En konseptstudie av momentstiv treforbindelse med bruk av gjengestenger og stålplater

Abstract

Masteroppgaven er en del av forskningsprosjektet Woodsol, som er en pågående studie av knutepunkter i limtrekonstruksjoner med bruk av gjengestenger som forbindelsesmiddel. Det er i masteroppgaven undersøkt en momentstiv søyle-bjelke forbindelse med bruk av gjengestenger, som er utviklet av Kjell Arne Malo.

Det var ønskelig å utvikle en søyle-bjelke forbindelse med høy rotasjonsstivhet, som samtidig skal være enkel å montere på byggeplass. I tillegg var det ønskelig å oppnå god kapasitet og duktilitet. Søyle-bjelke forbindelsen som er undersøk i denne oppgaven, består av tre stålplater koblet sammen med fire friksjonsbolter. Bjelkeforbinderen er koblet til innskrudde gjengestenger i limtrebjelken og søyleforbinderen er koblet til innskrudde gjengestenger i limtresøylen. Gjengestengene ble tredd på hylsene, som er sveist på bjelkeforbinderen/søyleforbinderen.

Analytiske beregninger med bakgrunn i litteraturstudiene ble gjennomført for søyle-bjelke forbindelsen. Kapasiteten og rotasjonsstivheten til forbindelsen ble beregnet. Det ble brukt to beregningsmodeller for rotasjonsstivheten til søyle-bjelke forbindelsen, en fra professor Harris Stamatopoulos og en fra professor Martin Cepelka. I tillegg ble det brukt to ulike teorier for uttrekksstivhet av gjengestenger, i beregningene. De analytiske beregningene av rotasjonsstivheten samsvarte bra med resultatene fra de eksperimentelle forsøkene.

Det ble utført ni eksperimentelle forsøk på laboratoriet av søyle-bjelke forbindelsen. Limtrekvalitet GL30c ble brukt i alle forsøkene, hvor limtrebjelkene hadde dimensjon bxh = 140x405 mm og limtresøylen hadde dimensjon bxh = 140x450 mm. Limtrebjelken ble belastet 2.3 m fra limtresøylen. For de åtte første forsøkene ble det lastet syklisk i det elastiske området. Det ble lastet i tre ulike lasttilfeller, da i trykk, strekk og om 0 kN. Forsøk 9 ble lastet til makslast og lastet syklisk om 0 kN. To versjoner av bjelkeforbinderen ble benyttet, og det ble testet med og uten skjærskruer i limtrebjelken.

Søyle-bjelke forbindelsen viste gode egenskaper i laboratoriet. I tillegg viste den god monteringsvennlighet. Rotasjonsstivheten til forbindelsen varierer om den er lastet i lasttilfellene trykk, strekk eller om 0 kN. Ved lasttilfelle trykk ble rotasjonsstivhet i området 5400-6000 kNm/rad og i lasttilfelle strekk ble den 4800-5000 kNm/rad. Lasttilfelle om 0 kN gav dårligere resultater enn lasttilfellene strekk og trykk. Det ble også beregnet energidissipasjon og ekvivalent viskøs dempingstall, hvor ekvivalent viskøs dempingstall ble 0,10 for lasttilfelle trykk og 0,11 for lasttilfelle strekk.

Søyle-bjelke forbindelsen gikk til makslast ved 37,5 kN i jekken. Det er vanskelig å oppgi eksakt grunn til hva som forårsaket makslasten, da det oppstod slipp og oppsprekking i kapasitetsforsøket. Søyle-bjelke forbindelsen ble også lastet syklisk til makslast om 0 kN, hvor det oppstod slipp ved omtrent +/- 30 kN. Duktiliteten ble beregnet til å være 4.0 ved makslast. For syklisk lasting om 0 kN ble duktiliteten beregnet til å være i området 1.2-5.8.

This master thesis is a part of the research project Woodsol, which is an ongoing study of joints in glulam constructions with the use of long threaded rods as fasteners. In this master thesis a column-beam connection is surveyd, that is devoleped by Kjell Arne Malo.

It was desirable to develop a column-beam connection with a high rotational stiffness, but at the same time that is easy to mount at the building site. In addition, it also was desirable to achieve good capacity and ductility. The column-beam connection that is surveyed in this thesis, consist of three steel plates connected with four friction bolts. The beam connector is connected to screwed in threaded rods in the glulam beam, and the column connector is connected to screwed in threaded rods in the glulam column. The threaded rods were connected to welded sleeves on the steel plates.

Analytical calculations with background in literature studies was conducted for the column-beam connection. The capacity and rotational stiffness to the connection was calculated. Two calculation models for the rotational stiffness for the column-beam connection were used, one from Professor Haris Stamatopoulus and one from Professor Martin Cepelka. In addition, it was used two different theories for the withdrawal stiffness of the threaded rods to calculate the rotational stiffness. The analytical calculations of the rotational stiffness correlated well with the results from the experimental tests.

It was conducted nine experimental tests in the laboratory of the column-beam connection. Glulam quality GL30c was used in all the tests, where the glulam beam had the dimensions bxh = 140x405 mm, and the glulam column had the dimensions bxh = 140x450 mm. The glulam beam was loaded 2.3 m from the glulam column. The first 8 test were loaded in the elastic range, where it was three load cases; compression, tension and about 0 kN. Test 9 was loaded until max load, in addition it was also loaded cyclic until max load about 0 kN. Two versions of the beam connector were used, and it was tested with and without shear screws in the glulam beam.

The column-beam connection showed good characteristics in the laboratory. The rotational stiffness of the connection varied for the different load cases, compression, tension and about 0 kN. With the load case compression, the rotational stiffness was about 5400-6000 kNm/rad, and with the load case tension it was about 4800-5000 kNm/rad. The load case about 0 kN gave lower results than the load cases compression and tension. The energy dissipation and the equivalent viscous dampening was also calculated. For the load case compression the equivalent viscous dampening was equal to 0.10 and for the load case tension the equivalent viscous dampening was equal to 0.11.

The column-beam connection reached max load equal to 37.5 kN in the jack. What caused the max load is difficult to determine, it appeared cracks in the glulam column and slip in the connector. The column-beam connection was also loaded cyclic to max load about 0 kN, where max load appeared at about +/- 30 kN. The ductility was calculated to be 4.0 for the first max load, and between 1.2-5.8 for the cyclic loading.