Projektbeschreibung: Ziel der Forschungsarbeiten ist ein neues Forschungsfeld zur Anwendung von Holz und Holzwerkstoffen im Kranbau zu eröffnen und zu gestalten. Damit sollen die wissenschaftlichen Grundlagen gelegt werden, um Krananlagen und deren Komponenten in Holzbauweise technisch sinnvoll und sicher zu gestalten sowie Krane wirtschaftlich, ökologisch und technisch vorteilhaft im Vergleich zu aktuell bestehenden Bauweisen auszuführen. Das Projekt wird als Machbarkeitsstudie durchgeführt. Die wissenschaftliche und technische Bedeutung des Vorhabens ist durch die Eröffnung eines neuen Forschungsfeldes mit stark technischem, praxisorientiertem Fokus gekennzeichnet. Es resultieren dadurch vielfältige sowohl grundlegende als auch anwendungsbezogene Fragestellung die einer wissenschaftlichen Klärung bedürfen. Krane sind Hightech Anlagen und Schnittstelle vieler technischer Wirkungsketten. Einzelne, konkurrenzfähige Anwendungsfälle mit Pilotstatus haben Strahlkraft innerhalb der Branche und darüber hinaus. In Summe müssen aktuell marktfähige, technische Lösungen und Holzbauweisen entwickelt werden, die bisher nicht existieren. Für den Kranbau und seine Marktakteure bietet sich die Möglichkeit Krane aus natürlichen, ökologischen Faserverbunden einzusetzen und sich damit als innovative, zukunftsorientierte Schlüsselbranche zu präsentieren. Projektergebnisse: Es wurde eine Recherche zu normbasierten Kranarten und möglichen Ausführungen durchgeführt. Bei der Suche nach aktuellen Umsetzungen von Kranen jeglicher Art unter Einbindung von Holzwerkstoffen wurde die Ausführung der Kranbahn sowie einer Kranbrücke aus Vollholzwerkstoff aufgedeckt. Die Kranbrücke wurde aufgrund unzureichender Informationen aus Veröffentlichungen intensiver anhand der Informationen und Abbildungen untersucht, sowie ein bestehendes Gebrauchsmuster analysiert. In der Schnittstellenanalyse wurden relevante Normen für spezifische Anwendungsfälle zusammengetragen. Aus den Ergebnissen der Grundlagen und Recherche wurden die notwendigen Nachweise sowohl aus dem Kran- wie auch aus dem Holzbau verglichen und zusammengeführt. So ergeben sich die notwendige Auslegung auf Lebensdauer, sowie die Auslegung für einfache und dauerhafte Beanspruchungen unter der Belastungsart der Biegung. Für die Kranarten wurden Bewertungskriterien und eine Bewertungsmatrix erstellt, mit deren Ergebnis das Substitutionspotential der Kranarten ermittelt werden konnte. Das höchste Substitutionspotential wiesen Brücken- und Portalkrane auf, sodass mit diesen detailliertere Berechnungen und Auslegungen durchgeführt wurden. Durch das Aufstellen von Aspektverhältnissen (Höhe-Breitenverhältnis bei gleicher Spannweite und Durchbiegung) konnten sowohl der notwendige Bauraum, wie auch das Gewicht der einzelnen Variationen theoretisch ermittelt und untereinander verglichen werden. Auf Grundlage der erarbeiteten Erkenntnisse wurde ein Pflichtenheft erarbeitet. Auf dessen Basis wurde eine vorteilhafte Bauweise auf der Grundlage eines Kastenprofils erarbeitet. Dieses vereint den Leichtbau bei geringer Durchbiegung. Der monetäre Vergleich zeigt, dass Holz- und Metallbauweise etwa auf dem gleichen Niveau liegen. Eine Ausführung von Kranen in Holzbauweise wäre somit aus Sicht der Belastung des Gewichtes und aus finanziellen Aspekten vielversprechend.:Projektdaten/ Projekt data Projektbeschreibung Projektergebnisse Project objective Project results Inhaltsverzeichnis 1 Kurzbericht 1.1 Aufgabenstellung 1.2 Planung und Ablauf des Vorhabens 1.3 Resümee der wesentlichen Ergebnisse 1.3.1 Arbeitspakete und Meilensteine 1.3.2 Zusammenfassung 1.3.3 Ausblick 2 Ausführliche Darstellung der Ergebnisse 2.1 Erzielte Ergebnisse 2.1.1 Arbeitspaket 1: Grundlagen 2.1.2 Arbeitspaket 1.1: Recherche 2.1.2.1 Brückenkran 2.1.2.2 Portalkran 2.1.2.3 Kabelkrane 2.1.2.4 Drehkran 2.1.2.5 Fahrzeugkran 2.1.2.6 Stand der Technik 2.1.3 Abgrenzung zur aktuellen Lösung in Holzbauweise, kritische Würdigung 2.1.4 Arbeitspaket 1.2: Schnittstellenanalyse 2.1.5 Arbeitspaket 1.3: Bewertungskriterien 2.1.6 Arbeitspaket 1.4: Konstruktive Analyse 2.1.7 Arbeitspaket 1.5: Substitutionspotentialanalyse 2.1.8 Arbeitspaket 1.6: Wesentliche Offene Fragen für das Forschungsfeld (Auswahl) 2.1.9 Meilenstein I: Pflichtenheft 2.1.10 Arbeitspaket 2: Synthese 2.1.11 Arbeitspaket 2.1: Berechnung 2.1.11.1 Normkonformität 2.1.11.2 CE-Konformität 2.1.11.3 Evaluation einer holzspezifischen Leichtbauausführung 2.1.12 Arbeitspaket 2.2: Material 2.1.12.1 Materialkennwerte 2.1.12.2 Versagensmechanismen 2.1.13 Arbeitspaket 2.3: Target Costing (Variantenvergleich) 2.1.13.1 Konstruktionsvarianten 2.1.13.2 Untersuchung vorteilhafter Profilbauweisen 2.1.14 Baukastensystem 2.1.15 Projektergebnisse bezogen auf die Kernfragen der Machbarkeitsstudie 2.1.16 Frage 1: Wie ist Holz grundsätzlich technisch und wirtschaftlich vorteilhaft im Kranbau einsetzbar? 2.1.17 Frage 2: Welche Kranarten sind prinzipiell realisierbar? 2.1.18 Frage 3: Welche konkreten Schritte sind für die Umsetzung der Holzbauweisen nötig? 2.2 Erfindungen/Schutzrechtsanmeldungen 2.3 Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende 2.4 Wissenschaftliche und/oder technische Erfolgsaussichten nach Projektende 2.5 Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit 3 Erkenntnisse von Dritten 4 Veröffentlichungen 5 Quellen / Project objective: The aim of the research work is to open up and design a new research field for the use of wood and wood-based materials in crane construction. This is intended to lay the scientific foundations for designing crane systems and their components in timber construction in a technically sensible and safe manner, for making cranes economical, ecological and technically advantageous in comparison to current construction methods. The project is carried out as a feasibility study. The scientific and technical importance of the project is characterized by the opening of a new research field with a strong technical, practice oriented focus. This results in a variety of both fundamental and application related questions that require scientific clarification. Cranes are high-tech systems and interfaces to many technical functional chains. Individual, competitive use cases with pilot status have an impact within the industry and beyond. All in all, currently marketable, technical solutions and timber construction methods have to be developed which do not exist so far. Crane construction and its market players have the opportunity to use cranes made from natural, ecological fiber composites and thus present themselves as an innovative, future-oriented key industry. Project results: Research was carried out on standard based crane types and possible designs. In search for current implementations of cranes of all kinds using wood materials, the design of the crane runway and a crane bridge made of solid wood material was discovered. Because of insufficient information from publications, the crane bridge was examined more intensively using the information and illustrations and an existing utility model was analyzed. Relevant standards for specific applications were compiled in the interface analysis. From the results of the fundamentals and research, the necessary proofs from both the crane and the wood construction were compared and brought together. This results in the necessary design for service life, as well as the design for simple and permanent stresses under the type of stress caused by bending. Evaluation criteria and an evaluation matrix were created for the crane types, with the result of which the substitution potential of the crane types could be determined. Bridge and gantry cranes had the highest substitution potential, so more intensive calculations and designs were carried out with them. By setting up aspect ratios (height-width ratio with the same span and deflection), both the necessary installation space and the weight of the individual variations could be determined theoretically and compared with each other. On the basis of the knowledge gained, a specification was drawn up. According to this, an advantageous construction based on a box profile was developed. This combines lightweight construction with low deflection. A monetary comparison shows that the bridge made of wood-based materials is roughly on the same level as the steel bridge. A design of cranes in timber construction would therefore be promising from the point of view of the weight load and from financial aspects.:Projektdaten/ Projekt data Projektbeschreibung Projektergebnisse Project objective Project results Inhaltsverzeichnis 1 Kurzbericht 1.1 Aufgabenstellung 1.2 Planung und Ablauf des Vorhabens 1.3 Resümee der wesentlichen Ergebnisse 1.3.1 Arbeitspakete und Meilensteine 1.3.2 Zusammenfassung 1.3.3 Ausblick 2 Ausführliche Darstellung der Ergebnisse 2.1 Erzielte Ergebnisse 2.1.1 Arbeitspaket 1: Grundlagen 2.1.2 Arbeitspaket 1.1: Recherche 2.1.2.1 Brückenkran 2.1.2.2 Portalkran 2.1.2.3 Kabelkrane 2.1.2.4 Drehkran 2.1.2.5 Fahrzeugkran 2.1.2.6 Stand der Technik 2.1.3 Abgrenzung zur aktuellen Lösung in Holzbauweise, kritische Würdigung 2.1.4 Arbeitspaket 1.2: Schnittstellenanalyse 2.1.5 Arbeitspaket 1.3: Bewertungskriterien 2.1.6 Arbeitspaket 1.4: Konstruktive Analyse 2.1.7 Arbeitspaket 1.5: Substitutionspotentialanalyse 2.1.8 Arbeitspaket 1.6: Wesentliche Offene Fragen für das Forschungsfeld (Auswahl) 2.1.9 Meilenstein I: Pflichtenheft 2.1.10 Arbeitspaket 2: Synthese 2.1.11 Arbeitspaket 2.1: Berechnung 2.1.11.1 Normkonformität 2.1.11.2 CE-Konformität 2.1.11.3 Evaluation einer holzspezifischen Leichtbauausführung 2.1.12 Arbeitspaket 2.2: Material 2.1.12.1 Materialkennwerte 2.1.12.2 Versagensmechanismen 2.1.13 Arbeitspaket 2.3: Target Costing (Variantenvergleich) 2.1.13.1 Konstruktionsvarianten 2.1.13.2 Untersuchung vorteilhafter Profilbauweisen 2.1.14 Baukastensystem 2.1.15 Projektergebnisse bezogen auf die Kernfragen der Machbarkeitsstudie 2.1.16 Frage 1: Wie ist Holz grundsätzlich technisch und wirtschaftlich vorteilhaft im Kranbau einsetzbar? 2.1.17 Frage 2: Welche Kranarten sind prinzipiell realisierbar? 2.1.18 Frage 3: Welche konkreten Schritte sind für die Umsetzung der Holzbauweisen nötig? 2.2 Erfindungen/Schutzrechtsanmeldungen 2.3 Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende 2.4 Wissenschaftliche und/oder technische Erfolgsaussichten nach Projektende 2.5 Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit 3 Erkenntnisse von Dritten 4 Veröffentlichungen 5 Quellen

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.

Es wird ein einfacher Berechnungsansatz für ein Baukastensystem aus Kastenprofilen verschiedener Querschnittsabmessungen erarbeitet. Diese Profile bestehen aus WVC (Wood Veneer Composites, Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen). Der Ansatz bildet den statischen Lastfall und das Ermüdungsverhalten unter schwellende Dreipunktbiegung ab. Am Beispiel eines ausgewählten Strukturbauteils aus handelsüblichen Birkensperrholz wird der Berechnungsansatz konkretisiert und durch Versuche evaluiert. Aufbauend auf dem Kraft-Verformungsverhalten der analysierten Einzelbauteile und der kapillarporösen Struktur des Holzes wird bei dem Berechnungsansatz auf eine Analyse der Spannungen verzichtet. Stattdessen wird als Berechnungskriterium die kritische Normaldehnung in der Randfaser der Strukturbauteile genutzt. Weiterhin wird eine Methode vorgestellt um mittels niederzyklischen Ermüdungsversuchs (LCF, ca. 1e+03 Lastwechsel) den „Knickpunkt“ der Zeitfestigkeitslinie eines einstufigen Ermüdungsversuchs bei hohen Lastspielzahlen (HCF, 1e+06 bis 1e+07 Lastwechsel) für diese Strukturbauteile zu bestimmen. / It was developed a simple approach for the calculation of a modular construction system for box sections (profile structures) of different cross-sectional dimensions. These profile structures consists of WVC (Wood Veneer Composites). The approach maps the static load case and the fatigue behavior under pulsating three-point bending. By using a structural component made from commercial birch plywood, the calculation approach is specified and verified. Based on the force-deformation behavior of the analyzed single components in connection with the capillary-porous structure of the wood, the calculation approach dispense on an analysis of the tensions. Instead, a criterion, which calculates the critical normal strain in the outer fibers of the structural components, is used. Furthermore, a method of a low-cycle fatigue test (LCF, abbr. 1e+03 cycles) is presented. This method detects the “knee point" of the fatigue limit line for the profiles. That point is usually determined by the use of a high-cycle fatigue tests (HCF, 1e+06 until 1e+07 cycles).

In dieser Arbeit werden Berechnungsvorschriften für Insertverbindungen in Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen (WVC) mit dem Ziel erstellt, diese zur Auslegung und Nachweisführung in Anwendungen des Maschinenbaus zu verwenden. Nach Definition eines entsprechenden Anforderungsprofils erfolgt eine umfangreiche Darstellung des Standes der Technik. Dabei wird speziell auf die rechnerische Nachweisführung von Verbindungen im Bauwesen eingegangen, schwerpunktmäßig durch die im Eurocode 5 (DIN EN 1995) definierten Modelle für stiftförmige Verbindungsmittel. Im zweiten, praktischen Teil der Arbeit erfolgt die Durchführung und Auswertung umfangreicher Versuche. Dabei werden in einem ersten Schritt wesentliche Materialkennwerte der verwendeten Holzwerkstoffe bestimmt. Die zweite Gruppe der experimentellen Untersuchungen hat das Trag- und Verformungsverhalten vollständiger Insertverbindungen zum Inhalt. Dabei werden die unter statischen Aspekten wichtigen Einflussparameter auf die Tragfähigkeit bei Belastungen in Richtung sowie quer zur Stiftachse bestimmt und geometrische Vorzugsparameter ermittelt. Unter deren Zugrundelegung erfolgt eine Ausweitung der experimentellen Untersuchungen auf dynamische Lastfälle durch eine Ableitung von Wöhlerlinien bei Zugschwellbelastung. Auf Grundlage der durchgeführten Versuche werden Modelle zur Berechnung von Insertverbindungen nach den Methoden des Ingenieurholzbaus abgeleitet. Deren Anwendbarkeit wird an einem konkreten Beispiel in Form einer Transportrollenbahn für die Verwendung in der technischen Intralogistik demonstriert. / In this work, calculation fundamentals for insert fastenings in wood veneer composites (WVC) are developed with the aim to use them for the dimensioning and verification in mechanical engineering applications. After defining the functional requirements there is a comprehensive description of the best demonstrated available technology. The arithmetical verifications of connections used in civil engineering are thereby specifically addressed with the main focus on defined models for dowel type fasteners within Eurocode 5 (EN 1995). In the second part of the work comprehensive technical tests are implemented and evaluated. At first essential material properties of the used wood materials are determined. The following experiments contain the load bearing and deformation behavior of complete insert connections. The determination of important influencing parameters of the statical strength under axial and traverse loads is thereby involved, followed by an extension on dynamic load cases by a derivative of Woehler curves (stress - cycle diagram). Based on these experiments are models derived to provide calculation fundamentals to dimension insert connections. The practical applicability of the developed specifications is shown by dimensioning the connections of a roller conveyor made of WVC (technical logistics).

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.

Es wird ein einfacher Berechnungsansatz für ein Baukastensystem aus Kastenprofilen verschiedener Querschnittsabmessungen erarbeitet. Diese Profile bestehen aus WVC (Wood Veneer Composites, Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen). Der Ansatz bildet den statischen Lastfall und das Ermüdungsverhalten unter schwellende Dreipunktbiegung ab. Am Beispiel eines ausgewählten Strukturbauteils aus handelsüblichen Birkensperrholz wird der Berechnungsansatz konkretisiert und durch Versuche evaluiert. Aufbauend auf dem Kraft-Verformungsverhalten der analysierten Einzelbauteile und der kapillarporösen Struktur des Holzes wird bei dem Berechnungsansatz auf eine Analyse der Spannungen verzichtet. Stattdessen wird als Berechnungskriterium die kritische Normaldehnung in der Randfaser der Strukturbauteile genutzt. Weiterhin wird eine Methode vorgestellt um mittels niederzyklischen Ermüdungsversuchs (LCF, ca. 1e+03 Lastwechsel) den „Knickpunkt“ der Zeitfestigkeitslinie eines einstufigen Ermüdungsversuchs bei hohen Lastspielzahlen (HCF, 1e+06 bis 1e+07 Lastwechsel) für diese Strukturbauteile zu bestimmen. / It was developed a simple approach for the calculation of a modular construction system for box sections (profile structures) of different cross-sectional dimensions. These profile structures consists of WVC (Wood Veneer Composites). The approach maps the static load case and the fatigue behavior under pulsating three-point bending. By using a structural component made from commercial birch plywood, the calculation approach is specified and verified. Based on the force-deformation behavior of the analyzed single components in connection with the capillary-porous structure of the wood, the calculation approach dispense on an analysis of the tensions. Instead, a criterion, which calculates the critical normal strain in the outer fibers of the structural components, is used. Furthermore, a method of a low-cycle fatigue test (LCF, abbr. 1e+03 cycles) is presented. This method detects the “knee point" of the fatigue limit line for the profiles. That point is usually determined by the use of a high-cycle fatigue tests (HCF, 1e+06 until 1e+07 cycles).

In dieser Arbeit werden Berechnungsvorschriften für Insertverbindungen in Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen (WVC) mit dem Ziel erstellt, diese zur Auslegung und Nachweisführung in Anwendungen des Maschinenbaus zu verwenden. Nach Definition eines entsprechenden Anforderungsprofils erfolgt eine umfangreiche Darstellung des Standes der Technik. Dabei wird speziell auf die rechnerische Nachweisführung von Verbindungen im Bauwesen eingegangen, schwerpunktmäßig durch die im Eurocode 5 (DIN EN 1995) definierten Modelle für stiftförmige Verbindungsmittel. Im zweiten, praktischen Teil der Arbeit erfolgt die Durchführung und Auswertung umfangreicher Versuche. Dabei werden in einem ersten Schritt wesentliche Materialkennwerte der verwendeten Holzwerkstoffe bestimmt. Die zweite Gruppe der experimentellen Untersuchungen hat das Trag- und Verformungsverhalten vollständiger Insertverbindungen zum Inhalt. Dabei werden die unter statischen Aspekten wichtigen Einflussparameter auf die Tragfähigkeit bei Belastungen in Richtung sowie quer zur Stiftachse bestimmt und geometrische Vorzugsparameter ermittelt. Unter deren Zugrundelegung erfolgt eine Ausweitung der experimentellen Untersuchungen auf dynamische Lastfälle durch eine Ableitung von Wöhlerlinien bei Zugschwellbelastung. Auf Grundlage der durchgeführten Versuche werden Modelle zur Berechnung von Insertverbindungen nach den Methoden des Ingenieurholzbaus abgeleitet. Deren Anwendbarkeit wird an einem konkreten Beispiel in Form einer Transportrollenbahn für die Verwendung in der technischen Intralogistik demonstriert. / In this work, calculation fundamentals for insert fastenings in wood veneer composites (WVC) are developed with the aim to use them for the dimensioning and verification in mechanical engineering applications. After defining the functional requirements there is a comprehensive description of the best demonstrated available technology. The arithmetical verifications of connections used in civil engineering are thereby specifically addressed with the main focus on defined models for dowel type fasteners within Eurocode 5 (EN 1995). In the second part of the work comprehensive technical tests are implemented and evaluated. At first essential material properties of the used wood materials are determined. The following experiments contain the load bearing and deformation behavior of complete insert connections. The determination of important influencing parameters of the statical strength under axial and traverse loads is thereby involved, followed by an extension on dynamic load cases by a derivative of Woehler curves (stress - cycle diagram). Based on these experiments are models derived to provide calculation fundamentals to dimension insert connections. The practical applicability of the developed specifications is shown by dimensioning the connections of a roller conveyor made of WVC (technical logistics).

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