Zur numerischen Simulation des physikalisch nichtlinearen Kurzzeittragverhaltens von Nadelholz am Beispiel von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen

Grosse, Marco GND

In der Arbeit wird ein räumliches Materialmodell für den anisotropen Werkstoff Holz vorgestellt. Dessen Leistungsfähigkeit wird durch Verifikationsrechnungen und die Simulation eigener Versuche aufgezeigt. In diesen Versuchen wurde das Tragverhalten spezieller Schubverbindungselemente der Brettstapel-Beton-Verbundbauweise untersucht. Die Kombination eines Brettstapels mit einer schubfest angeschlossenen Betonplatte ist eine vorteilhafte Möglichkeit, Schnittholz mit geringem Querschnitt effektiv in biegebeanspruchten Bauteilen einzusetzen. Es werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zu den Schubverbindungselementen Flachstahlschloss und Nutverbindung vorgestellt. Diese zeichnen sich durch eine über die gesamte Plattenbreite kontinuierliche Übertragung der Schubkraft per Kontaktpressung aus. Vor allem in Brettstapel-Beton-Verbunddecken werden somit ein sehr hoher Verschiebungsmodul sowie eine eminente Tragfähigkeit erreicht. Um mit numerischen Strukturanalysen die in den Versuchen beobachteten Versagensmechanismen adäquat abbilden und realistische Prognosen für das Tragverhalten von Bauteilen oder Verbindungen treffen zu können, muss das physikalisch nichtlineare Verhalten aller beteiligter Baustoffe in die Berechnungen einbezogen werden. Im Rahmen der Dissertation wurde ein auf der Plastizitätstheorie basierendes Materialmodell für Nadelholz hergeleitet und in das FE-Programm ANSYS implementiert, welches die Mikrostruktur des Holzes als verschmierendes Ersatzkontinuum erfasst. Anhand des anatomischen Aufbaus des inhomogenen, anisotropen und porigen Werkstoffs werden die holzspezifischen Versagensmechanismen und die daraus abgeleiteten konstitutiven Beziehungen erläutert. Das ausgeprägt anisotrope Tragverhalten von Holz ist vor allem durch erstaunliche Duktilität bei Stauchung, sprödes Versagen bei Zug- und Schubbeanspruchung und enorme Festigkeitsunterschiede in den Wuchsrichtungen gekennzeichnet. Die Auswirkungen der größtenteils unabhängig voneinander auftretenden, mikromechanischen Versagensmechanismen auf die Spannungs-Verformungsbeziehungen wurden durch die Formulierung adäquater Ver- resp. Entfestigungsfunktionen in Abhängigkeit der Beanspruchungsmodi erfasst. Das dem Materialmodell zu Grunde liegende mehrflächige Fließkriterium berücksichtigt die Interaktion aller sechs Komponenten des räumlichen Spannungszustandes. Die durchgeführten Verifikations- und Simulationsberechnungen belegen, dass der erarbeitete Ansatz sowohl zur Bewertung des Tragvermögens als auch zur Beurteilung von Riss- bzw. Schädigungsursachen von Holzbauteilen eingesetzt werden kann. Die numerische Simulation eröffnet neue, bisher wenig beachtete Möglichkeiten zur Untersuchung komplexer Holzstrukturen sowie Anschlussdetails und wird sich auf Grund der Aussagekraft und Flexibilität auch im Ingenieurholzbau mehr und mehr gegenüber ausschließlich experimenteller Untersuchung durchsetzen.

In the dissertation a spatial model for the anisotropic, porous material wood is presented. The efficiency of this numerical approach is pointed out by verifying computations and simulations of own experiments. In these tests the load carrying behaviour of special joining techniques for laminated timber concrete composite constructions have been examined. The combination of a laminated timber element with a shear resistant joined concrete slab is a profitable alternative for effectively using lumber with small cross section in bending stressed members. The results of the experimental investigations of flat-steel-lock and notch connection are presented. These are characterised by a load transmission via contact pressure continuously over the entire slab width. Particularly in laminated timber concrete composite ceilings a very stiff load-deflection relationship as well as an eminent load-carrying capacity is reached. To simulate the structural behaviour of members and to model there failure mechanisms it is necessary to take the mechanically nonlinear behaviour in the critical and post critical range of all involved materials into account. For this reason a constitutive material model for timber based on the plasticity theory was implemented in the finite element code ANSYS. The basic multisurface yield criterion considers the interaction of all six components of the spatial stress state. The proposal is furthermore based on the classic continuum mechanics. Therefore, a crack is not described discretely, but by its effect on the stress deformation behaviour. The numerical model reproduces the wood-specific anisotropic, load dependent strengths as well as predominantly independent proceeding of strain hardening and, respectively, softening. The conducted verifications and simulations prove, that the designed approach can be applied to the evaluation of the load-carrying behaviour as well as crack and damage causes of timber components. The numerical simulation opens new potentialities for investigation of complex wooden structures as well as connection details. Compared with expensive experimental studies this procedure will gain more significance due to its expressiveness and flexibility even in timber engineering.

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Grosse, Marco: Zur numerischen Simulation des physikalisch nichtlinearen Kurzzeittragverhaltens von Nadelholz am Beispiel von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen. 2006.

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