Fullskalaforsøk og finite element analyse av limtrebjelker med hull armert mot tverrstrekk ved hjelp av lange, selvborende skruer

Abstract

Innføring av hull i limtrebjelker medfører store forstyrrelser i spenningsstrømmen i bjelken, blant annet introduseres det store konsentrasjoner av strekkspenninger på tvers av fibrene. Dette er uheldig for trematerialer ettersom de har særdeles lav fasthet mot strekkspenninger på tvers av fibrene i forhold til kapasiteten i aksialretningen. I likhet med beregningsregler for bjelker med hull er heller ikke forsterkningsmetoder nevnt i den nye Eurokoden. Nærmere studier og utvikling av enkle og effektive forsterkningsmidler, og beregningsmetoder for disse, vil være et steg på veien mot standardisering. Opp igjennom årene er det utviklet ulike forsterkningsmåter for denne type problemer, og de siste årene har denne utviklingen dreid seg mot anvendelsen av selvborende skruer. Utviklingen på skruefronten har tatt store steg og skruenes kapasitet og evne til å binde seg til treverket har steget betraktelig. Det ble utført forsøk på uttrekningskapasiteten til skruen, knekningsforsøk av forsterkede bjelker og FEM- modellering av bjelkeforsøkene. Forsøkssekvensen på bjelkene ble fulgt av et høyhastighetskamera og tøyningsanalyse av området rundt hullet i bjelken ble utført ved hjelp av fotogrammetri. Det ble benyttet splittede limtrebjelker slik at materialegenskapene i det splittede planet var tilnærmet like. De splittede bjelkene fra samme emne ble inndelt i type A og Type B. Det ble tatt ut hull i disse bjelkene henholdsvis 250 og 1250 millimeter fra venstre opplegg slik at effekten av moment kunne undersøkes. Bjelkene ble belastet med en punktlast slik at det var konstant skjær og varierende moment. Signifikant reduksjon av vertikale tøyninger i forsterket bjelke ble påvist. FEM- modellen oppnådde begrenset korrelasjon med bjelkeforsøkene, med en R2 på 0,27 for de to bjelketypene, noe som høyst sannsynlig skyldes feilkilder. Skruespenningene ble hentet ut fra modellen og sammenlignet med ulike beregningsmetoder for dimensjonering av forsterkning med selvborende skruer. Resultatene viser at samtlige beregningsmetoder er tilstrekkelig i tilfeller hvor forholdet mellom moment og skjærkraft (M/V- forhold) er lavt. Ved høyere M/V forhold avtar spenningene i den modellerte bjelken. Dette er uventet og skyldes høyst sannsynlig utilstrekkeligheter i modellen eller med løsningsmetoden. Armering mot tverrstrekk ved hjelp av selvborende skruer later til å være en enkel og effektiv måte å armere på. Det trengs likevel mer viten om hvordan M/V forholdet og bøyespenningene i skruen påvirker kapasiteten. When introducing a hole in a glulam beam it induces tension stresses perpendicular to the grain. Due to the orthotropic nature of wood its material properties includes weak tensile strength perpendicular to the grain compared to its axial capacity. Like holes in wooden beams, the new Eurocode does not treat reinforcement of holes. Over the years various methods of reinforcing glulam beams with holes have been developed. In the past decades attention has shifted towards reinforcement using self-tapping screws. The recent development of self-tapping screws has resulted in screws with higher axial capacity and better bonding with the wood material. Tests were made of the withdrawal capacity of the chosen screws. Also tests with reinforced beams and numerical analysis of a finite element model were carried out. The test sequence of the beam was tracked by a high speed camera, and strain measurements of the vicinity around the hole were done by close range photogrammetry. Two series of tests with different placement of the holes was carried out to examine how moment action made an impact on the stress flow. Significantly reduced strains were observed for reinforced beams. The FEM- model shoved somewhat poor correlation with the test results. R2 value of 0,27 in both cases counts for a weak linear correlation. These results are most likely due to obvious sources of error. Axial stresses from the screws were extracted from the model and compared to the design axial tensions from various calculation methods. In the case of a low moment to shear force ratio (M/V ratio) the design methods appears to be sufficient. For the higher M/V cases the FEM- model shoved declining axial stresses in the screw. This is highly unexpected and is most likely caused by an insufficient model or method of analysis. Reinforcement against perpendicular to the grain stresses by means of self-tapping screws has proven to be an easy and efficient method of reinforcement. Although it has proven to work in low M/V areas, more research is needed to determine how the moment and the bending stresses in the screw inflict upon the screw capacity.