6/24/2011

1

Torsional stiffness of small‐ and medium‐size samples of cross laminated timber (CLT) panels:laminated timber (CLT) panels:optical measurements and FEM 

simulations

Lech Muszyński1

Mélanie Noyel2Mélanie Noyel2

Thomas Pisaneschi2

Václav Sebera3

Benjamin Sundberg1

Rakesh Gupta1

Université H. Poincaré(University of Nancy)

Cross laminated timber (CLT or Xlam)Kreuzlagenholz (KLH)

http://www.storaenso.com/d/

0607

/060

7240

451/

1.ph

pw

ww.

new

s.ja

njan

.jp/w

orld

6/24/2011

2

Cross laminated timber (CLT, KLH or Xlam)

CLT is manufactured in 3, 5, 7 and multilayer h d ff l b h k

v=pI3tMQ20

mzs&NR=

1

composites with different lumber thicknesses. 

Maximum overall thickness: 40 cm.

Surface can be finished with wood‐based panels (e.g. sheetrock  or plywood) by adhesive bonding

http://w

ww.you

tube

.com

/watch?v

Width: up to 2,95 mLength: up to 16 mThickness: up to 40 cmPre‐cutting: cuts for windows, doors, and so onWood species: Spruce , Pine or Larch (in EU)Adhesives: MUF, PRF, PUR

http://www.storaenso.com/

http://www.clt.info/

6/24/2011

3

Cross laminated timber (CLT, KLH or Xlam)

• Certified structural product in:pEU

– Germany

– France

– Spain

i– Austria

Russia

• Fire Code Approval in Canada http://www.binderholz‐bausysteme.com

Recently in NA…

http://www.fpinnovations.ca/pdfs/CLT.pdf

6/24/2011

4

CLT Movies!http://w

ww.clt.info/

Fast movie 

Objectives

To investigate the viability of Oregon Hybrid Poplar for Cross laminated timber:Poplar for Cross laminated timber:

– Investigate optimal bonding conditions 

– Master manufacturing small and medium scale CLT samples 

Determine benchmark mechanical characteristics of– Determine benchmark mechanical characteristics of the samples 

– Develop procedures for scaling up results from small‐scale samples to full‐scale elements

6/24/2011

5

Materials• Wood :Hybrid poplar, Greenwood Tree Farm

Nominal section = 6 x 1 ½ in, 8 ft long

Measured mean characteristics Moisture content = below 6%Measured thickness = 34.8 ± 1.4 mmDensity = 295 kg/m‐3 (19.4 cpf)Elastic modulus = 7.58 GPa (1 1*106 psi)Elastic modulus   7.58 GPa (1.1 10 psi)

• Adhesive :PRF resin, Hexion Specialty Chemicals, Springfield, ORResin : Cascophen LT‐5210JHardener : Cascoset FM‐6210

not exactly a structural‐grade timber

6/24/2011

6

Test proceduresBlock shear tests 

Methods:

Shear‐bending test based on ASTM 3044

modified ASTM D143 (14) 

modified ASTM D1037 (81‐86 & 87‐90)

P (dead weight)Δctr

Δsup

Sample E Sample L

Sample A Sample B

Shear block testsVariables

2 adhesive spread rates

Specimen geometry

2 adhesive spread rates

0.25 kg/m2 (55 lb/1000 ft2)

0.45 kg/m2 (100 lb/1000 ft2)

3 clamping pressures (12 hours)

0.34 MPa (50 psi)

Sample A Sample B

0.69 MPa (100 psi)

1.03 MPa (150 psi)

3‐8 specimens per condition, all specimens bonded at MC ~12 %

Sample E Sample L

6/24/2011

7

Shear block tests

Specimens:Shear blocks cut from small 3‐layer CLT billets bonded w/o surface prep

Shear block test results

Shear along the grains: 

5 63 MP ± 1 28 MP5.63 MPa ± 1.28 MPa

(817 psi ± 186 psi)Sample A

“Rolling shear”:

2.80 MPa ± 0.45 MPa

(406 i ± 65 i)Sample B

(406 psi ± 65 psi)

6/24/2011

8

Shear block test results

Rolling shear in clear wood samples 2.80 MPa ±0.45 MPa Rolling shear in clear wood samples 2.80 MPa ±0.45 MPa

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

ear stress, M

Pa

Type L avg Spread rate 0.25 kg/m2Spread rate 0.45 kg/m2

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

ear stress, M

Pa

Type E avg Spread rate 0.25 kg/m2Spread rate 0.45 kg/m2

Sample L Sample E Sample B

0.0

0.5

1.0

0.34 MPa (50 psi) 0.69 MPa (100 psi) 1.03 MPa (150 psi)

Max sh

e

clamping pressure

0.0

0.5

1.0

0.34 MPa (50 psi) 0.69 MPa (100 psi) 1.03 MPa (150 psi)Max sh

e

clamping pressure

No substantial effect of adhesive spread rates (between 0.25 and 0.45 kg/m2) 

Rolling shear in clear wood samples 2.80 MPa ±0.45 MPa

Shear block test results

3.0

3.5

Pa

Type L avg Type E avg

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Max sh

ear stress, MP

Sample L

S l E0.0

0.34 MPa (50 psi) 0.69 MPa (100 psi) 1.03 MPa (150 psi)

clamping pressure

Sample E

Sample B

Weak effect of billet bonding pressure in specimens Type LSpecimen Type L reveals the weakest aspect of the bond(should be preferred in testing)

6/24/2011

9

Shear block test results

120%

140%

ailure

Spread rate 0.45 kg/m2 Type L Type E

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Percen

t of rollin

g shear fa

0.34 MPa (a psi) 0.69 MPa (50 psi) 1.03 MPa (100 psi)

clamping pressure

In most cases failure is governed by rolling shear (regardless of the specimen type)

Test panels manufactured at 

3‐layer, 1.22 m x 1.22 m (4 ft x 8 ft*)(4 ft x 8 ft*) *later divided into two 4 ft x 4 ftClamping pressure: not measuredPRF Spread rate: 0.45 kg/m2 

3‐layer, 0.61 m x 0.61 m3 layer, 0.61 m x 0.61 m(2 ft x 2 ft)

Clamping pressure: 0.83 MPaPRF Spread rate: 0.45 kg/m2 

glue line ‐

6/24/2011

10

Tests on 4 ft x 4 ft samples

Panel twisting test b d ASTM 3044

Deflection measured w/ dial gages

P = 2.8482ΔR² = 0.9984

2

4

6

8

10

12

Load, kN

Load‐Deflection

Repeatibility test

Series w/ DIC

Linear (Repeatibility test)

based on ASTM 3044

0

2

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Δctr, mm

Tests on 4 ft x 4 ft samples

Panel twisting test b d ASTM 3044based on ASTM 3044

deflection measured optically 

(DIC) 

6/24/2011

11

Surface topography

Surface topography under load

6/24/2011

12

Deflection

Deflection paths to be analyzed

6/24/2011

13

‐6

‐4

‐2

0

2

Deflection, m

m

Deflections along ctr vertical

0.00

2.00

Deflections along the diagonal

0

2

Deflections along ctr horizontal

‐10

‐8

0 200 400 600 800 1000 1200Distance along vertical: Y, mm

Vertical in  Image #20 (P=6 kN)

Vertical in  Image #27 (P=0 kN)

‐10.00

‐8.00

‐6.00

‐4.00

‐2.00

0 200 400 600 800 1000 1200

Deflection, m

m

Distance along diagonal:  L, mm

Diagonal in Image  #20 (P=6 kN)

Diagonal in Image  #27 (P=0 kN)

‐10

‐8

‐6

‐4

‐2

0 200 400 600 800 1000 1200

Deflection, m

m

Distance along horizontal: X, mm

Horizontal in Image  #20 (P=6 kN)

Horizontal in Image  #27 (P=0 kN)

Measurements & Simulations

P = 2.8482ΔR² = 0.9984

4

6

8

10

12

Load, kN

Load‐Deflection

Repeatibility test

Series w/ DIC

Linear (Repeatibility test)

0

2

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Δctr, mm

6/24/2011

14

Simulation:4 ft x 4 ft panelSimulations based on measured longitudinal modulus of the hybrid poplar boards: 

7.58 GPa (1.1*106 psi) Other elastic properties derived from relations published in 2010 FPL Wood Handbook for eastern cottonwood and yellow poplar.

27/28

‐6

‐4

‐2

0

2

Deflection, m

m

Deflections along ctr horizontal

DIC (P=6 kN, hybrid poplar)

‐10

‐8

0 200 400 600 800 1000 1200Distance along horizontal: X, mm

( y p p )

FEM (P=6 kN, cottonwood)

FEM (P=6 kN, yellow poplar)

0

2

Deflections along the diagonal

‐2

‐1

0

Deflections along ctr vertical

‐10

‐8

‐6

‐4

‐2

0 200 400 600 800 1000 1200

Deflection, m

m

Distance along diagonal:  L, mm

DIC (P=6 kN, hybrid poplar)

FEM (P=6 kN, cottonwood)

FEM (P=6 kN, yellow poplar)

‐10

‐9

‐8

‐7

‐6

‐5

‐4

‐3

0 200 400 600 800 1000 1200

Deflection, m

m

Distance along vertical: Y, mm

DIC (P=6 kN, hybrid poplar)

FEM (P=6 kN, cottonwood)

FEM (P=6 kN, yellow poplar)

6/24/2011

15

Summary• Bond performance:

– No substantial effect of adhesive spread rates (between 0 25 d 0 45 k / 2)0.25 and 0.45 kg/m2) 

– Weak effect of billet bonding pressure in specimens Type L– Specimen Type L reveals the weakest aspect of the bond (should be preferred in testing)

– In most cases failure is governed by rolling shear (regardless of the specimen type)

G d t b t FEM i l ti d f ll• Good agreement between FEM simulation and full field deflection measurements on loaded panels

• Data analysis is pending

Acknowledgements

Mélanie Noyel & Thomas Pisaneschi graduate interns from ENSTIB (School of Wood Science and Timber Engineering)graduate interns from ENSTIB (School of Wood Science and Timber Engineering)division of the Université Henri Poincaré (University of Nancy) in Epinal, France

Milo Clauson, OSULee Jimerson, Collins/GreenWood

Todd Miller, Hexion Specialty Chemicals

6/24/2011

16

Questions?

Dark side Bright side

Bucket for bad ideas 

(just half full)

unrealitymag.com swg.stratics.com