Search

Sammendrag Utmatting av trekonstruksjoner er et relevant tema i byggenæringen, der det bygges store bruer og høye bygninger i tre. Det kreves derfor gode modeller til å dimensjonere trekonstruksjoner for utmattingslaster. De eksisterende dimensjoneringsmodellene for utmatting er derimot begrenset, som følge av at det er manglende forskningsdata innenfor fagfeltet. Hensikten med denne masteroppgaven er å videreføre tidligere arbeid gjort innenfor fagfeltet skjærutmatting av limtre i furu. Både statisk testing og utmattingstesting av furu (GL30h) har tidligere blitt gjennomført, og gitt et godt grunnlag for videre arbeid. Under arbeidet med denne masteroppgaven ble det utført ytterligere 24 utmattingsforsøk på prøvestykker av furu (GL30h) ved langsgående skjær. Av de 24 prøvestykkene ble 17 utsatt for en vekslende syklisk belastning ved spenningsforholdet R = -1, og de resterende 7 for en ensidig syklisk belastning ved R = 0.1. Etter forsøkene ble resultatene analysert med relevante modeller. Det ble videre utført statisk biaksiale tester ved å kombinere langsgående skjærspenninger med ortogonale strekkspenninger på 8 prøvestykker, i tillegg til 9 prøvestykker som kun ble påført statiske ortogonale strekkspenninger. Resultatene ble brukt til å vurdere tre bruddkriterium og nøyaktigheten til tidligere beregnede fastheter. I kapittel 4 presenteres resultatene fra utmattingstestene på furu (GL30h) i ulike diagrammer, hovedsakelig S-N-kurver, som innebærer regresjonskurver av målepunkter avhengig av spenningsnivå på vertikalaksen og antall lastsykler i logaritmisk skala på horisontalaksen. I tillegg plottes resultatene for både R = -1 og R = 0.1 i et konstant utmattingsliv-diagram. Den lineære S-N-kurven ved R = -1 er funnet til å være mer kritisk enn ved R = 0.1, da kurven er tydelig brattere og ligger under kurven for R = 0.1. Målepunktene tilhørende testene ved R = -1 viser antydninger til å flate ut ved lavere spenningsnivåer. Dette bekreftes både ved kurvene som sammenligner høy- mot lavsyklus utmatting, og en sigmoid-kurve tilpasset målepunktene, som dessuten korrelerer bedre enn den lineære S-N-kurven. Ved R = -1 gir kfat en tilstrekkelig dimensjoneringsmodell, men faktoren er for konservativ ved R = 0.1. Videre er hverken spredningskurven eller den bilineære kurven foreslått av Mohr tilstrekkelig konservative ved R = -1. Derimot er begge for konservative ved R = 0.1. Prøvestykker med fingerskjøt i bruddplanet virker å ha et lengre utmattingsliv enn de resterende ved R = -1. På nåværende tidspunkt er det liten eller ingen sammenheng mellom konstant utmattingsliv-diagrammene for de utførte testene og det tilsvarende diagrammet i NS-EN 1995-2:2004. For å undersøke relevante egenskaper ved prøvestykkene, ble påført kraft plottet mot forskyvning for prøvestykkene testet ved R = -1. Her er det funnet at den elastiske stivheten til prøvestykkene følger en sigmoid-kurve for lavere spenninger og en bueformet kurve for høye spenninger. Videre er det funnet tilfeldige forskyvningsmønstre i strekk og trykk, som tyder på at det studerte området påvirkes av andre krefter enn kun ren skjær. I tillegg til dette er det funnet høye korrelasjoner mellom endring i elastisk stivhet per lastsyklus og energispredning per lastsyklus, og mellom spenningsnivå og de to overnevnte egenskapene. Til slutt er det funnet at dempningsraten har en forventet positiv korrelasjon med spredningsenergi per lastsyklus, og en uventet positiv korrelasjon med normalisert spenning. Kapittel 6 inneholder resultater fra de statiske ortogonale strekktestene, der den midlere fastheten ble målt til 1.76 MPa. Den ortogonale strekkfastheten for GL30h i NS-EN 14080:2013 ble konkludert med å være for konservativ for gjeldende prøvestykker. I kapittel 7 er den statiske bruddspenningen for langsgående skjær funnet etter biaksial testing med konstant ortogonal strekkspenning. Bruddspenningen ble målt til 7.23 MPa, som er uventet høyere enn den statiske skjærfastheten, fu,furu, lik 6.93 MPa. Resultatene fra kapittel 6 og 7 er videre brukt til å vurdere bruddkriteriene Tsai-Wu og Tsai-Hill, og bruddkrietriet i henhold til SIA 265:2003, i kapittel 8. Bruddkriterium Tsai-Hill virker å være mest nøyaktig, mens kriteriet i SIA 265:2003 er mest konservativt. Abstract Fatigue of timber structures is a relevant subject in the construction industry, where large wooden bridges and tall wooden buildings are built. Proper models are therefore required to dimension timber structures for fatigue loads. The existing models are rather limited because of lacking experimental data in the field. This master’s thesis aims to continue previous work on the field shear fatigue of glulam made of pine. Static testing and fatigue testing of pine (GL30h) have previously been conducted, laying a solid foundation for further work. During the work on this master thesis, additional 24 fatigue tests were conducted on test specimens of pine (GL30h), exposed to longitudinally shear. Of the 24 test specimens, 17 were subjected to an alternating cyclic load at the stress ratio R = -1, and the remaining 7 to a one-sided cyclic load at R = 0.1. After the tests, the results were analyzed with relevant models. Static biaxial tests were also performed on 8 test specimens by combining longitudinal shear stresses with perpendicular tension stresses, in addition to 9 test specimens that were only applied static perpendicular tensile stresses. The results were used to assess three fracture criteria and the accuracy of previously calculated strengths. Chapter 4 presents the results from the fatigue tests of pine (GL30h) in various diagrams, mainly S-N curves, which are regression curves of measuring points depending on stress level on the vertical axis and the number of cycles on a logarithmic scale on the horizontal axis. In addition to this, a constant life diagram is plotted for the results of R = -1 and R = 0.1. The linear S-N curve for R = -1 is more critical than for R = 0.1, as the curve is steeper and is located below the curve for R = 0.1. The measuring points from the testing at R = -1 show tendencies to flatten at lower stress levels. This is confirmed by the curves that compare high to low cyclic fatigue and a sigmoid curve adapted to the measuring points, which correlates better than the linear S-N curve. At R = -1, kfat provides a sufficient design model, but the factor is too conservative at R = 0.1. Further, neither the scattering curve nor the bilinear curve proposed by Mohr is sufficiently conservative by the stress ratio R = -1. In contrast, both are too conservative at R = 0.1. Specimens with finger joints in the fracture plane appear to have longer fatigue lives than the rest at R = -1. There is little or no correlation between the constant life diagrams and the corresponding diagram in NS-EN 1995-2:2004. To investigate relevant properties for the test specimens, the applied force was plotted against displacement during the testing at R = -1. Here it is found that the elastic stiffness of the test specimens follows a sigmoid curve for lower stresses and a arcuate curve for high stresses. Furthermore, random displacement patterns in tension and compression indicate that the studied shear zone is influenced by forces other than pure shear. In addition to this, high correlations between changes in elastic stiffness per cycle and energy dissipation per cycle and between stress level and the two properties mentioned above are found. Finally, it is found that the damping ratio has, as expected, a positive correlation with dissipated energy per cycle and an unexpected positive correlation with normalized stress. Chapter 6 contains results from the static testing of perpendicular tensile stress, where the mean strength was measured to be 1.76 MPa. The perpendicular tension strength for GL30h in NS-EN 14080:2013 was too conservative for the current test specimens. In chapter 7, the static longitudinal shear strength was found from testing with constant perpendicular tension stress. The strength was measured to be 7.23 MPa, which is unexpectedly higher than the static strength of pure shear, fu,pine = 6.93 MPa. The results from chapters 6 and 7 are further used to assess the Tsai-Wu and Tsai-Hill criteria and the failure criterion according to SIA 265:2003, in chapter 8. The Tsai-Hill criterion seems to be the most accurate, while the criterion according to SIA 265:2003 is the most conservative.

Formålet med denne oppgaven har vært å optimalisere et dekkeelement av tre som har konkurransedyktige egenskaper sammenlignet med hulldekker av betong. Dekket skulle optimaliseres for CO2-utslipp gjennom materialvalg og materialeffektivitet. Effekten av å benytte fast innspenning til søyler i dekkets hjørner samt feste flere dekker sammen skulle også utforskes. I den innledende prosjektoppgaven for denne masteroppgaven ble det gjennomført et litteratursøk. Det la et grunnlag for å kunne sortere ut hva som var uviktig eller mindre gode løsninger, for så å arbeide videre med lovende eller allerede gode løsninger. Deretter ble det utviklet et script som kunne parametrisere variablene for hvilke materialersammensetninger og dimensjoner som skulle bli numerisk analysert i beregningsprogrammet Abaqus, som er benyttet underveis i masteroppgaven. Dette scriptet ble forbedret og kontinuerlig utviklet etterhvert som oppgaven beveget seg fremover i prosessen med å optimalisere dekket. Etter å ha utforsket ulike opplagerbetingelser og antall sammenkoblede dekker, ble det besluttet å optimalisere et dekkesystem hvor to og to dekker hang sammen. Dekkene ble festet i fire søyler med fast innspenning i ytre hjørner, og støttet opp av bærende bjelker mellom søylene på tverrgående sider. Dette ga særlig gode resultater for vibrasjonskriterier og bidro til at dekkene kunne bli vesentlig slankere. Etter en grundig optimaliseringsprosess hvor alle variabler sine effekter ble utforsket for dekkene, ble det arbeidet videre med et dekke bestående av limtre i steg og CLT i både topp og bunnflens. Komposittløsningen ga en slank konstruksjon samtidig som det tilfredsstilte alle bruks- og bruddgrensekrav. Bruken av materialene ga også det laveste utslippet av CO2 av de materialene som ble utforsket. Avslutningsvis ble dekket sammenlignet med et hulldekke i betong hvor man kunne se en reduksjon på 82 % i CO2-utslipp med en kostnad på 39,15 kr per kg CO2 spart. Det har også blitt lagt mye arbeid i å utforske lydegenskaper for dekket og litteratur om emnet. Dette ble gjort fordi tidligere forskning har rapportert stor usikkerhet med hensyn på lydegenskapene til tredekker. Akustikkutfordringene har ofte blitt neglisjert i dimensjoneringen og henvist til som et tema for videre forskning. Denne oppgaven viser at akustikk er et stort og komplekst felt som er vanskelig å predikere med beregninger uten målinger, men presenterer også siste nytt på feltet og relevante funn om tiltak. Avslutningsvis anbefales det å etablere en utvidelse av scriptet som vil ta for seg optimalisering av hele bygg på tvers av bygningskomponenter. I etterkant av helhetlig optimalisering ville det vært interessant og nødvendig å teste dekkene i et pilotprosjekt. Prosjektet kunne gitt mulighet for å forta lyd- og vibrasjonsmålinger på ferdigbygde dekker i en fysisk konfigurasjon. En fysisk konstruksjon vil gi reelle resultater og viktige erfaringer, samtidig som det reduserer mye av usikkerheten rundt konseptet. The objective of this masters's thesis has been to optimize a timber composite floor element that has competitive properties compared to the more established concrete hollow-core slabs. The floor elements would be optimized for CO2-emissions through material selection and material efficiency. The effect of using fixed connections to columns to the corners of the elements were to be investigated, as well as connecting several elements together. In preparation for this master's thesis, a literature search was conducted. It provided a basis for being able to sort out what were unimportant or less fortunate solutions, enabling the thesis to work with promising or already good solutions. A script was then developed that could parameterize the variables for which material compositions and dimensions were to be numerically analyzed in the calculation program Abaqus, which was used during the master's thesis. This script was improved and continuously developed as the work progressed in the process of optimizing the element. After exploring several connection systems and the number of connected elements, it was decided to optimize elements in a system where two and two elements were connected. Each system was connected to four columns with rigid connection of the outer corners, and supported by load-bearing beams between the columns along the transverse sides. This yielded particularly good results regarding vibration criteria and contributed to the elements being significantly slimmer. After a thorough optimization process where all variables' effects were explored for the elements, work continued on a composite element consisting of glulam in webs and CLT in both the top and bottom flange. The composite structure gave a slim construction whilst satisfying all serviceability and yielding strength requirements. This use of the materials also gave the lowest emissions of CO2 of the materials explored. Finally, the element was compared with a hollow-core concrete slab where an 82 % reduction in CO2 emissions was conducted with a cost saving of 39.15 NOK per kg CO2. A lot of work has also been put into exploring the sound properties of the element and literature on the subject. This was carried out due to previous research reporting great uncertainty regarding the sound properties of timber floor elements. The acoustic challenges have often been neglected in the designing and referred to as a topic for further research. This thesis shows that acoustics is a large and complex field that is difficult to predict with calculations without real life measurements, but also presents the latest findings on the field and relevant findings on measures. A possible extension to this project would be to consider optimizations of entire buildings across the various building components. Such an optimization would then be tested in a pilot project. The project could provide an opportunity to perform sound and vibration measurements on constructed elements in a real configuration. A physical construction would give real results and provide important experience, as well as complement the theoretical and simulated findings.

Utmatting av trekonstruksjoner er et relevant tema i byggenæringen, der det bygges store bruer og høye bygninger i tre. Det kreves derfor gode modeller til å dimensjonere trekonstruksjoner for utmattingslaster. De eksisterende dimensjoneringsmodellene for utmatting er derimot begrenset, som følge av at det er manglende forskningsdata innenfor fagfeltet. Hensikten med denne masteroppgaven er å videreføre tidligere arbeid gjort innenfor fagfeltet skjærutmatting av limtre i furu. Både statisk testing og utmattingstesting av furu (GL30h) har tidligere blitt gjennomført, og gitt et godt grunnlag for videre arbeid. Under arbeidet med denne masteroppgaven ble det utført ytterligere 24 utmattingsforsøk på prøvestykker av furu (GL30h) ved langsgående skjær. Av de 24 prøvestykkene ble 17 utsatt for en vekslende syklisk belastning ved spenningsforholdet R = -1, og de resterende 7 for en ensidig syklisk belastning ved R = 0.1. Etter forsøkene ble resultatene analysert med relevante modeller. Det ble videre utført statisk biaksiale tester ved å kombinere langsgående skjærspenninger med ortogonale strekkspenninger på 8 prøvestykker, i tillegg til 9 prøvestykker som kun ble påført statiske ortogonale strekkspenninger. Resultatene ble brukt til å vurdere tre bruddkriterium og nøyaktigheten til tidligere beregnede fastheter. I kapittel 4 presenteres resultatene fra utmattingstestene på furu (GL30h) i ulike diagrammer, hovedsakelig S-N-kurver, som innebærer regresjonskurver av målepunkter avhengig av spenningsnivå på vertikalaksen og antall lastsykler i logaritmisk skala på horisontalaksen. I tillegg plottes resultatene for både R = -1 og R = 0.1 i et konstant utmattingsliv-diagram. Den lineære S-N-kurven ved R = -1 er funnet til å være mer kritisk enn ved R = 0.1, da kurven er tydelig brattere og ligger under kurven for R = 0.1. Målepunktene tilhørende testene ved R = -1 viser antydninger til å flate ut ved lavere spenningsnivåer. Dette bekreftes både ved kurvene som sammenligner høy- mot lavsyklus utmatting, og en sigmoid-kurve tilpasset målepunktene, som dessuten korrelerer bedre enn den lineære S-N-kurven. Ved R = -1 gir kfat en tilstrekkelig dimensjoneringsmodell, men faktoren er for konservativ ved R = 0.1. Videre er hverken spredningskurven eller den bilineære kurven foreslått av Mohr tilstrekkelig konservative ved R = -1. Derimot er begge for konservative ved R = 0.1. Prøvestykker med fingerskjøt i bruddplanet virker å ha et lengre utmattingsliv enn de resterende ved R = -1. På nåværende tidspunkt er det liten eller ingen sammenheng mellom konstant utmattingsliv-diagrammene for de utførte testene og det tilsvarende diagrammet i NS-EN 1995-2:2004. For å undersøke relevante egenskaper ved prøvestykkene, ble påført kraft plottet mot forskyvning for prøvestykkene testet ved R = -1. Her er det funnet at den elastiske stivheten til prøvestykkene følger en sigmoid-kurve for lavere spenninger og en bueformet kurve for høye spenninger. Videre er det funnet tilfeldige forskyvningsmønstre i strekk og trykk, som tyder på at det studerte området påvirkes av andre krefter enn kun ren skjær. I tillegg til dette er det funnet høye korrelasjoner mellom endring i elastisk stivhet per lastsyklus og energispredning per lastsyklus, og mellom spenningsnivå og de to overnevnte egenskapene. Til slutt er det funnet at dempningsraten har en forventet positiv korrelasjon med spredningsenergi per lastsyklus, og en uventet positiv korrelasjon med normalisert spenning. Kapittel 6 inneholder resultater fra de statiske ortogonale strekktestene, der den midlere fastheten ble målt til 1.76 MPa. Den ortogonale strekkfastheten for GL30h i NS-EN 14080:2013 ble konkludert med å være for konservativ for gjeldende prøvestykker. I kapittel 7 er den statiske bruddspenningen for langsgående skjær funnet etter biaksial testing med konstant ortogonal strekkspenning. Bruddspenningen ble målt til 7.23 MPa, som er uventet høyere enn den statiske skjærfastheten, fu,furu, lik 6.93 MPa. Resultatene fra kapittel 6 og 7 er videre brukt til å vurdere bruddkriteriene Tsai-Wu og Tsai-Hill, og bruddkrietriet i henhold til SIA 265:2003, i kapittel 8. Bruddkriterium Tsai-Hill virker å være mest nøyaktig, mens kriteriet i SIA 265:2003 er mest konservativt. Fatigue of timber structures is a relevant subject in the construction industry, where large wooden bridges and tall wooden buildings are built. Proper models are therefore required to dimension timber structures for fatigue loads. The existing models are rather limited because of lacking experimental data in the field. This master’s thesis aims to continue previous work on the field shear fatigue of glulam made of pine. Static testing and fatigue testing of pine (GL30h) have previously been conducted, laying a solid foundation for further work. During the work on this master thesis, additional 24 fatigue tests were conducted on test specimens of pine (GL30h), exposed to longitudinally shear. Of the 24 test specimens, 17 were subjected to an alternating cyclic load at the stress ratio R = -1, and the remaining 7 to a one-sided cyclic load at R = 0.1. After the tests, the results were analyzed with relevant models. Static biaxial tests were also performed on 8 test specimens by combining longitudinal shear stresses with perpendicular tension stresses, in addition to 9 test specimens that were only applied static perpendicular tensile stresses. The results were used to assess three fracture criteria and the accuracy of previously calculated strengths. Chapter 4 presents the results from the fatigue tests of pine (GL30h) in various diagrams, mainly S-N curves, which are regression curves of measuring points depending on stress level on the vertical axis and the number of cycles on a logarithmic scale on the horizontal axis. In addition to this, a constant life diagram is plotted for the results of R = -1 and R = 0.1. The linear S-N curve for R = -1 is more critical than for R = 0.1, as the curve is steeper and is located below the curve for R = 0.1. The measuring points from the testing at R = -1 show tendencies to flatten at lower stress levels. This is confirmed by the curves that compare high to low cyclic fatigue and a sigmoid curve adapted to the measuring points, which correlates better than the linear S-N curve. At R = -1, kfat provides a sufficient design model, but the factor is too conservative at R = 0.1. Further, neither the scattering curve nor the bilinear curve proposed by Mohr is sufficiently conservative by the stress ratio R = -1. In contrast, both are too conservative at R = 0.1. Specimens with finger joints in the fracture plane appear to have longer fatigue lives than the rest at R = -1. There is little or no correlation between the constant life diagrams and the corresponding diagram in NS-EN 1995-2:2004. To investigate relevant properties for the test specimens, the applied force was plotted against displacement during the testing at R = -1. Here it is found that the elastic stiffness of the test specimens follows a sigmoid curve for lower stresses and a arcuate curve for high stresses. Furthermore, random displacement patterns in tension and compression indicate that the studied shear zone is influenced by forces other than pure shear. In addition to this, high correlations between changes in elastic stiffness per cycle and energy dissipation per cycle and between stress level and the two properties mentioned above are found. Finally, it is found that the damping ratio has, as expected, a positive correlation with dissipated energy per cycle and an unexpected positive correlation with normalized stress. Chapter 6 contains results from the static testing of perpendicular tensile stress, where the mean strength was measured to be 1.76 MPa. The perpendicular tension strength for GL30h in NS-EN 14080:2013 was too conservative for the current test specimens. In chapter 7, the static longitudinal shear strength was found from testing with constant perpendicular tension stress. The strength was measured to be 7.23 MPa, which is unexpectedly higher than the static strength of pure shear, fu,pine = 6.93 MPa. The results from chapters 6 and 7 are further used to assess the Tsai-Wu and Tsai-Hill criteria and the failure criterion according to SIA 265:2003, in chapter 8. The Tsai-Hill criterion seems to be the most accurate, while the criterion according to SIA 265:2003 is the most conservative.

Hensikten med oppgaven var å få mer kunnskaper rundt friksjonskoeffisienten i tverrspente dekker, spesielt med fokus på oppspenningens påvirkning. Det ble derfor gjennomført 120 friksjonsforsøk, hvor størrelsen og varigheten av oppspenningene, samt størrelsen på de testede prøvestykkene ble variert. Oppspenningene prøvene ble utsatt for var enten 0,3MPa, 0,6MPa eller 1,0MPa. Videre var prøvestykkene enten testet rett etter oppspenningene var påført, eller de ble lagret som oppspente prøvestykker i ei uke før friksjonstestene ble utført. De to forskjellige størrelsene på klossene var enten 166 x 166 x 90 mm eller 400 x 166 x 90 mm. Undersøkelsene viste at den statiske friksjonsparameteren generelt ble større ved glidninger på tvers av fiberretningen i forhold til når glidningene foregikk langs med fiberretningen. Videre viste det seg å være en sammenheng i at når oppspenningene ble redusert, økte verdiene for den statiske friksjonskoeffisienten. Denne sammenhengen var tydeligst for seriene med utglidninger på tvers av fiberretningen, men kunne antydes også fra seriene med glidninger langs fiberretningen. De kinematiske friksjonskoeffisientene virket ellers til å være mer uavhengige av hvilke forspenninger dekket var utsatt for. De var også i mindre grad avhengige av om forsøkene ble gjort langs med eller på tvers av fiberretningen. Resultatene viste at prøvene med ei ukes oppspenning fikk større friksjonskoeffisienter enn prøvene som ble testet umiddelbart etter at oppspenningene var påført. Dette var gjeldende uavhengig av størrelsene på oppspenningene og om forsøkene var gjort langs med eller på tvers av fiberretningen.