Nonlinear modeling of reinforced dowel joints in timber structures : a combined experimental-numerical study

Abstract

Steel dowels are indispensable elements for the design of joints in modern timber structures. Dowels are broadly used because of their flexibility in design and easy assembling on-site, as well as due to their advantageous mechanical behavior. Recent developments in reinforcement techniques allow for designing ductile dowel joints, which exhibit nonlinear slip behavior. However, currently applied limit state approaches for calculation of connection strength are not able to fully exploit the potential of dowel joints. This calls for development of more advanced calculation methods, which was aimed for in this thesis. For thorough understanding of the complex mechanical behavior of dowel connections, application of a so-called multiscale approach is advantageous. Thereby, nonlinear loaddeformation behavior of dowel connections is studied on different length scales, from the scale of connection components, up to the joint level. The aim of this thesis was to exploit knowledge from lower scales in models that finally allow for nonlinear analysis of timber structures. In the work at hand, this was achieved by a combined experimental-numerical analysis. Experimental studies on the nonlinear embedment slip of ductile dowel connections, and its relation to the orthotropic material behavior of wood, was one of the objectives of this work. Breaking new ground by testing up to large dowel displacements, at various angles to the grain, for unconstrained and constrained lateral displacement conditions, required development of new testing procedures and test setups. Test results gave access to nonlinear embedment slip curves and showed their dependence on loading direction and lateral displacement conditions. In the next step, embedment slip data were exploited in modeling of single-dowel connections. Beam-on-nonlinear foundation modeling was applied for this purpose. Validation of connection tests and a parameter study not only highlighted suitability of the calculation method, but allowed for gaining insight into limit states. Thus, beam-on-foundation modeling was found to be an attractive alternative to advanced 3D FEM models for engineering design. Parameterized equations for regression analysis of nonlinear slip curves, and interaction curves describing the grain angle dependence of mechanical parameters, were summarized in a literature review. With these equations at hand, a multi-dimensional parameterization method for the nonlinear slip as a function of the load-to-grain angle was developed. This method was applied to experimental data derived in embedment and single-dowel connection tests as well as in simulations. Analytical equations for connection slip are expected to facilitate engineering modeling at the single-dowel connection and joint level, respectively. Joint modeling aimed at establishing a calculation method suitable for engineering design with an attractive trade-off between modeling effort, calculation time and accuracy. This was tackled by a semi-analytical model based on nonlinear elastic springs for the dowel slip and rigid connection members. Thereby, global joint slip, and thus stiffness and strength of joints, as well as local load distribution within joints can be predicted. This model proved to be suitable for single-dowel-based and joint-based design concepts. Calculation examples showed pronounced influence of loading direction dependence and nonlinearity of dowel slip on local load distribution, as well as on global joint slip. Influence of interaction between internal forces on the joint stiffness became obvious from structural analysis with nonlinear joint slip. This work covers a combined experimental-numerical analysis of the slip behavior of ductile dowel joints, from the wood embedment and steel dowel bending behavior, the single-dowel slip, to the joint behavior, with final application in nonlinear structural analysis. Presented models predicted nonlinear slip with suitable accuracy and efficiency. Application of nonlinear joint slip in structural analysis showed the potential of ductile dowel joints, which could be exploited in engineering design by the herein presented multiscale modeling strategy.

Im modernen Ingenieurholzbau werden Stabdübelverbindungen aufgrund ihres vorteilhaften mechanischen Verhaltens und ihrer Flexibilität in Entwurf und Herstellung weitverbreitet eingesetzt. Neu- und Weiterentwicklungen von Verstärkungsmaßnahmen erlauben einen wirtschaftlichen Einsatz von querzugverstärkten Verbindungen, welche durch ein duktiles, nichtlineares Last-Verformungsverhalten gekennzeichnet sind. Mit traditionellen, meist auf Grenzwertbetrachtungen basierenden Bemessungsmethoden, kann jedoch das volle Potenzial dieser Verbindungen nicht ausgeschöpft werden. Dies war die Motivation für die Entwicklung von erweiterten Berechnungsmethoden für Stabdübelverbindungen. Für ein weitreichendes Verständnis des komplexen mechanischen Verhaltens von Dübelverbindungen ist die Anwendung einer Mehrskalenmodellierung von Vorteil. Bei diesem Ansatz wird das nichtlineare Last-Verformungsverhalten, ausgehend von den Verbindungskomponenten, hin zur Verbindungsmittelgruppe, auf unterschiedlichen Längenskalen untersucht. Das Ziel dieser Arbeit war es, mittels Modellen auf kleinen Längenskalen, Wissen über das mechanische Verhalten zu generieren, welches schlussendlich eine nichtlineare Analyse von Holzkonstruktionen ermöglicht. Dafür wurde ein kombiniert experimentell-numerischer Ansatz gewählt. Als Grundlage für die Modellierung wurde eine experimentelle Untersuchung des nichtlinearen Lochleibungsverhaltens von duktilen Dübelverbindungen, unter Berücksichtigung des orthotropen Materialverhaltens von Holz, durchgeführt. Mit der Untersuchung des Lochleibungsverhaltens bis zu großen Dübelverschiebungen, in Kombination mit verschiedenen Kraft- Faserwinkeln und für unerzwungene und erzwungene Verschiebungsrandbedingungen, wurden neue Wege beschritten, welche die Entwicklung von neuen Versuchsaufbauten und Versuchsprogrammen erforderlich machten. Die Versuchsergebnisse zeigten eine starke Abhängigkeit der nichtlinearen Last-Verschiebungskurven von den Verschiebungsrandbedingungen des Dübels sowie von dessen Belastungsrichtung in Bezug auf die Faserorientierung des Holzes. Im nächsten Schritt wurde das Last-Verschiebungsverhalten von Einzeldübelverbindungen, basierend auf den experimentellen Lochleibungsdaten, mittels eines nichtlinear gebetteten Balkenmodells bestimmt. Die Eignung dieser Modellierungsstrategie wurde durch Validierung des Modells anhand von Einzelverbindungsversuchen, sowie durch eine Parameterstudie unterstrichen. Es konnte gezeigt werden, dass mit dem Balkenmodell, neben der Vorhersage des nichtlinearen Last-Verschiebungsverhaltens, auch die Untersuchung von Grenzfällen möglich ist. Somit kann dieses Ingenieurmodell als attraktive Alternative zu aufwändigen 3D FEM Modellierungen von Einzeldübelverbindungen angesehen werden. DesWeiteren wurden Regressionsgleichungen zur Parameterisierung des nichtlinearen Last- Verformungsverhaltens von Verbindungen, sowie von Interaktionskurven für mechanische Eigenschaften über den Kraft-Faserwinkel, in einem Literaturstudium zusammengefasst. Diese Methoden dienten als Grundlage für die Entwicklung eines mehrdimensionalen Ansatzes zur parameterisierten Beschreibung des Last-Verformungsverhaltens in Abhängigkeit des Kraft- Faserwinkels. Der mehrdimensionale Ansatz wurde anschließend auf Last-Verschiebungskurven aus Lochleibungs- sowie Einzeldübelversuchen und Einzeldübelmodellierungen angewandt. Die analytische Definition des Last-Verschiebungsverhaltens von Verbindungselementen erleichtert die Modellierung des Einzeldübel- bzw. Dübelgruppenverhaltens, und somit die Weiterentwicklung und Verbreitung dieser Modelle in der Ingenieurpraxis. Die Modellierung von Dübelgruppen zielte auf die Entwicklung eines Ingenieurmodells ab, welches eine Ausgewogenheit zwischen Modellierungsaufwand, Berechnungszeit und Vorhersagegenauigkeit aufweist. Dies wurde mit einem semi-analytischen Modell ermöglicht, welches das lokale Last-Verschiebungsverhalten der einzelnen Dübel durch nichtlineare Federn, eingebettet in starren Anschlussbauteilen, berücksichtigt. Mit diesem Modellierungsansatz kann sowohl das globale Last-Verformungsverhalten der Verbindung, als auch die lokale Lastverteilung innerhalb der Dübelgruppe vorhergesagt werden. Es wurde gezeigt, dass dieses Modell sowohl als Grundlage für Bemessungskonzepte basierend auf der Einzeldübeltragfähigkeit, als auch basierend auf Dübelgruppentragfähigkeit geeignet ist. Mittels Berechungsbeispielen wurde der erhebliche Einfluss des nichtlinearen, belastungsrichtungsabhängigen Einzeldübelverhaltens auf die lokale Lastverteilung und das globale Dübelgruppenverhalten gezeigt. Die Anwendung des Dübelgruppenmodells in nichtlinearen Strukturmodellierungen von Holzkonstruktionen machte den Einfluss der Schnittgrößeninteraktion auf die Verbindungssteifigkeit, und somit auf die Lastverteilung in der Struktur sichtbar. In dieser Arbeit wurde eine kombiniert experimentell-numerische Studie über das Last- Verformungsverhalten von duktilen Dübelverbindungen vorgestellt. Diese Studie spannt einen Bogen vom Lochleibungs- und Dübelbiegeverhalten, über das Last-Verschiebungsverhalten von Einzeldübelverbindungen, hin zu Dübelgruppen, mit anschließender Anwendung in nichtlinearer Strukturberechung von Holzkonstruktionen. Es konnte gezeigt werden, dass die präsentierten Modelle eine effiziente und ausreichend präzise Vorhersage des Last-Verformungsverhaltens von Dübelverbindungen ermöglichen. Deren Anwendung in nichtlinearen Stukturmodellierungen unterstrich das Potenzial von duktilen Dübelverbindungen, welches durch den Einsatz der vorgestellten Mehrskalenmodellierung ausgeschöpft werden kann.