Ductility of Wood and Wood Members Connected with Mechanical Fasteners

Abstract

Ductility is the extent to which material can plastically deform without losing its load bearing capacity. Ductility is essential in accidental situations, areas of high seismicity, and in cases of static overloading. In general, ductility can be understood as a safeguard against the unknown.

In the past two decades, the status of wood as a building material has become more suitable for high rise buildings; however only a limited amount of updates have been made to the standards. This thesis reviewed the current situation through an analysis of the design standards: Eurocode 5: Design of Timber Structures and Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance. The brittle and ductile failure mechanisms and solutions were addressed and ways to increase the ductility in wood structures were reviewed. Finally, a case study was conducted to evaluate experimentally the findings of the literature study.

Wood is an orthotropic material. This means that the stiffness, strength and ductility of wood differ depending on the type and direction of the stressing. In many cases, due to the tension perpendicular to grain dominating the failure, wood is perceived to be a brittle material. However, if designed correctly, wood can fail with a ductile compression failure.

In connections with dowel-type fasteners, the failure is ductile if the connection fails with one of the failure modes described by the European Yield Model. However, if premature splitting or failure of the connection area occurs, the failure is brittle. The brittle failures occur when the shear and/or tension perpendicular to grain stress is exceeded. Slender fasteners and appropriate fastener spacing reduce the risk of splitting. Additionally, fasteners capable of transferring axial forces (such as bolts and screws) are less likely to fail in brittle manner. Inclined screws with an inclination angle > 30° fail with brittle withdrawal or screw tension failure.

Eurocode 5 does not favor ductile design in wood structures. All the known brittle failure mechanisms of mechanically connected wood structures are taken into account in Eurocode 5 by separate design rules. However, the brittle and ductile methods are not identified and the use of brittle modes is not penalized. Eurocode 8 gives rules that favor the use of ductile solutions in wood structures. However, the rules are general and the modern solutions such as cross-laminated timber and inclined self-tapping screws are missing.

Reinforcing wood in a perpendicular to grain direction will prevent wood from splitting. Various number of reinforcing solutions have been proven to be effective. An effort should be made to include these solutions to the design standards as a requirement when ductile solutions are needed.

Sitkeys kuvaa materiaalin tai rakenteen stabiilia muodonmuutoskykyä plastisella alueella. Sitkeyttä voidaan hyödyntää suunniteltaessa rakenteita kestämään maanjäristyksiä, onnettomuuksia ja staattista ylikuormitusta. Yleisesti sitkeys voidaan käsittää varmuutena tuntematonta vastaan.

Menneen kahden vuosikymmenen aikana puuta on alettu käyttää kerrostalojen runkomateriaalina. Tänä aikana standardeihin on kuitenkin tehty vain lieviä muutoksia. Tässä diplomityössä tutkittiin nykytilannetta analysoimalla suunnittelunormeja: Eurokoodi 5: Puurakenteiden suunnittelu ja Eurokoodi 8: Maanjäristyksen kestävien rakenteiden suunnittelu. Työssä käsitellyt vauriomekanismit ja suunnitteluratkaisut jaettiin hauraisiin ja sitkeisiin. Erityisesti tarkasteliin mahdollisuuksia puurakenteiden sitkeyden parantamiseksi. Kirjallisuustutkimuksessa löydettyjä ratkaisuja tutkittiin lopuksi kokeellisesti.

Puu on ortotrooppinen materiaali, joten puun jäykkyys, kestävyys ja sitkeys eroavat riippuen rasituksen laadusta ja suunnasta. Syytä vastaan kohtisuora veto aiheuttaa usein puun murtumisen, mistä johtuen puu mielletään hauraaksi materiaaliksi. Oikein suunniteltuna puun murtotapa on kuitenkin sitkeä puristuslujuuden ylittyminen.

Puikkoliittimin kootut liitokset ovat sitkeitä niiden murtuessa jollakin puikkoliitosteorian määrittelemistä murtotavoista. Puikkoliitoksissa hauraita murtotapoja ovat halkeilu ja liitosalueen murto, joita ei käsitellä puikkoliitosteoriassa. Nämä murtotavat johtuvat puun leikkaus tai syytä vastaan kohtisuoran vetolujuuden ylittymisestä. Halkeilun todennäköisyyttä voidaan vähentää käyttämällä hoikkia liittimiä ja riittäviä reuna- ja päätyetäisyyksiä sekä liitinvälejä. Halkeamisriski on myös pienempi liittimillä (kuten pultit ja ruuvit), jotka pystyvät siirtämään liittimen pituusakselin suuntaisia voimia. Vinoruuvien, joiden kaltevuuskulma on > 30°, yleisimmät murtomekanismit on hauraita.

Eurokoodi 5 ei ota riittävästi huomioon sitkeyttä suunnittelukriteerinä. Kaikki mekaasesti liitettyjen rakenteiden tunnetut vauriomekanismit ovat otettu huomioon. Niitä ei kuitenkaan ole yksilöity, eikä hauraiden mekanismien käyttöä rajoiteta. Eurokoodi 8:n säännöt pyrkivät estämään hauraiden ratkaisujen käytön seismisillä alueilla. Ohjeiden ylimalkaisuus ja nykyaikaisten ratkaisuiden kuten ristiinliimatun massiivipuun ja vinoruuviliitosten puuttuminen on kuitenkin puute Eurokoodissa 8.

Puun halkeilua voidaan estää vahvistamalla rakennetta syitä vastaan kohtisuorassa suunnassa. Vahvistamiseen on kehitetty useita toimivaksi todettuja ratkaisuita. Näiden ratkaisuiden vaatiminen sitkeitä puurakenteita suunniteltaessa tulisi sisällyttää standardeihin.