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F. Riola Parada:
"Timber-Steel Hybrid Beams for Multi-Storey Buildings";
Supervisor, Reviewer: W. Winter, F. Estevez-Cimadevila; Institut für Architekturwissenschaften, 2016; oral examination: 2017-01-19.

The technical possibilities for building with timber experienced a big advance in the last years. The development of new timber and timber-based products together with growing environmental concerns are pushing the research and study on timber construction. One objective is the construction of multi-storey buildings in urban environment. Urban timber and timber-based building proposals are emerging, as many research projects and built examples illustrate. Many present day projects propose the combined use of timber elements with other materials for specific structural purposes difficult or costly to fulfil with an only-timber solution. In this work the potential of combining steel and timber in beams is identified and discussed (see chapter 2). A review of the studies carried out until now was compiled (see chapter 3). This material was summarized and classified depending on the timber-steel combination strategies used. The proposal of classification is based on the structural performance of the steel components (passive or active) and the steel geometrical arrangement. The structural purpose of combining the steel with the timber cross sections was identified for each case (see 3.1). Special attention was devoted to the identification of the design, construction, implementation or economical problems of the proposed solutions. The practical success of each timber-steel combination strategy is reflected in a list, when existing, of built examples. All this review and analysis was used for the identification of important design parameters to take into account when designing timber-steel beams solutions (see 3.5 and 3.6) Using the knowledge gained a design of timber-steel hybrid beams combining cold-formed steel profiles with timber is proposed. The hybrid solution developed is based on the combination of the elements without the transmission of horizontal shear forces between the steel and timber components. Both a symmetrical and a symmetrical cross-section arrangement are proposed (see 4.3). Conditions to take into account and objectives were stated and a cross-section design procedure developed for the case of single span beams (see 4.4 and 4.5). The particularities for the cross-section arrangement and application of these beams forming part of statically undetermined systems were also analysed and related design criteria given (see 4.8). Part of the theoretical work mentioned until now was proofed and tested. Short term loading tests of the timber-steel beams were carried out (see chapter 5) as well as a long-term loading test (see chapter 6) In a first testing series the hybrid symmetrical arrangement using cold-formed steel was tested and compared to other possible and statically equivalent beams. The steel design, assembly procedures and structural performance were tested and validated. A total of ten hybrid beams with different cross-section arrangements but always with a span of six metres were built and tested (see 5.3). In a second testing series only cold-formed steel elements were used for the hybrid asymmetrical arrangement. Hybrid beams with a structural depth of L/17 and L/20 were designed, calculated and tested. Special attention was paid to the study of the influence of different support conditions on the structural performance of the beams. A total of twelve hybrid beams with spans of six and eight metres were built and tested. A long-term loading test was carried out for the duration of one year. The performance of two hybrid beams was compared to two only-glulam beams. The behavioural trend was very clear and the advantages of hybrid systems when long-term deflections are relevant could be confirmed (see chapter 6). A summary of open future lines of research was made (see chapter 7). Part of the topics proposed were already partially studied or initiated, being the author of this doctoral thesis part of the researching teams. Timber-steel structural elements in general and beams in particular are therefore presented as an alternative for developing a holistic construction concept making the most of the properties from both materials starting at the structural element level. Its optimization for their application in multi-storey architectural solutions is the final objective and main application field.

Die technischen Möglichkeiten für Holzgebäude sind in den letzten Jahren stark vorangeschritten. Die
Entstehungneuartiger Holzprodukte und das steigende Umweltbewusstsein treiben die Entwicklung von
Holzkonstruktionen stetig voran. Eine wesentliche Zielsetzung für die nähere Zukunft ist die Errichtung
mehrgeschossiger Gebäude im städtischen Raum. Es gibt mittlerweile zahlreiche Forschungsprojekte auf
dem Gebiet der Holz- und Holzverbundbauweise, die zunehmend an gebauten Beispielen Anwendung
finden. Im Zuge vieler gegenwärtiger Projekte wird der Werkstoff Holz durch andere Materialien ergänzt,
um bestimmte strukturelle Erfordernisse erfüllen oder hinsichtlich der Kosten wirtschaftlicher werden zu
können.
Der zentrale Fokus dieser Arbeit liegt in der Betrachtung und Diskussion eines möglichen Potentials bei
der Kombination von Stahl und Holz (siehe Kapitel 2). In Kapitel 3 werden bisherige
Forschungsergebnisse zu diesem Thema zusammengefasst. Das Material wird entsprechend der
kombinerten Nutzung von Holz und Stahl beschrieben. Die vorgeschlagenen Klassifikationen werden
ausgehend von den strukturellen Leistungsmerkmalen der Stahlanteile (passiv oder aktiv) und der
geometrischen Anordnung vom Stahl eingeteilt. Das bauliche Ziel der Kombinationen von Stahl und
Holzquerschnitten wurde für jeden einzelnen Fall näher bezeichnet (siehe 3.1). Besondere
Aufmerksamkeit wurde der Kennzeichnung des Designs, der Konstruktion und der Umsetzung von
ökonomischen Problemstellungen bei den vorgeschlagenen Lösungen gewidmet. Der praktische Erfolg
von jeder Holz-Stahl-Kombination-Strategie ist in einer Liste reflektiert, wenn vorhanden auch in Form
von gebauten Beispielen. Dieser gesamte Überblick und die damit verbundenen Analysen dienen zur
Kennzeichnung und somit Berücksichtigung von wichtigen Konstruktionskennwerten, wenn Holz-Stahl-
Trägerlösungen entworfen werden (siehe 3.5 und 3.6).
Unter Einsatz des erworbenen Wissens wurden Holz-Stahl-Hybridträger konstruiert, welche kaltgeformte
Stahlprofile mit Holz kombinieren und so auch vorgeschlagen werden. Die Hybridlösung wurde
basierend auf Kombinationen von den Elementen entwickelt, ohne Übertragung der horizontalen
Scherkräfte zwischen den Stahl- und Holzkomponente. Zwei Vorschläge, eine symmetrische und eine im
Querschnitt symmetrische Anordnung werden vorgeschlagen (siehe 4.3). Bedingungen, welche zu
berücksichtigen sind und vorgegebene Ziele sind angeführt, sowie der beschriebene Entwicklungsprozess
einer Querschnittskonstruktion für Einfeld-Balken (siehe 4.4. und 4.5). Die Besonderheiten der
Querschnittsdimensionierung von statisch unbestimmten Systemen wurden ebenso analysiert und
zugehörige Bemessungskriterien vergeben (siehe 4.8.)
Teile der bisher erwähnten theoretischen Arbeit wurden geprüft und getestet. Kurzzeitbelastungstests für
die Holz-Stahl-Balken wurden durchgeführt (siehe Kapitel 5), ebenso ein Langzeitbelastungstest (siehe
Kapitel 6).
In einer ersten Testreihe wurde die symmetrische Hybridanordnung, welche kaltgeformten Stahl
verwendet, getestet und mit anderen möglichen und statisch ähnlichen Balken verglichen. Die
Stahlkonstruktion, das Umsetzungsverfahren und die strukturelle Leistung wurden getestet und validiert.
Eine totale Anzahl von 10 Hybridbalken mit unterschiedlichen Querschnittsanordnungen aber immer mit
einer Spannweite von sechs Metern wurden gebaut und getestet (siehe 5.3). In einem zweiten
Testdurchgang wurden nur kaltgeformte Stahlelemente für die hybriden asymmetrischen Anordnungen
verwendet. Hybridbalken mit einer strukturellen/baulichen Tiefe von L/17 und L/20 wurden konstruiert,
berechnet und getestet. Besondere Aufmerksamkeit wurde den Untersuchungen zum Einfluss von
unterschiedlichen Unterstützungsbedingungen auf die strukturelle Leistung der Balken. Eine endgültige
Anzahl von zwölf Hybridbalken mit einer Spannweite von sechs Metern und acht Metern wurden gebaut
und getestet.
Eine Langzeitbelastungsprüfung wurde über einen Zeitraum von einem Jahr durchgeführt. Die
Leistungsfähigkeit von zwei Balken wurde mit zwei Brettschichtholzbalken verglichen. Der Verhaltenstrend war sehr klar und die Vorteile der Hybridsysteme, wenn Langzeitverformungen
bedeutend sind, konnte bestätigt werden (siehe Kapitel 6).
Eine Zusammenfassung der zukünftigen Richtungen für die Forschung wurde gemacht (siehe Kapitel 7).
Teile der Bereiche wurden vorgeschlagen, teilweise schon studiert oder initiiert, mit dem Hintergrund, als
Autor der Doktorarbeit, gleichzeitig auch dem Forschungsteam zugehörig zu sein.
Holz-Stahlstrukturelemente allgemein und im spezifischen die Balken, werden hier als eine Alternative
für die Entwicklung von ganzheitlichen Konstruktionskonzepten präsentiert, bei einer Optimierung von
beiden Materialien, beginnend beim strukturellen Niveau. Deren Entwicklung für die Anwendung in
mehrgeschossigen architektonischen Lösungen ist das endgültige Ziel und Hauptanwendungsgebiet.

Structural Design, Hybrid Structures, Timber Structures, Steel Structures

http://repositum.tuwien.ac.at/obvutwhs/download/pdf/1709442?originalFilename=true