Numerical investigation of onset of brittle failure in CLT plates

Abstract

This thesis deals with the mechanical behavior of 'Cross Laminated Timber (CLT)' plates, which is a well-established high-performance wood product used for modern domestic architecture as well as in structural engineering.<br />Only recently, building regulations have been changed to allow application of wooden load-bearing components in multi-storied houses.<br />CLT is playing an important role there. Though, currently available material models cannot capture the distinctive mechanical behavior of this shear compliant laminate and its plate-specific load transfer.<br />Commonly, CLT is assessed by simplifying design approaches based on beam-theory. Under application of the Finite Element Method (FEM), an alternative and more precise analysis of the mechanical behavior is possible.<br />The main task of this thesis was to develop a simulation tool generating a FE model of a 3-layered quadratic CLT plate, where in particular a suitable description of the fracture behavior under tensile load should be integrated. When building the individual layers in the model of CLT, randomly distributed board lengths as well as randomly distributed densities and knot contents (in terms of KAR-values) are taken into consideration. The simulation-program, defining the model for the FE analysis with the commercial FE package Abaqus, is written in Matlab. It generates the geometry sections of the CLT plate as well as locally varying stiffness and strength values. The latter are determined from local densities and KAR-values by means of micromechanical models, developed at the Institute for Mechanics of Materials and Structures.<br />Emphasis was placed on the ability of the simulation program to generate matched model definitions with different mesh densities, in order to investigate the influence of the chosen mesh on the simulation results.<br />The results of computations performed on a generated sample plate are qualitatively discussed. Furthermore, the effect of crack formation between the lamellae of a CLT plate is investigated.<br />

Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Materialverhaltens von Brettsperrholz-Platten (englisch 'Cross Laminated Timber' - CLT). CLT hat sich als gängiger Holzwerkstoff sowohl im Wohnbau als auch im modernen konstruktiven Ingenieurholzbau etabliert. Um moderne Holzwerkstoffe entsprechend ihrer Eignung einsetzen zu können, wurden Normen und Verordnungen für das Bauwesen dahingehend adaptiert, dass nun auch die Konstruktion mehrgeschossiger Gebäude mit einer tragende Struktur aus Holzwerkstoffen möglich ist. Und CLT ist ein gewichtiger Vertreter in der Familie von konstruktiven Holzwerkstoffen. Jedoch gibt es derzeit noch kein adäquates mechanischen Materialmodell für CLT, was einer Ausnutzung der gesamten Leistungsfähigkeit dieses flächigen Holzwerkstoffes entgegensteht. CLT ist charakterisiert durch die inhomogene und anisotrope Materialstruktur des Grundwerkstoffes Holz auf der einen Seite, und die dem spezifischen Aufbau, mit aus 90◦ gegeneinander gedrehten Brettlagen, geschuldeten Eigenschaften. Diese äußern sich in einer hohen Schubnachgiebigkeit der mittleren Schichten und den daraus resultierenden spezifischen Lastverhältnissen innerhalb der Platten.<br />Derzeit werden für die Bemessung von CLT vereinfachende Rechenmodelle angewandt, die überwiegend auf der Stabtheorie basieren. Jedoch ist in Anwendung der Finiten Elemente Methode (FEM) eine umfangreichere und präzisere mechanische Berechnung auch bei Holzwerkstoffen möglich. Die Modellbildung gestaltet sich hingegen komplexer als zum Beispiel im Stahl- oder Betonbau, wo FEM längst eine Anwendung in der täglichen Baupraxis erfahren hat.<br />Die wesentliche Aufgabe der hier präsentierten Arbeit bestand darin, ein Simulationsprogramm zur Generierung einer quadratischen CLT-Platte zu entwickeln. Im Besonderen sollte ein Modell etabliert werden, welches die Rissbildung zwischen den einzelnen Lamellen in der Zugzone bei hoher Biegebeanspruchung mechanisch abbilden kann. Um ein werkstoffmechanisches Modell von CLT zu erstellen, ist es zuallererst nötig den Aufbau der einzelnen Schichten aus Schnitthölzern zu betrachten. In diesen Schichten sind die Längen der einzelnen Schnittholzabschnitte bedingt durch den Herstellungsprozess zufallsverteilt; ebenso unterliegen die Rohdichten und der abmindernde Einfluss von Ästen einer statistischen Verteilung. Bei der Erstellung des FE-Modells werden diese charakteristischen Verteilungen berücksichtigt, in dem den in geometrische Einheiten aufgeteilten Modell jeweils verschiedene Steifigkeits- und Festigkeitswerte zugewiesen werden. Letztere werden in Anwendung eines mikromechanischen Modells (entwickelt am Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen) aus der Rohdichte und dem KAR-Wert, welcher den Einfluss der Ästigkeit beschreibt, ermittelt. Die FE-Berechnungen sowie die mechanische Auswertungen erfolgen mit dem kommerziellen Programm Abaqus, das Simulationsprogramm wurde in Matlab erstellt. Bei der Festlegung der Spezifikationen des Simulationsprogramms wurde darauf geachtet, dass bei der Generierung von CLT-Platten die Feinheit des FE-Netzes aller Modellabschnitte parametergesteuert definiert werden kann, um so den Einfluss dieser Feinheit bei der mechanischen Analyse des Modells untersuchen zu können.<br />Die Ergebnisse der Berechnungen werden am Ende der Arbeit anhand einer repräsentativen Platte qualitativ ausgewertet. Ein Schwerpunkt der Analyse lag dabei auf der Untersuchung des mechanischen Einflusses der Rissbildung auf das Gesamtsystem der Platte.<br />