[논문 리뷰] Hysteretic behaviour of metal connectors for hybrid (high- and low-grade mixed species) cross laminated timber

Vahid Mahdavifar, André R. Barbosa외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 21.

Wood Treatment and Properties참고 문헌 6인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 고급 및 저급 목재 종류로 구성된 하이브리드 크로스lam니네이티드 토목판(CLT) 패널 내 금속 커넥터의 히스테리시스 거동을 조사한다. 수정된 CUREE 순환 하중 시험 방법을 통해, 저밀도 코어층에서 커넥터 성능이 크게 다름을 확인하였으며, 특히 볼트나 나사가 코어 재료를 관통할 경우, 고장 모드에 따라 힘-변위 반응에 통계적으로 유의미한 차이가 있음을 밝혀냈다.

ABSTRACT

Cross-laminated timber (CLT) is a prefabricated solid engineered wood product made of at least three orthogonally bonded layers of solid-sawn lumber that are laminated by gluing longitudinal and transverse layers with structural adhesives to form a solid panel. Previous studies have shown that the CLT buildings can perform well in seismic loading and are recognized as the essential role of connector performance in structural design, modelling, and analysis of CLT buildings. When CLT is composed of high-grade/high-density layers for the outer lamellas and low-grade/low-density for the core of the panels, the CLT panels are herein designated as hybrid CLT panels as opposed to conventional CLT panels that are built using one lumber type for both outer and core lamellas. This paper presents results of a testing program developed to estimate the cyclic performance of CLT connectors applied on hybrid CLT layups. Two connectors are selected, which can be used in wall-to-floor connections. These are readily available in the North American market. Characterization of the performance of connectors is done in two perpendicular directions under a modified CUREE cyclic loading protocol. Depending on the mode of failure, in some cases, testing results indicate that when the nails or screws penetrate the low-grade/low-density core lumber, a statistically significant difference is obtained between hybrid and conventional layups. However, in other cases, due to damage in the face layer or in the connection, force-displacement results for conventional and hybrid CLT layups were not statistically significant.

연구 동기 및 목표

• 혼합된 고급 및 저급 목재 종류를 사용한 하이브리드 CLT 패널 내 금속 커넥터의 순환 성능을 평가하기 위해.
• 일반적인 균일한 종류의 목재를 사용한 CLT와 비교하여 하이브리드 CLT의 레이아웃에서 커넥터 거동을 비교하기 위해.
• 코어 목재의 밀도가 순환 하중 하에서 커넥터의 연성, 강성 및 에너지 소산 능력에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 하이브리드 구조에서 커넥터 성능에 영향을 미치는 고장 모드를 특정하기 위해.
• 하이브리드 CLT 구조의 개선된 지진 설계 및 모델링을 위한 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 고급 및 저급 목재를 수직 방향으로 적층한 하이브리드 CLT 패널에 설치된 금속 커넥터에 대해 순환 하중 시험을 수행하기 위해.
• 지진 조건을 시뮬레이션하기 위해 두 개의 수직 방향에서 수정된 CUREE 순환 하중 프로토콜을 사용하기 위해.
• 북미 시장에서 벽-바닥 연결에 적합한 두 가지 상용 커넥터를 선정하기 위해.
• 강성, 강도, 연성 및 에너지 소산 능력을 평가하기 위해 힘-변위 반응을 측정하기 위해.
• 시각적 점검과 힘-변위 데이터를 분석하여 표면층과 코어층 고장 간의 차이를 구분하기 위해 고장 모드를 분석하기 위해.
• 하이브리드 및 전통적 CLT 레이아웃 간 결과를 비교하기 위해 통계 분석을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 CLT 패널 내 금속 커넥터의 히스테리시스 거동은 전통적 CLT 패널과 어떻게 다를까?
• RQ2 저밀도 코어 목재는 순환 하중 하에서 커넥터 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 표면층 고장 또는 코어층 고장 중 어떤 고장 모드가 하이브리드 CLT에서 커넥터 반응에 가장 크게 영향을 미치는가?
• RQ4 하이브리드 및 전통적 CLT 레이아웃 간 힘-변위 반응에 통계적으로 유의미한 차이가 있는가?
• RQ5 하이브리드 CLT에서 목재 종류와 레이어 구성에 따라 커넥터의 연성과 에너지 소산 능력은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 나사나 볼트가 저급/저밀도 코어 목재를 관통할 경우, 하이브리드 CLT 레이아웃과 전통적 CLT 레이아웃 간 힘-변위 반응에 통계적으로 유의미한 차이가 관찰되었다.
• 표면층 또는 연결 부위에서 고장이 발생한 경우, 하이브리드 및 전통적 CLT 구성 간에 통계적으로 유의미한 차이가 없었다.
• 커넥터의 강성과 에너지 소산 능력은 볼트가 저밀도 코어를 관통할 경우 코어층 성질에 더 민감하게 반응하였다.
• 고장 모드—특히 고장이 표면층에서 시작되었는지 코어층에서 시작되었는지—가 관측된 히스테리시스 반응에 중대한 영향을 미쳤다.
• 결과적으로 하이브리드 CLT에서 커넥터 성능은 균일하게 예측 가능하지 않으며, 특정 고장 메커니즘과 재료 적층 방식에 따라 달라진다.
• 연구는 커넥터 거동이 레이어 구성 기반으로 철저히 평가된다면 하이브리드 CLT를 지진 응용에 활용하기 위한 실증 데이터를 제공한다.