Mechanical behavior of engineered wood products : experimental investigations and advanced modeling of Veneer Strand Boards and Cross Laminated Timber

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem (mikro)mechanischen Verhalten von mehrschichtigen Holzwerkstoffen, welche sich im Ingenieurholzbau großer Beliebtheit und eines breiten Anwendungsspektrums erfreuen. Der Wunsch nach Holzwerkstoffen mit anwendungsspezifischen Eigenschaften und nach einem vermehrten Einsatz natürlicher Werkstoffe im Bauwesen unterstützte die rege Entwicklung von neuen Holzwerkstoffen in den letzten Jahren. Bisher wurde dieser Prozess hauptsächlich von technologischen bzw. ökonomischen Überlegungen getragen. Adäquate mechanische Materialmodelle für die inhomogenen und anisotropen Holzwerkstoffe fehlen hingegen noch häufig. Derzeit übliche vereinfachende Rechenmodelle vermögen das tatsächliche mechanische Verhalten nicht genau abzubilden und schränken so die Ausnutzung des mechanischen Potentials der Holzwerkstoffe ein. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und experimentelle Validierung von Materialmodellen für flächige Holzwerkstoffe, welche aus Flachspänen bzw. Brettern produziert werden. Diese Modelle sollen helfen, das mechanische Potential der Plattenwerkstoffe auszuloten und eine wirtschaftliche und statisch zuverlässige Bemessung zu ermöglichen.<br />Im ersten Teil werden Holzwerkstoffe aus schlanken Flachspänen behandelt. Die Möglichkeit, die Seitenware von Starkholzblochen zu sehr homogenem Flachspangut zu verarbeiten, führte zur Entwicklung eines spanbasierten Holzwerkstoffes ('Veneer Strand Board - VSB'), welcher für lastabtragende Anwendungen eingesetzt werden kann. Das hohe mechanische Potential eines solchen plattenförmigen Werkstoffes wurde anhand eines umfangreichen Prüfprogrammes ermittelt. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurde ein mikromechanisches Mehrskalenmodell für das elastische Verhalten von VSB-Platten entwickelt und anhand von Versuchsergebnissen validiert. Es ermöglicht die Einflüsse von Holzqualität, Spanorientierung, Dichteprofil und Schichtaufbau auf die elastischen Eigenschaften der Platten zu prognostizieren. Weiters werden OSB-Platten behandelt, die aus Kiefern- und Zedernholz sowie aus auf Lignin bzw. Tannin basierenden Klebstoffen hergestellt wurden. Die Dauerhaftigkeit der Holzarten sowie der ökologische Ursprung der Klebstoffe führen zu einem umweltfreundlichen Holzwerkstoff, welcher im Hinblick auf die Ausnutzung natürlicher Gegebenheiten für technische Applikationen zukunftsweisend ist. Die Verwendung von homogenem Flachspangut erlaubte die Adaptierung entwickelten Mehrskalenmodells für die Span- und Plattenparameter des OSB-Werkstoffes. Auch hier erwies sich das Mikromechanik-Modell als wertvolles Werkzeug für die Produktentwicklung und die anwendungsspezifische Produktoptimierung.<br />Im zweiten Teil der Arbeit wird der Fokus auf Brettsperrholz (engl.<br />'Cross Laminated Timber - CLT') gelegt, welches ein gängiger Holzwerkstoff für den Wohnbau und auch den anspruchsvollen Ingenieurholzbau ist. Derzeit wird Brettsperrholz zumeist unter Anwendung von Stabtheorien bemessen. Diese erlauben nur eingeschränkt die Abbildung des mechanischen Verhaltens dieses mehrschichtigen, anisotropen und äußerst schubnachgiebigen Plattenwerkstoffes. Anhand einer elastizitätstheoretisch exakten Lösung werden zuerst die tatsächlichen Spannungs- und Verschiebungsverläufe analysiert. Weiters werden Berechnungen mittels gewöhnlicher und höherer Plattentheorien durchgeführt, und deren Genauigkeit bzw. deren sinnvolle Einsatzbereiche für die Bemessung von Brettsperrholz durch Vergleich der Ergebnisse mit den entsprechenden exakten Lösungen aufgezeigt. Diese Vergleichsrechnungen sowie experimentelle Daten aus der Literatur verdeutlichen die Notwendigkeit, ausgewählte höhere Plattentheorien für Brettsperrholz anzuwenden. Diese liefern bei vertretbarem Rechenaufwand auch für dicke Platten sowie für den Nahbereich von konzentrierten Belastungen sehr genaue Ergebnisse. Letztlich wird in eine neue höhere Plattentheorie für schubnachgiebige Laminatwerkstoffe, wie z.B.<br />Brettsperrholz, hergeleitet. Basierend auf einem geeigneten Ansatz für die transversalen Schubspannungen und auf elastizitätstheoretischen Überlegungen liefert die präsentierte Plattentheorie sehr genaue Berechnungsergebnisse. Sie gibt das laminatspezifische Deformationsverhalten und die dazugehörigen Spannungsverläufe in mehrschichtigen Platten qualitativ und quantitativ in hoher Genauigkeit wieder. Diese Theorie benötigt sechs Lösungsvariablen und stellt somit eine Möglichkeit für die genaue und effiziente Bemessung von Brettsperrholz dar.<br />

Engineered wood products are widely used in structural engineering. Recently, a brisk development of those products was caused by ambitions to make wood products deployable for a wide range of applications and by increased environmental concerns. These developments, though, were mainly driven by technological and economical considerations. Adequate models for the mechanical behavior of the inhomogeneous and highly anisotropic wood products are seldom available and, thus, mostly rather simplified relations are applied.<br />The present work intends to support the favorable development of multi-layer, two-dimensional engineered wood products by investigating the (micro)mechanical interrelationships between the constituents and final products. Thus, experimental investigations are performed and appropriate mechanical models, covering the peculiarities of the considered wood products, are developed and validated by the experimental results.<br />Firstly, the mechanical potential of a strand-based engineered wood product is examined. The feasibility to produce homogeneous, slender, and large-area strands from the outer parts of large-diameter logs motivated the development of a strand-based panel for load-bearing applications ('Veneer Strand Board - VSB'). The high stiffness and strength properties of VSB determined in tension, bending, and shear tests clearly confirm its mechanical potential. In addition to experimental efforts, a multiscale model based on continuum micromechanics was developed and experimentally validated. This model enables us to study the effects of microcharacteristics, such as wood quality, strand orientation, density profile, and layer assembly, on the elastic properties of the final strand board and proves to be a valuable tool for the development of wood products with application-tailored properties. In addition to VSB, made from spruce wood and phenol-formaldehyde resin, also strand boards produced from pine and cypress wood and natural based resins are investigated here.<br />Thereafter, the focus is laid on 'Cross Laminated Timber (CLT)' plates, which are used for residential buildings as well as for challenging engineering structures. Currently, beam theories are applied for their structural design. Such theories do not allow for an accurate consideration of the mechanical behavior of this shear compliant laminate and its plate-specific load transfer. Here, the actual deformation and stress states are presented, obtained from an exact solution, and the accuracy of common and advanced plate theories as well as their suitable ranges of application are assessed. The laminate-specific deformation pattern clearly shows the need for advanced plate theoretical descriptions, which are proposed here.<br />Furthermore, an accurate and efficient plate theory for cross-ply laminated plates, e.g. CLT, is derived based on appropriate assumptions of the transverse shear stress distributions across the plate thickness and on considerations of infinitesimal equilibrium equations. The presented plate theory is able to reproduce the laminate-specific deformation and stress distributions across the plate thickness very accurately, even for thick plates and in the vicinity of concentrated loadings. Based on six solution variables the presented plate theory provides a suitable basis for an accurate and computationally efficient structural design of CLT.<br />