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.

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.

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.

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