Överensstämmelsen mellan resultaten från FEM och laboratorieförsök för limmade massivträelement är god. Detta kan förklaras med att elementen är likt limträ relativt homogena då de varierande egenskaperna och defekterna som förekommer i de enskilda komponenterna fördelas ut i hela massivträväggens volym (Figur 4.13). Kontakten mellan de enskilda komponenterna är genom limfogarna direkt och utan glidning och beräkningar med för limträ tabellerade eller uppmätta
materialegenskaper fungerar då bra. Limförbandet ger också ett material som både mikro och makroskopiskt uppträder linjärt vid måttliga laster.
Figur 4.13: Principiell skillnad i materialegenskaper för enskilda träkomponenter och limträ (Svenskt Limträ, 2005).
Överensstämmelsen med resultat för de spikade massivträelementen är däremot mindre god trots att träkomponenternas varierande egenskaper och defekter fördelas ut i hela massivträväggens volym (Figur 4.13) likt limmade massivträelement. Detta kan bland annat förklaras med att elementen fungerar som ett stort spik-träförband. Massivträelementet med dess stora antal ”lösa” komponenter är dessutom inte homogent och har för Finit Element modellering, komplicerade elastisk-plastiska förband i kontakten mellan spik och trä.
Komplexiteten belyses bland annat av Foschi och Bonac (1977) som t.ex. visat att även om den lastbärande kapaciteten per spik kan beräknas enligt Johansens teorier (Johansen, 1949) så kan hela spikförbandets eller systemets, i detta fall hela
massivträväggens last–förskjutningskaraktäristik (load-slip) inte förutses med hjälp av icke linjär Finit Element modellering.
Svårigheten att förutsäga förbandets ”systemegenskaper” beror på ett flertal orsaker där Blass H. J (2003) menar att trä-spikförbandets och därmed väggens 3 avgörande egenskaper för bärförmåga och beteende är:
- Spikens böjkapacitet som beror på diameter och flytledsmoment. Totala kapaciteten för plastisk deformation är också viktig för stora förskjutningar. - Trämaterialets hålkantshållfasthet som till största del beror på densitet. - Spikens utdragskraft, som kan ökas genom rillor, kammar eller belimning.
Spikarnas egenskaper kan med god noggrannhet (relativt trä) mätas och beräknas genom laboratoriemässig provning. Korrekta materialvärden och egenskaper för trä är dock svårare för att inte säga omöjliga att exakt förutsäga i och med träets variabilitet som kommer av anisotropi och den naturligt biologiska variationen. Hålkantshållfasthet beror som nämnts till stor del av densiteten men måste i praktiken skattas liksom exempelvis E-modul som ett rimligt medelvärde då de enskilda
träkomponenterna som används i massivträväggarna endast sorteras efter utseende. Genom det stora antalet ytbrädor som ingår i massivträväggen kan detta ändå resultera i ett för användningen relevant värde med relativt liten spridning (Figur 4.13). Den enskilda spikens utdragskraft är möjlig att mäta men även här uppstår praktiska problem då medelvärden i så fall måste användas vid beräkningar i FEM. Ytterligare svårigheter vid modellering är att de olika ingående komponenterna i förbandet belastas olika och därtill har inbördes stor skillnad i E-modul, bärförmåga och flytegenskaper (Figur 4.14, BILAGA 12)
Figur 4.14: Principiell skillnad i materialegenskaper för stål och trä
I den starkt förenklade FEM-modellen används trots detta ändå materialegenskaper för linjära elastiska material. I CAD modellen av de spikade väggelementen som FEM-beräkningen baseras på finns heller inga glapp mellan komponenter vilket inte är korrekt då man initialt har ett mindre spel eller motsatsen, en ”krymppassning” mellan några av de komponenter som ingår i de spikade väggelementen.
Modelleringen av interaktionen (friktion) som vid skjuvning eller böjning uppstår mellan de olika lagren är alltså också starkt förenklad i och med programmens begränsningar och bristande indata.
Andra forskare, Kuenzi (1955) Norén (1962) Wilkinson (1971) har tidigare gjort försök att beräkna de initialt styva egenskaperna i spikade förband där förenklingen av verkligheten har varit att spiken behandlas som en balk på ett elastiskt underlag där det alltså förutsätts vara elastiska egenskaper i båda material. Elasticiteten i spiken och träet leder då till en elastisk respons som också kan påvisas vid
experiment men som då endast gäller vid väldigt små förskjutningar se Figur 4.14. Trä Stål Spänning Töjning Spänning Töjning
I verkligheten krossas trämaterialet under trycket från spiken och spiken deformeras dessutom plastiskt genom att en eller flera flytleder initieras (Figur 5.11).
Interaktionen mellan trä och spik är alltså ett elastisk-plastiskt problem och måste behandlas som ett sådant.
Foschi och Bonac (1977) har till viss del beaktat detta och via experiment beräknat 3 olika variabler att beskriva trämaterialets egenskaper. k är då en riktningskoefficient vid initialt elastisk töjning, p1 och p0 när plastisk deformation uppstått vid större förskjutningar (Figur 4.15
)
.Figur 4:15: Stål och träförbandets egenskaper beskrivet med hjälp av tre variabler enligt Foschi och Bonac (1977)
Wilkinson (1986) har i bultförband visat på en så kallad Group Effect som gäller för den kraftfördelning som uppstår i ett bultförband där 2, 3, 5 eller 7 stycken bultar placeras i rad och belastas vinkelrätt mot bultarnas längdaxel. Denna effekt resulterar i att förbandets totala lastbärande förmåga med flera bultar är mindre än summan av de enskilda bultarnas lastbärande förmåga. Sammantaget innebär detta att bidraget från varje enskild bult blir mindre ju större antal vi har i förbandet. Detta beror bland annat på att bultarna belastas olika i förbandet genom varierande flytledsmoment i bultarna, skillnader i trädensitet och egenskaper inom förbandet, fuktkvotsvariation och därmed variation i de enskilda bultarnas last-förskjutningskaraktäristik (load-slip) som också är beroende på det enskilda förbandets tillverkningsförfarande.
Wilkinson presenterar trots dessa svårigheter att mäta och styra egenskaper en
analytisk metod vilken dock kräver att load-slip för varje enskild bult finns tillgänglig. Jämför med Foschi och Bonac (1977).
Denna ”Group Effect” återfinns sannolikt även i de spikade testade
massivträväggarna i och med att spikarna radats upp och dessutom i mönster enligt figur 4.2. Om denna effekt förekommer, och hur effekten i så fall påverkar de
lösningsmetoder måste t.ex. tas fram i och med det orimliga i att praktiskt mäta load-slip förhållanden för en massivträvägg med runt 140 spikar per kvadratmeter. Kupiers och Van der Put (1982) har också visat att spikar med räfflad yta och långa förankringslängder kan nå upp till 2,6 gånger de värden som erhålls vid teoretiska beräkningar av lastbärande förmåga enligt bland annat Eurocode 5. Spikarna som användes i dessa försök var som tidigare nämnts belagda med Sencote® ett polymersmältlim som efter montering ökar fästkraften och därigenom spikens utdragningskraft. Spikarna har primärt utvecklats för att ersätta just räfflad kamspik och då även möjliggöra minskad förankringslängd med bibehållen utdragskraft. Spikarna i testade väggelement och i slipmodulus försök har i sammanhanget långa förankringslängder och omfattas då av detta.