Strengthening of timber structures with flax fibres

The natural defects present in timber are the source of large variations in mechanical properties. This drawback has been partially counteracted with the use of Engineered Wood Products EWP (glulam, composite I-beam, parallel strand lumber, etc.) instead of solid wood. A few decades ago, fiber/polymer composite materials made their entrance in the civil engineering arena. They are used mostly as strengthening devices. The content of this thesis is related to the use of natural composite materials to strengthen glulam. The weak mechanical properties of wood in tension perpendicular to the grain are often the origin of catastrophic brittle failure. In order to enhance the design value of the tension perpendicular to grain strength, decrease the mechanical variation and provide the structure a more ductile failure, flax fibres and glass fibres reinforced polymer (FRP) composites have been used to strengthen glulam timber specimens. Three series of specimen of glued-laminated timber (flax fibre reinforced, glass fibre reinforced and unreinforced), with a grand total of 28 specimens, have been tested in tension perpendicular to the grain. Epoxy resin has been used in the composite and for bonding glulam to composite. For an approximate amount of FRP reinforcement of 1.2 % in volume (thickness ~ 0.7 mm), an increase of the tensile strength was shown by +23% using glass fibre reinforced polymer (GFRP-250 g/m2) , +25% using flax fibre reinforced polymer (FFRP-185 g/m2) and +74% using flax fibre reinforced polymer (FFRP- 230 g/m2). Regarding the modulus of elasticity, the previous reinforcement devices led to an increase by respectively +35%, +32% and +41%. For all specimen reinforced with fibre composites, semi-ductile failures were observed. An analytical model describing the mechanical behaviour of the glulam reinforced FRP was developed. It was found that the theoretical results from the model are comparable to those obtained experimentally for the flax fiber reinforced glulam specimens. However, debonding was observed for the glass fibre reinforced glulam specimen and the model does not include this type of failure. A parametric study was carried out using both the Monte Carlo method (MC) and the First Order Second Moment method (FOSM). It was shown that the mean values obtained during experiments where in agreement with those from the MC simulation. However, the standard deviations from the MC simulation are much higher. From the FOSM analysis, it was demonstrated that the variation within the stiffness perpendicular to grain of the glulam is not the first parameter driving the variation for the reinforced system. The variation within the mechanical properties of the flax fibres appeared to be the driving parameters for the design value of the system. A Finite Element Analysis was carried out to model the small prismatic glulam specimens and curved glulam beams. Two- and three-dimensional models were used to study first the elastic response and then the softening response of the specimen. Damage and crack opening was modeled based on the "fictitious crack model". Cohesive elements together with a traction separation law were used. A glulam model where high tensile stresses perpendicular to grain are expected should take into account the cylindrical orthotropy (annual rings) assumption. For both prismatic glulam specimen and curved glulam beams, the tensile stresses perpendicular to grain obtained with FEA are comparable to those from experiments.De naturliga variationerna i trämaterialet orsakar stora variationer i de mekaniska egenskaperna. Denna nackdel kan delvis kompenseras genom att omvandla trä till träbaserade produkter (Engineering Wood Products) som t.ex. limträ, I-balkar och lamellträ. För några decennier sedan lanserades fibrekompositer som ett nytt material inom anläggningssektorn. De används mestadels som förstärkning av både trä, stål och betong. Denna avhandling behandlar användningen av naturliga fibrekompositer som förstärkning av limträ.Den låga draghållfastheten hos trä vinkelrätt fibrerna är ofta orsaken till plötsliga sprödbrott. För att öka den dimensionerande hållfastheten i dragning vinkelrätt fibrerna, minska variationen för de mekaniska egenskaperna och framkalla ett mera duktilt brott, användes förstärkning med lin- och glasfibre på limträ för att förstärka limträ. Tre försöksserier av limträ förstärkt med linfibre, glasfibre resp oförstärkt testades i dragning vinkelrätt fibrerna. Totalt 28 provkroppar testades. Epoxy användes både som matris i kompositen och för att limma kompositen till limträet. Med en förstärkning om 1.2 volymsprocent (tjocklek ~ 0.7 mm) nåddes en ökning av bärförmågan med 23% för glasfibreförstärkning med 250 g/m2, 25% för linfibreförstärkning med 185 g/m2 och 74% för linfibreförstärkning med 230 g/m2. E-modulen ökade med +35%, +32% och +41% för respektive fall. För alla tester observerades halvt duktila brott.En analytisk modell som beskriver förstärkt limträ härleddes. Modellens resultat är fullt jämförbara med försökens för linfibreförstärkta tvärsnitt. Separation av laminatet observerades för glasfibreförstärkningen och denna brottmod ingår inte i den analytiska modellen. En parameterstudie genomfördes både med Monte Carlo-simulering och med First Order Second Moment -metoden (FOSM). Medelvärden från försöken stämde väl överens med Monte Carlo-simuleringen, medan spridningen från simuleringen var mycket större än den i försöken. Från FOSM-analysen drogs slutsatsen att styvheten vinkelrätt fibrerna för limträ inte är den parameter som orsakar den största variationen i förstärkningssystemet. Istället är den variationen i linfibrens mekaniska egenskaper som orsakar störst spridning för förstärkningssystemets dimensionerande hållfasthet.En finita element-analys genomfördes på mindre, rektangulära provkroppar och på krökta limträbalkar. Både 2- och 3-dimensionella modeller användes för att studera både pålastning och avlastningskurvan för systemet. Sprickpropageringen modellerades med "fictitious crack modelling". Kohesionselement med en separationsregel användes. En limträmodell med höga spänningar vinkelrätt fibrerna skall ta hänsyn till årsringarna i lamellerna genom att modellera dem i ett cylindriskt koordinatsystem. För både de rektangulära provkropparna och de krökta balkarna är spänningarna vinkelrätt fibrerna jämförbara med försöksresultaten.Godkänd; 2007; 20071126 (ysko