Dreidimensionales nichtlinear-elastisches materialmodell für holz unter berücksichtigung der schädigung

Abstract

Ein holistisches konstitutives Modell für das Material Holz wurde entwickelt, das das dreidimensionale Verhalten mit duktilen Versagensmechanismen bei Druckbelastung und sprödem Versagen bei Zug- und Schubbelastung sowie die großen Festigkeitsunterschiede in den einzelnen Materialrichtungen abbilden kann. Das Modell basiert auf Ansätzen der Schädigungsmechanik, die die Spannungs-Dehnungsbezie- hungen nach dem Erreichen der Elastizitätsgrenze mit nichtlinearelastischen Algorithmen beschreiben. Das Material Holz wurde als orthotropes Kontinuum modelliert mit einzelnen Schädigungsparametern für die definierten Versagensarten. Die Versagenskriterien, die die Elastizitätsgrenzen bestimmen, formen keinen einfachen Versagenskörper im Spannungsraum, sondern sind stückweise definiert; der 6D Versagenskörper setzt sich also aus unterschiedlichen Körpern zusammen. Die Schädigungsparameter können in der Auswertung angezeigt werden. Somit kann eine zunehmende Faserstauchung bei Druckbelastung in Faserrichtung ebenso identifiziert werden wie bspw. eine Risszunahme im zugbeanspruchten Bereich. Das Modell wurde als Subroutine in ein bestehendes FE-Programm eingebaut und zur Modellierung von Lochleibungsversuchen und zweischnittigen Verbindungen mit Stabdübeln unter Verwendung unterschiedlicher Holzarten eingesetzt. Die Modellierungsergebnisse zeigen deutlich eine zunehmende Schwächung der Querrichtungen durch lokales Entfestigungsverhalten bei zunehmenden Verformungen, während das globale Lochleibungs- oder Verbindungsverhalten duktil bleibt. Das Modell ist in der Lage, beobachtete Versagensmechanismen abzubilden. Ein großes Problem bleibt die Verfügbarkeit von benötigten Materialparametern für die Steifigkeit und Festigkeit sowie die Entfestigung. Dies gilt besonders für selten untersuchte Holzarten wie tropisches Hartholz, die jedoch sehr wohl in der Praxis verwendet werden.