Optimaliserte trebjelker for store spenn

Abstract

Formålet med denne oppgaven er å undersøke hvordan kapasiteten til trebjelker kan påvirkes ved hjelp av alternative geometriske utforminger. Dette blir gjort for å se om det er mulighet for utstrakt bruk av norske trematerialer og på denne måten oppnå miljøforbedringer.

For å bestemme treslag og alternative geometriske utforminger, herunder forspenning og tykkelse på lameller, utføres en litteraturstudie som danner grunnlaget for hvordan kapasiteten i bjelkene kan økes. Hoveddelen av oppgaven baseres på en digital optimalisering ved bruk av analyse i elementmetodeprogrammet Abaqus sammen med optimaliseringsprogrammet Isight. Først optimaliseres geometrien for å oppnå en gunstig forspenning, deretter analyseres forspente bjelker med treslag og lamelltykkelse valgt etter litteraturstudien. Dette resulterer i tre optimaliserte bjelker hvorav den ene er av C30 uten bruk av lameller og de andre to består av 16 millimeters lameller av henholdsvis bjørk og gjenbrukstre av gran. Alle tre blir sammenlignet mot referansebjelker. Referansebjelkene for sammenligning er standardbjelken GL 30c og to høykapasitetstrebjelker, Hasslasher og Baubuche.

Med bakgrunn i resultatene fra analysen og diskusjonen konkluderes det med at forspenning etter det optimaliserte tannbjelkeprinsippet øker kapasiteten med omtrent 40 prosent. Videre øker kapasiteten med 12 prosent når lamelltykkelsen senkes fra 40 til 16 millimeter. Når forspenning og 16 millimeters lameller brukes samtidig blir kapasiteten avhengig av materialvalg. Bjørk med middelshøy kvalitet gir kapasiteter på det doble eller høyere sammenlignet med GL 30c. Når gjenbrukstre av gran brukes oppnås noe lavere kapasitet, men fortsatt omtrent det doble av kapasiteten til GL 30c.

This report aims to examine how the capacity of timber beams are influenced when using prestress and changing the thickness of the lamellas. The purpose is to investigate the possibilities for extensive use of Norwegian wood, and thereby achieve the environmental benefits that follows.

To determine the wood species, the thickness of the lamellas and the method for prestress literature will be reviewed to constitute the initial design for the digital optimization of the beams. The main part of the thesis consists of a digital optimization with use of the finite element analyse program Abaqus complemented with the optimization program Isight. The first step is to optimize the geometry to achieve a favourable prestress, then prestressed beams with material and lamellar thickness according to the literature review will be analysed. This will result in three optimized beams where one is made of C30 without use of lamellas and the two others consist of 16 millimetres lamellas made by respectively birch and reused fir. These three are the beams that will be used to compare capacities. The reference beams for the comparison are the standard GL30c and two high-capacity beams by the product names Hasslasher and Baubuche.

Based on the results and the discussion that follows a conclusion is made where it states that prestress by using the optimized tooth beam concept will increase the capacity around 40 percent. Also, the capacity will increase by 12 percent when the thickness of the lamellas reduces from 40 to 16 millimeters. When prestress and 16 millimeters lamellas are used together the capacity will be as follows depending on the use of material, birch of good quality obtain double or higher capacity compared to GL 30c. When reused fir is chosen slightly lower capacity increase is reached, but still about the double of the GL 30c.