Buckling capacity of axially loaded screws in timber

Abstract

Denne avhandlingen har som mål å validere Alioso et al.’s nye matematiske tilnærming til knekking av skruer i treverk gjennom eksperimentelle tester og FEM-analyse. Effektene av vinkel og tetthet, som ikke ble vurdert i den opprinnelige studien, undersøkes også. Laboratorietestene benyttet skruer med diametre på 6, 8 og 10 mm med lengder fra 100 mm til 340 mm. Hver test involverte tre skruer, testet i vinkler på 0, 5 og 10 grader. Densiteten til limtreet ble også målt. Ingen av 6 mm skruene viste tegn til knekking, og ble dermed ikke vurdert videre. Disse eksperimentene ble deretter verifisert ved hjelp av FEM-analyse. Resultatene fra FEM-analysen samsvarte med de eksperimentelle resultatene. Resultatene fra denne studien viste at effekten av tetthet var langt mer betydelig enn det som ble antydet av tidligere beregningsmodeller. Skruens vinkel hadde også en betydelig effekt på kraften skruen kunne motstå. Gitt den store variasjonen som ble observert innen alle parametre som ble sortert etter, er det rimelig å anta at materialene har størst innflytelse. Selv om tre er et materiale med betydelig variabilitet, bør betydningen av stålet som brukes i skruen ikke undervurderes. Alioso et al.’s beregningsmodell viser seg å samsvare med eksperimentelle tester, spesielt for 8 mm testene. Imidlertid var det en avvik for 10 mm skruene, både i de eksperimentelle testene og FEM-analysene. Knekkeformen for begge skruedimensjonene var som beskrevet av Alioso et al. Årsaken til at 10 mm skruene hadde lavere knekningslast enn beregningene er ikke bevist. En hypotese er at det kan skyldes at større skruer har en høyere belastning, noe som fører til større knekkingskraft. Densitetsfunnene muliggjør denne hypotesen, da de viste at treverkets betydning for å støtte skruen er mer kritisk enn tidligere beregninger har antydet. Denne oppgaven bekrefter funnene til Alioso et al. Videre fremhever den en tidligere undervurdert faktor og dermed et kunnskapshull som krever ytterligere forskning for å forbedre den matematiske formuleringen.

This thesis aims to validate or challenge Alioso et al.’s work on timber screw buckling through experimental and FEM analysis. The effects of inclination and density, not considered in the original study, are also examined. The laboratory tests utilized screws of 6, 8, and 10 mm diameters with lengths from 100mm to 340mm. Each test involved three screws, tested at angles of 0, 5, and 10 degrees. The density of the timber specimens was also measured. None of the 6 mm screws underwent buckling, thus were not further evaluated. These experiments were then verified using FEM analysis, with the experimental findings being reproduced and compared with the results from the tests. The outcomes of the FEM analysis coincided with the experimental results. The results of this study demonstrated that the effect of density was far more significant than what was suggested by the calculation model. Similarly, the angle of the screw also had a significant effect on the force the screw could withstand. Given the large variation observed within all sorting parameters, it is reasonable to infer that the materials have the greatest influence. While wood is a material with significant variability, the importance of the steel used in the screw should not be underestimated. Alioso et al.’s calculation model proves to correspond with experimental tests, specially for the 8 mm tests. However, for the 10 mm screws, there was a deviation in both the experimental tests and FEM analyses. The buckling form for both screw dimensions was as described by Alioso et al. The reason for the 10 mm screws having a lower load capacity remains unclear, but one hypothesis is that it could be due to larger screws having a higher load, leading to greater buckling force. The density tests enabled this hypothesis, as they demonstrated the timber’s importance supporting the screw to be more critical than previous calculations have suggested. This thesis confirms the findings of Alioso et al. Moreover, it highlights a previously underestimated factor and thus a knowledge gap that requires further research to refine the mathematical formulation.