An Experimental and Numerical Investigation of Stiffness in Dowel-type Connections

Abstract

Høye bygninger med treverk som bygningsmateriale vil være en viktig del av fremtidens konstruksjoner. Ikke bare fordi materialet er miljøvennlig, men fordi bygging i høyden er en av måtene å takle den stadig økende urbaniseringen på. Trekonstruksjoner er lette konstruksjoner som følgelig er sensitive for vibrasjoner som resultat av dynamiske laster. Stivheten til forbindelsene i slike konstruksjoner er avgjørende for å tilfredsstille krav til forskyvninger og vibrasjoner i bruksgrensetilstanden (SLS), slik at det ikke skal oppleves ubehagelig for mennesker som oppholder seg i konstruksjonene.

En av de mest brukte forbindelsene i trekonstruksjoner er dybelforbindelser med innslissede stålplater. Styrken til slike forbindelser er grundig utforsket, og kan fastsettes med høy grad av sikkerhet. Stivheten er det imidlertid knyttet større usikkerhet til, og dette gjør det utfordrende å lage en numerisk elementmodell som gir en tilfredsstillende representasjon av virkeligheten.

Hensikten med denne oppgaven var å gjennomføre eksperimentelle forsøk av dybelforbindelser som skulle gi data til utvikling av en fullparametrisk numerisk modell. Tre forskjellige dybelknutepunkt med ulik dybelkonfigurasjon, fiberretning og styrkeklasse ble utsatt for syklisk strekklast med varierende lastamplitude og middellast. De eksperimentelle resultatene ble først sammenlignet mot teoretiske verdier beregnet med Eurokoden og senere brukt for å optimalisere stivheten av to implementerte ringer nær dybelen i den numeriske modellen. Ringene ble introdusert for å representere initiell knusning og stivhet i en dybelforbindelse.

De eksperimentelle resultatene viste at Eurokoden i de fleste tilfeller underestimerte stivheten til forbindelsene, altså var den målte stivheten større enn den teoretiske. Stivheten til en forbindelse viste seg å bli større for store middellaster, og resulterte følgelig i større forskjell mellom målt og teoretisk stivhet. For den numeriske modellen viste ringen nærmest dybelen seg å ha større betydning enn den andre ringen. Numeriske simuleringer uten redusert stivhet i noen av ringene gav for stive resultater. Den numeriske modellen fra denne studien kan videreutvikles og optimaliseres slik at den kan brukes til å bestemme stivheten til et dybelknutepunkt av vilkårlig geometri.

Tall timber buildings will be an important part of the built environment in the future. Not only because the building material is environmentally friendly, but because building taller may be one of the best ways to deal with increasing urbanization. Timber structures are light weight structures sensitive to vibrations caused by dynamic loads. The stiffness of the connections in such structures is crucial in order to fulfill requirements regarding deflections and vibrations in serviceability limit state (SLS), such that the comfort level of occupants in the building is maintained.

One of the most used connection types in timber structures are dowel-type connections with slotted-in steel plates. The strength of such connections is thoroughly investigated and may be determined with a high degree of certainty. The stiffness, on the other hand, is associated with greater uncertainty. This makes it challenging to develop a numerical FE-model which gives a sufficient representation of the reality.

The scope of the present thesis was to produce experimental data as input to develop a fully parametric numerical FE-model. Three different dowel connections with different configuration, grain direction and strength class were exposed to cyclic tension load with varying load amplitude and mean load. The experimental data was firstly compared to theoretical values calculated with the Eurocode and secondly used to optimize the stiffness of two implemented rings close to the dowel in the numerical model. The rings were introduced in order to represent initial crushing and stiffness of a dowel-type connection.

The experimental results showed that the Eurocode for most cases underestimated the connection stiffness, i.e. the measured stiffness was higher than the theoretical. The stiffness increased for increased mean loading, and consequently gave bigger deviations between measured and theoretical stiffness. For the numerical model, the inner ring closest to the dowel proved to have larger influence than the outer ring. Numerical simulations without the reduced stiffness in the rings gave too stiff results. The numerical model from this study may be further developed and optimized, such that it can be used to determine the stiffness of a dowel-type connection of any geometry.