Limtre av furu utsatt for utmatting i skjær, og statisk skjær i kombinasjon med ortogonal strekk
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3030001Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Utmatting av trekonstruksjoner er et relevant tema i byggenæringen, der det bygges store bruer oghøye bygninger i tre. Det kreves derfor gode modeller til å dimensjonere trekonstruksjoner forutmattingslaster. De eksisterende dimensjoneringsmodellene for utmatting er derimot begrenset, somfølge av at det er manglende forskningsdata innenfor fagfeltet.
Hensikten med denne masteroppgaven er å videreføre tidligere arbeid gjort innenfor fagfeltetskjærutmatting av limtre i furu. Både statisk testing og utmattingstesting av furu (GL30h) hartidligere blitt gjennomført, og gitt et godt grunnlag for videre arbeid. Under arbeidet med dennemasteroppgaven ble det utført ytterligere 24 utmattingsforsøk på prøvestykker av furu (GL30h) vedlangsgående skjær. Av de 24 prøvestykkene ble 17 utsatt for en vekslende syklisk belastning vedspenningsforholdet R = -1, og de resterende 7 for en ensidig syklisk belastning ved R = 0.1. Etterforsøkene ble resultatene analysert med relevante modeller. Det ble videre utført statisk biaksiale testerved å kombinere langsgående skjærspenninger med ortogonale strekkspenninger på 8 prøvestykker, itillegg til 9 prøvestykker som kun ble påført statiske ortogonale strekkspenninger. Resultatene blebrukt til å vurdere tre bruddkriterium og nøyaktigheten til tidligere beregnede fastheter.
I kapittel 4 presenteres resultatene fra utmattingstestene på furu (GL30h) i ulike diagrammer,hovedsakelig S-N-kurver, som innebærer regresjonskurver av målepunkter avhengig av spenningsnivå påvertikalaksen og antall lastsykler i logaritmisk skala på horisontalaksen. I tillegg plottes resultatene forbåde R = -1 og R = 0.1 i et konstant utmattingsliv-diagram. Den lineære S-N-kurven ved R = -1 erfunnet til å være mer kritisk enn ved R = 0.1, da kurven er tydelig brattere og ligger under kurven forR = 0.1. Målepunktene tilhørende testene ved R = -1 viser antydninger til å flate ut ved laverespenningsnivåer. Dette bekreftes både ved kurvene som sammenligner høy- mot lavsyklus utmatting, ogen sigmoid-kurve tilpasset målepunktene, som dessuten korrelerer bedre enn den lineære S-N-kurven.Ved R = -1 gir kfat en tilstrekkelig dimensjoneringsmodell, men faktoren er for konservativ ved R =0.1. Videre er hverken spredningskurven eller den bilineære kurven foreslått av Mohr tilstrekkeligkonservative ved R = -1. Derimot er begge for konservative ved R = 0.1. Prøvestykker med fingerskjøt ibruddplanet virker å ha et lengre utmattingsliv enn de resterende ved R = -1. På nåværende tidspunkter det liten eller ingen sammenheng mellom konstant utmattingsliv-diagrammene for de utførte testeneog det tilsvarende diagrammet i NS-EN 1995-2:2004.
For å undersøke relevante egenskaper ved prøvestykkene, ble påført kraft plottet mot forskyvning forprøvestykkene testet ved R = -1. Her er det funnet at den elastiske stivheten til prøvestykkene følger ensigmoid-kurve for lavere spenninger og en bueformet kurve for høye spenninger. Videre er det funnettilfeldige forskyvningsmønstre i strekk og trykk, som tyder på at det studerte området påvirkes avandre krefter enn kun ren skjær. I tillegg til dette er det funnet høye korrelasjoner mellom endring ielastisk stivhet per lastsyklus og energispredning per lastsyklus, og mellom spenningsnivå og de toovernevnte egenskapene. Til slutt er det funnet at dempningsraten har en forventet positiv korrelasjonmed spredningsenergi per lastsyklus, og en uventet positiv korrelasjon med normalisert spenning.
Kapittel 6 inneholder resultater fra de statiske ortogonale strekktestene, der den midlere fastheten blemålt til 1.76 MPa. Den ortogonale strekkfastheten for GL30h i NS-EN 14080:2013 ble konkludert medå være for konservativ for gjeldende prøvestykker. I kapittel 7 er den statiske bruddspenningen forlangsgående skjær funnet etter biaksial testing med konstant ortogonal strekkspenning. Bruddspenningenble målt til 7.23 MPa, som er uventet høyere enn den statiske skjærfastheten, fu,furu, lik 6.93 MPa.Resultatene fra kapittel 6 og 7 er videre brukt til å vurdere bruddkriteriene Tsai-Wu og Tsai-Hill, ogbruddkrietriet i henhold til SIA 265:2003, i kapittel 8. Bruddkriterium Tsai-Hill virker å være mestnøyaktig, mens kriteriet i SIA 265:2003 er mest konservativt. Fatigue of timber structures is a relevant subject in the construction industry, where large woodenbridges and tall wooden buildings are built. Proper models are therefore required to dimension timberstructures for fatigue loads. The existing models are rather limited because of lacking experimentaldata in the field.
This master’s thesis aims to continue previous work on the field shear fatigue of glulam made of pine.Static testing and fatigue testing of pine (GL30h) have previously been conducted, laying a solidfoundation for further work. During the work on this master thesis, additional 24 fatigue tests wereconducted on test specimens of pine (GL30h), exposed to longitudinally shear. Of the 24 testspecimens, 17 were subjected to an alternating cyclic load at the stress ratio R = -1, and the remaining7 to a one-sided cyclic load at R = 0.1. After the tests, the results were analyzed with relevant models.Static biaxial tests were also performed on 8 test specimens by combining longitudinal shear stresseswith perpendicular tension stresses, in addition to 9 test specimens that were only applied staticperpendicular tensile stresses. The results were used to assess three fracture criteria and the accuracyof previously calculated strengths.
Chapter 4 presents the results from the fatigue tests of pine (GL30h) in various diagrams, mainly S-Ncurves, which are regression curves of measuring points depending on stress level on the vertical axisand the number of cycles on a logarithmic scale on the horizontal axis. In addition to this, a constantlife diagram is plotted for the results of R = -1 and R = 0.1. The linear S-N curve for R = -1 is morecritical than for R = 0.1, as the curve is steeper and is located below the curve for R = 0.1. Themeasuring points from the testing at R = -1 show tendencies to flatten at lower stress levels. This isconfirmed by the curves that compare high to low cyclic fatigue and a sigmoid curve adapted to themeasuring points, which correlates better than the linear S-N curve. At R = -1, kfat provides asufficient design model, but the factor is too conservative at R = 0.1. Further, neither the scatteringcurve nor the bilinear curve proposed by Mohr is sufficiently conservative by the stress ratio R = -1. Incontrast, both are too conservative at R = 0.1. Specimens with finger joints in the fracture planeappear to have longer fatigue lives than the rest at R = -1. There is little or no correlation between theconstant life diagrams and the corresponding diagram in NS-EN 1995-2:2004.
To investigate relevant properties for the test specimens, the applied force was plotted againstdisplacement during the testing at R = -1. Here it is found that the elastic stiffness of the testspecimens follows a sigmoid curve for lower stresses and a arcuate curve for high stresses. Furthermore,random displacement patterns in tension and compression indicate that the studied shear zone isinfluenced by forces other than pure shear. In addition to this, high correlations between changes inelastic stiffness per cycle and energy dissipation per cycle and between stress level and the twoproperties mentioned above are found. Finally, it is found that the damping ratio has, as expected, apositive correlation with dissipated energy per cycle and an unexpected positive correlation withnormalized stress.
Chapter 6 contains results from the static testing of perpendicular tensile stress, where the mean strengthwas measured to be 1.76 MPa. The perpendicular tension strength for GL30h in NS-EN 14080:2013 wastoo conservative for the current test specimens. In chapter 7, the static longitudinal shear strength wasfound from testing with constant perpendicular tension stress. The strength was measured to be 7.23MPa, which is unexpectedly higher than the static strength of pure shear, fu,pine = 6.93 MPa. Theresults from chapters 6 and 7 are further used to assess the Tsai-Wu and Tsai-Hill criteria and the failurecriterion according to SIA 265:2003, in chapter 8. The Tsai-Hill criterion seems to be the most accurate,while the criterion according to SIA 265:2003 is the most conservative.