6/24/2011




                 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 Noyel2
                 Thomas Pisaneschi2                Université H. Poincaré
                                                   (University of Nancy)
                 Václav Sebera3
                 Benjamin Sundberg1
                 Rakesh Gupta1




       Cross laminated timber (CLT or Xlam)
               Kreuzlagenholz (KLH)
http://www.storaenso.com/                                                                          d/0607/0607240451/1.php
                                                                            www.news.janjan.jp/world




                                                                                                                                    1
6/24/2011




                                                  Cross laminated timber 
                                                  (CLT, KLH or Xlam)
                                                                 CLT is manufactured in 3, 5, 7 and multilayer 
                                                                 composites with different lumber thicknesses. 
                                                                               h d ff       l b h k
                                                                 Maximum overall thickness: 40 cm.
                             v=pI3tMQ20mzs&NR=1




                                                                 Surface can be finished with wood‐based panels 
                                                                 (e.g. sheetrock  or plywood) by adhesive bonding
http://www.youtube.com/watch?v




                                                                                                      http://www.storaenso.com/

                                                                Width:           up to 2,95  m
                                                                Length:          up to 16 m
                                                                Thickness:       up to 40 cm
                                                                Pre‐cutting:     cuts for windows, doors, and so on
                                                                Wood species:    Spruce , Pine or Larch (in EU)
                                                                Adhesives:       MUF, PRF, PUR




                                                               http://www.clt.info/




                                                                                                                                         2
6/24/2011




Cross laminated timber (CLT, KLH or Xlam)

 • Certified structural product in:
                        p
   EU
   – Germany
   – France
   – Spain
   – Austria
          i
   Russia
 • Fire Code Approval in Canada                       http://www.binderholz‐bausysteme.com




               Recently in NA…




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




                                                                                                    3
6/24/2011




                       CLT Movies!
http://www.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




                                                                     4
6/24/2011




                          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 mm
Density = 295 kg/m‐3 (19.4 cpf)
Elastic modulus = 7.58 GPa (1 1*106 psi)
Elastic modulus  7.58 GPa (1.1 10

• Adhesive :
  PRF resin, Hexion Specialty Chemicals, Springfield, OR
  Resin : Cascophen LT‐5210J
  Hardener : Cascoset FM‐6210




    not exactly a structural‐grade timber




                                                                  5
6/24/2011




                        Test procedures
 Block shear tests             Shear‐bending test based on 
 Methods:                         ASTM 3044
 modified ASTM D143 (14) 
 modified ASTM D1037 (81‐86 & 87‐90)

                                                                   P (dead weight)
                                                     Δctr




             Sample A      Sample B

                                                        Δsup




             Sample E      Sample L




                   Shear block tests
Variables                             Specimen geometry
2 adhesive spread rates
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)           Sample A     Sample B

      0.34 MPa (50 psi)
      0.69 MPa (100 psi)
      1.03 MPa (150 psi)
                                          Sample E      Sample L


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




                                                                                            6
6/24/2011




                     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 MPa 1.28 MPa
                       5 63 MP ± 1 28 MP
        Sample A
                       (817 psi ± 186 psi)

                     “Rolling shear”:
                       2.80 MPa ± 0.45 MPa
          Sample B
                       (406 psi ± 65 psi)
                       (406 i ± 65 i)




                                                          7
6/24/2011




                                                                            Shear block test results


                                                                                                             Sample L                                 Sample E                                          Sample B
                        3.5                                                                                                                         3.5
                                           Type L avg                                             Spread rate 0.25 kg/m2                                  Type E avg                                  Spread rate 0.25 kg/m2
                                                                                                  Spread rate 0.45 kg/m2                                                                              Spread rate 0.45 kg/m2
                        3.0                                                                                                                         3.0
                                                      Rolling shear in clear wood samples 2.80 MPa ±0.45 MPa                                               Rolling shear in clear wood samples 2.80 MPa ±0.45 MPa
      ear stress, MPa




                                                                                                                                  ear stress, MPa
                        2.5                                                                                                                         2.5

                        2.0                                                                                                                         2.0

                        1.5                                                                                                                         1.5
Max she




                                                                                                                            Max she
                        1.0                                                                                                                         1.0

                        0.5                                                                                                                         0.5

                        0.0                                                                                                                         0.0
                                                       0.34 MPa (50 psi)     0.69 MPa (100 psi)        1.03 MPa (150 psi)                                   0.34 MPa (50 psi)    0.69 MPa (100 psi)        1.03 MPa (150 psi)
                                                                            clamping pressure                                                                                   clamping pressure

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




                                                                            Shear block test results
                                                        3.5
                                                                                                                                     Type L avg                       Type E avg
                                                        3.0
                                                                           Rolling shear in clear wood samples 2.80 MPa ±0.45 MPa
                                                 Pa
                              Max shear stress, MP




                                                        2.5

                                                        2.0                                                                                                                                                    Sample L

                                                        1.5

                                                        1.0

                                                        0.5
                                                                                                                                                                                                               Sample E
                                                                                                                                                                                                               S   l E
                                                        0.0
                                                                     0.34 MPa (50 psi)                   0.69 MPa (100 psi)                                1.03 MPa (150 psi)
                                                                                                       clamping pressure

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




                                                                                                                                                                                                                                       8
6/24/2011




                                                      Shear block test results
                                   140%
                                          Spread rate 0.45 kg/m2                    Type L      Type E
                          ailure




                                   120%
Percent of rolling shear fa




                                   100%

                                   80%

                                   60%

                                   40%

                                   20%

                                    0%
                                            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 ft
                                                                                             Clamping pressure: not measured
                                                                                             PRF Spread rate: 0.45 kg/m2 


             3 layer, 0.61 m x 0.61 m
             3‐layer, 0.61 m x 0.61 m
             (2 ft x 2 ft)
                                      glue line ‐

             Clamping pressure: 0.83 MPa
             PRF Spread rate: 0.45 kg/m2 




                                                                                                                                          9
6/24/2011




        Tests on 4 ft x 4 ft samples
Panel twisting test    Deflection measured w/ dial gages
based on ASTM 3044
b d      ASTM 3044                                  Load‐Deflection
                                   12
                                              Repeatibility test
                                   10         Series w/ DIC
                                              Linear (Repeatibility test)
                                    8
                                                                                     P = 2.8482Δ




                        Load, kN
                                                                                     R² = 0.9984
                                    6

                                    4

                                    2

                                    0
                                        0.0      1.0                 2.0       3.0                 4.0

                                                                   Δ ctr, mm




        Tests on 4 ft x 4 ft samples
Panel twisting test 
based on ASTM 3044
b d      ASTM 3044
                                                                                         deflection 
                                                                                         measured 
                                                                                          optically 
                                                                                              (DIC) 




                                                                                                               10
6/24/2011




     Surface topography




Surface topography under load




                                      11
6/24/2011




          Deflection




Deflection paths to be analyzed




                                        12
6/24/2011




                                                                                                                                               Deflections along ctr vertical
                                                                                                                                      2


                                                                                                                                      0


                                                                                                                                      ‐2




                                                                                                                   Deflection, mm
                                                                                                                                      ‐4


                                                                                                                                      ‐6

                                                                                                                                                  Vertical in Image #20 (P=6 kN)
                                                                                                                                      ‐8
                                                                                                                                                  Vertical in Image #27 (P=0 kN)

                                                                                                                                    ‐10
                                                                                                                                           0     200        400         600          800    1000   1200
                                                                                                                                                           Distance along vertical: Y, mm


                                     Deflections along ctr horizontal                                                                          Deflections along the diagonal
                   2                                                                                                                2.00


                   0                                                                                                                0.00


                  ‐2                                                                                                             ‐2.00




                                                                                                                Deflection, mm
Deflection, mm




                  ‐4                                                                                                             ‐4.00


                  ‐6                                                                                                             ‐6.00

                                           Horizontal in Image  #20 (P=6 kN)                                                                      Diagonal in Image  #20 (P=6 kN)
                  ‐8                                                                                                             ‐8.00
                                           Horizontal in Image  #27 (P=0 kN)                                                                      Diagonal in Image  #27 (P=0 kN)

                 ‐10                                                                                                     ‐10.00
                             0             200        400        600          800     1000         1200                                    0     200       400         600           800    1000   1200
                                                   Distance along horizontal: X, mm                                                                       Distance along diagonal:  L, mm




                                                         Load‐Deflection
                             12
                                                  Repeatibility test
                                                                                                                                               Measurements 
                                                                                                                                                & Simulations
                             10                   Series w/ DIC
                                                  Linear (Repeatibility test)
                                 8
                                                                                            P = 2.8482Δ
                  Load, kN




                                                                                            R² = 0.9984
                                 6

                                 4

                                 2

                                 0
                                     0.0              1.0                2.0          3.0                 4.0

                                                                       Δ ctr, mm




                                                                                                                                                                                                                13
6/24/2011




  Simulation:
  4 ft x 4 ft panel
  Simulations 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




                                                                                                                   Deflections along ctr horizontal
                                                                                                          2


                                                                                                          0


                                                                                                          ‐2
                                                                                      Deflection, mm




                                                                                                          ‐4


                                                                                                          ‐6           DIC (P=6 kN, hybrid poplar)
                                                                                                                           (         y     p p )
                                                                                                                       FEM (P=6 kN, cottonwood)
                                                                                                          ‐8
                                                                                                                       FEM (P=6 kN, yellow poplar)

                                                                                                         ‐10
                                                                                                               0      200        400        600          800      1000   1200
                                                                                                                              Distance along horizontal: X, mm


                           Deflections along ctr vertical                                                          Deflections along the diagonal
                  0                                                                                        2
                  ‐1
                                                                                                           0
                  ‐2
                  ‐3
                                                                                                          ‐2
Deflection, mm




                                                                                        Deflection, mm




                  ‐4
                  ‐5                                                                                      ‐4
                  ‐6
                                                                                                          ‐6
                  ‐7         DIC (P=6 kN, hybrid poplar)
                                                                                                                       DIC (P=6 kN, hybrid poplar)
                  ‐8         FEM (P=6 kN, cottonwood)
                                                                                                          ‐8           FEM (P=6 kN, cottonwood)
                             FEM (P=6 kN, yellow poplar)
                  ‐9                                                                                                   FEM (P=6 kN, yellow poplar)
                 ‐10                                                                                     ‐10
                       0    200         400         600          800    1000   1200                            0      200         400        600           800    1000   1200
                                       Distance along vertical: Y, mm                                                           Distance along diagonal:  L, mm




                                                                                                                                                                                      14
6/24/2011




                              Summary
• Bond performance:
   – No substantial effect of adhesive spread rates (between 
     0 25 d 0 45 k / 2)
     0.25 and 0.45 kg/m ) 
   – 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
  Good agreement between FEM simulation and full 
                   tb t     FEM i l ti       d f ll
  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, OSU
                 Lee Jimerson, Collins/GreenWood
               Todd Miller, Hexion Specialty Chemicals




                                                                                            15
6/24/2011




                   Questions?
Dark side                            Bright side



                                   Bucket for 
                                   bad ideas 
                                 (just half full)




unrealitymag.com                swg.stratics.com




                                                          16

Session 29 ic2011 muszynski

  • 1.
    6/24/2011 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 Noyel2 Thomas Pisaneschi2 Université H. Poincaré (University of Nancy) Václav Sebera3 Benjamin Sundberg1 Rakesh Gupta1 Cross laminated timber (CLT or Xlam) Kreuzlagenholz (KLH) http://www.storaenso.com/ d/0607/0607240451/1.php www.news.janjan.jp/world 1
  • 2.
    6/24/2011 Cross laminated timber  (CLT, KLH or Xlam) CLT is manufactured in 3, 5, 7 and multilayer  composites with different lumber thicknesses.  h d ff l b h k Maximum overall thickness: 40 cm. v=pI3tMQ20mzs&NR=1 Surface can be finished with wood‐based panels  (e.g. sheetrock  or plywood) by adhesive bonding http://www.youtube.com/watch?v http://www.storaenso.com/ Width: up to 2,95  m Length: up to 16 m Thickness: up to 40 cm Pre‐cutting: cuts for windows, doors, and so on Wood species: Spruce , Pine or Larch (in EU) Adhesives: MUF, PRF, PUR http://www.clt.info/ 2
  • 3.
    6/24/2011 Cross laminated timber (CLT, KLH or Xlam) • Certified structural product in: p EU – Germany – France – Spain – Austria i Russia • Fire Code Approval in Canada http://www.binderholz‐bausysteme.com Recently in NA… http://www.fpinnovations.ca/pdfs/CLT.pdf 3
  • 4.
    6/24/2011 CLT Movies! http://www.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 4
  • 5.
    6/24/2011 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 mm Density = 295 kg/m‐3 (19.4 cpf) Elastic modulus = 7.58 GPa (1 1*106 psi) Elastic modulus  7.58 GPa (1.1 10 • Adhesive : PRF resin, Hexion Specialty Chemicals, Springfield, OR Resin : Cascophen LT‐5210J Hardener : Cascoset FM‐6210 not exactly a structural‐grade timber 5
  • 6.
    6/24/2011 Test procedures Block shear tests  Shear‐bending test based on  Methods: ASTM 3044 modified ASTM D143 (14)  modified ASTM D1037 (81‐86 & 87‐90) P (dead weight) Δctr Sample A Sample B Δsup Sample E Sample L Shear block tests Variables Specimen geometry 2 adhesive spread rates 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) Sample A Sample B 0.34 MPa (50 psi) 0.69 MPa (100 psi) 1.03 MPa (150 psi) Sample E Sample L 3‐8 specimens per condition, all specimens bonded at MC ~12 % 6
  • 7.
    6/24/2011 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 MPa 1.28 MPa 5 63 MP ± 1 28 MP Sample A (817 psi ± 186 psi) “Rolling shear”: 2.80 MPa ± 0.45 MPa Sample B (406 psi ± 65 psi) (406 i ± 65 i) 7
  • 8.
    6/24/2011 Shear block test results Sample L Sample E Sample B 3.5 3.5 Type L avg Spread rate 0.25 kg/m2 Type E avg Spread rate 0.25 kg/m2 Spread rate 0.45 kg/m2 Spread rate 0.45 kg/m2 3.0 3.0 Rolling shear in clear wood samples 2.80 MPa ±0.45 MPa Rolling shear in clear wood samples 2.80 MPa ±0.45 MPa ear stress, MPa ear stress, MPa 2.5 2.5 2.0 2.0 1.5 1.5 Max she Max she 1.0 1.0 0.5 0.5 0.0 0.0 0.34 MPa (50 psi) 0.69 MPa (100 psi) 1.03 MPa (150 psi) 0.34 MPa (50 psi) 0.69 MPa (100 psi) 1.03 MPa (150 psi) clamping pressure clamping pressure No substantial effect of adhesive spread rates  (between 0.25 and 0.45 kg/m2)  Shear block test results 3.5 Type L avg Type E avg 3.0 Rolling shear in clear wood samples 2.80 MPa ±0.45 MPa Pa Max shear stress, MP 2.5 2.0 Sample L 1.5 1.0 0.5 Sample E S l E 0.0 0.34 MPa (50 psi) 0.69 MPa (100 psi) 1.03 MPa (150 psi) clamping pressure Weak effect of billet bonding pressure in specimens Type L Specimen Type L reveals the weakest aspect of the bond Sample B (should be preferred in testing) 8
  • 9.
    6/24/2011 Shear block test results 140% Spread rate 0.45 kg/m2 Type L Type E ailure 120% Percent of rolling shear fa 100% 80% 60% 40% 20% 0% 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 ft Clamping pressure: not measured PRF Spread rate: 0.45 kg/m2  3 layer, 0.61 m x 0.61 m 3‐layer, 0.61 m x 0.61 m (2 ft x 2 ft) glue line ‐ Clamping pressure: 0.83 MPa PRF Spread rate: 0.45 kg/m2  9
  • 10.
    6/24/2011 Tests on 4 ft x 4 ft samples Panel twisting test  Deflection measured w/ dial gages based on ASTM 3044 b d ASTM 3044 Load‐Deflection 12 Repeatibility test 10 Series w/ DIC Linear (Repeatibility test) 8 P = 2.8482Δ Load, kN R² = 0.9984 6 4 2 0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 Δ ctr, mm Tests on 4 ft x 4 ft samples Panel twisting test  based on ASTM 3044 b d ASTM 3044 deflection  measured  optically  (DIC)  10
  • 11.
    6/24/2011 Surface topography Surface topography under load 11
  • 12.
    6/24/2011 Deflection Deflection paths to be analyzed 12
  • 13.
    6/24/2011 Deflections along ctr vertical 2 0 ‐2 Deflection, mm ‐4 ‐6 Vertical in Image #20 (P=6 kN) ‐8 Vertical in Image #27 (P=0 kN) ‐10 0 200 400 600 800 1000 1200 Distance along vertical: Y, mm Deflections along ctr horizontal Deflections along the diagonal 2 2.00 0 0.00 ‐2 ‐2.00 Deflection, mm Deflection, mm ‐4 ‐4.00 ‐6 ‐6.00 Horizontal in Image  #20 (P=6 kN) Diagonal in Image  #20 (P=6 kN) ‐8 ‐8.00 Horizontal in Image  #27 (P=0 kN) Diagonal in Image  #27 (P=0 kN) ‐10 ‐10.00 0 200 400 600 800 1000 1200 0 200 400 600 800 1000 1200 Distance along horizontal: X, mm Distance along diagonal:  L, mm Load‐Deflection 12 Repeatibility test Measurements  & Simulations 10 Series w/ DIC Linear (Repeatibility test) 8 P = 2.8482Δ Load, kN R² = 0.9984 6 4 2 0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 Δ ctr, mm 13
  • 14.
    6/24/2011 Simulation: 4 ft x 4 ft panel Simulations 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 Deflections along ctr horizontal 2 0 ‐2 Deflection, mm ‐4 ‐6 DIC (P=6 kN, hybrid poplar) ( y p p ) FEM (P=6 kN, cottonwood) ‐8 FEM (P=6 kN, yellow poplar) ‐10 0 200 400 600 800 1000 1200 Distance along horizontal: X, mm Deflections along ctr vertical Deflections along the diagonal 0 2 ‐1 0 ‐2 ‐3 ‐2 Deflection, mm Deflection, mm ‐4 ‐5 ‐4 ‐6 ‐6 ‐7 DIC (P=6 kN, hybrid poplar) DIC (P=6 kN, hybrid poplar) ‐8 FEM (P=6 kN, cottonwood) ‐8 FEM (P=6 kN, cottonwood) FEM (P=6 kN, yellow poplar) ‐9 FEM (P=6 kN, yellow poplar) ‐10 ‐10 0 200 400 600 800 1000 1200 0 200 400 600 800 1000 1200 Distance along vertical: Y, mm Distance along diagonal:  L, mm 14
  • 15.
    6/24/2011 Summary • Bond performance: – No substantial effect of adhesive spread rates (between  0 25 d 0 45 k / 2) 0.25 and 0.45 kg/m )  – 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 Good agreement between FEM simulation and full  tb t FEM i l ti d f ll 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, OSU Lee Jimerson, Collins/GreenWood Todd Miller, Hexion Specialty Chemicals 15
  • 16.
    6/24/2011 Questions? Dark side Bright side Bucket for  bad ideas  (just half full) unrealitymag.com swg.stratics.com 16