Local reinforcement in dowel type timber joints is essential to improve ductility, to increase load carrying capacity and to reduce the risk of brittle failure, especially in the case of using solid dowel. In many types of reinforcing materials available today, DVW (densified veneer wood) has been demonstrated to be the most advantages in terms of compatibility, embedding performance and ductility. Preliminary studies show that using appropriately sized DVW discs bonded into the timber interfaces may be an effective way to reinforce the connection. In this paper, non-linear 3-dimensional finite element models, incorporating orthotropic and non-linear material behaviour, have been developed to simulate structural performance of the timber joints locally reinforced by DVW discs. Different contact algorithms were applied to simulate contact conditions in the joints. The models were validated by the corresponding structural tests. Correlation between the experimental results and the finite element simulations is reasonably good. Using validated finite element models, parametric studies were undertaken to investigate effects of the DVW disc sizes and the end distances on shear stresses and normal stresses in a possible failure plane in the joint.
Yilmaz, Semih;Karahasan, Olguhan Sevket;Altunisik, Ahmet Can;Vural, Nilhan;Demir, Serhat
Structural Engineering and Mechanics
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v.81
no.6
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pp.737-750
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2022
Timber-Concrete Composite construction system consists of combining timber beam or deck and concrete with different connectors. Different fastener types are used in Timber-Concrete Composite systems. In this paper, the effects of two types of fasteners on structural behavior are compared. First, the notches were opened on timber beam, and combined with reinforced concrete slab by fasteners. This system is called as Notched Connection System. Then, timber beam and reinforced concrete slab were combined by new type designed fasteners in another model. This system is called as Notched-Slab Approach. Two laboratory models were constructed and bending tests were performed to examine the fasteners' effectiveness. Bending test results have shown that heavy damage to concrete slab occurs in Notched Connection System applications and the system becomes unusable. However, in Notched-Slab Approach applications, the damage concentrated on the fastener in the metal notch created in the slab, and no damage occurred in the concrete slab. In addition, non-destructive experimental measurements were conducted to determine the dynamic characteristics. To validate the experimental results, initial finite element models of both systems were constituted in ANSYS software using orthotropic material properties, and numerical dynamic characteristics were calculated. Finite element models of Timber-Concrete Composite systems are updated to minimize the differences by manual model updating procedure using some uncertain parameters such as material properties and boundary conditions.
The paper presents a finite element model for studying timber-concrete composite beams under long-term loading. Both deformability of connection system and rheological behaviour of concrete, timber and connection are fully considered. The creep of component materials and the influence of moisture content on the creep of timber and connection, the so-called "mechano-sorptive" effect, are evaluated by means of accurate linear models. The solution is obtained by applying an effective step-by-step procedure in time, which does not require storing the whole stress history in some points in order to account for the creep behaviour. Hence the proposed method is suitable for analyses of composite beams subjected to complex loading and thermo-hygrometric histories. The possibility to accurately predict the long-term response is then shown by comparing numerical and experimental results for different tests.
Double-sided punched metal plate timber fasteners present projections on both sides, which offer improved joint fire resistance and better joint aesthetics. In this paper, 3-D nonlinear finite element models were developed to simulate double-sided nail plate fastener timber joints. The models, incorporating orthotropic elasticity, Hill's yield criterion and elasto-plasticity and contact algorithms, are capable of simulating complex contact between the tooth and the timber and between the base plate and the timber in a fastener. Using validated models, parametric studies of the double-sided nail plate joints was undertaken to cover the tooth length and the tooth width. Optimal configuration was assumed to have been attained when increase in nail plate tooth width did not result in a raise in joint capacity, in conjunction with the optimum tooth length. This paper presents the first attempt to model and optimise tooth profile of double-sided nail plate fastener timber joints, which offers rational designs of such fasteners.
Column foot in traditional Chinese timber structures may be subjected to be uplifted due to the lateral load and subsequently reset under the vertical loads. The residual moment of the rocking column foot is the most important parameter representing the mechanical behaviors of column foot, and the simplification of joints is the basis of structural analysis of whole structure. The complicated mechanical behaviors of joint and the modeling of the column foot joint has been undertaken historically based on the experiments and numerical simulation. On the condition of limited application range of those models, a lack of simplified model to represent the mechanical behaviors of joint deserves attentions. There is a great need to undertake theoretical studies to derive the residual moment and make better simplified model of the joint. This paper proposes the residual moment and equivalent simplified model of the rotational stiffness for column foot joint. And, the timber frame is established based on the simplified model, which is verified by solid finite element model. Results show that a mutual agreement on the mechanical behaviors of the timber frame is obtained between the simplified model and the solid finite element model. This study can serve as the references of the structural analysis for the traditional timber structures.
The multi-story timber structure with high platform base is one of the important architectural types in the traditional Chinese buildings. To study the dynamic characteristics and seismic responses on this kind of traditional structure, the 3-D finite element models of Xi'an drum tower which included the high platform base, upper timber structure and whole structure was established considering the structural form and material performance parameters of the structure in this study. By the modal analysis, the main frequencies and mode shapes of this kind of traditional building were obtained and investigated. The three kinds of earthquake excitations included El-Centro wave, Taft wave and Lanzhou wave were separately imposed on the upper timber structure model and the overall structure model, and the seismic responses on the tops of columns were analyzed. The results of time history analysis show that the seismic response of the upper timber structure is obviously amplified by high platform base. After considering the effect of high platform base, the mean value on the lateral displacement increments of the top column in the overall structure is more than 20.478% and the increase of dynamic coefficients was all above 0.818 under the above three different earthquake excitations. Obviously, it shows that the existence of high platform base has a negative influence on the seismic responses of upper timber structure. And the high platform base will directly affect the safety of the upper timber structure. Therefore, the influence of high platform base on the dynamic response of its upper timber structure cannot be neglected.
The process of material failure i.e. cracks development and their propagation in an experiment related to the bending collapse of cross laminated timber plate with ribs is described. Numerical simulation of such an experiment by the nonlinear finite element method is presented. The numerical model is based on Hashin failure criteria, initially developed for unidirectional composites, and on material softening concept applied by the smeared crack approach. It is shown that such a numerical model can be used for an estimation of the limit load and the limit displacement of a cross laminated timber ribbed plate.
Energy-based methodology is utilized to design novel timber-steel hybrid core wall system. The timber-steel core wall system consists of cross laminated timber (CLT), steel columns, angled brackets and t-stub connections. The CLT wall panels are stiff and strong, and ductility is provided through the steel t-stub connections. The structural system was modelled in SAP2000 finite element program. The hybrid system is explained in detail and validated using first principles. To evaluate performance of the hybrid core system, a 7-story building was designed using both forced-based design and energy based design (EBD) approaches. Performance of the structure was evaluated using 10 earthquakes records selected for 2500 return period and seismicity of Vancouver. The results clearly served as a good example of the benefits of EBD compared to conventional forced based design approaches.
Timber is an eco-friendly material that is suitable for low carbon and green growth, and recently, studies on utilization and manufacture of timber are increasing. Thus, we need a stable supply of wood working materials for the formative element and widespread function of timber. It is necessary to develop the use of timber because it enhances the added value of this material by making the most of it. In this way, skin-timber is an appropriate material for life articles because skin-timber has a variety of functions including the ability for storage use, the beauty of structure, the ability to maintain heat and insulation, and the capability to control humidity. In this study, I developed household items using skin-timbers that are made up of circular columns and square columns of pine, larch, and yellow popular. The circular and square columns have an inner hole that is approximately 90% of the external structure's width. I intended for the concept of these designs to display creativity considering functionality and productivity. These items are life articles and furniture for modern people. They are eco-friendly products that are varnished with traditional lacquer and natural oil. According to the result of this study, skin-timbers are made of domestic pine, larch, and yellow popular and are resource of furniture, household items, and woodcraft. I believe skin-timber is not only a useful material for processability and design applicability, but it also has the capability to be a multifunctional and high value-added material. Also, if the standards, such as cortex thickness, outside diameter, and length, of skin-timber are producted diversely, I believe skin-timber can be have more the possibility of industrial products' development.
The force resisting ability of a connection has direct implications on the overall response of a timber framed structure to various actions, thereby governing the integrity and safety of such constructions. The behavior of timber framed structures has been studied by many researchers by testing full-scale-connections in timber frames so as to establish consistent design provisions on the same. However, much emphasis in this approach has been unidirectional, that has focused on a particular connection configuration, with no research output stressing on the refinement of the existing connection details in order to optimize their performance. In this regard, addition of adhesive to dowelled timber connections is an economically effective technique that has a potential to improve their performance. Therefore, a comparative study to evaluate the performance of various full-scale timber frame Nailed connections (Bridled Tenon, Cross Halved, Dovetail Halved and Mortise Tenon) supplemented by adhesive with respect to Nailed-Only counterparts under tensile loading has been investigated in this paper. The load-deformation values measured have been used to calculate stiffness, load capacity and ductility in both the connection forms (with and without adhesion) which in turn have been compared to other configurations along with the observed failure modes. The observed load capacity of the tested models has also been compared to the design strengths predicted by National Design Specifications (NDS-2018) for timber construction. Additionally, the experimental behavior was validated by developing non-linear finite element models in ABAQUS. All the results showed incorporation of adhesive to be an efficient and an economical technique in significantly enhancing the performance of various timber nailed connections under tensile action. Thus, this research is novel in a sense that it not only explores the tensile behavior of different nailed joint configurations common in timber construction but also stresses on improvising the same in a logical manner hence making it distinctive in its approach.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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