Nonlinear finite element analysis of dovetail connectors in cross-laminated timber panels

Abstract

Wood, one of the oldest building materials, has experienced an enormous renaissance, especially in the last decade. On the one hand, pressing issues such as climate change are motivating the increased use of this material, on the other hand, the field of applications in the past has been limited by the natural growth and the resulting component dimensions. Extensive research and development of wood-based materials has resulted in products such as glued laminated timber (GLT) or cross-laminated timber (CLT), which have significantly expanded the scope of application. In recent years, this has enabled market share to be regained from conventional construction methods such as concrete construction. The extended scope of application motivates the further development of existing fastening technologies and the development of new, innovative systems and their computational modeling. This thesis investigates how experimental development can be extended through the use of numerical methods such as the finite element method (FEM) in order to accelerate time and cost-intensive test loops at the beginning of the development process. First, the theoretical principles of CLT are elaborated and the essential methods for the computer-based modeling of the investigated problem are discussed. To develop such simulation tools, it is necessary to define material models and the required modeling depth to achieve feasible results and to reproduce the essential experimentally observed characteristics. To validate the computational modeling approach presented in this thesis, a realistic application of point-connected CLT panels was used to design and conduct an experimental study. Tensile tests were performed to investigate the influence of two selected connector geometries in combination with two orientations of the CLT panels on the load-bearing capacity and stiffness in four test configurations. The moisture content and the bulk density of the specimens were additionally determined. The results of this experimental study were used to derive the input parameters for the finite element (FE) models and to evaluate the performance of the selected methods. The test setups were modeled in an FE software and enriched with different models in order to reproduce the experimentally observed features within the framework of a nonlinear FE analysis. A linear elastic orthotropic material model was applied to describe the CLT panels. For modeling the occurring failure mechanisms, traction-separation laws defined on discrete crack planes were utilized. The contact pressure between the connector and the CLT specimen was realized using a mathematical soft contact model based on the findings of Dorn [9]. In addition, the basic Coulomb friction model was used to describe the forces acting between touching objects. The computational modeling approach was able to realistically predict the load-bearing capacity and failure mechanisms in 13 out of 16 cases. The models allow to predict the influence of various parameters and, after further refinement, can play an important role in the development process of various connection systems with similar failure mechanisms.

Holz als einer der ältesten Baustoffe hat vor allem im letzten Jahrzehnt einen enormen Aufschwung erlebt. Einerseits motivieren aktuelle Probleme wie der Klimawandel eine verstärkte Anwendung dieses Werkstoffes, andererseits war der Einsatzbereich in der Vergangenheit durch das natürliche Wachstum und die daraus resultierenden Bauteilabmessungen begrenzt. Durch intensive Forschung im Bereich der Holzwerkstoffe entstanden Produkte wie Brettschichtholz (BSH) oder Brettsperrholz (BSP), wodurch der Einsatzbereich enorm erweitert und vor allem in den letzten Jahren Marktanteile von konventionellen Bauweisen wie dem Massivbau zurückgewonnen werden konnten. Der erweiterte Anwendungsbereich motiviert die Weiterentwicklung bestehender Verbindungstechniken und die Entwicklung neuer, innovativer Systeme und deren rechnerischer Erfassung. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie die experimentelle Entwicklung durch den Einsatz numerischer Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) erweitert werden kann, um zeit- und kostenintensive Versuchsschleifen zu Beginn der Entwicklung zu beschleunigen. Zunächst werden die theoretischen Grundlagen von BSP erarbeitet und die wesentlichen Methoden zur computergestützten Modellierung der vorliegenden Problemstellung beschrieben. Für die Entwicklung solcher Simulationswerkzeuge ist es notwendig, Materialmodelle und die notwendige Modellierungstiefe zu definieren, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen und die wesentlichen experimentell beobachteten Charakteristiken abzubilden. Zur Validierung des in dieser Arbeit präsentierten computergestützten Modellierungsansatzes wurde eine realistische Anwendung von punktverbundenen BSP-Platten für die Planung und Durchführung einer experimentellen Studie herangezogen. Es wurden Zugversuche mit vier Versuchsaufbauten durchgeführt. Ziel war es, den Einfluss von zwei ausgewählten Verbindergeometrien in Kombination mit zwei Orientierungen der BSP-Platten auf die Tragfähigkeit und Steifigkeit zu untersuchen. Zusätzlich wurden die Holzfeuchte und die Rohdichte der Probekörper bestimmt. Die Ergebnisse dieser experimentellen Untersuchung dienten als Grundlage für die Ermittlung der Eingangsparameter für die Finite-Elemente (FE)-Modelle und für die Bewertung der Leistungsfähigkeit der gewählten Methoden. Die Versuchsaufbauten wurden computergestützt modelliert und mit verschiedenen Modellen angereichert, um die experimentell beobachteten Eigenschaften im Rahmen einer nichtlinearen FE-Berechnung abzubilden. Die BSP-Platten wurden mit einem linear elastischen orthotropen Materialmodell modelliert. Zur Modellierung der auftretenden Versagensmechanismen wurden Spannungs-Separationsmodelle herangezogen, welche auf diskret modellierten Rissflächen definiert wurden. Der Kontaktdruck zwischen dem Verbinder und der BSP-Platte wurde auf der Grundlage der Untersuchungen von Dorn [9] mit Hilfe eines mathematischen Modells für weichen Kontakt modelliert. Zusätzlich wurde das Coulomb'sche Reibungsgesetz zur Beschreibung der zwischen den sich berührenden Körpern wirkenden Kraft verwendet. Die computergestützte Modellierung war in 13 von 16 Fällen in der Lage, die Tragfähigkeit und die Versagensmechanismen realistisch vorherzusagen. Die Modelle erlauben die Vorhersage der Einflüsse verschiedener Parameter und können nach Weiterentwicklung eine wichtige Rolle im Entwicklungsprozess verschiedener Anwendungen mit ähnlichen Versagenseigenschaften einnehmen.