Moment-rigid connections and large storage halls in timber

Abstract

Denne masteroppgaven har vært en del av et pågående arbeid ved NTNU om å utvikle en momentstiv forbindelse for trekonstruksjoner. Denne oppgaven presenterer en ny bjelke-til-bjelke forbindelse som benytter lange gjengestenger skrudd inn i trebjelkenene i en vinkel til trefibrene, spesiallagde stålbraketter som kobler alle gjengestengene til en felles stålplate og høyfaste bolter. To versjoner av forbindelsen er utviklet: en 2D versjon som skjøter to parallelle bjelker, og en 3D versjon som skjøter fire bjelker som står vinkelrett på hverandre. 2D versjonen av forbindelsen har blitt testen i et fullskala forsøk med limtrebjelker av dimensjoner 165x495 mm^2. Hovedformålet med forsøket var å sammenligne stivheten til den skjøtte bjelken med dens initialstivhet. Resultatene viser at den skjøtte bjelken kan modelleres som en kontinuerlig bjelke med et mykere segment plassert der forbindelsen er. Det mykere segmentet bør ha en redusert stivhet på 0.23E, og bør være like lang som to ganger bjelkehøyden, dvs. 990 mm.

To innledende forsøk ble utført før eksperimentet av den momentstive forbindelsen. Det første innledende forsøket undersøkte metoden benyttet for å forspenne de høyfaste boltene benyttet i forbindelsen. Den europeiske standarden 1090-2 gir en forspenningsprosedyre, den kombinerte metoden, og krav til forspenning. Tre ulike boltesammensetninger ble testet, og alle resulterte i en nødvendig justering av prosedyren for å oppnå den krevde forspenningen.

Det andre innledende forsøket var en studie av friksjonsskriver, da disse var skulle inkluderes i den momentstive forbindelsen. To alternative skivematerialer ble testet for å undersøke effekten de hadde under syklisk last. De to aktuelle skivematerialene var aluminium EN AV 5754 H32 og hardox 450 stål. Boltene sammensatt med hardoxskiver viste seg å opprettholde forspenningen best gjennom testen.

I tillegg til det eksperimentelle arbeidet utført i denne oppgaven, er et konseptuelt kapittel inkludert. Kapittelet undersøker praktiske anvendelser av den momentstive forbindelsen, med særlig oppmerksomhet gitt til bæresystemet til lagerhaller.

This master’s thesis has contributed to the ongoing development of a moment-rigid connection for timber structures at NTNU. This thesis presents a beam-to-beam connection utilizing long, threaded steel rods embedded at an angle to the timber grain, purpose-made steel brackets connecting all threaded rods to a common steel plate, and high-strength friction bolts. Two configurations of the connection have been developed: a 2D configuration connecting two parallel beams, and a 3D configuration connecting four perpendicular beams. The 2D configuration has been tested in a full-scale experiment with glue laminated timber beams 165x495 mm^2. The main objective of the experiment was to compare the stiffness of the spiced beam to its initial stiffness. The results show that the spliced beam can be modeled as a continuous beam with a softened section at the location of the connection. The softened section should have a reduced stiffness of 0.23E and extend twice the beam height, i.e. 990 mm.

Prior to the experiment of the moment-rigid connection, two introductory experiments were conducted. The first introductory experiment investigated the procedure for preloading the friction bolts included in the connection to reach a target preloading. European standard 1090-2 provides a preloading procedure, the combined method, and the target preloading. Three different bolt assemblies were tested, and all resulted in a necessary alteration of the procedure in order to reach the target preloading.

The second introductory experiment was a study of friction shims, as friction shims were intended to be included in the connection. Two alternative shim materials were tested to investigate the effect they would have on the behavior of a friction bolt subjected to cyclic loading. The current alternatives were aluminum EN AV 5754 H32 and hardox 450 steel. The hardox shims were found to maintain the preloading better throughout the test.

As an addition to the experimental work in this thesis, a conceptual chapter is included. The chapter covers practical applications of the moment-rigid connection, with particular attention to the primary structure of storage halls.