Capacidad de carga a la hienda de uniones con clavijas cargadas perpendicularmente a la fibra en madera de frondosas. Análisis experimental y numérico bajo el enfoque de la mecánica de fractura
Authors:   , Gómez Royuela José Luis 
Published: October 2024

Mechanical dowel connections are a widely used solution in timber structures due to their ease of assembly and disassembly, rapid execution, and high load-bearing capacity. Their potential to develop ductile failure behaviour makes them particularly interesting. However, under certain conditions, stress concentrations perpendicular to the grain and shear stresses can arise, potentially leading to brittle failure by splitting, especially in dowel connections loaded at an angle to the grain.

Splitting failure in these types of connections is directly related to the fracture processes of the material. However, there is no general consensus on how to adequately address this issue, either in terms of analytical expressions for estimating their load-bearing capacity or in terms of characterising the fracture properties of the material. Eurocode 5 provides a very simplified expression, based on fracture mechanics, to determine the splitting capacity of dowel joints loaded at an angle to the grain. However, this expression does not consider the influence of many geometrical parameters of the connection, material properties, and is limited in its applicability to softwood.

The primary objective of this thesis is to contribute to overcome these limitations in the case of European beech (Fagus sylvatica L.) beams loaded perpendicularly to the grain using dowel connections, by adopting a non-linear fracture mechanics approach. To this end, both experimental work and numerical simulations are carried out to investigate the influence of different parameters related to the connection geometry. In particular, the impact of using one or two dowels to transfer the load to the beam, the spacing between the dowels in the longitudinal direction of the beam, and their proximity to the supports are analysed. Additionally, the influence of beam slenderness and the effect of arranging a second connection symmetrically with respect to the centre of the beam are also studied.

In the numerical simulations carried out to reproduce the splitting failure in beams, cohesive zone models are employed to simulate both damage initiation and crack propagation. These models require the implementation of the elastic and fracture properties of the material, which have been obtained experimentally in this thesis. The twelve elastic constants that define the orthotropic compliance matrix of the European beech are determined by compression tests with strain measurements using digital image correlation techniques. Fracture properties in loading modes I and II are obtained from DCB (Double Cantilever Beam) and ENF (End-Notched Flexure) tests, respectively. The cohesive laws describing the fracture behaviour of the material are obtained by applying the direct method using the CBBM (Crack Based Beam Method) procedure to determine the fracture energy. This method has the advantage of not requiring crack growth measurement during the test, which is particularly beneficial for wood. The numerical results are compared with the experimental results and with those obtained from the formula included in Eurocode 5 and two other analytical reference models for the estimation of the splitting capacity.

Based on the work carried out, the influence of the studied parameters on the splitting capacity is demonstrated, highlighting the need to update the current code expression. The comparison between the experimental, numerical and theoretical failure loads reveals that the analytical models tend to estimate splitting capacity conservatively, particularly the expression included in Eurocode 5.

Finally, the proposed numerical model proves to be an effective tool to reliably predict the splitting capacity of European beech beams with dowel connections and different configurations.

This doctoral thesis is presented as a compendium of publications. Its content is articulated through four contributions made by the author and published in indexed scientific journals (JCR Q1).

RESUMEN

Las uniones mecánicas con clavijas son una solución ampliamente utilizada en estructuras de madera debido a su facilidad de montaje y desmontaje, rapidez de ejecución y elevada capacidad de carga. La posibilidad de desarrollar un comportamiento de fallo dúctil las hace especialmente interesantes. Sin embargo, bajo determinadas condiciones, se generan concentraciones de tensiones rasantes y perpendiculares a la fibra que pueden provocar un fallo frágil por hienda, como en el caso de las uniones con clavijas cargadas con ángulo respecto de la fibra.

El fallo por hienda en este tipo de uniones está directamente relacionado con los procesos de fractura del material. Sin embargo, no existe un consenso generalizado sobre cómo abordar adecuadamente el problema, tanto en lo referente a las expresiones analíticas para estimar su capacidad de carga, como a nivel de caracterización de las propiedades de fractura del material. El Eurocódigo 5 ofrece una expresión muy simplificada, basada en la mecánica de la fractura, para estimar la capacidad de carga frente a la hienda. Sin embargo, no considera la influencia de muchos parámetros geométricos de la conexión, de las propiedades del material, y restringe su aplicabilidad a las especies coníferas.

El objetivo general de la presente tesis es contribuir a superar dichas limitaciones, para el caso de vigas de madera de haya europea (Fagus sylvatica L.) cargadas perpendicularmente a la fibra mediante conexiones con pasadores, bajo el enfoque de la mecánica de fractura no lineal. Con este fin, se realizan trabajos experimentales y simulaciones numéricas para investigar la influencia de diferentes parámetros relacionados con la geometría de la conexión. En particular, se analiza el efecto de la colocación de uno y dos pasadores para transferir la carga a la viga, la separación entre los pasadores en la dirección longitudinal de la viga y su proximidad a los apoyos. Asimismo, se estudia la influencia de la esbeltez de la viga y el efecto de disponer una segunda conexión de manera simétrica respecto al centro de la viga.

En las simulaciones numéricas se emplean modelos de zona cohesiva, que permiten simular el inicio y la propagación de la fisura. Estos modelos requieren la implementación de las propiedades elásticas y de fractura del material, las cuales han sido obtenidas experimentalmente en esta tesis. Las constantes de elasticidad se determinan mediante ensayos de compresión con mediciones de deformaciones utilizando técnicas de correlación de imágenes digitales. Por su parte, las propiedades de fractura en los modos de carga I y II se obtienen a partir de ensayos DCB (Double Cantilever Beam) y ENF (End-Notched Flexure), respectivamente. Las leyes cohesivas que describen el comportamiento a fractura del material son obtenidas aplicando el método directo utilizando el procedimiento CBBM (Crack Based Beam Method) para obtener la energía de fractura. Los resultados numéricos se comparan con los experimentales y los obtenidos a partir de la expresión del Eurocódigo 5 y de otros dos modelos analíticos de referencia para la estimación de la capacidad de carga frente a la hienda.

En base a los trabajos realizados, se demuestra la influencia en la capacidad de carga a la hienda de los parámetros estudiados, sugiriendo la conveniencia de actualizar la expresión normativa vigente. La comparación entre las cargas de fallo experimentales, numéricas y teóricas revela que los modelos analíticos tienden a estimar de forma conservadora la capacidad de carga frente a la hienda, especialmente la expresión incluida en el Eurocódigo 5.

Por último, el modelo numérico propuesto demuestra ser una herramienta eficaz para predecir de manera fiable la capacidad de carga a la hienda de vigas de haya europea con uniones con pasadores y diferentes configuraciones.

La presente tesis doctoral se articula a través de cuatro contribuciones realizadas por el autor y publicadas en revistas científicas indexadas (JCR Q1).