Simulation von Strukturen aus Holz unter Berücksichtigung materieller und struktureller Inhomogenitäten
Am Institut für Statik und Dynamik der TU Dresden wurden in der Vergangenheit Modelle zur Beschreibung des Werkstoffs Holz im Rahmen der Finiten Elemente Methode (FEM) entwickelt. Die Modelle beziehen sich bisher auf "fehlerfreies" Holz.
Das natürlich wachsende Material Holz ist durch strukturelle Inhomogenitäten, z.B. Äste und variierende Faserverläufe, gekennzeichnet, die starken Einfluss auf das Verhalten der daraus gefertigten Bauteile und Strukturen haben. Die Wachstumsunstetigkeiten wurden bisher relativ grob über globale Faktoren, z.B. Ästigkeitsparametern, erfasst.
Im Forschungsprojekt werden Methoden zur direkten Berücksichtigung von Ästen entwickelt und mit bekannten Ansätzen verglichen. Äste und Faserverläufe müssen hierfür im Rahmen der FEM modelliert werden. Die entwickelten Modelle werden experimentell validiert und verifiziert.
Das Versuchsprogramm besteht aus Vorversuchen zur Bestimmung von Materialkennwerten, experimentellen Methoden zur Bestimmung von Ästen und Faserverläufen und anschließenden Belastungsversuchen zur Untersuchung von Fehlermechanismen aufgrund von Ästen.
Materielle Inhomogenitäten resultieren aus der natürlichen Streuung von Materialeigenschaften und können mit geeigneten Datenmodellen, z.B. Zufälligkeit, erfasst werden. Die Versuchsdaten werden dazu statistisch ausgewertet und über stochastische Modelle in der Simulation berücksichtigt.
Zur Modellierung der Datenunsicherheiten beim Holz bieten sich perspektivisch Fuzzy-Variablen an. Die Modellbildung mündet dann in eine fuzzy Finite-Elemente Methode, die auf einem um die strukturellen Inhomogenitäten erweiterten deterministischen Modell aufbaut.