Methoden zur elastischen und plastischen Modellierung von scheibenartig beanspruchten Holztafeln

Hall, Christoph

Mit der vorliegenden Arbeit werden neue Wege aufgezeigt, elastische und plastische Grenzzustände von scheibenartig beanspruchten Holztafelkonstruktionen zu bestimmen. Die vorgestellten Methoden sind auf Wand-, Decken- und Dachtafeln anwendbar. Nach einer kurzen Einführung in die Problematik der statischen Modellbildung wird in Kapitel 1 auf die gegenwärtig zur Bemessung von Holztafelkonstruktionen angewandte Schubfeldmethode und deren Anwendungsgrenzen eingegangen. Im realen Tragwerk beteiligen sich z. B. auch Tragwerksteile an der Lastabtragung, die bei Anwendung der Schubfeldmethode vernachlässigt werden. Ferner können Holztafeln, die nicht vorwiegend als Schubfelder tragen, mit der Schubfeldmethode nur unzureichend modelliert werden. Daraus entstand die Motivation zur Entwicklung der neuen Methoden in den Kapiteln 3 und 4. Kapitel 2 beschreibt einige aktuelle Fälle physikalisch nichtlinearen Tragverhaltens im Holzbau und stellt das Fehlen einer systematischen Nutzung plastischer Tragreserven im Holztafelbau heraus. Die Fließverbundmethode mit starren Rippen und starren Platten in Kapitel 3 eignet sich für Handrechnungen und führt zu allgemeinen analytischen Lösungen für die Spannungen und Verformungen von Holztafelkonstruktionen. Auf Basis des mit dem Weggrößenverfahren bestimmten elastischen Grenzzustandes kann der plastische Grenzzustand dieser Tragwerke unter Berücksichtigung des duktilen Verbundes mit Interaktionsbeziehungen abgeschätzt werden. In Kapitel 4 wird ein Stab-Verbund-Modell für Holztafeln vorgestellt, mit dem sowohl das linear elastische als auch das physikalisch nichtlineare Tragverhalten bis zum Erreichen der Traglast modelliert werden können. Dies gelingt u. a. durch neu entwickelte Elemente, die sowohl die steife Rippe als auch ihren Verbund zur Beplankung gemeinsam modellieren. Das Stab-Verbund-Modell ist auf nahezu beliebige Problemstellungen im Holztafelbau, wie z. B. Tafeln mit freien Plattenrändern oder nicht orthogonalen Rippen, anwendbar.

This paper describes new ways to determine elastic and plastic limit states of light-frame wood diaphragms and shear walls. After a short introduction to the challenges of static modeling Chapter 1 describes the shear panel method currently used to dimension light-frame wood structures and the method’s limitations. A real structural system, for example, includes some components that support load transfer but they are neglected by the shear panel method. Furthermore, wood panels that do not primarily act as shear panels, cannot be modeled by the shear panel method in a satisfying way. This was the motivation to develop the new methods described in Chapter 3 and 4. Chapter 2 describes some current cases of physically non-linear load-bearing behaviour in timber construction and emphasizes the lack of systematic use of plastic load-bearing reserves in light-frame wood construction. The plastic connection method using rigid framing members and rigid panels described in Chapter 3 can be used for manual calculations and leads to general analytic solutions for the stresses and deformations in light-frame wood structures. The elastic limit state determined by the displacement method can be used to estimate the plastic limit state of this structural system considering the ductile sheathing-to-framing connections with interactive relationships. Chapter 4 describes a beam connection model for wood panels that can be used to model the linear elastic load-bearing behaviour as well as the physically non-linear load-bearing behaviour until the ultimate load is reached. This is possible because amongst other reasons new elements are used to model the stiff framing member together with its connection to the sheathing. The beam connection model can be applied to almost any possible challenge in light-frame wood construction, such as panels with free edges or non-orthogonal framing members.

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Hall, Christoph: Methoden zur elastischen und plastischen Modellierung von scheibenartig beanspruchten Holztafeln. 2012.

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