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Numerical simulation of wooden boards considering morphological characteristics and complex failure processes

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[Quelle: http://repositum.tuwien.ac.at]

Der natürlich gewachsene Baustoff Holz weist ein komplexes Materialverhalten auf. Hauptursache dafür ist die wuchsinduzierte Orthotropie des astfreien Materials, zusätzlich jedoch wird dieser Effekt durch das Vorhandensein von Ästen und den daraus resultierenden Faserabweichungen verstärkt. Eine zuverlässige Vorhersage des mechanischen Verhaltens von Holzbrettern und Holzprodukten mittels numerischer Simulationstools ist daher nicht einfach umzusetzen. Allerdings vergrößert der Wunsch nach einer besseren Ausnutzung bzw. einer effizienteren Verwendung dieses wertvollen Baustoffs den Bedarf für solche Vorhersagemodelle laufend. Dadurch motiviert wurden in dieser Arbeit Simulationstools für Holzbretter entwickelt, die die Berücksichtigung von realistischen dreidimensionalen Faserverläufen rund um Äste und des komplexen Materialverhaltens von astfreiem Material ermöglichen. Die resultierenden Spannungs- und Verzerrungsfelder im elastischen Bereich und die Genauigkeit der berechneten Faserrichtungen werden mittels vollflächigen Verformungsmessungen an 4-Punkt-Biegeversuchen validiert. Weiters wurde ein Kriterium zur Bestimmung des Zeitpunkts des Strukturversagens entwickelt. Dabei werden die qualitativen Spannungsänderungen in vorher definierten Volumen rund um die Äste analysiert. Diese Herangehensweise basiert auf der Entstehung von Versagenszonen in der Nähe der Äste, welche hauptsächlich durch Zugspannungen quer zur Faserrichtung verursacht werden. Dies wurde durch Vergleiche mit 4-Punkt-Biege- und Zugversuchen von Holzbrettern mit unterschiedlichen Querschnittsabmessungen bestätigt. Im nächsten Schritt wurden die Versagensmechanismen selbst beschrieben und mit der Zellstruktur von Holz in Verbindung gebracht, weil sowohl die Rissinitiierung als auch die globale Richtung der Risse auf der Makroskala von den Struktureigenschaften der kleineren Längenskalen bestimmt werden. Um dieses Verhalten korrekt abbilden zu können, wurden alle möglichen Versagensmechanismen von zwei sich wiederholenden Einheitszellen ermittelt, welche Früh- bzw. Spätholz abbilden. Dabei wurde die sogenannte -eXtended Finite Element Method- angewandt. Mittels eines Stichprobenverfahrens wurde eine Vielzahl möglicher Belastungskombinationen erstellt und die beiden Einheitszelltypen damit entsprechend belastet. Für alle Simulationen wurden die entstandenen Versagenszustände ausgewertet, klassifiziert und globalen Rissrichtungen zugeordnet. Die daraus folgende Festlegung von zwei Mehrflächen-Versagenskriterien mit zugeordneten Rissrichtungen für die beiden Zelltypen erlaubt eine Implementierung in Subroutinen von kommerzieller Finite-Elemente-Software. Die Anwendung dieser Methode auf Simulationen von Zugversuchen auf der Jahrringskala zeigte, dass damit die entscheidenden Versagensmechanismen in Holz korrekt abgebildet werden können.

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Forschungsberichte

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Johannes Niedermeyer, Georg Keilholz, Dieter Schmid, Anke Blume
Verbesserung der Praxistauglichkeit der Baunormen durch pränormative Arbeit - Teilantrag 4: Holzbau. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3065
2018, 330 S., 47 Abb. u. 34 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ziel des Vorhabens war die pränormative Forschung im Vorfeld der praxisgerechten Überarbeitung und Weiterentwicklung des Eurocode 5 für den Holzbau (EN 1995-1-1; EN 1995-1-2; EN 1995-2). Die Arbeiten folgten dem Grundsatz, dass zunächst in einer Anamnese Schwachstellen und Überregulierungen des Eurocode 5 zusammengetragen wurden. Dann wurde in einer Diagnose geprüft, inwieweit diese Defizite in der Praxis Bedeutung haben, um anschließend Verbesserungen und Vereinfachungen im Sinne einer Therapie zu erarbeiten. Als verbesserungswürdige Schwerpunktthemen des Eurocode 5 haben sich aus deutscher Anwendersicht insbesondere die Regelungen zu den stiftförmigen Verbindungsmitteln sowie die Bemessung und Detaillierung von Verstärkungsmaßnahmen herausgestellt. Des Weiteren wurden die Bemessung von Wand- und Deckentafeln sowie die Konkretisierung der Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit priorisiert. Bedarfsweise wurden die Auswirkungen der Verbesserungsvorschläge zu Eurocode 5 auch an konkreten Bauteilen untersucht und mit den Bemessungsergebnissen des bisherigen Eurocode 5 verglichen. Bei allen bearbeiteten Themen wurde auch eine Reduktion der Anzahl der NDP und insbesondere der deutschen Zusatzregeln erreicht. Die Therapievorschläge mündeten in laufend überarbeitete und praxistaugliche Entwürfe von Normentexten für den Eurocode 5 selbst und für den zugehörigen Nationalen Anhang.

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Ulrike Kuhlmann, Johannes Leichtle
Sichere Auslegung von Horizontalverbänden zur Stabilisierung biegedrillknickgefährdeter Brettschichtholzträger. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3334
2016, 159 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Steifigkeit horizontaler Verbände ist entscheidend für eine ausreichende Seitensteifigkeit schlanker Biegeträger. Je größer die seitliche Auslenkung des Binders als Haupttragelement ist, desto größer sind die zu erwartenden nichtlinearen Effekte aus Theorie II. Ordnung auf den Binder und die daraus resultierenden Zusatzspannungen aus auftretendem Biegemoment um die z-Achse und Torsionsmoment um die x-Achse. Der Stabilitätsnachweis des Biegedrillknickens und der Schubspannungsnachweis infolge Querkraft und Torsion am Auflager werden dadurch zunehmend maßgebend für die Bemessung. Von entscheidender Bedeutung für das Biegedrillknicken als Effekt nach Theorie II. Ordnung ist die effektive Kipplänge und demzufolge die ausreichende Steifigkeit der Horizontalverbände, die es im Zusammenhang von neuen europäischen Normen und veränderten schlankeren Bauweisen zu untersuchen galt. Im Sinne einer standsicheren und wirtschaftlichen Dimensionierung sowohl der Binder als auch der Horizontalverbände wurde im Rahmen dieses Forschungsvorhabens die Wechselwirkungen zwischen Horizontalverband und Binder untersucht. Hierzu wurde ein bereits bestehendes numerisches Modell um eine horizontale Stützung am Obergurt und die Rechenroutine für einen holzbautypischen Satteldachträger erweitert. Im Rahmen einer Parameterstudie wurden Querschnittswerte des Biegeträgers und des Horizontalverbands variiert, um deren Einflüsse auf die erforderliche Steifigkeit zu erhalten. Mit zunehmender Trägerlänge und somit zunehmender Trägerschlankheit nimmt die Steifigkeit der Stützungen deutlich ab. Bei Vergrößerung des Abstands der Biegeträger und bei Vergrößerung des Durchmessers der Verbands-Zugdiagonalen steigen die Steifigkeiten dagegen deutlich an. Das in DIN EN 1995 vorgegebene Kriterium einer maximalen Verbandsdurchbiegung von 1/500 wurde bei allen untersuchten Träger- und Verbandskonfigurationen unter dem reinen Ansatz von Stabilisierungslasten eingehalten. Durch die sinusförmige Vorkrümmung des Biegeträgers entstehen in der Mitte des Horizon

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Matthias Gerold
Ergänzungsauftrag zum Forschungsvorhaben "DIN EN 1995 - EC 5 Holzbauten - Anwendungserprobung". Untersuchung von Pultdachträgern und Satteldachträgern mit geradem und gekrümmtem Untergurt zur Abschätzung des Einflusses des Faseranschnittwinkels bzw. Dachn. eigungswinkels. Schlussbericht
Bauforschung, Band T 3273
2012, 113 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Berechnungsgrundsätze für Pultdachträger, Satteldachträger mit geradem oder gekrümmtem Untergurt sowie gekrümmte Träger sind nach DIN EN 1995-1-1:2010 (kurz EC 5) und DIN 1052:2008 prinzipiell gleich. Jedoch wird in DIN 1052:2008 der Faseranschnittwinkel für Pultdachträger und Satteldachträger mit geradem Untergurt auf 10 und der Dachneigungswinkel im Firstbereich von Satteldachträgem mit gekrümmtem Untergurt auf 20 beschränkt. Eine solche Deckelung des Faseranschnittwinkels bzw. des Dachneigungswinkels ist im Eurocode nicht enthalten. Dem seinerzeitigen Projektteam zum Forschungsvorhaben "DIN EN 1995 - Eurocode 5 Holzbauten - Anwendungserprobung", aber auch den Mitgliedern des für den EC 5 zuständigen DIN-Spiegelausschusses sind keine systematischen Untersuchungen mit größeren Winkeln bekannt. Im Hinblick auf ein mögliches Sicherheitsdefizit haben die Harrer Ingenieure beim DiBt einen ergänzenden Forschungsauftrag zur Durchführung von Untersuchungen der drei Trägerformen Pultdachträger, Satteldachträger mit geradem Untergurt und Satteldachträger mit gekrümmtem Untergurt mit verschiedenen Faseranschnittwinkeln bzw. Dachneigungswinkeln beantragt. Die Untersuchungen erfolgten in Zusammenarbeit mit der Softwarefirma DLUBAL, welche die Träger mit dem Programm RFEM modelliert und berechnet hat. Im Vergleich dazu wurden die Binder nach den Berechnungsgrundsätzen der DIN EN 1995-1-1 Ausgaben Juni 1994 (Vornorm) sowie Dezember 2010, der DIN 1052 Ausgaben April 1988 sowie Dezember 2008 und nach den Diagrammen in der Veröffentlichung von BLUMER 1972/1979 - soweit vorhanden - nachgewiesen. Die Ergebnisse wurden als Kurverscharen aufgetragen.

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Simon Aicher
Tragfähigkeit und Bemessung von Brettschichtholzträgern mit runden Durchbrüchen - Sicherheitsrelevante Modifikationen der Bemessungsverfahren nach Eurocode 5 und DIN 1052
Bauforschung, Band T 3171
2008, 141 S., 139 Abb., 27 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die theoretischen Untersuchungen umfassten die Entwicklung eines Weibull-Theorie basierten Bemessungsverfahrens, wobei die Zugbeanspruchung rechtwinklig zur Faserrichtung als ausschlaggebend tragfähigkeitsbestimmend betrachtet wird. Der Weibull-Ansatz wurde gewählt, da er sich nachweislich gut für sprödbrüchige, stochastisch defektbehaftete Materialien/Materialeigenschaften und für die einfache Berücksichtigung sehr inhomogener Spannungsverteilungen in unterschiedlich großen Volumina eignet. Da die Weibull-Theorie bereits europäisch (EC 5) und national (DIN 1052:2004) für den Nachweis von "Querzug"-Spannungen infolge Umlenkkräften in gebogenen und satteldachförmigen BSH-Trägern verwendet wird, stellt die Wahl des Bemessungskonzepts auch die konsequente Ausweitung einer insgesamt als zielführend anerkannten Modellvorstellung für Brettschichtholz dar. Der Bemessungsansatz erfasst alle in den Versuchen als durchriss- und traglastbestimmend festgestellten Parameter: die Schnittgrößen V und M, das Durchbruchsverhältnis d/h, die bezogene Trägerkrümmung h/r tief m und die Bauteilgröße respektive den hiermit verbundenen Maßstabseffekt. Zur Anpassung des rechnerischen Bauteilwiderstandes im Bemessungsansatz an die Gesamtheit der Versuchsergebnisse wurde ein skalarer Parameter eingeführt, der durch Minimierung der Fehlerquadrate zwischen berechneten und experimentellen Werten aller Testreihen berechnet wird. Die Bestimmung des Kalibrierfaktors kann prinzipiell mit nahezu gleicher Anpassungsgüte sowohl bezüglich der charakteristischen Durchriss- wie der Höchstlasten vorgenommen werden. Auf der Grundlage der festgestellten Schädigungsabfolge und der Gesamtheit der Versuchsergebnisse ist jedoch im Hinblick auf die langfristige Standsicherheit und die Gebrauchstauglichkeit von BSH-Trägern mit Durchbrüchen ohne planmäßig akzeptierte großformatige Risse ausschließlich die Verwendung des anhand der Durchrisslasten bestimmten Kalibrierfaktors vertretbar. Das entwickelte Bemessungsverfahren liefert bei kleinen und mittleren Träger

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Volkhard Franz, Holger Schopbach
Technisch und wirtschaftlich optimierter Holzrahmenbau. Abschlussbericht
Entwicklung von Konstruktionshilfen zur Realisierung von technisch und wirtschaftlich optimierten Gebäuden in Holzrahmenbauweise, unter besonderer Berücksichtigung der neuen DIN 1052
Bau- und Wohnforschung, Band F 2486
2007, 92 S., 50 Abb., 23 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das vorliegende Forschungsvorhaben verfolgt die Zielsetzung, Hilfestellung für den Umstieg bei der Bemessung wesentlicher Bauteile im Holztafelbau zu liefern und damit die Akzeptanz für die neue Norm zu erhöhen. Dafür wird zunächst das der neuen DIN 1052 zugrunde liegende Sicherheitskonzept vorgestellt und näher erläutert. Anschließend werden, getrennt für die Bauteilgruppen Dach, Decke und Wand, einige gängige Konstruktionsvarianten dargestellt. Neben einer kurzen Einführung werden hier jeweils die notwendigen statischen Nachweise näher erläutert und die Anforderungen tabellarisch im Normenvergleich gegenübergestellt. Jedes Kapitel schließt mit vergleichenden Untersuchungen zwischen den Normen und gibt ggf. Hinweise zu möglichen Optimierungsansätzen. So hat beispielsweise bei den Dachbauteilen der gewählte Sparrenabstand einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtkosten. Bei einer kostenoptimierten Ausführung können Einsparungen von bis zu 20 Proz. erreicht werden. Auch für die Horizontalaussteifung werden die wesentlichen Nachweise für Wandtafeln sowie Dach- und Deckentafeln gemäß alter und neuer Holzbaunorm erläutert und vergleichend gegenübergestellt. Die wesentlichen Nachweise der alten sowie der neuen Norm werden in einer abschließenden Synopse nochmals ausführlich gegenübergestellt. Ablaufdiagramme für häufige Bemessungssituationen ergänzen die Arbeit. Darüber hinaus wird ein auf der Tabellenkalkulation Excel basierendes Bemessungstool zur Verfügung gestellt, welches die Vordimensionierung von Bauteilen nach alter und neuer Norm erlaubt. Bei ausgewählten Bauteilen werden die voraussichtlichen Kosten ebenfalls ermittelt. Um auf Änderungen reagieren zu können, die Bemessungshilfe weiter zu entwickeln und ggf. den Bedürfnissen der Anwender anpassen zu können, folgt die Umsetzung dem Leitgedanken "Open Source". Ein Großteil der Zellen ist zwar durch Zellschutz gegen unbeabsichtigtes Überschreiben geschützt, der Zellschutz kann aber ohne Passwort aufgehoben werden. Das Bemessungstool kann unter http://www.forsch

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Schmidt, Jonas; Burkhardt, Jürgen
Bühne frei für den Holzbau. Ingenieurholzbau
Bauen mit Holz, 2022

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Schmidt, Tobias
Effiziente Verbindungen für Brettsperrholz unter Scheibenbeanspruchung
Konstruktiver Ingenieurbau KI, 2021

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Ehrhart, Thomas; Steiger, René; Frangi, Andrea
Brettschichtholz aus Buche
Bautechnik, 2021

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Meyer, Holger
Verbesserung des Trittschallschutzes bei Massivholzdecken. Trittschallschutz bei Holzdecken - Teil 3
Der Zimmermann, 2020

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Trinkert, Angela
Lehrmethode mit Mehrwert. Ausbildung
Der Zimmermann, 2020

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Highlights aus dem Programm 2022