischten Hybrid-Systemen (Holz mit Stahl und/oder Beton). Die erfolgreiche Entwicklung und Umsetzung des Design-Tools leistet einen wichtigen Beitrag, den Holzanteil in Bauanwendungen zu erhöhen und die Wettbewerbsfähigkeit und die ökologische Bilanz der Schweizer Bauwirtschaft zu verbessern.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Lay Summary (French)

Lead
Dimensionnement des assemblages par collage dans la construction en bois Le projet porte sur les assemblages par collage dans la construction en bois. Son objectif est de développer un concept de dimensionnement fiable qui couvre tous les types de charge pertinents dans la pratique. Une remise en question et une réévaluation de la chaîne d’information s’imposent dans le dimensionnement des assemblages du bois en vue d’une transposition vers un outil de conception orienté vers la pratique.
Lay summary

Contexte
L’architecture moderne faisant appel aux ouvrages en bois s’engage clairement dans la voie des "formes libres", pour lesquelles les éléments d'assemblage d’aujourd’hui ne fournissent pas encore de solutions optimales. En outre, les assemblages traditionnels déparent souvent l’impression générale des édifices non standardisés et ne satisfont pas aux exigences d’efficacité structurelle. Les assemblages par collage constituent une meilleure alternative architecturale. Ils présentent généralement des forces portantes et des rigidités supérieures à celles des éléments à assemblage mécanique. Pour élargir l’éventail des applications futures des assemblages par collage, il est indispensable de disposer de méthodes qui fournissent des pronostics fiables de la force portante et de la rigidité.

But
Le projet vise à développer un concept de dimensionnement fiable pour les assemblages par collage dans la construction en bois. Le concept couvrira tous les types classiques de charge, notamment les contraintes statiques de courte et longue durée et les sollicitations dues aux oscillations et au climat. La méthode de dimensionnement repose sur une description précise des composantes impliquées en tenant compte de l’effet de la taille et de la variabilité des paramètres du matériau. Les chercheurs réévaluent l’intégralité de la chaîne d’information, replacée dans le contexte du dimensionnement des assemblages du bois. Ils examinent des informations pertinentes telles que les caractéristiques de matériau et les approches de calcul à différents niveaux.

Portée
Le développement de nouveaux assemblages par collage va inaugurer une nouvelle esthétique dans la construction en bois. La réussite du développement et de la mise en œuvre de l’outil de conception contribue visiblement à accroître la part du bois dans les applications de construction et à améliorer la compétitivité et le bilan écologique du secteur suisse de la construction.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Lay Summary (English)

Lead
Dimensioning adhesively bonded timber joints This project focuses on adhesively bonded timber joints. The aim is to develop a reliable dimensioning concept that covers all relevant load scenarios in construction work. The information chain for the dimensioning of wood joints needs to be questioned and re-evaluated so that the insights can ultimately be transferred to a design tool.
Lay summary

Background
Modern wood architecture is developing strongly in the direction of "free forms" for which the joining elements used today are not the ideal solution. Furthermore, traditional joints create a negative impression in non-standardised buildings and do not meet the relevant structural efficiency requirements. Adhesively bonded joints constitute an architecturally better alternative. They can generally bear heavier loads and are more rigid than joints with mechanical elements. Methods that can accurately predict the bearing capacity and rigidity are needed so that adhesively bonded joints can be more widely used in practice.

Aim
The aim of the project is to develop a reliable dimensioning model for adhesively bonded timber joints. The concept will cover all classical load scenarios such as static short-term, long-term, vibration and climate pressures. The dimensioning method is based on a precise description of all components involved, taking into account size effects and the variability of material parameters. The researchers will re-evaluate the entire information chain in connection with the dimensioning of timber joints. In so doing, they will consider relevant information such as material data and calculation methods with regard to the materials used (wood-based materials and adhesives) as well as with regard to the joints and the actual shaping by practitioners.

Significance
The development of new adhesively bonded joints will enable a new design vocabulary in timber construction, either as pure wood or in mixed hybrid systems (wood with steel and/or concrete). The successful development and implementation of the design tool will make a major contribution towards increasing the share of wood in construction applications and improving the competitiveness and overall ecological impact of the Swiss construction sector.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.01.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Random field-based modeling of size effect on the longitudinal tensile strength of clear timber
Moshtaghin A.F., Franke S, Keller T., Vassilopoulos A. P. (2016), Random field-based modeling of size effect on the longitudinal tensile strength of clear timber, in Structural Safety, 58, 60-68.
Spatial variability in longitudinal elastic modulus of clear Timber
Moshtaghin A.F, Franke S., Keller T., Vassilopoulos A. P. (2015), Spatial variability in longitudinal elastic modulus of clear Timber, in Euromech Colloquium 556, Theoretical, numerical, and experimental analyses in wood mechanics, Dresden, Germany.
Time-dependent mechanical behavior of acrylic adhesives
Angelidi M, Vassilopoulos A. P., de Castro J, Keller T. (2015), Time-dependent mechanical behavior of acrylic adhesives, in AB2015, 3rd international conference on structural adhesive bonding, Porto, Portugal.
Quantification of spatial variability for transverse elastic modulus of spruce wood
Moshtaghin A.F., Franke S., Keller T., Vassilopoulos A. P., Quantification of spatial variability for transverse elastic modulus of spruce wood, in Eccomas, European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, Crete, GReece.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Department of Wood Science, University of British Columbia Canada (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Häring & Co. AG Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Timber and Composite Construction, Bern University of Applied Sciences Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
Business Unit Industry, Sika AG Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Composite Construction Laboratory, EPFL Lausanne Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Knowledge transfer events

Active participation

Title Type of contribution Date Place Persons involved
Travelling exhibition NRP66 18.11.2014 Fribourg, Switzerland Vassilopoulos Anastasios; Franke Steffen; Farajzadeh Moshtaghin Alireza; ANGELIDI Myrsini;


Abstract

The research aims to offer a reliable, robust and practical design design tool for dimensioning load bearing adhesively bonded timber joints for structural applications, either between timber members, but also between timber and other materials, as fiber reinforced polymers and steel, considering static short and long-term, climate and fatigue load. The method shall rely on a realistic mechanical description of all involved components, and aspects related to damage accumulation and stiffness degradation will be formulated from a probabilistic point of view. The research goals will be achieved by critically reassessing the complete chain of information related to the dimensioning of timber joints; it starts on the level of the involved materials (timber and adhesives); continues on the level of the joints (considering lap joints as well as other types, such as glued-in rods), to finally develop a design tool for practitioners. After completion of the project, the acquired knowledge will be subsequently transferred to the industrial level, i.e. developing structural timber systems for which adhesively bonded joints will enable a new structural language, either as pure timber structures, or more elaborated hybrid systems involving different materials.The successful development and implementation of the design tool will have a decisive impact towards the use of timber in new categories of structural categories, thus positively increasing the market share of timber in a wide variety of architectural forms, and in consequence improve the competitiveness and the ecological balance of the Swiss construction industry.
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