Experimental investigation and probabilistic modeling of the mechanical properties of finger joints and glued laminated timber beams

Kestävä kehitys edellyttää rakennusten ympäristöjalanjäljen vähentämistä, ja kestävästi hoidetun metsän puusta valmistetut insinööripuutuotteet, kuten liimapuu, tarjoavat tähän ratkaisun. Liimapuupalkit ovat laajasti käytössä kantavana rakenteena niiden muunneltavuuden ja suotuisan lujuus-painosuhteen vuoksi. Nämä palkit valmistetaan lamelleista, jotka liitetään päätypinnoistaan sormijatkoksilla toisiinsa. Liimapuupalkkien mekaaninen suorituskyky riippuu suurelta osin sekä yksittäisten lamellien että sormijatkosten ominaisuuksista. Koska näiden komponenttien mekaanisissa ominaisuuksissa on vaihtelua, liimapuupalkkien mekaanisessa käyttäytymisessä voi olla huomattavaa vaihtelua. Tämänvuoksi tarkkojen ennustemallien kehittäminen ja validointi on oleellista liimapuupalkkien mekaanisten ominaisuuksien luotettavaan arviointiin ja materiaalin käytön optimointiin rakentamisessa. Tämän väitöskirjan päätavoitteena on edistää liimapuupalkkien probabilistista mallintamista ja validointia kehittämällä parempia ennustemalleja sormijatkoksille. Tämä mahdollistaa tarkemman liimapuun simuloinnin ja parantaa ymmärrystä paikallisen materiaalivaihtelun ja vikojen vaikutuksesta palkkien mekaaniseen käyttäytymiseen. Laajat kokeelliset tutkimukset suoritettiin 227 sormijatkoksella ja 62 rakenteellisen mittaluokan liimapuupalkilla, joiden sisäinen rakenne tunnettiin tarkasti. Sormijatkosmallien ennustamisessa käytettiin bayesiläisiä tilastollisia menetelmiä, jotka ottivat erityisesti huomioon lamellien sormijatkosten ulkopuolisesta murtumisesta johtuvan sensuroidun datan. Tämä lähestymistapa tuotti luotettavampia arvioita sormijatkosten veto- ja taivutusominaisuuksista lamellien lujuusluokitusindikaattoreiden perusteella. Palkkitasolla digitaalista kuvakorrelointia (DIC) hyödynnettiin tutkittaessa paikallisten vikojen vaikutusta mekaaniseen käyttäytymiseen. Tämä tarjosi uutta tietoa oksien ja sormijatkosten roolista liimapuupalkkien käyttäytymisessä. Nämä havainnot sisällytettiin probabilistiseen numeeriseen malliin, joka validoitiin rakenteellisen mittaluokan liimapuupalkkien koekuormituksella. Mallin ennustamistarkkuus liimapuupalkkien oli korkea (R² ≈ 0.97) taivutusjäykkyydelle ja taivutuslujuuden ennustamisessa tarkkuus oli kohtuullinen (R² ≈ 0.60). Validointitulosten perusteella malli soveltuu parametristen tutkimusten ja liimapuupalkkien optimoinnin tukemiseen, mahdollistaen luotettavammat liimapuurakenteet ja parannetun materiaalitehokkuuden. Toinen tämän väitöskirjan tavoite oli tutkia lamellien järjestyksen ja sijainnin vaikutusta liimapuupalkkien mekaanisiin ominaisuuksiin kokeellisesti ja numeerisesti. Molemmat lähestymistavat osoittivat, että lamellien järjestyksen muokkaaminen voi parantaa palkkien taivutusominaisuuksia. Tämä avaa lisämahdollisuuden liimapuupalkkien rakenteen optimointiin.