Materialtester på KL-trä: Undersökning av KL-träets tryckkraftskapacitet och tryckhållfasthet samt teoretiska beräkningar och praktiska tester av en KL-trä bräda.

Materialtester på KL-trä

Undersökning av KL-träets tryckkraftskapacitet och tryckhållfasthet samt teoretiska beräkningar och praktiska tester av en KL-trä bräda.

Material tests on CLT

Examination of CLTs compressive force capacity and compressive strength and theoretical calculations and practical tests of a CLT-board.

Andreas Eriksson Gabriel Ågren

Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap Högskoleingenjörsprogrammet i Byggteknik 22,5 hp

Handledare: Emil Lockner

Examinator: Asaad Almssad

Vt 21

i

Sammanfattning

Belastningen vid tryck vinkelrätt mot fiberriktningen är ett problem vid höga träbyggnader med träregelstomme vid till exempel mötet mellan regel och syll. Ett material som blivit alltmer populärt i Sverige är korslimmat trä, som benämns som KL- trä, där lameller korsvis limmas samman till en skiva. Experiment har tidigare utförts på materialet och det har visat att en bräda av KL-trä, som idag inte tillverkas, klarar ett högre stämpeltryck än en vanlig bräda av konstruktionsvirke, vilket skulle kunna vara en lösning på problemen vid tryck vinkelrätt fiberriktningen i höga träbyggnader.

Syftet med detta examensarbete är att bestämma KL-träets karakteristiska tryckkraftskapacitet och tryckhållfasthet för två uppställningar av KL-trä där andelar vinkelräta och parallella lameller som belastas i tvärsnittet skiljer sig åt. Det undersöks också hur lasten fördelar sig på lamellerna som belastas parallellt med fiberriktningen och vinkelrätt mot fiberriktningen i en bräda av KL-trä samt att teoretiska beräkningar av tryckkraftskapaciteten utfördes i mitten och i änden på brädan.

Examensarbetet omfattades av tre olika metoder där standarden SS-EN 408 för tryck vinkelrätt mot fiberriktningen användes för att bestämma tryckkraftskapacitet och tryckhållfasthet för de två uppställningarna av KL-trä genom materialtester i en hydraulisk press. Lastfördelningen mellan lamellerna i en KL-trä bräda undersöktes genom stämpeltrycktester i änden på brädan och återspeglar ett verkligt möte mellan regel och syll. En solid bräda av KL-trä, en bräda där de vinkelräta lamellerna sågats bort samt en bräda av konstruktionsvirke belastades för att undersöka differensen i stämpeltryck. Teoretiska beräkningar utfördes på KL-trä brädorna både i mitten och i änden genom att de olika lamellerna beräknades som enskilda brädor enligt Eurokod 5 samt EKS11 och därefter summerades alla lameller för KL-trä brädan.

Resultaten visade att den uppställningen av KL-trä med störst andel lameller som belastades parallellt med fiberriktningen erhöll störst tryckkraftskapacitet och fick högst tryckhållfasthet. I brädan av KL-trä tog de lameller som belastades parallellt med fiberriktningen upp ungefär fyra femtedelar av lasten i tvärsnittet som belastades. De teoretiska beräkningarna som utfördes gav en lägre tryckkraftskapacitet än resultaten från de experimentella testerna.

För materialtest 1 där lamellerna fördelade sig 58 % vinkelräta lameller och 42 % parallella lameller erhölls karakteristiska värden på 79,7 kN på tryckkraftskapacitet och 18,6 MPa på tryckhållfasthet. För materialtest 2 där lamellerna fördelade sig 42 % vinkelräta lameller och 58 % parallella lameller erhölls karakteristiska värden på 114,6 kN på tryckkraftskapacitet och 26,8 MPa på tryckhållfasthet. Belastningsfördelningen i KL-trä brädan visade att de parallellt belastade lamellerna tog upp en last motsvarande 80,8 % och de vinkelräta lamellerna tog upp en last motsvarande 19,2 %.

De teoretiska beräkningarna utnyttjades till 57 % i jämförelse mot maxlasten från de

experimentella testerna, både i mitten och på brädans ände.

ii

Abstract

Compression perpendicular to the grain is today a problem with tall wood buildings with timber-frame at, for example, the meeting between timber stud and the bottom rail. A material that has become increasingly popular in Sweden is cross-laminated timber, which is referred to as CLT, where lamellae are glued together crosswise to a board. Experiments have previously been performed on the material and it has shown that a board made of CLT, which is not manufactured today, can withstand a higher pressure than an ordinary board made of structural timber, which could be a solution to the problems with compression perpendicular to the grain in tall wood buildings.

The purpose of this thesis is to determine the CLTs characteristic compressive force capacity and compressive strength for two formations of CLT where proportions of perpendicular and parallel lamellae that are loaded in the cross section differ. It will also be investigated how loads are distributed on the lamellae which are loaded parallel to the grain and perpendicular to the grain in a board made of CLT and that theoretical calculations of the compressive force capacity were performed in the middle and at the end of the board.

The thesis was comprised of three different methods where the standard SS-EN 408 for compression perpendicular to the grain was used to determine compressive force capacity and compressive strength for the two formations of CLT through material tests in a hydraulic press. The load distribution between the lamellae in a CLT-board was examined by compression tests at the end of the board and reflects a real meeting between a timber stud and the bottom rail. A solid board made of CLT, a board where the perpendicular lamellae were sawn off and a board made of structural timber were loaded to investigate the difference in compression. Theoretical calculations were performed on the CLT-boards both in the middle and at the end through calculating the different lamellae as individual boards according to Eurocode 5 and EKS11 and then all lamellae for the CLT-board were summed.

The results showed that the arrangement of CLT with the largest proportion of lamellae parallel to the grain obtained the largest compressive force capacity and had the highest compressive strength. In the CLT-board, the parallel-loaded lamellae took up about four-fifths of the load in the cross-section that was loaded. The theoretical calculations performed gave a lower compressive force capacity than the results of the experimental tests.

For material test 1 where the lamellae were distributed 58% perpendicular lamellae

and 42% parallel lamellae, characteristic values of 79.7 kN on compressive capacity and

18.6 MPa on compressive strength were obtained. For material test 2 where the

lamellae were distributed 42% perpendicular lamellae and 58% parallel lamellae,

characteristic values of 114.6 kN on compressive capacity and 26.8 MPa on

compressive strength were obtained. The load distribution in the CLT-plank shown

iii

that the parallel-loaded lamellae took up a load corresponding to 80.8% and the perpendicular lamellae took up a load corresponding to 19.2%. The theoretical calculations were used to 57% in comparison with the maximum load from the experimental test, both in the middle and at the end of the board.

Tackord

Ett stort tack vill riktas till samtliga inblandade personer kring detta examensarbete på

Karlstads Universitet samt Paper Province som genom sitt ekonomiska stöd gjort detta

arbete möjligt. Ett extra tack vill riktas till vår handledare, Emil Lockner, som vid

behov alltid varit tillgänglig och hjälpsam i processen. Samt till utvecklingsingenjör,

Lars Pettersson och laboratorieingenjör, Anders Larsson som varit tillgängliga och

tillmötesgående under de praktiska momenten.

iv

Innehållsförteckning

1.0 Inledning 1

1.1 Problemformulering 2

1.2 Syfte 2

1.3 Metod 3

1.4 Mål 3

1.5 Frågeställning 3

2.0 Teoretisk bakgrund 4

2.1 Materialet trä 4

2.1.1 Struktur 4

2.1.2 Hållfasthetsegenskaper 4

2.1.3 Densitet 5

2.1.4 Fuktinnehåll 5

2.2 Korslimmat trä 6

2.2.1 Uppbyggnad 6

2.2.2 Hållfasthetsegenskaper 7

2.3 Tryckbelastning mot trä 7

2.3.1 Tryck vinkelrätt mot fiberriktning 8

2.3.2 Tryck parallellt med fiberriktningen 8

2.4 Tidigare forskning 9

2.5 Standarder och Eurokod 5 10

2.5.1 Tryck vinkelrätt mot fiberriktning, enligt SS EN-408 10 2.5.2 Beräkning av karakteristiska 5-percentilvärden, enligt SS-EN 14358 12

2.5.3 Fuktmätning, enligt SS-EN 13183-1 13

2.5.4 Dimensionering enligt Eurokod 5 och EKS 11 14

3.0 Metod 16

3.1 Provkroppar och uppställningar materialtest 17

3.1.1 Tillverkning 17

3.1.2 Märkning och förvaring 18

3.1.3 Uppställningar 19

3.2 Provkroppar och uppställningar stämpeltrycktest 20

3.2.1 Tillverkning 21

v

3.2.2 Märkning och förvaring 22

3.2.3 Uppställningar 22

3.3 Experimentell utrustning 25

3.3.1 Hydraulisk press 25

3.3.2 ARAMIS adjustable 12M 25

3.3.3 Potentiometer 26

3.3.4 Dewesoft Sirius X 26

3.3.5 Sfäriska tryckplattor 26

3.4 Förberedelser inför tester 27

3.4.1 ARAMIS adjustable 12M 27

3.4.2 Målning av provkroppar 27

3.4.3 Montering av potentiometer och vinkeljärn till materialtest 28

3.5 Experimentellt utförande 28

3.5.1 Materialtest 29

3.5.2 Stämpeltryckstest 30

3.6 Provkroppsbearbetning efter utförda tester 30

3.7 Datainsamling och bearbetning 31

3.7.1 Materialtester 31

3.7.2 Stämpeltrycktest 32

3.8 Teoretiska beräkningar 33

3.8.1 Teoretiska beräkningar materialtest 33

3.8.2 Teoretiska beräkningar stämpeltrycktest 35

4.0 Resultat och analys 38

4.1 Resultat materialtester 38

4.1.1 Tryckkraftskapacitet och tryckhållfasthet 38

4.1.2 Kraft- och förskjutningdiagram 39

4.1.3 Densitet och fuktkvot 41

4.1.4 ARAMIS adjustable 12M och brottmod 43

4.1.5 Jämförelse teoretiska beräkningar mot experimentellt resultat 45

4.2 Resultat stämpeltryckstest 48

4.2.1 Kraft- och förskjutningdiagram 48

4.2.2 Tryckkraftskapacitet för stämpeltrycktest 2 och 4 vid max last 49

4.2.3 Fuktkvot 50

vi

4.2.4 Jämförelse teoretiska beräkningar för stämpeltrycktester 51 4.2.5 Jämförelse stämpeltrycktest 2 och 3 mot karakteristiskt värde från

materialtest 1 52

5.0 Diskussion 54

5.1 Resultatdiskussion 54

5.1.1 Materialtest 54

5.1.2 Lastfördelning 55

5.1.3 Teoretiska beräkningar 55

5.2 Metoddiskussion 57

5.3 Bidrag till hållbar utveckling 58

5.4 Förslag till fortsatta studier 59

6.0 Slutsats 60

Referenser 61

Bilagor 65

Bilaga 1: Kalibrering för ARAMIS adjustable 12M 65

Bilaga 2: Tryckkraftskapacitet och tryckhållfasthet 66

Materialtest 1 66

Materialtest 2 67

Materialtest 3 68

Bilaga 3: Fuktkvot 69

Materialtest 1 69

Materialtest 2 70

Materialtest 3 71

Bilaga 4: Densitet 72

Materialtest 1 72

Materialtest 2 73

Materialtest 3 74

Bilaga 5: Beräkning av karakteristiskt värde 75

Bilaga 6. Bilder på provkroppar från materialtester efter utfört test 77

Bilaga 7. Teoretiska beräkningar materialtester och stämpeltrycktester 79

vii

1

1.0 Inledning

Att bygga hållbart är något som Sveriges regering tar på stort allvar. Sverige driver en politik för att uppnå de internationella klimatmålen i Agenda 2030 där hållbart bostadsbyggande är relevant för flera av dessa mål. Fler bostäder ska byggas till följd av den växande befolkningen och det som byggs behöver vara långsiktigt hållbart. För att bli hållbara inom byggsektorn är ett utvecklat träbyggande en viktig faktor. Trä är ett klimatneutralt material och genom att bygga fler byggnader i trä kommer utsläppen från både byggsektorn och Sverige att reduceras. (Regeringskansliet 2018).

Materialet svarar för mycket som framtiden efterfrågar, men för att kunna konkurrera ut stommaterial som betong och stål krävs mer erfarenhet vid bebyggelser av höga trähus. Betong och stål som stommaterial vid höga byggnader är betydligt mer utforskat och har många bra egenskaper (Regeringskansliet 2018). Idag är betong det dominerande stommaterialet i flerbostadshus, i småhus dominerar trä och för större kommersiella enplansbyggnader dominerar stål. Statistik från Boverket visar att två tredjedelar av byggsektorns utsläpp står nyproduktion för, där materialvalsproduktion står för 85 procent av utsläppen under själva byggprocessen. Betong är ett koldioxidintensivt material och står för största andelen av växthusgasutsläppen, där tillverkningen av cementklinker bidrar mest till detta (Boverket 2018).

Den bristande erfarenheten med att bygga höga träbyggnader beror till stor del på att det i över 100 år inte var tillåtet att bygga träbyggnader högre än två våningar till följd av brandkraven som ställdes på byggnaderna. 1994 beslutade Boverket nya byggnormer som nu tillät trähus att byggas högre än två våningar. När man idag ska bygga höga trähus tittar man främst på det tekniskt svåra med höga träbyggnader (Höynä 2019). Trots att träbyggandet sen 1990 har haft en förhållandevis hög utvecklingstakt krävs vidare utveckling av det industriella träbyggandet. För en långsiktig utveckling inom området finns det faktorer som kan bidra till en förbättring som nya materialkombinationer, byggsystem med hybridlösningar av olika byggmaterial, produktionssystem och tekniklösningar (Regeringskansliet 2018).

En skillnad med att bygga höga trähus jämfört mot låga är att sättningarna i byggnadsstommen i höghusen oftast blir större och det skapar problem. Detta kan leda till att byggnadens bärighet påverkas till följd av att lastfördelningen omfördelas om material inte längre är tillräckligt dimensionerande. I höghus med bärande väggsystem bestående av träregelstomme där stående regel möter syll tenderar sättningarna att bli större än andra bärande element då detta belastas vinkelrätt mot fiberriktning till skillnad från en massiv träskiva där belastning sker parallellt med fiberriktningen (Serrano m.fl. 2012).

Ett material som kan erbjuda viss belastning parallellt med fiberriktningen och till följd

av det motverka sättningar i höga träbyggnader är korslimmat trä. Materialet är

fortfarande relativt nytt inom byggbranschen jämfört med andra byggmaterial (Höynä

2

2019). I Österrike år 1990 tog utvecklingen fart ordentligt då både användningen och produktionen ökade av KL-trä och till följd av boverkets nya regler år 1994 blev även materialet intressant för Sverige (Brandt 2015).

År 2018 började tre nya fabriker byggas i Sverige för tillverkning av KL-trä. De nya fabrikerna kommer öka svenska produktionen från 24 000 till 200 000 kubikmeter.

Detta innebär att Sverige kommer kunna exportera KL-trä i stället för att importera från till exempel Österrike som tidigare varit en stor leverantör. Den ökade produktionen av materialet gör att från 2025 finns resurser att i Sverige kunna producera hälften av de flerbostadshus som kommer att tillverkas i trä (Höynä 2019).

Korslimmat trä, eller som det betecknats i Sverige, KL-trä är plattor, skivor, balkar eller pelare som är uppbyggda av korsvis lagda plankor eller brädor som limmas ihop till en KL-trä skiva. Idag används KL-trä i många olika konstruktioner där flervåningshus, idrottsarenor samt småhus är några av dem (Svenskt trä 2017).

För tillfället tillverkas inte brädor av KL-trä som skulle kunna vara lösningen på de sättningar som kan uppstå, när lasten blir för hög vid belastning vinkelrätt mot fiberriktningen i höga byggnader med träregelstomme. I en studie av Lockner (2020) undersöktes KL-trä brädors stämpeltryck genom jämförelser mot en syll av konstruktionsvirke. Resultatet från studien visade att en bräda av KL-trä klarade av en högre tryckkraftskapacitet än en bräda av konstruktionsvirke. Det belyses också i studien att ett potentiellt nytt användningsområde för KL-trä kan ha upptäckts, vilket gör det intressant att fortsätta att undersöka materialet.

1.1 Problemformulering

Då byggbranschen är i behov av förstärkningar för höghus med träregelstomme i områden där belastning sker vinkelrätt mot fiberriktningen, är det potentiellt nya användningsområdet som identifierats för en KL-trä bräda intressant att utforska vidare. Genom olika tester på KL-trä kommer denna studie att undersöka de mekaniska egenskaperna i materialet ytterligare.

1.2 Syfte

Syftet med detta examensarbete är att bestämma KL-träets karakteristiska tryckkraftskapacitet och tryckhållfasthet för två uppställningar av KL-trä där andelar vinkelräta och parallella lameller som belastas i tvärsnittet skiljer sig åt genom att utföra materialtester.

Utöver materialtester kommer det undersökas hur lasten fördelar sig mellan

lamellerna som belastas vinkelrätt mot fiberriktningen och parallellt med

fiberriktningen på en KL-trä bräda samt att teoretiska beräkningar kommer att utföras

på samma bräda och jämföras mot de experimentella stämpeltrycktesterna.

3

1.3 Metod

Metoden för detta examensarbete genomförs genom experimentella tester i en hydraulisk press, där en potentiometer kommer mäta deformationen vid materialtesterna och ett beröringsfritt mätsystem kommer mäta deformationer under de olika stämpeltryckstesterna. Referenstester på konstruktionsvirke i samma dimensioner som övriga tester kommer även att utföras.

Arbetet innehåller även en litteraturstudie på trä samt korslimmat trä som material.

En teoretisk beräkningsdel enligt Eurokod 5 samt EKS 11 för stämpeltryck där beräkningarna kommer jämföras mot resultaten från de experimentella testerna.

1.4 Mål

Målen för detta examensarbete är att:

● Utifrån de experimentella materialtesterna bestämma karakteristisk tryckkraftskapacitet och tryckhållfasthet för KL-trä.

● Redovisa lastfördelningen mellan de lameller som belastas vinkelrätt mot fiberriktningen och parallellt med fiberriktningen i en bräda av KL-trä.

● Undersöka hur de framtagna teoretiska beräkningarna för en KL-trä bräda stämmer överens mot resultaten från stämpeltrycktesterna.

1.5 Frågeställning

Frågeställningarna för detta examensarbete är:

● Vilka karakteristiska värden för tryckkraftskapacitet och tryckhållfasthet har tagits fram för de två uppställningarna av KL-trä där andelen vinkelräta och parallella lameller skiljer sig åt i tvärsnittet?

● Hur fördelar sig lasten mellan de vinkelräta och parallella lamellerna i en KL- trä bräda?

● Hur stämmer de framtagna teoretiska beräkningarna överens med de

experimentella stämpeltrycktesterna för KL-trä brädan?

4

2.0 Teoretisk bakgrund

2.1 Materialet trä

Trä är en förnyelsebar råvara som under hela sin livslängd binder koldioxid genom fotosyntesen och det frigörs inte förens den dag materialet förbränns. I Sverige finns lagstiftning om hur återplantering av förverkad skog ska hanteras där varje avverkat träd måste återplanteras. I Sverige har tillväxten på skog varit större än avverkningen under hela 1900-talet vilket ger förutsättningar till att öka användandet av trämaterialet i byggbranschen. Idag består Sveriges yta av 70 % skog där skogsbeståndet domineras av gran och tall (Svenskt trä u.å.a).

2.1.1 Struktur

Trädets stam kan liknas vid en cirkulär kon, som är uppbyggda av 2 - 5 mm rörformiga cellulosafibrer, som går i stammens längsgående riktning som binds samman med lignin. Beroende på stammens tvärsnitt och vilket träslag det berör varierar väggtjockleken på rören. Den inre delen av stammen kallas kärna och yttre delen för splint. Kärnan har som enda uppgift att ge stadga och styrka till träet (Carling 1992).

Splinten sköter vatten och mineraltransporten mellan rot och blad (Just wood u.å.).

Variationen av trädslagen i Skandinavien är regelbunden och karakteristiska årsringarna visar i synlig form detta. Sommarveden är mörk med vedceller som är tjocka, medan vårveden som är ljusare har en uppbyggnad av tunnväggiga celler.

Nybildandet av celler, tillväxten, sker i trädstammens periferi medan inre delarna av stammen dör i efterhand. Trä är ett typiskt ortotropt material, vilket betyder att strukturen av trädstammen ger stora skillnader för materialegenskaperna i fiberriktningen (längdriktning) och tvärriktningen. I tangentiell och radiell riktning förekommer också skillnader, de är inte större än att i nästan varje fall försummas (Carling 1992).

2.1.2 Hållfasthetsegenskaper

Det finns faktorer som påverkar hållfastheten i träet som fuktkvot, densitet och om träet inte är felfritt. Med felfritt menas att träet är fri från störningar och andra fel som kan uppstå i materialet som är betydande för hållfasthetsegenskaperna. Trä är ett inhomogent material då det alltid innehåller virkesfel som har en stor inverkan på egenskaperna hos materialet. Exempel på sådana faktorer är snedfibrighet, kvistar och sprickor. Snedfibrighet betyder att fibrerna i träet inte går i materialets längdriktning och orsakas av antingen spiralväxt hos trädet eller från snedsågning vid kapning.

Kvistar kan förekomma i träet och påverkan från dem är olika stora beroende på hur

mycket det stör fibrerna. Sprickor kan uppstå i trädet under dess växande ute i natur

samt vid virkestorkning (Burström & Nilvér 2018).

5

Spänningsriktningen är den parameter som beskriver hållfasthetsvärdet för materialet och för att beskriva de värdena inom träkonstruktion benämns dem parallellt med fiberriktning, σ

och vinkelrätt mot fiberriktningen, σ

(Johansson 2019).

Tabell 1. Visar riktvärden på hållfastheten på utvalda virken av olika träslag med en fuktkvot på 12 % och där de testade provkropparna var felfria (Burström & Nilvér 2018).

Träslag Tryckhållfasthet

[MPa] Draghållfasthet [MPa]

σ0 σ90 σ0 σ90

Ask 48 11 165 7

Björk 57 10 137 7

Gran 40 7 88 4

Furu 46 7,5 104 4

2.1.3 Densitet

Densitet beskriver viktens förhållande till volymen hos ett material och har enheten kg/m³. I normala fall brukar en högre densitet resultera i en högre hållfasthet (Skogskunskap 2020). För trä är densiteten varierande då massan i huvudsak finns koncentrerad i trädets cellväggar. Variationerna uppkommer därför inte enbart med trädslaget utan också beroende på hur proportionerna ser ut i trädet mellan vår- och sommarved. Vilket påverkas av trädets enskilda genetiska egenskaper och växtbetingelser (Carling 1992).

Vid bestämning av densiteten vid specifik fuktkvot kan ekvationen som presenteras nedan användas (Johansson 2019):

𝜌 =

𝑉

(1)

𝜌 = Densitet [kg/m

] 𝑚= Massa [kg]

V = Volym [m

] 2.1.4 Fuktinnehåll

Fuktkvoten i trä varierar genom hela livscykeln från planta fram till färdigt virke som

är redo att användas ute i produktion. Vid avverkning av träd kan fuktkvoten i splinten

vara uppemot 130-150%, medan kärnan har runt 30-35 % fuktkvot. Innan nysågat

virke når produktion och är redo för att användas går det igenom olika faser för att nå

6

den målfuktkvot som ställs på virket. Målfuktkvoten är den fuktkvot som är godkänd för ett virke att ha vid inbyggnad och ligger beroende på vad det ska användas till på mellan 8-16 % (Svenskt trä u.å.b). Sågat virke som byggs in med fel fuktkvot kan ge nedsättande kvalitetsegenskaper i form av beständighet, formstabilitet och hållfasthet (Esping 2003). Vidare menar även Carling (1992) att hållfasthetsegenskaperna försämras vid en hög fuktkvot. För trä påverkas generellt tryckhållfastheten mer av fuktförändringar än andra mekaniska egenskaper (Träguiden 2015). Tabell 2 visar värden på hur fukten påverkar tryckhållfastheten hos trä utan virkesfel.

Tabell 2. Visar approximativt värde för ändring av tryckhållfastheten när fuktkvoten förändras med en procentenhet (Träguiden 2015).

Egenskap Ändring [%]

Tryckhållfasthet parallellt med fiberriktning 5 Tryckhållfasthet vinkelrätt mot fiberriktning 5

2.2 Korslimmat trä

2.2.1 Uppbyggnad

KL-trä är uppbyggda av korsvis lagda plankor eller brädor, som även kan benämnas som lameller som limmas ihop till en KL-trä skiva som vanligtvis består av 3, 5, 7 eller 9 lager. Det som skiljer detta material från andra trämaterial i byggindustrin är att de lameller som används placeras omlott i 90 graders vinkel mot nästkommande skikt innan de limmas ihop. I regel används vanligtvis samma hållfasthetsklass av lameller i samma riktning och en skiva innehåller allt som oftast två olika hållfasthetsklasser (Svenskt trä 2017).

Figur 1. KL-trä skiva med riktningarna i planet (Svenskt trä 2017).

Hållfasthetsklasser, bredd och längder varierar på lameller som används vid

tillverkning av KL-trä beroende på vilken fabrik som tillverkar dem. Tabell 3 och tabell

4 visar vanligt förekommande parametrar vid tillverkning av KL-trä skivor samt vilka

vanligt förekommande lameller som används (Svenskt trä 2017).

7

Tabell 3. Vanligt förekommande och förekommande parametrar på lameller vid tillverkning av KL-trä (Svenskt trä 2017).

Parameter Vanligt förekommande Förekommer

Tjocklek [mm] 20-45 20-60

Bredd [mm] 80-200 40-300

Hållfasthetsklass C14-C30 -

Förhållande

bredd/tjocklek 4:1 -

Tabell 4. Vanligt förekommande och förekommande parametrar på KL-träskivor vid tillverkning (Svenskt trä 2017).

Parameter Vanligt förekommande Förekommer

Tjocklek [mm] 80-300 60-500

Bredd [m] 1,2–3,0 upp till 4,8

Längd [m] 16 upp till 30

2.2.2 Hållfasthetsegenskaper

En viktig påverkan för hållfasthetsegenskaperna i KL-trä är uppbyggnaden av tvärsnittet. Det är även likt övriga trämaterial hur hållfast egenskaperna varierar, till exempel att hållfastheten minskar då fuktkvoten ökar (Svenskt trä 2017). Weisner m.fl.

(2021) menar att till följd av att tvärsnittets uppbyggnad med korslimmade brädor skapas en systemeffekt i KL-träet. Med systemeffekt menas att brister hos enskilda brädor förstärks av intilliggande skikt, vilket leder till högre hållfasthet i tvärsnittet.

Weisner m.fl. (2021) visar också att svagheter och virkesfel i enskild lamell kan utjämnas bättre i ett tvärsnitt med fem lameller gentemot tre, då om det finns brister i ett enskilt brädskikt förstärks dessa av intilliggande skikt.

2.3 Tryckbelastning mot trä

Vid tryckbelastning mot trä går materialet genom olika faser, elastisk- och plastisk fas, beroende på riktning samt storlek på belastningen. I den elastiska fasen som sker under materialets linjära stadium återgår deformationerna till sin ursprungliga form efter avlastning, se figur 2. Det är i detta område som det går att ta fram materialets elasticitetsmodul, styvheten på materialet, som beskriver förhållandet mellan mekanisk spänning och deformation (Green m.fl. 1999).

I den plastiska fasen går materialet in i en olinjär deformation då tryckkraften har

överstigit träet sträckgräns. I denna fas återgår inte materialet till ursprunglig form

8

efter avlastning, se figur 2. Vid tryck vinkelrätt mot fiberriktningen och vid tryck parallellt med fiberriktningen beter sig trä olika (Green m.fl. 1999). I avsnitt 2.3.1 och 2.3.2 beskrivs vad som händer vid tryckpåkänning i de olika riktningarna.

Figur 2. Område 1, till vänster om den streckade linjen är det elastiska området och område 2, till höger om den streckade linjen är det plastiska området.

2.3.1 Tryck vinkelrätt mot fiberriktning

När belastning sker vinkelrätt mot fiberriktning i trä krossas vedcellerna i materialet, se figur 3. Den spänningsnivå som riktningen klarar av ligger mellan 3-5 MPa, vilket ger en låg kapacitet gällande hållfasthet och styvhet. Vid belastning i tryck vinkelrätt mot fiberriktningen kan inte ett rent brott bestämmas då spänningsnivån kan stiga och träet återgå till sin ursprungliga form. Definieringen för brott för denna riktning ges då en bestående deformation på 1 % orsakas av en specifik spänningsnivå (Johansson 2019).

Figur 3. Visar hur träceller krossas vid tryck vinkelrätt mot fiberriktningen (Johansson 2019).

2.3.2 Tryck parallellt med fiberriktningen

För tryck parallellt med fiberriktningen i trä uppträder den huvudsakliga spänningen

parallellt med fibrernas axiala riktning. Fibrerna är mycket stadiga och kan stå emot

stor belastning om den uppträder axiellt. Är denna belastning för stor kommer en del

av fibrerna börja knäckas och tryckas ut mot andra fibrer, se figur 4. När detta sker

9

förlorar träet sin fulla förmåga att ta upp större laster. När ett knäckningsbeetendet har påbörjat i träet klassas deformationen som plastisk (Johansson 2019).

Figur 4. Visar knäckning av fibrer som tryck parallellt med fiberriktningen (Johansson 2019).

2.4 Tidigare forskning

Bodig m.fl. (1969) utvärderade och testade nya anordningar för trycktester på trä då de ansåg att resultaten från deras undersökningar varierade i större utsträckning än de spänningsförhållanden som naturligt finns i materialet. I undersökningen användes ASTM-metoden för att undersöka hur olika anordningar som verkade mot provkropparna påverkade resultatet. Efter genomförd studie drogs slutsatsen att använda två sfäriska kompressionshuvuden i stället för ett vid trycktester, då det visade att det minskade oönskade effekter av skjuvning och böjning vid trycktester.

Wei m.fl. (2019) utförde kompressionstester på KL-trä och limträ för att studera komprimeringsbeteendet. Studien undersökte två olika provkroppar med höjd på 210 mm samt 420 mm som trycks i x-riktning. Resultatet från studien visade att höjden på provkropparna inte har någon betydande effekt på egenskaperna för KL-träet gällande tryckhållfasthet och elasticitetsmodul. Vidare belystes brotten och felfunktioner som uppstod i KL-träet under testerna. Sprickskador, krossningsskador, sprickbildning samt sneda skjuvfel uppmärksammades och beskrivs som mer komplicerade i den högre provkroppen.

I studien av Norwahyuni m.fl. (2019) bestämdes mekaniska och fysikaliska egenskaper för KL-trä av Acacia mangiumträ med två olika typer av lim, PUR- och PRF-bundna.

Kompressionstesterna för studien utfördes med utgångspunkt från standarden EN-

408 för tryck parallellt med fiberriktningen. Provkropparna hade dimensionerna 327

x 70 x 54,5 mm (h x b x l) och bestod av tre lameller där de yttre lamellerna trycktes

parallellt med dess fiberriktning. Resultatet från deras tester visade en medel

tryckhållfasthet på de PUR-bundna KL-träet på 28,14 MPa och på de PRF-bundna på

28,99 MPa och kan översättas till i tryckkraftskapacitet på 107 kN och 111 kN. Vidare

redovisas knäckning- och tryckbrott som uppstod vid testerna.

10

2.5 Standarder och Eurokod 5

Från 1994-2010 användes regelverket BKR - Boverkets konstruktionsregler vid dimensionering av byggnader. Detta förändrades 2011 när de nya europeiska byggnormerna började gälla i Sverige. De europeiska byggnormerna gäller även i dagsläget och går under namnet Eurokod. Byggnormerna ser olika ut för varje medlemsland, eurokoderna har utformats för att kunna tillämpas i alla EU-länder utifrån ställda krav i en nationell bilaga för aktuella nationen. Den nationella bilagan i Sverige är utformad efter SIS (Swedish Standards Institute). I Sverige är det även SIS som står för regleringen av byggnormerna (EKS) och delar ut dessa i landet. Boverket hade tidigare denna uppgift och stod också för regleringen av konstruktionsreglerna i BKR som nu ersattes av Eurokod (Janzon 2014).

De experimentella materialtesterna och de teoretiska beräkningarna kommer i detta examensarbete att bygga på standarder och dimensioneringsregler som presenteras i följande avsnitt.

2.5.1 Tryck vinkelrätt mot fiberriktning, enligt SS EN-408

För att bestämma fysikaliska och mekaniska egenskaper på konstruktionsvirke samt limträ används i Sverige standarden SS-EN 408. En provningsmetod i den standarden är att ta fram hållfasthetsvärden för tryck vinkelrätt mot fiberriktningen för olika hållfasthetsklasser till Eurokod. Då det inte finns någon standard för att ta fram dessa värden för KL-trä kommer denna metod användas i detta examensarbete för att bestämma tryckkraftskapacitet och tryckhållfasthet på KL-trä med olika andelar vinkelräta och parallellt belastade lameller i tvärsnittet. Nedan presenteras aktuell standard enligt SS-EN 408:2010+A1:2012 (Swedish Standards Institute [SIS] 2012).

Beroende på om testerna omfattar konstruktionsvirke eller limträ ska provkropparnas dimensioner variera. Tabell 5 redovisar hur provkroppar för de olika materialen ska tillverkas. Det är viktigt vid tillverkning att utföra framtagandet av provkropparna noggrant för att säkerhetsställa att en plan yta kommer i kontakt med testmaskinens tryckplattor (SIS 2012).

Tabell 5. Visar storleken på hur de olika provkropparna ska utformas beroende på typ av material (SIS 2012).

Storlek på provkroppar

Konstruktionsvirke Limträ

B (mm) h (mm) l (mm) b x l (mm²) b minimum (mm) h (mm)

45 90 70 25000 100 200

Vid det experimentella utförandet är det viktigt att provkroppen placeras vertikalt

mellan tryckplattorna i testmaskinen. Mätlängden, h

(ungefär 0,6h), ska vara

placerad centriskt på provkroppen och inte närmare ändarna än en tredjedel av

bredden, se figur 5 (SIS 2012).

11

Figur 5. Provkropp i uppställning med h0 markerat (SIS 2012).

De tryckplattor som används vid det experimentella utförandet ska vara utrustade med en låsfunktion för att säkerställa att inte rörelse och rotation uppkommer under testerna när lasten appliceras på provkroppen (SIS 2012).

Innan testet startar bör hastigheten prövas fram för att kunna nå F

inom ett intervall mellan 300 ± 120 sekunder och den belastning som appliceras på provkroppen ska ha en konstant hastighet genom hela testet (SIS 2012).

Från testmaskinen ges en last- och förskjutningskurva över det utförda testet som det går att ta fram tryckkraftskapaciteten (F

) för provkroppen, se figur 6. Utifrån den framtagna tryckkraftskapaciteten går det att beräkna tryckhållfastheten och E- modulen med ekvation 2 och ekvation 3. För att ta fram F

utgår man från den graf som tillhandahållits från testmaskinen. Genom att uppskatta ett värde på tryckkraftskapaciteten (F

) beräknas 0,1F

samt 0,4F

. Vidare dras en linje mellan dessa punkter på den elastiska delen av kurvan och en parallell linje dras sedan vid en vertikal förskjutningen inom mätområdet på 0,01h

. Där den parallella linjen skär last- och förskjutningskurvan är F

. Detta gäller endast om linjen skär inom ett intervall av 5 % från det förutsatta F

. Om inte detta är fallet upprepas metoden tills värdet ligger inom toleransen (SIS 2012).

Figur 6. Last-förskjutningskurva för materialtest (SIS 2012).

12

Tryckhållfasthet (f

) samt elasticitetsmodulen (E

bestäms från ekvationerna 2 och 3 nedan (SIS 2012):

f

=

𝑏𝑙

(2)

f

= Tryckhållfasthet vinkelrätt mot fiberriktning [Pa]

F

= Maximal tryckkraft vinkelrätt mot fiberriktning [N]

b = bredd på provkroppen [mm]

l = längden på provkroppen [mm]

E

=

(𝑤40−𝑤10)𝑏𝑙

(3)

E

= Elasticitetsmodul [Pa]

F

, F

= Tryckkraft vid 40 % respektive 10 % av tryckkraftskapaciteten. [N]

w

,w

= Deformation vid 40 % respektive 10 % av tryckkraftskapaciteten. [mm]

h

= Mätområdets längd.

Fuktinnehållet i provkropparna ska bestämmas enligt standarden SS-EN 13183-1 (Swedish Standard Institute [SIS] 2003) och presenteras i avsnitt 2.5.3. Densiteten för provkropparna ska bestämmas innan trycktest sker vinkelrätt mot fiberriktningen och densiteten bestäms utifrån mätningarna av massa och volym för provkropp (SIS 2012).

Testet ska genomföras under standardklimatförhållanden med en relativ luftfuktighet på 65 % ± 5 % och en temperatur på 20 °C ± 2 °C (SIS 2012).

2.5.2 Beräkning av karakteristiska 5-percentilvärden, enligt SS-EN 14358 För att utvärdera resultat vid ett materialtest bestäms karakteristiska värden utifrån en metod som bygger på statistik. I Sverige används standarden SS-EN 14358 (Swedish Standard Institute [SIS] 2016) och kommer i denna studie tillämpas vid utvärdering av resultaten för materialtesterna.

För både material och komponenter som ingår i en dimensionering beskrivs hållfasthetsklasserna genom att det finns framtagna karakteristiska värden för dessa.

Vid beräkning i brottgränstillstånd grundas de karakteristiska värdena på 5-percentil

fraktilen när till exempel intresset är bärförmåga. 5-percentil fraktilen kan beskrivas

som att 95 tester av 100 ska klara det framtagna värdet (SIS 2016).

13

Nedan följer beräkningsgång för att bestämma det karakteristiska värdet (SIS 2016):

Medelvärdet 𝑦̅ beräknas enligt:

𝑦̅ =

𝑛

∑

𝑚

(4)

m

= Individuella testvärden n = Antal tester

Standardavvikelsen (S

) beräknas enligt:

𝑆

= 𝑚𝑎𝑥 { √

𝑛−1

∑

(𝑚

− 𝑦̅)

0,05𝑦̅

(5)

Karakteristiska 5-percentilvärdet (m

) beräknas enligt:

𝑚

= 𝑦 ̅ − 𝑘

( 𝑛 ) ⋅ 𝑆

(6)

m

= Karakteristiskt värde [N]

k

= Faktor som beror av antalet tester, tas från tabell 6.

Tabell 6. Beskriver faktorn ks(n) som är beroende av antalet tester (SIS 2016).

Antal tester, n 3 5 10 15 20 30 50 100 500 ∞

Faktor ks(n) 3,15 2,46 2,1 1,99 1,93 1,87 1,81 1,76 1,69 1,64

2.5.3 Fuktmätning, enligt SS-EN 13183-1

För att bestämma fuktkvot i ett stycke sågat virke användes den standardiserade metoden SS-EN 13183-1 (torrviktsmetoden). I en rapport från träteknisk forskning benämns torrviktsmetoden som den verkliga fuktkvoten när fuktkvotsmätare kontrolleras för mätnoggrannhet (Esping 2003). Nedan presenteras aktuell standard enligt SS-EN 13183-1 (SIS 2003).

Med ett avstånd på 300 mm från änden på virket kapas en 20 mm bred testbit som sedan vägas direkt efter kapning, se figur 7. Är virkets längd 600 mm tas denna testbit från mitten av provstycket. Efter vägning ska testbitarna torkas i en temperatur på 103

± 2°C, tills differensen i massa på två vägningar inom ett intervall på två timmar är

mindre än 0,1 % (SIS 2003).

14

Figur 7. Visar hur kapning ska utföras enligt SS-EN 13183-1 (SIS 2003).

Fuktkvot beräknas enligt ekvation (SIS 2003):

𝑤 =

𝑚0

× 100 (7)

w = fuktkvot [%]

m1 = massan på testbiten innan uttorkning [g]

m0 = massan på testbiten i torrt tillstånd [g]

2.5.4 Dimensionering enligt Eurokod 5 och EKS 11

Dimensioneringsberäkningar i Sverige utförs i enlighet med Eurokod 5 och tillämpas i boverkets konstruktionsregler (EKS 11) för att säkerhetsställa bärförmåga, beständighet och stadga hos byggnadsverk (Boverket 2010).

2.5.4.1 Tryck vinkelrätt fiberriktning

Presentation av hur tryck vinkelrätt fiberriktningen ska beräknas enligt Eurokod 5 (Swedish Standard Institute [SIS] 2009)

Följande villkor ska uppfyllas:

σ

≥ k

∙ f

(8)

med:

σ

=

Aef

(9)

Där:

σ

= är dimensionerande tryckspänning i den effektiva kontaktytan

vinkelrätt mot fiberriktningen i. [Pa]

k

= är en faktor som tar hänsyn till hur lasten angriper, risken för spräckning och graden av sammantryckning. [-]

f

= är dimensionerande tryckhållfasthet vinkelrätt mot fiberriktning. [Pa]

F

= är dimensionerande tryckkraft vinkelrätt mot fiberriktningen. [N]

15

A

= är effektiva kontaktarean för vid tryck vinkelrätt mot fiberriktningen. [mm

] När A

bestäms för tryck vinkelrätt mot fiberriktningen kan den effektiva kontaktlängden nyttjas som går parallellt med fiberriktningen. På varje sida ska den verkliga kontaktlängden ökas med 30 mm. Detta får dock inte göras med mer än a, l eller l/2, se figur 8.

Vid förutsättningar då en bärverksdel är helt understödd ska k

användas då l ≥ 2h, se figur 8. Då ska k

= 1,25 användas för massivt virke av barrträ.

Figur 8. Bärverksdel som är helt understödd.

2.5.4.2 Tryck parallellt med fiberriktning

Presentation av hur tryck parallellt med fiberriktningen ska beräknas enligt Eurokod 5 (SIS 2009).

Följande villkor ska uppfyllas:

σ

≤ f

(10)

σ

= är dimensionerande tryckspänningen parallellt fiberriktningen. [Pa]

f

= är dimensionerande tryckhållfastheten parallellt fiberriktningen. [Pa]

16

3.0 Metod

Det KL-trä som användes i detta arbete levererades och tillverkades på Stora Ensos fabrik på Gruvön i Grums. Huvuddelen av det KL-trä som produceras där är av träslaget gran med lameller med hållfasthetsklass C24 (Stora Enso u.å.).

Konstruktionsvirket som användes under testerna beställdes från Beijers Byggmaterial i Karlstad och är av hållfasthetsklass C24. Figur 9-10 visar hur KL-träet och konstruktionsvirket som provkropparna tillverkades från såg ut vid leverans till Karlstads Universitet samt hur det förvarades.

(a) (b)

Figur 9. (a) Block av KL-trä med bredden 95 mm, höjden 90 och längden 1899 mm. (b) Bräda av KL-trä med bredden 95 mm, höjden 45 mm och längden 1899 mm.

(a) (b)

Figur 10. (a) Regel av konstruktionsvirke med bredden 95 mm, höjden 45 mm och längden 2000 mm. (b) Visar hur KL-träet och konstruktionsvirkets förvarades efter att det hade levererats.

17

3.1 Provkroppar och uppställningar materialtest

Provkropparna till materialtesterna tillverkades från KL-träet från figur 9 och konstruktionsvirket från figur 10a. Tre olika uppställningar med 15 provkroppar av varje tillverkades i dimensionerna 45 x 95 x 90 mm (b x l x h), se figur 11.

Provkropparna har liknande dimensioner som konstruktionsvirke i tabell 5, med undantaget att längden är 95 mm. Tillverkningen av provkropparna sker utifrån skisserna i figur 11. För att få tillförlitliga resultat från materialprover menar Carling (1992) att minst fem lika provkroppar ska användas. Bredden på de olika lamellerna på KL-träet kan variera ± 1 mm.

(a) (b) (c)

Figur 11. Visar de tre olika uppställningarna som ingår i materialtesterna. (a) KL-trä där 42 % av lameller trycks parallellt med fiberriktningen. (b) KL-trä där 58 % av lameller trycks parallellt med fiberriktningen. (c)

Konstruktionsvirke som trycks vinkelrätt mot fiberriktningen.

3.1.1 Tillverkning

I enlighet med figur 11 tillverkades de provkroppar som användes till materialtesterna med en kap-/geringssåg för att få raka tvärsnitt. Innan framställningen av provkropparna startade kalibrerades sågklingan för att säkerhetsställa att den sågade rakt. Ändbiten motsvarande dimensionen på provkroppar från respektive block/bräda kapades bort innan provkropparna till testerna togs fram, se figur 12.

För att få korrekt mått på provkropparna i konstruktionsvirke hyvlades 5 mm bort från

regelns höjd innan de tillverkades, se figur 13a.

18

(a) (b)

Figur 12. (a) Tillverkning av provkroppar enligt uppställning 1 från block av KL-trä, se figur 7. En mallbit användes som stopp för att få samma mått på samtliga provkroppar. (b) Tillverkning av provkroppar enligt

uppställning 2 från bräda av KL-trä, se figur 9.

(a) (b)

Figur 13. (a) Provkropparna av konstruktionsvirket hyvlades ned 5 mm i denna hyvel. (b) Tillverkning av provkroppar enligt uppställning 3 från regel av konstruktionsvirke, se figur 10.

3.1.2 Märkning och förvaring

Efter att tillverkningen var genomförd vägdes och mättes dimensionerna på provkropparna med ett digitalt skjutmått och densiteten dokumenterades, se figur 14.

Vidare gavs varje provkropp en specifik märkning och fotograferades för att kunna

urskilja provkropparna. Märkningen för provkropparna under materialtesterna

märktes med en bokstav följt av två siffror, exempelvis B1-1. Där ”B1” står för den

specifika brädan som provkroppen är tagen från och ”-1” används för att urskilja dem

åt. Slutligen plastades provkropparna in och förvarades i rumstemperatur (21°C) i

laborationssalen tills testerna utfördes, se figur 15.

19

(a) (b)

Figur 14. (a) Vägning av provkropp. (b) Provkroppens dimensioner mättes med ett digitalt skjutmått och dokumenterades.

(a) (b)

Figur 15. (a) Inplastning av provkropp. (b) Visar hur provkropparna förvarades innan testerna.

3.1.3 Uppställningar

Total utfördes 45 tester för detta materialtest där 15 provkroppar av varje uppställning

utsattes för en tryckkraft från den hydrauliska press som användes för detta arbete och

beskrivs i avsnitt 3.3.1, se figur 16, 17 och 18. Av de 15 tester som utfördes i varje

testserie användes mätsystemet ARAMIS adjustable 12M på fem av dem, se avsnitt

3.3.2.

20

Figur 16. Uppställning över provkropp för materialtest 1 där två lameller trycks parallellt fiberriktningen och tre trycks vinkelrätt fiberriktningen samt märkningen för provkropparna. Areafördelningen är 58 % vinkelräta

och 42 % parallellt belastade lameller i tvärsnittet.

Figur 17. Uppställning över provkropp för materialtest 2 där två lameller trycks parallellt fiberriktningen och tre trycks vinkelrätt fiberriktningen samt märkningen för provkropparna. Areafördelningen är 42 % vinkelräta

och 58 % parallellt belastade lameller i tvärsnittet.

Figur 18. Uppställning över provkropp för materialtest 3 där tryck sker vinkelrätt mot fiberriktningen samt märkningen för provkropparna.

3.2 Provkroppar och uppställningar stämpeltrycktest

Provkropparna till stämpeltryckstestet tillverkades från KL-träet från figur 9b och

konstruktionsvirket från figur 10a. Fem olika uppställningar med tre testserier av varje

uppställning utfördes, uppställningarna ses i avsnitt 3.2.3. Samtliga provkroppar till

detta test tillverkades med dimensionerna 45 x 95 x 350 mm (h x b x l), se figur 19.

21

(a) (b) (c)

Figur 19. (a) Bräda/syll av KL-trä där två lameller trycks parallellt med fiberriktningen. (b) Konstruktionsvirke som användes som syll och regel vid testerna. (c) Bräda/syll av KL-trä där 55 mm av lamellerna som trycks

vinkelrätt mot fiberriktningen tas bort i änden.

3.2.1 Tillverkning

I enlighet med figur 19 tillverkades de provkroppar som användes till stämpeltryckstesterna med en kap-/geringssåg, se figur 20. En ändbit på 350 mm kapades bort på de brädor/reglar som användes innan provkropparna tillverkades från samma bräda/regel.

(a) (b)

Figur 20. (a) Tillverkning av provkroppar från konstruktionsvirket. (b) En färdigkapad syll/regel.

För att ta bort de lamellerna i änden på brädan/syllen av KL-trä, se figur 19c, användes

en bandsåg och en pelarborrmaskin. På den innersta lamellen borrades hål 55 mm in i

provkroppen och sedan justerades bandsågen för att såga bort lamellen. De yttersta

lamellerna kapades enbart bort med bandsågen. När de vinkelräta lamellerna var borta

slipades ytskiktet tills det blev en jämn yta, se figur 21.

22

(a) (b)

Figur 21. (a) Visar hur den yttersta lamellen sågas bort från KL-trä brädan/syllen. (b) Resultatet efter att slipningen av ytskiktet genomförts.

3.2.2 Märkning och förvaring

När provkropparna hade kapats märktes de upp med en specifik testkod, se figur 23.

Efter märkning vägdes och fotograferades de för att kunna urskilja dem vid eventuella efterkontroller. Slutligen placerades de i en plastpåse som förslöts och förvarades i rumstemperatur (21°C) i laborationssalen där testerna utfördes, se figur 22.

(a) (b)

Figur 22. (a) Vägning av regel efter den har blivit märkt. (b) Visar hur provkropparna förvarades fram till testerna.

3.2.3 Uppställningar

Total utfördes 15 tester för detta stämpeltryckstest. Tre tester av varje uppställning

utsattes för en tryckkraft från den hydrauliska press som användes för detta arbete och

föreställer ett verkligt möte mellan regel och syll, den hydrauliska pressen beskrivs i

avsnitt 3.3.1. För samtliga stämpeltryckstester användes mätsystemet ARAMIS

adjustable 12M, se avsnitt 3.3.2.

23

Figur 23-27 beskriver de olika uppställningarna och siffrorna på den högra bilden föreställer de komponenter som användes där:

1. Kolv och tryckplattor

2. Regel av konstruktionsvirke 3. Syll av KL-trä/konstruktionsvirke 4. Metallunderlag

Figur 23. Test 1 i serien med en regel av konstruktionsvirke och syll av konstruktionsvirke som trycks i änden (mått i mm).

Figur 24. Test 2 i serien med regel av konstruktionsvirke och syll av KL-trä där 2 lameller trycks parallellt med fiberriktningen i änden (mått i mm).

Figur 25. Test 3 i serien med regel av konstruktionsvirke och syll av KL-trä där 2 lameller trycks parallellt med fiberriktningen i mitten (mått i mm).

24

Figur 26. Test 4 i serien med regel av konstruktionsvirke och syll av KL-trä där 2 lameller trycks parallellt med fiberriktningen i änden (mått i mm).

Figur 27. Test 5 i serien med regel av konstruktionsvirke och syll av konstruktionsvirke som trycks i mitten (mått i mm).

25

3.3 Experimentell utrustning

Detta avsnitt redovisar den utrustning som användes för att genomföra de experimentella testerna.

3.3.1 Hydraulisk press

Experimenten utfördes med en hydraulisk press av modellen FORM+TEST Mega 6- 3000-200, se figur 28. Den hydrauliska pressen är utrustad med två hydrauliska kolvar, en större med en tryckkraftskapacitet på 3000 kN och en mindre med tryckkraftskapacitet på 200 kN. I detta arbete användes den mindre kolven som har en slaglängd på 220 mm.

Figur 28. Den hydrauliska press som användes under experimenten.

3.3.2 ARAMIS adjustable 12M

För att mäta deformationer användes mätsystemet ARAMIS adjustable 12M från företaget GOM. Systemet bestämmer diskreta punkter över vald tidsperiod genom 3D- koordinater. ARAMIS analyserar, dokumenterar och beräknar objektdeformationer, stelkroppsrörelser och mätobjektens dynamiska beteende (Rise u.å.). Mätningarna sker via två kameror med 4096 x 3000 pixlars upplösning som analyserar ett stokastiskt mönster som appliceras på det område som ska mätas. ARAMIS har förmågan att med full upplösning ta 25 bilder/sekund (GOM u.å.). Mätningarna bestäms genom att systemet följer den relativa rörelsen hos prickmönstret mellan bilderna (Pickerd 2013). Aramis producerar mätvärden över hela ytor på ett illustrativt sätt till skillnad från trådtöjningsgivare och extensometrar (Rise u.å.).

ARAMIS-programvaran ger i realtid resultat-data från flera olika mätpositioner på objektets yta som direkt kan överföras till exempel MSExcel LabView, och DIAdem (Cascade u.å.).

Systemets 2D och 3D sensorer gör det användbart för både punkt- och

helfästsbaserade analyser av komponenter som blir utsatta för både dynamisk och

26

statisk belastning. Den dubbla flexibla LED-belysningen ger möjligheten att även undersöka svårprovade provkroppar från varierande vinklar vilket gör systemet användningsbart och idealiskt för universitet och forskningsinstitut (GOM u.å.).

3.3.3 Potentiometer

Under materialtesterna användes två linjära potentiometrar av typen Regal KPY 2-15 linear displacement sensor 15 mm. Linjär potentiometer är en sensor vars funktion är att mäta förskjutning längs en enda axel, vertikalt eller horisontellt. Linjära potentiometrar används inom flera olika applikationer, där en robust anordning som kan mäta linjära deformeringar krävs (Variohm 2020).

Verktyget användes för att mäta den vertikala förskjutningen hos provkropparna under materialtesterna. Innan de användes kalibrerades de med Mitutoyo spärrblocksats, se figur 29, för att säkerhetsställa att de mätte korrekt.

(a) (b)

Figur 29. (a) En av potentiometrarna som användes vid materialtesterna. (b) Mitutoyo spärrblocksats som användes vid kalibrering av potentiometrar.

3.3.4 Dewesoft Sirius X

Dewesoft Sirius X edu är ett datainsamlingssystem som användes under samtliga tester för att överföra och lagra mätdata från den hydrauliska pressen och potentiometrarna (Dewesoft 2021).

3.3.5 Sfäriska tryckplattor

Vid materialtesterna användes två sfäriska tryckplattor under kolven i hydrauliska

pressen, se figur 30. Detta för att få ett mer tillförlitligt resultat utefter det som

presenteras i avsnitt 2.4 där det påvisas att två sfäriska kompressionshuvuden ger ett

mer tillförlitligt resultat.

27

Figur 30. Sfäriska tryckplattorna vid materialtest.

3.4 Förberedelser inför tester

Denna del redovisar de experimentella uppställningarna vid utförande och förberedelser inför de olika testerna.

3.4.1 ARAMIS adjustable 12M

Mätstativet placerades 697 mm från provkroppen, kamerorna placerades på stativet med ett avstånd på 135 mm från stativets mittpunkt med en vinkel på 25° mot provkroppen, se figur 31. Innan användning kalibreras mätsystemet för att säkerhetsställa mätnoggrannheten, resultatet från kalibreringen, se Bilaga 1.

Mätsystemet ställdes innan testerna påbörjades in på att under de experimentella testerna ta bilder på provkropparna i ett intervall på en bild i sekunden.

Figur 31. Uppställning för ARAMIS adjustable 12M vid testerna.

3.4.2 Målning av provkroppar

Vid målningen av det stokastiska mönstret på provkropparna användes sprayfärg.

Hela ytan för mätobjektet grundmålas först med en vit matt sprayfärg, när

grundmålningen torkat appliceras de svarta prickarna. Prickarna i mönstret ska inte

vara för stora, för täta eller för många, då det löper risk att informationen vid

deformationsmätningar för ARAMIS blir felaktig (Pickerd 2013). I figur 32 illustreras

ett godkänt mönster. Det stokastiska mönstret som sprayades på objektets yta fungerar

som mätpunkter för att ARAMIS ska kunna mäta deformation, förskjutning och

töjning.

28

(a) (b)

Figur 32. (a) Provkroppar innan prickmönster applicerats. (b) Färdiga provkroppar med vit bakgrund och svart prickmönster.

3.4.3 Montering av potentiometer och vinkeljärn till materialtest

För att göra provkropparna redo för materialtestet behövdes visst förarbete utföras.

För att potentiometrarna skulle få ett mätområde på 54 mm centriskt på samtliga provkroppar användes tre mallbitar för att ha samma förutsättningar på varje provkropp. En linje drogs med den första mallbiten med ett avstånd på 18 mm från över- respektive underkant. Sedan drogs en linje 28 mm från underkant för att få en linje som kunde användas för att justera vinkeljärnet. Vidare markerades en linje när provkroppen låg på lågkant med en mallbit på 22,5 mm för att visa mitten på provkroppen och göra det enkelt att fästa fast potentiometern och vinkeljärnet med skruvarna som var 10 mm långa. Efter att markeringarna sattes ut placerades provkroppen i ett skruvstycke och potentiometer och vinkeljärn monterades på plats, se figur 33.

(a) (b)

Figur 33. (a) Illustrerar hur montering av vinkeljärn (röd markering) samt potentiometer (rosa markering) samt avstånd. (b) Visar en färdig montering av potentiometer och vinkeljärn.

3.5 Experimentellt utförande

Till materialtestet som beskrivs under avsnitt 3.4.1 användes en förlast på 0,2 kN och en lasthastighet på 1 mm minut. För stämpeltryckstesterna som beskrivs under avsnitt 3.4.2 användes en förlast på 0,2 kN och en lasthastighet på 3 mm per minut.

Under testerna som använde sig av ARAMIS mäts deformationer med en mäthastighet

på 1 Hz, vilket motsvarar en bild per sekund. Bilderna användes för att följa, mäta och

29

lagra deformationerna hos provkropparna under testernas gång i programvaran GOM correlate.

3.5.1 Materialtest

Efter att montering av potentiometer samt vinkeljärn som beskrivs i avsnitt 3.3.3 hade utförts placerades provkropparna i den hydrauliska pressen mellan de två sfäriska tryckplattorna, se figur 30. När provkroppen var på plats lades förlasten på från kolven och de två sfäriska tryckplattorna justerade provkroppen, se figur 34. Tryckplattorna låstes sedan i korrekt position med hjälp av skruvarna som tillhörde plattorna enligt standarden, se avsnitt 2.5.1 och figur 35. När anordningen med provkroppen hade placerats i korrekt läge påbörjades testerna och avslutades när maxlasten hade uppnåtts vid en kolvrörelse på 3-4 mm.

(a) (b)

Figur 34. (a) Provkropp innan förlasten lagts på. (b) Provkropp när förlasten är pålagd.

Figur 35. Låsning av tryckplattor.

30

(a) (b)

Figur 36. (a) Uppställning på materialtest vid användning av mätsystemet ARAMIS. (b) KL-träet materialtestas.

3.5.2 Stämpeltryckstest

Samtliga tester placerades under den hydrauliska pressen enligt uppställningarna, se avsnitt 3.2.3. Alla tester centrerades under kolven med hjälp av mallbitar för att få dem på korrekt position. Ytterligare kontroll gjordes med vinkelhake för att säkerhetsställa att regeln trycktes vinkelrätt mot syllen. När uppställningen hade korrekt position lades förlasten på från kolven. När uppställningen var redo påbörjades testerna och avslutades när en kolvrörelse på 10 mm hade uppnåtts.

(a) (b)

Figur 37. Två olika uppställningar där (a) trycker mitt på syllen och (b) trycker i änden.

3.6 Provkroppsbearbetning efter utförda tester

Efter utförda tester beräknades fuktkvoten på de provkroppar som användes under de

experimentella testerna enligt torrviktsmetoden som beskrivs i avsnitt 2.5.3. För de

provkroppar som var en del av materialtestet vägdes hela provkroppen på en brevvåg

och vikten dokumenterades innan de placerades i torkugnen, se figur 38. För de

provkroppar som användes i stämpeltryckstesterna kapades en 20 mm provbit från

31

mitten av provkroppen innan den vägdes, vikten dokumenterades och sedan placerades provbitarna i torkugnen.

Figur 38. Torkugnen med provkroppar från materialtesterna.

De provkroppar som placerades i ugnen bevarades där i ca fem dygn innan de togs ut för en ny mätning. Efter att provkropparna klassades som torra enligt avsnitt 2.5.3 användes ekvation 7 och fuktkvoten beräknades.

3.7 Datainsamling och bearbetning

Efter att materialtesterna hade avslutats tillkom ytterligare 20 provresultat för materialtest 1 som enbart kommer vara en del av utvärderingen av tryckkraftskapaciteten och tryckhållfastheten för att styrka resultatet.

De experimentella testerna som utfördes resulterade i mätdata som för materialtestet hämtades från datainsamlingssystemet Dewesoft i form av excel-filer och för stämpeltryckstesterna hämtades text-filer från den hydrauliska pressen. För samtliga tester finns mätvärden för kraft och förskjutning (kolvrörelsen), för materialtestet finns även mätvärden för förskjutningen av potentiometrarna i det aktuella mätområdet.

3.7.1 Materialtester

Vid resultatbearbetning för att ta fram tryckkraftskapaciteten för samtliga materialtester utvärderades mätdata som tillhandahålls av datainsamlingssystemet.

För materialtest 1 och 2 användes den högsta kraft som uppmättes från testerna för

varje prov. För materialtest 3 användes standarden för tryck vinkelrätt mot

fiberriktningen, se avsnitt 2.5.1, för att ta fram tryckkraftskapaciteten. Vidare användes

ekvation 2 för att ta fram tryckhållfastheten för materialtest 1, 2 och 3, samt att

ekvation 3 användes för att ta fram E-modul för materialtest 3. Då potentiometrarna

32

inte visade tillförlitliga värden för beräkning av E-modul för materialtest 1 och 2 har detta inte utförts.

För att ta fram de karakteristiska värdena från samtliga materialtest användes ekvation 4, för att få fram medelvärdet. Vidare användes ekvation 5 för att beräkna standardavvikelsen för testserierna. Slutligen användes ekvation 6 för att beräkna det karakteristiska värdet för materialtesterna.

Kraft- och förskjutningsdiagram skapades för samtliga materialtester med kraft i y-led och förskjutning (kolvrörelse) i x-led. Dessa kurvor användes för att skapa medelvärdeskurvor för samtliga testserier. Detta utfördes för att kunna jämföra de olika testserierna med varandra för att se eventuella skillnader mellan testerna.

Utifrån bearbetningen av provkroppar innan och efter utförda experiment, se avsnitt 3.5 togs fuktkvot och densitet fram för varje provkropp. Högsta, lägsta samt medelvärde för fuktkvoten och densitet redovisas under resultatet och en utförlig lista på samtliga tester redovisas i bilaga 3 och 4.

I programvaran GOM correlate behandlades den mätdata som samlats in från det beröringsfria mätsystemet ARAMIS adjustable 12M. Detta användes för att analysera töjningar och deformation i provkropparna under testerna.

Tryckkraftskapaciteten från de teoretiska beräkningarna för materialtesterna jämfördes mot det karakteristiska värdet som togs fram för varje materialtest. Utifrån resultaten beräknades differensen i tryckkraftskapacitet samt vilken procentandel som de teoretiska tryckkraftskapaciteterna uppnår i jämförelse mot de karakteristiska värdena.

3.7.2 Stämpeltrycktest

Från text-filerna som erhölls från den hydrauliska pressen skapades kraft- och förskjutningsdiagram för stämpeltrycktesterna. Två olika diagram redovisas där den ena visar stämpeltrycktest 1,2 och 4 då de kan jämföras med varandra, samt att stämpeltrycktest 3 och 5 redovisas tillsammans.

För att undersöka hur lasten fördelat sig mellan de lameller som belastades i tvärsnittet redovisas en tabell över stämpeltrycktest 2 och 4 där viktiga parametrar presenteras.

Utifrån beräkningar har kontaktarea samt andel av area redovisats för de lameller som belastas vinkelrätt mot fiberriktningen och parallellt med fiberriktningen. Vidare redovisas medelvärdet för maxkraften som erhöll från de experimentella testerna samt att lastupptagningsfördelningen mellan lamellerna beräknades.

Utifrån bearbetningen av provkropparna som beskrivs i avsnitt 3.5 togs fuktkvoten

fram för varje enskild provkropp.