Limtre av furu utsatt for utmatting i skjær, og statisk skjær i kombinasjon med ortogonal strekk

Abstract

Utmatting av trekonstruksjoner er et relevant tema i byggenæringen, der det bygges store bruer og høye bygninger i tre. Det kreves derfor gode modeller til å dimensjonere trekonstruksjoner for utmattingslaster. De eksisterende dimensjoneringsmodellene for utmatting er derimot begrenset, som følge av at det er manglende forskningsdata innenfor fagfeltet.

Hensikten med denne masteroppgaven er å videreføre tidligere arbeid gjort innenfor fagfeltet skjærutmatting av limtre i furu. Både statisk testing og utmattingstesting av furu (GL30h) har tidligere blitt gjennomført, og gitt et godt grunnlag for videre arbeid. Under arbeidet med denne masteroppgaven ble det utført ytterligere 24 utmattingsforsøk på prøvestykker av furu (GL30h) ved langsgående skjær. Av de 24 prøvestykkene ble 17 utsatt for en vekslende syklisk belastning ved spenningsforholdet R = -1, og de resterende 7 for en ensidig syklisk belastning ved R = 0.1. Etter forsøkene ble resultatene analysert med relevante modeller. Det ble videre utført statisk biaksiale tester ved å kombinere langsgående skjærspenninger med ortogonale strekkspenninger på 8 prøvestykker, i tillegg til 9 prøvestykker som kun ble påført statiske ortogonale strekkspenninger. Resultatene ble brukt 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 på vertikalaksen og antall lastsykler i logaritmisk skala på horisontalaksen. I tillegg plottes resultatene for både R = -1 og R = 0.1 i et konstant utmattingsliv-diagram. Den lineære S-N-kurven ved R = -1 er funnet til å være mer kritisk enn ved R = 0.1, da kurven er tydelig brattere og ligger under kurven for R = 0.1. Målepunktene tilhørende testene ved R = -1 viser antydninger til å flate ut ved lavere spenningsnivåer. Dette bekreftes både ved kurvene som sammenligner høy- mot lavsyklus utmatting, og en 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 tilstrekkelig konservative ved R = -1. Derimot er begge for konservative ved R = 0.1. Prøvestykker med fingerskjøt i bruddplanet virker å ha et lengre utmattingsliv enn de resterende ved R = -1. På nåværende tidspunkt er det liten eller ingen sammenheng mellom konstant utmattingsliv-diagrammene for de utførte testene og det tilsvarende diagrammet i NS-EN 1995-2:2004.

For å undersøke relevante egenskaper ved prøvestykkene, ble påført kraft plottet mot forskyvning for prøvestykkene testet ved R = -1. Her er det funnet at den elastiske stivheten til prøvestykkene følger en sigmoid-kurve for lavere spenninger og en bueformet kurve for høye spenninger. Videre er det funnet tilfeldige forskyvningsmønstre i strekk og trykk, som tyder på at det studerte området påvirkes av andre krefter enn kun ren skjær. I tillegg til dette er det funnet høye korrelasjoner mellom endring i elastisk stivhet per lastsyklus og energispredning per lastsyklus, og mellom spenningsnivå og de to overnevnte egenskapene. Til slutt er det funnet at dempningsraten har en forventet positiv korrelasjon med spredningsenergi per lastsyklus, og en uventet positiv korrelasjon med normalisert spenning.

Kapittel 6 inneholder resultater fra de statiske ortogonale strekktestene, der den midlere fastheten ble målt til 1.76 MPa. Den ortogonale strekkfastheten for GL30h i NS-EN 14080:2013 ble konkludert med å være for konservativ for gjeldende prøvestykker. I kapittel 7 er den statiske bruddspenningen for langsgående skjær funnet etter biaksial testing med konstant ortogonal strekkspenning. Bruddspenningen ble 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, og bruddkrietriet i henhold til SIA 265:2003, i kapittel 8. Bruddkriterium Tsai-Hill virker å være mest nøyaktig, mens kriteriet i SIA 265:2003 er mest konservativt.

Fatigue of timber structures is a relevant subject in the construction industry, where large wooden bridges and tall wooden buildings are built. Proper models are therefore required to dimension timber structures for fatigue loads. The existing models are rather limited because of lacking experimental data 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 solid foundation for further work. During the work on this master thesis, additional 24 fatigue tests were conducted on test specimens of pine (GL30h), exposed to longitudinally shear. Of the 24 test specimens, 17 were subjected to an alternating cyclic load at the stress ratio R = -1, and the remaining 7 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 stresses with perpendicular tension stresses, in addition to 9 test specimens that were only applied static perpendicular tensile stresses. The results were used to assess three fracture criteria and the accuracy of previously calculated strengths.

Chapter 4 presents the results from the fatigue tests of pine (GL30h) in various diagrams, mainly S-N curves, which are regression curves of measuring points depending on stress level on the vertical axis and the number of cycles on a logarithmic scale on the horizontal axis. In addition to this, a constant life diagram is plotted for the results of R = -1 and R = 0.1. The linear S-N curve for R = -1 is more critical than for R = 0.1, as the curve is steeper and is located below the curve for R = 0.1. The measuring points from the testing at R = -1 show tendencies to flatten at lower stress levels. This is confirmed by the curves that compare high to low cyclic fatigue and a sigmoid curve adapted to the measuring points, which correlates better than the linear S-N curve. At R = -1, kfat provides a sufficient design model, but the factor is too conservative at R = 0.1. Further, neither the scattering curve nor the bilinear curve proposed by Mohr is sufficiently conservative by the stress ratio R = -1. In contrast, both are too conservative at R = 0.1. Specimens with finger joints in the fracture plane appear to have longer fatigue lives than the rest at R = -1. There is little or no correlation between the constant 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 against displacement during the testing at R = -1. Here it is found that the elastic stiffness of the test specimens 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 is influenced by forces other than pure shear. In addition to this, high correlations between changes in elastic stiffness per cycle and energy dissipation per cycle and between stress level and the two properties mentioned above are found. Finally, it is found that the damping ratio has, as expected, a positive correlation with dissipated energy per cycle and an unexpected positive correlation with normalized stress.

Chapter 6 contains results from the static testing of perpendicular tensile stress, where the mean strength was measured to be 1.76 MPa. The perpendicular tension strength for GL30h in NS-EN 14080:2013 was too conservative for the current test specimens. In chapter 7, the static longitudinal shear strength was found from testing with constant perpendicular tension stress. The strength was measured to be 7.23 MPa, which is unexpectedly higher than the static strength of pure shear, fu,pine = 6.93 MPa. The results from chapters 6 and 7 are further used to assess the Tsai-Wu and Tsai-Hill criteria and the failure criterion 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.