Evaluation of the modulus of elasticity of timber beams using non-destructive methods

Abstract

The traditional method to determine mechanical properties of timber is by conducting static tests, which are both time consuming and destroy the material. In addition, it is very challenging to perform static tests on timber structures in their operational state. With this thesis the authors aim to compare and evaluate various non-destructive methods to determine the modulus of elasticity of timber beams. The effects of damages and defects on the modulus of elasticity (MOE) of timber beams are also evaluated. This study identifies various non-destructive methods, three of which are chosen as test methods: Timber Grader MTG by Brookhuis, Operational Modal method and Smartphone method by Timbertech. Various support conditions are evaluated for the different nondestructive methods. The Timber Grader MTG is observed to be consistent for all the tested support conditions. The Operational Modal and Smartphone methods are very sensitive to support conditions. A simply supported condition with steel rollers is selected for the MOE evaluations. Six timber beams each of spruce and impregnated pine were on tested both edgewise and flatwise scenarios. Based on the selected support condition flatwise test setups produced more reliable results than the edgewise test setups for the Operational Modal method and the Smartphone method. The results of the tests indicate a good correlation between modulus of elasticity obtained from the three non-destructive methods for the timber beams however, results from static test may be used to assess the accuracy of those obtained from the non-destructive tests. Damages were induced in the beams by making holes at two different locations. The nondestructive methods correlates well when it comes to the modulus of elasticity in damaged beams, though the reliability of the different methods varies. The smartphone method appears to indicate the changes in dynamic modulus of elasticity due to damages, whereas the Operational Modal method only seems to indicate damages with changes in the higher modes of the beams. The Timber Grader MTG appears to indicate the existence of damages in beams but due to the nature of the test method it is suggested that the results be verified with static tests.

Den tradisjonelle måten å bestemme de mekaniske egenskapene til trevirke på er ved å gjennomføre statiske tester, noe som er både tidskrevende og det ødelegger materialet. I tillegg er det utfordrende å gjennomføre statiske tester på trekonstruksjoner i sin operative status. Forfatternes mål med denne oppgaven er å sammenligne og evaluere forskjellige ikke-destruktive metoder for å bestemme elastitetsmodul i trebjelker. Effekten av skader og feil på den statiske elastitetsmodulen i trebjelker blir også evaluert. Denne studien identifiserer forskjellige ikke-destruktive metoder, hvor tre metoder ble valgt som test metoder: Timber Grader MTG av Brookhuis, Operativ Modal metode og Smarttelefon metode av Timbertech. Forskjellige opplagerbetingelser ble evaluert for de forskjellige ikke-destruktive metodene. Timber Grader MTG ble observert til å være konsistent for alle de testede opplagerbetingelsene. Den operative modal metoden og smarttelefon metoden var veldig sensitiv til opplagerbetingelsene. En fritt opplagt betingelse med stål gildere ble valgt for å evaluere elastisitetsmodul. Seks bjelker hver av gran og impregnert furu ble testet på både stående og liggende scenarioer. Basert på den valgte opplagerbetingelsen, ga liggende testoppsett mer pålitelig resultater enn stående testoppsett med Operativ Modal metode og Smarttelefon metode. Resultatene viser en god korrelasjon mellom elastitetsmodulen gitt fra de tre ikkedestruktive metodene på trebjelkene, men resultater fra statisk testing kan benyttes for å vurdere nøyaktigheten av de oppnådde resultatene fra ikke-destruktive tester. Skader ble påført bjelkene ved å lage hull på to forskjellige plasser. De ikke-destruktive metodene korrelerer godt når det kommer til den elastitetsmodulen i skadete bjelker, men påliteligheten til de forskjellige metodene varierer. Smarttelefonmetoden virker å indikere endringen i dynamisk elastitetsmodul på grunn av skader, mens den Operative Modal metoden ser ut til å bare indikere skader med endringer i de høyere modene av bjelkene. Timber Grader MTG virker å indikere at det finnes skader i bjelkene, men på grunn av måten testingen gjennomføres anbefales det at resultatene verifiseres med statisk testing.