Digitala Vetenskapliga Arkivet

Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
FE-Modelling of a Joint for Cross-Laminated Timber
Karlstad University, Faculty of Technology and Science, Department of Mechanical and Materials Engineering.
2021 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
FE-modellering av knutpunkt för korslimmat trä (Swedish)
Abstract [en]

Woodbe Engineering AB is a freshly started company that has developed a new type of joint for cross-laminated timber (CLT). The joint does not include any metallic fasteners, which improves sustainability, the ergonomics for the workers and time efficiency. The joint is designed to connect floor and wall elements in multi-storey buildings, by milling a dovetail in the floor element, and a fitting track in the wall element using a CNC machine. Before the product can be used on the market, it needs to be verified. This verification can either be done using physical tests, calculations, or a combination of both. The company has performed experimental small-scale tests, where the load-bearing capacity was tested. Later this year, large scale tests are to be performed. The purpose of this work is to develop a simulation model that can predict the results of the physical test. A simulation model that yields accurate results can be a good substitution for physical testing, due to a lower cost, better time efficiency, and parameters that can easily be changed.

CLT is made up of several layers of wooden plates with different directions. The wood itself is quite complex to model. It has different properties in different directions, both ductile and brittle fracture modes and a large scatter of material properties. To capture this behaviour, a material model which incorporates orthotropic elasticity with linear fracture mechanics has been used. The behaviour of the material model has been evaluated with tests in both tension and compression in different directions. The accuracy of the material model was investigated by a simulation of the small-scale tests where the load-bearing capacity and the mode of fracture was investigated. A simulation of the large-scale experiment has also been conducted, where predictions of the load-bearing capacity and the first mode of failure was investigated. Also, a calculation script has been developed, which calculates the shear stress in the dovetail. 

The results of the simulations clearly show the capability of the material model. Load-displacement graphs show ductile and brittle behaviour in compression and tension respectively. The strength is the highest along the fibres of the wood, with a fast decrease as the angle is increased. The simulation of the small-scale tests showed the initiation of rolling shear damage in the bottom transverse layer of the dovetail at a load level of 87 kN. The load continued to rise until a maximum load of 112 kN, while the damaged region grew upwards into the next layer. As compared to the physical tests, the mean maximum capacity of the joint was 125 kN, where rolling shear cracks could be found in the upper transverse layer in all tested specimens. Some of the tested specimens showed damage initiation at a load level of 84 kN. For the larger experiment, the same mode of damage was initiated at a load level of 161 kN which continued to rise until a maximum load level of 165 kN. The calculated values of the shear stress showed a critical shear force of 26 kN per dovetail. This value is 60 and 63 % of the simulated critical shear forces.

The results of the simulation are in good agreement with the reference experiment in terms of damage initiation and maximum load. However, a large scatter of material properties, approximations of material orientations and interactions between individual layers results in a low level of predictability in terms of damage evolution and ductility in the material.

Abstract [sv]

Woodbe Engineering AB är ett nystartat företag som har utvecklat en ny typ av knutpunkt för korslimmat trä (KLT). Förbandet innefattar inga metalliska förbindare, vilket förbättrar hållbarheten, ergonomin för arbetarna och tidseffektiviteten. Förbandet är konstruerat för att binda samman golv- och väggelement i flervåningsbyggnader, genom att fräsa tappar i golvelementen och motsvarande spår i väggelementen med hjälp av en CNC-maskin. Innan produkten kan användas på marknaden, behöver den verifieras. Verifikationen kan antingen ske genom fysiska tester eller beräkningar, alternativt en kombination av båda. Företaget har gjort experimentella tester i mindre skala där bärförmågan provades. Senare i år ska prover i större skala utföras. Syftet med arbetet är att utveckla en simuleringsmodell som kan förutspå resultaten hos de fysiska proverna. En simuleringsmodell som ger tillförlitliga resultat kan vara ett bra substitut till fysiska prover genom en lägre kostnad, de är mer tidseffektiva och parametrar kan enkelt ändras.

KLT är uppbyggt av flera lager av träskivor med olika riktningar. Träet själv är relativt komplext att modellera. Det har olika egenskaper i olika riktningar, samtidiga duktila och spröda brottmoder och har en stor spridning av materialegenskaper. För att fånga upp dessa egenskaper, har en materialmodell som innefattar ortotrop elasticitet och linjär brottmekanik använts. Beteendet hos materialmodellen har utvärderats med tester i både drag och tryck i olika riktningar. Noggrannheten hos materialmodellen har undersökts genom en simulering av redan testade småskaleprover, där bärförmågan och brottmoden undersöktes. En simulering av fullskaleproverna har också gjorts, där en förutsägelse av bärförmågan och den första brottmoden har gjorts. Dessutom har ett beräkningsskript tagits fram som beräknar skjuvspänningen i tappen.

Resultaten av simuleringarna visar tydligt förmågan hos materialmodellen. Kraft-förskjutningskurvor visar duktila och spröda beteenden i tryck respektive drag. Hållfastheten är högst i fiberriktningen, med en snabb minskning när vinkeln till fibrerna ökar. Simuleringen av småskaleproverna visade initiering av rullskjuvningsbrott i det undre tvärgående lagret i tappen vid en last av 87 kN. Lasten ökade till den maximala lasten 112 kN, medan det skadade området växte uppåt in i nästa lager. I jämförelse med de fysiska testerna var den maximala medellasten 125 kN, och rullskjuvningssprickor i det övre tvärgående lagret kunde hittas i alla provexemplar. Några av de provade exemplaren visade brottinitiering vid en last av 84 kN. Simuleringen av den större uppställningen visade samma typ av brottinitiering vid en last av 161 kN som ökade till en maximal last av 165 kN. Beräknade värden av skjuvspänning i tappen visade en kritisk skjuvkraft av 26 kN per tapp. Detta värde är 60 och 63 % av de simulerade kritiska skjuvkrafterna.

Resultatet av simuleringen stämmer bra överens med referensexperimentet gällande brottinitiering och maxkapacitet. Dock, på grund av en stor spridning av materialegenskaper, approximationer gällande materialriktningar och samverkan mellan individuella lager, är nivån av förutsägbarhet låg gällande brottillväxt och duktilitet i materialet.

Place, publisher, year, edition, pages
2021. , p. 58
Keywords [en]
cross-laminated timber, fe-modelling, continuum damage mechanics, fracture
Keywords [sv]
korslimmat trä, fe modellering, skademekanik, brott
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kau:diva-85481OAI: oai:DiVA.org:kau-85481DiVA, id: diva2:1580058
External cooperation
Woodbe Engineering AB
Subject / course
Mechanical Engineering
Educational program
Engineering: Mechanical Engineering, spec. in Materials Engineering (300 ECTS credits)
Supervisors
Examiners
Available from: 2021-07-15 Created: 2021-07-13 Last updated: 2021-07-15Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(4508 kB)452 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 4508 kBChecksum SHA-512
1229d5d3bfa3dd55259c801529b4bd45ee4a77f82f303d489499bba46c3ff24f1eb24a1cf7b533b99570255db9b70556a20e9a3d3f6f398a685e2b5984e85d13
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Department of Mechanical and Materials Engineering
Mechanical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 452 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 674 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf