Failure Behaviour of Fasteners in Timber Connections : Testing Approaches for Laterally Loaded Dowel-Type Fasteners

Mit der zunehmenden Verwendung von Laubholz als tragendem Werkstoff im Ingenieurholzbau
verändern sich die Beanspruchungen und Anforderungen an Verbindungsmittel.
Laubholz setzt diese Verbindungsmittel vermehrt multiaxialen Spannungszuständen
aus, die von den derzeitigen Bemessungsmodellen, basierend auf
dem European Yield Model, nicht vollständig erfasst werden. Diese Modelle berücksichtigen
vorwiegend das Biegeverhalten der Verbindungsmittel sowie die Lochleibung
im Holz und nur teilweise axialeWiderstände durch den Seileffekt. Infolgedessen
können Verbindungsmittel in der Scherfuge oder in Fließgelenken unter kombinierter
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Beanspruchung versagen, was darauf hinweist, dass die Tragfähigkeit des Verbindungsmittelquerschnitts
unter solchen Bedingungen maßgebend werden kann und
das Versagen des Verbindungsmittelquerschnitts derzeit nicht berücksichtigt wird.
Erkenntnisse aus verwandten Disziplinen, insbesondere dem Stahlbau, werden daher
zusammen mit neu entwickelten Prüf- und Messmethoden kombiniert, um das
Querschnittsversagen und Interaktionsmechanismen der Schnittgrößen in Verbindungsmitteln
besser zu verstehen. Dadurch entsteht ein umfassendes Verständnis
von Verhalten, Anwendung und Auslegung von Laubholzverbindungen.
Ein belastbares Bemessungskonzept erfordert Kenntnisse über die auf das Verbindungsmittel
wirkenden Lasten und dessen Widerstandskraft. Diese Arbeit untersucht
beide Aspekte in einem ganzheitlichen experimentellen und analytischen Rahmen.
Dazu werden neuartige Versuchsaufbauten und -methoden entwickelt, um das Verhalten
von Verbindungsmitteln unter lateraler, axialer und kombinierter Belastung zu
untersuchen. In Vollgewindeschrauben eingeklebte Dehnmessstreifen und digitale
Bildkorrelation an außenliegenden, sichtbaren Verbindungsmitteln quantifizieren lokale
Dehnungen, kritische Spannungsbereiche und die elastische Rückverformung
von Verbindungen. Eine direkte Beobachtung von Fließgelenkbildung und Dehnungsverteilung
im Verbindungsmittel unter Last ist möglich. Biegewinkel, Fließgelenkpositionen
und Dehnungsverteilungen werden für Aluminium- und Stahlverbindungsmittel
analysiert und der Einfluss der Festigkeit auf verschiedene Verbindungstypen unter Verwendung verschiedener Holzrohdichten bewertet. In Holz-Holz-Verbindungen dominiert
die Fließgelenkbildung, während in Holz-Stahl-Verbindungen die Querkräfte
stärker ins Gewicht fallen und vermehrtes Plastizieren in der Scherfuge auftritt.
Aus den möglichen Interaktionen wird in dieser Arbeit die kombinierte Wirkung von
Normal- und Scherkräften explizit betrachtet, die zum Versagen des Verbindungsmittels
in der Scherfuge führen kann. Experimentell wird dies an Schrauben und Bolzen
in einem speziell entwickelten Zug-Scherprüfstand untersucht. Vollgewindeschrauben
zeigen eine Abnahme der maximalen Traglast mit zunehmendem Scheranteil,
wobei sich bei der Beschreibung des Zug-Scherverhaltens Näherungskurven mit
elliptischen oder superelliptischen Funktionen ergeben. Runde Querschnitte, wie
glatte Schaftbereiche von Teilgewindeschrauben und Bolzen, lassen sich durch bilineare
Beziehungen beschreiben: konstant im zugdominierten Bereich und linear im
scherbeanspruchten Bereich.
Praktische Erkenntnisse für Laubholzverbindungen zeigen, dass eine sorgfältige Montage,
bündiges Anlegen der Schraubenköpfe, Vorbohren und ausreichende Abstände
entscheidend sind, um die volle Tragfähigkeit und ein duktiles Verbindungsverhalten
zu gewährleisten. Lasten und Verformungen der Verbindungsmittel werden schrittweise
bei zunehmenden Relativverschiebungen ausgewertet, um einen Vergleich
zwischen Nadel- und Laubholzverbindungen zu ziehen.
Insgesamt beeinflussen Verbindungsmitteltyp, Querschnitt, Holzrohdichte und Konfiguration
maßgeblich die Versagensmechanismen, Lastverteilung und Duktilität. Die
ermittelten Biegewinkel, Fließgelenkpositionen und Interaktionsmodelle liefern Referenzwerte
für Modellierungen und unterstützen erweiterte, sichere Bemessungsansätze
für Laubholzverbindungen im Ingenieurholzbau. Mit dem neuen Verständnis
und den quantifizierten Unterschieden zwischen Nadel- und Laubholz lassen sich
nun Grenzen bestimmen, ab wann ein Querschnittsversagen von Verbindungsmitteln
zu erwarten ist und wann eine gesonderte Untersuchung erforderlich wird. Darüber
hinaus werden Empfehlungen gegeben, wie mit kritischen Fällen umgegangen und
das mögliche Versagen in der Bemessung berücksichtigt werden kann.

Changes, challenges and potentials arise with the increasing use of hardwoods in
timber construction. High stiffness and strength of hardwoods place higher mechanical
demands on fasteners. Hardwoods with its higher density subject fasteners to complex
multiaxial stress states not fully represented in current design, i.e. European Yield
Model, which mainly consider fastener bending and timber embedment, while only
partially accounting for axial resistance from rope effects. As a result, fasteners
may fail at the shear plane or at plastic hinges under combined loading, indicating
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that the load-bearing capacity of the fastener’s cross-section under such multiaxial
stress states remains largely unconsidered. To address this, insights from related
disciplines, particularly steel design, are combined with newly developed testing and
measurement approaches to improve the understanding of cross-sectional failure and
interaction mechanisms. These investigations form the basis for a comprehensive
understanding of the behaviour, design and application of fasteners in hardwood
connections.
A design concept requires knowledge of both the loads acting on the fastener and
its capacity to resist them, and this work investigates both aspects through a holistic
experimental and analytical programme. To investigate these phenomena, novel test
setups are developed to study the behaviour of dowel-type fasteners under lateral,
axial, and combined loading. Embedded strain gauges in fully threaded screws and
digital image correlation on exposed fasteners quantify local strains, critical stress
concentrations, and elastic re-deformation. These measurements focus on capturing
plastic hinge formation and strain distribution within the fastener. Bending angles,
plastic hinge positions, and strain distributions are determined for aluminium and steel
fasteners, allowing assessment of material strength effects across different connection
types and timber densities. Timber-to-timber connections are dominated by plastic
hinge formation, whereas timber-to-steel connections exhibit more pronounced shearplane
yielding.
To study the effect of combined loading, a selected interaction between normal
and shear forces, which can lead to failure of the fastener in the shear plane, is
investigated using a dedicated combined-loading setup for screws and bolts. Fully
threaded screws show a reduction of maximum load, corresponding to changes in
the tensile-to-shear force ratio, with interaction curves approximated by elliptical or
super elliptical functions. Round fastener sections, such as smooth shanks of partially
threaded screws and bolts, are effectively represented by bilinear models, constant
under tension-dominated and linear under shear-dominated conditions.
Practical insights for hardwood connections highlight that careful installation, flush
fitting, predrilling, and adequate spacing are essential to achieve full load-bearing
capacity and ductile behaviour. Loads and deformations are evaluated at different
relative displacement stages, enabling meaningful comparison between softwood and
hardwood with increasing displacement. Larger spacing of fasteners in grain direction
improves ductility.
Overall, fastener type, cross-section, timber density, and connection configuration
strongly influence failure mechanisms, load distribution, and ductility of connections.
The measured bending angles, plastic hinge positions, and interaction models provide
reference values for modelling and support extended, safe design approaches for
hardwood connections in structural timber engineering. The new understanding,
together with the quantified differences between softwood and hardwood, allows
defining thresholds for fastener cross-sectional failure and identifying cases that
require further investigation. Furthermore, recommendations are given on how to
address critical cases and account for potential fastener failures.