Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Methoden und Ergebnisse aktueller Forschung

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1 Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Methoden und Ergebnisse aktueller Forschung 90 Jahre Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine Festkolloquium am 29. und 30. September 2011 Holzbau und Baukonstruktionen KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Hintergründe Fichtenbrettschichtholz Biegefestigkeit auf dem Prüfstand Wie fest ist Fichtenbrettschichtholz? Biegefestigkeit [N/mm²] GL36h 30 N f,m,k Quantile Normal der Normalverteilung Percentiles Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 1

2 Hintergründe Fichtenbrettschichtholz Biegefestigkeit auf dem Prüfstand Wie fest ist Fichtenbrettschichtholz? Warenlager Wald im Wandel Anteil der Laubbäume steigt Buchenbrettschichtholz Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Hintergründe Fichtenbrettschichtholz Biegefestigkeit auf dem Prüfstand Wie fest ist Fichtenbrettschichtholz? Warenlager Wald im Wandel Anteil der Laubbäume steigt Buchenbrettschichtholz Dauerthema Dauerhaftigkeit Alternative zu Fichtenund Tropenholz Modifiziertes Holz für BS-Holz Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 2

3 Hintergründe Fichtenbrettschichtholz Biegefestigkeit auf dem Prüfstand Wie fest ist Fichtenbrettschichtholz? Warenlager Wald im Wandel Anteil der Laubbäume steigt Buchenbrettschichtholz Dauerthema Dauerhaftigkeit Alternative zu Fichtenund Tropenholz Modifiziertes Holz für BS-Holz Wettbewerb Wirtschaftliche Planung Produktoptimierung Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Simulation Lat. simulare, eigtl. = nachahmen Sachverhalte, Vorgänge [mit technischen, (natur)wissenschaftlichen Mitteln] modellhaft nachbilden, (bes. zu Übungs-, Erkenntniszwecken) in den Grundzügen wirklichkeitsgetreu nachahmen Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 3

4 Glos et al. (1973) Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Da die Beanspruchbarkeit eine stochastische Größe darstellt, ist eine große Anzahl von Versuchen notwendig. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es daher geboten, diese Versuche nicht an der Vielzahl möglicher Tragwerksformen durchzuführen, sondern an einigen wenigen Elementen, aus denen die Tragwerke zusammengesetzt werden können. Glos et al. (1973) Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 4

5 Glos et al. (1973) Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Finite-Elemente-Methode Besonders der bausteinartige Aufbau kommt der gewohnten Denkweise des Ingenieurs sehr entgegen und unterscheidet sich auf diese Weise vom Ansatz her von abstrakten mathematischen Algorithmen. Die zu berechnende Struktur wird in eine Anzahl einzelner Elemente endlicher Größe zerlegt. Sie sind von gleicher Strukturart und gleichem Materialverhalten wie das Original-Tragwerk. Wunderlich (1985) Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 5

6 Wunderlich (1985) Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Rundholzplatz, Schwörer Holzindustrie, Hohenstein Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 6

7 Schwachholzlinie, Schwörer Holzindustrie, Hohenstein Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Streuende Holzeigenschaften Flussdiagramm der Materialsimulation im Karlsruher Rechenmodell (KAREMO) Ehlbeck et al. (1985) Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 7

8 Methoden & Ergebnisse aktueller Forschung Strukturanalyse Sortierverfahren Holzarten Systeme Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Methoden & Ergebnisse Strukturanalyse Finite-Elemente-Programm für wissenschaftliche Anwendungen Spezifische Programmiersprache Prozessoren Modellierung, Berechnung, Auswertung, Visualisierung Anpassungsfähig Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 8

9 Simulierter Biegeversuch Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Simulierter Biegeversuch Tragfähigkeit Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 9

10 Simulierter Biegeversuch Tragfähigkeit Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Methoden & Ergebnisse Strukturanalyse Sortierverfahren Visuelle und maschinelle Sortierungen Datenbank der Holzforschung München Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 10

11 Visuelle Sortierung Sortierplatz, Hüttemann Holz, Olsberg Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Maschinelle Sortierung Modul ViSCAN Berührungslose Frequenzmessung MiCROTEC, Brixen Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 11

12 Methoden & Ergebnisse Strukturanalyse Sortierverfahren Holzarten Fichtenholz Korrektur der Anforderungen an Bretter und Keilzinken Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 12

13 Methoden & Ergebnisse Strukturanalyse Sortierverfahren Holzarten Fichtenholz Korrektur der Anforderungen an Bretter und Keilzinken Buchenholz Reaktion auf das zukünftig verstärkte Buchenholzaufkommen Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 13

14 BS-Holz aus Buche Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz BS-Holz aus Buche Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Festigkeitsklassen und Anforderungen Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 14

15 GL44c IPE-240 S mm 240 mm 110 mm 120 mm Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Versagensfall Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 15

16 Hersteller von BS-Holz aus Buche Studiengemeinschaft Holzleimbau e.v.: Burgbacher Holztechnologie GmbH Schaffitzel Holzindustrie GmbH + Co. KG SchwörerHaus KG WIEHAG GmbH Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Methoden & Ergebnisse Strukturanalyse Sortierverfahren Holzarten Fichtenholz Korrektur der Anforderungen an Bretter und Keilzinken Buchenholz Reaktion auf das zukünftig verstärkte Buchenholzaufkommen Acetylierte Radiata-Kiefer (Accoya) Dauerhaftigkeit Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 16

17 Zusammenbau einer Trogbrücke Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Werkshalle, Schaffitzel Holzindustrie Accoya Radiata-Kiefer (pinus radiata) aus Neuseeland/Chile Plantagenholz Modifikation durch Einlagerung von Essigsäureanhydrid Dauerhaftigkeit Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 17

18 Accoya Plantage in Neuseeland, Schonung mit jungem Baumbestand Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Accoya-Bretter Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 18

19 Accoya- Haupttragglied einer Brücke für die Niederlande Werkshalle, Schaffitzel Holzindustrie Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Wissenschaftliche Grundlagen für Accoya-BS-Holz Accoya-BS-Holz Biegeversuch Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 19

20 Einflüsse auf die Festigkeit Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Zugversuche an Accoya-Brettabschnitten Zugprüfmaschine, Holzforschung München Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 20

21 Zugversuche an Accoya-Brettabschnitten Zugprüfmaschine, Holzforschung München Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 150 mm Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 21

22 Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 22

23 Dauerhaftigkeit von frei bewitterten Holzbauteilen Fallbeispiel Brücke aus Fichtenbrettschichtholz, 2010 abgerissen Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Wettbewerbsnachteile Aluminiumkonstruktion als Ersatz Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 23

24 Pilzbefall und Fäule Anschluss Geländerpfosten Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Methoden & Ergebnisse Strukturanalyse Sortierverfahren Holzarten Systeme aus Fichten BS-Holz Zugversuche Längeneffekte Druckversuche Holzfeuchte Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 24

25 Biege-, Zug- und Druckfestigkeit f m,g,k f t,0,g,k f c,0,g,k Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Modelle für Biege- und Zugversuche Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 25

26 1.0 Summenhäufigkeit Biegefestigkeit Zugfestigkeit BS-Holz-Festigkeit [N/mm²] Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz DIN 1052:2008 Simulation f t,0,k (= 0,88f m,k ) Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 26

27 k l ( f t 0 k ) - S t a b l a e n g e Simulation der Tragfähigkeit von Einfluss der Bauteillänge auf die Zugfestigkeit kl-faktor [-] Simulierte Festigkeitsverhältnisse Regressionskurve 0.8 5,4 m Bauteillänge [m] Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Modell für Druckversuche Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 27

28 Druckfalten im Splintholz einer im Sturm abgeknickten Kiefer Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Holzfeuchtigkeit Glos (1978) Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 28

29 f c 0 5 * r h o 0 5 _ 1 2 Simulation der Tragfähigkeit von Charakt. BS-Holz-Druckfestigkeit [N/mm²] Holzfeuchte 12 % 16 % 20 % Charakt. Rohdichte des Schnittholzes [g/cm3] Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz DIN 1052:2008 Simulation f c,0,k (NKL 1) Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 29

30 Methoden & Ergebnisse Strukturanalyse Sortierverfahren Holzarten Systeme Zugversuche und Längeneffekte Druckversuche und Holzfeuchtigkeit Systemeffekte bei Mehrfeldträgern Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Mehrfeldträger Wahrscheinlichkeit des Zusammentreffens zwischen Beanspruchungsspitzen und Schwachstellen Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 30

31 Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Referenzträger Bereiche, in denen hohe Beanspruchungen mit potenziellen Schwachstellen zusammentreffen l/3 (Einfeldträger) bzw. einzelne Punkte (Mehrfeldträger) Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 31

32 Mehrfeldträger Referenzträger charakt. Biegefestigkeit (Tabellenwert) Effektive Biegefestigkeiten Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Modelle Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 32

33 f m g k 1 f m g k 2 Simulation der Tragfähigkeit von Effektive Biegefestigkeit [N/mm²] Mehrfeldträger 2 Felder 3 Felder 4 Felder Biegefestigkeit des Einfeldträgers [N/mm²] Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Neubau einer Turnhalle, KIT Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz 34