On the Bi-Axial In-Plane Behavior of Laminated Paperboard Components in Construction: A Representative Engineering Model

279 Pages·2023·12.04 MB·English

by  Nihat Kiziltoprak

Mechanik, Werkstoff e und Konstruktion im Bauwesen | Band 67
Nihat Kiziltoprak
On the Bi-Axial In-Plane
Behavior of Laminated
Paperboard Components
in Construction:
A Representative
Engineering Model
Mechanik, Werkstoffe und Konstruktion
im Bauwesen
Band 67
Reihe herausgegeben von
Ulrich Knaack, Darmstadt, Deutschland
Jens Schneider, Darmstadt, Deutschland
Johann-Dietrich Wörner, Darmstadt, Deutschland
Stefan Kolling, Gießen, Deutschland
Institutsreihe zu Fortschritten bei Mechanik, Werkstoffen, Konstruktionen, Gebäudehüllen
und Tragwerken. Das Institut für Statik und Konstruktion der TU Darmstadt sowie das
Institut für Mechanik und Materialforschung der TH Mittelhessen in Gießen bündeln die
Forschungs- und Lehraktivitäten in den Bereichen Mechanik, Werkstoffe im Bauwesen,
Statik und Dynamik, Glasbau und Fassadentechnik, um einheitliche Grundlagen für
werkstoffgerechtes Entwerfen und Konstruieren zu erreichen. Die Institute sind national
und international sehr gut vernetzt und kooperieren bei grundlegenden theoretischen
Arbeiten und angewandten Forschungsprojekten mit Partnern aus Wissenschaft, Industrie
und Verwaltung. Die Forschungsaktivitäten finden sich im gesamten Ingenieurbereich
wieder. Sie umfassen die Modellierung von Tragstrukturen zur Erfassung des statischen
und dynamischen Verhaltens, die mechanische Modellierung und Computersimulation
des Deformations-, Schädigungs- und Versagensverhaltens von Werkstoffen, Bauteilen
und Tragstrukturen, die Entwicklung neuer Materialien, Produktionsverfahren und
Gebäudetechnologien sowie deren Anwendung im Bauwesen unter Berücksichtigung
sicherheitstheoretischer Überlegungen und der Energieeffizienz, konstruktive Aspekte
des Umweltschutzes sowie numerische Simulationen von komplexen Stoßvorgängen und
Kontaktproblemen in Statik und Dynamik.
Nihat Kiziltoprak

On the Bi-Axial In-Plane
Behavior of Laminated
Paperboard Components
in Construction:
A Representative
Engineering Model
Nihat Kiziltoprak
Institut für Statik und Konstruktion
Technische Universität Darmstadt
Darmstadt, Hessen, Germany

Vom Fachbereich 13 – Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung
des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte Dissertation von M. Sc. Nihat Kiziltoprak aus Torbalı

1. Gutachten: Prof. Dr.-Ing. Jens Schneider
2. Gutachten: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Knaack

Tag der Einreichung: 06.04.2022
Tag der mündlichen Prüfung: 04.07.2022
Darmstadt 2022

ISSN 2512-3238 ISSN 2512-3246 (electronic)
Mechanik, Werkstoffe und Konstruktion im Bauwesen
ISBN 978-3-658-40317-1 ISBN 978-3-658-40318-8 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-40318-8

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Acknowledgement
ThepresentthesiswaswrittenaspartofmyworkasascientificassistantattheInstitute
of Structural Mechanics and Design at Technische Universität Darmstadt between 2017
and2022. Theintentionofsubsequentlinesistothankthosewhohavesupportedmeand
encouragedmeonmylongjourney.
My greatest thanks go to Professor JENS SCHNEIDER for the trust placed in me and
for giving me the opportunity to begin and complete my dissertation at Technische Uni-
versität Darmstadt in an rather interesting field of research on innovative materials for
structuralengineering. Hisdedicationtotheinstitute,motivationofstaffandopennessto
newresearchideasisuniqueandenabledmetoworkfreelyandcreatively.Iamespecially
gratefultohimfortakingtimetomentormeandmycolleagueseventhoughhewasvery
busywiththetasksandactivitiesofthevicepresidencyatTechnischeUniversitätDarm-
stadt.ThesethanksalsogotoProfessorULRICHKNAACK,whosedeclaredgoalistotrain
young scientists on their hopefully long path in science in such a way that they are bet-
terthantheirteachersandformthenextgenerationofprofessorsandscientistofhighest
levels,forhispersistentsupport,motivationandopennessfordiscussions. Iamalsovery
gratefultoProfessor STEFAN KOLLING forhisscientificdiscussions, whichencouraged
tolookatproblemsfromdifferentperspectives.
I would also like to thank my colleagues at the Institute of Structural Mechanics and
Design for the many interesting discussions and the friendly interaction to a very pleas-
ant working atmosphere. Special thanks go to my colleagues MICHAEL DRASS, EV-
GENIA KANLI, MARCEL HÖRBERT, MUHARREM AKTAS, REBECCA BACHandSILKE
WALLNER.Furthermore,IwouldliketothankMARCUSPFEIFFER,ROBERTGÖTZINGER,
JULIAN MUSHÖVEL, NICOLA JESSEN, MARCO VOLKMANN and FABIAN LUTTROPP
fromotherinstituteswhoalsocontributedtotheBAMP!projectinneighboringresearch
fields. Inaddition,IwouldliketothankthestudentsofTechnischeUniversitätDarmstadt
whosupportedmethroughtheirenthusiasmforresearchandinterestincomplexissues-
intheformthattheywrotetheirtheseswithme.
This research acknowledges financial support within the LOEWE program of excel-
lenceoftheFederalStateofHessen(projectinitiativeBAMP!).
IwouldalsoliketothankHerbsterHülseninparticularMr. MICHAEL JENISCH and
Mr. NICOLAI WIECZOREK,GrünigAdhesives,Paul&Co,StoraEnsowhohavealways
supportedmyprojectsandmyresearch.
v
vi Acknowledgement
The preparation of a dissertation requires family support. Therefore, I would like to
especiallythankmyparents,MEVLÜDEandHACI KIZILTOPRAK,whoarealwaysatmy
sideandhavesupportedmeineverysituation.
My sincere personal thanks go to my beloved wife CANAN for bringing happiness,
wisdomandtendernessintomylife.Herblindtrustandhersupportinallkindofsituations
-ingoodandhardtimes-madeitpossibletowritemydissertation.
Weiterstadt,July2022 NihatKIZILTOPRAK
Abstract
Thegeneralobjectiveofthepresentworkistocharacterizethematerialbehavioroflami-
natesmadeofpaperboardlayersforuseinstructuralengineeringandtoofferamodelfor
application in design processes. For this purpose, extensive experimental investigations
arecarriedoutonlaminatesforbothin-planeandperpendiculartoplaneloadingbehavior.
Basedontheresultsfromtheexperimentalinvestigations, engineeringmodelsareestab-
lishedtorepresentthematerialbehavior. SimplificationsoftheTSAI-WUfailurecriterion
aremadeviacorrespondingparameterstorepresentthein-planebi-axialstrengthhypoth-
esisoftheinvestigatedlaminateswithstrengthvaluesobtainedfromuni-axialtensionand
compression tests. In addition, the model is modified to offer a high safety level in the
normal/shearstressinteraction. Theestablishedmodelisfedintoanumericalsimulation
environmentanditssuitabilityforthepresentpaperboardlaminateispresentedusingval-
idation tests. Additionally, case studies are presented in which the collected knowledge
andthebuiltengineeringmodelareapplied. Inafurtherstep, analyticalmodelsarepre-
sented through which the compressive strength of the laminates can be predicted based
on the properties of the individual component layers. The models are based on equilib-
riumconditionsandenergyequationswhich,amongotherthings,takeintoaccountshear
effectsoccurringbetweentheindividuallayers. Finally, testinganddesignstandardsare
discussed,whichdonotexistforpapermaterialsintheformknownforconventionalbuild-
ingmaterialsfromconstructionstandards. Whencomparingthecorrespondingstandards,
challengesandopportunitiesinstandardizationarehighlighted. Basedontheestablished
engineering model, a design approach of the laminate for ultimate load calculations in
structural engineering is derived. The focus is on a balance between safety, economic
efficiencyandecologicaljustifiability.
vii
Zusammenfassung
Generelles Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Materialverhalten von Laminaten aus
PappschichtenfürdieNutzungBauwesenzucharakterisierenundeinModellzurAnwen-
dung in Bemessungsvorhaben anzubieten. Dafür werden umfangreiche experimentelle
UntersuchungenanLaminatenfürsowohldasVerhaltenbeiBelastungeninderEbeneals
auchsenkrechtzurEbenedurchgeführt.BasierendaufErgebnissederexperimentellenUn-
tersuchungenwerdenIngenieurmodellezurAbbildungdesMaterialverhaltensaufgestellt.
Dabei werden Vereinfachungen des TSAI-WU Versagenskriteriums über entsprechende
Parameter vorgenommen, um die biaxiale Festigkeitshypothese in der Ebene der unter-
suchten Laminate mit Festigkeitswerten aus uniaxialen Zug- und Druckversuchen abzu-
bilden. AußerdemwirddasModellmodifiziert,umeinSicherheitsniveaubeiderNormal-
/Schubspannungsinteraktionanzubieten. DasaufgestellteModellwirdineinenumerische
Simulationsumgebung eingepflegt und dessen Eignung für das vorliegende Laminat aus
Pappschichten mit Hilfe von Validierungsversuchen dargelegt. Zusätzlich werden Fall-
studien vorgestellt, in denen die gesammelten Erkenntnisse und das aufgebaute Inge-
nieurmodell Anwendung finden. In einem weiteren Schritt werden analytische Mod-
elle vorgestellt, über die die Druckfestigkeit der Laminate anhand der Eigenschaften der
einzelnenKomponentenlagenvorausgesagtwerdenkann. DieModellebasierenaufGle-
ichgewichtsbedingungenundEnergiegleichungen,dieunteranderemauftretendeSchubef-
fektezwischendeneinzelnenSchichtenberücksichtigen.AbschließendwirdaufVersuchs-
und Bemessungsnormen eingegangen, die für Papiermaterialien in der Form nicht ex-
istieren, wie sie für konventionelle Baumaterialien aus Baunormen bekannt sind. Beim
Vergleich der entsprechenden Normen werden Herausforderungen und Chancen bei der
Normung aufgezeigt. Basierend auf das aufgestellte Ingenieurmodell wird ein Bemes-
sungsansatzdesLaminatsfürTraglastberechnungenimBauwesenabgeleitet. Dabeiwird
derFokusaufeinGleichgewichtzwischenSicherheit,Wirtschaftlichkeitundökologische
Vertretbarkeitgelegt.
ix
Résumé
L’objectifgénéraldecettethèseestdecaractériserlecomportementdesmatériauxstrat-
ifiés, particulièrementceuxencouchesdecarton, utilisésdanslaconstruction. Unmod-
èle sera ainsi mis sur pied et celui ci pourra être utilisé dans les projets de dimension-
nement. Pour ce faire, de nombreuses études expérimentales approfondies sont menées
surdesstratifiés,tantleurcomportementsouschargedansleplanquelorsqu’ilssontsous
charge et perpendiculaires au plan. Les résultats des études sont utilisés afin d’élaborer
des modèles d’ingénierie décrivant le comportement des matériaux. Des simplifications
ducritèrederuptureTSAI-WUsonteffectuéesàl’aidedeparamètrescorrespondantsafin
dereprésenterl’hypothèsederésistancebiaxialedansleplandesstratifiésétudiésavecdes
valeursderésistanceissuesd’essaisdetractionetdecompressionsuniaxiales. Enoutre,
le modèle est modifié afin d’offrir un niveau de sécurité élevé qu’il y’ai contrainte nor-
maleoualorscontraintedecisaillement. Lemodèleobtenuestensuiteintroduitdansun
environnementdesimulationnumérique,sapertinencepourlestratifiéutiliséestdémon-
tréeàl’aidedevérifications. Enoutre,desétudesdecassontprésentées,danslesquelles
lesconnaissancesacquisesetlemodèled’ingénierieconstruitsontappliqués. Parlasuite
desmodèlesanalytiquessontprésentés,grâceauxquelslarésistanceàlacompressiondes
stratifiés peut être prédite à l’aide des propriétés des différentes couches de composants.
Ces derniers sont basés sur des conditions d’équilibre et des équations énergétiques qui
tiennentcompte, entreautres, deseffetsdecisaillemententrelesdifférentescouchesdes
stratifiés. Enfin,nousnouspencheronssurlesnormesd’essaietdedimensionnementqui
sont jusqu’à présent inconnus des normes de construction, que ce soit pour les matéri-
auxenpapieroupourlesmatériauxdeconstructionconventionnelle. Lacomparaisondes
normes correspondantes met en évidence les défis et les opportunités que ceci pourrait
apporter. Surlabasedumodèled’ingénierieétabli,uneapprochededimensionnementdu
stratifié est dérivée et celle ci pourra être utilisée pour les calculs de charge dans la con-
struction. L’accentestmissurl’équilibreentrelasécurité,larentabilitéetl’acceptabilité
écologique.
xi