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Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
Matthias Frese
1
KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
Holzbau und Baukonstruktionen
www.kit.edu
Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz − Methoden und Ergebnisse aktueller ForschungMatthias Frese
90 Jahre Versuchsanstalt für Stahl, Holz und SteineFestkolloquium am 29. und 30. September 2011
2 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
0.1 5 25 50 75 95 99.925
30
35
40
45
50
55
Bie
gefe
stig
keit
[N/m
m²]
Bie
gefe
stig
keit
[N/m
m²]
GL36h
N 64f,m,k 30.3
Normal PercentilesQuantile der Normalverteilung
Hintergründe
FichtenbrettschichtholzBiegefestigkeitauf dem Prüfstand
Wie fest istFichtenbrettschichtholz?
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
Matthias Frese
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3 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Hintergründe
FichtenbrettschichtholzBiegefestigkeitauf dem Prüfstand
Wie fest istFichtenbrettschichtholz?
Warenlager Wald im WandelAnteil der Laubbäume steigt
Buchenbrettschichtholz
4 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Hintergründe
FichtenbrettschichtholzBiegefestigkeitauf dem Prüfstand
Wie fest istFichtenbrettschichtholz?
Warenlager Wald im WandelAnteil der Laubbäume steigt
Buchenbrettschichtholz
Dauerthema DauerhaftigkeitAlternative zu Fichten-und Tropenholz
Modifiziertes Holz für BS-Holz
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
Matthias Frese
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5 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Hintergründe
FichtenbrettschichtholzBiegefestigkeitauf dem Prüfstand
Wie fest istFichtenbrettschichtholz?
Warenlager Wald im WandelAnteil der Laubbäume steigt
Buchenbrettschichtholz
Dauerthema DauerhaftigkeitAlternative zu Fichten-und Tropenholz
Modifiziertes Holz für BS-Holz
WettbewerbWirtschaftliche Planung
Produktoptimierung
6 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Simulation
Lat. simulare, eigtl. = nachahmen
“Sachverhalte, Vorgänge [mit technischen, (natur)wissenschaftlichen Mitteln] modellhaft nachbilden, (bes. zu Übungs-, Erkenntniszwecken) in den Grundzügen wirklichkeitsgetreu nachahmen”
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
Matthias Frese
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7 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Glos et al. (1973)
8 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
“Da die Beanspruchbarkeit eine stochastische Größe darstellt,ist eine große Anzahl von Versuchen notwendig.Aus wirtschaftlichen Gründen ist es daher geboten,diese Versuche nicht an der Vielzahl möglicher Tragwerksformen durchzuführen, sondern an einigen wenigen Elementen, aus denen die Tragwerke zusammengesetzt werden können.”
Glos et al. (1973)
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
Matthias Frese
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9 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Glos et al. (1973)
10 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Finite-Elemente-Methode
“Besonders der bausteinartige Aufbau kommt der gewohnten Denkweise des Ingenieurs sehr entgegen und unterscheidet sich auf diese Weise vom Ansatz her von abstrakten mathematischen Algorithmen.”
“Die zu berechnende Struktur wird in eine Anzahl einzelner Elemente endlicher Größe zerlegt.”
“Sie sind von gleicher Strukturart und gleichem Materialverhalten wie das Original-Tragwerk.”
Wunderlich (1985)
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
Matthias Frese
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11 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Wunderlich (1985)
12 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Rundholzplatz, SchwörerHolzindustrie,Hohenstein
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
Matthias Frese
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13 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Schwachholzlinie, Schwörer Holzindustrie,Hohenstein
14 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Streuende Holzeigenschaften
Flussdiagramm der Materialsimulationim Karlsruher Rechenmodell (KAREMO)
Ehlbeck et al. (1985)
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
Matthias Frese
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15 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Methoden & Ergebnisse aktueller Forschung
Strukturanalyse
Sortierverfahren
Holzarten
Systeme
16 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Methoden & Ergebnisse
StrukturanalyseFinite-Elemente-Programm für wissenschaftliche Anwendungen
Spezifische Programmiersprache
ProzessorenModellierung, Berechnung, Auswertung, Visualisierung
Anpassungsfähig
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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17 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Simulierter Biegeversuch
18 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Simulierter Biegeversuch − Tragfähigkeit
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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19 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Simulierter Biegeversuch − Tragfähigkeit
20 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Methoden & Ergebnisse
Strukturanalyse
SortierverfahrenVisuelle und maschinelle Sortierungen
Datenbank der Holzforschung München
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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21 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Visuelle Sortierung
Sortierplatz,Hüttemann Holz,
Olsberg
22 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Maschinelle Sortierung
Modul ViSCANBerührungslose FrequenzmessungMiCROTEC, Brixen
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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23 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Methoden & Ergebnisse
Strukturanalyse
Sortierverfahren
HolzartenFichtenholz – Korrektur der Anforderungen an Bretter und Keilzinken
24 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
Matthias Frese
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25 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Methoden & Ergebnisse
Strukturanalyse
Sortierverfahren
HolzartenFichtenholz – Korrektur der Anforderungen an Bretter und Keilzinken
Buchenholz – Reaktion auf das zukünftig verstärkte Buchenholzaufkommen
26 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
Matthias Frese
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27 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
BS-Holz aus Buche
28 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
BS-Holz aus BucheAllgemeine bauaufsichtliche Zulassung
Festigkeitsklassen und Anforderungen
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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29 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
GL44cIPE-240S 235
340 mm
110 mm
240 mm
120 mm
30 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Versagensfall
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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31 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Hersteller von BS-Holz aus Buche
Studiengemeinschaft Holzleimbau e.V.:Burgbacher Holztechnologie GmbH
Schaffitzel Holzindustrie GmbH + Co. KG
SchwörerHaus KG
WIEHAG GmbH
32 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Methoden & Ergebnisse
Strukturanalyse
Sortierverfahren
HolzartenFichtenholz – Korrektur der Anforderungen an Bretter und Keilzinken
Buchenholz – Reaktion auf das zukünftig verstärkte Buchenholzaufkommen
Acetylierte Radiata-Kiefer (Accoya) – Dauerhaftigkeit
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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33 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Zusammenbau einer Trogbrücke
Werkshalle, Schaffitzel Holzindustrie
34 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Accoya
Radiata-Kiefer (pinus radiata)aus Neuseeland/Chile
Plantagenholz
Modifikationdurch Einlagerungvon Essigsäureanhydrid
Dauerhaftigkeit
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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35 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Accoya
Plantage in Neuseeland,
Schonung mit jungem
Baumbestand
36 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Accoya-Bretter
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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37 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Accoya-Brettschichtholz
Haupttragglied einer Brücke für die Niederlande
Werkshalle, Schaffitzel Holzindustrie
38 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Wissenschaftliche Grundlagen für Accoya-BS-Holz
Accoya-BS-HolzBiegeversuch
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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39 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Einflüsse auf die Festigkeit
40 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Zugversuche an Accoya-Brettabschnitten
Zugprüfmaschine, Holzforschung München
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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41 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Zugversuche an Accoya-Brettabschnitten
Zugprüfmaschine, Holzforschung München
42 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
150 mm
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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43 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
44 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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45 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Dauerhaftigkeit von frei bewitterten HolzbauteilenFallbeispiel
Brücke ausFichten-brettschichtholz,2010 abgerissen
46 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Wettbewerbsnachteile
Aluminium-konstruktionals Ersatz
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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47 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Pilzbefall und Fäule
AnschlussGeländerpfosten
48 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Methoden & Ergebnisse
Strukturanalyse
Sortierverfahren
Holzarten
Systeme aus Fichten BS-HolzZugversuche – Längeneffekte
Druckversuche – Holzfeuchte
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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49 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Biege-, Zug- und Druckfestigkeit
fm,g,k
ft,0,g,k
fc,0,g,k
50 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Modelle für Biege- und Zugversuche
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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51 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Su
mm
en
hä
ufig
keit
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
BS-Holz-Festigkeit [N/mm²]15 20 25 30 35 40 45 50
21.3
24.2
BiegefestigkeitZugfestigkeit
52 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Simulation ft,0,k
(= 0,88fm,k)
DIN 1052:2008
2421
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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53 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Einfluss der Bauteillänge auf die Zugfestigkeitkl
-Fa
kto
r [-
]
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Bauteillänge [m]0 10 20 30 40 50 60
k l ( f t 0 k ) - S t a b l a e n g e
5,4 m
Simulierte FestigkeitsverhältnisseRegressionskurve
54 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Modell für Druckversuche
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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55 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Druckfalten im Splintholz einer im Sturmabgeknickten Kiefer
56 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Holzfeuchtigkeit
Glos (1978)
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
Matthias Frese
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57 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz Ch
ara
kt. B
S-H
olz
-Dru
ckfe
stig
keit
[N/m
m²]
20
25
30
35
40
45
50
Charakt. Rohdichte des Schnittholzes [g/cm3]0.34 0.36 0.38 0.40 0.42 0.44 0.46
f c 0 5 * r h o 0 5 _ 1 2
Holzfeuchte12 %16 %20 %
58 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
DIN 1052:2008
Simulation fc,0,k
(NKL 1)3936
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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59 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Methoden & Ergebnisse
Strukturanalyse
Sortierverfahren
Holzarten
SystemeZugversuche und Längeneffekte
Druckversuche und Holzfeuchtigkeit
Systemeffekte bei Mehrfeldträgern
60 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Mehrfeldträger
Wahrscheinlichkeitdes Zusammentreffens zwischen Beanspruchungsspitzenund Schwachstellen
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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61 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
62 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Bereiche, in denen hohe Beanspruchungen mit
potenziellen Schwachstellen
zusammentreffen
ℓ/3 (Einfeldträger)bzw. einzelne Punkte
(Mehrfeldträger)
Referenzträger
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
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63 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Mehrfeldträger
Effektive Biege-festigkeiten
Referenzträger charakt. Biegefestigkeit (Tabellenwert)
64 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Modelle
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
Matthias Frese
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65 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Effe
ktiv
e B
ieg
efe
stig
keit
[N/m
m²]
20
25
30
35
40
Biegefestigkeit des Einfeldträgers [N/mm²]20 22 24 26 28 30 32
f m g k 1 f m g k 2
Mehrfeldträger2 Felder3 Felder4 Felder
66 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Neubau einer Turnhalle, KIT
Simulation der Tragfähigkeit von Brettschichtholz
Matthias Frese
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67 30.9.2011 KIT Holzbau und BaukonstruktionenMatthias Frese − Simulation der Tragfähigkeit von BS-Holz
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit