A numerical model for slip curves of dowel connections and its application to timber stuctures

Abstract

Der nachwachsende Werkstoff Holz erfährt zurzeit einen beachtlichen Aufschwung als Konstruktionsmaterial im Bauwesen. Neuentwicklungen auf diesem Sektor sowie eine neue noramtive Regelungen erfordern neue Bemessungsmethoden für die computerbasierte Bemessung von Holzkonstruktionen. Der Berechnung moderner Holzverbindungen kommt eine besondere Bedeutung zu, da immer aufwändigere Tragkonstruktionen zu komplexeren Verbindungen führen. Außerdem verhalten sich die meisten Verbindungen nachgiebig in Bezug auf das Verformungsverhalten zwischen den einzelnen Tragelementen. Besonders stark ausgeprägt ist das nachgiebige Verhalten bei Dübelverbindungen, da die Lastabtragung über nachgiebige Lochleibungsbettung des starren Dübels in der Holzmatrix erfolgt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Berechnungsmodell zur konsistenten Ermittlung des Last-Verschiebungsverhaltens von Holzverbindungen zu entwickeln. Anschließend werden die mit diesem Modell ermittelten Nachgiebigkeiten in der Strukturanalyse verwendet, um den Einfluss auf das Tragverhalten der Struktur zu analysieren. Als Grundlage des Berechnungsmodells werden die Eigenschaften des Einzeldübels anhand von verschiedenen Modellen für unterschiedliche Belastungsrichtungen vorgestellt. Hierbei sind beachtliche Unterschiede im Last-Verschiebungsverhalten zwischen den einzelnen Berechnungsmodellen für den Einzeldübel erkennbar. Um eine realitätsnahe Abbildung des realen Tragverhaltens des Einzeldübels für eine beliebige Verbindung zu ermöglichen, wird auf eine baustatische Modellbildung zurückgegriffen. Des Weiteren wird ein aktuelles Bemessungsverfahren zur Ermittlung der Verbindungsnachgiebigkeit vorgestellt. Nachteile dieses Modells und die dadurch vorgenommenen Vereinfachugnen und Einschränkungen werden aufgezeigt. Genau diese Einschränkungen dienen als Motivation zur Entwicklung eines allgemeingültigen Berechnungsverfahrens für die Nachgiebigkeit von Holzverbindungen. Das vorgestellte Berechnungsmodell ermöglicht, basierend auf einem beliebigen Verschiebungszustand, eine konsistente Ermittlung der Schnittgrößen und Nachgiebigkeit der Verbindung. Die einzelnen Berechnungsschritte sowie die allgemeingültige Anwendbarkeit auf beliebige Holzverbindungen werden diskutiert. Eine abgeänderte Version dieses Modells erlaubt es, ausgehend von Schnittgrößen, die Einzeldübelkräfte und Einzeldübelverschiebungen zu berechnen. Abschließend werden die Fähigkeiten und Auswirkungen des vorgestellten Modells anhand von einfachen Konstruktionsbeispielen dargestellt. Das Modell wird sowohl auf einzelne Holzverbindungen als auch auf ein Tragsystem angewendet, um die Notwendigkeit der Berücksichtigung von Nachgiebigkeiten der Verbindungen aufzuzeigen. Es konnte gezeigt werden, dass ein Nichtbeachten der Nachgiebigkeit sowohl zu unwirtschaftlichen als auch unsicheren Tragkonstruktionen führen kann. Zusätzlich wird auf die Notwendigkeit der exakten Formulierung des Einzeldübelverhaltens und des Last-Verschiebungsverhaltens der Verbindung verwiesen, denn bereits geringfügige Abweichungen von den Standardkonfigurationen können zu signifikanten Änderungen im Deformationsverhalten der Verbindung und daraus resultierend im Tragverhalten der gesamten Struktur führen.

Wood as a natural and renewable material currently experiences a revival as structural building material. New technologies and a new design standard request appropriate, modern design methods for timber structures. Particularly, the design of modern timber connections is of importance since more challenging timber constructions demand ambitious connections. Most connections in timber structures are compliant in the sense that relative deformations between the connected structural elements occur during load transfer. In particular dowel connections exhibit this behavior since load transfer in dowel connections is based on the compliant embedment behavior of stiff steel dowels in wood. The aim of this thesis is to develop a model for a consistent calculation of the load-deformation relationship of connections. Additionally, this model is applied to timber structures to study the influence of compliant connections on the structural behavior. As a basis for the modeling of dowel connections, properties of single-dowel connections are presented. Different responses of wood in case of different loading directions, as well as several models for the calculation of single-dowel slip curves are discussed. Significant differences in the predicted load-deformation behavior of single-dowels can be observed among these approaches. A sub-model is used to determine realistic single-dowel slip curves for arbitrary connection configurations. Furthermore, the state-of-the-art approach for the determination of connection slip curves of multi-dowel connections is discussed. The restriction of this approach to some specific design situations is highlighted. These limitations of the current design approach are the motivation to develop a model for the calculation of slip curves of multi-dowel connections. This model enables a straight forward determination of member forces and connection slip curves for an arbitrary set of deformations. The single calculation steps and the feasibility of application on arbitrary connection configurations are discussed. Furthermore, a modification of the model to determine the deformation and force distribution within the connection for specific member forces is presented. Finally, the model is applied to different connections to illustrate their behavior for simple design examples. Moreover, connection slip curves have been implemented in the structural analysis of a static indetermined system in order to illustrate the necessity of considering the compliance of connections in the design of timber structures. It is shown that negligence of the connection slip may lead to uneconomic or even unsafe timber structures. Furthermore, the importance of an exact definition of the connection slip curves is discussed. Even insignificant differences from standard configurations may lead to remarkable changes in the connection behavior and, consequently, in the behavior of the structure. Moreover, a considerable influence of the used method to describe the single-dowel behavior on the behavior of the connection and, consequently, on the structural behavior has been found.