Store dybelforbindelser i fagverksbruer av tre : analyse av sprø bruddmekanismer og global oppførsel

Abstract

De senere årene har et økt fokus på bruk av tre som materiale ført til oppføring av en rekke nye trebruer i Norge. Disse trebruene har som oftest vært av grovere dimensjoner grunnet store lastpåkjenninger. Det eksisterer i dag flere utfordringer knyttet til brukonstruksjoner av tre, men den mest fremtredende utfordringen er å danne forbindelser med tilstrekkelig kapasitet. Slike forbindelser er oftest flersnittede, og utføres med en kombinasjon av dybler av grove dimensjoner og innslissede stålplater. I tidligere studier har det blitt synliggjort at en økning av dybeldimensjoner, kombinert med høyere dybelfasthet, kan føre til økt risiko for svikt i tredelen, og at dette videre blir kritisk for kapasiteten til forbindelsen. Disse studiene har samtidig belyst hvorvidt de teoretiske beregningsmetodene for forbindelser med store dybler er tilstrekkelige. Med utgangspunkt i uklarhetene rundt dimensjonering av flersnittede forbindelser og sprø bruddmekanismer i Eurokode 5, er det et tydelig behov for en bedre forståelse rundt problematikken for å opprettholde sikkerheten ved dimensjonering. Denne oppgaven er delt i tre deler. Første del er en litteraturgjennomgang av grunnleggende dynamikk og forbindelsesteori knyttet opp mot brukonstruksjoner. Den andre delen behandler ulike metoder for beregning av kapasitet mot blokkutriving og en empirisk studie av disse beregningsmetodene anvendt på en case - Bliksland bru. I den tredje delen implementeres virkelige stivheter fra det empiriske studiet i forbindelsene som modelleres i FEM-Design. Hvor innvirkningen av disse stivhetsendringene i forbindelsen på det globale systemet blir analysert. Gjennom resultatene fra det empiriske studiet i denne oppgaven, fremkommer det at ved bruk av de ulike beregningsmetodene for blokkutriving er det store forskjeller ved både fremgangsmåte og beregnede kapasiteter. I knutepunktene hvor blokkutrivningskapasiteten ved de ulike beregningsmetodene var over dimensjonerende kapasitet, regnes forbindelsen som tilstrekkelig. Men i tilfellene hvor blokkutrivingskapasiteten var lavere enn knutepunktets dimensjonerende kapasitet, antydet dette at det var en faktisk risiko for bruddmekanismen – og det ble av den grunn nødvendig med utbedringer av forbindelsene. Disse utbedringene kan omfatte endring(er) av dybeldiameter, innbyrdes avstander, kant-/endeavstander og limtrekvalitet. Når en så gjør slike endringer vil dette påvirke knutepunktenes utforming og derav tilhørende stivheter - som igjen har innvirkning på brukonstruksjonens oppførsel. Analysen gjort av case-studiet illustrerer at aksialstivheten i forbindelsen gir merkbare utslag både på de statiske og dynamiske resultatene. Dette er sannsynligvis som følge av at inputverdiene for aksialstivheten i forbindelsen er lavere enn aksialstivhetene til bjelkeelementene, som indikerer at brukonstruksjonens aksialstivhet “styres” av forbindelsene.

For the past several years, an increased focus on the usage of timber as a structural material has led to the construction of new timber bridges in Norway. Due to heavy load stresses, these wooden bridges have frequently been made of large dimensions. Today, there are several challenges related to the construction of timber bridges, and the most prominent challenge is to create connections with sufficient capacity. Such connections are typically high capacity connections with multiple shear planes, and are often implemented with a combination of large diameter dowels and slotted-in steel plates. In previous studies, it has been shown that an increase of dowel diameter, combined with increased dowel capacity, can lead to timber failure at the joint area and becomes more easily critical for the capacity of the connection. These studies have also highlighted whether the theoretical calculation models for connections with large dowels are sufficient. Based on the uncertainties surrounding the design of connections with multiple shear planes and brittle failure mechanisms in Eurocode 5, there is an apparent need for a better understanding of the issue to maintain safety in design. This thesis is divided into three parts. The first part is a literature review of basic dynamics and connection theory related to bridges. The second part deals with different methods for calculating capacity of block shear failure in addition to an empirical study of these calculation methods applied to the case – Bliksland bru. In the third and final part, actual stiffnesses from the empirical study are used in the connections that are modelled in FEM- Design. The impact of change of stiffnesses in the connection on the global system is then analysed. Based on the results from the empirical study it appears that there are major differences in both approach and calculated capacities between the different calculation models of block shear failure. In the connections where the block shear capacity of the different calculation methods were above design capacity, the connections are considered adequate. In the cases where the block shear capacities were below the design capacity of the connection, it suggested that there was an actual risk for the failure mechanism – and for that reason it was necessary to alter the connections. These alterations may include change(s) of dowel diameter, spacings, edge-/end distances and glulam quality. Making these changes will affect the geometrical design of the connection and hence associated stiffnesses – which in return affects the global response. The analysis of the case demonstrates that axial stiffness in the connection has noticeable effects on both the static and dynamic results. This is most probably caused by the fact that the input values for the axial stiffness in the connection are lower than for the axial stiffness of beam elements, which further indicates that the systems axial stiffness are “governed” by the connections.