Doktoratsinitiative "DokIn'Holz"

Holz - Mehrwertstoff mit Zukunft

H1: Numerische 3D-Modelle zur Ermittlung von Biegefestigkeiten, Festigkeiten und stochastischer Informationen von Brettschichtholz und Brettsperrholz unter Berücksichtigung von Material- und Strukturnichtlinearitäten

Dissertant:Mingjing LI (TU Wien)
Betreuer:Josef EBERHARDSTEINER (TU Wien)
Ko-Betreuer:Josef FÜSSL (TU Wien)
Wirtschaftspartner:Fachverband der Holzindustrie Österreichs (FVHÖ)

 

Hintergrund und Zielsetzung

Holzwerkstoffe wie Brettschichtholz (BSH) und Brettsperrholz (BSP) gewinnen zunehmend an Bedeutung im konstruktiven Ingenieurholzbau. Die Bemessung basiert derzeit auf zum Teil simplen statischen Verfahren welche Laminierungseffekte, Versagensmechanismen und Materialnichtlinearitäten nicht oder nur unzureichend abbilden. Des Weiteren fehlt ein mechanisch fundiertes Modell zur Verknüpfung von Sortierparametern (z.B. Astigkeit) des Rohmaterials und den effektiven Materialeigenschaften von Holzwerkstoffen. Um die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen Baumaterialien weiter zu verbessern ist ein umfassendes Verständnis des mechanischen Material- und Strukturverhaltens von Holzwerkstoffen unabdingbar. Dies ermöglicht letztendlich einen effizienteren Einsatz und dient zusätzlich als Basis zur Optimierung bestehender als auch zur Entwicklung neuer innovativer Werkstoffe aus Holz. 

Stand des Wissens

Bis jetzt wurde ein Großteil der Erkenntnisse über BSH durch statistische Auswertung umfangreicher Versuchsreihen gewonnen, wie z.B. in (Brandner & Schickhofer 2010) und den Referenzen darin. Analytische und numerische Untersuchungen beschränkten sich hauptsächlich auf eindimensionale stochastische Konzepte bzw. auf 2D Finite-Elemente Modelle kombiniert mit der Monte Carlo Methode (z.B. Frese 2010). Bemessungskonzepte für BSP basieren im Wesentlichen auf Verfahren der Balkentheorie (z.B. Kreuziger 2002). Ein 3D Finite-Elemente Modell wird vorgestellt in (Czaderski et al., 2007), wobei darin die Variabilität des Grundmaterials nicht berücksichtigt wird und keine effektiven Materialparameter abgleitet werden. 

Literatur

Brandner R, Schickhofer G (2010) Glued laminated timber in bending: thoughts, experiments, models and verification. In WCTE 2010 Conference Proceedings (DVD), Ceccotti A, van der Kuilen JW (eds.) 

Czaderski C, Steiger R, Howald M, Olia S, Gülzow A, Niemz P (2007) Versuche und Berechnungen an allseitig gelagerten 3-schichtigen Brettsperrholzplatten. Holz als Roh- und Werkstoff, 65:383-402

Frese M (2010) System effects in continuous glulam beams. In WCTE 2010 Conference Proceedings (DVD), Ceccotti A, van der Kuilen JW (eds.)

Hackspiel C (2010) Numerical simulation tool for wood grading. Dissertation, Technische Universität Wien.

Kandler G (2012) Review of stochastic finite-element approaches and assessment of their applicability to wood-based products. Diplomarbeit, Technische Universität Wien.

Kreuzinger H (2002) Bemessung im Holzbau: Verbundkonstruktionen. In Holzbau-Kalender 2002, 598-621, Karlsruhe. Bruderverlag.

Arbeitshypothese und methodischer Ansatz

Basierend auf dem 3D Finite-Elemente Modell für Holzträger mit Ästen vorgestellt in (Hackspiel 2012) und unter Einbindung von Stochastischen-Finite-Elemente Methoden (siehe Kandler 2012) soll ein numerisches Tool für Holzwerkstoffe zur Bestimmung von ausgewählten effektiven Steifigkeiten und Festigkeiten von BSH und BSP in Abhängigkeit des Werkstoffaufbaues (Dicke und Anzahl der Lamellen) und der (stochastischen) Eigenschaften des Grundmaterials entwickelt werden. Als Input für dieses Modell sollen sowohl Scandaten aus der Sortierung, mechanische Eigenschaften von Astgruppen (aus bereits vorhandenem 3D-Finite-Elemente Modell) und mittels Mehrskalenmodellierung bestimmte Holzeigenschaften herangezogen werden. 

 

Finite-Elemente Modell für Holzträger mit Ästen: Diskretisierung und Approximation der Äste mittels rotationssymmetrischen Kegeln (A) und beispielhafter Verlauf der Normalspannungen S11 in Trägerlängsrichtung (B). 

Erwartete Ergebnisse

Die Verknüpfung von stochastischen Parametern des Grundmaterials und des Holzwerkstoffes soll als Grundlage zur besseren Ausnutzung des mechanischen Potentials von Holzwerkstoffen dienen. Darüber hinaus sollte das grundlegende Verständnis des Tragverhaltens von Holzwerkstoffen eine signifikante Weiterentwicklung von bestehenden Holzwerkstoffen und eine verlässliche mechanische Bewertung von neuen/innovativen Holzprodukten, bestehend aus Nadel- oder Laubholz erlauben. Ein umfangreicheres Verständnis der Versagensmechanismen soll als Grundlage für verbesserte Durchstanznachweise, Anordnung und Wirkung von Verstärkungsmaßnahmen und Möglichkeiten der Produktoptimierung dienen.

Beitrag zu den Programmzielen

Eine verlässliche Vorhersagemöglichkeit der Variabilität der effektiven Materialeigenschaften von Holzwerkstoffen basierend auf den Charakteristika der Holzlamellen erlaubt letztendlich einen ressourceneffizienteren Einsatz des Grundmaterials. In Kombination mit einem besseren Verständnis des mechanischen Strukturverhaltens, und darauf aufbauenden zuverlässigeren  Bemessungskonzepten, kann die Wettbewerbsfähigkeit in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht deutlich erhöht werden. 

dokinholz.tuwien.ac.at