Avdeningen för Konstruktionsteknik Lunds Tekniska Högskoa, Lund Universitet skruvarmering som förstärkning i trä vid beastning vinkerätt fiberriktningen - en förssöksstudie Karin Nisson, V98 Rapport TVBK-5112 Lund 2002
Avdeningen för Konstruktionsteknik Lunds Tekniska Högskoa Lund Universitet skruvarmering som förstärkning i trä vid beastningvinkerättfiberriktningen - en förssöksstudie Karin Nisson, V98' Rapport TVBK-511 2 Lund 2002
Sammanfattning Detta arbete bygger på en studie av träs beteende vid beastning vinkerätt fiberriktningen med och utan förstärkning i form av skruvarsfs WT-T-8,2xL. Uppdragsgivaren var Arne Emisson på Limträteknik i Faun som önskade förstärka träet vinkerätt fibeniktningen i kritiska punkter där aster tas ned. Träets uppförande vid beastning med och utan förstärkning har studerats genom en försöksserie om totat 70prover, där ast-deformationssamband kunde uppritas efter beastning i en MAN Universaprovningsmaskin. Tester utfördes på enbart trä, på trä med skruv,på trä med skruvgrupper om 4, 6 och 8 skruvarsamt på skruvarsom beastats med en torx-hysa. Proverna beastades des med en ståpatta och des med en träpatta för att simuera knutpunkter med både stå och trä i imträtakstoar. Syftetmed testerna var att skaffa underag ti en beräkningsmode som kunde bestämma astkapacitet vid en viss skruvtäthet Beräkningsmodeen utgick från värden på Fc,90, enigt EN 1193 och skue itmehåa träets astkapacitet och skruvarnasastkapacitet när de beastades med en torx-hysa samt anta skruvar. Ett k-värde som berodde på beastningspattan togs fram. Utöverberäkningsmodeen togs även fram värden på förstärmingen, s k förstärmings-faktorer, med de oika sauvgrupper. Dessa utgick också ifrån värden på F c,9o, enigt EN 1193. Resutaten visade att för beastning med ståpatta var 4 skruvarmest effektivt även om man kunde nå en högre kapacitet med 6 skruvarde 2 extra skruvarnaupp ti 8 skruvari en skruvgruppgav itet bidrag. För faet med beastning av träpatta så var 8 skruvarmest effektivt och detta gav även högst astkapacitet. Det var också tydigt att en större förstärmingseffekt uppnåddes i faet med beastning med ståpatta än i faet med beastning med träpatta. Det visade sig att nedsänkningen av shuvhuvudena hade betydese för förstärmingseffekten. Effekten av skruvarnakom senare om de satt djupt i träet, men det var inte bra om satt precis i ytan. 2-3mm var den ideaa nedsänkningen för att få bra effekt så tidigt som möjigt.
Sommary This essay is a resut of a study with 70wooden specimens which are oaded transversey to the direction of the grain. The objective ofthe essay has been to study whether or not wood screws is a good way of reinforcing guam timber in compression transversey to the direction of the grain. The initiative has been taken by Arne Emisson, working at Limträteknik, Faun, Sweden. The company produces wooden rafters. There was a need to reinforce the beams in critica points where the oads were concentrated, both in connection with wood and with stea. Tests were performed on specimens of guam timber with and without screws as reinforcement. The screws u sed we re 0SFSWT-T -8,2xL. The stud y was imited to tests with, 4, 6 and 8 screws oaded with stea and wooden pates. Besides this screws were tested seperaty with a part from a box spannerwith tommy bar. The objective of the tests was to make a farmua which coud estimate the carrying capacity with a certain munber of screws per square meter. The vaues used in this form ua were vaues of F c,90 according to EN 1193. The form ua was to tak e in to account the carrying capacity of the wood itsef, maximum carrying capacity of one screw and number of screws. There was as o an unknown coefficient, k, that was estimated and depended on the materia of the oading pate. Reinforcement factors were aso estimated from vaues offc,90 from the tests. The resuts showed that 4 screws were most efficient when oaded with a stea pate. A higher carrying capacity coud be obtained with 6 screws, but 2 extra screws up to 8 screws gave itte contribution. 8 screws were most efficient when oaded with a wooden pate. This aso gave the highest carrying capacity. A better reinforcement was obtained with the stea pate than with the wooden pate. The immersion of the se re w h e ad in to the wo o d turned out to be im portant for the carrying capacity. The effect of the screws came ater ifthey were immersed deepy into the wood, but it did not work to have the screws right in the surface either. 2-3mm was the idea distance to immerse the screws.
Innehåsförteckning. Inedning 2. Bakgrund 3 2.1 Limträ 3 2.2 Tryck vinkerätt fiberriktningen 3 2.3 Ändrade reger 1994 4 2.4 Varprobemen uppstår 5 3. Tidigare gjorda försök 6 3.1 Håfasthetstester på oförstärkt trä 6 3.1.1 Korttidsförsök 6 3.1.2 Långtidsförsök 13 3.2 Håfasthetstester på förstärkt trä 15 3.2.1 Förstärkning med dymingar i imträ 15 3.2.2 Förstärkning med skruvar 16 4. Beskrivning av försöken 20 4.1 Inedning 20 4.2 Försöksuppstäningar 20 4.2.1 Försök med beastning av trä mot stå och trä mot trä 20 4.2.2 Försök med beastning av 220mm skruv mot stå och mot trä 22 4.2.3 Försök med beastning på skruven 22 4.2.4 Försök med fera skruvar 23 4.3 Försöken 24 --------------------------------- 4.3.1 Försök med beastning av trä mot stå och trä mot trä 24 4.3.2 Försök med beastning av 220mrn skruv mot stå och trä 25 4.3.3 Försök med beastning på skruven 25 4.3.4 Försök med beastning av skruvgrupper 26 5. Resutat---------------------------- 27 5.1 Försök med beastning av en skruv och bara trä mot stå1 27 5.2 Försök med beastning av en skruv och bara trä mot trä 28 5.3 Försök med beastning av su uven 28 5.4 Försök med beastning av skruvgrupper mot stå och trä 29 5.5 Förstär kningsfaktorer 30 6. Beräkningsmode 31 7. Sutsatser 33 7.1 För söken 33 7.2 Resutaten 33 7.3 Vidare studier 34 8. Litteraturförteckning 35
Biagor Tite Översikt försök Sammanfattning försök (givare) Last-deformationssamband-skruvgrupper mot trä (givare) Last-deformationssamband-skruvgrupper mot stå (givare) Sammanfattning försök (astce) Last-deformationssamband- och 4 skruvar mot trä (astce) Last-deformationssamband-skruvgrupper mot trä (astce) Last-deformationssamband- och 4 skruvar mot stå (astce) Last-deformationssamband- skruvgrupper mot stå (astce) Sammanfattning försök (Skruvar mot torx-hysa, värden från givare) Last-deformationssamband -220mm skruv mot torx-hysa Bestämning av Fc,90 Beräkning av sauvarea Bia~a 2 3 4 5 6a 6b 7a 7b 8 9 O 11
. Inedning Arne Emisson på Limträteknik i Faun, fick en ide om att förstärkning med träskruvar skue kunna öka bärförmågan hos trä vid beastning vinkerätt fiberriktningen. Detta skue kunna utnyttjas i deras tiverkning av takstoar av imträ. Genom förstärkning skue dimensionerna på imträbakar kunna minskas eftersom de var förstärkta i knutpunkterna där aster koncentreras. Mindre uppagsängder eftersträvades också för att minska excentriciteter som ger upphov ti vridande moment. De krav som finns angivna i BKR99 vad gäer begränsningar av tryckspänningar vid beastning vinkerätt fibrerna gör att tryckytan oftast måste ökas för att minska spänningsnivån. Den större beastningsytan eder ti större excentriciteter i astangreppspunkten som i sin tur ger upphov ti vridande moment kring den bärande baken. Detta kan i sin tur eda ti att den vrids runt sin egen axe. Probem har även uppstått med konsobakar som när de viar på en ansutande bak ger en intryckning i denna. Det har uppmätts värden på O mm deformation vid ena sidan om uppaget och 20mm vid andra sidan där konsobaken även ger ett moment, se figur 1.1. Figur 1.1 Konsobak. Överdriven deformation. Två oika amtpunkter har studerats i denna rapport. Det ena faet innebar att astöverföringen skedde mean trä beastat vinkerätt fibrerna och trä beastat paraet fibrerna, se figur 1.2. I det andra faet överfördes krafterna via bakskor, dvs krafterna överfördes via stå ti trä på sådant sätt att träet beastades vinkerätt fibrerna, se figur 1.3.... o 1 1 1 1 1 1 1 1 o o o o o o o o o c o o o o o o o o o o c o o o? o.... 1 1 1 1 1 1 o o o o o o o o c o 1 2 4 4 2 1 3 0 00 0 3 o o o 1 2 4 4 1 o 1-1 o 111111 - Figur spikpaccrin11 Figur 1.2 Bak-pearansutning i taksto med spikningspåtar. Faet trä mot trä.
J. i J."_,.J.. -GI J.--- Genomgående r skruv Genomgaende _ skruv ------ Ankarspik --- Figur 1.3 Bakansutning i taksto med hängsad svetsad baksko. Faet trä mot stå. 2
2. Bakgrund 2.1 Limträ L-märkt imträ består av fyra eer fer hopitmuade ameer med fiberriktningen i eementens ängsriktning. Lameerna är 45 mm tjocka för raka och normat överhöjda L-träeement. Limträ tiverkas normat av granvirke. Limmet som håer ihop ameerna har bättre håfasthets- och beständighetsegenskaper än sjäva träet. Oika sorters im används beroende på om imträeementen ska användas inomhus eer utomhus. Utomhus används vanigen resorcinoim som är ett syntetiskt tvåkomponentim som ger rödbruna fogar. Inomhus används vanigen kaseinim som ger jusa imfogar. Limträeementen byggs upp så att virke med högre kvaitet paceras i de yttre sjättedearna där påkänningarna normat är högst. Inverkan av fuktkvot och astvarighet på håfastheten är densamma som för konstruktionsvirke. Spridningen i håfasthetsegenskaper är dock mindre för imträ beroende på att ameer av varierande styrka bandas och de yttersta ameerna är av högre håfasthet. I konstruktionsvirke bestäms håfastheten av det svagaste snittet, t ex vid en kvist. Limträ har också geomsnittigt högre håfasthet och styvhet än motsvarande eement av konstruktionsvirke och anses vara mer formstabit (Caring, 1992). Limträ tiverkas normat i håfasthetskass L40, där taet 40 anger ett ungefårigt värde i MPa på den karakteristiska böjhåfastheten vid korttidsprovning. h/6 +- h t- h/6 Figur 2.1 Uppbyggnaden av imträ (Caring, 1992) 2.2 Tryck vinkerätt fiberriktningen Tryck vinkerätt fiberriktningen ger inget egentigt brott utan brotthåfasthet definieras som en viss storek på deformationen eer när proportionaitetsgränsen har övershidits. Brott uppstår när en rad ceväggar i snittet koapsar, se figur 2.2. Brott kan även uppstå som stansbrott när en oka trycduaft verkar på en iten yta av träet. En tredje brottyp är när träet skjuvas av vid årsringarna, se figur 2.3. Detta kan ske i takstoar där bakarna är sammanfogade med spikpåtar. Det sker främst i ångsmaa tvärsnitt där årsringarna öper från en sida ti en mman i ca 45 graders vinke (Madsen, 2000). a) b) BEFORE LOADING AFTER LOADING Figur 2.2 Tryckbrott (Madsen, 1992) Figur 2.3 Skjuvbrott (Madsen, 2000) 3
Håfastheten är störst vid tryck tangentiet årsringarna och minst vid 45 graders vinke mean årsringarna och haftriktningen. Håfastheten hos trä vid tryck vinkerätt fiberriktningen beror på en rad oika variaber. Håfastheten är beroende på beastningsängden på deen som trycker på provhoppen. Håfastheten bir större om beastningsängden är mindre pga att tvära-after bidrar ti bärförmågan och dessa ger ett större bidrag ju kortare ängden är. Man får atså en mindre deformation för samma spätmingsnivå (Enockson, Mårtensson, 1996). r L ~ 1~-.- t t t t t f t v G'..L v ~p Figur 2.4 Tvärkraftens bidrag ti bärförmågan (Madsen 1992) Håfastheten beror även på fuktvot. Inom intervaet 6-23% fuktkvot innebär en minskning av fuktkvoten att håfastheten ökar. Växtfe har begränsad inverkan men kvistar kan ge ökad styvhet. Oika astvarighet ger oika värden på håfastheten. Håfastheten minskar med beastningstiden. I de festa änder har man rämat med att håfastheten vid ångtidsast är 60% av håfastheten bestämd vid korttidsförsök (Caring, 1992). Det är vanigt för tester med trä i tryck vinkerätt fiberriktningen att håfastheten varierar med 40-60%. Detta kan devis bero på att vissa provhoppar innehåer kvistar, viket gör att håfastheten ökar. Observera att motsatsen gäer för håfasthetstester i t ex böjning och drag (Madsen, 2000). Egenskap Böjhåfasthet Draghåfasthet paraet fiberriktningen T ryc khå fasth et paraet fiberriktningen vinkerätt fiberriktningen Skjuvhåfasthet paraet fiberriktningen Ändring av att fuktkvoten ändras med % 4 3 5 5 3 Minskning av att fuktkvoten ökas från 15% ti fibermättnads punkten 40 Tabe 2.1 Fuktkvotens inverkan på håfastheten hos fefritt banträ (procent) (Caring, 1992). 2.3 Ändrade reger 1994 I byggbranschen har man uppmärksammat probemet med deformationer i konstruktioner där trä beastas vinkerätt fibrerna. Deformationer uppstår både i fervåningshus och i andra stommar av trä. Deformationer i fervåningshus av trä kan b a ge upphov ti sprickor i putsade fasader och sprickor i gov och väggar (Thorson, 1989). Det har bivit mer intressant att utreda den här typen av probem numera eftersom regerna för att bygga fervåningshus i 30 45 50 30 4
trä i Sverige ändrades 1994. Då besutade Boverket att bedömningen av en konstruktion skue vara materiaberoende. Detta hade stor betydese speciet vad avser brandkraven eftersom tidigare krav omöjiggjorde byggnation av hus med trästomme högre än två våningar. Som föjd av de ändrade regerna så har det bivit möjigt att bygga mer än två våningar av trä och detta har gjort att materiaet trä konkurrerar med t ex betong som stammateria i fervåningshus. 2.4 Var probemen uppstår Probemet med deformationer i trä vinkerätt fibrerna uppstår i fervåningshus främst i syen och i mutpunkter mean bjäkagen. Deformationer i syen gör att antaet regar måste ökas för att fördea krafterna. Deformationer mean bjäkagen kan eda ti sprickor mean i1mertak och innervägg samt sprickor i itmerväggar. Det kan även bi probem i takstoar, där deformationer kan ge intryckning i träet med snedstäningar som föjd. I inedningen (kap ) besuivs utförigare probem vid beastning vinkerätt fibrerna i takstoar. To pate. Top rai END SUPPORT INTERIOR COLUMN COLUMNS TOP AND BOTTOM CANTILEVER CONNECTION 51 ud JOIST HANGER LEDGER FORM WORK Figur 2.5 Punkter där deformationer uppstår (Burche & Sunter, 1987) Figur 2.6 Takstoar mm där deformationer uppstår (Madsen, 1992) 5
3. Tidigare gjorda försök Nedan föjer en kort beskrivning av tester utförda i korttids-respektive ångtidsförsök. Tester som gjotis för att faststäa amerikansk och europeisk standard har även tagits med. Det är svårt, vid trycktester vinkerätt fiberriktningen, att faststäa en propmiionaitetsgräns, dvs en gräns för när den eastiska deformationen upphör. trä 100... (/) ra...j 80 60 40 20 o - - - / o ----- - 2 4 6 8 10 12 Def (mm) Figur 3.1 Principkurva ast-deformationssamband för trä Håfasthetsvärden för tryck vinkerätt fiberriktningen, som anges i normen, är bestämda för att ge rimiga deformationer. En brottgränskontro av spätmingsnivån utförs för att begränsa deformationerna, som egentigen är ett bruksgränsprobem. Definitionen av håfasthetsvärdena är omdiskuterad. Det finns fera oika testmetoder för att faststäa dessa och testmetoderna ger oika resutat. Definitionen av håfasthetsvärdena kompiceras ytterigare av att de är fuktberoende. En betydande de av deformationen sker över en ängre tid och det är viktigt att även väga in detta. Gränsvärden vid försök har vats på oika sätt. Några har vat att definiera en gräns utifrån korsningspunkten mean de två räta injerna som kan beskriva ast-deformationskurvan. Andra har vat att faststäa ett värde utifrån en viss deformation i mm eer i procent av tota höjd. Linjen som beskriver den initiea, eastiska deformationen kan även paraeförfyttas ett visst avstånd varefter man väjer som gränsvärde det värde där den paraeförfyttade kurvan skär den verdiga. Det kan vara vanskigt att appicera värden från ett försöksfa på ett atmat. Man har ännu inte riktigt utrett hur de oika parametrarna hänger ihop. Värden från bocktesterna t ex, där hea ytan är beastad har visat sig vara oämpiga att använda i fa där endast en de av en bak är beastad. 3.1 Håfasthetstester på oförstärkt trä 3.1.1 Korttidsförsök Korttidsförsök mäter enbart den initieia deformationen för att faststäa var proportionaitetsgränsen igger samt gränser i närheten av denna. 6
ASTM D 143 - amerikansk standard Testmetod utarbetad av American Society for Testing and Materias och använd i Nordamerika sedan 1926. I denna testmetod används defektfria träbock med måtten 150x50x50 mm. Denna bit trycks sedan mot ett fast underag med en ståbricka med arean 50x50 mm. Årsringarna på träbocket är paraea med uaftriktningen, viket ger maxima håfasthet. Träbocket trycks i en maskin så att deformationen bir 0,3 mm/min och ger en späm1ings-deformationskurva. Våta träbock testas för att få fram tiåten spänningsnivå. Figur 3.2 ASTM fårsöksuppstäning (Madsen, 2000) Proportionaitetsgränserna tas fram från spännings-deformationskurvorna och 5:e percentien räenas ut. Denna divideras med,5 för att ta hänsyn tiastvarighet och säkerhetsfaktor och mutipiceras med,o och,5 för att ta hänsyn ti torkning. Detta eder tibaka ti utgångspunkten och effekten bir att man dimensionerar torra trämateria utifrån våta håfasthetsvärden (Madsen, 2000). Man kan inte använda resutaten från testen generet eftersom det bir extra motstånd mot deformation ängs två av kanterna av ståpattan (Madsen, 1992). Se även kap 2.2 figur 2.4. I ett annat metodnummer, ASTM D 245-92 anges tiåten spätmingsnivå som spätming vid mm deformation. Denna spänning igger ångt över spänningen vid proportionaitetsgränsen och används numera i den kanadensiska koden, CSA-086.1 (Frater & Theandersson, 1996). EN 1193 - europeisk standard Europastandard som även är accepterad som svensk standard SS-EN 1193. Den innehåer testmetoder utarbetade för konstruktionsvirke och för imträ. Riktningen på årsringarna är inte bestämd i testmetoden. Deformationen mäts över ängden 0,6h centrat i testbiten och får ej igga närmare kanterna än b/3. Tryckhåfastheten bestäms som de värde som ger % pastisk deformation (Gehri, 1997). EN 338 är ett system av håfasthetskasser som ger karakteristiska värdet på tryckhåfastheten som en funktion av karakteristiska värdet på densiteten: 0,015pk. EN 1193 ger ungefår hava värdet på tryckhåfastheten jämfört med EN 338. Anedningen ti detta är b a att i EN 1193 beastas ett provbock och EN338 visar en mer reaistisk beastningssituation. Detta gör att EN 338 är mer ämpat för praktisk dimensionering (Mårtensson, 1998). 7
/ ~ ----- I.-:.0 ~ :c ~ '='! ---- i / / Figur 3.3 Testbock (EN 1193: 1997) Figur 3.4 Mätängd (EN 1193: 1997) Eurocode 5 är en europeisk designkod som baseras på EN 338. Den anger b a en metod för att beräma spänningen i trä som beastas vinkerätt fiberriktningen. Kraften som verkar på träet divideras med en effektiv area, som består av bredden och en effektiv ängd, se figur 3.5. Figur 3.5 Effektiv ängd (Eurocode 5) 8
Caroe Petit Cm oe Petit gjorde i sitt examensarbete 2001 korttidstidsförsök för att kunna bygga upp en datormode av träets beteende vinkerätt fiberriktningen. I försöken vie hon finna samband mean fuktkvot, håfasthet och deformation. Hon testade provbitar av norsk gran med måtten 45x95x345 mm som beastades över en ängd på 45 mm. Stee Pate ( O mm fhic<) 345mm 45'95mm Figur 3.6 Försöksuppstäning (Petit 2001) Hennes försök visade att spänningen då träet pasticerar minskar med ökad fuktkvot Bärförmågan minskar atså med ökad fuktkvot Madsen Försök utförda av Borg Madsen på University of British Coumbia 1996 och 1997. Testerna är utförda på 25 år gama imträbakar som använts ti govbakar i universitets bokhande. Testbitarna har måtten 178x400x1220 mm och är av Dougas gran. Tryckkrafter appiceras med ståpåtar av varierande area, totat 16 oika. Påtarna pacerades mitt på testbiten så det var trä på aa sidor om dessa. Test utfördes först på torrt trä. I den andra testgruppen hade man tio bakar av Dougas gran och tio bakar av gran. Mået med testerna var att;. utreda bärförmågan med de 16 oika pattorna 2. se skinaden på torrt repektive vått trä 3. se hur rundade hörn på påtarna inverkade på håfastheten 4. se om det fmms skinad när man tryckte på sidan respektive på toppen av imträbaken 5. se sambandet mean ast och intryckning 6. se effekten av oika sorters trä " 3" 5" 7" mm 25 D c::::=:::j L... J " Figur 3.7 Ståpåtar för att appicera tryckkraften (Madsen, 2000). 9
Testerna visade att med en större patta så var man tvungen att appicera en högre ast för att få smmna intryckning. Om en kant på ståpåten åg utanför baken så bev bärförmågan mindre. Man försökte ta fram en beräkningsmode för att kunna förutspå bärförmågan med de oika pattorna vid en vad deformation. Bärförmåga = A x area + B x para. kant + C x vink. kant Bidraget från kanterna paraet fiberriktningen visade sig vara så itet att B försummades. A och C tog man däremot fram. Kanter som medverkade vinkerätt fiberriktningen (koefficient C) gav högre bärförmåga och de ger större effekt ju ängre de är. O 9 g 7 6 5 4 3 2 - - - - - / - Koefiicieut A / v-' v' v- ~ v 2 0.1". _J i Dougas van --- Gran O. Z" 4 Iuhyckuutg (nun) Dougas gra..u Koefiicieut C 0.1" 0.2" 2 4 Iuhyckuutg (nun) Figur 3.8 Kurvor för bestämning av koefficient A och C (Madsen, 2000) Försöken visade att vått trä endast hade 60% av håfastheten hos torrt trä. Rundning av hörnen på testpattorna med 3 mm radie gav en minskad bärförmåga med O %. Det visade sig att det inte bev någon märkbar skinad om man tryckte på sidan eer på ovankanten av imträbaken. Dougas gran visade sig ha större bärförmåga än gran. Sambandet mean ast och intrycming visade att en viss gräns åg på 1-2 mm intrycming. Detta kunde man utäsa genom att anta att kurvorna bestod av två räta injer som bands samman av en kurva och genom att föränga de två räta injerna ti de möttes i en korsningspunkt Madsen föresår med anedning av detta att man använder bärförmågan vid,5-2,5 mm intrycming vid dimensionering i bruksgränstistånd. O
25 Q 200 ~ 15 ~ IJ' o- 100 5 oj If,/" 5 X D"' D5 -~ ~ r- o o 2 3 4 s 6 7 25 o 200 zts! 6 j 100 50 o / v~ o.._... ~ ~ Defonuation (mm) 5 X.5 D ;F D5 E :,...-: / i j i ' _,.;.. - 2 :\ 4.'i 6 7 Defonnation (nuu) 2: 'i(}.~ "" {)() 5" 250 200 z-1:50 6 ~ LOO o- o o :50 o v - / v '/ 5X5DF 05 2 :no- _...- 2 3 4 s 6.7 Defonuation (nuu) 7X5DF D5 v ~ ~... ~ o 1 2 3 4 5 6 7 Defonuation (nuu) Figur 3.9 Spännings-deformationskurvor (Madsen, 2000) Bocktester Tester på imträbock utförda vid ETH i Zurich 1997. Bocken var uppbyggda av ameer med 60 mm tjockek. Bottenarean var 120x210 mm och höjden (antaet ameer) varierades. Man testade även bock med ståpåtar införda med 00 mm skinad i höjd. Man hade 4 fa där höjden varierades från 00 ti 400 mm. Försöken visade att ökad höjd gav mindre bärförmåga förutom i faet med insatta ståpåtar gav mindre bärförmåga vid iten deformation men högre bärförmåga vid stöne deformation. Resutaten har begränsad användning eftersom i verkigheten måste hänsyn tas ti medverkande kanter då inte hea ängden beastas (Gehri, 1997). Figur 3. O s Spännings-töjningskurva för 4 fa (Geu i, 1997) 11
Frater och Theandersson Försök utförda av George S. Frater och Sven Theandersson vid Lunds Tekniska Högskoa 1996. Syftet var att visa hur spärmings-töjningssarnbandet ser ut för oika försöksuppstäningar. Syar, bakar och regar av gran, 45x95 mm, användes i sju oika uppstäningar. Frater och Theandersson korn fram ti att en kortare beastningsängd gav en högre styvhet. Det visade sig också vara en tendens ti att mindre beastningsängd skue ge högre spänning vid proportonaitetsgränsen. Försöken visade att proportionaitetsgränsen åg på 2,5-5,1 MPa som skajärnföras med det karakteristiska värdet på bärförmågan för K-virke som anges i BKR 99 ti 7-8 MPa för ungefår samrna beastningsängd. De karakteristiska värdena skue ge en deformation på 3-5 mm. Dessa värden är dock tänkta att användas i brottgränstistånd men kan ge probem i bruksstadiet R 55 Hydrau. bta~tn. ~ 45x95mm ~~ ~ n1 rn}oo 1655 g~ 1------;1 ~ 345 } 345 } ~ ~ ~ 31,.5 J ' t 1><1 R5 ~ rr RR5 m ~ Figur 3.11 Försöksuppstäningar vid korttidsförsök (Frater &Theandersson, 1996). Beteckningar: RS - en rege på en sy RSS -en rege på två syar RRS -två regar på en sy RRSS -två regar på två syar BS -en bak på en sy BSS -en bak på två syar S -en sy 12
60 Lao;,t, kn Test RS5 40 D~f, mm 8 Figur 3.12 Last-deformationskurva. Bestämning av proportionaitetsgräns (F rater & Theandersson, 1996) Backsei Backsei utförde 1966 ett stort anta försök på trä beastat vinkerät fiberriktningen. Testerna utfördes med två oika höjder och med oika beastningsängd. Försöken visade att styvheten ökar med minskande beastningsängd. De visade även att om fuktkvoten ökar så minskar pasticeringsspätmingen och styvheten samt att deformationen inte är proportione mot höjden. Spätmingarna fördear sig nämigen i träet och högst spänning har man vid beastnings ytan, se figur 3.13. Om höjden ökas så minskar spänningarna mitt i syen, eftersom spänningarna fördear sig över en större yta. Ju större d är i förhåande ti beastningsängden, ju ägre bir spätmingarna mitt i träet. ' \ Re.ge. t ' ~ t t ~ t ~ \ t * \ t t'--._ Re.ge. Figur 3.13 Tvärkraftens utbredning i trä (En ockson & Mårtensson, 1996) 3.1. 2 Långtidsförsök Den totaa deformationen kan beshivas med oika komponenter. I det förra avsnittet faststädes den eastiska deformationen vid korttidsförsök. I ångtidsförsök kan man bestämma a-ympning, krypning och mekano-sorption. Krympning är deformationsändringar pga av uttorkning av materiaet. Sväning uppkommer vid uppfuktning. Krypning är tiäggsdeformationen som bir pga ångtidsast Mekano-sorption är deformation som uppkommer när materiaet beastas samtidigt som det utsätts för fuktkvotsändringar. Mårtensson och Enockson gav exempe på dimensionsberäkningar för en knutpunkt som principiet överensstämde med utformningen som använts i ett femvåningshus på Wäudden. 13
Denna ungefåriga beräkning visade att tiäggsdeformationerna efter tio år var stöne, var och en för sig, än den initiea eastiska deformationen. Jordow & Enoccson Jm dow och Enockson utförde 1996 tester på regar och syar av K-virke K12 med dimensioner 45x120 mm. Sex oika uppstäningar användes för att faststäa samband mean beastningsängd, deformation och provtjockek samt inverkan av fukt och fuktändringar. Två exempar av vmje uppstäning beastades under två veckor under vika träet äts torka ut från 18 % ti 12 % fuktkvot Åtdragn. mutter "'-.. ~~==~==~==~====~====~~ r s ss '~---------" b...l_ L-.--'T'"T---J Betecmingar: rs - en rege på en sy rrs - två regar på en sy rrrs -tre regar på en sy rrrrs - fyra regar på en sy rss - en rege på två syar rsss - en rege på tre syar Figur 3.14 Försöksuppstäningar vid ångtidsförsök (Frater & Theandersson, 1996) Det visade sig att deformationen ökade icke-injärt med ökande beastningsängd och att styvheten ökade med minskande ängd. Deformationen fördubbades på två veckor järnfött med den initieia deformationen. Ungefår en tredjede av tiäggsdeformationen bestod av a-ympning pga torming. 14
3.2 Håfasthetstester på förstärkt trä 3.2.1 Förstärkning med dymingar i imträ Borg Madsen testade år 2000 om immade dymingar i imträbakar kunde öka bärförmågan. Bakarna hade måtten 178x372x1200 mm. Dymingarna var 15 mm i diameter och ängden varierades från 100 mm ti11372 mm. En ståpatta, 76x102 respektive 102x150 mm, användes för att appicera trycduafterna. Hå förborrades och dymingarna fåstes med epoxyim. ~ 12.7 f = - a) xd~ 372 --'/ / / ///..1 1'//////.//: b).. 200,.,.. 800,.,,.2oo,.! Figur 3.15 Försöksuppstäning, dyming i imträbak (Madsen, 2000) Resutatet av testerna visade att en dyming med ängden 00 mm ökade bärförmågan vid 2 mm deformation med nästan 67 %. En 200 mm dyming ökade kapaciteten vid 2 mm deformation med 00%. Därefter bev ökningen av kapaciteten mindre och dymingen med ängden 372 mm ökade bärförmågan med 130%. Med en större ståpatta bev även här kapaciteten fördubbad men skinaden mean de oika ängderna på dymingarna bev betydigt mindre. Test utfördes med svetsning av ståpattan mot dymingen och detta gav en högre bärförmåga i området 7-15 mm deformation. Madsen gjorde även försök på ståpattor förbundna med en dyming genom imträbaken. Den undre ståpattan viade på ett stöd under baken. Frågan här var om dymingen skue knäcka ut, men försöken visade att så var inte faet. L 372 or 290 12.7 i'- t 1"./h '/A 1-1200 mm or 1150 mm Figur 3.16 Försöksuppstäning, genomgående dyming i imträbak (Madsen, 2000) Efter detta gjordes försök med fera dymingar. Fyra försök utfördes med fyra oika storekar på bakar. Tre dymingar användes under en patta som var 152x204 mm och de var 200 mm 15
ånga. Det fjärde faet var annorunda med fyra dymingar med ängd 300 mm och en patta med storek 78x202 mm. Denna patta var dessutom hopsvetsad med dymingarna, viket ökade styvheten betydigt. Diametern på dymingarna var 15 mm i aa fyra faen. Man fann att ökningen i bärförmåga var proportione mot ökningen i pattstorek och tota dymingsängd. Ti sist utfördes försök med utstickande dymingar, dvs man använde inte ståpattor utan a ast ades direkt på dymingen. Mået var att finna en minsta bonade ängd som gav brott i dymingen när den astades i tryck. Tester utfördes först på bock med storeken 178x372x250 mm och med endast en dyming. Dymingen stack upp en diameters ängd ur bocket. Diametern på dymingarna var O mm och 15 mm. Den borrade ängden varierades från 50 ti 400 mm. Minsta borrade ängd var 150 mm för O mm dymingen och 250 mm för 15 mm dymingen. Om man använde större borrade ängder uppstod brott som knäckning i den utstickande deen av dymingen. Test utfördes också på att använda utstickande dymingar som stöd för en bak istäet för ett vanigt stöd. Det intressanta här var att ta reda på hur ångt avståndet skue vara mean stöd och änden på baken, se D i figur 3.17. Test utfördes med en 15 mm dyming och avståndet varierades från 20 mm ti 200 mm. Resutatet bev att 50 mm skue vara minsta avståndet. 372 Bearing Pate R einforced with #15 Rebar 200 ' '--- 300 '/. '/A - Lo ad 335. j. 335 1000 End Distance Test / Guam 178 x 372 mm / 10 - /' J D :1 Figur 3.17 Försöks uppstäning, dyming som stöd (Mads en, 2000) Fördeama med utstickande dymingar i stäet för en patta var att dessa åter en större de av imträbaken ta asten. De ökar även skjuvningskapaciten hos baken. Att använda utstickande dymingar som stöd skapar bättre ventiation runt träet vid stödet och gör att träet sipper kontakten med fuktiga stöd. Vid höga aster kan det dock vara nödvändigt att använda både dymingar och en patta. 3.2.2 Förstärming med s/a-uvar 1999-2000 utfördes försök av professor Francois Coing från FH Augsburg på förstärkning av trä vinkerätt fibrerna med träskruvar. I oikaskuvar testades som förstärkning med dimensioner från 4x55mm ti 8x00mm. Provkropparna var av imträ och konstruktionsvirke av gran och furu. Tester gjordes på bärförmågan utan skruvhuvud och med skruvhuvud. Inverkan av skruvdiameter, skruvängd, skruvtäthet, indirekt och direkt beastning samt träkvaitet studerades. 4 och 9 skruvar testades i skruvgrupper, se figur 3.18 och 3.19. Trä med densitet 400kg/m3 respektive 500kg/m3 användes i försöken. Två försöksuppstäningar utvärderades; syförsök och uppagsförsök Syförsöken utfördes med konstruktionsvirke. Uppagsförsöken utfördes med imträ. Syförsöken bestod i beastning av en rege med dimensioner 60x 140 mm och uppagsförsöken bestod i beastning av en ände av en 16
imträbak, 140x240mm med en patta av stå eer trä. I båda faen viade träet mot ett fast underag. 7 d 5,5 d IO d 5,5 d =22 mm.=40 mm =22 mm 7 d=28 mm,~--..,--...,...,, ~--r-- 1 -~ -- - t 1._ t - - r +i- -- _c J, : : :::: ----i - _L_ - - - -.. ------, 1-! 20mm - --- - - - ---- --- - - ----- -----.. -- ---- --.. -, Figur 3.18 skruvgrupp om 4 skruvar. (Coing, 2000) 7 d 7 d 7 d 7 d 7 d=28 mm --- -~----T -- - -,- - --: - - - -. - -~ - o o o_. o - --~ o. ---~.. - - --- [ ; +-- --f-- ---+--~._ ' _..._ ' i --- -...... - o-. - _, + j_.! j 2~G~ T-_? -;- ~d L?J ct Figur 3.19 Skruvgrupp om 9 skruvar. (Coing, 2000) ' 7 d=28 mm 3 d=2 mm ---i ' 20 mm i -! Resutaten visades med förstärkningsfaktorer där värden från oförstärkt och förstärkt trä jämfördes enigt standardförsök DIN 1052, EN 1193 samt enigt injär anays. DIN innehåer försöksmetoder som utgår från defektfria provkroppar. För att ta fram värden på Fc, 9 o enigt EN 1193 så paraeförfyttas injen som visar det injära sambandet fram ti värdet på deformationen som motsvaras av proportionaitetsgränsen. Värden enigt DIN 1052 bev oogiska och dessa fick bortses ifrån. 17
z 6 ~ U) ro _j 50 45 i.! 40. 15 10 5 o o - : + -r- --- - --.. -+-~--+ - ~ - -~ - -t.::::.~.::. /> -C. ~~f::: ~=T --=-=-r-- --~ - ---.!- --. L -~ - 1-. +.,' ' :! : 1 1 1 -j- T ---- 1 : 1 --/~- :----~- - - ~ - -.. i -~ - ~ - -! - -. i..! - ~. -..-! ~ 1/ ~ - - - - - ~.f j i.'! med initie f deformation!! }/ utan initie deformation ) : j!_ --.. - :. ;/'!'.. '/ : 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Deformation (mm) Figur 3.20 Framtagning av värden enigt DIN, EN1193 och injära värden. (Coing, 2000) En beräkningsmode togs fram för bärförmågan vinkerätt fibrerna: Tota bärförmåga= bärförmåga trä+ bärförmåga av effektiva skruvar Fc,90 = Fc,90.H +k A nef Fo.s = fc,90 A+ k A nef Fo,s Figur 3.21 Beräkningsmodeen. (Coing, 2000) Fc, 9 o,h =träets kapacitet vid gränsvärde enigt EN 1193 (kn) F o,s = skruvens maximaa bärförmåga utan skruvhuvud (kn) ka = koefficient beroende på det beastande materiaet, ka =,O för hårda materia, t ex stå och betong ka = 0,75 för mjuka materia, t ex trä ner= anta effektiva siauvar (st), se nedan fc, 9 o = spänningen vid gränsvärde enigt EN 1193 (MPa) A= beastningsarea (m 2 ) 18
Antaet effektiva skruvar beräknades m h t minsta arean som behövs för att en skruv ska ha fu förstärkningseffekt Formen nedan användes ti detta. nef' =min 6 Figur 3.22 Anta skruvar. (Coing, 2000) bxa = beastningsarea (m 2 ) ds = diameter skruv (m) Värdet 450 är framtaget utifrån att 4 skruvar bär hea beastningsarean men om skruvarna bir fer så tigodoräknas inte aa. Detta bygger på att asten sprids ner i träet med hjäp av gängorna och om skruvarna står för tätt så bidrar de inte med hea sin kapacitet. Förstoringsfaktorerna för syförsöken visade att förstoringseffekten är ika stor för 4 och 9 skruvar. Förstoringseffekten var mindre för trä med högre densitet eftersom det redan har hög styvhet utan förstärkning. Förstoringsfaktorn enigt injära värden bev,6, dvs en förstärkning uppnåddes med 60%. För uppagsförsöken bev förstoringsfaktorn högre för faet med 9 skruvar än med 4 skruvar. Med injära värden bev förstoringsfaktorn 1,47 resp 1,61 med densiteten 400kg/m3. Med värden enigt EN 1193 bev förstoringsfaktorn 1,64 resp 1,87. Försöken visade även att högre förstoringsfaktorer nås för hårda uppag, t ex på en ståpåt jämfört med mjuka uppag, t ex en träpeare. 19
4. Beskrivning av försöken 4.1 Inedning Undersökningen går ut på att ta reda på om man kan förstärka imträ vid tryck vinkerätt fibrerna med träskruvar. Uppdragsgivaren, Arne Emisson, Limträteknik, hade vat ut skruvar av typ SFS WT-T-8,2xL vika vanigtvis används ti att sammanfoga trästycken. Motivet ti detta va var föjande; De har itet vridmoment för idragning viket gör att endast enka verktyg krävs. De är ätta att skruva ti rätt djup. De är standardprodukter. Skruvidragning går snabbt. De är reativt biiga. De spräcker ej virket (är sjävborrande). De är stiftformade (ej koniska) viket gör dem justerbara i djuped. -.. ~ V.; ~~ '>''_._.,.....,......,.,o ro,~ O - ~~-:-:,,. _ r- - SFS WT-T-8.2 x 1 L 'fastener range Typ e Mate ria Diameter J ength S c omp Sg T = earbon stee (mm) (mm ) {mm {mm) ~'!:)))~~)))).~~~i;.'%,~~~ r~").)~\l)ii;.'iit~~t:.t~~0i ~ S camp 5 9 )o WT - T - 8,2 x 160 65 65 WT - T - 8,2 x 190 80 so WT - T - 8,2 x 220 95 95 'vvt - T - 8,2 x 245 107 107 VVT - T - 8,2 x 300 135 135 Figur 4.1 SFS WT-T-8,2xL Tre oika skruvängder vades ut; 160, 220 och 300mm med förhoppningen att interpoation kan ske mean dessa och att resutaten kan användas på de andra två ängderna. skruvarnas diameter var 8,2mm. Försöken utfördes på imträstycken L40 av dimension 90x315 mm, utvad pga det är en standarddimension som Limträteknik använder. Bocken som everades var 0,5m ånga. Limträameerna var immade med meaminim som är för utomhusbruk och kaas u-im. Beastning påfördes des med en ståpatta, des med en träpatta där astriktningen var parae med fiberriktningen i beastningpattan. Detta skue simuera oika amtpunkter i imträtakstoar. 4.2 Försöksuppstäningar 4. 2.1 Försök med beastning av trä mot stå och trä mot trä För att ha värden att utgå ifrån ochjämföra med värden från förstärkt trä så utfördes tre försök där trä beastades med en ståpatta, 90x150x10mm och tre försök där trä beastades med en träpatta, 90x50x16mm. Från bö1jan var det tänkt att använda pattor med måtten 90x3 15mm för att simuera en korsningspunkt med ika stora imträbakar sammanfogade men det var viktigt för försöken att beastning utfördes på någorunda kvistfria ytor så därför fick ängden minskas. 20
! Figur 4.2 Försöksuppstäning med ståpatta. Samma pattor användes i aa försöken. I försöken användes tre givare för att mäta deformationen, des givaren i maskinen, des två givare pacerade på var sida om trästycket. De extra två givarna mätte deformationen över 07mm mätt uppifrån. De användes för att kontroera vinkeändringen vid beastning så att pattan inte utade atför mycket. I senare försök pacerades de yttre givarna så att de mätte över hea ängden och ytterigare tvåförsök med träpatta och två försök med ståpatta utfördes. Figur 4.3 Beastning av träbit i MAN Universaprovningsmaskin 21
Figur 4.4 Vy från sidan. 4. 2. 2 Försök med beastning av 220mm skruv mot stå och mot trä I de inedande försöken bestämdes hur stor inverkan en skruv hade, eer skruvens bidrag ti bärförmågan i tryck vinkerätt fibrerna. Skruvarna skruvades i träet med hjäp av en pearborrmaskin. Test utfördes i en MAN universaprovningsmaskin. Sex trästycken som hade en 220mm skruv provtrycktes. Trästycket beastades des med ståpattan, des med en träpatta (se figur 4.4). 4. 2. 3 Försök med beastning på skruven För att kunna bortse ifrån eventuea variationer i träets håfasthet så gjordes försök där endast skruven beastades. 18 skruvar provtrycktes, sex av varje skruv. Last påfördes skruvhuvudet med en torx-hysa, T40. En ståcyinder provades först för att överföra asten men den var inte stabi och deformerades vid beastning. Sedan användes en bit ti en borrmaskin men den var för sma så det bev ingen stabiitet vid provning. Biten från hysnyckesatsen visade sig vara stabiast och gav ett tryck rakt på skruven. Skruvarna pacerades tre och tre i varje trästycke med samma avstånd emean. 22
., Figur 4.5 Skruven beastas med en torx-hysa i MAN Universaprovningsmaskin. 4.2.4 Försök medfera skruvar För att finna ett samband mean skruvtäthet och bärförmåga så utfördes försök på beastning av shuvgrupper om 4, 6 och 8 skruvar, se figur 4.7. I itteraturen finns endast faststät ccavstånd mean siauvar för skruvar i dragning. Enigt Caring ska avståndet vara 4d respektive 7d mean shuvarna. Minsta avstånd ti fri kant är 2d. Enigt en undersökning gjord av professor Coing, FH Augsburg 1999, så är ett ämpigt avstånd för skruvar i tryck 7 d i fiberriktningen och 3d tvärs fibrerna. Minsta avstånd mean skruvar har här vats ti ca 6d i fiberriktningen, 3d tvärs fibrerna och minsta avstånd ti fri kant 2d. Med dessa förutsättningar kan snittet ta 8 skruvar. Endast en skruv testades, 220 mm, eftersom den visade sig mest effektiv (se kap 7.2). En nedsänkning av skruvarna på ca 2mm eftersträvades eftersom det hade gett bäst resutat tidigare. Det är dock mycket svårt att borra så exakt och nedsänkningen varierar därför från 2 ti 4mm. Beastning påfördes des med en ståpatta, des med en träpatta. Deformationen mättes som tidigare des med de yttre givarna som mätte över 07 mm från angreppspunkt och des med en givare i astceen som mätte över hea höjden. Försöken ineddes med att 3 försök av va1je skruvkombination testades på detta sätt. Sedan 23
gjordes ytterigare en försöksserie med 3 försök av vmje, där deformationen mättes över hea ängden, des med ett par yttre givare pacerade med magnetstativ utanpå provningsmaskinen, des med givaren i astceen. På detta sätt kunde man kontroera tiföritigheten på givaren i astceen som använts i tidigare försök, eftersom de yttre givarna hade större noggrannhet. 75 25 50 50 I I,V Jv 30 30 30 25 25 25 25 25 25 v v J /1 -+ +++ + +~ -+ t +- Figur 4.7 skruvkombinationer 4.3 Försöken 4. 3.1 Försök med beastning av trä mot stå och trä mot trä Vid de första tre försöken på enbart trä mot en ståpatta bev det en nedsänkning i träet med brott som föjd i kanterna när träfisor brast. Träet beastades tis deformationen bivit ca O mm pga att vid denna deformation så hm man kommit en bra bit förbi proportionaitetsgränsen som igger vid ca mm deformation. Kvarstående deformation bev ca 5mm. Det första träststycket brast i ändarna på trästycket men detta beastades upp ti 13mm deformation. Ingen synig sprickbidning fanns i trästycke nummer två. Det tredje trästycket hade en oka försvagning precis under pattan, en spricka där kåda ansamats. Vid beastning av trästycken med en träpatta uppvisades samma beteende. Det första trästycket fick en spricka under astarean vid beastning. Det andra trästycket sprack upp på sidorna. Det tredj e trästycket var starkast, antagigen beroende på att det innehö många kvistar. De senare fyra försöken med givare som mätte över hea ängden uppvisade inga sprickor och beastningsarean vades för att undvika kvistar som ökar håfastheten. 24
Figur 4.8 Tre försöksbitar efter beastning. 4.3.2 Försök med beastning av 220mm skruv mot stå och mot trä Vid beastning av de tre styckena som hade en skruv med en ståpatta fanns ingen synig sprickbidning eer försvagningar i träet. I dessa fa noterades nedsänkningen av skruvhuvudet som hade skett vid borrningen. Detta värde bev 4.5, 5.4 samt 6.5mm. K varstående nedsänkning av skruvhuvudet efter deformation noterades också. Detta bev 4, 3 respektive 4.4mm. Dessa försök på tre trästycken med en 220mm skruv mot en ståpatta upprepades pga nedsänkningen av skruvhuvudet i de första försöken. Nedsänkningen minimerades i tre nya försöken och åg på 0-2mm. Resutatet bev trots detta en kvarstående nedsänkning av skruvarna med ca 3mm. Vid beastning av skruven mot en träpatta bev det istäet en upphöjning av siauven efter beastning. Skruven går upp i träpattan och gör avtryck i denna. Skinaden mean nedsänkning innan och upphöjning efter var ca 4mm på ca 9mm tota deformation. skruvarna var raka även efter beastning. 4. 3. 3 Försök med beastning på sa uven Skruvarna beastades upp ti 8-1 O mm deformation. Under försöken förskjöts skruvhuvudet på de ängre skruvarna (220mm och 300mm) i sided. Endast den kortare skruven trycktes rakt ned i träet. Efter försöken togs två skruvar ut ur träet, en 220mm och en 300mm. En krökning kring en axe hade skett på skruvarna ca 2 cm under toppen av skruvhuvudet. Krökningen var ika stor och på ungefår samma pats på båda skruvarna. Skinaden var att krökningen var ite vriden aing en andra axe på 300mm skruven, viket kan bero på att dessa var synbmi skeva innan försöken. Figur 4.9 Skruvar 220mm och 300mm efter beastning. 25
4. 3. 4 Försök med beastning av skruvgrupper Vid beastning av skruvgrupper med en ståpatta konstaterades att den syniga deformationen skedde vid sauvspetsarna i träet. Där kunde man se en utbuktning av träet på båda sidor om imträbiten. Spänningskoncentrationerna åg atså aing 220mm ner från beastningspunkten. En kvarstående nedsänming av sauvhuvudena motsvarande den vid beastning av en sauv mot en ståpatta noterades också. Då sauvgrupperna beastades med en träpatta uppvisades även här samma beteende som vid beastning av en sauv, nämigen att skruvhuvudena gick upp i träpattan vid beastning. Dessutom var det tydigt att spänningskoncentrationerna åg ca 2-3cm under beastningspunkten eftersom här syntes en utbuktning av träet. ) \ \ ( \ \ r-- r------ Figur 4.1 O Synig deformation vid be stning av skruvgrupper. Första faet beastning med ståpatta, andra med träpatta. 26
5. Resutat 5.1 Försök med beastning av en skruv och bara trä mot stå Data från försöksmaskinen togs upp i Exce och kurvor uppritades. Värden på deformationen kom från tre givare, en pacerad i maskinen och två extra som endast mätte deformationen över 07mm i de första försöken och över hea ängden i de senare. st4l 90.00 80.00 70.00 60.00 ~ 50.00 ~ j 40.00 30.00 20.00 10.00 / ) J 1/ 0.00 0.00 2.00 / / v 4.00-6.00 ~ ~ f----t 8.00 10.00 12.00 Def(mm) Figur 5.1 Last-deformationssamband för imträ beastat med en ståpatta med värden från yttre givare som mätte över hea ängden. Kurvorna visar asten som funktion av medevärdet av de två extra givarna, se figur 5.. I resutatfien är skinaden mean maskinens givare och de två extra givarna iten, endast ca 2mm, viket visar att huvuddeen av deformationen sker i den översta biten av träet. Detta gäer vid beastning av bara trä samt trä med en skruv mot stå- och träpatta. De extra givarna är mer noggranna pga ett anta fekäor i givaren i astceen. När man använder fera skruvar som förstärkning bir dock astspridningen större. Då kan man inte använda givarnas värden. Därför uppritades även kurvor med asten som funktion av givaren i astceen för en konektjämförese. I de senare försöken användes de yttre givarna eftersom de mätte över hea ängden. Skinaden mean de två extra givarna var också iten, mindre än mm. Vinkeändringen vid beastning är atså iten. Resutaten städes samman och återfinns i biaga 2, 5, 6a och 7a. Proportionaitetsgränsen, Pg, som faststäts är som namnet antyder gränsen där proportionaiteten upphör, dvs värden där det injära sambandet upphör. Den första deen av kurvan kan tokas som en rät inje och där de1ma räta inje upphör sker aväsning på y-axen (Last) och x-axen (deformation), se figur 5. för exempe på kurva. Det är viktigt att den räta injen går genom origo så om detta inte är faet måste kurvan paraeförfyttas. Proportionaitetsgränsen, P g, åg kring 45 kn för både faet utan skruv och med skruv vid mätning med givarna i astceen. Inte heer vid 2mm deformation kan någon märkbar skinad utäsas. Först vid 4-6 mm kommer en synbar 27
astökning pga av skruven. Detta motsvarar nedsänkningen av suuven i träet. När effekten kom bidrog suuven med mean O och 20 kn. Försök gjorda med skruven så nära ytan som möjigt, 0-2mm nedsänkning, gav ägre bärförmåga än träet sjävt. Dessa resutat används därför inte i kurvorna. Förkaring ti detta fenomen saknas men man kan konstatera att effekten är beroende av suuvens nedsänkning i träet. En nedsänkning av ca 3mm verkade ge det bästa resutatet om man vi ha god effekt som möjigt. 5.2 Försök med beastning av en s(ruv och bara trä mot trä Vid beastning av en suuv mot trä var nedsänkningen av suuvhuvudet 2-3mm. I detta fa kan man ej påvisa någon märkbar förstärkning med en 220mm suuv. Skinaden är störst (ca 2kN) mean kurvorna från 2 ti 4mm, därefter sammanfaer kurvorna. Att skinaden mean trä och trä förstärkt med en suuv är så iten kan bero på skinader i träets astkapacitet pga av oika många kvistar eer sprickor i träet. tt4l 90.00 80.00 70.00 60.00 z 50.00 :. :;;.5 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0.00 ) /_ / 2.00 / / / 4.00 ~ 6.00 Def(mm) 8.00 10.00 12.00 Figur 5.2 Last-deformationssamband för imträ beastat med en träpatta från värden mätta med yttre givare som mätte över hea ängden. 5.3 Försök med beastning av skruven Kurvor uppritades med värden från mätning med yttre givare som mätte över 07mm. Proportionaitetsgränsen inträffade vid ca 0,6mm deformation för aa suuvarna. Maxast inträffade vid ca 2mm deformation för aa s huvarna. Se biaga 8 och 9. 160mm suuven visade sig vara effektivast. Den tog mest ast per gängad areaenhet, ca 19.5MPa, viket var nästan dubbet så mycket som 300mm suuven. 220mm suuven åg mittemean, se biaga 8 samt biaga 11 för beräkning av gängad area. Att 160mm suuven var mest effektiv kan bero på att den var den enda suuven där suuvhuvudet ej förskjöts i sided. Detta berodde i sin tur antagigen på att den kortare ängden inte erbjöd ika stort motstånd. En initie skevhet hade inte ika stor betydese. 220mm suuven kunde ta mest ast, ca 27,5kN vid beastning med torx-hysa, men vid försöken med suuv +trä bidrog skruven endast med ca 20 kn. Detta berodde på att suuven och träet ej samverkar perfekt. Brottet bir dessutom inte detsamma om man endast beastar 28
skruven som om man beastar både skruv och trä. I det senare faet förbir skruven rak och brottet består enbart i att cefibrerna krossas av skruvens gängor. Att skruvarna deformerades på samma stäe oavsett ängd visar på att ängden inte har så stor betydese. Det är viktigare att skruvarna är raka från början. 5.4 Försök med beastning av skruvgrupper mot stå och trä Vid beastning av skruvgrupper kunde man tydigt se vid försöken var spänningskoncentrationer infann sig (se figur 4.1 O, kap 4). Med skruvar som förstärkning sprider gängorna asten ner genom träet och deformationen bir därmed spridd över ett större område. Den syniga deformationen är därför viseedande eftersom man kan tro att i stort sett a deformation inträffar i detta område. Vid beastning av skruvgrupper var informationen från de yttre givarna ej ängre användbar eftersom en stor de av deformationen inträffade utanför mätområdet pga astspridningseffekten. Kurvor uppritades därför med hjäp av värden från givaren i astceen vid de första försöken och från yttre givare som mätte över hea ängden i de senare. I de inedande försöken gjordes tre tester på vmje grupp, des mot stå, des mot trä. För att få en större säkerhet i resutaten utfördes ytterigare tre tester på varje grupp med yttre givare pacerade så att de mätte över hea höjden. På detta sätt kunde jämförese göras mean givaren i astceen och de yttre givarna för att kontroera att de stämde överens. Tyvärr var så inte faet och eftersom de yttre givarna är mer tiföritiga ades störst vikt vid dessa värden. Skinaden bestod främst i att utningen på den injära injen i början av kurvan var mycket fackare för värdena från astceen. Detta edde ti att proportionaitetsgränsen inträffade senare för värdena från astceen än för värdena från de yttre givarna. Resutaten från astceen kan användas ti att göra en inbördes jämförese om förstärkningseffekten men inte ti att pocka ut numeriska värden på t ex proportionaitetsgränsen. Spridningen på värdena från försöken varierade och berodde på variationer i träet pga av kvistar och sprickor och på skinader i nedsänkningen av skruvhuvudena samt på variationer i rakhet hos skruvarna, se figur 5.3. skruvgrupp, 6 st mot ståt 200.----,----,--------,,------,------r----, ----.. ~ :_,... 160 +----+----j-------j~,..._,-'-'-.._'--- ---=- -..1---"=-------f----1 140 t----+----~'-'--~~f-----------------:::=------ 1 ~~~~~' 120 j----t-----,~f-7<''---------1::,---==----j----t----1 z.. /...--f-" ~1oo +----+-~~ ~, ~~~~'-------------------+---~ 180 +-- --+----j--------jf---------------+----1... ~. '/ v...j,/ /.... ao+-----+-~~~-+--------1------+------+---~.~ aot---~~---~-----1------1----t----1 40 --- ~-+----+----+---~---~---~ ~' 20 [7 o~---1----+------+------+------+---~ 10 12 Def(mm) Figur 5.3 Skruvgrupp om 6 skruvar mot ståpatta. Tre försök från mätning med yttre givare över hea ängden. 29