To accommodate an expanding global population, a renewable raw material resource base, in conjunction with new building technologies, must be applied to the residential housing sector. Desirable characteristics of housing systems are economy, safety, environmental sustainability, durability, design flexibility and a long service life. The system should be acceptable to the end-user, consist of renewable, indigenous resources, and require a minimum investment in labor and equipment for both production and erection. The objective of this research was to develop a ready-to-assemble (RTA) framing system. Integral to the framing system is a nail plate connector, developed in this project, that laminates wood or wood composite elements into larger building components. The laminated components can be bolted together to form various structural configurations. Decisions on the development of the RTA system were structured according to an Innovation Development Decision Model (IDDP) that was constructed from previous adoption and diffusion research. The IDDP model elucidates and illustrates the innovation process from conceptual idea to product adoption. The critical issues for product acceptance include system performance in terms of safety, cost, and building code approval. The objective of the experimental portion of the research was to test the performance of the RTA connection system in specific modes and to develop a theoretical method to predict the strength of the connection. A series of experiments to quantify the shear strength and stiffness of six joint configurations assembled with the RTA connector were designed and conducted. The joints were fabricated from solid sawn lumber and three different wood-base composites. The experimental results indicated that the strength of the RTA connector in perpendicular-to-grain and parallel-to-grain orientations can be predicted from a theoretical dowel yield model. The material properties used in the yield model were adjusted for duration of load and safety. Empirical test values were within ±6.3 % of the predicted values from the theoretical model. Joint stiffness was evaluated, modeled and quantified in the linear and non-linear ranges. A structural analysis program was used to design and model a simple RTA building for realistic gravity and wind loads. The structural model was used to predict joint forces that the RTA connector must resist in-service. The computer model predictions were compared to the empirical joint test data. The results indicate that the RTA system can be designed to meet safety and serviceability criteria. A comparison between the estimated costs of a RTA building and the costs of traditional on site construction of a building of equal dimensions indicated that the RTA system is economically competitive. / Ph. D.

Built-up timber beams consist of individual lumber laminations connected together using mechanical fasteners such as nails, bolts and screws. Lateral torsional buckling (LTB) is an important failure mode that needs to be considered in deep beams with long spans and insufficient lateral supports. Due to the mechanical connectors, built-up beams are expected to have a lower moment capacity compared with solid beams with similar dimensions. The behaviour of built-up beams is greatly affected by the stiffness of the fasteners joining the individual laminations and determining the level of partial composite action attained in the beam. The current research aims to investigate the buckling behaviour of timber built-up beams. This is done by initially investigating the important parameters that play a role in the behaviour through an extensive sensitivity analysis. The focus of the analysis is on the contribution of the connections, since the buckling behaviour of individual solid timber beam element has been relatively well-established. Input parameters for the connection properties are obtained from joint level experimental tests. Finally, recommendations for specific fastener patterns and accompanying reduction factors on the buckling capacity relative to equivalent solid sections are developed and proposed.

Die Auswahl einer zweckmäßigen Verbindungstechnik hat großen Einfluss auf die Kosten für die Herstellung und Wartung von Gütern. Das mechanische Verbinden von Bauteilen mit Schließringbolzen gehört zum umformtechnischen Fügen. Damit werden kostengünstig unlösbare und mechanisch hoch beanspruchbare, punktförmige Verbindungen erzeugt. Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, in umfassender Form den Nachweis zu erbringen, dass mit Schließringbolzensystemen ohne Sollbruchstelle wartungsfreie Verbindungen hergestellt werden können. Diese Wartungsfreiheit bezieht sich auf den Erhalt der mechanischen Eigenschaften der Verbindung und des Korrosionsschutzes bis zur beabsichtigten Grenznutzungsdauer. Aus einer Analyse des Standes der Technik wurde der Forschungsbedarf hinsichtlich der Wartungsfreiheit von Schließringbolzenverbindungen aus mechanischer und korrosiver Sicht abgeleitet. In einem mehrstufigen Prüfprogramm, unterteilt nach Anwendungen im Nutzfahrzeugbau und Stahlbau, wurde nach maschinenbaulichen und stahlbaulichen Konzepten die mechanische Leistungsfähigkeit der Verbindungen untersucht. Die Forschungsergebnisse aus diesem Programm und der Test neu entwickelter Beschichtungssysteme für die Bolzen und die Schließringe bestätigten die Eingangsthese über die Wartungsfreiheit. Metallografische Analysen und FEM Rechnungen ergänzen die Arbeit. Sie ist in sechs Abschnitte unterteilt und enthält 135 Abbildungen, 25 Tabellen, 3 Anlagen. Es wurden 118 Literaturquellen berücksichtigt. Mit der Arbeit steht dem Ingenieur ein umfangreiches Auskunftsmaterial zum Vergleich von Schließringbolzenverbindungen mit anderen Fügeverfahren, besonders jedoch zur Verschraubung zur Verfügung. Die durchgeführten Untersuchungen und Aussagen sollten in zukünftiger Forschung zu einem ganzheitlichen Konzept für die rechnerische Auslegung und Dimensionierung von Schließringbolzenverbindungen nach dem Vorbild der VDI 2230 und der EN 1993 weitergeführt werden.

Die Auswahl einer zweckmäßigen Verbindungstechnik hat großen Einfluss auf die Kosten für die Herstellung und Wartung von Gütern. Das mechanische Verbinden von Bauteilen mit Schließringbolzen gehört zum umformtechnischen Fügen. Damit werden kostengünstig unlösbare und mechanisch hoch beanspruchbare, punktförmige Verbindungen erzeugt. Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, in umfassender Form den Nachweis zu erbringen, dass mit Schließringbolzensystemen ohne Sollbruchstelle wartungsfreie Verbindungen hergestellt werden können. Diese Wartungsfreiheit bezieht sich auf den Erhalt der mechanischen Eigenschaften der Verbindung und des Korrosionsschutzes bis zur beabsichtigten Grenznutzungsdauer. Aus einer Analyse des Standes der Technik wurde der Forschungsbedarf hinsichtlich der Wartungsfreiheit von Schließringbolzenverbindungen aus mechanischer und korrosiver Sicht abgeleitet. In einem mehrstufigen Prüfprogramm, unterteilt nach Anwendungen im Nutzfahrzeugbau und Stahlbau, wurde nach maschinenbaulichen und stahlbaulichen Konzepten die mechanische Leistungsfähigkeit der Verbindungen untersucht. Die Forschungsergebnisse aus diesem Programm und der Test neu entwickelter Beschichtungssysteme für die Bolzen und die Schließringe bestätigten die Eingangsthese über die Wartungsfreiheit. Metallografische Analysen und FEM Rechnungen ergänzen die Arbeit. Sie ist in sechs Abschnitte unterteilt und enthält 135 Abbildungen, 25 Tabellen, 3 Anlagen. Es wurden 118 Literaturquellen berücksichtigt. Mit der Arbeit steht dem Ingenieur ein umfangreiches Auskunftsmaterial zum Vergleich von Schließringbolzenverbindungen mit anderen Fügeverfahren, besonders jedoch zur Verschraubung zur Verfügung. Die durchgeführten Untersuchungen und Aussagen sollten in zukünftiger Forschung zu einem ganzheitlichen Konzept für die rechnerische Auslegung und Dimensionierung von Schließringbolzenverbindungen nach dem Vorbild der VDI 2230 und der EN 1993 weitergeführt werden.