Structural performance of rounded dovetail connections: experimental and numerical investigations

Abstract

Rounded Dovetail Connections (RDC) are a relatively new wood-to-wood connection concept that, despite the lack of design guidance in standards, has become popular in timber construction due to the widespread of modern milling machinery. Because of the anisotropic nature of wood and the complex stress-strain state in RDC, the question of their dimensioning is very complex. Experimental and numerical investigations were carried out on full scale RDC used to connect two timber members as joist to beam connections subjected to quasi-static shear loading. The influence of two geometric parameters was investigated: the dovetail height (varied between 109 and 189 mm) and the flange angle (varied between 5 and 20°). Both, serviceability and ultimate limit states were studied using analysis of variance. It was found that the joint capacity (i) depends on the dovetail height, with an optimum of approximately 2/3 of the beam height and (ii) can be considered almost independent of the flange angle. The development and implementation of a numerical model for the design process of RDC was examined and good agreement between experimental and numerical load deformation curves validated the model, thus making it suitable for developing a method to predict RDC capacity. The paper proposes a probabilistic method to predict the capacity of RDC taking into account the scale sensitivity of the material strength, which is modelled using Weibull statistics, and considers not only the magnitude of the stress fields, but also the volume over which these stress peaks act. The proposed method has immediate actionable application for the improvement of RDC design.

Zusammenfassung

Schwalbenschwanz-Zapfenanschlüsse (SSZ) sind eine zimmermannsmäßige Methode für die Verbindung von Haupt- und Nebenträgern, die aufgrund der modernen CNC-Verarbeitungstechnologie im Holzbau populär geworden ist. Wegen der Anisotropie von Holz und des komplexen Spannungszustands in SSZ, ist die Frage ihrer Bemessung sehr kompliziert. Im vorliegenden Beitrag wird über experimentelle und numerische Untersuchungen zum Tragverhalten von SSZ unter quasi-statischer Kurzzeitbelastung berichtet. Der Einfluss von zwei geometrischen Parametern wurde untersucht: der Schwalbenschwanzzapfenhöhe (im Bereich zwischen 109 und 189 mm) und des Flanschwinkels (im Bereich zwischen 5 und 20°). Die Tragfähigkeit hängt (i) von der Schwalbenschwanzzapfenhöhe ab, mit einem Optimum von ungefähr 2/3 der Balkenhöhe und (ii) ist nahezu unabhängig vom Flanschwinkel. Ein numerisches Modell für die Dimensionierung von SSZ wurde entwickelt und durch die gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und numerischen Last-Verformungskurven validiert. Das Modell bildet die Grundlage für eine neue Methode zur Abschätzung der Tragfähigkeit von SSZ. Das vorgeschlagene probabilistische Konzept berücksichtigt den Größeneffekt in der Materialfestigkeit, modelliert unter Verwendung der Weibull-Verteilung, und betrachtet nicht nur die Größe der Spannungen sondern auch das Volumen, in dem diese auftreten. Die vorgeschlagene Methode hat unmittelbare Anwendung für die Verbesserung der Dimensionierung von Schwalbenschwanz-Zapfenanschlüssen.