Numerisk analyse av limtrebjelke forsterket med karbonfiberarmert plastplate

Abstract

Forsterkningsteknikker med komposittmaterialer som fiberarmert plast (FRP) er metoder som har blitt mye brukt på betongkonstruksjoner. I de siste årene har det vært utført ny forskning på hvordan komposittmaterialer kan forbedre de mekaniske egenskapene til treelementer. Flere studier som har undersøkt samvirke mellom trevirke og karbonfiberarmert plast (CFRP) som forsterkning, har konkludert med at karbonfibrene vil føre til høy stivhetsøkning. CFRP har høy styrke og stivhet i forhold til vekt, og god holdbarhet ved fuktige miljøer. Disse fordelene har ført til at CFRP kan være en bra erstatning for metallarmering som forsterkning av trekonstruksjoner. Tre er et av de eldste byggematerialene som fortsatt er mye brukt i dag, i både store og små konstruksjoner, på grunn av dets gode mekaniske egenskaper og miljøegenskaper. Denne forsterkningsteknikken kan føre til et mer bærekraftig materialbruk da mindre tre og elementer av lavere trekvalitet vil utnyttes i nye bygg. CFRP kan i tillegg øke levetiden til gamle trebygg ved at man kan forsterke trekomponenter istedenfor utskiftning. I denne oppgaven har fokuset blitt rettet mot hvordan CFRP-plater av ulike lengder og tykkelser, brukt som forsterkning i strekksonen til limtrebjelke, vil påvirke bøyestivhet og spenningsfordeling i bjelkens lengderetning. Oppgaven har kun tatt for seg bruksgrensetilstanden, da dette ofte vil være dimensjonerende for en trebjelke. For å finne ut hvilke ytelser som kan tilføres en limtrebjelke ved bruk av en CFRP-plate, er det valgt å gjennomføre en elementmetode-analyse med ANSYS Mechanical APDL 2020 R2. ANSYS-modellen har blitt først verifisert ved å gjenskape resultater fra labarbeid utført i forskningsartikkelen «Experimental and analytical investigation on CFRP strengthened glulam laminated timber beams: Full-scale experiments», Vahedian et al. (2018), og deretter har åtte caser blitt modellert. Hver case har det samme statiske oppsettet, der to ulike platetykkelser og tre platelengder av CFRP har blitt undersøkt i alle kombinasjoner. Limtre og CFRP har i denne oppgaven blitt modellert som lineære elastiske materialer da analyseområde er innenfor bruksgrensetilstandens grenseverdier. ANSYS-modellen har gitt resultater som samsvarer med teorien på samvirke mellom limtre og CFRP-plater. Fra resultatene vil CFRP-plater bidra til en betydelig økt stivhet i limtrebjelken. Platetykkelsen gir et stivhetsbidrag under nedbøyning da resultatene viser at deformasjoner blir mindre. I tillegg viser økende platelengde å gi en stivere bjelke. Lengden av CFRP-platen spiller en større rolle ved fordelingen av strekkspenninger i fiberretning. I de casene hvor CFRP-platen er kortere enn 1300 mm har modellen vist en konsentrasjon av spenninger i limtreet ved enden av platen noe som kan føre til sprøtt brudd. Strekkspenningene i fiberretning blir forsterket ved tykkere plater da det fører til mindre spenningsfordeling. Casen som har oppnådd størst stivhet og lavest spenningskonsentrasjon i fiberretning er limtrebjelken med den lengste og tykkeste CFRP-platen.

Reinforcing methods using composite materials as fibre-reinforced polymer (FRP) are widely used methods in concrete structures. In recent years new research has been conducted on how composite materials can improve the mechanical properties of wood elements. Several studies have explored how wood and carbon fibre reinforced plastic, used as reinforcement, work together and concluded with a high increase in stiffness. CFRP has high strength and stiffness in relation to weight and good durability in moist environments. These benefits make CFRP a suitable replacement for metal as reinforcement in timber structures. Wood is one of the oldest construction materials still widely used today because of its good mechanical and environmental properties. This reinforcement method can lead to a more sustainable material use because less wood and lower grade wood can be used in new buildings. In addition, CFRP can increase the lifespan of old wood construction work as wood components can be reinforced instead of replaced. This thesis focuses on how CFRP plates with different geometries used as reinforcement can affect bending stiffness and strain distribution along the beam direction. The thesis has only considered the service limit state as this will often be dimensioning limit state for a wood beam. A finite element method analysis has been conducted in the program ANSYS Mechanical APDL 2020 R2 to view the benefits of CFRP reinforcement. The ANSYS model has been verified by recreating the results from the lab work done in the research article «Experimental and analytical investigation on CFRP strengthened glulam laminated timber beams: Full-scale experiments», Vahedian et al. (2018) and then, eight cases have been modelled. Each case has the same statical setup. However, two plate thicknesses and three plate lengths have been investigated in all combinations. The Glulam and CFRP have been modelled as linear elastic materials as the area of analysis are within the service limit states boundary values. The ANSYS model has given results that are valid according to the theory of reinforced glulam with CFRP. The plate thickness gives improved stiffness as the deflection decreases. The length of the CFRP plate has a significant impact on the stress distribution in the longitudinal direction. In the cases with a CFRP plate shorter than 1300 mm, the model showed a concentration of stresses in the glulam at the end of the plate, which can lead to brittle failure. The strains in the fibre direction increase with a stiffer CFRP plate as this leads to less stress distribution. The case with the highest stiffness and lowest stress concentration in the direction parallel to the grain is the longest and thickest plate.