MASTER S THESIS. Thomas Johansson Jörgen Stenberg CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET. Institutionen för samhällsbyggnad Avdelningen för byggkonstruktion

Transkript

1 MASTER S THESIS 004:00 CIV Koliberkompositörstärkta limträbalkar Förankringslängd och momentkapacitet Thomas Johansson Jörgen Stenberg CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Institutionen ör samhällsbyggnad Avdelningen ör byggkonstruktion 004:00 CIV ISSN: ISRN: LTU - EX / SE

2

3 Förord Förord Detta examensarbete är det avslutande momentet i våra studier till civilingenjörer på institutionen ör Samhällsbyggnad, avdelningen ör Byggkonstruktion vid Luleå tekniska universitet. Arbetet har utörts under våren 004. Idéer och riktlinjer ör examensarbetet har utarbetats av oss själva i samråd med Helena Johnsson, handledare och examinator. Provkroppar till örsöken har Martinsons trä AB bistått med. Vi vill rikta ett tack till Greger Lindgren och Mikael Wallin på Martinsons ör ett trevligt bemötande och gott samarbete. På avdelningen ör byggkonstruktion har Björn Täljsten, Anders Carolin och Håkan Nordin bidragit med betydelseull handledning inom koliberkompositörstärkning, därör vill vi även rikta ett tack till dem. Avslutningsvis skulle vi vilja rikta ett tack till Håkan Johansson och Lars Åström på Testlab, Luleå tekniska universitet, ör hjälpen vid våra experiment. Luleå, juni 004 Jörgen Stenberg Thomas Johansson -I-

4

5 Sammanattning Sammanattning Limträ är ett material som består av sammanlimmade lameller av konstruktionsvirke. Limträ tänjer gränserna ör vad man kan bygga med trä, genom att erbjuda balkar med längre spännvidd och med större tvärsnitt än vad som annars vore möjligt. Genom örstärkning av limträkonstruktioner med koliberkomposit skulle lastkapaciteten kunna höjas ytterligare. Tillämpningsområdet ör örstärkning av limträkonstruktioner skulle kunna ligga inom nyproduktion eller kapacitetshöjning av beintlig konstruktion. Sytet med detta examensarbete är att undersöka örstärkningssystemets potential vid örstärkning av limträbalkar med koliberkompositstavar. Examensarbetet består av två delar, en litteraturstudie samt experimentella örsök med koliberkompositörstärkning. Litteraturstudien behandlar tidigare utörda örstärkningar samt vidhätningsörmågan ör olika typer av lim mellan komposit och trä. De experimentella örsöken omattar: Utvärdering av vidhätningsörmågan ör trä- och universallimmer. Kontroll av örankringslängd ör valt örstärkningssystem. Balkböjningsörsök av kompositörstärkta limträbalkar. Förstärkningen av limträbalkarna utördes genom att räsa spår i understa limträlamellen och i dessa applicera epoxilim och koliberkompositstavar av typ NSMR (Near Surace Mounted Reinorcement). Böjningsörsöken på limträbalkar uppvisade goda resultat med en ökning av momentkapaciteten med i medeltal 63 %. Detta indikerar på att valt örstärkningssystem lämpar sig vid örstärkning av limträ. De örstärkta balkarna uppvisade dock stor spridning i hållasthetsegenskaper inom populationen. Brottkaraktären, ör yra av sju örstärkta limträbalkar, var brott i underkant på limträbalken till öljd av deekter i träet. Tre av de örstärkta limträbalkarna uppvisade tryckbrott i överkant på balken, vilket är resultatet av ullgod örstärkning i underkant av böjbelastad balk. Försöken med de olika limmerna samt örankringlängderna har utörts som dragörsök. Fem olika limmer har provats och utvärderats, det lim som uppvisade de bästa egenskaperna i orm av lastkapacitet och applicerbarhet var epoxilimmet, BPE 465. De trälimmer som idag inns på marknaden kan inte anses som ett substitut till epoxilimmer. Förankringsörsöken visade att mm örankringslängd är tillräckligt ör att uppnå ullgod dragkapacitet i koliberkompositarmeringen. Försök med örstärkta balkar visade att inrästa koliberkompositstavar är ett ungerande koncept ör att örstärka limträ. -II-

6

7 Abstract Abstract Glulam is a material consisting o several lamellae o structural timber hich has been glued together. Glulam extends the limits or timber design, by oering beams ith longer spans and larger cross sections than otherise possible. Through reinorcement o glulam members the load carrying capacity ould increase urther. Applications or reinorced timber could be ithin regular production or strengthening o existing structures. The purpose o this master thesis is to investigate the potential o strengthening glulam ith carbon ibre composite reinorcement. The master thesis consists o to parts, a literature study and laboratory experiments ith carbon iber composite reinorced glulam. The literature study ocuses on previously perormed reinorcements and the adhesive capability beteen composite and ood or dierent types o glues. The experiments comprise: Evaluations o adhesive capability o ood and universal glues. Control o anchoring length or chosen reinorcement system. Beam bending experiments o composite reinorced glulam beams. The reinorcement system as designed by tracks in loest glulam lamella, apply glue and insert carbon reinorced composites o types NSMR (Near Surace Mounted Reinorcement). The bending experiments on glulam beams shoed an increase o 63% o the mean moment capacity. This indicates that the chosen reinorcement system is suitable or reinorcement o glulam. The scatter as hoever large ithin the population. The ailure mechanism as, in our out o seven reinorced glulam beams, tensile ailure in the loer lamella as a result o deects in the ood. Three o the reinorced glulam beams shoed compression ailure in the upper lamella o the beam, hich is the result o satisactory reinorcement in the loer lamella. The experiments ith the dierent glue types and the testing o the support length has been perormed in tension. Five dierent glues has been tested and evaluated. The glue that proved to have the best properties concerning to load carrying capacity and easy o application as epoxy, BPE 465. Existing glulam resins can not be seen as a substitute or epoxy. The experiments shoed that mm anchoring length is enough to reach ull tensile capacity ithin the reinorcement. Experiments ith reinorced glulam beams shoed that Near Surace Mounted Reinorcement is an appropriate concept. -III-

8

9 Symboler Symboler Romerska versaler A Area [m ] A Area ör iberkomposit [m ] A Area trä [m ] C Konstant [-] E Elasticitetsmodul [Pa] E 0.mean Medelelasticitetsmodul [Pa] E a Elasticitetsmodul ör lim [Pa] E E lasticitetsmodul ör komposit [Pa] E Elasticitetsmodul ör trä [Pa] F Arbetet ör yttre last [Nm] F Krat i komposit [N] G a Limmets skjuvmodul [m 4 ] G Energi per skjuvyta [Nm/m ] M mean Böjhållasthet [Nm] P Krat [N] P 1 =P Punktlast [N] Q Statiskt moment [Nm] R m Momentkapacitet [Nm] U e Elastisk energi innan spricktillväxt [Nm] V Skjuvkrat [N] V d Skjuvkrat vid avståndet d rån centrum [N] W Tvärsnittets böjmotstånd [m 3 ] W x, Böjmotstånd ör trä [m 3 ] -IV-

10 Symboler Romerska gemener a Längd [m] b Bredd [m] b 1 Längd [m] b Längd [m] b Bredd på komposit [m] b k Avstånd mellan NSMR och ytterkant av limträbalk [m] b m Avståndet mellan NSMR stavarna [m] b u Bredd på urräsning [m] b Bredd på trästycke [m] ac Tryckhållasthet ör lim [Pa] at Draghållasthet ör lim [Pa] Draghållasthet ör komposit [Pa] m Böjhållasthet ör trä [Pa] v Träets skjuvhållasthet [Pa] v, Träets skjuvhållasthet i iberriktningen [Pa] h Höjd [m] h Höjd på komposit [m] h u Höjd på urräsning [m] h Höjd på limträbalk [m] l 0 Längd på oörankrad komposit [m] I t Tröghetsmoment [m 4 ] I x, Tröghetsmoment ör örstärkt tvärsnitt [m 4 ] k Konstant [-] l Halva längden på kompositen [m] l a Förankringslängd av komposit [m] l cr Kritiskt örankringslängd mellan trä och komposit [m] n Antal NSMR-stavar [st] r Reduktionsaktor av iberhållastheten [-] s Tjockleken på limog [m] t Bredd på kvadratisk NSMR-stav [m] t Tjockleken på komposit [m] t Träets tjocklek [m] x Avstånd [m] y tp Tyngdpunkt [m] y tp, Tyngdpunkt i träet [m] z 0 y tp, str [m] Förskjutning/spricköppning vid skjuvning [m] c Bredd på kontaktyta [m] -V-

11 Symboler Grekiska gemener σ Spänning [Pa] σ Spänning i komposit [Pa] δ Förskjutning [m] ε Skillnad i töjning mellan två kända mätpunkter [-] x Avstånd mellan två kända mätpunkter [m] ε Töjning [-] ε Töjning i komposit [-] ε u Brottöjning i komposit [-] κ inst Reduktionsaktor ör instabillitetsenomen [-] λ Konstant [-] τ Skjuvspänning [Pa] -VI-

12

13 INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1. INLEDNING BAKGRUND 1 1. SYFTE OCH MÅL METOD AVGRÄNSNINGAR. LITTERATURSTUDIE 3.1 LIMTRÄ DEFINITION HÅLLFASTHETSEGENSKAPER 5. KOMPOSITER 7..1 BESKRIVNING AV FIBRER 7.3 LIM ALLMÄNT OM LIMNING TRÄ MOT TRÄ KLASSIFICERING AV LIMMER OLIKA TYPER AV TRADITIONELLA TRÄLIMMER NYA LIMMER FÖR TRÄKONSTRUKTIONER LIMNING AV KOMPOSIT PÅ TRÄ 18.4 FÖRSTÄRKNING AV TRÄ OCH LIMTRÄ MED KOMPOSIT FÖRSTÄRKNING AV TRÄ FÖRSTÄRKNING AV LIMTRÄ 1 3 VAL AV FÖRSTÄRKNINGSSYSTEM NSMR I UNDERKANT AV BALK 3 4 TEORI BROTTMODER 5 4. HÅLLFASTHETSEGENSKAPER FÖR FÖRSTÄRKT TVÄRSNITT EKVIVALENT TRÄ KRITISK FÖRANKRINGSLÄNGD SKJUVSPÄNNING TEORETISK SKJUVSPÄNNING EXPERIMENTELL SKJUVSPÄNNING BERÄKNING AV BÖJANDE MOMENT 3

14 5 EXPERIMENTELLA FÖRSÖK ALLMÄNT FUKTKVOT OCH DENSITET VIDHÄFTNINGSPROVER MELLAN KOMPOSIT OCH TRÄ BAKGRUND TILL VIDHÄFTNINGSFÖRSÖK PROVKROPPAR LIMTESTER KRITISK FÖRANKRINGSLÄNGD BALKBÖJNING AV FÖRSTÄRKTA LIMTRÄBALKAR MÄTUTRUSTNING BAKGRUND TILL BALKBÖJNING PROVKROPPAR PROVUPPSTÄLLNING UTVÄRDERING AV EXPERIMENTELLT RESULTAT 44 6 SLUTSATSER 53 7 REFERENSER 55 APPENDIX A. FOTON 59 APPENDIX B. BERÄKNING AV TEORETISKA SKJUVSPÄNNINGAR 63 APPENDIX C. BERÄKNING AV EXPERIMENTELLA SKJUVSPÄNNINGAR 67 APPENDIX D. BERÄKNING AV STYVHET 69 APPENDIX E. BERÄKNING AV MOMENTKAPACITETEN 71 APPENDIX F. FÖRANKRINGSLÄNGD 73 APPENDIX G. PROTOKOLL 85

15 Kapitel 1. Inledning 1. Inledning 1.1 Bakgrund Limträ är ett material som består av sammanlimmade lameller av konstruktionsvirke. Limträ tänjer gränserna ör vad man kan bygga med trä, genom att erbjuda balkar med längre spännvidder och med större tvärsnitt än vad som annars vore möjligt. För närvarande har limträ svårt att konkurrera med andra material såsom stål och betong vid balkkonstruktioner där konstruktionshöjden har betydelse. Detta beror på att tvärsnitten blir höga och risken ör instabilitetsenomen ökar. Det är av intresse att undersöka olika möjligheter att konstruktionstekniskt öka bärörmågan lokalt ör limträ genom att örstärka balkarna med komposit. 1. Syte och mål Sytet med detta examensarbete är att undersöka örstärkningssystemets potential vid örstärkning av limträbalkar med inrästa koliberkompositstavar. Detta kan leda till ett tekniskt nytänkande där en optimering av limträets tvärsnitt skulle kunna öppna en ny marknad med god lönsamhet och på längre sikt ge ökad användning av trä som konstruktionsmaterial. Målet är att hitta ett örstärkningsalternativ som medör ökning av momentkapaciteten. 1.3 Metod Inledningsvis genomördes en litteraturstudie ör att ta reda på tidigare utörda kompositörstärkningar på trä. Utirån studien togs sedan ett beslut om ett lämpligt örstärkningssystem att jobba vidare med. Däreter gjordes teoretiska beräkningar på systemet ör att kontrollera om valet verkade rimligt. Slutligen utördes experimentella örsök som gick ut på att: Kontrollera om trälimmer går att använda som alternativt lim till epoxilim med avseende på vidhätningsegenskaper. Bestämma en kritisk örankringslängd. Ta reda på momentkapaciteten ör örstärkta balkar i brottgränstillstånd. De experimentella resultaten jämördes med teori och tidigare utörda örsök. Utirån dessa kunde däreter slutsatser konstateras. 1

16 Kapitel 1. Inledning 1.4 Avgränsningar Litteraturstudien är begränsad att undersöka tidigare utörda örstärkningar av trä med iber av olika typ. I örsöken har endast tio balkar med likadant tvärsnitt studerats. Samtliga var gjorda av svenskt limträ rån Martinsons trä AB. Försöken har begränsats till att: En limtjocklek använts, två mm. Förstärkningen tillverkades av koliberkomposit. Vidhätningsörsöken begränsades till att kontrollera konventionella trälimmer och ett universallim i örhållande till epoxilimmer. Balkböjningsörsöken begränsades till att enbart använda epoxilimmet BPE 465. I örsöken har endast raka rektangulära limträelement använts. Inga långtidseekter kontrolleras och testerna gjordes ör svenska örhållanden.

17 Kapitel. Litteraturstudie. Litteraturstudie För att å en övergripande bild över vad örstärkning av limträ innebär studerades de ingående delarna, limträ, lim och kompositer..1 Limträ.1.1 Deinition Limträ är benämningen på lameller av vanligt konstruktionsvirke som limmats ihop till ett konstruktionselement, se igur.1. Där iberriktningen i lamellerna går parallellt med elementens längsriktning. Limträ blir både starkare och styvare än vanligt trävirke i samma dimensioner, på grund av denna lamelleringseekt. Lamellvirket har hållasthetssorterats och det starkaste lamellvirket är placerat ytterst, där spänningarna normalt är störst. För en enskild planka bestäms hållastheten av det svagaste snittet. Vanligen en stor kvist eller liknande, Martinsons (004) och Svenskt limträ (004). Tjockleken hos en lamell är i Sverige 45 mm ör vanliga raka element. För L-märkt limträ, som är benämningen på svenskt tillverkningskontrollerat limträ, inns det krav på att elementet måste bestå av yra lameller eller ler. Är antalet lameller ärre kallas produkten limmat konstruktionsvirke. Limträ tillverkas industriellt under kontrollerade ormer och i olika hållasthetsklasser. Tillverkningsstandarden ör den svenska marknaden är hållasthetsklass L40. Figur.1 Limträbalk, Martinsons (004) Figur. Limträ använt som material i uterum, Novo (004). 3

18 Kapitel. Litteraturstudie Med hjälp av ingerskarvning av lamellerna kan mycket stora längder tillverkas. Storleken begränsas i örsta hand av transportmöjligheterna, Martinsons (004) och Svenskt limträ (004). Det vanligaste användningsområdet ör limträ är byggnader i orm av industribyggnader, skolor, idrottshallar och småhus (t.ex. vid utbyggnader och uterum, se igur.). På senare år har byggnormerna tillåtit att trä används i lervåningshus varvid limträ har ått en ny marknad, Carling (001). Limträ kan även användas på platser som är mer utsatta ör klimatorienterad påverkan såsom t.ex. broar, kratlednings- och lyktstolpar, parkeringshus och lekplatsutrustning, Lopez-Anidio (00). En av anledningarna till att limträ används som byggnadsmaterial är dess tilltalande estetik. Figur.3 visar exempel på limträkonstruktioner som utormats ör att ge besökaren ett harmoniskt intryck. Figur.3 Bilden till vänster är rån biblioteket på Kungsmadsskolan i Växjö, Martinsons (004) och bilden till höger är rån en kyrka på Irland, Moelven (004). 4

19 Kapitel. Litteraturstudie.1.4 Hållasthetsegenskaper Enligt Grundläggande konstruktionslära (004) är trä ett anisotropt material och hållastheten beror av påkänningens riktning relativt iberriktningen. Den största hållastheten erhålls parallellt ibrerna. Detta beror på cellstrukturen vilken påverkar brottets karaktär i olika riktningar vid olika typ av belastning. Cellstrukturen varierar mellan enskilda träd men också inom ett och samma träd. Variationerna beror på de naturliga aktorer som råder på växtplatsen och genom genetiska aktorer. Andra aktorer som påverkar hållastheten och styvheten är exempelvis. kvistar, sprickor och årsringar, se igur A.5. De mest påverkande aktorerna är densitet, uktkvot, belastningstid och anisotropi. Hög densitet medör hög hållasthet (ör barrträd). Enbart hållastheten i drag vinkelrätt ibrerna är oberoende av densiteten. Med ökande uktkvot avtar hållastheten. Hållastheten sjunker med längre lastvaraktighet och med ökad last. Hållastheten och styvheten beror på hur spänningsriktningen örhåller sig till iberriktningen, anisotropi. De olika hållastheter som ska beaktas vid dimensionering med trä är: Draghållasthet parallellt ibrerriktningen vilken är träets högsta hållasthet, ca 90 MPa. Fibrerna i träet belastas i rent drag och brott initieras i kvistar och snedibrigheter. Draghållasthet vinkelrätt ibrerriktningen vilken är träet sämsta hållasthet, ca 3 MPa. Tryckhållasthet parallellt ibrerriktningen vilken är en tredjedel av draghållastheten, 30 MPa. Vid tryckbelastning komprimeras ibrerna axiellt och ett stabilitetsbrott utvecklas där ibrerna knäcker ut. Tryckhållasthet vinkelrätt ibrerriktningen,ca6mpa Skjuvhållasthet vilken beror på örekomsten av sprickor och årsringar. Kvistar kan ha en positiv inverkan genom att örhindra eller ördröja en propagering av en skjuvspricka. Orienteringen av årsringar och tjockleken på dessa har enligt Glos (003) betydelse ör skjuvhållastheten. Mest ördelaktigt är det att årsringarna ligger horisontellt i trästycket. På så sätt uppstår brottytan vinkelrätt årsringarna. Om allet är sådant att årsringarna är vertikalt placerade kommer brott att ske längs med årsringen. Hållastheten är ca 7 MPa. Böjhållasthet. Vid böjbelastning uppstår både tryck- och dragspänningar. 5

20 Kapitel. Litteraturstudie Tryckhållastheten är lägre än draghållastheten varvid det är på den tryckta sidan som brott initieras. Det slutliga brottet uppstår otast på den dragna sidan vid någon kvist eller imperektion och brottet är sprött, ca 48 MPa, se igur.4. Hållasthetsvärden är hämtade rån Petterson (000) och Gustavsson (003) och gäller ör gran. Figur.4 Brott i kvist vid böjbelastning I limträhandboken, Carling (001) har limträ samma hållasthetsegenskaper som vanligt konstruktionsvirke. Skillnaden ligger i att limträ i genomsnitt har högre hållasthet och en mindre spridning i hållasthetsegenskaperna, se igur.5. Figur.5 Jämörelse mellan limträ och konstruktionsvirke med avseende på spridning och hållasthet, Carling (001). Utirån att böjbrott otast sker i den dragna delen är det av intresse att undersöka om det går att örstärka limträbalkar och därigenom öka böjhållastheten. En tillräckligt utörd örstärkning skulle medöra att brottet sker i den tryckta delen av balken (duktilt brott). På så sätt skulle träets kapacitet vara ullt utnyttjad. Ytterligare en positiv aspekt vore att volymeekten skulle bli mindre. Bärörmågan är uttömd när spänningen i en viss punkt överskrider ett kritiskt värde. Med ökad balkvolym ökar också sannolikheten ör att en balk ska innehålla en sådan brottutlösande brotteekt, Carling (001). 6

21 Kapitel. Litteraturstudie. Kompositer Kompositer av typen FRP (ibre-reinorced plastics) är uppbyggda genom att ett ibermaterial, t.ex. glas, kol eller aramidibrer, dränks och bäddas in i en limmatris, vanligtvis polyester, epoxi eller vinylester, Triantaillou (1997). Fiberörstärkta polymerkompositer (FRP) har tack vare sin höga speciika hållasthet används bl.a. i sportutrustning, lyg- och rymdindustrin och som örstärkningsmaterial. Dessa har givit oss en ny möjlighet att kunna örstärka existerande träkonstruktioner. Dock är användandet reducerat p.g.a. de höga materialkostnaderna och tillverkningsprocessen. Egenskaperna ör en iberkomposit är starkt beroende av hur ibrerna är orienterade, ördelade, dess mekaniska egenskaper samt hur deras ysiska utormning ser ut. Gemensamt ör de tre nedanstående kompositerna är den låga egenvikten, ormbarheten, motståndskratigheten mot korrosion och utmattningen samt den höga draghållastheten, Carolin (003)...1 Beskrivning av ibrer Glasiber, Clarin (00) Billigare alternativ än koliber och aramider Elasticitetsmodul mellan GPa Brottöjning på -5 % Känsligt mot ukt beroende på vilken typ av matris som används Beroende på dess kemiska sammansättning kan den delas upp i olika glasibertyper: E-Electro, S-Höghållast, AR-Alkaliresistent samt C- Korrosion Koliber, Carolin (003) Hög elasticitetsmodul, GPa Brottöjning på % Absorberar inte vatten Resistent mot många kemiska lösningar Mycket motståndskratig mot utmattning Kryper vid belastning Aramider (kevlar), Carolin (003) Elasticitetsmodul på GPa Draghållasthet på MPa Brottöjningen ligger på % Känslig ör hög temperatur, ukt, och ultraviolett ljus 7

22 Kapitel. Litteraturstudie Vid val av materialsystem, matris och iber, är det en rad aktorer som påverkar valet. Några av dessa är, Täljsten (000): Materialkostnad Krav på mekanisk hållasthet Styvhet och styrka Skadetålighet Resistens mot miljöpåverkan Långtidsegenskaper som relaxation, krypning och applikationsmetod.3 Lim.3.1 Allmänt om limning trä mot trä Limmer som används till träkonstruktioner är utvecklade att binda samman två eller ler träprodukter så att de uppträder som en statisk enhet. Limmernas uppgit är att ylla tomrummen som inns mellan träprodukterna och ramkalla vidhätning som är lika stark som de inre kohesionskrater som inns i träet. Limmet ska upprätthålla tillräcklig hållasthet och beständighet ör strukturens örväntade livslängd enligt normen, Eurocode 5 (1998). Attraktionskraterna mellan limmet och träet är av samma typ som de kohesionskrater som existerar i trämaterialet, egentligen attraktionskrater mellan molekyler. Den resulterande vidhätningen är mestadels av väte- och van der Waals bindningar. För att uppnå vidhätning måste limmet, i någon as av vidhätningen, vara i lytande orm. I vidhätningsprocessen ingår två steg, Raknes (1995): 1. Applicering av ett lytande lim som väter ytan ör att skapa attraktionskrater mellan limmolekylerna och trämolekylerna så att ullgod vidhätning uppnås.. Transormation av det lytande limmet till en ast as ska ylla tomrummen mellan de bitar som ska limmas samman. De ska även uppylla kraven på hållasthet och beständighet under hela strukturens livslängd. 8

23 Kapitel. Litteraturstudie Den sistnämna processen kallas härdning och kan beskrivas i tre ytterligare processer: 1. En ysisk process. Ta bort lösningar eller solidiiering genom smältning som i termoplastiska limmer så som Polyvinylacetat (PVAc).. En kemisk process, då limmolekylerna reagerar med varandra och bildar primära bindningar och då skapar ett polymeriskt nätverk som t.ex. epoxilimmer och polyuretan (PU). 3. Genom en kombination av kemisk reaktion och borttagning av lösningar t.ex. urea-, melamin-, enol- och resorcinolormaldehyd. När det gäller limmer som används vid tillverkning av limträ inns alltid en kemisk reaktion inblandad. Limmer som endast baseras på ysisk vidhätning, t.ex. termoplaster, har generellt en tendens till ör hög krypning ör att nyttjas i konstruktionssammanhang..3. Bindning mellan lim och arbetsstycke Enligt boken Trälimning, Raknes (1986) beskrivs trä som ett ast material vilket betyder att molekylerna har asta platser och mycket små möjligheter att röra sig (rörelsen består av att molekylerna svänger kring ett jämviktsläge). Om två trästycken örs tätt intill varandra kan molekylerna i beröringspunkterna inte orientera sig i örhållande till varandra så att (+/-)-attraktion sker mellan gränsytorna, det skapas således ingen bindning på detta sätt. För att binda ihop trästyckena behövs ett hjälpmaterial, limmet, som har rörliga molekyler. Molekylerna kan orientera sig i örhållande till trämolekylerna i trästyckena på båda sidor om limmet. Även om molekylerna i limvätskan är rörliga så saknar de inte kohesion. De molekyler som ligger i limytan och kommer i kontakt med träytan hålls ast av sina limmolekylgrannar så starkt att de inte utan vidare orienterar sig i örhållande till trämolekylerna på andra sidan gränsytan. Molekylerna på vätskeytan bildar en slags hinna. Hållastheten hos denna hinna är det som kallas ör ytspänning. Hög ytspänning hos limvätskan innebär att molekylerna hålls samman bättre inbördes i hinnan. För att molekylerna ska släppa taget om varandra och i stället ästa mot molekylerna i träytan så att (+/-)-attraktion kan uppstå måste limmet väta träytan, se igur.6. 9

24 Kapitel. Litteraturstudie Figur.6 Limdroppe med ythinna. Till vänster en limdroppe som, om dess molekyler i ytan dras starkare till träet, spontant kommer att väta ytan och lyta ut så som iguren till höger visar. Ju mer polärt limmet är, desto starkare är den inbördes attraktionen mellan limmolekylerna. Om molekylerna utan yttre påverkan ska kunna gripa tag i arbetsstyckets molekyler så måste arbetsstyckets molekyler vara minst lika polära som limmolekylerna. Ett polärt lim kan därör bara användas till polära material. Exempel på polära lim är karbamid- (urea)- och PVAc-lim. När det gäller opolärt lim kan molekylerna i limmet attraheras till polära och opolära material. Det opolära limmet kan således användas i båda allen. Ett exempel med karbamidlim (polärt) och materialet polyetylen (opolärt) visar polaritetsregeln tydligt, Baumann (1967): Karbamidlim binder inte mot polyetylen i ast orm medan smält polyetylen binder utmärkt mot härdat karbamidlim. Ytspänningen och därmed örmågan att väta arbetsstycket varierar mellan olika limmer. Tabell.1 Olika limtypers ytspänningar, Raknes (1986). Limtyp Ytspänning mn/m Urealim (karbamidlim) 71 Fenolresorcinollim 48 Resorcinollim 43 PVAc-lim 39 Nitrocellulosalim 6 (t.ex. ett glasklart lytande kontorslim) Ett ast ämnes tendens att låta sig vätas av en vätska kan uttryckas som ämnets kritiska ytspänning, den största ytspänning som en vätska år ha om den ska kunna väta det asta ämnets yta utan hjälp, t.ex. i orm av utstrykning eller pressning. 10

25 Kapitel. Litteraturstudie Tabell. Kritisk ytspänning hos olika asta material, Raknes (1986). Kritisk ytspänning Fast ämne (mn/m) "Gammal" yta "Helt ärsk" yta Furu Gran Douglasgran 48 7 Bok Ek Teak Polyamid 44 - Polyester 43 - PVC 39 - Polystyren 33 - Polyetylen 31 - Telon 18 - Vid jämörelse mellan tabell.1 och. kan nitrocellulosalim, vilket används som universallim, väta de lesta ämnen utom telon. Karbamidlim (urealim) har däremot så hög ytspänning att limmet otast behöver hjälp i orm av påstrykningsarbete eller presstryck ör att kunna väta det asta ämnets yta. När limmet väl vätt en träyta sitter limmet gärna kvar. Dels ör att själva vätningsprocessen ändrar ytegenskaperna samt ör att limmolekylerna har det svårare att slita sig loss rån molekylerna i ett ast ämne vid jämörelse med de rörligare molekylerna i en vätska. Limmet kan därör vara något mer polärt än trävirket. Lim med högre polaritet behöver hjälp med själva vätningen men ger i gengäld en starkare limog än lim som är mindre polära. Om de träytor som ska limmas är bearbetade så att de yttersta ibrerna är helt oskadade eller skurna i ett perekt snitt är det tillräckligt att limmet väter träytan och örekommande ördjupningar ör att å en limog. I ett verkligt all är bearbetningen aldrig tillräckligt perekt. Vid betraktelse av en träyta i mikroskop påvisas att ibrerna i ytan är mer eller mindre skadade och lösrivna. För att å en så bra limning som möjligt måste limmet kunna tränga in i träet så att det kommer i kontakt med oskadat material. Här är enomenet kapillaritet till hjälp. Cellerna i trä parallellt ibrerna är rörormiga och kapillärkraterna kommer, om limmet väter träytan, att bidra till att limmet tränger bättre in i träet. Vätningen är tillräcklig om limmet kan tränga in till oskadat trä. Skulle limmet 11

26 Kapitel. Litteraturstudie tränga in ör långt inns det risk att det blir ör lite lim kvar i ogen, mager limog. De kvalitetsmässigt bästa trälimmen, enollim och resorcinollim, tränger inte bara in i träets porer och cellhålrum utan även in i själva cellväggarna och örankras där. Detta kan vara en örklaring till varör dessa trälimmer är överlägsna när det gäller beständighet. Trä är mycket polärt och det är också alla vanliga trälim. En träytas polaritet minskar dock genom åldring. Detta visar sig genom att antalet magneter, se igur.6, minskar ju längre ytan år ligga eter bearbetningen. Träytor som ska limmas ska därör vara så nybearbetade som möjligt. Vid limning av gamla träytor är det en ördel om de riskas upp med en lätt putsning med sandpapper. Om ytorna inte kan putsas kan tvåsidig limpåöring användas. Som tillägg till de elektriska attraktionskraterna ås då mekaniska krater när limmet trycks mot träytan. Högt presstryck bidrar till att örbättra vätningen mellan limmet och träytan. Det är viktigt att se till att träytan är ren rån damm, ett och liknande..3.3 Klassiicering av limmer Det inns en europastandard ör klassiicering av limmer ör träkonstruktioner, EN 301 (199). Den motsvarande teststandarden är EN 30 (199). Standarden gäller endast ör enol och aminoplastlimmer. Dessa limmer är klassiicerade som: Typ I-limmer som tål utomhusbruk och temperaturer över 50 C. Typ II-limmer som kan nyttjas i uppvärmda och ventilerade byggnader men bör vara klimatskyddade. Limmerna tål kortvarigt utomhusbruk men tål inte längre exponeringar av klimat och temperaturer över 50 C. I Eurocode 5 (1998) godkänns endast limmer som är godkända enligt EN 301 (199). 1

27 Kapitel. Litteraturstudie.3.4 Olika typer av traditionella trälimmer Det inns ett antal olika limmer som kan användas till limning av trä. Val av lim beror på ändamålet och vilka krav som ställs på det hoplimmade elementet. En sammanställning kan ses i tabell.3. Tabell.3 Sammanställning av trälimmer, Raknes (1995). Omgivning RF/PRF PF MUF UF Kasein (varm) Utomhus + + (+) X X >50 C + + (+) X X >85%RF + + (+) X X Marin + + X X X Färg Mörk Mörk Ljus Ljus Ljus EN-klass I/II 301-II - + lämplig X inte lämplig (+) vissa märken lämpliga - Finns inte med i ENstandard Resorcinolormaldehyd (RF) och enolresorcinolormaldehyd (PRF) Rena resorcinollimmer tillverkas genom att blanda resorcinol (en enolisk sammansättning) med ormaldehyd. Processen sker med ett underskott av ormaldehyd och avslutas då reaktionen konsumerat all ormaldehyd. Limmet, som är i lytande orm, används med en härdare som innehåller ormaldehyd. Utöver härdaren innehåller limmet olika tillsatsmedel som t.ex. ogyllare som yller ut tomrummen så att bättre vidhätning erhålls. Etersom resorcinol är en dyr kemikalie ersätts denna med andra billigare enoler, Raknes (1995). För båda typerna ska limningen ske i rumstemperatur, 15-0 C, eller högre. Dessa limmer svarar bra på härdning med radiovågsuppvärmning. Bindningstyperna mellan resorcinol och andra enoler med ormaldehyd är kovalenta. Dessa bindningar är starka och beständiga även mot hydrolys. RF- och PRFlimmer ger en god vidhätning som är helt vatten-, kok- och klimatbeständig, limmerna tål även att exponeras ör saltvatten. Virke som limmas med dessa limmer kommer inte delaminera vid en eventuell eldsvåda. Limmet i sig självt är neutralt, varken en syra eller bas. På så sätt kommer limmet inte att skada träet eller korrodera metaller. RF och PRF är typ I limmer enligt EN 301 (199) och används till limträ, ingerskarvar, I-balkar och lådbalkar etc. 13

28 Kapitel. Litteraturstudie Fenolormaldehyd (PF), varm inattning Dessa limmer tillverkas genom att låta enol reagera med ormaldehyd under alkaliska örhållanden vid örhöjd temperatur. Reaktionen stoppas genom kylning. Limmet kan vara lytande, som ett pulver eller liknande en ilm när det appliceras. Härdning sker genom tillörsel av värme, C. För de typer av lim som innehåller mer reaktiv enol kan härdning ske genom en kombination av värme och tillsats av ormaldehydhärdare. Dessa limmer har samma beständighet som RF och PRF limmer, Raknes (1995). PF-limmer med varm inattning används otast till byggnads- och marinplyood. Härdning med radiovågor är inte möjlig men mikrovågshärdning kan användas ör vissa produkter. PF med varm inattning kan inte klassiiceras enligt EN 301 (199), men klarar de mest grundläggande kraven på väder- och kokbeständighet, VKB. Fenolormaldehyd (PF), kall omgivning För att PF-lim ska kunna härda i rumstemperatur måste den vara syrabaserad. Detta är inte möjligt om limmet är baserat på en vattenlösning etersom syran skulle örstöra limningen. Limmet är därör löst i alkohol och blandas med en stark syra. Limningen har samma hållasthets- och beständighetsegenskaper som andra enollimmer, helt VKB-säker. Härdningen som är kratigt syrlig kan mycket sannolikt skada träytorna. PF-limmer med kall inattning är klassiicerade enligt EN 301 (199), men många limtyper kommer inte att klara syraskadeprovet enligt EN 30-3 (199). Limtyper som är sammansatta enligt denna metod användes på 50- och 60-talet i tillverkningen av limträ. Några byggnader som byggdes med detta limträ kollapsade eter ett antal år och det inns anledning att misstänka syraskador rån limmet i dessa all, Raknes (1995). PF-limmer som appliceras med kall inattning bör således inte användas i större konstruktioner. 14

29 Kapitel. Litteraturstudie Ureaormaldehyd (UF) UF-limmer tillverkas genom att blanda urea och ormaldehyd. Reaktionen påskyndas genom tillsättning av syra och värme. UF tillhör en väldigt allsidig limamilj. De kan tillverkas i lytande orm eller som ett pulver samt härda i temperaturer rån 10 C och uppåt. Radiovågshärdning kan tillämpas. Endast UF-limmer som är specialtillverkade med kall inattning går att användas till konstruktionsändamål. De år inte ha ör hög syrahalt och måste även ha en utyllnadstillsats som yller ut de tomrum som uppstår mellan limmet och träibrerna, annars inträar delaminering. Även om limmet utvecklas speciellt ör konstruktionsändamål har det vissa begränsningar när det gäller värme- och vattenavvisning. Limmet bryts snabbt ned vid hög värme och lutuktighet. Vid brand tenderar konstruktionen att delaminera. UF limmer är klassiicerade enligt EN 301 (199) som typ II-limmer och används vid tillverkning av limträ och ingerskarvning ör inomhusbruk. Melaminurea ormaldehyd (MUF) Dessa limmer är närbesläktade med UF-limmerna men en del av urea är ersatt med melamin ör att öka vatten- och klimatbeständigheten, vissa limmer kan även innehålla resorcinol ör att uppnå samma resultat. MUF tillverkas som varmpresslimmer ör plyood med omedelbar vattenavstötning. Med kall inattning tillsammans med varmhärdade limmer används de till limträ och ingerskarvning. MUF-limmer med kall inästning är klassiicerade enligt EN 301 (199). Vissa kommer att vara typ II-limmer med egenskaper liknandes UF-limmernas. De bästa kommer att uppnå typ I kraven och kommer då att bli klassiicerade som ett väderbeständigt lim. Dessa är dock mindre motståndskratiga än de resorcinolbaserade limmerna och är inte lämpliga ör marina syten. MUFlimmer är etertraktade av ekonomiska skäl och ör att limmet har en ljusare ärg. 15

30 Kapitel. Litteraturstudie.3.5 Nya limmer ör träkonstruktioner Testmetoder som utvecklats ör en eller lera typer av limmer, som testmetoderna enligt EN 30 (199), behöver nödvändigtvis inte passa alla limmer. Godkännande av nya typer av lim omattar två steg: Kontrollera med god säkerhet att långtidsbeständigheten av det nya limmet är till belåtenhet. Upprätta kortsiktliga provmetoder ör att urskilja dåliga limmärken rån de bättre då det gäller nya limmer. De yra öljande typerna av lim kan betraktas som potentiella limmer ör träkonstruktioner. Inom varje grupp ör dessa yra typer av lim inns det olika märken med olika egenskaper. Somliga av dessa kan mycket väl vara lämpliga som trälim vid konstruktioner medan vissa av dem inte alls lämpar sig ör ändamålet. I tabell.4 inns en sammanställning över potentiella limmer ör trä. Tabell.4 Nya potentiella limmer, Raknes (1995). Egenskaper Epoxi komponent PU 1 komponent PU EPI Klimatbeständighet???? Värmeresistens???? Vattenresistens???? Krypning???? Hårdhet, seghet Tomrumsyllning + + X X Adhesion? + + o Lättanvändligt X X X + Härdning o o o + + Bra, troligtvis bättre än aktuella limmer o Jämörbara med aktuella limmer X Sämre än aktuella limmer? Osäkra, stora variationer mellan olika märken Epoxilimmer Epoxi är en härdplast vilken består av två komponenter: Komponent I är ett epoxilim där molekylerna är avslutade med epoxigrupper. Komponent II består av biunktionella aminer. Ingen av de ovanstående innehåller lösningsmedel. Vid blandning av epoxi och amin ramkallas ett mycket stabilt lim. Epoxilimmer kan ramställas ör ett speciikt ändamål och göras lämpliga ör limning av trä. Limmet yller med goda resultat ut de tomrum som uppkommer mellan ytorna som ska limmas. 16

31 Kapitel. Litteraturstudie Etersom epoxi är ett relativt dyrt lim har det bara tillämpats i vissa specialall vid limning av trä, t.ex.: Byggande av träbåtar. Reparation av limträbalkar. Pålimning av metall, plaster, gummi etc. på trä. Förstärkning av trä som är delvis nedbrutet eller angripet på annat sätt. En reparation kan börja med injicering av mycket lättlytande epoxi, som örstärkning av zoner med skadat trä. Reparationen kan kompletteras med armering i orm av stavar, t.ex. glasiberstavar. Reparationer i allmänhet och hobbylimning. Epoxilimmer har mycket bra hållasthet och beständighetsegenskaper. Motståndskraten ör klimatpåverkan ligger mellan MUF och PRF egenskaper. Tvåkomponents polyuretanlim Den örsta komponenten består av di- eller triunktionella isocyanater, vilka är mycket hälsovådliga. Den andra komponenten består av di- eller triunktionella alkoholer. När dessa komponenter blandas bildas ett polyuretanlim. Dessa limmer har bra hållasthet och beständighet, men erarenheter indikerar på att de inte har bra motståndskrat mot klimatpåverkan, detta gäller dock inte alla limmer (Hedlund 1987). När det gäller vidhätning av trä har de nästan uteslutande använts till speciella ändamål, exempelvis: Aluminium på plyood i sandichkonstruktioner Korrugerade stålplattor på plyood ör lastbärande takelement (använt i Skandinavien i mer än 10 år) Inlimmade bultar Enkomponents polyuretanlim Den härdande komponenten i denna limtyp består av isocyanat. Vid applicering på trä kommer delar av isocyanatet att reagera med ukt rån antingen den omgivande luten eller de limmade materialen. Vid reaktionen övergår isocyanatet till amin. Samtidigt bildas även koldioxid, vilket ger limmet en tendens att skumma. Hållasthets- och beständighetsegenskaperna är de samma som ör två komponents polyuretanlim eller något sämre. Dessa limmer saknar egenskapen att ylla igen tomrummen. I Tyskland har två märken av enkomponents PU godkänts ör konstruktionsändamål vid träbyggnation, både ör inom- och utomhusbruk. Begränsningen är dock satt till 6 m spännvidd och 0,3 mm limtjocklek, Raknes (1995). 17

32 Kapitel. Litteraturstudie.3.6 Limning av komposit på trä Bindning mellan trä och komposit Förstärkning av ett limträtvärsnitt kan ske genom att limma på ett kompositmaterial som har högre styvhet än trämaterialet. Den kritiska asen i denna örstärkning är att å ullgod vidhätning mellan trä, lim och komposit. De mekaniska egenskaperna hos FRP-kompositer är beroende av hur väl lasten kan överöras rån ibrerna till limmatrisen vilken i sin tur ska samverka som en helhet, dvs. iberkompositörstärkningen. Många av de brott som uppstår i örstärkt trä härrör till limningen. Detta beror ota på dålig vätning av ytan samt bristande kemisk kompatibilitet och reaktivitet mellan kompositen, limmet och träet. För att örhöja bindningen mellan två ytor inom kompositen är ota iberytorna täckta eller behandlade med olika tillsatsmedel ör att å en kemisk örändring av ytan, vilket kallas ör seizing, Sheldon (00). Träet i sin tur kan behandlas med en primer, t.ex. HMR (hydroxy metyl resorcinol), ör att örbättra vätningen av limmet på träibrerna under limimpregneringen och på så sätt öka adhesionen mellan träibrerna och limmet..4 Förstärkning av trä och limträ med komposit Under de senaste årtiondena har FRP blivit mer och mer intressant som byggnadsmaterial. Hitintills har det ramtagits ett antal varierande system ör örstärkning med FRP, Lopez-Anidio (00): Inlindning av trästommar med glasiber och koliber. Pålimning av glasiberplattor på limträbalkar. FRP-band ör örspänning av laminerade trädäck Fördelar med att örstärka en trästomme med iberkomposit är bl.a. öljande, Sheldon (00): En ökning av styrka och/eller styvhet. En reducering av variationer i de mekaniska egenskaperna, vilket leder till högre dimensioneringsvärden. Möjliggör användande av trä med inslag av t.ex. kvistar som normalt sett sänker hållastheten. En reducering av höjd och vikt i byggnadsdelarna erhålls. Utmattningståligheten och duktiliten ökas. 18

33 Kapitel. Litteraturstudie.4.1 Förstärkning av trä Trä i böjning Studier visar att brott sker nära deekter i den dragna zonen på träet vid böjning se igur.7. I Lacroix (000) utördes småskaliga örstärkningsörsök på virke avtypentum4(38x89mm). Figur.7 Brottmoder kopplade till dragzoner vid böjning. a) skjuv och drag, b) lutning på iber, c) rent drag, d) kvistar och deekter, e) olika uppsprickningar, Lacroix (000) Utormningen ör örsöken ses i igur.7. Tvärsnittet var örstärkt med två lager komposit, 8 mm brett, varje lager med en eektivtjocklek på 0,165 mm iber med en elasticitetsmodul, E, på 30 GPa. Träets elasticitetsmodul uppmättes till 10,4 GPa. För att på ett enkelt sätt beräkna det sammansatta tvärsnittets egenskaper omvandlas kompositen till ekvivalent mängd trä. Detta görs genom att ta bredden, 8 mm, multiplicerad med örhållandet: Ekomposit 30 = =, Eträ 10,4 Det ger en invers T-ormad balk uppbyggd av en rektangel, 38 mm bred och 89 mm hög. Till vilken adderas ekvivalent trä 0,330 mm gånger 61 mm (8 x,17), som representerar kompositen. 19

34 Kapitel. Litteraturstudie Kompositörankring Det som behövs ör örankring av komposit är en yta, grovt slipad med sandpapper som sedan dränks med lim ör att uppnå ullgod penetration in i träporerna. En örankringsberäkning baserad på samma beräkningssätt som ör armerad betong har visat sig vara tillräcklig, Lacroix (1999). Kompositlagret måste ortsätta örbi den punkt där det uträknade böjande momentet, pålagt moment, är lika med kapaciteten ör det oörstärkta tvärsnittet. Avståndet ör appliceringen eter denna punkt är sådan att skjuvspänningen ska vara på en acceptabel nivå mellan kompositlagret och träet. Denna skjuvspänning beräknas enligt, Lacroix (000): τ = V Q (.1) I t c Q är det statiska momentet ör träet ovanör kompositlagret med hänseende till tyngdpunkten ör det sammansatta tvärsnittet. I t är tröghetsmomentet ör det sammansatta tvärsnittet. c är bredden på kontaktytan mellan komposit och trä. V är skjuvkraten. Försöksresultat, Lacroix (1999) visar att den här spänningen kan uppnå 8,0 MPa utan att orsaka brott ör ett limträ. Flera brottmoder i en balk involverar en kombination av skjuv och drag. Vissa brottmoder kunde elimineras genom att örlänga kompositlagret längre än den öreslagna minimiörankringen. Det är ördelaktigt att örlänga kompositlagret ända ram till stöden/stödytorna. Detta kommer att reducera örankringsspänningarna till ett minimum och eliminera kombinationen av drag- och skjuvningsbrott i zonen ör reducerat böjande moment och hög skjuvspänning. Trä i skjuvning Den här brottmoden är sällan dimensionerande ör träbalken som helhet, örutom balkar med hög belastning och korta spännvidder. Om kompositlagret limmas jämt på den undre ytan på balken kommer denna att öka tröghetsmomentet och reducera skjuvspänningarna vid det neutrala lagret. Detta är ytterligare ett argument att örlänga örankringslängderna ända ut och örbi stöden, kompositörstärking av hela balklängden. Vid det neutrala lagret kommer skjuvhållastheten att bli, Lacroix (000) Vd Qna τ na = (.) I t b V d är skjuvkraten vid avståndet d rån centrum på stödet. b är bredden ör tvärsnittet ör träet. Q na är det statiska momentet ör träet ovanör det neutrala lagret. I t är tröghetsmomentet ör det sammansatta tvärsnittet. 0

35 Kapitel. Litteraturstudie Trä i tryck Tryckspänningarna i de översta ibrerna i en vanlig balk är de som sätter en övre gräns ör hur mycket man kan örstärka vid dimensioneringen. Denna brottmod är duktil i sin natur, ibrerna krossas och bucklar lokalt. Trä i drag Det är välkänt att dragbrottmoden ör trä vid böjning är spröd, slumpvis och svår att örutse. Den kan modelleras som ett sprött brottenomen med analogin - en kedja är inte starkare än sin svagaste länk. Belastning av balk i böjning ökar volymen av den dragna zonen. Vid applicering av kompositörstärkning minskar denna volym, men inte tillräckligt och endast ör de lägre delarna av ibrerna..4. Förstärkning av limträ Laminat mellan de två nedersta lagren Vid Norsk Treteknisk Institutt i Oslo har örstärkning av limträbalkar med komposit genomörts, Solli (1997). De limträbalkar som testerna omattar har hat dimensionerna 90 x 300 x 6000 mm, d.v.s. nio lameller. Förstärkningen är utörd genom att en kompositlaminat på 90 x mm limmades ast mellan de yttersta lamellerna, mellan lamell åtta och nio räknat uppirån i den dragna zonen. Vid örsöken provades 4 balkar totalt, varav tolv var örstärkta och tolv oörstärkta. Resultaten av örsöken sammanställs nedan. Ökning av medelstyvheten: Ε0, mean, R = = 3% Ε0, mean 1948 Ökning av böjhållastheten: (E är i MPa) M M mean, R mean 73, = = 35% 54,5 (M är i knm) Den initiella typiska brottmoden startade i den dragna lamellen (ingerskarv, kvist eller dylikt). Ökningen av böjmomentkapacitet vid brott var i det här allet mestadels orsakat av låga värden i de oörstärkta balkarna och små variationer i de örstärkta balkarnas värden. Den örväntade eekten av örstärkningen uteblev under mätningarna av styvheten. Om limningen mellan örstärkningen och limträlamellerna hade varit starkare, skulle kanske kapaciteten hos kompositmaterialet ha utnyttjats mer. 1

36

37 Kapitel 3. Val av örstärkningssystem 3 Val av örstärkningssystem 3.1 NSMR i underkant av balk NSMR (Near Surace Mounted Reinorcement) är ett örstärkningssystem med kompositstavar. NSMR innebär att kompositstavar placeras nära örstärkningsobjektets ytskikt. Balkarna som ska testas utsätts ör böjning och således kommer örstärkningen att placeras på balkens undersida. Övriga alternativ som varit möjliga är: Laminat på undersidan. Stående laminater på sidorna. Inlimmad laminat mellan de nedersta lamellerna i limträbalken. Valet att örstärka limträbalkar genom att räsa en skåra i balkens underkant och där limma in kompositstav/stavar har baserats på öljande orsaker: Ta ram en metod som ska ungera i såväl beintliga system som nyproducerade. Det är en ny metod ör örstärkning av trä. Tidigare har örstärkning med laminat utörts, men inte med stavar. Genom att räsa en rektangulär skåra, 14 mm bred och 1 mm djup, erhålls limning på tre av stavens yra sidor och på så sätt utnyttjas nästan hela stavarnas potentiella limningsyta. Vid limning på tre sidor motverkas även läkning av kompositen. Estetiskt sett är det ett litet ingrepp i ett material med karakteristiskt utseende. Koliber anses vara den bäst lämpade polymeren. Förstärkningen kommer således att ske med koliberkomposit. Aramidibrer uteslöts etersom att de inte är ekonomiskt ördelaktiga att använda i örhållande till den eekt som örväntas erhållas. Glasiber valdes bort beroende på att de etersträvade hållasthetsegenskaperna skulle vara högre än träets. Egenskaperna ör glasiber är relativt lika trä. Valet att örstärka med en och två koliberkompositstavar baserades på att eekten mellan mängden örstärkning ville kontrolleras. 3

38

39 Kapitel 4. Teori 4Teori 4.1 Identiikation av brottorsaker Inör de experimentella örsöken identiierades tänkbara brottorsaker i syte att örsöka undvika dessa eller styra örsöken till dem. De identiierade brottorsakerna är: Skjuvbrott mellan iber, lim och/eller trä. Vid skjuvbrott i trä kan det ramträda som klossbrott. Dragbrott i komposit. Fläkning av komposit i balkböjning. Delaminering av limträ. Krossbrott i trä i den tryckta zonen, ovansida av balk. Skjuvbrott är den mest sannolika brottorsaken. Teoretisk och experimentell beräkningsgång ör skjuvspänningar inns redovisade under kapitel 4.4. Kompositens draghållasthet är så pass hög i jämörelse med träets hållasthet. Dragbrott i komposit sker således inte. Fläkning av komposit i balkböjning motverkas av det valda örstärkningssystemet se kapitel 3.1. Delaminering och krossbrott i limträ omattas inte av detta examensarbete. 4. Hållasthetsegenskaper ör örstärkt tvärsnitt 4..1 Ekvivalent trä Brottlasten är beroende av materialens styvhet, E, samt även tröghetsmomentet, I, ör det sammansatta tvärsnittet. Styvheten ör trä är känd men med stora variationer beroende på deekter i träet. För en komposit beror styvheten på iberinnehållet. Tröghetsmomentet beror endast på geometri och kan ör ett rektangulärt tvärsnitt enligt Figur 4.1 beräknas med (4.1). Beräkningarna baseras på elasticitetsteori och örutsätter symmetrisk applicering av kompositen kring centrumlinjen ör tvärsnittet i x-led. 5

40 Kapitel 4. Teori b h y h x b k b b m b b k Figur 4.1 Tvärsnitt av NSMR örstärkt limträ. Geometri: h h b b b k b m höjden på limträbalk höjden på kompositen bredden på trästycket bredden på kompositen avstånd mellan NSMR och ytterkant av limträbalk avståndet mellan NSMR stavarna Tröghetsmoment ör rektangulärt tvärsnitt, Formelsamling ör Väg och vattenbyggare (1999): 3 b h I x, = (4.1) 1 För ett rektangulärt örstärkt tvärsnitt varierar styvheten över tvärsnittet och det är lämpligt att istället räkna om mängden komposit till ekvivalent mängd trä. str Här introduceras omräkningsaktorn k och tröghetsmomentet I ör det örstärkta tvärsnittet vilket kan beräknas enligt (4.) och (4.4). Beräkningen är möjlig genom att materialen då år samma tyngdpunkt och teorin baseras på att plana tvärsnitt örblir plana, Popov (1990). 6

41 Kapitel 4. Teori 7 Omräkningsaktor ör komposit till ekvivalent trä: E E k = (4.) Där: E är elasticitetsmodulen ör komposit E är elasticitetsmodulen ör trä Figur 4. visar tvärsnittet där kompositen är omräknad till ekvivalent mängd trä. Figur 4. Omräknat örstärkt tvärsnitt till ekvivalent mängd trä. Initialt beräknas arean och tyngdpunkten ör det bearbetade trätvärsnittet, dvs. tvärsnittet ör limträbalken med urräsningar ör NSMR stav/stavar. u u b h n b h A = (4.3) Där: h u är höjden på urräsningen b u är bredden på urräsningen n är antalet urräsningar och då även antal NSMR stavar ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) m k u u tp u m u u k u u u u tp A n b n b h b h h y A n h b h n h b h h h h b h h y + + = = 1 1,, (4.4)

42 Kapitel 4. Teori 8 Det sammansatta tvärsnittets area och tyngdpunkt blir då: ( ) u u str b h b h k n b h A + = (4.5) Där: h är kompositens höjd b är kompositens bredd ( ) ( ) str u k u u str tp A h h h b k n b b h b h h y =, (4.6) Steiners sats ger tröghetsmomentet ör det sammansatta tvärsnittet, Formelsamling ör Väg och vattenbyggare (1999): ( ) ( ) ( ) =,,,, u str tp u str tp u u m u str tp u u k u str tp u u str x h h y h h b k n h y h h b n h y h h b n h h y h h h h b I (4.7) Böjmotståndet ör det örstärkta och det oörstärkta tvärsnittet blir, Formelsamling ör Väg och vattenbyggare (1999): str tp str x str x y I W, = (4.8) tp x x y I W,,, = (4.9)

43 Kapitel 4. Teori Momentkapaciteten i brottgränstillstånd ör ovan nämnda tvärsnitt, Formelsamling, Träbyggnad ABW 013 (003): R m = κ W (4.10) inst m Där: R m är tvärsnittets momentkapacitet κ inst är en reduktionsaktor ör instabillitetsenomen (1,0 om stagad mot vippning) W är tvärsnittets böjmotstånd m är hållasthetsvärde ör trä vid böjning parallellt ibrerna I Appendix D redovisas beräkningar ör övergången mellan ett oörstärkt till örstärkt tvärsnitt enligt (4.1) - (4.10). 4.3 Kritisk örankringslängd Den kritiska örankringslängden, se igur 4.3, är den längd på limogen då örstärkningssystem med kompositstavar inte längre klarar att ta en högre last oavsett hur mycket limogen örlängs. Avkortas denna längd kommer örstärkningssystemet att ta en mindre last. Det inns tre troliga orsaker till att örstärkningssystemet går till brott: 1. Brott i träet men inte i limningen.. Brott i limningen men inte i träet. 3. En kombination av de två ovanstående. Kompositen har så hög draghållasthet i jämörelse med de två övriga materialen varvid det ej öreligger någon risk att denna ska gå till brott. Vid brott i limningen inns det två anledningar till att lastkapaciteten inte ökar med ökad örankringslängd: 1. Vätningen mot komposit eller trä är inte tillräcklig.. Limmets hållasthet överskrids och på så sätt initieras ett brott i ogen till dess att hela örankringslängden inte längre klarar av att hålla samman och då går till brott. 9

44 Kapitel 4. Teori 30 Figur 4.3 Graisk beskrivning av kritisk örankringslängd. Teoretisk härledning av örankringslängd redovisas i Appendix F. 4.4 Skjuvspänning Teoretisk skjuvspänning Beräkningar av skjuvspänningarna mellan lim och komposit är relativt komplicerade. Följande uttryck är hämtat rån Täljsten (00) och beskriver tidigare nämnda skjuvspänningar som unktion av balklängden. Då beräkningen ursprungligen är tillämpad ör kompositörstärkning av betong har vissa mindre ändringar av materialparametrar utörts ör att istället anpassas till applicering på trä. Denna ansats är dock inom rimliga gränser då teorin ligger inom det linjärelastiska området. ( ) 1) ( ) ( λ λ τ λ = x a e a a l b a l W E s P G x (4.11) max 1) ( ) ( λ λ τ = a a l b a l W E s P G a (4.1) + + = a W E z A E A E s b G λ (4.13)

45 Kapitel 4. Teori Där: s är tjockleken på limogen G a är limmets skjuvmodul z 0 = y tp, str Ovanstående ormel gäller endast ör belastningsallet då balken blir utsatt ör en punktlast. Experimenten i detta examensarbete utördes enligt EN 408 (1995) där två punktlaster användes. För att kunna använda ovanstående teori kan superpositionsprincipen tillämpas, vilken endast gäller ram till örsta punktlasten. Ekvationen antar öljande orm: Ga P1 τ 1 ( x) = s E W (l + a b1 ) ( a λ e l + a λ λx + 1) (4.14) Ga P τ ( x) = s E W (l + a b ) ( a λ e l + a λ λx + 1) (4.15) τ x) = τ ( x) + τ ( ) (4.16) tot ( 1 x De teoretiskt beräknade skjuvspänningarna ör en given last och parameterörklaring inns redovisade i Appendix B. Mellan punktlaster är momentet konstant varör det inte uppstår skjuvspänningar i limmet se igur Experimentell skjuvspänning Ett örenklat uttryck ör utvärdering av experimentell skjuvspänning längs med NSMR staven är tagen rån Nordin (003): t ε τ ( x) = E (4.17) 3 x Där: E är elasticitetsmodulen ör NSMR staven t är bredden på den kvadratiska NSMR staven ε är skillnad i töjning mellan två kända mätpunkter x är avståndet mellan två kända mätpunkter Beräkningsexempel på den experimentella skjuvspänningen inns redovisade i Appendix C. 31

46 Kapitel 4. Teori Beräkning av böjande moment Momentördelningen ör den statiskt bestämda provuppställningen år utseendet enligt igur 4.4. Figur 4.4 Momentördelning ör provuppställningen. Om P 1 är lika med P så kan det maximala momentet uttryckas enligt: M max = b P (4.18) 1 1 3

47 Kapitel 5. Experimentella örsök 5 Experimentella örsök 5.1 Allmänt Limningen i dessa experimentella örsök är ett kritiskt moment. Både kompositen och träet bearbetades innan limningen. De rästa skårornas ytor slipades ör att å bort avslitna träibrer som stack ut. På kompositstavarnas yta sitter ett släppmedel rån tillverkningen, vilket slipades bort ör att å en yta som limmet klarar av att väta. Vid limningen ska man undvika lutickor i limmet. Ytterligare en aspekt att ta hänsyn till är kompositstavarnas initiella krokighet. Kompositstavarna rätades med hjälp av placering av små distansbitar, igur 5.1. Observera att det utörts å tester vid respektive örsök varvid det inte är statistiskt tillörlitliga värden. Figur 5.1 Limträbalk med två rästa och inlimmade kompositstavar där små distansbitar placerats ör att å rätt ogtjocklek. 5. Fuktkvot och densitet Fuktkvoten och densiteten bestämdes genom att tre prov sågades ut rån provkropparna ör respektive typ av örsök så nära brotten som möjligt enligt ISO 3130 (1975), ISO 3131 (1975) och EN-408 (1995). Resultaten visade att densiteten var relativt hög, kg/m 3 jämört med standarddensiteten på ca 430 kg/m 3, se tabell G.4. Fuktkvoten var lika ör limträbalkarna och variationen i klossarna beror på att dessa är känsliga ör små örändringar men skillnaderna var inte extremt stora. 33

48 Kapitel 5. Experimentella örsök 5.5 Vidhätningsprover mellan komposit och trä Bakgrund till vidhätningsörsök Då tillgången till dokumenterade vidhätningsörsök mellan trä, lim och koliberkompositstavar är briställig krävdes praktiskt genomörda vidhätningsprover mellan koliberkomposit och trä. Fem olika limmer har provats ör att avgöra vilket lim som lämpar sig bäst under rådande appliceringsörhållanden. Resultaten rån örsöken användes ör att uppskatta den optimala örankringslängden mellan lim och komposit. De em olika limmerna som provats är: Ett tvåkomponents epoxilim bestående av basen NM BPE 465 och härdaren NM BPE464. Ett starkt lim med god vidhätningsörmåga, Nils Malmgren AB (004). Araldite 011 är även detta ett tvåkomponents epoxilim som likt ovanstående lim har en mycket hög draghållasthet och klarar därör bra av att ta upp drag och skjuvkrater, G.A. Lindberg AB (004). Cascomin 150 med härdare 550 vilka tillsammans bildar ett melaminlim som används inom limträindustrin, Akzo Nobel (004). Cascosinol 1719 med härdare 619 vilka tillsammans bildar ett resorcinollim som används inom limträindustrin med något bättre ogyllande egenskaper än ovanstående melaminlim, Akzo Nobel (004). PL-400 ett ogyllande universallim med hög vidhätning mot de lesta material och en temperaturbeständighet rån -40 C till +95 C, Kuntze & Co AB (004). Epoxilimmerna är de mest kostsamma limmerna öljt av universallimmet och däreter trälimmerna Provkroppar En kompositstav limmades i en räst skåra, mellan två träklossar av gran med dimensionerna 400 x 70 x 70 mm 3. Kompositstavarna hade tvärsnittet 10 x 10 mm, materialdata kan ses i tabell 5.1. En limog på två mm på vardera sidan om staven valdes delvis beroende på att kompositstavarna visade sig ha en viss initialkrokighet. Även i Nordin (003) har en två mm limog visat sig vara en lämplig ogbredd vid limning på betongbalkar. Provkropparna hade stora variationer i täthet mellan årsringarna vilket kan bidra till en viss spridning i hållasthetsegenskaper. Tät årsringsördelning medör en högre hållasthet. 34

49 Kapitel 5. Experimentella örsök Tabell 5.1 Data över använd FRP, BPE (00). E [GPa] ε u [ ] [MPa] BPE NSMR 101S Limtester För att säkerställa i vilken kloss brottet skulle uppstå i, utormades provkropparna genom att limma kompositstaven längs klossens hela längd, 400 mm. I den andra klossen varierades kompositstavens längd. Vid de initiella örsöken limmades kompositstaven med en längd av 300 mm. I örankringslängdsörsöken varierades längden på kompositen mellan mm. På detta sätt styrdes brotten till att ske i de kontrollerade örankringslängderna. a) b) Figur 5. a) stålhållare med provkropp där kompositstav limmats mellan två träklossar. b) skåra i stålhållare i vilken kompositstav ska kunna löpa ritt. Försöksuppställning Provkropparna placerades i två hållare av stål vilka tillverkats ör att kunna utöra testerna, se igur 5. b). Försöken utördes genom dragning i centrumlinjen ör provkropparna. På så sätt kunde riskerna ör att å en excentrisk belastning minimeras. De em örsta örsöken berörde endast aspekten vilket lim som lämpade sig bäst ör att sammanoga kompositstavar och trä. De parametrar som var intressanta var brottlast och örskjutning. Försöken var deormationsstyrda med hastigheten 1 mm/minut. 35

50 Kapitel 5. Experimentella örsök Utvärdering av experimentellt resultat Utav de em vidhätningsproverna var det två limmer som hade låg lastkapacitet. Det ena limmet var ett trälim, Melamin, vilket endast tog 0,4 kn. Det andra limmet var ett universallim, PL 400, vilket inte tog någon last. Av dessa orsaker tas inte limmerna med i den graiska redovisningen, se igur 5.3, av limmernas lastkapacitet Last [kn] 5 0 NM BPE Araldite Resorcinol Förskjutning [mm] Figur 5.3 Lastkapacitet ör de tre bästa limmerna. Figur 5.3 visar att det lim som har den högsta lastkapaciteten är Araldite öljt av BPE-limmet. Dessa två limmer är epoxilimmer. Resorcinollimmet, som är ett trälim, har ca 5 30 % lastkapacitet i jämörelse med epoxilimmerna och kan inte ungera som ersättningslim till epoxilimmerna med avseende på lastkapacitet. Den krat som träet kan anses klara av tas ram enligt öljande: 1. Laboratorieskjuvhållastheten ör trä är ca 9 MPa, Johnsson (004).. Den yta som går till brott örst är den med minst area. Således en av ytorna med 1 mm höjd. Arean blir = 3960 mm. 3. Lasten som den ytan klarar av att ta blir = kn. 4. Figur 5.3 visar att resorcinollimmet inte klarar av att ta denna last. Protokoll ör de utörda örsöken kan ses i tabell G.1. Den vanligaste brottorsaken är brott i limogen vilket bör ge ett tillörlitligt resultat till limmernas kapacitet. 36

51 Kapitel 5. Experimentella örsök Kritisk örankringslängd Eter de em örsta örsöken konstaterades att Araldite-limmet var det lim som visade de bästa testresultaten, se igur 5.3. BPE 465-limmet valdes dock till de ortsatta örsöken, både vid testerna av örankringslängd och vid balkböjningsörsöken. Materialdata ör BPE-limmet kan ses i tabell 5.. Detta lim valdes ör att det uppvisade tillräckliga hållasthetsegenskaper samt är avsevärt billigare än Araldite. Med det utvalda limmet utördes åtta ytterligare örsök ör att utvärdera den erorderliga örankringslängden. Längden på de örankringslängder som skulle testas valdes till: 100 mm 150 mm 00 mm 50 mm Valet av dessa längder baserades på Täljsten (00) där den kritiska örankringslängden mellan stål och betong är 50 mm. Försöken delades upp i två serier. 1 och. I respektive serie ingick ett prov rån de olika örankringslängderna. Tabell 5. Materialdata ör BPE-lim, Nordin (003) och BPE (00). BPE Lim 465/464 ac [MPa] at [MPa] E a [GPa] G a [GPa] Viskositet Tixotrop Försöksuppställning I örankringslängdsörsöken placerades provkropparna direkt i örsöksapparaten, utan att placeras i hållarna av stål. Provkropparna hölls på plats med ett tryck på ca 3 bar. Försöksuppställningen inducerade ett litet excentriskt moment i de belastade delarna vilket resulterade i att NSMR-staven inte blev utsatt ör rent drag utan ick både en tryckt och en dragen sida. I serie 1 vid det örsta örsöket, med örankringslängden 50 mm, inträade ett el vid kalibreringen. Hastigheten vid det örsöket blev 88 mm/min varör dessa mätvärden inte lämpar sig i igur 5.4. Maxlasten rån detta örsök kan dock användas med viss reservation ör att den blivit aningen hög p.g.a. den snabba belastningen. 37

52 Kapitel 5. Experimentella örsök Utvärdering av experimentellt resultat Last [kn] Förskjutning [mm] Figur 5.4 Lastkapacitet ör de olika örankringslängderna i serie 1 och. Det örsta talet står ör örankringslängd och det sista står ör provserienummer. Figur 5.4 visar att brotten i huvudsak är spröda örutom örankringslängden 50 mm i serie. Denna gick sönder i den mothållande örankringen troligtvis orsakat av det excentriska momentet. Om två NSMR stavar hade limmats symmetriskt på provkroppen hade ett bättre resultat kunnat erhållas. De uppmätta hållastheterna varierar inte som örväntat, örankringslängden 00 mm har en lägre hållasthet än 150 mm. Detta beror antagligen på att provkropparna ör 00 mm hade gles årsringstjocklek i jämörelse med 150 mm. En annan aspekt till den avvikande hållastheten ör 150 mm örankringslängd baseras på att räsdjupet blev 16-0 mm istället ör tolv mm beroende på en briställigt ungerande överhandsräs. På så sätt har en tjockare limog erhållits vilket kan påverka att provet blir styvare och ger en något hög lastkapacitet. Vid örankringslängden 100 mm är lastkapaciteten betydligt lägre än ör de övriga örankringslängderna vilket öranleder till bestämning av den kritiska örankringslängden. Detta visas bättre i igur

53 Kapitel 5. Experimentella örsök Last [kn] Förankringslängd [mm] Figur 5.5 Brottlast vid olika örankringslängder ör serie 1 och. Figur 5.5 visar att provresultaten har stor spridning vilket gör det svårt att urskilja några trender. Den streckade linjen gestikulerar en möjlig trendlinje om hållastheten ör 150 mm örankringslängd underskattas. En grov uppskattning kan göras till att örankringslängden skulle kunna ligga mellan mm. Protokoll ör de utörda örsöken kan ses i tabell G.. Den vanligaste brottorsaken är klossbrott i träet se igur A.. På de kortaste örankringslängderna (100 mm) sker dock brott i limmet vilket styrker tankarna om att den kritiska örankringslängden bör ligga mellan mm. 39

54 Kapitel 5. Experimentella örsök 5.6 Balkböjning av örstärkta limträbalkar Mätutrustning Vid örsöken har två typer av givare använts: Folietöjningsgivare Lvdt-lägesgivare Deras placering kan ses i igur 5.6 och 5.7 Ett enkelt sätt att mäta örskjutning kan ske med stroke, som är hydraultubens totala rörelse rån sitt utgångsläge. Figur 5.6 Givarplacering vid balkböjning, inte skalenlig. 7 och 8 är olietöjningsgivare som använts ör att mäta töjningar i kompositstav/arna. 1,,9 och 10 är lägesgivare som mäter kompositens örskjutning i örhållande till limträbalken. 3 och 4 är lägesgivare som användes ör att mäta sättningarna i stöden. 5 och 6 är lägesgivare vilka använts ör att mäta mittnedböjningen. Figur 5.7 Givarplacering på komposit i underkant på limträbalk i örhållande till den avkortade iberkanten, inte skalenlig. Streckad yta symboliserar upplag. 40

55 Kapitel 5. Experimentella örsök 5.6. Bakgrund till balkböjning Försöken omattar provning av momentkapacitet på totalt tio balkar. Tre reerensbalkar, tre balkar med en koliberstav och tre med två kompositstavar. Den sista balken var limmad med en avkortad kompositstav. För balknumrering se tabell 5.3. Valet av tre balkar i varje provserie motiveras genom att detta är det minsta antalet balkar ör att å en uppskattning av spridningen av hållasthet inom varje serie. Tabell 5.3 Provkroppsnumrering på limträbalkar som provats. Benämning Förstärkning Tvärsnitt Serie 1 Reerensbalk 1 Reerensbalk Ingen Reerensbalk 3 Serie Balk 1:1 Balk :1 Balk 3:1 Serie 3 Balk 1: Balk : Balk 3: 1 koliberstav koliberstavar Serie 4 Avkortad koliberstav 1 avkortad koliberstav 41

56 Kapitel 5. Experimentella örsök 5.6. Provkroppar Provkropparna bestod av limträbalkar av gran med dimensionerna 3500 x 5 x 90 mm 3 och kompositstavarna som hade tvärsnittet 10 x 10 mm. Materialdata ör kompositstavarna kan ses i tabell 5.1. I limträbalkarna gjordes en rektangulär urräsning längs med balken. 14 mm bredd och 1 mm djup som stavarna sedan limmades i, se igur 5.8. I serie och 4 gjordes en urräsning i centrum av den undre kanten. I serie 3 gjordes två urräsningar i underkanten symmetriskt placerade på vardera sidan om centrum på balken, Appendix D visar måttsättning ör urräsning. Limträbalkarna var av klass L40, BKR (1999). Figur 5.8 limträbalk med två inlimmade kompositstavar. 4

57 Kapitel 5. Experimentella örsök Provuppställning Provuppställningen har utormats baserat på normen EN 408 (1995) där avsteg gjorts angående längden på balken i örhållande till höjden. Den valdes till 3500 x 5 mm ör att i senare skede kunna jämöras med Pettersson (000), örstärkning av limträbalkar med stående plåtar. Försöksuppställningen med mått kan ses i igur 5.9 och som otograi i igur A.3. Försöken utörs med två belastningspunkter symmetriskt placerade i örhållande till mitten av balken, yrpunktsböjtest. Balken är stagad mot vippning vid respektive stöd. Den belastningshastighet som användes vid örsöken var 3 mm/min. Figur 5.9 Försöksuppställning. 43

58 Kapitel 5. Experimentella örsök Utvärdering av experimentellt resultat Den nedböjning som redovisas i igurerna , 14, och 16 är mittnedböjningen. Testerna genomördes utan några problem eller incidenter. Protokoll med brottörlopp rån örsöken kan ses i tabell G Moment [knm] Reerensbalk 1 Reerensbalk 3 Reerensbalk Nedböjning [mm] Figur 5.10 Jämörelse av momentkapacitet mellan reerensbalkarna. I igur 5.10 är variationerna i styvhet relativt små med undantag ör reerensbalk 1 som är något styvare än de två andra. Det är stor variation på momentkapaciteten vilket troligtvis beror på örekomsten av kvistar och ingerskarvar. Brotten är spröda och sprickor uppstod initiellt vid kvistar i underkant. Balkarna uppvisar ett linjärelastiskt beteende. 44

59 Kapitel 5. Experimentella örsök Moment [knm] Balk 3:1 Balk 1:1 Balk :1 Avkortad NSMR Nedböjning [mm] Figur 5.11 Jämörelse av momentkapacitet mellan balkarna med 1 kompositstav. I igur 5.11 är styvheten relativt lika ör samtliga balkar. Två av balkarna har samma momentkapacitet medan balken med avkortad NSMR-stav och balk 3:1 har lägre. Detta beror troligen på att det var ingerskarvar mitt under båda balkarna. Brotten ör bägge balkar inducerades i ingerskarvarna, vilket kan ses i igur A.7. Vid örsöken observerades små tryckzoner i överkant på balkarna mellan punktlasterna. Vid örstärkning med en NSMR-stav ökar momentkapaciteten och örstärkningssystemet ger således en positiv verkan på hållastheten. 45

60 Kapitel 5. Experimentella örsök Balk 1: 80 Moment [knm] Balk 3: Balk : Nedböjning [mm] Figur 5.1 Jämörelse av momentkapacitet mellan balkarna med kompositstavar. Figur 5.1 visar att de initiella styvheterna är relativt lika och att två balkar har lika momentkapacitet medan balk : tar en högre last. Detta beror troligtvis på att balk : hade mindre deekter i träet än balk 1: och 3:. Dessa hade kvistar och ingerskarvar mitt under balken i vilka brott uppstod. I samtliga balkar bildades tydliga tryckbrott i överkant av balken, se igur Vid örstärkning med två NSMR-stavar ökas momentkapaciteten ytterligare. I igur 5.1 kan det urskiljas att när två material som är linjärelastiska ram till brott år samverka uppvisar de ett plastiskt beteende när de går till brott. Detta medör att träets hållasthetsegenskaper utnyttjats ullt ut och örstärkningssystemet i den dragna delen av balken ger örvånansvärt goda resultat. a) b) c) Figur 5.13 Tryckbrott ovankant a) balk 1:, b) balk :, c) balk 3:. 46

61 Kapitel 5. Experimentella örsök NSMR Moment [knm] NSMR 0 Reerensbalk Mittnedböjning [mm] Figur 5.14 Momentkapacitet ör de bäst presterande, örstärkta och oörstärkta, tvärsnitten. I igur 5.14 är variationen i styvhet relativt liten medan lastkapaciteten är stegvis ökande. Ökningen stämmer bra överens med vad som skulle kunna örväntas. Reerensbalken tar minst last och balken med två NSMR-stavar tar mest last. Momentkapacitetsökningen är ca % beroende på om det är en eller två stavar i balken. En ökning av det duktila beteendet kan också urskiljas med ökad mängd örstärkning. Jämörelse av momentkapacitet mellan örstärkt och oörstärkt tvärsnitt Enligt resultaten i Pettersson (000) erhölls en böjhållasthet ör limträbalkar av granvirke på m = 49,7 MPa. Denna hållasthet är högre än medelhållasthetsvärdet ör reerensbalkarna, m = 39,0 MPa, rån de experimentella örsöken. Detta beror troligtvis på att populationen av balkar i den experimentella provserien innehöll ett större antal deekter än i Pettersson (000). Beräkningar av de experimentella och teoretiska momentkapaciteterna inns redovisade i Appendix E. Tabell 5.4 redovisar de experimentella respektive de teoretiska medelmomentkapaciteterna ör de olika provserierna. I igur 5.15 kan den procentuella ökningen av medelmomentkapaciteten utläsas. Reerensbalkarnas 47

62 Kapitel 5. Experimentella örsök medelmomentkapacitet representerar utgångsvärdet. Den teoretiska modellen med ekvivalent trä ger en något konservativ ökning i jämörelse med de experimentella resultaten. Denna ökning kan jämöras med Pettersson (000) som låg på 7 % ör limträbalkar örstärkta med stålplåt på sidorna. Tabell 5.4 Medelmomentkapaciteter ör experimentella respektive teoretiska resultat. Benämning Momentkapacitet R m [knm] [knm] W x, [m 3 ] serie 1 9,63 9,63 0, serie 44,08 34,79 0,00089 serie 3 48,30 4,6 0,00109 Ökningen av medelmomentkapaciteten har beräknats enligt: Ökning = R R m, örstärkt m, oörstärkt Experimentell Teoretisk Ökning [%] NSMR-stav NSMR-stavar Figur 5.15 Ökningen av medelmomentkapaciteten ör de örstärkta provserierna. 48

63 Kapitel 5. Experimentella örsök 10 Balk : 100 Balk :1 Moment [knm] Balk 1: Balk 3: Balk 3:1 Balk 1:1 Reerensbalk 3 Balkmedavkortadiber Reerensbalk Reerensbalk Nedböjning [mm] Figur 5.16 Moment som unktion av nedböjningen mitt på limträbalkarna. Figur 5.16 visar att variationen i styvhet mellan provserierna är relativt stor. Reerensbalkarna har minst momentkapacitet och nedböjning och balkarna med två kompositstavar har de högsta värdena. 49

64 Kapitel 5. Experimentella örsök Skjuvspänningar 3500, ,00 500,00 Töjning [µm/m] 000, , ,00 500,00 0, Givaravstånd rån iberkant [mm] Figur 5.17 Töjningar längs med den avkortade kompositstaven vid lasten 51kN. Sprickbildning vid 5 kn varvid värden däröver kan vara en något missvisande. I igur 5.17 ökar töjningarna med ökat givaravstånd rån kanten på kompositen i balkens längsriktning. Givaravstånd kan ses i igur 5.7, Töjningarna kommer dock att kulminera mot en maximal töjning mellan punktlasterna. Givaravstånden ör trådtöjningsgivarna i detta örsök var glest placerade. Med en tätare placering hade mer noggranna skjuvspänningar kunnat beräknas och en mer rättvisande kurvatur presenterats. Vid avståndet 1100 mm rån kanten på kompositen och in mot mitten ska det teoretiskt sett vara lika värden. Det borde således ha varit givare placerade på respektive sida om punktlasten. 50

65 Kapitel 5. Experimentella örsök 7,00 6,00 Skjuvspänning [MPa] 5,00 4,00 3,00,00 1,00 Teoretisk Experimentell 0, Avstånd rån iberkant [mm] Figur 5.18 Jämörelse mellan teori och experiment vid en last på 51 kn. Experimentella värden är medelvärden mellan två givare. Redovisning över beräknade skjuvspänningar inns redovisade i Appendix B och C I igur 5.18 ligger den teoretiska kurvan mycket nära den experimentella. Detta är en indikation på att teorin överensstämmer med de experimentella örsöken. Värdet ör givaren placerad 600 mm rån kanten på ibern ger ett avvikande värde. Troligtvis beror det på att givaren släppte i lödningen varvid det öreligger risk ör att den hade dålig kontakt. Den experimentella kurvan uppvisar en markant höjning av skjuvspänningarna vid ett avstånd mellan mm rån kompositkanten. Detta beteende indikerar att örankringslängden bör ligga inom detta område vilket även överensstämmer med örankringslängdsörsöken. När två olika örsök uppvisar samma örankringslängd bör det vara ett rimligt antagande att det område som krävs ör att uppnå ullgod örankring är mm. Både de teoretiska och experimentella värdena uppvisar ett exponentiellt avtagande med skillnaden att de teoretiska värdena inte tar hänsyn till att momentet är konstant mellan de två belastningspunkterna och skjuvspänningen därmed går mot noll. 51

66 Kapitel 5. Experimentella örsök Då den kritiska örankringslängden är känd kan en total örankringslängd beräknas. Denna beräkningsgång ör balk med avkortad koliberkompositstav visas i Appendix F. Den totala örankringslängden skulle teoretiskt vara l a =.4 m. Tidigare örsök enligt Amerikapatent (1994) visar att örstärkningar som endast är pålimmade /5 3/5 av balkens längd uppyller hållasthetskraven. Alla ördelar bibehålls som om örstärkningen varit pålimmad längs hela balken, men till en lägre kostnad ör örstärkningen av balken. /5 3/5 av balkens längd motsvarar ör balk med avkortad koliberkompositstav m. Hållasthetsegenskaperna ör testerna enligt Amerikapatent (1994) kan skilja sig något rån de experimentella örsökens i detta examensarbete. Den totala teoretiska örankringslängden anses vara tillämpbar. 5

67 Kapitel 6. Slutsatser 6 Slutsatser Limmer De trälimmer och universallim som provades uppvisade inte tillredställande resultat på lastkapaciteten. Därör valdes epoxilimmet, BPE 465, då det uppvisade ullgoda vidhätningsegenskaper. De trälimmer som idag inns på marknaden anses inte vara ett substitut till epoxilimmer vid örstärkning med kompositer. Förankringslängd Försök ör att bestämma den kritiska örankringslängden samt mätningar på koliberkomposit i balk visade att en kritisk örankringslängd på mm sannolikt är tillräckligt ör att uppnå ullgod lastkapacitet. Balkböjning Försök med örstärkta balkar visade att NSMR är ett ungerande koncept ör att örstärka limträ. Inledningsvis var örhoppningen att en 50 procentig ökning av momentkapaciteten skulle uppnås. Ett av de tidigare utörda örsöken i Norden som studerats i litteraturstudien gav en ökning av medelmomentkapaciteten på 35 %. Ökningen av medelmomentkapaciteten vid örstärkning med två koliberkompositstavar uppgick till 63 %. Tryckbrott i överkant av limträbalkarna uppstod i samtliga balkar med två koliberkompositstavar. Detta indikerar att träets hållasthet utnyttjats ullt ut. Vid örstärkning med en koliberkompositstav ökade momentkapaciteten med 49 %. Genom att analysera momentkapacitetskurvorna kan ett duktilt beteende observeras. Hållasthetsvärden i böjning parallellt ibrerna ör reerensbalkarna, m =39 MPa, är låga vid jämörelse med Pettersson (000) som hade m =48MPa. Framtida orskning Det bör genomöras ler örsök ör att å en statistisk grund på hållasthetsegenskaperna då trä är ett material med stora variationer. En aspekt som inte behandlats i detta examensarbete är materialegenskaper på mekaniska och uktrelaterade deormationer hos trä. Deormationerna kan inducera spänningar i området kring örstärkningen etersom koliberkomposit är betydligt styvare och mindre känslig mot ukt än träet. Förstärkningssystemets livslängd bör kontrolleras. 53

68

69 Kapitel 7. Reerenser 7 Reerenser Amerikapatent (1994) Aligned ibre reinorcement panel or ood members, International Publication Number WO 94/1851 Baumann H. (1967) Leime und Kontaktkleber. Springer Verlag, Berlin. Carling O. (001) Limträhandboken. Svenskt limträ, Stockholm, ISBN: Carolin A. (003) Carbon ibre reinorced polymers or strengthening o structural elements. Doctoral Thesis, Luleå University o Technology, Department o Civil and Mining Engineering, Division o structural engineering, Luleå, ISSN: Clarin M. (00) Betongbalkar örstärkta med koliberkomposit, en studie av böjkapacitet i kallt klimat. Examensarbete, Luleå tekniska universitet, institutionen ör Väg- och vattenbyggnad, avdelningen ör Konstruktionsteknik, Luleå, ISRN: LTU-EX--0/130--SE. Glos P., Denzler J. (003) Characteristic Shear Strength Values Based on Test According to EN International council or research and innovation in building and construction, Working commission W18 Timber structures, USA, Colorado, CIB-W18/ Gustavsson P-J. (003) Timber Engineering. Fracture Perpendicular to grain structural Applications, ISBN Hedlund B. (1987) Weather-exposure o glued laminated blanks or indo (in Sedish). SP-rapport 1987:40, Statens Provningsanstalt, Borås, Seden. Johnsson H. (004) Plug Shear Failure in nailed Timber Connections, Avoiding Brittle and Promoting Ductile Failures. Doctoral Thesis, Luleå University o Technology, Department o Civil an Environmental Engineering, Division o Timber Structures, Luleå, ISSN: Lacroix S. (1999) Reorcement de pouters en bois scié avec des matériaux composites. Memoire de M.Sc.A, Departement de genie civil, Université de Sherbrooke, Sherbrooke. 55

70 Kapitel 7. Reerenser Lacroix S., Johns K.C. (000) Composite reinorcement o timber in bending. Canadian Journal o Civil Engineering ProQuets Science Journals pg.899. Lopez-Anidio R. Xu H. (00) Structural Characterization o hybrid Fiberreinorced Polymer-glulam panels or bridge decks. Nordin H. (003) Fibre Reinorced Polymers in Civil Engineering, Flexural Strengthening o Concrete Structures ith Prestressed Near Surace Mounted CFRP Rods. Licentiate Thesis, Luleå University o Technology, Department o Civil and Mining Engineering, Division o Structural Engineering, Luleå, ISSN: Petterson J. (000) Limträ, En studie av materialets utvecklingspotential. Examensarbete, Luleå Tekniska Universitet, institutionen ör Väg- och vattenbyggnad, avdelningen ör Träbyggnad, Luleå, ISSN: Popov E. P. (1990) Engineering Mechanics o Solids. Prentice Hall, Ne Jersey, ISBN Raknes E. (1986) Trälimning. Universitetsörlaget AS, Oslo, ISBN: Raknes E. (1995) Adhesives. The Noregian Institute o Wood Technology, First Edition, Centrum Hout, The Netherlands, Timber Engineering STEP 1, Basis o design, material properties, structural component and joints, ISBN: Sheldon Q. Shi. (00) Fiber-reinorced polymer (FRP)-ood hybrid composites. Chapter eleven in Williamson, Thomas G. (00) Apa engineered ood handbook. Solli K. H. (1997) Fibre reinorced glulam. Prelimnary report, Norskt Treteknisk Institutt, Prosjekt nr: Triantaillou T. C. (1997) Shear reinorcement o ood using FRP materials. Department o Civil Engineering, Division o Patras, Patras 6500, Greece. Täljsten B. (000) Förstärkning av beintliga betongkonstruktioner med koliberväv eller koliberlaminat, Dimensionering, material och utörande. Teknisk rapport, Luleå Tekniska Universitet, institutionen ör Väg- och 56

71 Kapitel 7. Reerenser vattenbyggnad, avdelningen ör Konstruktionsteknink, Luleå, ISSN: Täljsten B. (00) FRP Strengthening o existing concrete Structures. Design guidelines, Luleå University o Technology, Department o Civil and Mining Engineering, Division o structural engineering, Luleå, ISBN: Wernersson, H. (1994) Fracture Characterization o Wood Adhesive Joints. Doctoral Thesis, Div. o Structural Mechanics, Lund University, Lund Institute o Technology, TVSM Normer och standarder BKR (1999) Boverkets konstruktionsregler. ISSN: EN 301 (199) Adhesives, phenolic and aminoplastic, or load-bearing timber structures - Classiication and perormance requirements EN 30 (199) Adhesives or load-bearing timber structures - Test EN 30-3 (199) Adhesives or load-bearing timber structures - Test methods - Part 3: Determination o the eect o acid damage to ood ibres by temperature and humidity cycling on the transverse tensile strength. EN 408 (1995) Timber structures- structural timber and glued laminated timber- determination o some physical and mechanical properties. Eurocode 5 (1998) Dimensionering av träkonstruktioner. ENV : 1993 ISO 3130 (1975) Wood-determination o moisture content or physical & mechanical tests. ISO 3131 (1975) Wood-determination o density or physical & mechanical tests. 57

72 Kapitel 7. Reerenser Formelsamlingar Grundläggande konstruktionslära. (004) Luleå Tekniska Universitet, institutionen ör samhällsbyggnad, Luleå. Formelsamling, Träbyggnad ABW 013. (003) Luleå Tekniska Universitet, institutionen ör Väg- och vattenbyggnad, avdelningen ör Träbyggnad, Luleå. Formelsamling ör Väg och vattenbyggare. (1999) Luleå Tekniska Universitet, institutionen ör Väg- och vattenbyggnad, Luleå. Produktblad BPE (00) Produktdatablad BPE NSMR Produkt inormation AKZO NOBEL (004) Casco Products. Melaminlim: Cascomin 150 Härdare 550 Recorcinollim: Cascosinol 1719 Härdare 619 Internet G.A. Lindberg AB (004) Kuntze & Co AB (004)..kuntze.se Martinsons trä AB (004) Nils Malmgren AB (004) Novo (004) Svenskt limträ AB (004) Moelven Töreboda AB (004) 58

73 Appendix A. Foton Appendix A. Foton Figur A.1 Försöksuppställning vidhätningsprover. Aralditelim i mitten och BPE 465 till höger. Figur A. Försöksuppställning örankringslängder. Klossbrott till höger. Figur A.3 Försöksuppställning reerensbalk. Brott i reerensbalk. 59

74 Appendix A. Foton Figur A.4 Trasig balk med en NSMR stav. Bilden till höger visar ullgod vidhätning. Figur A.5 Balk örstärkt med två NSMR stavar. Brott i årsring. Figur A.6 Balk örstärkt med två NSMR stavar. Till vänster, örskjutningsmätning av komposit. Brott till höger. 60

75 Appendix A. Foton Figur A.7 Brott i ingerskarv. Figur A.8 Duktilt brott till vänster. Till höger två muntergökar som häckar vid duktilt brott. 61