Vorhersage von Holzfestigkeit - ein Traglastansatz

Die hervorragenden mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Holz in Verbindung mit dem allgemeinen Trend des wachsenden Umweltbewusstseins im Bauingenieurwesen, haben in den letzten Jahren zu einer steigenden Nachfrage nach Tragelementen aus Holz geführt. Trotzdem wird Holz als tragendem Bauteil oft mit Skepsis begegnet, und daher wird es nicht so umfassend eingesetzt wie die sehr guten Materialeigenschaften vermuten lassen würden. Neben bauphysikalischen und konstruktiven Gründen ist die Hauptursache für diese Skepsis das sehr komplexe Materialverhalten von Holz, welches ebenso der Grund ist, dass Bemessungskonzepte für Holz bisher nicht die Vorhersagegenauigkeit wie bei anderen Baustoffen erreicht haben. Dies ist die Hauptmotivation der vorgeschlagenen Arbeit, welche einen neuen Ansatz vorstellt um Versagensmechanismen in Holz besser zu verstehen und Holzfestigkeiten verlässlich bestimmen zu können. Da das Versagen von Holz bzw. die Initiierung von Rissen stark vom komplexen Materialaufbau, bestehend aus zellulären und geschichteten Strukturen auf unterschiedlichen Längenskalen, beeinflusst wird, erscheint es notwendig diese mikrostrukturellen Eigenschaften in einem mechanischen Konzept zu berücksichtigen. Somit ist die Unterteilung der Holzstruktur in sinnvolle Betrachtungsebenen das erste Ziel der vorgeschlagenen Arbeit. Auf jeder Ebene werden Versagensmechanismen und Festigkeitseigenschaften mittels numerischen Verfahren bestimmt und diese Information wird zur nächsthöheren Ebene übertragen bzw. dient dort als Eingangsparameter. Für dieses sogenannte Hochskalieren von mechanischen Eigenschaften ist derzeit am Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen ein numerisches Tool auf Basis der erweiterten Finite Elemente Methode in Entwicklung, welches eine sehr genaue Beschreibung von Holzversagen (sogar von diskreten Rissen) erlaubt. Für ein umfassendes Festigkeitsmodell für Holz über mehrere Betrachtungsebenen jedoch ist diese Methode alleine nicht ausreichend und zu ineffizient. Aus diesem Grund sollen in der vorgeschlagenen Arbeit numerische Formulierungen der Traglastanalyse weiterentwickelt und zum ersten Mal auf Holzstrukturen angewendet werden. Diese sollen dass sich in Entwicklung befindliche Mehrskalen-Festigkeitsmodell für Holz erfolgreich vervollständigen. Die Traglastanalyse konzentriert sich ausschließlich auf den Zeitpunkt des Versagens, und liefert Unter- und Obergrenzen für die Festigkeit der untersuchten Materialstruktur. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen in denen die komplette Lastgeschichte berücksichtig werden muss und der Einsatz von Regularisierungstechniken oft notwendig ist um Ergebnisse zu erzielen sind numerische Traglastformulierungen wesentlich stabiler und effizienter. Die Erweiterung bestehender Traglastformulierungen zur Berücksichtigung von orthotropen Materialverhalten und geeigneter Randbedingungen, die Berücksichtigung von nicht- assoziierten plastischem Fließen und die Anwendung dieser Formulierungen auf Holzzellstrukturen sind die Hauptziele der vorgestellten Arbeit. Letztendlich wird es möglich sein neue Einblicke in das Versagen von Holz zu gewinnen und ein neues numerisches Tool zur Vorhersage von Holzfestigkeiten wird zur Verfügung stehen.

Traditionell werden tragende Bauteile aus Holz vor allem in ländlichen Gebieten bei ein- oder zweistöckige Wohngebäude sowie einfache Hallen oder Ställe eingesetzt. In den letzten Jahren hat sich diese Situation jedoch drastisch verändert.Die hervorragenden mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Holz kombiniert mit dem generellen Trend hin zu nachhaltigeren Bauweisen, hat Holz in den Fokus von privaten und öffentlichen Bauherren gerückt. Und nicht nur um kleine Gebäude zu realisieren sondern auch um anspruchsvolle Baukonstruktionen mit tragen- den Elementen aus Holz auszuführen. Zum Beispiel wird ein 24-stöckiges Hochhaus hauptsächlich aus Holz bis 2018 in Wien fertiggestellt, welches dann das Größte seiner Art weltweit sein wird. Solche und ähnliche Projekte können nur dann erfolgreich durchgeführt werden wenn ausreichend Verständnis über das mechanische Verhalten von diesem komplexen Material vorhanden ist. Dies war die Hauptmotivation für diese Arbeit, welche auf die Entwicklung und Bewertung neuer Berechnungsverfahren zur besseren Vorhersage des mechanischen Verhaltens von Holz abzielt. Auf der Grundlage solcher Verfahren wird es möglich sein das große mechanische Potential dieses Werkstoffes zu heben.Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei solche Berechnungsverfahren untersucht: ein erweiterter Finite-Elemente Ansatz welcher das spröde Versagen von Holz gut abbilden kann; ein neu entwickelter numerischer Traglastansatz der ausschließlich duktiles Versagen beschreibt; und ein Ansatz basierend auf der Kontinuum Mikromechanik. Alle drei Methoden wurden auf Mikrostrukturen von Holz, wie z.B. die gut bekannten wabenförmigen Holzzellen oder die Schichtstruktur von Früh- und Spätholz, angewendet. Schließlich wurden Festigkeiten und Versagensmechanismen dieser Strukturen für unterschiedliche Belastungszustände erhalten. Die Ergebnisse der verschiedenen Verfahren wurden miteinander und mit Versuchsergebnissen verglichen, sodass die Starken und Schwachen der drei Berechnungsmethoden diskutiert und deren Anwendbarkeit auf Holz bewertet werden konnte. Die erweiterte Finite-Elemente Methode ermöglicht eine sehr realitätsnahe Beschreibung der mechanischen Prozesse in Holz. Dennoch verhindert die Komplexität und der sehr hohe Rechenaufwand einen großflächigen Einsatz im Ingenieurbereich. Der numerische Traglastansatz sowie das mikromechanische Modell hingegen lieferten sehr gute Prognosen verbunden mit großer Effizienz und hervorragender Stabilität. Eine wesentliche Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass diese beiden Methoden gemeinsam in der Lage sind experimentell erhaltene Versagensbereiche von Holz sehr gut zu prognostizieren und zusätzlich neue Einblicke in das duktile Potential von Holz zulassen.Zusammenfassend kann gesagt werden, dass vielversprechende neuartige Berechnungsmethoden für Holz existieren welche zuverlässig Festigkeiten und Versagensmechanismen liefern und da- her auch effektive Festigkeiten von unterschiedlichen Holzprodukten vorhersagen können. Letztendlich soll diese Arbeit einen Beitrag für Performance-basierte Optimierung von Holz und Holzstrukturen darstellen, eine Notwendigkeit um die Wettbewerbsfähigkeit von Holz gegenüber anderen Baustoffen zu verbessern.