Moment resistant joints for timber frames

Abstract

The interruption of wood fibres at the intersections of beam-column joints presents a significant hurdle for the efficient transmission of moments between these structural elements. Unlike steel and concrete, which permit the creation of rigid portal joints through welding (in the case of steel) or the monolithic integration of the joint (in the case of concrete), the disruption in wood fibres at the junction of beams and columns, together with the low strength in the direction perpendicular to the fibres, makes the establishment of continuous connections for bending moments very challenging.In this thesis, a novel type of moment-resisting joint for timber frames is proposed and discussed. In short, the prismatic volume of the corner is made up of high-strength concrete reinforced with steel bars bonded in both the timber beam and the column, forming a composite joint. The comprehensive investigation encompasses analytical, experimental, and numerical studies, delving into critical aspects such as bending strength, stiffness, and failure modes inherent to this innovative joint.In the analytical development, an in-depth exploration into the role of the timber cross-section and diameters of the steel bars is conducted. A mechanical model, based on assumed stress-strain relations with elastic and elastoplastic characteristics, is employed to derive design equations. Emphasis is placed on the yielding of steel bars as a privileged failure mode, given its desirable ductile nature.Two initial series of knee joint specimens with steel reinforcement bars of two different diameters were produced and tested to failure. The experimental results showed good agreement with the ultimate moment estimates obtained from the proposed analytical method. Specimens of polygonal bolted joint were also tested, for the sake of comparison. Both the rotational stiffness and bending strength of the former showed much higher than those of the traditional bolted joints tested. The research extended to six additional series of knee joint specimens, exploring other issues relevant for the design. These included testing tensile perpendicular reinforcement through strategically placed self-tapping screws, along with a unbonded recess at the ends of the timber elements, extending for a few millimetres; examining smaller span beams with higher shear/moment ratio and with shear reinforcement; incorporating steel fibres into the concrete mixture; investigating prefabrication-friendly joint assembly; and subjecting joints to cyclic loading.Numerical simulations, characterized by varying levels of complexity, were conducted to model joint behaviour. The models included framed, 2D, and 3D representations, accounting for geometric and material nonlinearities. Stress analysis was reported with details. The models were compared to the experimental results.The investigation culminated with the execution of large-scale experiments involving three 5m-span frames, with joints prefabricated at the laboratory, emulating an actual prefabrication process. These frames underwent a comprehensive examination, which included dynamic assessments, climatic exposure (applied to one of the frames), and failure tests. Throughout dynamic testing, measurements of mode shapes and vibrational frequencies were taken and compared with numerical estimations. The frame subjected to climatic exposure showed similar results when compared to the other two. Notably, the results from the failure tests decisively demonstrate that, in comparison to traditional polygonal bolted joints, the proposed joint exhibits superior rotational stiffness and bending strength. This outcome emphatically confirms the structural efficacy and robust performance of the innovative joint.As a tangible outcome, an educational software tool is presented, capable of designing the requisite steel bars and anchorage length for such connections, while also estimating the joint's moment strength.In conclusion, this research underscores the structural effectiveness of the proposed moment-resisting joint for timber frames. The joint demonstrated a combination of high bending strength and a remarkable level of ductility. Its suitability for prefabrication further enhances its appeal, suggesting promising applications in the realm of timber frame moment connections.

A interrupção das fibras da madeira nas interseções entre vigas e pilares apresenta um desafio significativo para a transmissão eficiente de momentos entre esses elementos estruturais. Ao contrário do aço e do betão, nos quais é possível criar nós de pórtico rígidos através de soldadura (no caso do aço) ou da natureza monolítica do volume do nó (no caso do betão), a interrupção nas fibras da madeira na junção entre vigas e pilares, agravada pela baixa resistência na direção perpendicular às fibras, torna a formação de ligações contínuas para momentos fletores muito desafiadora.Nesta tese, propõe-se e discute-se um novo tipo de junta resistente a momentos para estruturas de madeira. Em resumo, o volume prismático do canto é composto por betão de elevada resistência, reforçado com barras de aço ancoradas tanto na viga de madeira quanto no pilar, formando uma junta composta. A investigação abrangente engloba estudos analíticos, experimentais e numéricos, explorando aspetos críticos como resistência a momentos, rigidez e modos de rotura inerentes a esta junta inovadora.No desenvolvimento analítico, é realizada uma exploração aprofundada do papel da secção transversal da madeira e dos diâmetros das barras de aço. Um modelo mecânico, baseado em relações assumidas entre tensão e deformação com características elásticas e elastoplásticas, é utilizado para derivar equações de dimensionamento. Ênfase é dada à cedência das barras de aço como modo de rotura preferencial, dada a sua natureza dúctil, característica sempre desejável em ligações.Foram produzidas duas séries iniciais de provetes de junta de canto com barras de reforço de dois diâmetros diferentes e testados até a rutura. Os resultados experimentais mostraram boa concordância com as estimativas de momento último obtidas a partir do método analítico proposto. Provetes de juntas poligonais aparafusadas também foram testados, para efeitos de comparação. Tanto a rigidez rotacional quanto a resistência à flexão mostraram ser significativamente superiores às das juntas tradicionais aparafusadas testadas.A pesquisa estendeu-se a seis séries adicionais de provetes de junta de canto, investigando outros aspetos influentes no comportamento da ligação. Estes incluíram ensaios com reforço à tração perpendicular ao fio por meio de parafusos de enroscar estrategicamente colocados, combinados com um recesso não colado, com alguns milímetros de extensão, junto aos topos dos elementos de madeira; a análise de vigas com vãos menores, com maior razão de esforço transverso/momento e com reforço ao esforço cortante; a incorporação de fibras de aço na mistura de betão; o estudo do processo de montagem de elementos com juntas pré-fabricadas; e ensaios de juntas sujeitas a carga cíclica.Foram realizadas simulações numéricas, caracterizadas por diferentes níveis de complexidade, para modelar o comportamento da ligação. Os modelos incluem representações como barras (1D), 2D e 3D, tendo em conta não linearidades geométricas e materiais. A análise de tensões foi relatada com detalhes. Os modelos são comparados com os resultados experimentais.A investigação culminou com a execução de ensaios à escala estrutural, envolvendo três pórticos com vãos de 5m e ligações pré-fabricas em laboratório, emulando um processo de pré-fabricação real. Estes pórticos foram submetidos a uma avaliação abrangente, incluindo ensaios dinâmicos, exposição climática (aplicada a um dos pórticos) e ensaios de rutura. Durante os ensaios dinâmicos, foram realizadas medições de modos e frequências vibracionais, que foram comparadas com estimativas numéricas. O pórtico sujeito à exposição climática apresentou resultados semelhantes aos dos outros dois. Notavelmente, os resultados dos ensaios de rutura demonstraram decisivamente que, em comparação com ligações tradicionais aparafusadas poligonais, a ligação proposta exibe uma rigidez rotacional e uma resistência à flexão superiores. Este resultado confirma enfaticamente a eficácia estrutural e o desempenho robusto da ligação inovadora.Como resultado tangível, é apresentada uma ferramenta de software educacional capaz de dimensionar a armadura necessária e o seu comprimento de colagem nos elementos de madeira, estimando a correspondente resistência ao momento da ligação.Em conclusão, esta pesquisa destaca a eficácia estrutural da ligação resistente a momentos proposta para estruturas de madeira. A ligação demonstra não apenas uma alta resistência ao momento, mas também uma notável ductilidade. A sua adequação para pré-fabricação aumenta ainda mais o seu apelo, sugerindo aplicações promissoras no domínio das ligações resistentes a momentos em estruturas de madeira.