Analyse und Modellierung der Zusammenhänge zwischen der Tragfähigkeit und den Gewindeparametern von Holzschrauben durch die Entwicklung von Analysetechniken = Analysis and Modeling of the Relations between Load-Bearing Capacity and Thread Parameters of Wood Screw Connections through the Development of Analysis Techniques

In der Gestaltung ist die zentrale Aufgabe, ein Produkt so zu gestalten, dass es die geforderten Funktionen erfüllt. Eine besondere Herausforderung stellen hierbei Bauteilverbindungen dar und hier insbesondere die Holzschraubverbindungen. Bei diesen kann im Gewindekontakt zwischen Schraube und Holz nur die Gestalt der Schraube verändert werden, um die Funktion zu erfüllen. Für die Auslegung der Holzschraubverbindung ist die Tragfähigkeit wesentlich und daher eine Entwicklungszielgröße in der Gestaltung. Die Tragfähigkeit basiert auf den Wechselwirkungen zwischen Schraubengewinde und Holz. ... mehrFür die Gestaltung ist das Wissen zu den Zusammenhängen zwischen Tragfähigkeit und Gewindegestalt, welches in Modellen zu Gestalt-Funktion-Zusammenhänge gebildet wird, notwendig. Bislang fehlen jedoch sowohl dieses Wissen zu den Zusammenhängen als auch Methoden zur Ermittlung dieser Zusammenhänge. Mit diesem Wissen kann die Gestaltung von Holzschrauben hin zu einer höheren Tragfähigkeit unterstützt sowie nachgeordnet ein Beitrag zum ressourcenschonenden Bauen mit dem nachwachsenden Baustoff Holz erzielt werden.
Das wissenschaftliche Ziel dieser Arbeit ist die Analyse und Modellierung der Zusammenhänge zwischen der Tragfähigkeit und den Gewindeparametern von Holzschrauben. In dieser Forschungsarbeit werden zunächst Einflussgrößen auf das Versagenverhalten im Gewindekontakt identifiziert. Dafür werden die Analysetechniken Continued Movement und Sectional Imaging entwickelt. Die Holzfaserrichtung wird als Einflussgröße auf das Versagenverhalten identifiziert und nachfolgend bei der Ermittlung des Einflusses der Gewindeparameter auf die Tragfähigkeit berücksichtigt. Dazu wird ein neuer Experimentalaufbau zum Schrauben-Testing entwickelt. Wesentlich an diesem Aufbau ist ein Gewinde-Testobjekt mit geraden Flanken, wodurch die Einflüsse der Gewindeparameter in gezielten Ebenen zur Faserrichtung untersucht werden können. Mit diesem Aufbau kann erstmals der Einfluss der Gewindesteigung nachgewiesen werden. Durch einen Algorithmus wird die Wirkung der Gewindesteigung auf das Versagen gemessen. Mit diesen Ergebnissen werden die Gestalt-Funktion-Zusammenhänge des Flankenabstands, des Steigungswinkels, der Profilhöhe und des Flankenwinkels modelliert. Zur Validierung dieser Modelle wird die korrekte Vorhersage dieser Gewindeparameter auf das Haltevermögen untersucht. Die ermittelten Zusammenhänge werden für die Synthese von optimierten Holzschraubengewinden genutzt.
Zentrale Ergebnisse dieser Arbeit sind die Zusammenhänge zwischen Tragfähigkeit und Flankenabstand, Profilhöhe, Steigungswinkel sowie Flankenwinkel, wodurch die Gestaltung von Holzschrauben unterstützt wird. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist die Bereitstellung von Analysetechniken zur Analyse des Versagenverhaltens im Gewindekontakt sowie der Experimentalaufbau zum Schrauben-Testing zur Ermittlung von Gestalt-Funktion-Zusammenhängen.

In design, the central task is to define the product embodiment such that required functions can be fulfilled. This is particularly challenging in the case of wood screw connections. To fulfill the function, only the screw can be designed in the thread contact between the screw and the wood. In the design of wood screw connections, a target value is the load-bearing capacity, which is based on the bonding mechanisms between the screw thread and the wood. For the design, knowledge of the relations between thread embodiment and load-bearing capacity, which is formed in models of embodiment function relations, is necessary. ... mehrSo far, however, there is a lack of both: knowledge about the relations and methods for determining these relations. This knowledge can be used to support the design of wood screws for higher load-bearing capacity and subsequently to contribute to resource-saving construction with wood as a renewable building material.
The scientific objective of this work is therefore the analysis and modeling of the relations between load-bearing capacity and thread parameters of wood screws. First influencing variables on the failure behavior in the thread contact are identified. For this purpose, the Continued Movement and Sectional Imaging analysis techniques are developed.
The wood fiber direction is identified as an influencing variable on the failure behavior and is therefore subsequently controlled in the determination of the influence of the thread parameters on the load-bearing capacity. For this purpose, a new experimental setup for screw testing was developed. An essential feature of this setup is the thread with straight flanks. This allows the influences of the thread parameters to be investigated in specific planes to the fiber direction. In a study, the embodiment function relation of the thread pitch and the load-bearing capacity can be shown for the first time. Using an algorithm, the effect of thread pitch on failure is measured and the embodiment function relations of flank distance, lead angle, thread height, and thread angle are modeled. To validate these models, a further study is conducted to determine the influences of the thread parameters on the load-carrying capacity. The determined relations are used for the synthesis of optimized wood screw threads.
The major results of this work are the relations between load-bearing capacity and flank distance, thread height, lead angle, and thread angle. The embodiment function relations are used to support the design of wood screws. Another result of this work are the developed analysis techniques to analyze failure behavior in thread contact and the experimental setup for screw testing to determine embodiment function relations between thread parameters and load-carrying capacity.