Duration of load effect in tension perpendicular to the grain of glulam in different climates

Abstract

It is reported on results of a European research project on the DOL effect of structural sized glulam in tension perpendicular to the grain with special respect to different climates and volumes. The extensive experimental and theoretical investigations were performed jointly at VTT and FMPA — Otto-Graf-Institute in Finland and Germany, respectively. The test scheme comprised 80 curved beams and 180 prismatic tension specimens built-up of Nordic spruce laminations of grades C35 and C40 from one selected stand. The long-term investigations with stepwise loading regime were done in constant, cyclic and natural sheltered outdoor climates with constant stress volumes of 0.01 to 0.24 m³. As a major general result it can be stated that the findings from curved beams and tension specimens are well consistent. The results of ramp load reference and long term tests in constant climates validated the magnitudes of volume and pure time effect as specified in Eurocode 5. In variable climates a pronouncedly increased DOL effect was obtained which however is not bound to a specific material degradation but results from superimposed eigenstresses caused by the transient moisture gradients. Mean stress levels at failure normalized to ramp load strength in case of variable climates were in the range of 45%–66% with times to failure less than one month. The theoretical modeling of the long term damage forwarded that an effective stress concept based on transient Weibull stresses is a suitable approach to handle the non-linear superposition of applied loads and climate actions. The climate induced effective tension stress perpendicular to the grain can be in the range of 0.3 N/mm² in case of severe service class 2 conditions. Wider cross-sections are relatively less influenced by moisture variations. With respect to design two alternative strategies to deal with the variable climate aspect are sensitive: introduction of additive climate bound design stresses or, more globally, a strength modification factor for accumulated time of loading, k _mod, of about 0.55 for all load-duration classes in service class 2.

Zusammenfassung

Der Aufsatz berichtet über Durchführung und Ergebnisse eines europäischen Forschungsvorhabens zur Zeitstandfestigkeit von Brettschichtholz in Bauteilabmessungen bei Zugbeanspruchung rechtwinklig zur Faserrichtung unter besonderer Berücksichtigung unterschiedlicher Klimata und Volumina. Die umfangreichen experimentellen und theoretischen Untersuchungen wurden gemeinsam bei VTT in Finnland und bei der FMPA — Otto-Graf-Institut durchgeführt. Das Versuchsprogram umfaßte 80 gekrümmte Träger und 180 primatische Zugprüfkörper aus Fichtenlamellen nordeuropäischer Provenienz der Festigkeitsklassen C35 und C40 von einem ausgewählten Standort. Die Langzeituntersuchungen mit stufenweiser Belastung wurden in konstantem, zyklischem und natürlichem überdachtem Außenklima mit konstant beanspruchten Volumina von 0.01 bis 0.24 m³ vorgenommen. Als ein wichtiges allgemeines Ergebnis ist hervorzuheben, daß die Versuche mit den gekrümmten Trägern und mit den prismatischen Zugprüfkörpern weitgehend konsistente Ergebnisse erbrachten. Die Resultate der Kurzzeit-Referenzversuche und der Langzeitversuche in konstanten Klimata bestätigten die Größenordnung der in Eurocode 5 angegebenen Werte für den Volumen- sowie reinen Zeiteinfluß. Bei den variablen Klimata war eine deutlich ausgeprägtere Abminderung der Festigkeit zu verzeichnen, was jedoch nicht eine spezifische Materialzerrüttung darstellt, sondern aus überlagerten Eigenspannungen infolge transienter Feuchtegradienten resultiert. Die mittleren auf die Kurzzeitfestigkeit bezogenen Niveaus der Zeitstandfestigkeiten lagen bei den variablen Klimata im Bereich von 45% bis 66%, wobei die Versagenszeiten weniger als einen Monat betrugen.

Die theoretische Modellierung der Langzeitschädigung zeigt, daß ein sogenanntes effektives Spannungskonzept basierend auf transienten Weibull-Spannungen einen geeigneten Ansatz zur Erfassung der nichtlinearen Superposition von äußeren Lasten und klimatischen Einwirkungen darstellt. Die klimainduzierten effektiven Zugspannungen rechtwinklig zur Faserrichtung können im Falle ungünstiger Bedingungen innerhalb der Grenzen von Nutzungsklasse 2 in der Größenordnung von 0.3 N/mm² liegen. Breitere Querschnitte verhalten sich bei Feuchteänderungen günstiger. Im Hinblick auf die Bemessung sind zwei alternative Vorgehensweisen zur Behandlung variabler Klimata sinnvoll: zum einen die Einführung zusätzlicher klimaabhängiger Bemessungsspannungen oder ein pauschaler Festigkeitsabminde-rungsfaktor für akkumulierte Lasteinwirkungszeiten, k _mod, von circa 0.55 für alle Lasteinwirkungsklassen in Nutzungsklasse 2.