Kapasitetsanalyse av limtrebjelker med store utsparinger - Analytisk og numerisk analyse

摘要

Denne oppgaven er en del av et større prosjekt for å samle informasjon om oppførselen tillimtrebjelker med store utsparinger, i størrelsesorden 50-60% av bjelkehøyden. Informasjonenskal bidra til å legge et bedre grunnlag, for utarbeiding av et forslag, til en standardisertberegningsmetode for kapasitet.Oppgaven er tredelt:Den første delen av oppgaven er fokusert på å samle informasjon fra tidligere utført arbeid for Kbjelken. Data fra tidligere forsøk ved NTNU omfatter bjelker med utsparinger plassert i skjær- og moment-dominert sone, hvor hulldiameter har variert mellom 150mm, 160mm og 170mm.Samtidig har alle testseriene for 160mm og 170mm blitt testet med forsterkning i form av skurer, plassert med forskjellige vinkler i forhold til fiberretingen og avstander fra hullkanten. En større utsparing vil føre til større tap av kapasitet, samtidig som en utsparing plassert i moment-dominert sone gjør bjelken svakere enn en tilsvarende utsparing i skjær-dominert sone. Ved pålastning vil sprekker, i øvre høyre og nedre venstre del av utsparing oppstå, og utvikle seg som følge av strekkspenninger vinkelrett på fiberretningen. For bjelker med utsparing uten forsterkning, fikk sprekkene vokse fritt, til bjelken mistet all motsatand på grunn av for store deformasjoner eller ved strekkbrudd i underkant av bjelken. Ved bruk av forsterkninger steg kapasiteten betraktelig, og detble gjentatte ganger observert kollaps grunnet strekkbrudd i underkant av bjelken, uavhengig avplassering til utsparing. De viktigste forsøksdataene angående bruddformer, bøyespenninger, stivheter og bruddlaster vil bli presentert og sammenlignet.I del to av oppgaven er det utført analytiske kapasitetsberegninger for bjelkene fra forsøkene. Bjelker uten utsparing er beregnet ved hjelp av vanlig bjelkemekanikk, etter regler i Eurokode 5. Bjelker med utsparing i skjær- eller momentdominert sone, både med og uten skruearmering, er beregnet med utgangspunkt i standardforslaget CEN/TC 250/SC 5: N300. Beregnede pålastningskapasiteter er sammenlignet med både midlere- og karakteristiske verdier av tilhørende testserier. Forholdet mellom testserienes middelverdier, og de tilhørende beregnede kapasitetene, er også sammenlignet med hverandre. Ved å benytte forholdstallet for bjelker uten utsparing som sammenligningsgrunnlag, er det vurdert om metodene for kapasitetsberegning av bjelker med utsparing i CEN, har lignenede sikkerhetsmargin som de standardiserte metodene for bjelker uten utsparing i Eurokode 5. Dette gav gode resultater for alle beregninger, utenom de for bjelker med skrueforsterket utsparing i momentsonen. For dette tilfellet presenteres det er forslag til alternativ beregningsmetode, basert på informasjon fra forsøkene. Denne metoden gav forholdstall innenfor samme området som grunnlaget fra Eurokode 5.I den siste delen av oppgaven er det elementmetodebaserte progammet Abaqus (versjon 6.14)benyttet til å utføre numeriske simuleringer av de forskjellige bjelkene i 3D, med den hensikt å utvikle en modell for ekstrapolering av gjeldende forsøksdata. Endringer i spenningsbildet ved forskjellige hullsituasjoner, samt hvor store opptrende laster som fører til brudd er undersøkt. Det er først modellert en hel bjelke, hvor resultatene samsvarer godt overens med data fra forsøkserien. Differansen i bruddlast på kun 2,13%. Deretter er det foretatt en spenningsanalyse for å bestemme økningen av strekkspenninger vinkel rett på fiberretningen ved hullkanten, for økende dimensjoner.Hoveddelen av simuleringsprosessen dreier seg om å modellere sprekkutvikling i modellene vedbruk av funksjonen for XFEM i Abaqus. Ved å utvide restriksjonene for tillatt sprekkdannelse i programmet, utvikler sprekkene seg som følge av spenninger vinkelrett på fiberretning, medsamme mønstre som i forsøkene. Det er oppnådd gode resultat for modellene med utsparing iskjær-dominert sone, hvor største differansen mellom bruddlaster for modellene, kun er på 4,55%. Mens resulatene fremstår som noe mer uklare for modellene med utsparing i moment-dominert sone.