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Physically Based Modeling and Multi-Physical Simulation System for Wood Structure Fire Performance
(2004)
This research is devoted to promoting the performance-based engineering in wood structure fire. It looks into the characteristic of the material, structural composing and collapse detecting to find out the main factors in the wood structure collapse in fire. The aim of the research is to provide an automatic simulation platform for the complicated circulation. A physically based model for slim member for beams and columns and a frame of multi-physical simulation are provided to implement the system. The physically based model contains material model, structural mechanics model, material mechanics model, as well as geometry model for the compositive simulation. The multi-physical simulation is built on the model and has the capacity to carry out a simulation combining structural, fire (thermal, CFD) and material degradation simulation. The structural and fire simulation rely on two sophisticated software respectively, ANSYS (an FEA software) and FDS (with a core of CFD). Researchers of the paper develop system by themselves to combine the two existing ones. The system has the capability to calculate the wood char to find out the loss of cross-section and to detect the collapse caused in different ways. The paper gives a sample of Chinese traditional house to show how this simulation system works.
In der Arbeit wird ein räumliches Materialmodell für den anisotropen Werkstoff Holz vorgestellt. Dessen Leistungsfähigkeit wird durch Verifikationsrechnungen und die Simulation eigener Versuche aufgezeigt. In diesen Versuchen wurde das Tragverhalten spezieller Schubverbindungselemente der Brettstapel-Beton-Verbundbauweise untersucht. Die Kombination eines Brettstapels mit einer schubfest angeschlossenen Betonplatte ist eine vorteilhafte Möglichkeit, Schnittholz mit geringem Querschnitt effektiv in biegebeanspruchten Bauteilen einzusetzen. Es werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zu den Schubverbindungselementen Flachstahlschloss und Nutverbindung vorgestellt. Diese zeichnen sich durch eine über die gesamte Plattenbreite kontinuierliche Übertragung der Schubkraft per Kontaktpressung aus. Vor allem in Brettstapel-Beton-Verbunddecken werden somit ein sehr hoher Verschiebungsmodul sowie eine eminente Tragfähigkeit erreicht. Um mit numerischen Strukturanalysen die in den Versuchen beobachteten Versagensmechanismen adäquat abbilden und realistische Prognosen für das Tragverhalten von Bauteilen oder Verbindungen treffen zu können, muss das physikalisch nichtlineare Verhalten aller beteiligter Baustoffe in die Berechnungen einbezogen werden. Im Rahmen der Dissertation wurde ein auf der Plastizitätstheorie basierendes Materialmodell für Nadelholz hergeleitet und in das FE-Programm ANSYS implementiert, welches die Mikrostruktur des Holzes als verschmierendes Ersatzkontinuum erfasst. Anhand des anatomischen Aufbaus des inhomogenen, anisotropen und porigen Werkstoffs werden die holzspezifischen Versagensmechanismen und die daraus abgeleiteten konstitutiven Beziehungen erläutert. Das ausgeprägt anisotrope Tragverhalten von Holz ist vor allem durch erstaunliche Duktilität bei Stauchung, sprödes Versagen bei Zug- und Schubbeanspruchung und enorme Festigkeitsunterschiede in den Wuchsrichtungen gekennzeichnet. Die Auswirkungen der größtenteils unabhängig voneinander auftretenden, mikromechanischen Versagensmechanismen auf die Spannungs-Verformungsbeziehungen wurden durch die Formulierung adäquater Ver- resp. Entfestigungsfunktionen in Abhängigkeit der Beanspruchungsmodi erfasst. Das dem Materialmodell zu Grunde liegende mehrflächige Fließkriterium berücksichtigt die Interaktion aller sechs Komponenten des räumlichen Spannungszustandes. Die durchgeführten Verifikations- und Simulationsberechnungen belegen, dass der erarbeitete Ansatz sowohl zur Bewertung des Tragvermögens als auch zur Beurteilung von Riss- bzw. Schädigungsursachen von Holzbauteilen eingesetzt werden kann. Die numerische Simulation eröffnet neue, bisher wenig beachtete Möglichkeiten zur Untersuchung komplexer Holzstrukturen sowie Anschlussdetails und wird sich auf Grund der Aussagekraft und Flexibilität auch im Ingenieurholzbau mehr und mehr gegenüber ausschließlich experimenteller Untersuchung durchsetzen.
Für die Implementierung in einem Materialmodell wird die Festigkeitsentwicklung bei faserparalleler Druckbeanspruchung untersucht und in einer entsprechenden numerischen Formulierung wiedergegeben. Im Zuge einer mathematischen Formulierung der Festigkeitsentwicklung werden die umfassenden Versagensmechanismen bei longitudinaler Druckbeanspruchung unter verschiedenen Aspekten umfassend untersucht. Dazu werden eigene Druckversuche unter Voll- und Teilflächenbelastung ausgewertet. Eine Auswertung der Druckversuche erfolgte anhand von Kraft- und Wegmessdaten aus einer induktiven bzw. photogrammetrischen Verformungsmessung. Im Rahmen der Versuchsauswertung wird der Einfluss des Lasteinleitungsbereiches und dessen Auswirkung auf die Festigkeitsentwicklung sowie das Verformungsverhalten oberhalb der Proportionalitätsgrenze in den Bereichen inner- und außerhalb der sich ausbildenden Stauchschicht untersucht. In diesen Betrachtungen wird auch das Materialverhalten nach Erreichen der Höchstlast und die damit einhergehende Entfestigung auf ein gleichbleibendes Niveau mit einbezogen. Von großem Interesse ist hierbei, ob die Versagensvorgänge während der Entfestigungsphase Einfluss auf das Verformungsverhalten des gesamten Probekörpers haben oder auf einen lokalen Bereich beschränkt sind.
Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bilden die konstruktive Entwicklung und die wissenschaftliche Untersuchung des Tragverhaltens von Kopplungselementen für den Ingenieur¬holzbau. Die neu entwickelten Verbindungen bestehen bevorzugt aus Stahlteilen mit Gewindeanschluss und werden mit einem Polymerverguss im Holz verankert. Die Kopplungselemente gestatten die einfache montagegerechte Verbindung von Holzbauteilen untereinander oder zu anderen Bauweisen. Sie nehmen die Zug- oder Drucklast axial auf und gewährleisten eine leistungsfähige und schlupf¬freie Verbindung zum Holz. Für den Verguss wird ein mineralisch gefülltes Epoxidharz mit sehr guten Klebeeigenschaften gegenüber Holz und den meisten üblichen Baustoffen verwendet.
Im Holz werden für die Verankerung der Kopplungselemente Bohrungen vorgesehen, die sich sowohl aus technologischen Gründen als auch für eine gleichmäßige Spannungsverteilung vorteilhaft erweisen. Der Durchmesser der Bohrung ist gegenüber dem Verbindungselement deutlich größer, wodurch die Verbindungsfläche zum Holz bei konstanter Länge ansteigt. Die Vergrößerung der Fugen zwischen dem Verbindungselement und der Holzwandung von 7 mm auf 17 mm führt bei konstanter Einbindetiefe und gleichem Durchmesser des Verbin¬dungsmittels zu einer Laststeigerung von über 20 %. Die größere Vergussfuge gewährleistet darüber hinaus eine Vergleichmäßigung der Spannungen innerhalb der Verbindung, den Ein¬satz von frei geformten Verbindungselementen und eine Vereinfachung der Herstellung.
Die Kopplungselemente sind für den Einsatz in Zug- oder Druckstößen ebenso geeignet wie für biegesteife Anschlüsse axial verbundener Biegeträger oder Rahmenecken. Sie können werkseitig im Holzbauteil vorgesehen oder als direkte Verbindung auf der Baustelle vergossen werden. Für die Baupraxis wird durch den Einsatz des schwindarmen Verguss-materials mit hoher Klebewirkung eine Bandbreite an Anwendungen vom Toleranzausgleich über Schubbewehrung bis zum Druck-, Zug- oder Biegeanschluss geboten.
The refurbishment of old buildings often goes hand in hand with an increase in both the dead and live loads. The latter, combined with the higher safety factors, often make the reinforcement of the old structures necessary. Most reinforcement methods involve transforming a structural timber member into a composite beam. Composite sections have a long tradition in timber construction. In the early days, multiple timber beams were connected with interlocking tooth and wooden shear connecters, which resulted in an elastic connection. Although historical timber structures are frequently upgraded, no method has yet been established and fully accepted by all stakeholders such as owners, builders, architects, engineers and cultural heritage organisations. Carbon fibre-reinforced polymers (CFRP) have already shown their efficiency in structural reinforcement especially in concrete structures. Moreover, previous studies have shown that CFRP has the potential to meet the expectations of all parties involved.
In order to reach the service-limit state, a high amount of carbon fibres has to be used, or considering the cost of reinforcement, prestress has to be applied. However, prestressing often goes hand-in-hand with delaminating issues. The camber method presented here offers an efficient solution for prestressing timber bending members and overcoming the known obstacles.
In the method proposed, the timber beam is cambered using an adjustable prop at midspan during the bonding of the CRFP-lamella to the lower side of the bending member. After curing the adhesive, the prop is removed and the prestressed composite beam is ready to be used. The prestress introduced in the system is not constant, but has a triangular shape and peaks at midspan, where it is used the most. The prestress force, which declines towards the end of the beam, leads to a constant shear stress over the whole length of the reinforcement,avoiding a concentrated anchorage zone.
An analytical calculation model has been developed to calculate and design prestressed timber-
bending members using the camber method. Numerical modelling, using a multi-surface plasticity model for timber, confirmed the results from the analytical model, and clearly reduced delaminating issues, comparing very favourably to traditional prestressing methods. The experimental parametric study, including the determination of the short-term loadbearing capacity of structural-sized beams, showed agreement with the analytical and numerical calculation. The prestressed reinforcement showed a benefit of nearly 50% towards the ultimate-limit state and up to 70% towards the service-limit state. Calculations revealed that the use of high modulus CFRP allows even higher benefits, depending on the configurations and requirements. The long-term design of the prestressed composite beam was investigated by extending the analytical model. The creep of the timber leads to a load transfer from the timber towards the CFRP, and therefore increases the benefit towards the ultimatelimit design. Applying high modulus CFRP-lamellas allows for a complete utilisation of the
design capacity of timber and carbon fibre-reinforced polymer.
The thorough investigation conducted demonstrated that the camber method is an efficient technique for prestressing and reinforcing timber-bending members. Furthermore, the calculation model presented allows for a safe design and estimation of long-term behaviour.
Zur Verbindung des flächigen Bauteils Brettstapelelement mit mineralischer Deckschicht sind bisher kaum geeignete einfachste Fugenausbildungen untersucht. Bei dieser biegebeanspruchten hybriden Verbundkombination bietet das zugbeanspruchte Holz und die druckbeanspruchte mineralische Deckschicht im Verbund ein günstigeres Biegetragverhalten und verbessert im Vergleich zum reinen Brettstapeldeckenelement dessen Eigenschaften. Für die Steifigkeit und die Tragfähigkeit der Verbundkonstruktion ist die Ausbildung der Verbundfuge, die effektive Übertragung der Schubkraft ausschlaggebend. Die vom Verfasser der Arbeit durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass der Einsatz alternativer Verbundfugenausführungen grundsätzlich möglich ist. Mit diesem Wissen scheint neben dem Einsatz nachgiebiger Verbindungsmittel auch die Heranziehung, Erfassung und Optimierung des Flächen- sowie Reibungsverbundes zwischen flächigen Holzelementen und mineralischen Deckschichten eine effiziente und sichere Fugenausbildung darzustellen. Für weiterreichende und genauere Aussagen, sind neben der versuchstechnischen Abklärung der Wirksamkeit möglicher chemischer als auch mechanischer Modifikationen der Holzoberfläche in der Verbundfuge computergestützte Kurzzeit- sowie auch Langzeituntersuchungen zur Abschätzung der Möglichkeiten und Zuverlässigkeit des Flächenverbundes zwischen Brettstapelelement und mineralischer Deckschicht unabdingbar gewesen. Als Deckschichtvarianten kamen Normalbeton, Zementestrich, Anhydritestrich und Geopolymerbeton zur Anwendung. Es konnte durch eine statistische Auswertung im Resultat ein Gesamtüberblick über das Tragverhalten von hybriden Verbundelementen mit mineralischen Deckschichten und spezieller Oberflächenbehandlung des Holzes gegeben werden. Dabei wirkten sich die Vorteile bei der Nutzung des Flächenverbundes vor allem auf den Gebrauchszustand des Bauteils aus. Die Steifigkeit des Verbundbauteils wurde durch den Flächenverbund erhöht und es wurden damit günstigere Voraussetzungen für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit vor allem bei Spannweiten über 5,0 m erzielt. Die Untersuchungen zeigen die grundlegende Anwendbarkeit für Brettstapel im Flächenverbund mit mineralischen Baustoffen.
Experimental testing of nailed connections taken from old roof trusses is presented in this paper. To enable the further use and preservation of nailed roof trusses, it is important to understand how the nail corrosion and aging processes of steel and wood affect the load-bearing capacity and deformation behaviour of such structures. The hypothesis was investigated whether corroded nails allow an increase in load-bearing capacity. Several old and new joints were tested in a first test series, and the results were very promising regarding the initial assumption. However, more tests must be carried out to verify the results.
Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Weiterentwicklung und Adaption der Holz-Beton-Verbundbauweise auf den Straßenbrückenbau zu leisten. Dabei stehen differenzierte Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten hybrider Holzbrückentragwerke sowie die Entwicklung geeigneter Verbundelemente im Vordergrund. Um die Einführung dieser innovativen Bauweise in der Praxis zu unterstützen, werden Bemessungs- und Konstruktionshinweise erarbeitet. Aufbauend auf eine Analyse des derzeitigen Forschungs- und Entwicklungsstandes auf dem Gebiet des Holz-Beton-Verbundbaus erfolgt die Untersuchung des Trag- und Verformungsverhaltens von Holz-Beton-Verbundbrücken anhand einer umfangreichen Parameterstudie. Dabei wird der Einfluss verschiedener Geometrie- und Steifigkeitsparameter auf die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von Holz-Beton-Verbundbrücken quantifiziert. Spezielle Untersuchungen dienen der Evaluation der Ermüdungssicherheit und der Ermittlung der Steifigkeitsdegradation unter Langzeitbeanspruchung auf der Basis einer realitätsnahen Abbildung des differenten zeit- und klimaabhängigen Tragverhaltens der Verbundbaustoffe. Praxisgerechte Empfehlungen für die optimierte konstruktive Durchbildung hybrider Holzbrückentragwerke fassen die Ergebnisse der Parameterstudie zusammen. Aus den Parameteranalysen leitet sich ein Anforderungsprofil bezüglich der Steifigkeit und Tragfähigkeit geeigneter Verbundelemente für den Straßenbrückenbau ab. Das Tragverhalten von drei ausgewählten Verbundelementtypen, welche diesem Profil entsprechen, wird anhand systematischer Scherversuche unter Kurzzeit-, Langzeit- und dynamischer Belastung analysiert. Aufbauend auf diese Testreihen werden weiterführende umfangreiche Versuchsserien mit dem Verbundelement Dübelleiste zur Bestimmung der mechanischen Kennwerte und zur Analyse des Gesamttragverhaltens vorgestellt. In Auswertung der umfangreichen Bauteilversuche und rechnerischer Simulationen auf der Basis Finiter-Elemente-Modelle wird ein Bemessungskonzept erarbeitet und die Eignung des Verbundelementes Dübelleiste für den Einsatz im Hybridbrückenbau nachgewiesen.
This paper presents the development of an assessment scheme for a visual qualitative evaluation of nailed connections in existing structures, such as board trusses. In terms of further use and preservation, a quick visual inspection will help to evaluate the quality of a structure regarding its load-bearing capacity and deformation behaviour. Tests of old and new nailed joints in combination with a rating scheme point out the correlation between the load-bearing capacity and condition of a joint. Old joints of comparatively good condition tend to exhibit better results than those of poor condition. Moreover, aged joints are generally more load-bearing than newly assembled ones.
The objective of the joint project 'Life cycle optimised system solutions for densified housing with massive wood technology', short form Basys, was the development and application of an open building system for sustainable construction in a virtual enterprise. Four partners coming from building economy and a university institute developed the building system in a comprehensive planning process. By applying massive wood technology, most requirements of densified housing can be met and individual buildings can be produced on demand.