Assessment and reinforcement of existing dowel-type joints

Abstract

Joints in timber structures have an evident effect on the behaviour of the structure in general. The failure mechanism of timber joints with mechanical fasteners among other things depends on the geometry of the joint and the type of fastener. Substantially, under compressive stresses, timber as a material may be loaded far over its elastic limit. For the case of dowel-type joints with mechanical fasteners, the steel used is able to deform in a distinctly plastic manner. Even though, not in all cases timber connections deform plastically before failure resulting in brittle failure modes. Avoiding the causes for brittle failure modes, specifically high tensile perpendicular to the grain and shear stresses, leads to distinctly plastic failure modes of connections with mechanical fasteners. Joints with dowel-type fasteners are considered potentially ductile due to the interaction between the highly nonlinear behaviour of the wood under embedding stresses and the bending behaviour of the steel fasteners. The challenge is to avoid the brittle failure mechanisms by either avoiding perpendicular to the grain tensile stresses or by using reinforcement techniques. These stresses are caused by many reasons such as the wedge effect of the mechanical fasteners or as an amplification of restrained shrinkage. Both effects can be counteracted by reinforcing the connection area. Thus, the main aim of reinforcement is to increase the embedment strength of the timber elements so that it can resist these effects. Regarding dowel-type connections in general, the mechanical fasteners deform under load resulting in their embedment into the surrounding timber fibres. This deformation is assumed a rigid-plastic deformation according to Johansen K.W, 1949, which is developed based on the European Yield Model (YEM), both approaches are discussed thoroughly within the scope of this work. However, dowel-type joints reinforced with self-tapping screws are more protected against brittle failure modes, as they tend to increase the embedding strength, consequently increasing the load-carrying capacity with the possibility of reducing the end-distance. Since embedment is a nonlinear process, the stiffness of the connections then depends on the nature of the applied load. Thus, for this research project, the specimens will be tested under monotonic and cyclic loading in order to assess the behaviour of the joints in both cases. This research addresses the assessment of timber-to-timber dowel-type joints in double shear, with reinforcement using FRP, specifically fiberglass (GFRP), and self-tapping screws (STS). For the reinforcement with GFRP, a previous study, (Matos, 2011), had addressed the failure of this type of joints, with and without reinforcement, under both monotonic and cyclic loading. Subsequently, the results obtained in this study, are analysed within the scope of this work for conducting a comparison of reinforcement techniques and discussed accordingly. Regarding reinforcement with self-tapping screws, an experimental campaign was carried out for the same wood species used in the former study mentioned above, following the same testing procedures, monotonic (EN 26891) and cyclic (EN 12512), for the purpose of comparison and validation.

As ligações estruturais de madeira têm um efeito óbvio no comportamento global da estrutura. O modo de rotura destas ligações que usam ligadores metálicos depende, entre outros parâmetros, da geometria da ligação e do tipo de ligador. Sob compressão, a madeira apresenta comportamento pós elástico. Também o ligador metálico é capaz de apresentar deformação plástica. No entanto, nem todas as ligações apresentam deformações plásticas ocorrendo roturas de natureza frágil, sem plasticidade. Deste modo, prevenir modos de rotura frágeis, que envolvam tensões de tração perpendicular às fibras e de corte, promove um comportamento plástico das ligações. As ligações do tipo cavilha são consideradas potencialmente dúcteis dada a interação entre o comportamento não linear da madeira sob tensões de esmagamento localizado e a flexão do ligador metálico. É assim crucial evitar os mecanismos de rotura frágeis reduzindo as tensões de tração perpendiculares às fibras ou reforçando as ligações. As tensões de tração perpendicular ás fibras resultam de vários fatores, como são exemplos o efeito grupo dos ligadores e as tensões internas induzidas por variações do teor de água da madeira. Ambos estes efeitos podem ser reduzidos recorrendo a técnicas de reforço das ligações. Normalmente, o principal objetivo do reforço é o aumento da capacidade da ligação ao esmagamento localizado de forma a aumentar a sua resistência a estes dois efeitos. No que se refere ás ligações tipo cavilha em geral, o ligador metálico deforma-se sob carregamento provocando o esmagamento das fibras da madeira. Esta deformação é assumida como rígido-plástica de acordo com Johansen 1949, teoria esta que está na base do European Yield Model (EYM) e que será analisada ao longo deste trabalho. Contudo, ligações tipo cavilha reforçadas com parafusos autoperfurantes apresentam uma maior resistência a modos de rotura fragéis, uma vez que tendem a aumentar a capacidade ao esmagamento localizado da madeira e assim aumentam a capacidade resistente da ligação, permitindo distâncias mínimas, entre ligadores e entre estes e os topos e lados dos elementos ligados, inferiores. Uma vez que o esmagamento localizado é um processo não-linear, a rigidez da ligação depende do tipo de carga aplicada. Deste modo, neste trabalho, as ligações estudadas foram submetidas a ensaios monotónicos e cíclicos. Este trabalho visa análise de ligações de madeira do tipo cavilha em corte duplo, reforçadas com FRP, nomeadamente, fibras de vidro (GFRP), e parafusos autoperfurantes (STS). No caso do reforço com GFRP, uma dissertação anterior, Matos (2011), analisou os modos de rotura destas ligações com e sem reforço, sob carregamento monotónico e cíclico. Os resultados obtidos são alvo de uma nova análise servindo ainda como comparação entre as duas técnicas de reforço consideradas. O reforço com parafusos autoperfurantes, foi estudado tendo por base uma vasta campanha experimental que foi conduzida adotando as mesmas condições, incluindo as duas espécies de madeira, geometria das ligações, setup, procedimentos de ensaio, monotónicos (EN 26891) e cíclicos (EN 12512) etc., da dissertação que analisou o reforço com GFRP, para efeitos de comparação.