Fatigue in Timber: A State of the Art Review, Modeling Investigations, and Fatigue Tests of Glued Laminated Timber in Shear
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2780069Utgivelsesdato
2020Metadata
Vis full innførselSamlinger
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Mengden av forskning på utmatting av tre er sparsom, noe som speiles i omfanget av de eksisterende dimensjoneringsreglene. Nye byggeprodukt av tre og følgelig større trestrukturer og -mengder gjør utvidelse av forskningsresultater på emnet nødvendig. Kapittel 1 av denne masteroppgaven gir en kort introduksjon av tre som et materiale. I de tre påfølgende kapitlene diskuteres forskjellige temaer og aspekter av temaet utmatting av tre. Kapitlene kan sees på som adskilte deler av oppgaven.
Kapittel 2 er en “state of the art” av utmatting av tre. Den klassiske fagterminologien for utmatting og et sammendrag av eksisterende forskning presenteres kortfattet, oppsummert som følger. Utmatting av tre består av både syklisk og statisk utmatting (kryp), hvorved henholdsvis antall sykler og tid fram til brudd er de avgjørende parameterne for utmattingsstyrke. Utmattingsstyrke er avhengig av lastvirkning og orientering, og i tillegg av forholdet mellom maksimal og minimal last i syklisk utmatting. Ulike trebyggeprodukt og -arter med ulike styrker viser seg å ha relativt lik utmattingsoppførsel når man betrakter de påførte lastene relativt til materialets maksimale statiske styrke. Videre er det ikke funnet noen utholdenhetsgrense for tre. Når det kommer til modellering av utmatting, argumenterer enkelte forfattere for at en bilineær kurve for styrkereduksjon etter antall sykler representerer oppførselen til tre best. I motsetning til dette bruker EC5 en lineær kurve. Statisk utmatting kan forekomme på grunn av ren statisk last, men kan også få bidrag fra elementer av syklisk last. I kapittelet er noen modeller og forskning på interaksjonen mellom syklisk og statisk utmatting presentert.
I kapittel 3 utforskes og diskuteres modellering og behandling av utmattingsdata. Ulike fremgangsmåter for normalisering av «constant life»-diagrammer er testet ut for å se hvordan fasongen endrer seg på de ulike sidene av y-aksen med hensikt å utvikle og diskutere en enkel, men konservativ dimensjoneringsmodell. I tillegg er det eksperimentert rundt å integrere effekten av last over tid.
I kapittel 4 beskrives og diskuteres utmattingsforsøk av limtreprøvestykker av styrkeklassen GL30c under skjærlast. Prøvene var av konstruksjonsstørrelse og ble testet med sinuslast som påførte prøvene rent trykk med R = 0,1 og vekslende last med R = -1. Testene med R = 0,1 skulle utvide allerede eksisterende arbeid, men med lavere testlast, noe som resulterte i tre nye datapunkter på f_max= 0,5 og en litt forandret helning av den normaliserte SN-kurven til A = -0,0845. Testene med R = -1 krevde et nytt testoppsett som endte med et modifisert prøvestykke som kunne settes direkte inn i den hydrauliske maskinen etter et mislykket utformet gripestykke av stål. Den oppnådde normaliserte SN-kurven for R = -1 ble regressert gjennom 13 testpunkter på tre forskjellige belastningsnivåer f_max= 0,4, 0,5 og 0,6 og hadde en helning på A = -0,107. Resultatene stemte godt med antagelser gjort basert på eksisterende litteratur. I tillegg til å telle sykler, ble tøyningene i skjæresonen målt i to kryssende diagonaler ved hjelp av instrumenter. G-modulene ble beregnet fra plottede hysteresesløyfer ga et gjennomsnitt på 366,1 MPa, noe som er lavere enn beregnet før for lignende prøver. Den gjennomsnittlige dissipasjoneenergien i løpet av en lastsyklus beregnet ved starten og slutten av testene ga henholdsvis 2,42∙10-5 Nm/m3 og 3,4∙10-5 Nm/m3. De respektive dempningskoeffisientene ble beregnet til ξ_start = 1,42∙10-4 og ξ_slutt = 1,99∙10-4. Det antas at det forekommer feil i enten målinger eller beregninger eller på grunn av en unøyaktighet i oppsettet, ettersom noen verdier av den beregnede dissipasjonsenergien var negative. Performed research on fatigue in timber is sparse, which is mirrored in the amount of available dimensioning rules. New timber products and the evolution of larger timber structures and correspondingly increased loads forces an increase in research on the topic. Chapter 1 of this thesis gives a brief introduction of timber as a material. The three following chapters discuss different settings and aspects of the topic of fatigue in timber and can be considered as separate parts of the thesis.
Chapter 2 presents a review of the state of the art of fatigue in timber. Hereunder, the classical fatigue terminology and a review of earlier research on the topic are included, which is briefly summarized in the following. Fatigue in timber includes both cyclic and static fatigue (creep), whereby the number of cycles and time to failure are the parameters determining the fatigue strength, respectively. The fatigue strength is dependent on loading modes and material orientation for both categories of fatigue, and, additionally, stress ratio for cyclic fatigue. Different wood products and species with different strengths do often have similar fatigue behavior when considering loads relatively to the ultimate material strengths. Furthermore, no endurance limit has been stated for timber. Considering fatigue modeling, some authors argue for a bilinear S-N curve, in contradiction to the applying model in the Eurocodes. Considering static fatigue, it might result from pure static load, however, a cyclic load can also be decomposed into elements of static loads and thus contribute to static fatigue. In the chapter, some models and research regarding the interaction between cyclic and static fatigue is presented.
In Chapter 3, the modeling and treatment of fatigue test data is investigated and discussed. Different approaches of normalization of constant life diagrams are tested to investigate the change of shape on both sides of the y-axis aiming at deriving and discussing a simple but conservative dimensioning model. Furthermore, experimenting on the integration of the duration of load effect in S-N curves and constant-life diagrams is discussed.
Chapter 4 presents results and discussions on fatigue tests of glued laminated timber specimens of strength class GL30c in shear. The specimens are of structural size and tested with a sinusoidal load in pure compression with R = 0.1 and alternating load with R = -1. The purpose of the tests with R = 0.1 is to extend already existing work with lower test loads, resulting in three new data points of f_max = 0.5 and a slightly changed slope of the normalized S-N curve to A = -0.0845. The testing with R = -1 required a new test set up, ending up with a modified specimen to fit directly into the hydraulic machine after an unsuccessfully designed specimen grip of steel. The obtained normalized S-N curve for R = -1 is regressed through 13 test points on three different load levels f_max = 0.4, 0.5, and 0.6 and has a slope of A = -0.107, fitting well to literature. In addition to counting cycles, the strains in the shear zone are measured in two crossing diagonals. The G-modulus is calculated from plotted hysteresis loops, giving an average of 366.1 MPa, which is lower than calculated for similar specimens in earlier work. The average dissipated energy in a cycle calculated at the start and the end of the tests gives 2.42∙10-5 Nm/m3 and 3.4∙10-5 Nm/m3, respectively. The respective damping coefficients are calculated to ξ_start = 1.42∙10-4 and ξ_end = 1.99∙10-4. It is assumed that some calculation results giving negative dissipated energy is a result of errors in either measurements, calculations methods or inaccuracies in the experiment setup.