The method of predicting tightening torque and preload for bolts embedded in softwood using steel washers

• Autorzy: Kawecki Bartosz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2025.153352

Warianty tytułu

PL

Metoda przewidywania momentu dokręcania i siły sprężającej dla śrub osadzonych w drewnie iglastym przy użyciu podkładek stalowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents an investigation on tightening torque and preload prediction for bolts embedded in softwood using steel washers. A basis for the research was a lack of any information on the tightening torque value for bolted connections in the timber structures’ design codes. For this reason, two experimental tests, theoretical analysis and Finite Element modelling, were performed in the paper. The first experiment based on finding the tightening torque to relative displacement relationship. The next one enabled the author to check the maximal compressing force determined by theoretical approach. In this test, dependencies between plastic modulus including material’s compaction and modulus of elasticity were found too and then applied to the numerical model. Tightening torque was calculated according to agreed formulas elaborated for steel structures based on the obtained preload force value. The high correlation between results from the prepared numerical models and experimental tests was observed. The research presented in the paper has multiple applications, as estimating a proper tightening torque value that should clamp a bolted connection, predicting stresses in connection’s components and clamping pressure when connecting several elements due to tightening torque and bolt preload force introduction or predicting the structural response of multiple bolts connections in the first phase of the loading.

PL

W artykule przedstawiono badania dotyczące przewidywania momentu dokręcenia i siły sprężającej dla śrub osadzonych w miękkim drewnie iglastym przy użyciu podkładek stalowych. Podstawą badań był brak informacji o wartości momentu dokręcenia śrub w połączeniach śrubowych w normach projektowych konstrukcji drewnianych. Z tego powodu w artykule przeprowadzono dwa badania eksperymentalne, analizę teoretyczną oraz modelowanie Metodą Elementów Skończonych. Pierwsze doświadczenie polegało na wyznaczeniu zależności momentu dokręcenia od przemieszczenia względnego. Kolejne umożliwiło autorowi sprawdzenie maksymalnej siły ściskającej określonej teoretycznie. W teście tym znaleziono także zależności pomiędzy modułem plastycznym uwzględniającym zagęszczeniem materiału i modułem sprężystości, które następnie zastosowano do modelu numerycznego. Moment dokręcenia obliczono na podstawie ustalonych wzorów opracowanych dla konstrukcji stalowych bazując na uzyskanej wartości siły sprężającej. Zaobserwowano wysoką korelację pomiędzy wynikami opracowanych modeli numerycznych i wynikami badań eksperymentalnych. Badania przedstawione w artykule mają wiele zastosowań, jak oszacowanie właściwej wartości momentu dokręcenia, jaki powinien zostać wprowadzony do połączenia śrubowego, przewidywanie naprężeń w elementach połączenia i docisku podczas łączenia kilku elementów na skutek wprowadzenia momentu dokręcenia i siły sprężającej śruby, czy przewidywanie reakcji konstrukcji połączeń na wiele śrub w pierwszej fazie obciążenia.

Słowa kluczowe

EN

preload; tightening torque; prediction; bolt; softwood; experimental test; finite element method; modelling

PL

prognozowanie; siła sprężająca; moment dokręcania; śruba; drewno miękkie; badanie eksperymentalne; modelowanie; metoda elementów skończonych

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 71, nr 1
• Strony: 595--613
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Kawecki Bartosz

• Lublin University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Lublin, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-8134-5956

Bibliografia

• [1] X.T. Wang, E.C. Zhu, S. Niu, and H.J. Wang, “Analysis and test of stiffness of bolted connections in timber structures”, Construction and Building Materials, vol. 303, art. no. 124495, 2021, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.124495.
• [2] N.L. Rahim, F.T.S. Sheng, A.R.A. Karim, M. Nabialek, M.M. Al Bakri Abdullah, and M. Sroka, “Effect of bolt configurations on stiffness for steel-wood-steel connection loaded parallel to grain for softwoods in Malaysia”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 3, pp. 323-338, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.141888.
• [3] M. Johanides, D. Mikolasek, A. Lokaj, P. Mynarcik, Z. Marcalikova, and O. Sucharda, “Rotational stiffness and carrying capacity of timber frame corners with dowel type connections”, Materials, vol. 14, no. 23, pp. 1-26, 2021, doi: 10.3390/ma14237429.
• [4] M. Johanides, A. Lokaj, P. Dobes, and D. Mikolasek, “Numerical and experimental analysis of the load-carrying capacity of a timber semi-rigid dowel-type connection”, Materials, vol. 15, no. 20, 2022, doi: 10.3390/ma15207222.
• [5] C.L. dos Santos, J.J.L. Morais, and A.M.P. de Jesus, “Mechanical behaviour of wood T-joints. Experimental and numerical investigation”, Frattura ed Integrità Strutturale, vol. 9, no. 31, pp. 23-37, 2014, doi: 10.3221/IGFESIS.31.03.
• [6] M. Oudjene and M. Khelifa, “Elasto-plastic constitutive lawforwood behaviour under compressive loadings”, Construction and Building Materials, vol. 23, no. 11, pp. 3359-3366, 2009, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2009.06.034.
• [7] N. L. Rahim, et al., “The stiffness of steel-wood-steel connection loaded parallel to the grain”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 2, pp. 37-50, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.140628.
• [8] PN-EN 1995-1-1:2010 Eurocode 5: Design of timber structures – Part 1-1: General-Common rules and rules for buildings. Polski Komitet Normalizacyjny, 2010.
• [9] M.L. Siqueira and C.H.S. Del Menezzi, “Influence of the torque on the ultimate load of wood bolted joints”, in 19th International Congress of Mechanical Engineering. Brasilia, 2007. [Online]. Available: https://abcm.org.br/app/webroot/anais/cobem/2007/pdf/COBEM2007-0411.pdf.
• [10] A. Awaludin, T. Hirai, T. Hayashikawa, Y. Sasaki, and A. Oikawa, “Effects of pretension in bolts on hysteretic responses of moment-carrying timber joints”, Journal of Wood Science, vol. 54, no. 2, pp. 114-120, 2008, doi: 10.1007/s10086-007-0914-8.
• [11] A. Awaludin, T. Hirai, T. Hayashikawa, and Y. Sasaki, “Load-carrying capacity of steel-to-timber joints with a pretensioned bolt”, Journal of Wood Science, vol. 54, no. 5, pp. 362-368, 2008, doi: 10.1007/s10086-008-0962-8.
• [12] A. Awaludin, T. Hirai, T. Hayashikawa, Y. Sasaki, and A. Oikawa, “One-year stress relaxation of timber joints assembled with pretensioned bolts”, Journal of Wood Science, vol. 54, no. 6, pp. 456-463, 2008, doi: 10.1007/s10086-008-0985-1.
• [13] A. Awaludin, T. Hirai, Y. Sasaki, T. Hayashikawa, and Oikawa, “Beam to column timber joints with pretensioned bolts”, Civil Engineering Dimension, vol. 13, no. 2, pp. 59-64, 2011. [Online]. Available: https://ced.petra.ac.id/index.php/civ/article/view/18225/18094.
• [14] S.R.F. Vieira, C.H.S. Del Menezzi, and M.L. Siqueira, “Torque and tight time effect on the ultimate load and stiffness of maçaranduba (Manikara huberi Ducke A. Chev) wood bolted joint”, Scientia Forestalis, vol. 37, no. 84, pp. 459-464, 2009. [Online]. Available: https://www.ipef.br/publicacoes/scientia/nr84/cap13.pdf.
• [15] D. Matsubara, Y. Wakashima, H. Shimizu, and A. Kitamori, “The load factor in bolted timber joints under external tensile loads”, Journal of Wood Science, vol. 66, no. 1, 2020, doi: 10.1186/s10086-020-01857-4.
• [16] S. Izumi, T. Yokoyama, A. Iwasaki, and S. Sakai, “Three-dimensional finite element analysis of tightening and loosening mechanism of threaded fastener”, Engineering Failure Analysis, vol. 12, no. 4, pp. 604-615, 2005, doi: 10.1016/j.engfailanal.2004.09.009.
• [17] Q. Yu, H. Zhou, and L. Wang, “Finite element analysis of relationship between tightening torque and initial load of bolted connections”, Advances in Mechanical Engineering, vol. 7, no. 5, pp. 1-8, 2015, doi: 10.1177/1687814015588477.
• [18] Q.M. Yu, X.J. Yang, and H.L. Zhou, “An experimental study on the relationship between torque and preload of threaded connections”, Advances in Mechanical Engineering, vol. 10, no. 8, 2018, doi: 10.1177/1687814018797033.
• [19] H. Gong, J. Liu, and X. Ding, “Calculation of the effective bearing contact radius for precision tightening of bolted joints”, Advances in Mechanical Engineering, vol. 8, no. 9, pp. 1-8, 2016, doi: 10.1177/1687814016668445.
• [20] R.J. Ross, C.D. Risbrudt, M.A. Ritter, and T.H. Wegner, Wood Handbook: Wood as an Engineering Material. Madison, Wisconsin: United States Department of Agriculture Forest Service, Forests Products Laboratory, 2010, doi: 10.2737/FPL-GTR-190.
• [21] A.J.M. Leijten, A.J.M. Jorissen, and B.J.C. De Leijer, “The local bearing capacity perpendicular to grain of structural timber elements”, Construction and Building Materials, vol. 27, no. 1, pp. 54-59, 2012, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2011.07.022.
• [22] A.J.M. Leijten, H.J. Larsen, and T.A.C.M. Van der Put, “Structural design for compression strength perpendicular to the grain of timber beams”, Construction and Building Materials, vol. 24, no. 3, pp. 252-257, 2010, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2009.08.042.
• [23] T.A.C.M. Van Der Put, “Derivation of the bearing strength perpendicular to the grain of locally loaded timber blocks”, Holz als Roh – und Werkstoff, vol. 66, no. 6, pp. 409-417, 2008, doi: 10.1007/s00107-008-0258-0.
• [24] R.H. Hemanth, et al., “Performance evaluation of finite elements for analysis of advanced hybrid laminates”, in ABAQUS User’s Conference. 2010, pp. 1-15.