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Beech wood concrete hybrid structures

English title Beech wood concrete hybrid structures
Applicant Frangi Andrea
Number 154058
Funding scheme NRP 70 Energy Turnaround
Research institution Institut für Baustatik und Konstruktion ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Civil Engineering
Start/End 01.01.2015 - 31.12.2018
Approved amount 384'124.00
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Keywords (6)

structural engineering; material science; beech wood; wood concrete hybrid structures; CO2; bonding

Lay Summary (German)

Lead
Die kommenden Jahrzehnte werden zunehmend durch Verknappung vorhandener Ressourcen geprägt. Dieses Projekt ist Teil mehrerer Forschungsprojekte, welche die Entwicklung von ressourceneffizienten Lösungen für Bauwerke zum Ziel hat. Der Focus ist auf die Entwicklung von innovativen Hybriddecken mit der Verwendung von Holz, das mit einem jährlichen Gesamtzuwachs von ca. 10 Mio. m3 in der Schweiz der bedeutendste nachwachsende und stofflich nutzbare Rohstoff ist. Bisher werden aber nur 5.5 Mio. m3 Holz genutzt. Dieses ungebrauchte Potential muss effizienter ausgeschöpft werden, um die Gesellschaft auf dem Weg zur Substituierung von petrochemischen Materialien, zur Erreichung der Klimaziele wie der CO2-Senkung zu unterstützen. Gleichzeitig werden der Volkswirtschaft durch die nachhaltige Nutzung des Holzes ökologische und soziale Leistungen des Waldes gesichert und nutzbar gemacht.
Lay summary

Dank naturnahem Waldbau wächst in der Schweiz mehr Mischwald mit Laubholz, insbesondere mit Buche. Buchenholz verfügt über sehr gute mechanische Materialeigenschaften, wird jedoch bisher primär als Energieholz genutzt. Es ist sinnvoll Buchenholz hochwertig zu nutzen und vermehrt mit Laubholz zu bauen. Dazu ist es jedoch notwendig, dass innovative Ideen und neuartige Anwendungen aus Laubholz entwickelt und umgesetzt werden.

Holz-Beton-Hybriddecken bestehen aus Holzelementen, welche mit einer Betonplatte schubfest verbunden sind. Die Schubverbindung zwischen Beton und Holz ist massgebend für das Tragverhalten und die Wirtschaftlichkeit der Decke. Im Vergleich zu reinen Holzdecken werden Steifigkeit und Masse erhöht und dadurch Gebrauchstauglichkeit, Schwingungsverhalten, Schallschutz und Brandschutz verbessert. Zielsetzung des Projekts ist die Entwicklung von Holz-Beton-Hybriddecken unter Verwendung von Buchenplatten. Die Buchenplatten übernehmen sowohl die Funktion der Schalung als auch der Bewehrung und erlauben eine signifikante Reduktion von Beton und Stahlbewehrung im Vergleich zu Stahlbetonflachdecken. Als kontinuierlicher Verbund wird eine innovative Verklebung zwischen Beton und Holz angestrebt. Damit entsteht eine sichere, zuverlässige und wirtschaftliche Verbindung zwischen Beton und Holz ohne Verwendung von mechanischen Verbindungsmitteln und ohne aufwendige Verarbeitung der Buchenplatten.

Direct link to Lay Summary Last update: 30.10.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Purbond AG Switzerland (Europe)
- Industry/business/other use-inspired collaboration
ETH Zurich, Institute for Building Materials Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
Hess & Co AG Switzerland (Europe)
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Walt + Galmarini AG Switzerland (Europe)
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Pirmin Jung Ingenieure für Holzbau AG Switzerland (Europe)
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Pollmeier Massivholz GmbH & Co.KG Germany (Europe)
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Implenia AG Switzerland (Europe)
- Industry/business/other use-inspired collaboration

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
154058 Beech wood concrete hybrid structures 01.01.2015 NRP 70 Energy Turnaround

Abstract

Research topic and objective of the projectThe non-renewable energy associated with building materials accounts for a large part in the energy consumption of modern, energy efficient buildings and a closer examination shows that a large part of this “grey energy” comes from structural materials, in particular reinforced concrete.This subproject, which is embedded in the Joint Project “Concrete Solutions”, aims at obtaining hybrid structures by combining beech wood and concrete in smart construction processes. The developed techniques will enable us to fulfil specific performance criteria and to strongly support the objective of an increased sustainability in construction. Specific focus will be on wood concrete hybrid floor assemblies using beech laminated veneer lumber. Beech wood is renewable, has relatively low energy consumption in the production process and offer potential for CO2 storage in the built environment. Furthermore, beech wood has superior mechanical properties as compared to most softwood species and is available in large quantities in Switzerland. One of the most important drawbacks of current wood concrete hybrid floor assemblies is that a large amount of mechanical steel fasteners is required. Further, softwood species commonly used for wood concrete hybrid floor assemblies have low mechanical properties. This increases the costs and reduces the competitiveness of wood concrete hybrid floor assemblies in comparison to common reinforced concrete slabs. Further, by connecting wood and concrete with mechanical steel fasteners a separation of the components at time of disposal is very difficult. Thus, the focus will be on a connection system between timber and concrete without steel fasteners that assure composite action.Main tasks- To define the performance requirements for beech wood concrete hybrid structural elements.- To quantify the importance and incertitude of model- and material-related parameters being decisive for the design of beech wood concrete hybrid structural elements.- To develop reliable, efficient and economic bonding for composite action between natural and mineralized LVL beech wood and different concrete solutions without using steel fasteners.- To perform an extensive experimental investigation and numerical parametric study using the finite element approach for the accurate and reliable characterisation of the structural behaviour of beech wood concrete hybrid structural elements.- To develop accurate, safe and economic advanced calculation models for the design of beech wood concrete hybrid structural elements.Benefits of the projectOne fundamental goal of the Joint Project “Concrete Solutions” is the reduction of the use of steel in concrete by various approaches. The use of beech wood plates made of laminated veneer lumber (LVL) as formwork and tensile reinforcement allows for a new generation of innovative, efficient and cost-effective hybrid structural elements, by saving energy, time and reinforcing steel in comparison to common reinforced concrete.
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