In-plane mechanical properties of birch plywood and its performance in adhesively bonded connections
Tid: Fr 2024-04-12 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/64622085558
Språk: Engelska
Ämnesområde: Byggvetenskap, Byggnadsmaterial
Respondent: Tianxiang Wang , Byggnadsmaterial
Opponent: Doctor Simon Aicher, University of Stuttgart, Germany
Handledare: Professor Magnus Wålinder, Byggnadsmaterial; Adjunct Professor Roberto Crocetti, Byggnadsmaterial
QC 20240314
Abstract
Björk (Betula spp.) är ett lövträdslag med bred naturlig utbredning på den Eurasiska kontinenten, särskilt i norra Europa. Jämfört med konventionell plywood tillverkad av barrträ har björkplywood gynnsamma mekaniska egenskaper som skulle kunna användas i nya typer av effektiva förband för träkonstruktioner och därmed möjliggöra en substituering av nuvarande system med inslitsade stålplåtar. Sådana nya förband kan resultera i betydande fördelar vad gäller miljöpåverkan och ekonomi samt enkel prefabricering och monterbarhet. Dock har björkplywood sällan använts i förband, och därför saknas kunskap som krävs för att utforma säkra träkonstruktioner med sådana förbandsystem. I synnerhet finns det ett behov av ökad kunskap om de mekaniska egenskaperna hos björkplywood och dess strukturella beteende under olika belastningsförhållanden. Nuvarande förband i träkonstruktioner involverar också vanligtvis mekaniska fästelement, t.ex. stålskruvar och -dymlingar, medan användningen av limmade förband är begränsad.
Syftet med denna avhandling är att ta fram ny kunskap nödvändig för en utveckling av limmade förband med skivor av björkplywood i bärande träkonstruktioner. Exempel på sådana träkonstruktioner är fackverk och portalramar. I detta sammanhang är det nödvändigt att dels karaktärisera de mekaniska egenskaperna i planet hos björkplywood, dels att undersöka dess prestanda i limmade förband.
Resultaten av de mekaniska testerna visar att björkplywood har den högsta och lägsta drag-, tryck- och böjhållfastheten och elasticitetsmodulen vid 0° (parallellt med) respektive 45° relativt ytfanérens fiberriktning. De motsatta resultaten noterades för skjuvhållfastheten och skjuvmodulen. Alla dessa hållfasthetsvärden är liknande eller högre än de motsvarande hållfasthetsvärdena för vanligt konstruktionsvirke av barrträ i dess längdriktning. Dessutom observerades en storlekseffekt för böjhållfastheten i planet vid 0° och 90° relativt ytfibrerna men inte vid andra vinklar, vilket tillskrivs olika brottbeteenden. Utifrån det experimentella arbetet föreslås både analytiska och numeriska modeller för att förutsäga de mekaniska egenskaperna i planet hos björkplywood.
Tre olika limtyper användes i studierna: melamin-urea-formaldehyd (MUF), fenol-resorcinol-formaldehyd (PRF) och tvåkomponents polyuretan (2C PUR). Alla använda limtyper uppvisar tillräcklig styrka mellan björkplywood och limträ av gran. Dock bör användningen av limtyperna utredas vidare i framtida studier. De olika manuella limpressmetoderna som undersöks visar ingen signifikant inverkan på limfogens styrka. Dessutom ändras limfogens styrka marginellt när belastningvinkeln i förhållande till plywoodens yta varieras från 0° till 90°, vilket är fördelaktigt vid utformandet av björkplywood i limmade förband. Det finns en tydlig korrelation mellan limfogens styrka och skjuvhållfastheten hos det svagaste träsubstratet.
Vidare bestämdes momentkapacitet och böjstyvhet hos limförband med björkplywood experimentellt samt genom analytiska och numeriska modeller med tillfredsställande överensstämmelse.
I träförband, särskilt de som belastas i drag och/eller tryck (exempelvis i träfackverk), måste plywoodens bredd i förhållande till bärförmågan beräknas. Resultaten visar att draghållfastheten hos björkplywood inom det limmade området inte påverkas av ytfanerens fiberriktning i förhållande dragriktningen. Detta beror möjligen på den begränsade sprickutbredningen vid 22,5° och 45° då mellanrummet mellan de limmade områdena är litet. Draghållfastheten hos björkplywood belastad vid 0°, 22,5° och 45° når en platå vid vissa bredder hos plywoodskivan, vilket förutsägs väl och förklaras genom de teorier för spridningsvinkeln som föreslås i denna studie.
I framtiden krävs fler studier för vidareutveckling av limmade förband med björkplywood. Vissa preliminära studier som tjänar detta syfte har också presenterats som pågående försök i avhandlingen.