Mechanical connections using birch plywood as gusset plates in timber structures

QC240425

Abstract

Användningen av stålplåtar (laskar) i förbandslösningar för träkonstruktioner ökar konstruktionens miljöpåverkan. Träbaserade förband kan i detta fall vara idealiska substitut som ger lägre miljöpåverkan samt både bättre bearbetbarhet och monterbarhet. Björk (Betula spp.) är ett lövträslag med stor utbredning på norra halvklotet, och plywood gjord av björk har överlägsen styrka och styvhet jämfört med plywood gjord av barrträ vilket gör den förra lovande för användning i lastbärande konstruktioner.

En idé i detta sammanhang är att utnyttja björkplywood i olika förbandslösningar för träkonstruktioner, såsom fackverksnoder, eller momentstyva förband, exempelvis balkskarvar, pelare-balk-förband och ramhörnförband. Sådana nya typer av förband kan resultera i betydande fördelar i form av lågt så kallat koldioxidavtryck samt enkel prefabricering och montering på plats. Möjligheten att använda björkplywood i konstruktioner behöver dock undersökas på djupet. I synnerhet saknas kunskap kring det mekaniska beteendet och brottmekanismen för björkplywood för olika lastfall.

Syftet med denna avhandling är att producera ny kunskap som behövs för att konstruera mekaniska förband med björkplywood som laskar i träkonstruktioner. De specifika målen var för det första att karakterisera hålkantsbeteendet för enskilda fästdon av stål i björkplywood genom mekaniska tester och analytiska modeller, och för det andra, med ytterligare mekaniska tester och modellering, att undersöka brottbeteendet och -mekanismen i björkplywood med flera fästdon för olika lastfall.

Hålkantsförsök med ståldymlingar visade att hållfasthets- och styvhetsvärdena beror på belastningsriktingen relativt ytfanerens fiberriktning, även om detta var mindre tydligt jämfört med andra mekaniska egenskaper i planet för plywooden. En ny formel för hålkantshållfasthet för björkplywood som tar hänsyn till både belastningsvinkeln och dymlingsdiametern föreslås.

Brottmekanismen hos björkplywood i balkskarvar under rent böjmoment undersöktes både experimentellt och teoretiskt. Som ett resultat av undersökningen föreslås nya analytiska modeller baserade på formler i eurokodens del 5 och fästdongruppens motstånd för polärt tröghetsmoment. Baserat på experiment på limträramar studerades också brottmekanismen hos björkplywood i förband under enaxliga dragbelastningar. I detta fall verifierade resultaten att fenomenet lastspridning (effektiv bredd enligt Whitmore) existerar i björkplywood.

Utformningen av förband med björkplywood belastade i enaxlig spänning studerades ytterligare med avseende på inverkan av fästdonmönster och orienteringen av ytfanerens fiberrikning. Storleken på spridningsvinklarna i de klassiska och modifierade lastspridningsmodellerna bestämdes genom att utföra tester på plywoodskivor med ökande bredd. Deras giltighet undersöktes genom att förutsäga kapaciteten hos de ovannämnda enaxligt dragbelastade förbanden. Vidare studerades ramhörnförband bestående av limträ och björkplywood, där de analytiska formlerna för att förutsäga bärförmågan för fästdonsgruppen, limträelementet och plywoodskivorna validerades.

Som framtida arbete föreslås att fullskaliga experiment med både fackverk och portalramar genomförs för att ytterligare validera designmodellerna och för att optimera utformningen av förband med björkplywood och mekaniska fästdon.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-345772