Die Arbeit befasst sich mit einem neuen textilverstärkten Zugmittel mit formschlüssiger Krafteinleitung. Im Grundlagenteil werden Aufbau, Eigenschaften und Dimensionierungsgrundlagen von Rollenketten und Zahnriemenantrieben erörtert, sowie textile und elastomere Werkstoffe betrachtet. Aus den Betrachtungen zum Stand der Technik, der Maschenware mit hochfesten Filamentgarnen und deren polymeren Beschichtungen wird der Entwicklungsansatz abgeleitet. Mit Hilfe eines Spezialkettenwirkverfahrens werden die textilen Zugträger als Recht/Links-Maschenware hergestellt. Das besondere daran ist die teilungsgenaue Einbindung der Bolzen in die Maschenstruktur bei der Fertigung. Eine anschließende elastomere Beschichtung verbessert die mechanischen Eigenschaften erheblich und fixiert die Bolzen axial. Dabei werden reaktive Polyurethane im Gießverfahren und thermoplastische Elastomere im Spritzgießverfahren eingesetzt. Drei ausgewählte textile Bindungen mit verschiedenen Beschichtungen wurden statisch und dynamisch, anhand von Proben und endlos verbundenen Zugmitteln, ausführlich untersucht. Die daraus abgeleiteten Bauteil-Wöhlerlinien und Leistungsdiagramme bilden die Grundlage zur Auslegung der textilverstärkten Zugmittel für Anwendungen im Maschinenbau. / The dissertation deals with a new textile reinforced with form-closed force application. The basis of structure, properties and sizing basics of roller chain drives and belt drives are discussed and considered textile and elastomeric materials. From consideration of the prior art, the knitted fabric with high tenacity filament of polymeric coatings and their development approach is derived. Using a special knitting process, the textile chain tension members are produced as a right / left-knit fabric. The special thing about it is the exact distribution of involvement of the pins in the mesh structure during manufacturing. Subsequent elastomeric coating significantly improves the mechanical properties and fixes the bolt axially. These reactive polyurethanes by casting and thermoplastic elastomers are used in injection molding. Three selected textile bonds with different coatings were statically and dynamically examine in detail the basis of samples and associated endless traction means. The derived component S/N curves and performance charts are the basis for the design of textile-reinforced tension means for applications in mechanical engineering.

In der vorliegenden Arbeit werden Holzwerkstoffe im statischen Biegeversuch und im Schlagbiegeversuch vergleichend geprüft. Ausgewählte Holzwerkstoffe werden thermisch geschädigt, zudem wird eine relevante Kerbgeometrie geprüft. Ziel der Untersuchungen ist die Eignung verschiedenartiger Werkstoffe für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen mit Schlagbelastungen zu prüfen. Hierzu werden zunächst die Grundlagen der instrumentierten Schlagprüfung und der Holzwerkstoffe erarbeitet. Der Stand der Technik wird dargelegt und bereits durchgeführte Studien werden analysiert. Darauf aufbauend wird eine eigene Prüfeinrichtung zur zeitlich hoch aufgelösten Kraft-Beschleunigungs-Messung beim Schlagversuch entwickelt. Diese wird anhand verschiedener Methoden auf ihre Eignung und die Messwerte auf Plausibilität geprüft. Darüber hinaus wird ein statistisches Verfahren zur Überprüfung auf ausreichende Stichprobengröße entwickelt und auf die durchgeführten Messungen angewendet. Anhand der unter statischer und schlagartiger Biegebeanspruchung ermittelten charakteristischen Größen, wird ein Klassenmodell zum Werkstoffvergleich und zur Werkstoffauswahl vorgeschlagen. Dieses umfasst integral die mechanische Leistungsfähigkeit der geprüften Holzwerkstoffe und ist für weitere Holzwerkstoffe anwendbar. Abschließend wird, aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen, ein Konzept für die Bauteilprüfung unter Schlagbelastung für weiterführende Untersuchungen vorgeschlagen. / In the present work wood-based materials are compared under static bending load and impact bending load. Several thermal stress conditions are applied to selected materials, furthermore one relevant notch geometry is tested. The objective of these tests is to investigate the suitability of distinct wood materials for security relevant applications with the occurrence of impact loads. For this purpose the basics of instrumented impact testing and wood-based materials are acquired. The state of the technology and a comprehensive analysis of original studies are subsequently presented. On this basis an own impact pendulum was developed to allow force-acceleration measurement with high sample rates. The apparatus is validated by several methods and the achieved signals are tested for plausibility. A general approach of testing for adequate sample size is implemented and applied to the tested samples. Based on the characteristic values of the static bending and impact bending tests a classification model for material selection and comparison is proposed. The classification model is an integral approach for mechanical performance assessment of wood-based materials. In conclusion a method for impact testing of components (in future studies) is introduced.

In der vorliegenden Arbeit wird ein spanloses und umformendes Verfahren zur Erzeugung von Durchgangslöchern mit einer lokalen Dichteerhöhung untersucht. Der Ansatz beruht auf dem Fließlochformen aus der Metalltechnik. Im Bereich der Holztechnik findet dieser Ansatz noch keine Anwendung. Im Umfang der Arbeit werden für den Prozess relevante Grundlagen erläutert sowie die Prozesseinflussfaktoren für das Verfahren aufgedeckt und angepasst. Es werden Berechnungsansätze u. a. für die Abschätzung der auftretenden Axialkraft und der vom Dorn wirkenden Kräfte auf den Werkstoff aufgestellt. Es erfolgen Untersuchungen in statischen Versuchen ohne rotierenden Dorn und dynamische Versuche mit rotierendem Dorn. Untersuchte Einflüsse sind z. B. die Axialkraft, der Spitzenwinkel, die Rauheit, der Dorndurchmesser, der Einfluss des verdrängten Volumens, die Temperatur, die Dorndrehzahl und die Prozesszeit. Die aufgedeckten Einflüsse werden sukzessiv nacheinander untersucht und positive Einflussgrößen für die nachfolgenden Untersuchungen übernommen. Ebenso werden ausgewählte Auswirkungen in der praktischen Anwendung aufgezeigt.:Bibliografische Beschreibung 3 Kurzzeichenverzeichnis 9 Anmerkungen zur Arbeit 15 1 Einführung 17 1.1 Einleitung 17 1.2 Ausgangssituation 18 1.3 Zielstellung 20 1.4 Lösungsweg 21 1.5 Abgrenzung der Arbeit 21 2 Holztechnologische Grundlagen 23 2.1 Aufbau und Anatomie 23 2.1.1 Makroskopischer Aufbau 23 2.1.2 Mikroskopischer Aufbau 25 2.1.3 Chemischer Aufbau 27 2.2 Technische Begrifflichkeiten 28 2.2.1 Anisotropie und Inhomogenität 28 2.2.2 Feuchte- und Wassergehalt 29 2.2.3 Quellen und Schwinden 30 2.2.4 Spaltfestigkeit 30 2.2.5 Nagelfestigkeit 31 2.2.6 Lochleibungsfestigkeit von Nagelverbindungen 31 2.2.7 Platten und Scheibenbeanspruchung 32 2.2.8 Druckfestigkeit und Verdichtung 33 2.2.9 Faser-Last-Winkel 33 2.2.10 Dichte 35 2.2.11 Holzhärte 37 2.2.12 Thermische Eigenschaften 41 2.2.13 Rheologische Eigenschaften 43 2.3 Furnierwerkstoffe 45 3 Stand der Technik 51 3.1 WVC in technischen Anwendungen 51 3.2 Verbindungen in der Holztechnik als WVC-Anwendung 52 3.3 Umformende Prozesse bei Holzwerkstoffen 56 3.4 Bohren bei Holzwerkstoffen 58 3.5 Fließlochformen 60 3.5.1 Fließlochformwerkzeug 60 3.5.2 Prozess des Thermofließlochformens 62 3.5.3 Wärmeübergang und Materialverhalten 64 3.5.4 Thermomechanisches Ausformfügen 65 4 Auswertungsmethodik und statistische Betrachtung 67 5 Fließlochformen in Holzwerkstoffe 71 5.1 Verfahrensansatz 71 5.2 Plattenmodelle 72 5.3 Dornmodell 78 5.4 Rechnerisches Modell 87 5.5 Dorndurchmesser 91 5.6 Vorbohrung 91 5.7 Dornzieldrehzahl 91 5.8 Einflussfaktoren auf den Fließlochformprozess 92 5.8.1 Werkzeug 93 5.8.2 Temperatur 93 5.8.3 Feuchtigkeit 94 5.8.4 Verdrängtes Volumen 95 5.8.5 Werkstoff 95 6 Versuchswerkstoff 97 6.1 Furnierwerkstoff 97 6.2 Dimension 98 6.3 Konditionierung 98 6.4 Feuchtegehalt 99 6.5 Rohdichte 100 7 Druckversuche 101 7.1 Vorbetrachtung 101 7.2 Durchführung 102 7.3 Ergebnisse 103 8 Statische Versuche 105 8.1 Vorbetrachtung 105 8.2 Durchführung 108 8.3 Auswertung 110 8.3.1 Spitzenwinkel 110 8.3.2 Rauheit 113 8.3.3 Durchmesser 113 8.3.4 Verdrängtes Volumen 114 8.3.5 Temperatur 116 8.3.6 Lochrückformung 118 8.3.7 Dichtebestimmung der Messreihen 119 8.3.8 Gewichtsdifferenz 120 8.3.9 Beidseitiges Eindringen 120 8.4 Mikroskopische Analyse 122 8.5 Modell und Versuch 124 8.6 Fazit 126 9 Dynamische Versuche 127 9.1 Ablauf 127 9.2 Vorversuche 127 9.3 Fließlochformautomat 129 9.4 Werkzeuge 131 9.5 Auswertung 132 9.5.1 Drehzahl 132 9.5.2 Axialkraft 133 9.5.3 Hubzahl 136 9.5.4 Prozesszeit 136 9.5.5 Abstand 137 9.5.6 Werkstoffeinfluss 139 9.5.7 Lochrückformung 141 9.5.8 Dichte 142 9.5.9 Gewichtsdifferenz 142 9.5.10 Maßhaltigkeitsuntersuchung 142 9.6 Mikroskopische Analyse 144 9.7 Modell und Versuch 147 10 Auswirkung auf die Praxis 149 10.1 Vorspannkraftabfall 149 10.2 Muffenauszugskraft 153 10.3 Fließlochformen in der Praxis 154 11 Fazit 157 12 Ausblick 161 13 Quellenverzeichnis 163 14 Abbildungsverzeichnis 169 15 Tabellenverzeichnis 175 Anlagen 177 / In the present work, a non-cutting and forming process for the production of through holes with a local density increase is investigated. The approach is based on flow drill technology from metal technology. This approach is not yet applied in the field of wood technology. In the scope of the work, fundamentals relevant to the process are explained, and process influencing factors for the process are uncovered and adjusted. Calculation approaches are used, e. g. for estimating the occurring axial force and the forces acting on the material from the mandrel. Static tests without rotating mandrel and dynamic tests with rotating mandrel are carried out. Influences investigated include axial force, point angle, roughness, mandrel diameter, influence of displaced volume, temperature, mandrel speed and process time. The revealed influences are successively investigated one by one and positive influence variables are adopted for the subsequent investigations. Likewise, selected effects in practical application are shown.:Bibliografische Beschreibung 3 Kurzzeichenverzeichnis 9 Anmerkungen zur Arbeit 15 1 Einführung 17 1.1 Einleitung 17 1.2 Ausgangssituation 18 1.3 Zielstellung 20 1.4 Lösungsweg 21 1.5 Abgrenzung der Arbeit 21 2 Holztechnologische Grundlagen 23 2.1 Aufbau und Anatomie 23 2.1.1 Makroskopischer Aufbau 23 2.1.2 Mikroskopischer Aufbau 25 2.1.3 Chemischer Aufbau 27 2.2 Technische Begrifflichkeiten 28 2.2.1 Anisotropie und Inhomogenität 28 2.2.2 Feuchte- und Wassergehalt 29 2.2.3 Quellen und Schwinden 30 2.2.4 Spaltfestigkeit 30 2.2.5 Nagelfestigkeit 31 2.2.6 Lochleibungsfestigkeit von Nagelverbindungen 31 2.2.7 Platten und Scheibenbeanspruchung 32 2.2.8 Druckfestigkeit und Verdichtung 33 2.2.9 Faser-Last-Winkel 33 2.2.10 Dichte 35 2.2.11 Holzhärte 37 2.2.12 Thermische Eigenschaften 41 2.2.13 Rheologische Eigenschaften 43 2.3 Furnierwerkstoffe 45 3 Stand der Technik 51 3.1 WVC in technischen Anwendungen 51 3.2 Verbindungen in der Holztechnik als WVC-Anwendung 52 3.3 Umformende Prozesse bei Holzwerkstoffen 56 3.4 Bohren bei Holzwerkstoffen 58 3.5 Fließlochformen 60 3.5.1 Fließlochformwerkzeug 60 3.5.2 Prozess des Thermofließlochformens 62 3.5.3 Wärmeübergang und Materialverhalten 64 3.5.4 Thermomechanisches Ausformfügen 65 4 Auswertungsmethodik und statistische Betrachtung 67 5 Fließlochformen in Holzwerkstoffe 71 5.1 Verfahrensansatz 71 5.2 Plattenmodelle 72 5.3 Dornmodell 78 5.4 Rechnerisches Modell 87 5.5 Dorndurchmesser 91 5.6 Vorbohrung 91 5.7 Dornzieldrehzahl 91 5.8 Einflussfaktoren auf den Fließlochformprozess 92 5.8.1 Werkzeug 93 5.8.2 Temperatur 93 5.8.3 Feuchtigkeit 94 5.8.4 Verdrängtes Volumen 95 5.8.5 Werkstoff 95 6 Versuchswerkstoff 97 6.1 Furnierwerkstoff 97 6.2 Dimension 98 6.3 Konditionierung 98 6.4 Feuchtegehalt 99 6.5 Rohdichte 100 7 Druckversuche 101 7.1 Vorbetrachtung 101 7.2 Durchführung 102 7.3 Ergebnisse 103 8 Statische Versuche 105 8.1 Vorbetrachtung 105 8.2 Durchführung 108 8.3 Auswertung 110 8.3.1 Spitzenwinkel 110 8.3.2 Rauheit 113 8.3.3 Durchmesser 113 8.3.4 Verdrängtes Volumen 114 8.3.5 Temperatur 116 8.3.6 Lochrückformung 118 8.3.7 Dichtebestimmung der Messreihen 119 8.3.8 Gewichtsdifferenz 120 8.3.9 Beidseitiges Eindringen 120 8.4 Mikroskopische Analyse 122 8.5 Modell und Versuch 124 8.6 Fazit 126 9 Dynamische Versuche 127 9.1 Ablauf 127 9.2 Vorversuche 127 9.3 Fließlochformautomat 129 9.4 Werkzeuge 131 9.5 Auswertung 132 9.5.1 Drehzahl 132 9.5.2 Axialkraft 133 9.5.3 Hubzahl 136 9.5.4 Prozesszeit 136 9.5.5 Abstand 137 9.5.6 Werkstoffeinfluss 139 9.5.7 Lochrückformung 141 9.5.8 Dichte 142 9.5.9 Gewichtsdifferenz 142 9.5.10 Maßhaltigkeitsuntersuchung 142 9.6 Mikroskopische Analyse 144 9.7 Modell und Versuch 147 10 Auswirkung auf die Praxis 149 10.1 Vorspannkraftabfall 149 10.2 Muffenauszugskraft 153 10.3 Fließlochformen in der Praxis 154 11 Fazit 157 12 Ausblick 161 13 Quellenverzeichnis 163 14 Abbildungsverzeichnis 169 15 Tabellenverzeichnis 175 Anlagen 177

In der vorliegenden Arbeit werden ein Berechnungs- und Sicherheitskonzept für Verbundbauteile in Holzverbundbauweise erarbeitet und validiert. Damit ist eine globale Dimensionierung bzw. Bemessung dieser Bauteile möglich. Der Fokus der Konzepte liegt dabei auf Anwendungen und Anforderungen im Maschinenbau. Hierzu werden zunächst Grundlagen zu Holzwerkstoffen und dem Lastfall Dreipunktbiegung erarbeitet. Darauf aufbauend werden in Dreipunktbiegeversuchen die Biege- und Schubeigenschaften ausgewählter Sperrhölzer ermittelt. Im nächsten Schritt wird ein Berechnungskonzept zur Vorhersage der Kraft-Verformungs-Kurve von Bauteilen in Holzbauweise unter Verwendung der Materialkennwerte der Einzelelemente erarbeitet und validiert. Die Validierung erfolgt anhand ausgewählter Versuchsmuster in Holzbauweise. Anschließend wird ein an die Sicherheitsanforderungen im Maschinenbau angepasstes semiprobabilistisches Sicherheitskonzept erarbeitet. Abschließend werden anhand praxisnaher Beispiele die Anwendbarkeit der Konzepte validiert und Möglichkeiten bzw. Grenzen aufgezeigt.:1 Einleitung 14 1.1 Motivation 14 1.2 Präzisierung der Aufgabenstellung 16 1.3 Lösungsansätze und Abgrenzung der Arbeit 17 1.4 Aufbau der Arbeit 18 2 Grundlagen 20 2.1 Ingenieurtechnische Grundlagen 20 2.1.1 Begriffsdefinition 20 2.1.2 Zusammenhang zwischen Kraft- und Verformungsgrößen 21 2.1.3 Materialkennwerte 23 2.1.4 Verbundbauteile 24 2.2 Grundlagen der Dreipunktbiegung 25 2.2.1 Allgemeine Modellannahmen 27 2.2.2 Timoshenko-Balkentheorie 27 2.2.3 Einfluss des Stützweiten-Höhen-Verhältnisses 30 2.2.4 Schubkorrekturfaktor 32 2.3 Grundlagen zum Werkstoff Holz 33 2.3.1 Struktureller Aufbau 33 2.3.2 Inhomogenität von Holz 35 2.3.3 Anisotropie des Holzes 35 2.3.4 Mechanische Eigenschaften 39 2.3.5 Äußere Einflussfaktoren auf die Materialeigenschaften von Holz 41 2.4 Holzfurnierlagenverbundwerkstoffe (WVC) 42 2.4.1 Einteilung 42 2.4.2 Struktureller Aufbau von Sperrholz 44 2.4.3 Mechanische Eigenschaften von Sperrholz 44 2.4.4 Spannungszustand von Sperrholz bei Dreipunktbiegebeanspruchung 46 3 Materialcharakterisierung 49 3.1 Stand der Technik 49 3.1.1 Literaturkennwerte, Materialdatenblätter und Leistungserklärungen 49 3.1.2 Aktuelle Normung 49 3.1.3 Kritik am Stand der Technik 51 3.1.4 Ableitung von Anforderungen an Materialversuche und Kennwerte 53 3.1.5 Ziele der Materialcharakterisierung 54 3.2 Grundlagen der Datenanalyse 55 3.2.1 Statistische Lage- und Streumaße 55 3.2.2 Graphische Darstellung empirischer Daten 56 3.2.3 Normalverteilung 57 3.2.4 Statistische Testverfahren 58 3.3 Material und Methoden 60 3.3.1 Material 60 3.3.2 Stützweitenversuch – Versuchssetup und Auswertemethodik 62 3.3.3 Kurzbiegeversuche – Versuchssetup und Auswertemethodik 67 3.4 Kennwertermittlung 68 3.4.1 Materialcharakterisierung von WVC-01 68 3.4.2 Materialcharakterisierung von WVC-02 75 3.4.3 Universelle Spannungs-Dehnungs-Kennwerte 77 4 Berechnungskonzept für Verbundbauteile in Holzbauweise 82 4.1 Annahmen und Eingrenzung 82 4.2 Aktueller Stand der Technik 82 4.2.1 Berechnung der Bauteilsteifigkeit von Verbundbauteilen 82 4.2.2 Berechnung von Versagenspunkten 83 4.2.3 Kritik am Stand der Technik 86 4.2.4 Zielstellung 88 4.3 Berechnungskonzept für Verbundbauteile aus Holzwerkstoffen 88 4.3.1 Prinzipielles Vorgehen 88 4.3.2 Berechnung der Bauteilmodulkennwerte 89 4.3.3 Berechnung der Versagenspunkte 91 4.3.4 Berechnung der Geometrieparameter bei gegebener Mindesttragfähigkeit 92 4.4 Validierung des Berechnungskonzeptes 94 4.4.1 Methodik 94 4.4.2 Aufbau und Geometrie 94 4.4.3 Experimentelle Ergebnisse der Bauteiltests 99 4.4.4 Berechnung der Tragfähigkeit mit Materialkennwerten 100 4.4.5 Berechnung mit universellen Normaldehnungen 105 4.4.6 Diskussion 106 5 Sicherheitskonzept für Holzwerkstoffe im Maschinenbau 108 5.1 Stand der Technik 108 5.1.1 Sicherheit – Definition und Arten 108 5.1.2 Sicherheit im Maschinenbau 113 5.1.3 Sicherheit in der Kunststofftechnik 113 5.1.4 Sicherheit im Ingenieurholzbau – EUROCODE 5 114 5.1.5 Kritik am Stand der Technik 117 5.1.6 Ziel des Sicherheitskonzeptes für Holzwerkstoffe im Maschinenbau 119 5.2 Entwicklung des Sicherheitskonzeptes 120 5.2.1 Analyse der Teilsicherheitsbeiwerte des EUROCODE 5 120 5.2.2 Teilsicherheitsbeiwerte für statische Lastfälle des Maschinenbau 122 5.2.3 Beiwert zur Berücksichtigung der Kennwertstreuung 125 5.2.4 Sicherheitsbezogene Klassifizierung von Maschinenbauanwendungen 126 5.2.5 Ableitung globaler Sicherheitsfaktoren 129 5.2.6 Zusammenfassung 132 5.3 Validierung 133 5.3.1 Bemessung nach EUROCODE 5 133 5.3.2 Bemessung nach Sicherheitskonzept für Maschinenbau 135 5.3.3 Vergleich EUROCODE 5 und Sicherheitskonzept für Maschinenbau 136 6 Anwendbarkeitsstudie 139 6.1 Bemessung von Hohlprofilen 139 6.2 Dimensionierung von Hohlprofilen 142 6.3 Globale Bemessung komplexer Bauteile 144 6.4 Anschließende Bemessungsaufgaben 147 7 Zusammenfassung und Ausblick 149 7.1 Zusammenfassung 149 7.2 Ausblick 151 8 Verzeichnisse 152 9 Anhang 169 9.1 Anhang zu Kapitel 2 169 9.2 Anhang zu Kapitel 3 171 9.3 Anhang zu Kapitel 4 194 9.4 Anhang zu Kapitel 5 207 9.5 Anhang zu Kapitel 6 212 / In the present work, a calculation and safety concept for composite components in wood composite construction is developed and validated. This enables a global dimensioning of these components. The focus of the concepts is on applications and requirements in mechanical engineering. For this purpose, the basics of wood-based materials and the three-point bending load case are first elaborated. Based on this, the bending and shear properties of selected plywood are determined in three-point bending tests. In the next step, a calculation concept for predicting the force-deformation-curve of components in timber construction using the material parameters of the individual elements will be developed and validated. The validation is based on selected test components. A semi-probabilistic safety concept adapted to the safety requirements in mechanical engineering is then developed. Finally, using practical examples, the applicability of the concepts is determined and possibilities and limits are shown.:1 Einleitung 14 1.1 Motivation 14 1.2 Präzisierung der Aufgabenstellung 16 1.3 Lösungsansätze und Abgrenzung der Arbeit 17 1.4 Aufbau der Arbeit 18 2 Grundlagen 20 2.1 Ingenieurtechnische Grundlagen 20 2.1.1 Begriffsdefinition 20 2.1.2 Zusammenhang zwischen Kraft- und Verformungsgrößen 21 2.1.3 Materialkennwerte 23 2.1.4 Verbundbauteile 24 2.2 Grundlagen der Dreipunktbiegung 25 2.2.1 Allgemeine Modellannahmen 27 2.2.2 Timoshenko-Balkentheorie 27 2.2.3 Einfluss des Stützweiten-Höhen-Verhältnisses 30 2.2.4 Schubkorrekturfaktor 32 2.3 Grundlagen zum Werkstoff Holz 33 2.3.1 Struktureller Aufbau 33 2.3.2 Inhomogenität von Holz 35 2.3.3 Anisotropie des Holzes 35 2.3.4 Mechanische Eigenschaften 39 2.3.5 Äußere Einflussfaktoren auf die Materialeigenschaften von Holz 41 2.4 Holzfurnierlagenverbundwerkstoffe (WVC) 42 2.4.1 Einteilung 42 2.4.2 Struktureller Aufbau von Sperrholz 44 2.4.3 Mechanische Eigenschaften von Sperrholz 44 2.4.4 Spannungszustand von Sperrholz bei Dreipunktbiegebeanspruchung 46 3 Materialcharakterisierung 49 3.1 Stand der Technik 49 3.1.1 Literaturkennwerte, Materialdatenblätter und Leistungserklärungen 49 3.1.2 Aktuelle Normung 49 3.1.3 Kritik am Stand der Technik 51 3.1.4 Ableitung von Anforderungen an Materialversuche und Kennwerte 53 3.1.5 Ziele der Materialcharakterisierung 54 3.2 Grundlagen der Datenanalyse 55 3.2.1 Statistische Lage- und Streumaße 55 3.2.2 Graphische Darstellung empirischer Daten 56 3.2.3 Normalverteilung 57 3.2.4 Statistische Testverfahren 58 3.3 Material und Methoden 60 3.3.1 Material 60 3.3.2 Stützweitenversuch – Versuchssetup und Auswertemethodik 62 3.3.3 Kurzbiegeversuche – Versuchssetup und Auswertemethodik 67 3.4 Kennwertermittlung 68 3.4.1 Materialcharakterisierung von WVC-01 68 3.4.2 Materialcharakterisierung von WVC-02 75 3.4.3 Universelle Spannungs-Dehnungs-Kennwerte 77 4 Berechnungskonzept für Verbundbauteile in Holzbauweise 82 4.1 Annahmen und Eingrenzung 82 4.2 Aktueller Stand der Technik 82 4.2.1 Berechnung der Bauteilsteifigkeit von Verbundbauteilen 82 4.2.2 Berechnung von Versagenspunkten 83 4.2.3 Kritik am Stand der Technik 86 4.2.4 Zielstellung 88 4.3 Berechnungskonzept für Verbundbauteile aus Holzwerkstoffen 88 4.3.1 Prinzipielles Vorgehen 88 4.3.2 Berechnung der Bauteilmodulkennwerte 89 4.3.3 Berechnung der Versagenspunkte 91 4.3.4 Berechnung der Geometrieparameter bei gegebener Mindesttragfähigkeit 92 4.4 Validierung des Berechnungskonzeptes 94 4.4.1 Methodik 94 4.4.2 Aufbau und Geometrie 94 4.4.3 Experimentelle Ergebnisse der Bauteiltests 99 4.4.4 Berechnung der Tragfähigkeit mit Materialkennwerten 100 4.4.5 Berechnung mit universellen Normaldehnungen 105 4.4.6 Diskussion 106 5 Sicherheitskonzept für Holzwerkstoffe im Maschinenbau 108 5.1 Stand der Technik 108 5.1.1 Sicherheit – Definition und Arten 108 5.1.2 Sicherheit im Maschinenbau 113 5.1.3 Sicherheit in der Kunststofftechnik 113 5.1.4 Sicherheit im Ingenieurholzbau – EUROCODE 5 114 5.1.5 Kritik am Stand der Technik 117 5.1.6 Ziel des Sicherheitskonzeptes für Holzwerkstoffe im Maschinenbau 119 5.2 Entwicklung des Sicherheitskonzeptes 120 5.2.1 Analyse der Teilsicherheitsbeiwerte des EUROCODE 5 120 5.2.2 Teilsicherheitsbeiwerte für statische Lastfälle des Maschinenbau 122 5.2.3 Beiwert zur Berücksichtigung der Kennwertstreuung 125 5.2.4 Sicherheitsbezogene Klassifizierung von Maschinenbauanwendungen 126 5.2.5 Ableitung globaler Sicherheitsfaktoren 129 5.2.6 Zusammenfassung 132 5.3 Validierung 133 5.3.1 Bemessung nach EUROCODE 5 133 5.3.2 Bemessung nach Sicherheitskonzept für Maschinenbau 135 5.3.3 Vergleich EUROCODE 5 und Sicherheitskonzept für Maschinenbau 136 6 Anwendbarkeitsstudie 139 6.1 Bemessung von Hohlprofilen 139 6.2 Dimensionierung von Hohlprofilen 142 6.3 Globale Bemessung komplexer Bauteile 144 6.4 Anschließende Bemessungsaufgaben 147 7 Zusammenfassung und Ausblick 149 7.1 Zusammenfassung 149 7.2 Ausblick 151 8 Verzeichnisse 152 9 Anhang 169 9.1 Anhang zu Kapitel 2 169 9.2 Anhang zu Kapitel 3 171 9.3 Anhang zu Kapitel 4 194 9.4 Anhang zu Kapitel 5 207 9.5 Anhang zu Kapitel 6 212

Im Forschungsprojekt wurde eine Bauweise für ein modular aufgebautes und flexibel einsetzbares Gestellsystem entwickelt, welches durch integrativen Leichtbau den vorteilhaften Einsatz von Holzfurnierlagenverbund-werkstoffen (WVC) für Verarbeitungs- und Fördermaschinen ermöglicht. Die ingenieurtechnisch relevanten Eigen-schaften des Holzbasiswerkstoffs (u.a. strukturelle Dämpfungseigenschaft) wurden ermittelt und darauf aufbauend ein Profil als Strukturelement des Gestellsystems entwickelt. Hier lag besonderes Augenmerk auf der Gestaltung des Profilquerschnitts. Es wurden verschiedene Querschnittsgeometrien vergleichend untersucht, wobei sich ein ge-schlossenes Kastenprofil als günstig erwies. Ausgehend vom entwickelten Profil wurde die für ein modulares Sys-tem notwendige Verbindungstechnik konzipiert. Folgend wurde schrittweise die modulare Bauweise in Strukturein-heiten umgesetzt sowie parallel Untersuchungen zu Steifigkeit und Festigkeit der Profile fortgeführt. Während der Erprobung von Struktureinheiten unter praxisnahen Bedingungen wurden gewisse konstruktive Verbesserungspo-tentiale deutlich. Diese Änderungen sowie die gewonnenen Erkenntnisse aus der Material- und Strukturprüfung kamen im Prototyp zur Umsetzung. Schallpegelprofile verschiedener fördertechnischer Anlagen und des entwickel-ten Prototypen wurden abschließend aufgenommen und verglichen. / Aim of the present study was to develop a modular designed and widely employable rack system. Positive properties of wood based materials (WVC) in lightweight structures were identified and integrated for the application in fabri-cation and conveyer technologies. For this purpose relevant properties of wood materials had been investigated (e.g. damping properties). The results of these analyses were the basis for the development of a beam profile, the basic structural design element for the future rack system. The most effort was put into finding the optimal beam cross section. Several different cross sections had been compared, a square sectional beam profile showed the best per-formance. Based on the square sectional beam profile proper connection methods for the modular rack were devel-oped. Structural units were subsequently realized step by step, while the investigation of stiffness and strength of the profiles was continued. The testing of the structural units under simulated field conditions revealed some minor constructional improvement capabilities. The constructional improvements and the knowledge from the material and profile testing were put into practice in the prototype. Finally sound measurements were carried out to compare several conveyors made of different materials (including the prototype) in respect to the emitted sound level.

Durch die Entwicklung der vorgestellten modularen Bauweise ist es möglich, Maschinengestelle aus Holzfurnierlagenverbundwerkstoff (WVC) einfach herzustellen und technisch sinnvoll einzusetzen. Die modulare Bauweise kann sowohl für statische als auch dynamische Beanspruchungen im Allge-meinen Maschinenbau angewendet werden. In einem Baukastensystem werden Maschinenteile aus WVC durch geeignete Verbindungsmittel lösbar zusammengesetzt. Damit ist es möglich, eine hohe Flexibilität in der späteren Nutzung mit einer hohen Variantenvielfalt des Aufbaus durch entsprechend verschiedene Bauteile zu kombinieren. Im Vortrag werden die verschiedenen Belastungen des Holzverbundes im Maschinenaufbau charakte-risiert und auf Probleme bei der Konstruktion eingegangen. Abschließend werden Ergebnisse zu Dau-eruntersuchungen der Verbindungstechnik und des gesamten Maschinenaufbaus vorgestellt und diskutiert. / The development of the presented modular construction allows to manufacture wood veneer compos-ite (WVC) machine racks easily in a technical reasonable way. The modular construction can be used for both static and dynamic loading conditions in mechanical engineering. In the modular construction system the WVC machine components are connected detachable with adequate fasteners. This leads to high flexibility during the construction and assembly process of machine components. In the current presentation the different loading conditions of WVC profiles are characterized and the problems during construction described. Finally the results of the long term testing of the connection technique are presented and the complete machine system is discussed.

In der technischen Logistik bieten Bauweisen aus Holzverbundwerkstoffen, speziell aus schichtförmigen aufgebauten Halbzeugen (WVC – Wood-Veneer- Composites), eine Alternative zu Konstruktionen aus Metallwerkstoffen, vor allem aufgrund ihrer guten spezifischen mechanischen Eigenschaften sowie ihrer günstigen Korrosionseigenschaften. Benötigte Verbindungsmittel entstammen dabei dem Bau- oder Möbelsektor und sind vorrangig statischen Belastungen angepasst. Der Vortrag gibt einen kurzen Einblick in Bauweisen mit WVC und stellt dabei Forschungsergebnisse zu statischen und dynamischen Untersuchungen an prinzipiell geeigneten Verbindungselementen in den Vordergrund. Dabei wird vor allem auf holztypische Problemstellungen im Zusammenhang mit dynamischen Belastungen eingegangen. An Funktionsmustern werden mögliche Anwendungen in der Fördertechnik, speziell für den Stückguttransport, dargestellt.

Aufbauend auf historischen Anwendungen von Holzwerkstoffen in der Technik werden Vor- und Nachteile aus der Sicht des Maschinenbaus dargestellt sowie eine aktuelle Eignung dahingehend diskutiert. Besondere Aufmerksamkeit erfährt der integrative Leichtbau mit Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen (Wood Veneer Composite, WVC). Durch deren modifizierbares Eigenschaftsprofil, in Verbindung mit einer an den Anwendungsfall angepassten Bauweise, ist eine zusätzliche Funktionsintegration möglich. Das Potenzial der Holzwerkstoffe wird an verschiedenen Konstruktionsbeispielen erläutert. Ergänzend werden Biege-Ersatz Emodul und Bauteilverformung eines Strukturelementes sowie Ergebnisse aus Ermüdungsversuchen der Verbindungstechnik dargestellt. Abschließend werden Probleme beider Umsetzung verschiedener Prototypen beschrieben und deren Lösung aufgezeigt. / Based on several historical applications of Wood Veneer Composites (WVC) the advantages and disadvantages of wood materials in today`s mechanical and plant engineering are discussed. Integrated WVC lightweight structures are especially taken into account. The highly modifiable mechanical properties of WVC’s allow application-adapted integration of further technical functions. The capabilities of integrated lightweight structures based on wood materials are demonstrated on several technical applications. Furthermore results of flexural tests, precisely the retrieved substitutet bending modulus and the maximal deflection as well as results of fatigue testing of the connecting components are given. Finally problems occurring during realization of WVC lightweight prototypes and their potential solutions are shown.

Ziel der Untersuchung war es, eine Charakterisierung des Dauerlaufverhaltens dynamisch und tribologisch belasteter Maschinenteile aus Wood Polymer Composite (WPC) in tragenden Anwendungen durchzuführen. Zu diesem Zweck wurde ein Hybridprofil aus Aluminium und WPC (70% PP, 30 % Weichholz) zu dem bestehenden Profil aus Aluminium in ein Hängefördersystem eingebaut und die dynamische Belastung (Vertikalbeschleunigung) auf das Fördergut während des Anlagenbetriebes gemessen. Im Testbetrieb wurde das System mit Ersatzlasten beladen und die Amplituden der Vertikalbeschleunigung zu Versuchsbeginn und deren Veränderung nach 1000h Laufzeit hinsichtlich beider Profilarten bewertet und das Hybridprofil auf sichtbare Schäden überprüft. Zu Beginn und nach 1000h Versuchszeit waren keine relevanten Veränderungen des charakteristischen Beschleunigungsbildes bezüglich beider Profilaufbauten feststellbar. Trotz Verschleiß am Antrieb des Fördersystems blieb das Hybridprofil voll funktionsfähig (kein sichtbarer Verschleiß, keine merkliche Schädigung). Darauf aufbauend wird der Versuch mit höherer Belastung fortgesetzt und die Entwicklung eines Profils, welches nur aus WPC besteht, vorangetrieben. / Aim of the study was to analyze the characteristics of dynamic and tribological stressed wood polymer machine elements. For this purpose an endurance test with an overhead conveyor was executed. A sectional beam in hybrid design (Aluminum & WPC [70 % PP / 30 % softwood]) was implemented in this aluminum beam overhead conveyor. During the conveying process the vertical acceleration of the transported material (dummy loads) was measured. At the beginning of the endurance test the acceleration patterns of the aluminum and the hybrid beams did not differ. Despite of mechanical wear of the drive system after 1000 operating hours, alterations of the acceleration patterns still could not be detected in the different beams. The hybrid beam remained fully functional with no visible wear or damage after 1000 operating hours. Based on these encouraging results the endurance test is continued with enhanced dummy loads and the development of a beam completely composed of WPC is aspired.

Die im Folgenden vorgestellten Arbeiten sollen zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von WPC-Bauteilen beitragen, wobei die Untersuchung möglicher Fügetechnologien und ein praxisnahes Anwendungsbeispiel die Schwerpunkte bilden. Mittels Heizelement- und Vibrationsschweißens ist es gelungen, WPC-Bauteile sowohl mit gleichen Materialien als auch mit dem jeweiligen reinen Matrixmaterialien in Mischbauweisen zu verbinden. Deutlich werden hierbei verfahrensbedingte Einflüsse der Temperaturen bzw. des Energieeintrages, der Krafteinleitung (Fügedruck) sowie rezepturbedingte Einflüsse des Anteiles von Haftvermittlern. Durch entsprechende Verfahrensführung können Festigkeiten der Schweißverbindung im Bereich der WPC-Grundmaterialfestigkeit erreicht werden. Im Praxistest wurde das Dauerlaufverhalten eines Hybridprofils aus Aluminium und WPC in einem Hängefördersystem unter dynamischen Belastungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die WPC-Bauteile des Hybriden den unterschiedlichen Beanspruchungen und den daraus resultierenden Verformungen nach in Summe 3000 h Testbetrieb, ohne sichtbare Schäden standhielten. Weiterhin waren keine Nachteile bezüglich der Praxistauglichkeit im Vergleich zu dem Standardprofil aus Aluminium feststellbar.