Holz-Holzleichtbeton-Verbunddecken: Numerische Beschreibung des Tragverhaltens

Abstract

Die vorliegende Arbeit thematisiert die möglichst realitätsnahe numerische Beschreibung des Kurzzeittragverhaltens von Holz-Beton-Verbundsystemen mittels der Finite Elemente Methode. Als Basis für die Finite Elemente Methode dienen die aktuell in den Normen verankerten Nachweismethoden und Berechnungsmethoden von Schraubenherstellern. Daher beschäftigt sich der erste Teil der Arbeit mit den Grundlagen und der Anwendung der Finite Elemente Methode. Dabei wird auf nachgiebige Verbindungsmittel, die Quertragwirkung und das Kurz- und Langzeitverhalten eingegangen, welche für die Anwendung (Modellbildung) benötigt werden. Die Grundlage der Finite Elemente Methode sind die Last-Verschiebungsdiagramme der Verbindungsmittel, welche als Arbeitslinie der Schraubverbindung bezeichnet werden. Diese werden für eine möglichst realitätsnahe Modellierung, welches die Querschnitte mittels Stäbe nachbildet, hinterlegt. Dadurch ist ein sehr gut angenähertes Verformungsverhalten und eine gute Verteilung der Steifigkeiten im Verbundquerschnitt zu erhalten. Dies wird durch die realitätsnahe Berücksichtigung des elastischen und plastischen Bereiches der Verbindungsmittel geschaffen. Darauf aufbauend wird zur Verifikation der Finite Elemente Methode eine Parameterstudie zur Ermittlung der Einflüsse von maßgebenden Parametern und Grundvoraussetzungen für das Kurzzeittragverhalten durchgeführt. Dabei werden Untersuchungen zur mitwirkenden Breite, Querschnittsabmessungen, dem Ausnutzungsgrad des Systems und dem effektiven Verbindungsmittelabstand geführt, welche nachfolgend mittels eines Vergleiches von experimentellen Forschungsergebnissen verifiziert werden. Dabei wird im Speziellen das Gamma Verfahren, experimentelle Forschungsergebnisse und die Finite Elemente Methode verglichen und Unterschiede aufgezeigt. Die erhaltenen Ergebnisse der Verifikationen ermöglichen eine Abgabe von Empfehlungen für die Modellierung und Nachweisführung von Holz-Beton-Verbundsystem mit Schraubverbindungen durch eine numerische Beschreibung des Verbundsystems. Weiters kann eine Aussage über die Auslastung und Anordnung der verwendeten Verbindungsmittel getroffen werden. Abschließend wird ein aktueller Versuch des Institutes mit der Finite Elemente Methode nachgebildet, um mögliche Aussagen über das Verformungsverhalten zu tätigen und die geringen Abweichungen zur Finite Elemente Methode aufzuzeigen. Die Ergebnisse werden schlussendlich noch mit dem Stabwerksmodell verglichen.

The following paper discusses the realistic numerical description of the short-term load-bearing behavior of wood and concrete joint systems using the finite element method (FEM). The finite element method is based on the verification and calculation methods used by screw manufacturers that are currently established within normative regulations and guidelines. For this reason, the first section of this paper will provide an overview of the basic principles and applications of the finite element method. This section will cover flexible fasteners, lateral load-bearing performance and short- and long-term behavior, which are necessary for model design and other practical applications. The basis of the FEM are the load transfer diagrams of the fasteners, which indicate the working line of the screw connection. These values are necessary to ensure that the model, which re-creates the cross sections using bars, is as realistic as possible. As a result, the model will retain a good approximation of plasticity behavior and a good distribution of stiffnesses in the composite section. This close approximation of realistic conditions is achieved by taking the elastic and plastic areas of the fastener into account. In order to verify the FEM, a parametric study is conducted to determine the effects of significant parameters and prerequisites for short-term load-bearing behavior. This includes an examination of the width coefficient, the overall dimensions of the cross-section, the system’s degree of utilization, and the actual spacing of the fasteners. The comparison focuses on addressing differences between the gamma method, experimental research results and the FEM. Based on the results of the verification process, the paper will provide recommendations for modeling and verification procedures for wood-concrete joints using screw fasteners by numerically describing the joint system. Furthermore, the paper will also draw conclusions about the utilization and structure of the various fasteners that were used. The final section of the paper will reproduce a current study at the institute using the FEM in order to draw possible conclusions about the plasticity behavior and to show the minor ways in which the results deviate from the FEM. As a final step, the results will then be compared to the truss model.