Shear reinforcement of cracked glulam beams

Abstract

Timber materials for construction have long traditions in Norway, mostly used for smaller and domestic buildings. The expansion of engineered timber such as glulam and CLT has made timber usable also in buildings where steel and concrete have been more prevalent. Such as industrial buildings, office buildings, schools, and sports halls. However, as these buildings age, they are oftentimes demolished when they no longer meet the requirements of modern structural design. To reinforce structural elements several methods have been established, depending on the properties one wishes to improve. Many involve the use of fibre reinforced polymer (FRP) bonded with wood adhesive, but screws and gap-filling glue are also in use. Although these methods of reinforcement do exist, they are not always used today as they are often extensive and cost of demolition and rebuild is relatively low. This paper focuses on whether cracks reduce the capacity of glulam beams. And also investigates a means of reinforcement where split glulam is added to the sides of a cracked beam using wood adhesive. First, whole beams and beams with sawn-in cracks were tested for bending with an asymmetrically placed load with the intent of provoking shear fracture. The resulting failure mode was a combination of crushing, bending and shear. Still, the capacity of the cracked and uncracked beams was significantly different. On average, the cracked beams the cracked beams experienced a reduction of capacity of 84 %. When evaluating the reinforcement method, the focus was on which on-site methods would produce a sufficiently strong glue line. Means of pressurisation, moisture content and surface coating were evaluated when deciding on an ideal gluing method. Painted surfaces or timbe with high moisture content will prevent the glue from bonding with the surface and cause severe delamination. The strongest glue lines were obtained by following the recommendations of the glue producer. The timber should be dry, 6-25 % MC, with as little difference as possible between the parts that are glued together, and the amount of glue somewhere between 1000 and 2000 g/m2. Pressure should be applied with either clamps or screws at each 400 mm at the upper and lower side of the beam. The presence of cracks can reduce the capacity of structural elements. This is mostly accounted for by using the reduction factor kcr, from Eurocode 5, when designing cross sections for shear capacity. But if the cracks are larger, reinforcements are necessary. When using glued-on split glulam for this the surfaces should be dry and not painted.

Tre som byggemateriale har lange tradisjoner i Norge, for det meste til bruk i boliger og andre småhus. Utbredelsen av bearbeidete treprodukter som limtre og krysslaminert tre har gjort det mulig å bruke tre i bygninger hvor man tidligere ville brukt stål og betong. Som i industri- og kontorbygninger, skoler og idrettshaller. Men etter hvert som disse bygningene blir eldre blir de ofte revet når de ikke lenger lever opp til moderne standarder for prosjektering. Flere metoder har blitt utviklet for å forsterke konstruksjonselementer avhengig av hvilke egenskaper man ønske å forbedre. Mange involverer bruk av forsterkede polymerer (FRP) og trelim, men skruer og lim til å fylle i spekker er også i bruk. Men selv om disse metodene finnes blir de ikke alltid brukt i dag da de ofte er omfattende, og kostandene ved rivning og gjenoppbygging er relativt lave. Denne oppgaven fokuserer på hvorvidt sprekker reduserer skjærkapasiteten til limtrebjelker. I tillegg til å undersøke en forsterkningsmetode hvor man limer splittet limtre på siden av oppsprukne limtrebjelker. Først ble hele bjelker og bjelker med innsagde sprekker testet for bøyning med en usymmetrisk last for å framprovosere et skjærbrudd. Det resulterende lastbildet va en kombinasjon as knusing, bøyning og skjær. Allikevel var forskjellen i kapasitet mellom bjelkene med og uten sprekker signifikant. Den gjennomsnittlige reduksjonen i skjærkapasitet var 84%. Under vurderingen av forsterkningsmetoden var målet å undersøke hvordan forsterkningen kunne foregå på en byggeplass og samtidig oppnå limfuger i henhold til kravene. Pressetrykk, fuktinnhold og overflatebehandling ble vurdert. Malte overflater og tre med høyt fuktinnhold vil forhindre limet fra å feste seg til overflaten og forårsake alvorlig delaminering. De sterkeste limfugene ble oppnådd ved å følge limprodusentens instruksjoner. Treet bø være tørt, 6-25 % MC, med så liten fuktforskjell som mulig mellom de to tredelene som skal limes sammen, og en limmengde på mellom 1000 og 2000 g/m2. Trykk bør påføres med tvinger eller skruer for hver 400 mm øverst og nederst på bjelken. Sprekker kan redusere kapasiteten til bygningsdeler. Dette er vanligvis tatt høyde for ved bruk av reduksjonsfaktoren kcr, fra Eurocode 5, når man dimensjonerer tverrsnitt for skjærkapasitet. Men dersom sprekkene er store, vil forsterkning være nødvendig. Når man bruker splittet limtre til dette bør overflatene være tørre og uten maling.