Numerical and experimental analysis of one- and two-sided moment-resisting timber connection using threaded rods and steel coupling parts
Abstract
This master’s thesis is a part of the research project WOOD frame SOLutions for free space design in urban buildings. The research carried out in this thesis aims to contribute to the development of a moment-resisting timber connection for use in multi-story timber buildings. Beam-to-column connections with threaded rods and steel coupling parts were investigated.
A configuration researched in previous work and a newly development of this configuration is investigated in this thesis. The work done in this thesis seeks to examine the technical properties and behavior of these moment-resisting timber connections:
1. Rotational stiffness
2. Energy dissipation and viscous damping
3. Ductility
4. Stress distributions occurring in the timber column
The work of this thesis was divided into two parts. A proposal for a parametric script was developed through the finite element analysis software, Abaqus CAE. The parametric script was used to analyze the two configurations for both one- and two-sided connections. However, the model was not fully verified due to its complexity. To strengthen the reliability of the parametric model, two full-scale experimental tests were performed in the Construction testing laboratory at the Department of Structural Engineering, NTNU, Trondheim. The experiments concern a rotational stiffness test and a seismic capacity test. Both tests embraced threaded rods inserted in the timber column, several threaded rods inserted in the timber beam, and steel coupling parts connecting the column and beam. Both the numerical and the experimental results were used to examine the technical properties and behavior.
Results obtained from the parametric model and experimental testing seem promising. The numerical results have been reasonably verified in comparison with experimental results, and a comparison of experimental results shows signs of development. The parametric model with Python scripting has been a valuable tool for obtaining all numerical results efficiently.
Further work with the moment-resisting connection may be to perform experimental tests of a two-sided configuration to compare with the numerical results. This will contribute to making the numerical model more reliable and provide valuable knowledge of two-sided configurations. The parametric model composed in this thesis has great potential to perform parameter studies, and further research may use the potential that the parametric script offers by effectively investigating different possible configurations. Denne masteroppgaven er en del av forskningsprosjektet WOOD frame SOLutions for free space design in urban buildings. Forskningen utført i denne oppgaven har som mål å bidra til utviklingen av en momentstiv treforbindelse for bruk i fleretasjes trebygg. Bjelke-søyle-forbindelser med gjengestenger og stålkomponenter ble undersøkt. En konfigurasjon fra tidligere arbeid og en nyutviklet utgave av denne konfigurasjonen er undersøkt i denne oppgaven. Arbeidet som er gjort i denne oppgaven undersøker de tekniske egenskapene og oppførselen til disse momentstive treforbindelsene:
1. Rotasjonsstivhet
2. Energidissipasjon og viskøs demping
3. Duktilitet
4. Spenningsfordelinger i tresøylen
Arbeidet med denne oppgaven ble delt i to deler. Et forslag til et parametrisk skript ble utviklet gjennom FEA-programvaren, Abaqus CAE. Det parametriske skriptet ble brukt til å analysere de to konfigurasjonene for både en- og tosidige forbindelser. Modellen ble imidlertid ikke fullstendig verifisert på grunn av dens kompleksitet. For å styrke påliteligheten til den parametriske modellen ble det utført to eksperimentelle tester i full skala, i laboratoriet ved Institutt for konstruksjonsteknikk, NTNU, Trondheim. Forsøkene gjelder en rotasjonsstivhetstest og en seismisk kapasitetstest. Begge testene omfatter gjengestenger satt inn i tresøylen og trebjelken, og stålkomponenter som forbinder søylen med bjelken. Både de numeriske og de eksperimentelle resultatene ble brukt til å undersøke forbindelsene sine tekniske egenskaper og oppførsel.
Resultater oppnådd fra den parametriske modellen og eksperimentelle tester virker lovende. De numeriske resultatene viser en tydelig sammenheng med de eksperimentelle resultatene, og en sammenligning mellom de eksperimentelle resultatene antyder utvikling. Den parametriske modellen med Python-skripting har vært et verdifullt verktøy for å oppnå alle numeriske resultater effektivt.
Videre arbeid med momentstive treforbindelser kan være å utføre eksperimentelle tester av en tosidig konfigurasjon for å sammenligne med de numeriske resultatene. Dette vil bidra til å gjøre den numeriske modellen mer pålitelig og gi verdifull kunnskap om tosidige konfigurasjoner. Den parametriske modellen som er utviklet i denne oppgaven har stort potensiale for utførelse av et parameterstudie, og videre forskning kan bruke potensialet som det parametriske skriptet tilbyr for å effektivt undersøke ulike mulige konfigurasjoner.