FLEXURAL BEHAVIOUR OF GLULAM BEAMS AT AMBIENT AND ARCTIC TEMPERATURES UNDER IMPACT LOADING

Abstract

An increase in the exposure of structures to accidental and malicious blast explosions over the last three decades has led to a desire to increase our understanding of blast load effects on structures. High magnitude, short duration loading events, such as blast explosions and impacts, have the potential to generate catastrophic effects on infrastructure and to cause loss of life. Although design provisions for engineered wood products are included in Canada’s current blast design standard, CSA S850, how these structural materials respond to blast and impact loads across a wide range of high strain rates has not been well documented. Additionally, threats to Canada’s national security, specifically our need to defend Canada’s North, have become increasingly urgent on the current global stage. With a requirement for an increasing presence in the North, the rise of new threats to National Security, and the need to build more environmentally sustainable buildings, the use of wood to construct blast and impact resistant structures that can be used in all areas of Canada is critical for construction in the future. It is for these reasons that an experimental program was carried out to investigate the flexural behaviour of glued-laminated timber (glulam) subjected to impact loading under ambient and extreme cold temperatures. Quasi-static four point bending flexural tests were conducted on three 137 mm x 267 mm x 2500 mm normal temperature beams, four 137 mm x 178 mm x 1650 mm normal temperature beams, and three 137 mm x 178 mm x 1650 mm cold temperature beams to obtain average 1 minute flexural strength values. This resulted in an overall average strength increase factor (SIF) of 1.20. Dynamic impact testing was conducted using the newly established drop weight impact testing facility at the Royal Military College of Canada, capable of imparting up to 23 kJ of energy onto small to full scale structural elements. Six 137 mm x 267 mm x 2500 mm normal temperature beams, four 137 mm x 178 mm x 1650 mm normal temperature beams, and four 137 mm x 178 mm x 1650 mm cold temperature beams were tested under dynamic loading in order to determine high strain rate effects and their behaviour under extreme loading and extreme temperature conditions. For strain rates in the range of 0.67 to 1.05 s^(-1), an average dynamic increase factor (DIF) on the modulus of rupture (MOR) and modulus of elasticity (MOE) of the large glulam beams was determined to be 1.13 and 1.20 respectively. For strain rates from 1.13 to 1.38 s^(-1), the small normal temperature beams response resulted in a DIF on the MOR and MOE of 1.20 and 1.22 respectively. The cold temperature beams resulted in an increase on MOE of 1.18 under both static and dynamic conditions when compared to their normal temperature counterparts. The dynamic cold beams experienced a dynamic increase on the MOR over the normal temperature dynamic beams of 1.14. This resulted in a DIF on the MOR and MOE of 1.34 and 1.21 respectively for strain rates from 1.14 to 1.31 s^(-1). The observed increase in strength for the dynamic cold temperature beams remains inconclusive due to the smaller number of samples. Lastly, the beams were modeled using single degree of freedom (SDOF) analysis and conservation of energy was investigated. The study showed that SDOF analysis models the behaviour of glulam beams under impact very well, accurately estimating the maximum displacement.

Une augmentation de l'exposition des structures aux explosions accidentelles et malveillantes au cours des trois dernières décennies a créé un intérêt d’augmenter notre compréhension des effets d’explosions sur les structures. Les chargements de grande amplitude et brève durée, tels que les explosions et les impacts, ont le potentiel de générer des effets catastrophiques sur l’infrastructure et de causer des pertes de vie. Bien que les produits en bois d'ingénierie soient inclus dans la norme canadienne sur la conception des structures soumises à des charges d’explosion, le CSA S850, la façon dont ces matériaux structuraux réagissent aux charges d’explosion et d'impact avec des taux de déformation élevés n’est pas couramment documentée en détail. De plus, les menaces à la sécurité nationale du Canada, en particulier notre besoin de défendre le Nord canadien, sont devenues de plus en plus urgentes. Avec l'exigence d’avoir une présence grandissante dans le Nord, l’ascension de nouvelles menaces à la sécurité nationale, et la nécessité de construire des bâtiments écologiquement, l'utilisation du bois pour construire des structures résistantes aux explosions et aux chocs qui peuvent être utilisées dans toutes les régions du Canada est essentielle pour le développent de l’industrie de construction. C’est pour ces raisons qu’un programme expérimental a été réalisé pour étudier le comportement en flexion du bois lamellé-collé soumis aux chargements d'impact sous des températures ambiantes et extrêmement froides. Des expérimentations de flexion à quatre points quasi-statiques ont été effectuées sur trois poutres à température normale mesurant 137 mm x 267 mm x 2500 mm, quatre poutres à température normale mesurant 137 mm x 178 mm x 1650 mm et trois poutres à température froide mesurant 137 mm x 178 mm x 1650 mm pour obtenir les résistances de flexion normalisées à une période de chargement d’une minute. D’après les résultats de ces expérimentations, un facteur d’augmentation de force de 1,20 a été déterminé. Des expérimentations dynamiques d'impact ont été conduites avec la nouvelle installation de recherche d’impact au Collège militaire royal du Canada, capable de transmettre jusqu'à 23 kJ d'énergie auprès des éléments structuraux. Six poutres à température normale mesurant 137 mm x 267 mm x 2500 mm, quatre poutres à température normale mesurant 137 mm x 178 mm x 1650 mm et quatre poutres à température froide mesurant 137 mm x 178 mm x 1650 mm ont été soumises à des chargements dynamiques afin de déterminer leur comportement aux taux de déformation élevé, aux chargements d’impact et de températures extrêmes. Pour des taux de déformation de 0,67 à 1,05 s^(-1), un facteur d'augmentation dynamique sur le module de rupture et le module d’élasticité des grandes poutres lamellé-collé était respectivement 1,13 et 1,20. Pour des taux de déformation de 1,13 à 1,38 s^(-1), les petites poutres à température normale ont démontré un facteur d'augmentation dynamique sur le module de rupture et le module d’élasticité respectivement de 1,20 et 1,22. Les poutres à température froide ont subi une augmentation sur le module d’élasticité de 1,18 dans les tests statiques et dynamiques comparé à leurs tests équivalents à température normale. Les poutres à température froides dynamiques par rapport aux à celles chargées de façon dynamiques à température normale ont subi une augmentation sur le module de rupture de 1,14. Ces tests ont démontré un facteur d'augmentation dynamique sur le module de rupture et le module d’élasticité respectivement de 1,34 et 1,21 pour les taux de déformation de 1,14 à 1,31 s^(-1). Les résultats reliés à l'augmentation de la résistance observée pour les poutres dynamiques à température froide sont moins conclusifs à cause du petit nombre d’essais. Enfin, les poutres ont été modélisées à l'aide d'une analyse à un seul degré de liberté pour les expérimentations dynamiques. Le principe de conservation d'énergie a aussi été étudié. L'étude a démontré que l’analyse à un seul degré de liberté modèle très bien le comportement des poutres en bois lamellé-collé sous des charges d’impact, estimant avec précision le déplacement maximal.