Anwendung der Bruchmechanik auf Verbindungen mit Holz [online]

Die Tragfähigkeit von Verbindungen des Holzbaus mit mechanischen
Verbindungsmitteln wird oft durch Ausbildung eines spröden
Bruchs bestimmt. Vor Auftreten des Sprödbruches kann häufig ein
stabiles Risswachstum beobachtet werden. Aufgrund dieser
makroskopischen Beobachtungen wurde ein bruchmechanisches Modell
entwickelt, mit dessen Hilfe die Bedingungen für das Auftreten
eines Sprödbruches in Abhängigkeit von den
Materialeigenschaften, der Geometrie der Verbindung und der
Beanspruchung abgeschätzt werden können.
Dieses mechanische Modell wird durch empirisch entwickelte
Ergebnisse anderer Untersuchungen bestätigt. Demnach ist für das
Auftreten eines Sprödbruches insbesondere die Verformungsfigur
des stiftförmigen Verbindungsmittels maßgebend.
Die Bruchmechanik verwendet Beanspruchungs- und
Widerstandsgrößen, die bei den klassischen Versagenshypothesen
nicht benötigt werden. Aufgrund der Struktur des Holzes, seines
ausgeprägten orthotropen Materialverhaltens und seiner
Inhomogenität ist die Verwendung von Energiefreisetzungsraten
günstiger, als das bei anderen Werkstoffen häufiger angewandte
Konzept der Spannungsintensitätsfaktoren. Ebenfalls bedingt
... mehrdurch die Struktur des Werkstoffes kann die mechanische
Abbildung der
Prozesszone in Anlehnung an Dugdales Modell erfolgen.
Die kritische Energiefreisetzungsrate als Widerstandsgröße wurde
für elf Holzarten und einen Holzwerkstoff mit Hilfe des
Teilentlastungsverfahrens ermittelt. Es zeigten sich
signifikante Unterschiede, die auf den mikroskopischen Aufbau
der verschiedenen Gattungen und die verschiedene Struktur des
Holzwerkstoffes zurückzuführen sind.
Versuche mit Verbindungen bestätigen den Einfluss der
ermittelten Energiefreisetzungsraten auf die Tragfähigkeit bei
Auftreten eines Sprödbruchs.
Das entwickelte Verfahren zur Bestimmung der
Energiefreisetzungsraten und die bruchmechanischen Modelle
können auf weitere Holzarten und Holzwerkstoffe angewendet
werden. Eine Optimierung des Anschlussbereiches von Holzarten
und Holzwerkstoffen mit hoher Energiefreisetzungsrate ist möglich.

Abstract

The load-carrying capacity of mechanical timber joints is often
governed by a brittle failure of the joint. Stable crack growth
starting from the fastener can often be observed in advance of
the brittle failure. Because of this macroscopically observed
behaviour a model was developed, based on a fracture mechanics
approach. Using this model the probability of a brittle failure
mode depends on the material properties, the geometry of the
joint and of the loading.
The model is confirmed by empirically developed results of other
projects, using numerous tests with joints. The behaviour mode
of the joint, brittle or ductile, is basically determined by the
shape of deformation of the fastener.
Fracture mechanics does not use stresses and strains for design
but new properties of action and resistance. Because of the
structure of wood, its strong orthotropic cylindrical anisotropy
and inhomogeneity, the use of the concept of energy release
rates is advantageously compared to the concept of stress
intensity factors. Additionally the structure of wood enables to
model the process zone using basically Dugdale's assumptions.
The critical energy release rate as a value of resistance of
eleven species and laminated veneer lumber (LVL) was determined
using the compliance method. The species and the LVL revealed
significant differences, caused by the microscopic structure
and the macroscopic configuration of the LVL.
Tests with joints confirmed the influence of the critical energy
release rate on the load-carrying capacity of the joint, if
brittle failure takes place.
The developed method for determining the energy release rates
and the models based on fracture mechanics can be applied on
further species and further wood-based materials. An improvement
of the joint area of species or wood-based materials with high
energy release rates is possible.