An assessment of the design model for glulam members subjected to compression perpendicular to the grain with reinforcement

Abstract

This master thesis presents an empirical assessment of glulam subjected to compression perpendicular to the grain (CPG) with reinforcement. prEN 1995-1-1 will replace the current Eurocode 5, NS-EN 1995-1-1 - Design of timber structures. prEN 1995 introduces a design model concerning reinforced members subjected to CPG. However, there is a gap in knowledge concerning the proposed design model and experimental data.

Demanding design situations with CPG occur in timber structures with high concentrated loads. The consideration of CPG introduces complexity into the design process due to the reduced bearing strength of the member in the perpendicular direction. However, the bearing strength can increase considerably by reinforcing the member with fully threaded self-tapping screws. For members subjected to CPG with reinforcement, three failure modes may occur; failure due to pushing-in of screws, buckling of screws, or timber failure. These failure modes give the basis of determining the decisive capacity in the design model, prEN 1995-1-1.

In this study, the reliability of the design model is investigated through experimental tests. The load cases considered are discrete support with a concentrated or uniformly distributed load. Moreover, the capacity of one screw without the timber contribution is tested by torx tests. The reinforcement applied has varying lengths, diameters, screw heads, and screw arrangements.

The comparison of the design model and test results present an inaccuracy in the design model. For some configurations, the predicted failure mode is not corresponding to the achieved failure mode in the tests. In addition, the overall predicted capacity is overly conservative. Despite the inaccuracies, the evaluation of the first part of the design model presents a good correlation between the predictions and test results.

This study considers the possibility of harmonizing the design model, and two proposals are presented. Proposal 1 is a modification of the design model in prEN 1995, where the kc,90 is evaluated. Proposal 2 is derived based on stress concentration along the effective dispersion length. The study of this thesis strengthens the scientific data of reinforced members subjected to CPG. Proposal 2 enlightens another aspect of the stress consideration at the tip of the screws. The approach corresponds with test capacities and failure modes.

Denne masteroppgaven omhandler en empirisk evaluering av trykk vinkelrett på fiberretning (CPG) i et armert limtreelement. prEN 1995-1-1 vil erstatte dagens Eurokode 5, NS-EN 1995-1-1 - Prosjektering av trekonstruksjoner. prEN 1995-1-1 introduserer en beregningsmodell for CPG med armering. I denne beregningsmodellen er det et kunnskapshull knyttet til nøyaktigheten i modellen, dette har sin bakgrunn i begrenset tilgang på eksperimentelle tester.

Utfordringer relatert til CPG oppstår i trekonstruksjoner med høye konsentrerte laster. CPG er et krevende område i dimensjoneringsprosessen. Dette er knyttet opp til treverkets reduserte bæreevne vinkelrett på fiberretning. Kapasiteten kan økes betraktelig ved å forsterke trevirke med helgjengede skruer. Tre feilmekanismer kan oppstå ved CPG for armerte elementer: Svikt på grunn av innpressing av skruer, knekking av skruer eller svikt i trevirket. Feilmekansimene gir grunnlag for bestemmelse av dimensjonerende kapasitet i bergeningsmodellen gitt i prEN 1995-1-1.

I denne studien er beregningsmodellens pålitelighet evaluert gjennom eksperimentelle tester. Lastsituasjonene som vurderes er en fritt opplagt bjelke med én punktlast eller jevnt fordelt last. I tillegg testes kapasiteten til én skrue uten å belaste trevirket gjennom torx-tester. Skruene som benyttes som armering har varierende lengde, diameter, skruehode og plassering.

Sammenligningen av beregningsmodellen og testresultatene viser en uoverensstemmelse. For flere av konfigurasjonene samsvarer ikke den beregnede feilmekanismen med det som ble påvist i de utførte testene. Med bakgrunn i testene er den beregnede kapasiteten i overkant konservativ. Til tross for unøyaktighetene, viser evalueringen av den første delen av beregningsmodellen en høy korrelasjon mellom testresultatene og modellen.

I denne studien er det i tillegg evaluert muligheten for å harmonisere beregningsmodellene for CPG i henholdsvis armert- og uarmert limtre og to forbedringsforslag presenteres. Forslag 1 er en modifisering av beregningsmodellen i prEN 1995, hvor kc,90 er evaluert. Forslag 2 er utledet basert på en spenningskonsentrasjon langs den effektive spredningslengden.

Denne oppgaven styrker de vitenskapelige dataene til armerte limtreelementer utsatt for CPG. Forslag 2 belyser et annet perspektiv med hensyn til spenningskonsentrasjonen ved tuppen av skruen. Dette forslaget til modifisering samsvarer godt med feilmekanismene og kapasitetene oppnådd i testene.