Development of prefabricated modular houses in pure composite sandwich panels

Abstract

In the scope of the ClickHouse R&D Project, a residential modular temporary building was proposed and developed to accommodate, in urgent situations, dislocated families due to e.g. the occurrence of natural disasters. Proposed building is composed of a frame structure, panels and a tailored connection system. The frame structure and connection are composed of glass fibre reinforced polymer (GFRP) pultruded tubular profiles. While for the panels, composite sandwich panels made of polyurethane foam (PU) core and GFRP skins, are utilized. A new connection system is defined for connecting adjacent members. This modular construction of temporary housing, should be capable of being prefabricated according to the pultrusion technology (for the case of frame and connection components), transported at low cost to the area of installation (due to the reduced weight and being packed), and being easily and quickly assembled. In the ambit of the present thesis, the following research programs, which contributed for the ClickHouse outcomes, were developed: (I) material testing program; (II) development/ characterization of a connection system for jointing composite panels, (III) evaluation of the mechanical performance of single panel, two jointed panels and three jointed panels under flexural loading; (IV) assessment of single and two jointed wall panel’s behaviour under axial loading; (I) performance/characterization of two floor modular prototypes. Phase I is comprising comprehensive material testing program for establishing constitutive relation of the constituent materials of the sandwich panel, namely the PU foam core, GFRP skins and the bond between these two materials. Furthermore, bearing strength behaviour of GFRP skin and pultruded profiles is subjected to study in this phase. In the phase II, a connection system is proposed for connecting floor and wall sandwich panels. Proposed connection is composed of two main parts namely as end integrated Ushape GFRP profile and two connected tubular square GFRP profiles. The end former working as a connector by interlocking inside the U-shape profiles. Two approaches are used to study mechanical behaviour of jointed panels: friction technique and hybrid technique. An experimental program is performed to study the mechanical response of this connection system in the longitudinal and transversal directions. Phase III is included a series of experimental tests are carried out on a single panel, on two and three jointed panels. Flexural responses of the panels, in short term, is analysed, including evaluation of the failure mechanism and the efficiency of the proposed connection system between panels in jointing sandwich panels. Additionally, the creep behaviour of the panels, which is a limiting factor for their serviceability design, is investigated. Numerical and analytical models are proposed and verified including capturing the local failure of the panel using experimental program. The proposed models are used to go further in-depth to understand capability of connection in jointing panels and influence of U-shape GFRP profiles in increasing flexural stiffness of the panels. Additionally, contribution of single sandwich panels components in total shear deflection is investigated. In the phase IV, the structural performances of the sandwich wall panels under axial loading condition are experimentally tested and thereafter analytically assessed in two cases: (i) single wall panels; (ii) two jointed wall panels. The influence of the proposed connection system on the axial load capacity of the jointed panels is analytically evaluated. In phase V, performances of the two floor prototypes to support typical load conditions of residential houses are also assessed. The experimental program is complemented with an extensive finite element modelling and analytical study to verify the experiments results and to obtain connection flexibility, load distribution factor and stress distribution within the floor modular components. Additionally, several parametric studies are developed using FEM models developed and validated by varying geometric aspect ratios and numbers of U-shape GFRP profiles to show potentiality of this structure to have more housing space and consequently to extend this concept for other markets.

No âmbito do Projeto I&D ClickHouse, uma habitação modular temporária foi proposta e desenvolvida para acomodar, em situações de urgência, famílias deslocadas, devido à ocorrência de e.g. desastres naturais. A habitação proposta é composta por uma estrutura porticada, painéis sanduíche e um sistema de conexão. A estrutura porticada e ligações são em perfis tubulares pultrudidos em polímeros reforçados com fibra de vidro (GFRP). Por sua vez, os painéis de sanduíche compósitos são constituídos por uma espuma de poliuretano (PU) no núcleo e lâminas de GFRP nas extremidades. Um novo sistema de conexão é proposto para a ligação de elementos adjacentes. Esta construção modular de alojamento temporário, pré-fabricada de acordo com a tecnologia de pultrusão (no caso da estrutura porticada e conexões), pode transportada a baixo custo para a área da instalação (devido ao peso reduzido e sistema embalamento), e ser fácil e rapidamente montada. No âmbito da presente tese, os seguintes programas de investigação, que contribuíram para os resultados do ClickHouse, foram desenvolvidos: (I) programa experimental de caracterização dos materiais; (II) o desenvolvimento/caracterização do sistema de conexão, (III) a avaliação do comportamento mecânico de um painel isolado, dois painéis e três painéis ligados entre si sob cargas de flexão; (IV) a avaliação do comportamento mecânico de um painel isolado e dois painéis ligados entre si sob carga axial; (I) performance/caracterização de dois protótipos de piso modular. A fase I é composta por amplo programa de ensaios dos materiais para o estabelecimento de relações constitutivas dos materiais constituintes do painel de sanduíche, ou seja, o núcleo de espuma PU, as lâminas de GFRP e a aderência entre estes dois materiais. Além disso, a resistência ao esmagamento das lâminas e perfis de GFRP para o caso de ligações mecânicas é também estudada nesta fase. Na fase II, um sistema de ligação é proposto para ligar painéis sanduíche de piso e de parede. O sistema de conexão proposto é composto de duas partes principais, nomeadamente (i) perfis GFRP em “U” integrados no contorno dos painéis e (ii) perfis retangulares em GFRP. A ligação entre painéis é por encaixe, sendo que os elementos (ii) realizam a respetiva ligação. Duas abordagens são usadas para estudar o comportamento mecânico dos painéis ligados: encaixe (apenas por atrito) e técnica híbrida (atrito e mecânica). Um programa experimental é realizado para estudar a resposta mecânica deste sistema de ligação nas direções longitudinais e transversais Na fase III inclui-se série de ensaios experimentais realizados num painel isolado, em dois e três painéis ligados entre si. A resposta à flexão dos painéis, a curto prazo, é analisada, incluindo a avaliação dos mecanismos de rotura e a eficiência do sistema de ligação. Além disso, o comportamento de fluência dos painéis, o que é um aspeto condicionante no dimensionamento deste tipo de painéis, é investigada. Modelos numéricos e analíticos são propostos e validados com recursos aos resultados experimentais obtidos. Os modelos propostos são posteriormente usados na compreensão da capacidade da ligação entre painéis no aumento da rigidez à flexão dos painéis. Além disso, a contribuição da deformação por corte na deformação dos painéis sanduíche é também investigada. Na fase IV, o desempenho estrutural dos painéis sanduíche de parede é testado experimentalmente, sob condições de carga axial, e posteriormente avaliados analiticamente, em dois casos: (i) painéis de parede isolados; (ii) dois painéis de parede ligados entre si. A influência do sistema de ligação proposto na capacidade de carga axial dos painéis é avaliada analiticamente. Na fase V, o desempenho de dois protótipos modulares é avaliada para as condições de carga típicas de habitações residenciais. O programa experimental é complementado com uma extensa simulação numérica e analítica para verificar os resultados experimentais e obter a flexibilidade de ligação, o fator de distribuição de carga e a distribuição de tensões nos componentes modulares do piso. Além disso, vários estudos paramétricos foram desenvolvidos utilizando modelos FEM para mostrar a potencialidade do sistema ser aplicável a estruturas de vãos superiores e, consequentemente, estender este conceito para outros mercados.