Aksial- og tverrbelastede gjengestenger i trekonstruksjoner

Abstract

Denne oppgaven undersøker oppførselen til lange skruer i limtre, utsatt for aksial- og tverrbelastning. Egenskapene som har blitt evaluert er i hovedsak stivhet, kapasitet og bruddmønster. En stor studie er nylig utført for rent aksialbelastede skruer, men det er fremdeles få studier med kombinert belastning. Forbindelsen er analysert ut fra eksperimentelle forsøk, numeriske simuleringer og analytiske beregningsmodeller.

Det ble utført 12 forsøk, hvor kun innskruingsvinkel ble endret. Vinkler fra 90° - 45° mellom skrue- og fiberretning er benyttet. I alle forsøk var kraft 90° på fibrene. Skruene var av typen SFS med diameter på 20 mm. Kraft-forskyvningskurver, bruddmønster og observasjoner fra forsøk, ble benyttet som sammenligningsgrunnlag for stivhet og kapasitet. Forsøksdataene viser at maksimal last reduseres som følge av økt tverrlast. Maksimal last for 90°, 75°, 60° og 45° ble henholdsvis 88 kN, 85 kN, 64 kN og 49 kN. Verdiene for 75° og 60° er gjennomsnittsverdier fra fem forsøk, mens de øvrige kun er basert på ett forsøk. I samtlige forsøk ble det brudd som følge av svikt i tregjengene. Generelt var maksimal last i forsøkene betydelig lavere enn for en rent strekkpåkjent skrue.

Numeriske simuleringer ble gjort med elementmetodeprogrammet Abaqus. Første del av kraft-forskyvningskurvene samsvarte godt med forsøkene for samtlige modeller. Best beskrivelse av kraft-forskyvningen ble oppnådd ved å bruke Hills flytekriterium. Ved bruk av dette flytekriteriet var det mulig å få svikt i tregjengene, slik som i forsøkene.

For å simulere sprekkdannelse og sprekkevekst i trematerialet, har XFEM (Extended Finite Element Method) i Abaqus blitt benyttet. Sprekker er modellert med LEFM (Linear Elastic Fracture Mechanics) og VCCT (Virtual Crack Closure Technique). Sprekkmodellering er et forholdsvis nytt felt, og de eksisterende materialmodellene for anisotrope materialer er mangelfulle. Resultatene ga sprekker som lignet sprekkmønster observert i forsøkene.

I oppgaven er det presentert mulige beregningsmetoder for stivhet og kapasitet. Analytiske beregningsmodeller for kombinert belastning er sammenlignet med forsøkene. Eurokode 5 har i dag ingen akseptert beregningsmetode for uttrekksstivhet og beregningsmodellen for stivhet på tvers av skrueakse er veldig forenklet. I oppgaven er det presentert en mulig modell for tverrstivhet, mens modell for uttrekksstivhet er hentet fra studier av Stamatopoulos og Malo. I Abaqus ble det laget en modell som ble sammenlignet med de analytiske stivhetsmodellene. Stivheten fra analysene i Abaqus viste seg å være mer følsom for tverrbelastning enn beregningsmodellene.

Beregningsmodellen i Eurokode 5 for kapasitet viser god overenstemmelse for rent uttrekk, men ser ut til å være konservativ ved kombinert belastning. En kapasitetsmodell for kombinert belastning etter Jockwer et al., ser ut til å stemme godt overens for alle vinkler benyttet i forsøkene.