Perpendicular to grain fracture analysis of wooden structural elements - Models and applications

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Trä är ett konstruktionsmaterial med många positiva egenskaper, både avseende mekaniska och tekniska egenskaper och avseende det som ibland kallas mjuka egenskaper. Trä har generellt hög styrka i förhållande till sin vikt, det är ett naturligt förnybart material och det anses av många vara estetiskt tilltalande. Jämfört med andra vanliga konstruktionsmaterial som stål och betong har trä en rad unika och komplexa egenskaper. Bland annat är träs styrka och styvhet mycket olika i olika riktningar. Vid belastning i fiberriktningen är trä mycket starkt, men förhållandevis mycket svagt vid belastning tvärs fiberriktningen. Dragbelastning tvärs fiberriktningen, tvärdragbelastning, kan leda till tvärdrag- eller uppfläkningsbrott med initiering och propagering av en spricka med ett snabbt och sprött brottförlopp som resultat. Tvärdragbelastning är en förhållandevis vanlig orsak till skador och kollaps av träkonstruktioner. En kollaps av en stor konstruktion, som exempelvis en idrottshall eller en bro, får alltid stora ekonomiska konsekvenser och kan även få allvarliga konsekvenser i form av personskador. Uppförande av en konstruktion föregås av dimensionering, vilket förenklat kan beskrivas som val av konstruktionssystem samt val av storlek och form på ingående konstruktionselement. Vanligtvis innefattar detta beräkningar för att säkerställa att konstruktionen med hög sannolikhet klarar av de laster den förväntas utsättas för. Vid dimensionering av träkonstruktioner är tvärdragbelastning av speciellt intresse, både med anledning av att trä är svagt vid denna typ av belastning och även för att motsvarande brottlaster är svåra att prediktera. Syftet med arbetet som presenteras i denna avhandling är att öka kunskapen om träs beteende vid dragbelastning tvärs fiberriktningen, uppkomsten av tvärdragbrott samt hur brottlaster kan predikteras. Förhoppningen är att sådan kunskap i förlängningen ska kunna leda till säkrare, bättre och även billigare träkonstruktioner. Arbetet som presenteras i denna avhandling består av en experimentell del och teoretiska delar. Den experimentella delen består av laboratorieprovningar av bärförmågan för limträbalkar med hål, som är ett typiskt exempel på ett konstruktionselement där risken för tvärdragbrott är stor. De teoretiska delarna innefattar utveckling av matematiska beräkningsmodeller och deras implementering för numeriska datorberäkningar samt användning av dessa modeller. Två olika modeller har utvecklats, en 2D modell för linjär analys och en mer avancerad 3D modell för olinjär analys inklusive simulering av det gradvisa brottförloppet från sprickinitiering till sprickpropagering. För att verifiera att modellerna ger användbara resultat jämförs dessa med resultat från experimentella tester avseende bärförmåga och brottbeteende. För den olinjära 3D modellen erhölls överlag god överensstämmelse mellan beräkningar och experimentella tester medan den linjära 2D modellen visade något sämre överensstämmelse. Modellerna har använts för analys av olika konstruktionselement där bärförmågan vanligtvis begränsas av tvärdragbrott, med fokus på balkar med hål och en typ av dymlingsförband. Dessa beräkningar ger möjlighet att undersöka brottbeteendet och hur detta påverkas av parametrar relaterade till belastning, geometri och materialegenskaper. Konkreta slutsatser inkluderar hur olika geometri- och lastparametrar påverkar brottförlopp och predikterad bärförmåga för de analyserade konstruktionselementen.