Investigations on the serviceability limit state of dowel-type timber connections

Abstract

Stahl-Holz-Verbindungen mit Stabdübeln sind im Ingenieurholzbau weit verbreitet, um eine große Variation an Lasten zu übertragen. Obwohl sie einfach herzustellen und zusammenzufügen sind, sind die Tragwirkung und die lokalen Spannungs-- und Verzerrungsfelder innerhalb des Verbindungsmittelbereichs vergleichsweise komplex. Bedingt durch die Anisotropie in Aufbau und Verhalten und den natürlichen Wuchs, der zu Inhomogenitäten führt, ist Holz aus Sicht des Ingenieurs ein herausfordernder Baustoff. Holz weist sehr unterschiedliche Versagensformen auf, nämlich spröd unter Zug- und Schubbelastungen und plastisch-duktil im Druckbereich. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Tragverhalten von Stabdübelverbindungen eingehend zu untersuchen. Dazu werden Versuche an Verbindungen mit einem einzelnen Dübel durchgeführt. Dabei wird der Einfluss verschiedener Parameter bestimmt, wie der Holzdichte, der Breite der Verbindung, der Dübelrauigkeit und von Verstärkungen zur Rissvorbeugung. Einzelne Abschnitte im Last-Verschiebungs-Diagramm werden identifiziert, beginnend beim Erstkontakt zwischen Dübel und Holz, über den Abschnitt mit der größten Steifigkeit bei Erstbelastung sowie dem Punkt der Maximallast. Zusätzlich sind die Duktilität und der endgültige Versagensmodus von Interesse. Während der Versuche werden Ent- und Wiederbelastungszyklen durchfahren, die durch deutlich höhere Steifigkeiten als jene bei der Erstbelastung gekennzeichnet sind. Die Versuchsergebnisse werden mit den Ergebnissen nach Eurocode 5 verglichen. Es zeigt sich, dass die Maximallasten konservativ abgeschätzt werden (mit Ausnahme von schmalen Verbindungen), die Vorhersagen für die Steifigkeit sind nur für Verbindungen mittlerer Breite zutreffend. Der Erstkontakt zwischen Dübel und Holz wird im folgenden genauer betrachtet. Die Oberfläche des Bohrloches ist hierbei für die geringe Steifigkeit zu Beginn verantwortlich, da diese nicht glatt sondern rau und wellig ist. Das Kontaktverhalten wird untersucht, indem Druckversuche an Holzproben mit unterschiedlichen Oberflächenrauigkeiten, erzeugt durch verschiedene Schnittarten, gemacht werden. Basierend auf den Versuchsergebnissen wird ein mathematisches Modell für weichen Kontakt vorgeschlagen, welches auch nicht-reversible Deformationen berücksichtigt. Ergänzend zu den Versuchen wird ein numerisches Simulationstool entwickelt, das eine Beurteilung des mechanischen Verhaltens von Verbindungen ermöglicht. Dies geschieht mit Hilfe der Finiten Elemente Methode, welche einen verbesserten Einblick in die lokalen Spannungs-- und Verzerrungsfelder ermöglicht. Dazu wird ein dreidimensionales Materialmodell für Holz vorgestellt, mit dem das anisotrope Verhalten von Holz sowohl im elastischen als auch im plastischen Bereich innerhalb der Theorie kleiner Verzerrungen und Verschiebungen erfasst wird. Die Kombination der Modelle für das mechanische Verhalten von Holz und für das Kontaktverhalten führt zu realistischen Simulationen, die mit Hilfe der Versuchsergebnisse verifiziert werden. Es zeigt sich, dass das numerisch bestimmte Verhalten mit dem experimentell beobachteten gut übereinstimmt, und dass die oben erwähnten Abschnitte im Last-Verschiebungs-Diagramm gut reproduzierbar sind. Aufgrund der Modellbeschränkung auf kleine Verzerrungen und Verschiebungen können die Traglast und das spröde Versagen nicht vorhergesagt werden. Dennoch ist es möglich, den Einfluss verschiedener Parameter darauf abzuschätzen. Die Modelle erlauben eine zukünftige Anwendung auf komplexere Gegebenheiten, z.B. in Dübelgruppen oder in Verbindungen mit allgemeiner Belastung. Hierbei ermöglicht vor allem das Kontaktmodell, welches ein wesentlicher originärer Beitrag dieser Arbeit ist, eine realistische Simulation der Kräfteverteilung in statisch unbestimmten Systemen.

Dowel-type steel-to-timber connections are commonly used to transfer a large range of loads. Although they are simple to produce and assemble, the load-carrying behavior and the local stress and strain distribution within the connection area are highly complex. In addition to that, wood is a challenging material from an engineering point of view due to its highly anisotropic structure and behavior and due to its natural origin, which results often in inhomogeneities. The failure characteristics of wood are very different in tension and shear and in compression, where brittle failure and plastic-ductile failure modes occur, respectively. The aim of this thesis is to study the load-carrying behavior of dowel-type steel-to-timber connections in detail. This is achieved by performing experimental tests on single-dowel connections. A large variety of influencing parameters is assessed, which include wood density, connection width, the dowel roughness, and the application of reinforcements in order to prevent brittle behavior. Separate stages in the loading history are identified, starting from an initial consolidation phase, the region of maximum stiffness during load increase, and the point of maximum connection strength. Ductility is of great interest as well as the final failure modes. During the experiments, unloading and reloading cycles are performed, where distinctively higher stiffnesses are observed than during the first loading. The results of the experiments are compared to the design practice in Eurocode 5 for strength and stiffness estimation. Strength prediction is conservative except for slender connections, while stiffness prediction complied with experimental results only for connections of intermediate width. The initial consolidation phase of the experiments is then investigated further. It is concluded, that the properties of the bore-hole surface, where not a smooth but a rough surface with valleys and rifts is encountered, is responsible for the initially low stiffness. The contact behavior is studied by conducting experiments on wood with varying surface characteristics, which are a result of using different cutting tools. A mathematical model for the soft contact behavior is proposed, which is based on the results of the experimental tests. It also includes the evolution of non-reversible deformations in the surface layer. Complementing the experiments, a simulation tool suitable for numerically assessing the mechanical behavior of the connections is developed. It allows to perform simulations by means of the Finite Element method on such connections and provides an enhanced insight into the stress and strain distribution in connections compared to the tests. Hereby, a three-dimensional material model for wood is established, which allows to model the anisotropy of wood in the elastic as well as in the plastic domain, based on the theory of small strains and small displacements. The combination of the developed models for the material as well as the contact behavior leads to realistic simulation results, which are verified by comparing model predictions with the experimental results on connections. It is confirmed, that the computed behavior agrees well with the experimental one and that the features observed during the experiments are well reproduced. Due to the limitations of the simulation tool to small deformations, ultimate load and brittle failure modes cannot be predicted. Nevertheless, the influence of various parameters on both can still be estimated. The modeling approach is suitable for application to more complex situations in the future, such as multi-dowel connections or connection loaded by generalized loads. Especially the contact model, which is a unique feature in the thesis, allows a realistic simulation of the distribution of the forces in such statically indeterminant situations.