Experimental investigation of the rolling shear properties of birch timber

Abstract

While not established as a building material, birch has been shown by many studies to be both stronger and stiffer than the softwoods commonly used for timber construction today. On the other hand, very few have investigated its rolling shear properties, i.e., shear properties perpendicular to grain. Rolling shear properties are particularly important in CLT, since they are generally much lower than their longitudinal counterparts. The purpose of this thesis is to investigate the rolling shear properties of silver birch (Betula pendula). The sample is taken from a wide array of boards from different logs. Most of the boards were previously tested for their tensile properties while a smaller number of specimens was taken from untested boards to investigate potential influences from the prior testing. The rolling shear properties were also compared to other characteristics of the specimens, such as density and pith distance.

Overall, this study showed that even lower quality birch timber has higher rolling shear properties than coniferous wood types and influenc-ing parameters were identified. The mean values were fV,R,mean = 3,48 MPa for strength and GR,mean = 182 MPa for stiffness. No notable differences were found between the previously tested and untested samples. There was a noticeable correlation between strength and stiffness, and density had significant correlations to both rolling shear properties. Compared to density, pith distance had a lower, but still significant, correlation to the properties. Annual ring orientation seemed to have a minor non-linear influence on rolling shear stiffness with angles towards 90° being less stiff. Angles around 45° had a slightly higher mean value than the ones lower than 30°, but the difference is barely noticeable compared to other wood types. The influence of annual ring orientation on the rolling shear strengths was more ambiguous. Annual ring width had negligible correla-tions to both rolling shear properties. Likewise, dynamic modulus did not seem to have any significant influence on these properties.

Björkvirke har inte etablerats som byggmaterial, men många studier har visat att det är både starkare och styvare än de mjuka träslag som är vanligast inom träkonstruktion idag. Det är dock ytterst få som har undersökt dess egenskaper under rullskjuvning, dvs skjuvning vinkelrätt mot fiberriktningen. Dessa egenskaper är speciellt viktiga i korslimmat trä, eftersom de i allmänhet är mycket sämre än de motsvarande längdskjuvegenskaperna. Syftet med det här arbetet är att undersöka rullskjuvegenskaperna hos vårtbjörk (Betula pendula). Proven togs från ett brett urval av brädor från olika stockar. De flesta av brädorna hade testats under dragspänning i en tidigare undersökning, medan ett mindre antal prov togs från otestade brädor för att se om dragprovet hade någon inverkan på rullskjuvegenskaperna. Resultaten jämfördes också med andra uppmätta egenskaper, till exempel densitet och avståndet till kärnan.

Sammanfattningsvis visar arbetet att även björkvirke av lägre kvalité har bättre rullskjuvegenskaper än virke från barrträd och inverkande parametrar har identifierats. Medelvärden var fV,R,mean = 3,48 MPa för håll-fasthet och GR,mean = 182 MPa för styvhet. Inga betydliga skillnader hittades mellan de dragprovstestade och de otestade proven. Det fanns en märkbar korrelation mellan hållfastheterna och modulerna, och densiteten hade betydliga korrelationer med båda rullskjuvegenskaperna. Jämfört med densiteten hade avståndet till kärnan en mindre, men ändå märkbar, korrelation med egenskaperna. Vinkeln på årsringarna verkade ha en sådan icke-linjär inverkan på styvheterna att vinklar närmare 90° var mindre styva. Vinklar omkring 45° hade aningen högre medelvärde än de som var mindre än 30°, men skillnaden var knappt märkbar jämfört med andra träslag. Vinkelns inverkan på hållfastheten var mer svårtolkad. Bredden på årsringarna hade försumbara korrelationer till båda rullskjuvegenskaperna. Den dynamiska modulen verkade inte heller ha någon betydlig inverkan.