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Lochleibungsbemessung bei I- förmigen Biegeträgern aus Holz und transparenten Thermoplasten im statischen Verbund

Stahl, Jochen A. :
Lochleibungsbemessung bei I- förmigen Biegeträgern aus Holz und transparenten Thermoplasten im statischen Verbund.
Eigenverlag: Technische Universität Darmstadt, Institut für Werkstoffe und Mechanik im Bauwesen, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Lochleibungsbemessung bei I- förmigen Biegeträgern aus Holz und transparenten Thermoplasten im statischen Verbund
Language: German
Abstract:

Bei dem in der vorliegenden Arbeit beschriebenen Verbundträger wird die Tragfähigkeit von Holz mit der Transparenz von PMMA kombiniert. Dabei nehmen die Holzgurte die Zug- bzw. Druckkräfte auf, während die PMMA- Scheibe als Steg eine Schubverbindung darstellt. Durch das günstige Verhältnis der Elastizitätsmoduln von Holz und PMMA, sind die auftretenden Biegerandspannungen im PMMA geringer als die im Holz. Gurte und Steg werden durch Bolzen miteinander verbunden. Aufgrund der vorhandenen Duktilität der Verbindung können Spannungsspitzen im PMMA reduziert werden. Zumindest unter normalen Gebrauchstemperaturen und kurzzeitiger Belastung weisen Thermoplaste eine lineare Spannungsdehnungsbeziehung bis zum Bruch auf. Daher sollten PMMA- Bauteile als spröde Materialen eingestuft werden. Die mechanischen Eigenschaften von PMMA hängen von der Herstellungsart, der Umgebungstemperatur, der Belastungsdauer und den Umwelteinflüssen ab. In den meisten Versuchen wurde ein Zugversagen im Nettoquerschnitt beobachtet, das durch die maximalen Tangentialspannungen am Bohrungsrand verursacht wird. Diese entsprechen hier den Hauptzugspannungen. PMMA ist nicht in ausreichendem Maße in der Lage, die Zugspannungen durch ein Plastizieren umzulagern und versagt ohne Vorankündigung.

Um ein in der Praxis möglichst einfach handhabbares Berechnungsmodell zu entwickeln, das verschiedene Scheiben- und Bolzenkonstellationen berücksichtigen kann, wurde ein analytisches Modell hergeleitet und durch zahlreiche Versuche und FE- Berechnungen bestätigt. Die Spannungen in einer PMMA- Scheibe können näherungsweise durch die Überlagerung des Lochleibungsspannungszustandes in einer unendlich ausgedehnten Kreislochscheibe mit einem Grundspannungszustand in einer Scheibe endlicher Breite bW ermittelt werden. Dabei berücksichtigt der erste Zustand die Verteilung des Bolzendrucks im Bohrungsbereich während durch den zweiten die Scheibengeometrie und die Konfiguration der Bolzen mit einbezogen werden. Die charakteristischen Festigkeiten wurden durch eine große Anzahl an Lochleibungsversuchen an Proben unterschiedlicher Geometrie und Bohrlochgüte ermittelt. Die vorgestellte Lösung kann auf eine Verbindung zwischen Holz und PMMA ausgeweitet werden. Dabei müssen allerdings weitere Versagensmechanismen in Holz und Bolzen berücksichtigt werden, wofür auf die Johansen Theorie zurückgegriffen werden kann.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This research describes a composite girder that combines the load carrying capacity of wood with the transparency of PMMA. The timber chords withstand the tensile and compressive forces while the PMMA acts as a web and resists shear forces. Due to the favorable ratio of the modulus of elasticity of wood and PMMA, the flexural edge stresses that occur in the PMMA are lower than in the timber. The web is joined with the chords using bolts. The flexible connection contributes to reducing the stress peaks in the PMMA due to specific ductility in the connection. Thermoplastics used as structural materials have to be classified as brittle materials as they exhibit, at least at normal temperatures and short term loading, a linear stress-strain relationship until failure. The mechanical properties of PMMA are dependent on the production method, ambient temperature, weathering conditions and loading duration. The crucial failure mode that was observed in most load tests is a tension failure in the net section. The break is caused by the maximum tangential stress on the perimeter of the bore. This corresponds to the maximum principal tensile stress. PMMA is not in sufficient measure able to transfer these by plasticization and breaks without warning when overstrained. Thus an analytic model was developed, which was checked by carrying out numerous tests and FE calculations in order to evolve a calculation model that takes into consideration various bolt and sheet geometries, which would be as easy to use in practice as possible. The stresses in a PMMA panel can be approximately defined by superposing the state of the bearing stress in an infinite panel with a circular hole and a state of auxiliary stress in a panel of finite width bW. The first model considers the load distribution of the bolt pressure in the area of the bore whereas the second state of stress incorporates the geometry of the PMMA sheet and the configuration of the bolts. The characteristic resistance was determined from a large number of bearing stress tests for various geometries and levels of bore quality. When carrying out a connection between PMMA and wood, the solution method presented can also be referred to. However other failure mechanisms in wood and in bolts must also be taken into consideration beyond this. For that purpose Johansen’s theory can be applied. English
Series Name: Mitteilungen des Instituts für Werkstoffe und Mechanik im Bauwesen der Technischen Universität Darmstadt
Number: 43
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Eigenverlag: Technische Universität Darmstadt, Institut für Werkstoffe und Mechanik im Bauwesen
Uncontrolled Keywords: Verbundträger, Polymethylmetacrylat, PMMA, Plexiglas, Holz, Verbindungsmittel, Bolzen, Lochleibung, Scher-Lochleibung, Hybridtragwerk, Schlossgrabenbrücke Darmstadt, Lochscheibe, Scheibengleichung, Lochleibungsversuche, Bemessungskonzept, Bauüberwachungsverein, BÜV-Empfehlungen, Johannsen-Gleichungen, Kerbspannung, Biegeträger
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Wood Plastic Composite, PMMA, Hybrid Structures, Composite Girder, Palace Moat BridgeEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
Date Deposited: 16 Feb 2015 06:18
Last Modified: 20 Feb 2015 11:27
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43914
Referees: Wörner, Prof. Dr. Johann-Dietrich and Schneider, Prof. Dr. Jens
Refereed: 27 February 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4391
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