Birch plywood has favorable mechanical properties that could be used in new types of connections for timber structures, and thus enable a substitution of the current system with steel plates. Such new connections could result in significant advantages in terms of environmental impact and economy as well as ease of prefabrication and mountability. However, there is a lack of data concerning some of the mechanical properties of birch plywood that would be necessary in order to perform a safe design. In particular, there is a lack of reliable data and understanding of the mechanical properties of birch plywood in directions other than along and perpendicular to the face grain. The aim of this thesis is to gain new knowledge about this anisotropy and to study the variation of the in-plane mechanical properties of birch plywood at different loading angles to the face grain, including effects of size and moisture changes. The goal is that this knowledge will serve as input for the design of birch plywood connections under various loading conditions in timber structures. Specifically, birch plywood specimens were laboratory tested in in-plane tension, compression, shear and bending. The results show that birch plywood possesses the highest tensile, compressive and bending strength and elastic modulus parallel to the face grain and the lowest ones at 45° to the face grain. The opposite findings were noticed for the shear strength and the shear modulus. Moreover, a size effect on the in-plane bending strength property was observed at 0° (parallel) and 90° (perpendicular) to the face grain but not at other angles, which is attributed to the different failure mechanisms. In addition, the increase of moisture leads to the decreased bending strength and elastic modulus in the hygroscopic range. Validated by the experimental work, both analytical and numerical models to predict the mechanical performance of birch plywood under different load conditions and various moisture contents are proposed.

Björkplywood har gynnsamma mekaniska egenskaper som skulle kunna användas i nya typer av knutpunkter (förband) för träkonstruktioner, och därmed möjliggöra en substituering av dagens system med stålplåtar. Sådana nya knutpunkter kan innebära avsevärda fördelar när det gäller miljöpåverkan och ekonomi samt en enkel prefabricering och monterbarhet. Det saknas dock data när det gäller vissa mekaniska egenskaper hos björkplywood som är nödvändiga för att kunna utföra en säker design. I synnerhet saknas tillförlitliga data och förståelse kring de mekaniska egenskaperna hos björkplywood i andra riktningar än längs och tvärs dess ytfanér. Syftet med denna avhandling är att ta fram ny kunskap om denna anisotropi och studera variationen av de mekaniska egenskaperna hos björkplywood i dess plan vid olika belastningsvinklar mot ytfanérets fiberriktning, inklusive effekter av storlek och fuktförändringar. Målet är att denna kunskap ska fungera som input för design av björkplywood-förband under olika belastningsförhållanden i träkonstruktioner. Specifikt testades prover av björkplywood i dess plan i drag, tryck, skjuvning och böjning. Resultaten visar att björkplywood har den högsta drag-, tryck- och böjhållfastheten och elasticitetsmodulen parallellt med ytfanérets fiberriktning och den lägsta vid 45° mot densamma. Det motsatta gäller för skjuvhållfasthet och -modul. Dessutom observerades en storlekseffekt avseende böjhållfastheten vid 0° (parallell) och 90° (vinkelrätt) mot ytfanérets fiberriktning men inte vid andra vinklar, vilket förklaras genom de olika brottmekanismerna. Dessutom leder ökningen av fukt till minskad böjhållfasthet och elasticitetsmodul i det hygroskopiska området. Validerat av det experimentella arbetet föreslås både analytiska och numeriska modeller för att förutsäga den mekaniska prestandan hos björkplywood under olika belastningsförhållanden och olika fuktkvoter.

Birch (Betula spp.) is a hardwood species with a wide natural distribution on the Eurasian continent, especially in northern Europe. Compared with conventional plywood made from softwood, birch plywood has favorable mechanical properties that could be used in new types of efficient connections for timber structures, and thus enable a substitution of current systems using slotted-in steel plates. Such new connections could result in significant advantages in terms of environmental impact and economy as well as ease of prefabrication and assembly. However, birch plywood has rarely been utilized in connections, and therefore, there is a lack of knowledge necessary to design safe timber structures applying such connection systems. In particular, there is a need for increased knowledge of the mechanical properties of birch plywood and its structural performance under various loading conditions. Current connections in timber structures usually also involve mechanical fasteners, e.g., steel screws and dowels, but there is limited use of adhesively bonded (glued) connections. 

The aim of this thesis is to gain new knowledge required for the development of adhesively bonded connections using birch plywood as gusset plates in structural applications. Examples of such structural applications are timber trusses and portal frames. In this context it is necessary, first, to characterize the in-plane mechanical properties of birch plywood, and second, to investigate its performance in adhesively bonded connections.

The results of the mechanical testing show that birch plywood possesses the highest and lowest tensile, compressive, and bending strength and elastic modulus at 0° (parallel) and 45°, respectively, to the face grain (the fiber direction of the face veneers). The opposite findings were noticed for the shear strength and the shear modulus. All these strength values are similar to or higher than the corresponding strength values of common softwood structural timber in its longitudinal direction. Moreover, a size effect on the in-plane bending strength property was observed at 0° and 90° to the face grain but not at other angles, which is attributed to different failure mechanisms. Based on the experimental work, both analytical and numerical models to predict the in-plane mechanical properties of birch plywood are proposed.

Three different adhesives systems were used in the studies: melamine-urea-formaldehyde (MUF), phenol-resorcinol-formaldehyde (PRF), and a two-component polyurethane (2C PUR). All adhesives used show adequate bonding strength between birch plywood and spruce glulam. However, the use of the adhesive systems should be further investigated in the future. The different manual pressing methods investigated show no significant influence on the bonding strength. Moreover, the bonding strength changes within a relatively small range when the loading direction is varied from 0° to 90°, which is beneficial for the design of birch plywood in adhesively bonded connections. A clear correlation exists between the bonding strength and the shear strength of the weakest wood adherend.

In addition, the moment capacity and bending stiffness of adhesively bonded connections using birch plywood were determined experimentally as well as by analytical and numerical models with a satisfactory agreement.

In timber connections, especially those that are prevalently loaded in tension and/or compression (e.g., in timber trusses), the contribution of the plywood width on the load-bearing capacity needs to be quantified. The results show that the tensile strength of birch plywood within the bonded area shows very low angle-dependence. This is possibly due to the restricted crack propagation at 22.5° and 45° when the gap between the bonded regions is small. The tensile capacity of birch plywood loaded at 0°, 22.5°, and 45° reaches a plateau at certain widths of the gusset plate, which can be well predicted and explained by the spreading angle theories proposed in this study.

In the future, more studies are required for the further development of the adhesively bonded connections with birch plywood. Some preliminary studies serving this purpose have been presented in the thesis as on-going work.

Björk (Betula spp.) är ett lövträdslag med bred naturlig utbredning på den Eurasiska kontinenten, särskilt i norra Europa. Jämfört med konventionell plywood tillverkad av barrträ har björkplywood gynnsamma mekaniska egenskaper som skulle kunna användas i nya typer av effektiva förband för träkonstruktioner och därmed möjliggöra en substituering av nuvarande system med inslitsade stålplåtar. Sådana nya förband kan resultera i betydande fördelar vad gäller miljöpåverkan och ekonomi samt enkel prefabricering och monterbarhet. Dock har björkplywood sällan använts i förband, och därför saknas kunskap som krävs för att utforma säkra träkonstruktioner med sådana förbandsystem. I synnerhet finns det ett behov av ökad kunskap om de mekaniska egenskaperna hos björkplywood och dess strukturella beteende under olika belastningsförhållanden. Nuvarande förband i träkonstruktioner involverar också vanligtvis mekaniska fästelement, t.ex. stålskruvar och -dymlingar, medan användningen av limmade förband är begränsad. 

Syftet med denna avhandling är att ta fram ny kunskap nödvändig för en utveckling av limmade förband med skivor av björkplywood i bärande träkonstruktioner. Exempel på sådana träkonstruktioner är fackverk och portalramar. I detta sammanhang är det nödvändigt att dels karaktärisera de mekaniska egenskaperna i planet hos björkplywood, dels att undersöka dess prestanda i limmade förband. 

Resultaten av de mekaniska testerna visar att björkplywood har den högsta och lägsta drag-, tryck- och böjhållfastheten och elasticitetsmodulen vid 0° (parallellt med) respektive 45° relativt ytfanérens fiberriktning. De motsatta resultaten noterades för skjuvhållfastheten och skjuvmodulen. Alla dessa hållfasthetsvärden är liknande eller högre än de motsvarande hållfasthetsvärdena för vanligt konstruktionsvirke av barrträ i dess längdriktning. Dessutom observerades en storlekseffekt för böjhållfastheten i planet vid 0° och 90° relativt ytfibrerna men inte vid andra vinklar, vilket tillskrivs olika brottbeteenden. Utifrån det experimentella arbetet föreslås både analytiska och numeriska modeller för att förutsäga de mekaniska egenskaperna i planet hos björkplywood. 

Tre olika limtyper användes i studierna: melamin-urea-formaldehyd (MUF), fenol-resorcinol-formaldehyd (PRF) och tvåkomponents polyuretan (2C PUR). Alla använda limtyper uppvisar tillräcklig styrka mellan björkplywood och limträ av gran. Dock bör användningen av limtyperna utredas vidare i framtida studier. De olika manuella limpressmetoderna som undersöks visar ingen signifikant inverkan på limfogens styrka. Dessutom ändras limfogens styrka marginellt när belastningvinkeln i förhållande till plywoodens yta varieras från 0° till 90°, vilket är fördelaktigt vid utformandet av björkplywood i limmade förband. Det finns en tydlig korrelation mellan limfogens styrka och skjuvhållfastheten hos det svagaste träsubstratet.

Vidare bestämdes momentkapacitet och böjstyvhet hos limförband med björkplywood experimentellt samt genom analytiska och numeriska modeller med tillfredsställande överensstämmelse.

I träförband, särskilt de som belastas i drag och/eller tryck (exempelvis i träfackverk), måste plywoodens bredd i förhållande till bärförmågan beräknas. Resultaten visar att draghållfastheten hos björkplywood inom det limmade området inte påverkas av ytfanerens fiberriktning i förhållande dragriktningen. Detta beror möjligen på den begränsade sprickutbredningen vid 22,5° och 45° då mellanrummet mellan de limmade områdena är litet. Draghållfastheten hos björkplywood belastad vid 0°, 22,5° och 45° når en platå vid vissa bredder hos plywoodskivan, vilket förutsägs väl och förklaras genom de teorier för spridningsvinkeln som föreslås i denna studie.

I framtiden krävs fler studier för vidareutveckling av limmade förband med björkplywood. Vissa preliminära studier som tjänar detta syfte har också presenterats som pågående försök i avhandlingen.