Evaluation of Splitting Capacity of Bottom Rails in Partially Anchored Timber Frame Shear Walls

248 Pages·2014·19.1 MB·English

ISSN: 1402-1544 ISBN 978-91-7583-XXX-X Se i listan och fyll i siffror där kryssen är
DOCTORA L T H E S IS
G
iu
s
e
Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering p
p
Division of Structural and Construction Engineering e

C
a
p Evaluation of Splitting Capacity of Bottom
r
o
ISSN 1402-1544 lu

ISBN 978-91-7583-149-7 (print) E Rails in Partially Anchored Timber Frame
v
ISBN 978-91-7583-150-3 (pdf) alu
a
t Shear Walls
Luleå University of Technology 2014 io
n

o
f
S
p
lit
t
in
g

C
a
p
a
c
it
y

o
f
B
o
t
t
o
m

R
a
ils
in Giuseppe Caprolu

P
a
r
t
ia
lly
A
n
c
h
o
r
e
d
T
im
b
e
r

F
r
a
m
e

S
h
e
a
r
W
a
lls

Evaluation of Splitting Capacity of Bottom
Rails in Partially Anchored Timber Frame
Shear Walls
Giuseppe Caprolu
Luleå University of Technology
Department of Civil, Environmental and Natural Resources
Engineering
Division of Structural and Construction Engineering
–
Timber Structures
Printed by Luleå University of Technology, Graphic Production 2014
ISSN 1402-1544
ISBN 978-91-7583-149-7 (print)
ISBN 978-91-7583-150-3 (pdf)
Luleå 2014
www.ltu.se
Abstract I
ABSTRACT
The horizontal stabilization of timber frame buildings is often
provided by shear walls. Plastic design methods can be used to
determine the load-carrying capacity of fully and partially anchored
shear walls. In order to use these methods, a ductile behaviour of the
sheathing-to-framing joint must be ensured. If hold-downs are not
provided, the vertical uplifting forces are transferred to the substrate by
the fasteners of the sheathing-to-framing joints. Since the forces in the
anchor bolts and the sheathing-to-framing joints do not act in the same
vertical plane, the bottom rail will be subjected to bending in the
crosswise direction, and splitting of the bottom rail may occur. If the
bottom rail splits the applicability of the plastic design method for
partially anchored shear walls is questionable. This doctoral thesis
addresses the problem of brittle failure of the bottom rail in partially
anchored timber frame shear walls.
The first part of the study comprised of two basic experimental
programs, for single-sided and double-sided sheathed shear walls. The
aim was to evaluate the different failure modes and the corresponding
splitting capacity of the bottom rail. Two brittle failure modes were
observed: (1) a crack opening from the bottom surface of the bottom
rail; and (2) a crack opening from the side surface of the bottom rail
along the line of the fasteners of the sheathing-to-framing joints. It was
found that the distance between the washer edge and the loaded edge
of the bottom rail has a decisive influence on the type of failure mode
and the maximum failure load of the bottom rail.
Two theoretical models for the load-carrying capacity for each type
of failure mode based on a fracture mechanics approach are studied and
validated. The two analytical closed-form solutions are in good
agreement with the test results. The fracture mechanics models seem to
capture the essential behaviour and to include the decisive parameters
of the bottom rail. These parameters can easily be determined and the
fracture mechanics models can be used in design equations for bottom
rails in partially anchored shear walls. Also, an extended fracture
mechanics model for the load-carrying capacity for each type of failure
mode is presented and evaluated.
The present study discusses the splitting behaviour of the bottom rail
and provides methods to determine the splitting capacity for two brittle
failure modes, splitting of the bottom surface (mode 1) and of the side
surface of the rail (mode 2). By these means brittle failure of the
bottom rail can be avoided and the full plastic load-carrying capacity of
the sheathing-to-framing joints can be utilized.

Sammanfattning III
SAMMANFATTNING
Horisontalstabiliseringen av byggnader med trästomme sker ofta via
skivverkan. Plastiska dimensioneringsmetoder kan användas för att
bestämma bärförmågan för fullt och partiellt förankrade skjuvväggar.
För att kunna använda dessa metoder, måste ett duktilt beteende hos
förbandet mellan skiva och stomme säkerställas. Om förankringsjärn
inte används, kommer de vertikala lyftkrafterna att överföras till
underlaget via förbindare mellan skiva och stomme. Eftersom krafterna
i förankringsbultarna och förbindarna mellan skiva och stomme inte
verkar i samma vertikala plan kommer syllen att utsättas för böjning
vinkelrätt fibrerna och uppsprickning av syllen kan resultera. Om syllen
spricker är det tveksamt om en plastisk dimensioneringsmetod kan
användas för partiellt förankrade skjuvväggar.
Den första delen i studien innehöll två experimentella delstudier, en
för enkelsidig och en för dubbelsidiga skivor. Syftet var att utvärdera
olika brottmoder och tillhörande kapacitet för syllen. Två spröda
brottmoder observerades: (1) en spricka längs syllen öppnas från botten
på syllen och uppåt och (2) en spricka längs syllen öppnas från sidan på
syllen och propagerar i huvudsak horisontellt längs förbindarna mellan
skiva och stomme. Avståndet mellan brickans kant och den belastade
änden av syllen har en avgörande påverkan på brottmod och maximal
last för syllen.
Två teoretiska modeller för bärförmågan för varje brottmod har
härletts, båda baserade på brottmekanik. De två analytiska lösningarna
överensstämmer väl med testresultaten. De brottmekaniska modellerna
fångar det grundläggande beteendet hos syllen och innehåller de
avgörande parametrarna. Dessa parametrar kan enkelt bestämmas och
brottmekaniska modeller kan användas i dimensioneringssituationen av
syllen i partiellt förankrade skjuvväggar. En vidareutveckling av de
brottmekaniska modellerna med förfinad modellering presenteras och
utvärderas också.
Studien diskuterar uppsprickning av syllen och visar på metoder för
att bestämma bärförmågan för två spröda brott: uppsprickning av
undersidan på syllen (mod 1) och av sidan på syllen (mod 2). Genom
att använda metoderna kan spröda brott i syllen undvikas och full
plastisk bärförmåga hos förbanden mellan skiva och stomme utnyttjas.

Acknowledgements V
ACKNOWLEDGEMENTS
First of all I would like to express my sincere gratitude to my
supervisors, Professor Ulf Arne Girhammar and Associate Professor
Helena Lidelöw for their support during these five years. I would also
like to thanks Professor Bo Källsner for sharing his broad knowledge in
timber structures and to Professor Barbara De Nicolo and Professor
Massimo Fragiacomo for helping me to start this journey.
Many thanks to all my colleagues at the University, for all I learned
from them and for their help. I would like also to thank the staff
working at the laboratory at Umeå University and SP laboratory in
Stockholm, where I performed all my experimental studies.
I take this chance to thank the Sardinian Region for its financial
support with the PhD scholarship program “Master and Back” that
gave me the idea and possibility to do this experience.
Finally I would like to thank my family for their mental support and
all friends and people I have met during these five years, you are too
many to be mentioned one by one, but I have to mention my best
friends Nicola and Damiano, you made my stay in cold Luleå warmer.

Giuseppe Caprolu
Luleå, November 2014