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 - TY - THES A1 - Thumser, Rayk T1 - Simulation des Rissfortschritts in autofrettierten und nicht autofrettierten Bohrungsverschneidungen auf der Grundlage der linear-elastischen Bruchmechanik T1 - Crack Growth Simulation on Autofrettaged and Not Autofrettaged Cross Borings on the Basis of Linear Elastic Fracture Mechanics N2 - Die betriebsfeste Auslegung von Hochdruckbauteilen ist technisch-wirtschaftlich notwendig. In dieser Arbeit werden die wissenschaftlichen Grundlagen dafür erarbeitet. Die technische Entwicklung der Hochdruckbauteile führt insbesondere bei Dieselmotoren zu stetig steigenden Drücken und damit zu einer wachsenden Herausforderung bei der Festigkeitsauslegung. Bei Hochdruckbauteilen sind die Möglichkeiten der Schwingfestigkeitssteigerung, z. B. durch Wanddickenvergrößerung oder durch den Einsatz höherfester Werkstoffe, begrenzt. Eine breite industrielle Anwendung findet derzeit die Autofrettage. Bei diesem Verfahren erzeugt eine einmalige statische Überlast tief in das Bauteil reichende Druckeigenspannungsfelder, die zu einer erheblichen Schwingfestigkeitssteigerung, insbesondere in der Rissfortschrittsphase, führen. Zuverlässige Lebensdauervorhersageverfahren für diese Phase existieren derzeit nicht. Sie werden in der vorliegenden Arbeit entwickelt und anhand experimenteller Ergebnisse verifiziert. Für das Berechnungsverfahren fand ein ingenieurmäßiger Ansatz Verwendung. Darin sollten zwar alle relevanten Effekte abgebildet werden, jedoch Komplexität und Modellierungsaufwand so gering wie möglich gehalten werden. Die gewählten Berechnungsmodule sind nach erfolgter Analyse der Literatur entnommen. Sie umfassen die Berechnung der Autofrettageeigenspannungen, der Spannungsintensität, des Rissöffnungs- und Rissschließverhalten und des Rissfortschrittes. Das Modul Eigenspannungsberechnung für die Autofrettage basiert auf der Superposition von Autofrettagebe- und -entlastung und ermöglicht die notwendige Berücksichtung des Bauschinger-Effektes. Spannungsintensitäten werden mit einer 3D-Gewichtsfunktion für einen ebenen Riss unter Mode I Beanspruchung ermittelt, weil aufgrund der Symmetrie der meisten Hochdruckbauteile das stabile Langrisswachstum ausschließlich unter Mode I Beanspruchung stattfindet. Die Rissöffnungs- und -schließeffekte werden über Näherungsformeln abgebildet. In der Anwendung dieser Näherungsformeln hat sich die Rissöffnungsbeziehung nach Ibrahim et. al. durch den Vergleich mit von rechnerischen mit experimentellen Lebensdaueren als am Besten geeignet erwiesen. Bei dem untersuchten Werkstoff 42CrMo4 spielen die Reihenfolgeeffekte eine untergeordnete Bedeutung und werden deshlab nicht modelliert. Für die Rissfortschrittsbeziehung konnte auf die Formulierung der Paris-Erdogan Beziehung für effektive Schwingweiten zurückgegriffen werden. Die gewählten Berechnungsmodule sind nach erfolgter Analyse der Literatur entnommen, aber in dieser Zusammenstellung ein neuer Ansatz. Da die Einzelmodule nur in geringem Umfang zu verifizieren sind, kann das Berechnungsverfahren nur in seiner Gesamtheit durch den Vergleich von experimentellen zu vorhergesagten Lebensdauern und Dauerfestigkeiten überprüft werden. In verschiedenen Sensitivitätsanalysen konnten für die Berechnungsparameter Rissöffnungsbeziehung, Anfangsrisslänge, Bruchzähigkeit, Rissfortschrittsgleichung und Schwellwert der Spannungsintensität der Einfluss auf die berechnete Rissfortschrittslebensdauer und -dauerfestigkeit aufgezeigt werden. So hat der Schwellwert der Spannungsintensität einen geringen Einfluss auf die Vorhersage der Rissstillstandsdauerfestigkeit autofrettierter Kreuzbohrungen, weil der Rissöffnungsdruck sehr nahe am Maximaldruck ist. Eine andere Sensitivitätsanalyse zeigt beispielsweise, dass sich die längsten Rissfortschrittslebensdauern bei Verwendung der Rissöffnungsbeziehung nach Ibrahim et. al. ergeben, weil diese Beziehung die größten Rissöffnungsdrücke vorhersagt. Für die Verifikation des Berechnungsverfahrens sind Innendruckschwellversuche an insgesamt 14 Versuchsreihen mit Kreuzbohrungen durchgeführt worden. Die allgemeine Anwendbarkeit des Berechnungsverfahrens konnte durch die Anwendung auf Kreuzbohrungen aus den Forschungsvorhaben Autofrettage I-III, auf Railstücke und auf Hochdruckverteilerleisten nachgewiesen werden. Auch hier stützt sich die Verifikation auf umfangreiche experimentelle Ergebnisse. Die statistische Auswertung des Verhältnisses der vorhergesagten zu experimentellen Lebensdauern und Schwingfestigkeiten aller untersuchten Bohrungsverschneidungen zeigt eine gute mittlere Vorhersagegüte bei geringer Streuung. Damit ist die Leistungsfähigkeit der vorgestellten Lebensdauervorhersagemethode nachgewiesen. N2 - From a technical and economical point of view it is necessary to examine the operational life of high strength components. This work will develop scientific bases for it. The technical development of high pressure components in particular for diesel engines leads to ever increasing pressures and thereby becoming a growing challenge in the evaluation of the design strength. The possibilities of increasing fatigue in high components such as an increase in wall thickness or the use of higher materials strengths is limited. The Autofrettage is currently widely used in the industry. This procedure creates a single static overload deep into the component reaching pressure residual stress fields which lead to a significant increase in fatigue, especially in the crack growth. Currently reliable lifetime prediction methods for this phase do not exist. They are presented in this work and developed the basis of verified experimental results. An engineering approach was used for the calculation procedures. However the aim is to show all relevant effects without introducing a complex model. The selected modules are calculated after analysis of the literature. This includes the calculation of Autofrettage stress, the stress intensity, the crack opening and closing behaviour of the crack growth. The residual stress calculation module for Autofrettage is based on the superposition of Autofrettage load as well as discharge and makes it possible to consider the Bauschinger effect. Stress intensities are identified with a 3-D weight function for a plane crack under mode I stress because due to the symmetry of the highest pressure components the stable long crack growth only takes place under stress mode I. The crack opening and closing effects are reproduced with approximation equations. In the application of this approximation, the crack opening relations by Ibrahim et. al. has proven to be best suitable when comparing the arithmetic with the experimental lifes. In the analyzed material 42CrMo4 overload and underload effects play a minor role and are thus not modelled. The phrasing of the Paris-Erdogan relationship for effective stress intensity factor was used for the crack growth relationship. The calculation modules are selected after analyzing the literature; however this configuration in this context it represents a new approach. Since the individual modules can merely be verified on a small scale, the calculation method can only be checked in its entirety by the comparison of experimental to predicted life and fatigue. The influence on the calculated crack growth life and fatigue can be shown in various sensitivity analyses when taken the following calculation parameters into account: crack opening relation, crack start length, fracture toughness, crack growth equation and threshold. Thus, the threshold of the stress intensity has little influence on the prediction cracks fatigue stoppage of auto-fretted cross bores as the crack opening force is very close to the maximum pressure. For example another sensitivity analysis shows that the longest crack growth longevity result when using the crack opening relations by Ibrahim et. al. as this relation predicts the crack opening pressures. In total 14 test series of cross borings were carried out for the verification of the calculation procedure for the threshold of the inner pressure experiments. The general applicability of the calculation process was demonstrated through the application of cross-drilling from the research projects Autofrettage I-III on Rail pieces and high pressure distribution parts. Once again, the verification is based on extensive experimental results. The statistical analysis of the ratio of predicted to experimental lifes and fatigue strength of all investigated crossbores shows a suitable prediction quality for mean value with low dispersion. This demonstrates the performance of the proposed life prediction method. KW - Bruchmechanik KW - Linearelastische Bruchmechanik KW - Autofrettage KW - Hochdruck KW - Fraktographie KW - Ermüdung KW - Ermüdung bei hohen Lastspielzahlen KW - Ermüdung b KW - fatigue KW - linear elastic fracture mechanics KW - autofrettage KW - local approach Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20090609-14729 SN - 978-3-86068-389-7 ER -