TY - THES A1 - Schober, Kay-Uwe T1 - Untersuchungen zum Tragverhalten hybrider Verbundkonstruktionen aus Polymerbeton, faserverstärkten Kunststoffen und Holz T1 - Structural behavior of timber-composite structures with epoxy-polymer concrete and FRP reinforcement N2 - Die Entwicklung der Holz-Beton-Verbundbauweise hat gezeigt, dass hybride Holzverbundbauweisen eine sehr effiziente Lösung zur Steigerung der Tragfähigkeit und Steifigkeit von biegebeanspruchten Holzbauteilen darstellen. Bei solchen Holzverbundbauteilen stellt insbesondere die effiziente Gestaltung der Schubkraftübertragung in der Verbundfuge zwischen den Baustoffschichten einen gewissen Schwachpunkt dar. Weiterhin limitieren insbesondere auch die streuenden Festigkeiten sowie wuchs- bzw. fertigungsbedingte Eigenschaften des in der Zugzone angeordneten Holzes die Leistungsfähigkeit solcher hybrider Verbundbauteile merklich. Eine innovative Lösung für diese Problemkreise konnte in der Herstellung von hybriden Verbundkonstruktionen aus Reaktionsharzbeton, faserverstärkten Kunststoffen und der bestehenden Holzkonstruktion gefunden werden. Dabei kommt in der Biegedruckzone ein Hochleistungs-Polymerbeton zum Einsatz. Die Zugzone wird mittels ein- bzw. aufgeklebter Faserverbundwerkstoffe verstärkt und strukturell bedingte Grenzen überwunden. Faserverbundwerkstoffe sind im Vergleich mit homogenen Werkstoffen durch eine strukturelle Anisotropie gekennzeichnet. Zur rechnerischen Beschreibung des Trag- und Bruchverhaltens benötigt man eine schichtenweise Spannungsanalyse, Bruchkriterien für die einzelnen Schichten und Degradationsmodelle zum Erfassen der Auswirkung von Teilbrüchen, die noch nicht zum Bruch oder Ablösen des Laminats führen. Dabei bieten bruchtypbezogene Versagenskriterien wesentliche Vorteile gegenüber Pauschal¬kriterien, da die vorherrschenden Bruchmodi mithilfe ein¬zelner Bruch¬bedingungen unabhängig voneinander beschrieben werden können. Zur Analyse des Verbundverhaltens von faserverstärkten Kunststoffen und Holz wurde deshalb das vereinfachte Puck-Knaust-Kriterium für die Versagensanalyse in ANSYS(R) implementiert. Für die numerische Untersuchung der Verbundträger wurde ein Strukturmodell für Kunstharzbetone im Verbund mit Holz entwickelt, mit dem sich Steifigkeit und Kriechverhalten beliebiger Mischungsverhältnisse abschätzen lassen. Beim Vergleich der Ergebnisse zeigt sich, dass die relativen Kriechverformungen bei den verstärkten Balkenserien um das 1,8- bis 2,5fache größer sind als bei der unverstärkten Serie, was in der Materialspezifik des eingesetzten Polymerbetons begründet liegt. Die Kriech¬verformung steigt dabei mit zunehmendem Verhältnis von Polymerbetonstärke zum Holzgrundquerschnitt und kann mit der angegebenen Gleichung für beliebige Querschnittsverhältnisse ermittelt werden. Im Vergleich der Durchbiegung der Serien bei gleicher Belastung wird deutlich, dass die Steifigkeitsvorteile der verstärkten Balken durch die größere Kriechneigung ganz oder teilweise aufgebraucht werden. Besonders betrifft das die Serien, bei denen die obere Holzschicht mit PC substituiert wurde. Dort wird aus einem anfänglichen Vorteil sogar ein Nachteil. In der numerischen Simulation von hybriden Verbundträgern aus faser¬verstärkten Kunststoffen, Kunstharzbeton und Holz bestätigte sich der eindeutige Vorteil einer zusätzlich aufgebrachten Polymerbetonschicht. Der Beitrag der FVK-Verstärkung am Gesamtsystem fällt im Gegensatz zur PC-Deckschicht jedoch wesentlich geringer aus, da deren Potential erst bei größeren Belastungen voll aktiviert wird. In Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Anwendertauglichkeit insgesamt stellt der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen und Kunstharzbetonen eine wirkliche und praxistaugliche Alternative gegenüber herkömmlichen Baustoffen zur Tragwerksverstärkung dar. N2 - The development of timber-concrete composite structures has shown that hybrid composite systems are a very efficient solution to increase the load-carrying capacity and overall performance of timber structures. The weakness of these systems is clearly marked by the stiffness of the bond line, the natural limitations of the timber and defects in wood. An innovative solution of these problems has been found in a new-type composite beam for structural rehabilitation and upgrading, combining polymer concrete in the compression zone, fiber reinforced plastics in the tension zone and timber in between. Here, the epoxy PC can be combined with timber floors for upgrading without removing the suspended ceiling and the use of FRP as a strengthening material can be applied without necessitating the removal of the overhanging part of the structure. Therefore, this technique is very promising in many cases of reinforce¬ment of timber floors and historical structural wooden parts. The used materials show different mechanical and physical behavior due to the huge difference of stiffness and mechanical properties. All composite partners have been revised according the material formulation, structural performance of the composites, fracture and delamination behavior. Appropriate mechanical models for the numerical simulation on the basis of a finite element approach have been developed, whereas the comparison between numerical simulation and testing show a close agreement. The results of the experiments have highlighted the limitations of the composite structure as well as the advantages of the various combinations and present numerous interesting aspects. The properties of the glue lines can be described as a rigid continuous joint. This includes the good adhesive penetration into the wood surface and the high cohesive strength of the glue line in terms of further design and calculations. The test results show an increase of the load-carrying capacity up to 185% for short-term loading, depending of the ratio between polymer concrete and timber. For long-term performance the creep influence has been calculated with a rheological model to 1.8 - 2.5-times of the deflections compared to the unreinforced beams, depending also on the configuration. Here, the stiffness advantage of the short-term performance will be reduced, but leads in optimistic results for the use of this composite beam in practice. The numerical simulation results of the hybrid composite beam of polymer concrete, fiber reinforced plastics and timber have highlighted the advantage of additional stiffness in form of epoxy concrete on top. The contribution of the FRP to the overall performance is significant lower for LSD, but increases for higher loads. Regarding economical and practical aspects, the presented composite system describe a good alternative to conventional solutions for structural upgrading in reconstruction. T3 - Schriftenreihe des Instituts für Konstruktiven Ingenieurbau - 17 KW - Kunststoffbeton KW - Holz KW - Delamination KW - faserverstärkte Kunststoffe KW - Tragwerksverstärkung KW - Bruchkriterien KW - Verbundkonstruktionen KW - timber-composite structures KW - fiber-reinforced plastics KW - polymer concrete KW - delamination Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20081210-14536 N1 - Die gedruckte Ausgabe ist im Universitätsverlag der Bauhaus-Universität Weimar erschienen, seit 2014 Bauhaus-Universitätsverlag Weimar. ER - TY - THES A1 - Borth, Olaf T1 - Abschätzung der Tragfähigkeit von Queranschlüssen an Trägern aus Voll- und Brett-schichtholz im Rahmen der Linear-Elastischen Bruchmechanik T1 - Estimation of the load-carrying capacity of perpendicular-to-grain connections in timber and glulam by fracture criterion in the framework of LEFM N2 - In der Arbeit werden Möglichkeiten aufgezeigt, die Tragfähigkeit von Queranschlüssen an Trägern aus Voll- und Brettschichtholz abzuschätzen. Die Tragfähigkeit dieser Anschlüsse wird nicht allein durch die Tragfähigkeit der mechanischen Verbindungsmittel selbst begrenzt. Die Tragfähigkeit der Verbindungsmittel wird in dieser Arbeit a priori als hinreichend betrachtet. Sie kann z. B. nach der Theorie von JOHANSEN bestimmt werden. Insbesondere bei solchen Anschlüssen, welche unterhalb der Schwerachse von Trägern angeordnet sind, erzeugen die durch die Verbindungsmittel eingeleiteten Lasten Beanspruchungen, welche die Tragfähigkeiten dieser Anschlüsse bestimmen. Die Abschätzung der Tragfähigkeit auf der Basis von Spannungen hat bei dieser Problemstellung methodische Schwächen. Bauteile aus Holz können unter Gebrauchsbedingungen rißbehaftet sein. Mit den Methoden der Linear-Elastischen Bruchmechanik kann die Tragfähigkeit von rißbehafteten Bauteilen beurteilt werden. Es werden wegen der Vielzahl möglicher Ausführungvarianten lediglich Anschlüsse betrachtet, welche mit stiftförmigen Verbindungsmitteln hergestellt werden. Zur Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte werden numerische Methoden angewendet. Es werden wichtige Parameter dieser Anschlüsse untersucht und hinsichtlich ihrer Berücksichtigung im Rechenmodell bewertet. Zur Verifizierung des Rechenmodells werden Vergleiche mit experimentellen Untersuchungen anderer Wissenschaftler angestellt. Der Einsatz verschiedener Versagenskriterien wird diskutiert. Schließlich wird ein formaler Zusammenhang zur Abschätzung der Tragfähigkeit für einzelne Verbindungsmittel hergestellt. Weiterhin wird die Tragfähigkeit von praxisüblichen Anschlüssen anhand einfacher Zusammenhänge aufgezeigt. N2 - The load-carrying capacity of bolted and nailed joints under lateral force perpendicular to grain not only depends on the bearing capacity of the fastener itself. Especially for hangers below the gravity axis the load-carrying capacity is limited by stresses in the structural mem-ber caused by force transfer of the joint. For dowel-type fasteners there is a good estimation of the load-carrying by applying JOHANSEN’s theory. In this examination the strength of the fasteners is recognized as satisfied by this theory. For this reason the paper only deals with the estimation of the load-carrying capacity by consideration of uniaxial stresses due to lateral forces. An estimation of the ultimate load based on nominal stresses according to the theory of elasticity is quite difficult. The reason is the inaccuracy in determining maximum finite or area averaged stress values as well as the formulation of suitable failure criterions. Because of the local force concentration those areas have high stress gradients therefore a high sensibility of global failure strength in respect to the fracture toughness can also be assumed. Fracture toughness is the critical material parameter of linear-elastic fracture me-chanics. The calculation model which is presented in this paper is based on the numerical methods of the LEFM in order to estimate the ultimate limit state of wooden members under local loads perpendicular to the grain, like e.g. of mechanical joints with dowel-type fa-steners. Beside the short presentation of the basic finite element formulation of the LEFM, the influences of structural modeling, material- and structural depended parameters on the results of the strength simulation are presented. For several examples the results of the calculations are compared with the experimental ones published in scientific literature. Fi-nally the application of several fracture criterions will be discussed in order to derivate a simple design formula to predict the limit state strength of perpendicular-to-grain bolted timber connections. The solution will be compared with generally known approaches for this problem. KW - Träger KW - Brettschichtholz KW - Vollholz KW - Holzverbindung KW - Tragfähigkeit KW - Linearelastische Bruchmechanik KW - Holz KW - Queranschluß KW - Spannungsintensitätsfaktor KW - Bruchzähigkeit KW - Mixed Mode KW - Timber KW - Perpendicular-to-grain loaded Connections KW - Stress Intensity Factor KW - Fracture Toughness KW - Mixed Mode Y1 - 2002 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20040212-250 ER -