Grenzschichtbruchmechanik und Ausheileffekte an Holz-Klebstoff-Verbunden bei Modus I, II, III Beanspruchung

Abstract

Diese Dissertation befasst sich mit der bruchmechanischen Charakterisierung von Holz-Klebstoff-Verbunden in Hinblick auf deren Ausheilverhalten. Speziell werden Kontaktzoneneigenschaften für die Rissöffnungsarten Modus I/II/III untersucht und bruchmechanische Parameter ermittelt, welche für weitere künftige numerische Simulationen (FEM) und Rissmodellanalysen herangezogen werden können. Die vorherrschende Situation, dass durch die aus genormte Haftzug- und Schältests gewonnenen Prüfparameter (z.B. Haftzugfestigkeit, Schälfestigkeit) keinerlei bruchmechanische Aussagen getroffen werden können, war die Motivation, alternative Verfahren (Keilspaltmethode erstmals für die Charakterisierung des Rissverhaltens von Industrieklebern an geklebten Holzverbunden anzuwenden. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit stellt die Untersuchung der Holz-Klebstoff-Verbunde in Bezug auf deren Restschädigungsvermögen dar, zu denen auch Ausheileffekte wesentlich beitragen. Ein Vergleich mit dem in der Praxis üblichen Prüfverfahren zur Ermittlung der Haftzugfestigkeit wird vorgenommen um aufzuzeigen, welchen Erkenntniszuwachs eine Erweiterung der Materialprüfung um eine bruchmechanische Komponente mit sich bringt. Umfangreiche Darstellungen des Verformungs- und Versagensverhaltens in Diagrammform runden die wissenschaftliche Betrachtung ab. Das theoretische bruchmechanische Konzept dieser Arbeit basiert auf das nicht-lineare Bruchenergiekriterium von Hillerborg et al. (4), das unter dem Namen fiktives Rissmodell (fictiti ous crack model, FCM) bekannt wurde. Als Hauptbeurteilungsgröße zum Charakterisieren des bruchmechanischen Verhaltens dient dabei die spezifische Bruchenergie GF (1). Sie wird über das Keilspaltverfahren nach Tschegg (2) bestimmt, welches zu den sogenannten ComplianceMethoden zählt (6). Diese Methode gewährleistet ein stabiles und kontrolliertes Rissbildungs-, Rissinitiierungs- und Rissfortschrittsverhalten bei Prüfkörpern unterschiedlichster Materialkombinationen, ohne a priori die Lage und Form der Prozesszone kennen zu müssen. Dieses lässt sich in Last-Verschiebungs-Diagrammen darstellen und bewerten. Diese Dissertation ist auch die erste Arbeit, in der die Keilspaltmethode nach Tschegg (2) erstmalig auf Holz-Klebstoff-Verbunde in allen drei Rissöffnungsmodi I,II und III angewendet wird. Es folgen umfangreiche Untersuchungen bezüglich Ausheilverhalten, Größeneinfluss der Proben auf die Bruchenergie (Size Effect) sowie Erweiterung der Verbundkombination auf HolzKeramik Substrate. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen zum besseren Verständnis von Bruchprozessen an Klebstoffverbindungen beitragen und deren Auswahl, Entwicklung und Anwendung optimieren sowie positiv beeinflussen.

This thesis deals with the fracture mechanical characterization of wood-adhesive composites in terms of their healing behavior. Especially, contact zone properties for the crack opening mode types I / II / III are investigated. Fracture mechanics parameters are determined, which can be used for numerical simulations (FEM) and crack model analysis. The prevailing situation shows that test parameters obtained from standardized tensile adhesion and peel tests (for example, tensile bond strength, peel strength) cannot be used to declare fracture mechanics statements. Therefore, alternative methods, such as the wedge splitting method, was used for the first time for characterizing the cracking behavior of industrial adhesives used on wood composites. Another focus of this work is the study of the wood-adhesive composites in relation to their residual injury capacity, which also contribute significantly to healing effects. A comparison of common practice tensile strength tests are made in order to show their shortcomings when it comes to fracture mechanical characterization. Extensive presentation of the deformation and failure behavior using diagrams completes the scientific study. The theoretical fracture mechanics concept this work is based on is the nonlinear fracture energy criterion of Hillerborg et al. (4), which was known as the fictitious crack model (FCM). The main evaluation variable to characterize the fracture mechanical behavior is the specific fracture energy GF. It is determined by the wedge splitting method according to Tschegg (2), which is one of the so-called compliance methods (6). This method ensures stable and controlled crack development, crack initiation and crack propagation behavior during testing allowing specimens of different combinations of materials to be investigated. Further, it is not necessary to know the position and shape of the process zone a priori. The cracking process thus can be characterized by load-displacement diagrams. This dissertation is the first work in which the wedge splitting method according to Tschegg (2) is first applied to wood adhesive composites for crack opening modes I, II and III. This is followed by extensive studies on healing behavior, size effect investigations of the specimens impacting the specific fracture energy and change of the composite combination from pure wood to wood-ceramic substrates. The lessons learned shall contribute to a better understanding of fracture processes of adhesive composites and optimize their selection, development and application.