Teilprojekt C4

Entwicklung von Berechnungsverfahren zur Kerbspannungsanalyse textilbewehrter Holzkonstruktionen

Leitung

Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Hufenbach
Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik

Mitarbeiter

Dipl.-Ing. Albert Langkamp
Dr.-Ing. Lothar Kroll
Dr.-Ing. Martin Lepper

Ziele

Tragende Holzstrukturen werden in praxi oft durch konstruktionsbedingte Kerben in Form von Ausschnitten und Aussparungen für Krafteinleitungen (z. B. metallische Verbindungselemente) oder verschiedenartige Durchführungen geschwächt. Hier kann durch angepasste Textilbewehrungen eine kraftflussgerechte Ausführung dieser Kerbstörzonen erreicht werden, wobei sich auch für die häufig versagenskritischen scharfen Kerben spezielle textile Pflasterverstärkungen zur Vermeidung hoher Spannungsgradienten entwickeln lassen. Das Kerbspannungsverhalten derartiger anisotrop textilbewehrter Holzkonstruktionen ist im Unterschied zu isotropen Konstruktionsmaterialien stark von der Eigenschaftscharakteristik und hier insbesondere vom Anisotropiegrad der Einzelkomponenten Holz und Textilbewehrung abhängig, so dass für spezielle Lastfälle keine allgemeingültigen Kerbspannungsfaktoren für den Auslegungsprozess angegeben werden können. Vielmehr müssen diese Bemessungsfaktoren auf Basis werkstoffgerechter erweiterter Berechnungsverfahren für jede gewählte bzw. aus der Optimierung resultierende Textilbewehrungsart, -anordnung und -richtung ermittelt werden. Für den anschließenden Kerbspannungsnachweis kommt ferner erschwerend hinzu, dass der Ort der maximalen Randbeanspruchung nicht zwangsläufig das Versagen einleitet, da ähnlich den Steifigkeiten auch die Festigkeitskenndaten sowohl der Holzgrundstruktur als auch der textilen Bewehrung stark richtungsabhängig sind. Hierzu sind werkstoffangepasste "anisotrope" Versagenskriterien heranzuziehen, die das globale Bruchgeschehen im Mikro- und Mesobereich realistisch erfassen.

Im Rahmen des Teilprojektes werden grundlegende Struktureffekte geklärt, die bei gekerbten textilbewehrten Holz-Strukturverbunden mit Ausschnitten unter Zug-, Druck-, Schub- und Biegebelastung auftreten. Dabei werden als anisotrope Werkstoffmodelle sowohl die Komponenten Holz und Textilbewehrung als auch das gesamte Holz-Textil-Verbundsystem betrachtet. Ferner sind bei derartigen Problemstellungen die feuchtebedingten Einflüsse von besonderer Bedeutung, da sie im Allgemeinen am Kerbrand zusätzliche ungewohnte Spannungsüberhöhungen induzieren.

Die Zielstellung dieses Vorhabens ist daher die Erarbeitung und Verifizierung erweiterter Berechnungsvorschriften für zunächst elementare textilbewehrte Holzkonstruktionen wie etwa Balken und Plattenstreifen mit kreisförmigen, elliptischen oder quadratischen Kerbausschnitten unter besonderer Berücksichtigung von hygromechanischen Einflüssen. Mit den hier zu entwickelnden verbesserten Berechnungsmethoden lässt sich dann eine optimale Gestaltung von Kerbstörzonen unterschiedlicher Art bei balken- sowie plattenförmigen Konstruktionen unter einfacher und überlagerter Belastung vornehmen, was bekanntlich den gesamten Auslegungsprozess hinsichtlich einer leichtbaugerechten und dauerhaften textilarmierten Holzkonstruktion bestimmt. Dabei fließen auch neue Erkenntnisse der DFG-Forschergruppe 278 "Textile Verstärkungen für Hochleistungsrotoren in komplexen Anwendungen" sowie des DFG-Schwerpunktprogramms 1123 "Textile Verbundbauweisen und Fertigungstechnologien für Leichtbaustrukturen des Maschinen- und Fahrzeugbaus" zur beanspruchungsgerechten Textilverstärkung von Faserverbundwerkstoffen mit ein.

Durch die enge Zusammenarbeit dieses Teilprojektes insbesondere mit den Teilprojekten A1 , C2 und C3 werden die grundlegenden Voraussetzungen für die Entwicklung beanspruchungsgerechter textilbewehrter Holzkonstruktionen unter komplexen Belastungen geschaffen.

Ergebnisse

Zur Beurteilung des Strukturverhaltens von gelochten textilbewehrten Holzkonstruktionen wurden in der ersten Projektphase analytische Ansätze und Lösungen entwickelt. Für die entwickelten Berechnungsmethoden heterogener, anisotroper Holz-Textil-Verbunde wurden modifizierte analytische Verfahren - etwa die Methode der komplexwertigen Ansatzfunktionen in Verbindung mit konformen Abbildungen - herangezogen, wobei verschiedene textile Halbzeugstrukturen, Faserorientierungen, Kerbgeometrien und Belastungsfälle berücksichtigt wurden. Die mathematischen Werkstoffmodelle auf Basis einer erweiterten Schichtentheorie sind derart aufgebaut, dass auch die bei anisotropen Schichtstrukturen allfälligen Kopplungen, etwa von Scheiben- und Plattenzustand, miterfasst werden. Diese Untersuchungen dienten der Klärung gundlegender Kerbeffekte bei unbelasteten Ausschnittsrändern und bilden so den Ausgangspunkt zur späteren Analyse von Spannungsüberhöhungen in der Umgebung belasteter Kerbränder wie sie etwa bei metallischen Verbindungselementen auftreten.

Parallel zu den theoretischen Betrachtungen wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen unter Anwendung sowohl der konventionellen DMS-Technik als auch moderner optischer 3D-Messverfahren (Electronic-Speckle-Pattern-Interferometrie, Grauwertkorrelationsverfahren) durchgeführt. Diese Untersuchungen weisen ebenso wie die vergleichenden Finite-Elemente-Berechnungen eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der hier erarbeiteten (semi-)analytischen Lösungen auf und bestätigen somit eindrucksvoll die Anwendbarkeit der entwickelten Verfahren.

Zur Auswertung der hier induzierten mehraxialen Spannungsfelder kommen neue physikalisch begründete Versagenskriterien zum Einsatz, für deren Erweiterung und Verifizierung Parameterstudien an textilverstärkten Rohrprobekörpern für unterschiedliche Lastkonfigurationen aus Zug/Druck- und Torsionsbelastungen durchgeführt wurden. Dabei konnten an den Rohrprobekörpern aus glasfaserverstärkten Kunststoffen für unterschiedliche Temperatur- und Medienbedingungen das wirkebenenbezogene Versagenskriterium nach Hashin/Puck sowie das hier neuartige Invariantenkriterium nach Cuntze hinsichtlich der für den Zwischenfaserbruch bedeutsamen Spannungsebene gut bestätigt werden. Die hiernach berechneten Bruchkurven dienen der Auslegung von Textilbewehrungen zur Verstärkung der Lochränder.

Veröffentlichungen

2001

Lepper, M.; Kroll, L.; Langkamp, A.; Hufenbach, W.: Kerbspannungsanalyse textilbewehrter Holzkonstruktionen mittels analytischer Berechnungsverfahren. In: 1. Fachkolloquium Textilbeton, RWTH Aachen, 2001. S. 305–314(PDF-Datei, 328 kB)
Hufenbach, W.; Zhou, B.: Solutions for an anisotropic, finite plate with an elastic inclusion and a loaded boundary. In: Composite Structures 52 (2001) 2, S. 161–166
Hufenbach, W.; Kroll, L.; Langkamp, A.; Höpken, J.: Bruchmodebezogene Versagenskriterien für langfaserverstärkte Werkstoffe. In: B. Wielage (Hrsg.) und G. Leonhardt (Hrsg.): Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Wiley-VCH, 2001, S. 303–308
Hufenbach, W.: Kunststoff-Holz-Verbund - ein moderner, hybrider Werkstoff. In: Jahrestagung der Interessengemeinschaft Betriebsleiter Holz e. V., Rothenburg o. T., 23.–24. März 2001

2000

Hufenbach, W.; Archodoulakis, G.; Langkamp, A.: Analytisches Simulationsmodell zur Berechnung des Spannungs-Verformungs-Verhaltens dreidimensional textilverstärkter Faserverbund-Leichtbaustrukturen. In: DGLR-Jahrbuch 2000. Bonn 2000 (auf CD-ROM)

1999

Hufenbach, W.; Kroll, L.: Stress analysis of notched anisotropic finite plates under mechanical and hygrothermal loads. In: Archive of Applied Mechanics 69 (1999), S. 145–159
Hufenbach, W.; Kroll, L.; Lepper, M.: Theoretische und experimentelle Kerbspannungsanalyse mehrschichtiger Faser-Kunststoff-Verbunde. In: Schulte, K. (Hrsg.) und Kainer, K. U. (Hrsg.): Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Wiley-VCH, 1999, S. 103–108
Kroll, L.; Hufenbach, W.: A physically based failure criterion for laminated composites. In: Mechanics of Composite Materials 35 (1999) 4, S. 413–422
Hardtke, H.-J.; Hufenbach, W.; Lustig, V.; Grimsel, M.: Eine neue Methode zur Identifikation von Schubmoduln aus Torsionsversuchen an prismatischen Holzstäben. In: Wissenschaftliche Zeitschrift der Technischen Universität Dresden 48 (1999) 2, S. 13–16
Lepper, M.: Kerbspannungsanalyse anisotroper Mehrschichtverbunde mit symmetrischem und unsymmetrischem Strukturaufbau. In: Dissertation, TU Clausthal 1999