Das 1K- und das 2K-Spritzgießverfahren dienen zur Herstellung thermoplastischer Sandwichstrukturen, deren Deck- und Kernschicht aus einer kurzglasfaserverstärkten Polypropylen-Folie sowie entweder kompaktem oder geschäumtem Polypropylen besteht. Zudem erfolgt die Herstellung der Schäume durch das CELLMOULD®-Verfahren mit einem physikalischen Treibmittel. Eine geeignete kurzfaserverstärkte PP-Folie wird aufgrund ihrer mikroskopischen, rheologischen und mechanischen Eigenschaften ausgewählt. Beim Schaumspritzgießen ermittelt die Drei-Wege-ANOVA den Einfluss der Werkzeugtemperatur, der Eingasungsmenge und der Einspritzgeschwindigkeit auf die Dichte sowie die Zelldichte und die Zellgröße der eingespritzten Schäume. Funktional gradierte Sandwichstrukturen lassen sich durch die Mikrostruktur-untersuchung evaluieren. Die mechanischen und spezifischen mechanischen Eigenschaften der eingespritzten Proben werden in der Arbeit durch die Biegeprüfung bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich faserverstärkte konventionelle PP-Folien mit 30 Gew.-% am besten für die Deckschichten eignen. Beim Schaumspritzgießen beeinflusst lediglich die Werkzeugtemperatur die Zelldichte und die Zellgröße. Funktional gradiertes Material ergibt sich bei der Sandwichstruktur, die durch 1K-Spritzgießen hergestellt wird. Aufgrund des Vorhandenseins einer geschäumten Lage, kompakter Lagen und kurzglasfaserverstärkter Lagen findet die Gradierung sich von der Mitte bis zu den Rändern der Proben statt. Das Vorhandensein von Schaumstrukturen verringert den Biegemodul und die Biegefestigkeit. Die Biegedehnung bei maximaler Biegespannung nimmt signifikant mit den vorhandenen Glasfasern ab. Die Sandwichstrukturen führen lediglich zur Erhöhung des Biegemoduls und der Biegefestigkeit gegenüber kompaktem und geschäumtem PP. Die Biegedehnung bei maximaler Biegespannung verhält sich bei den Sandwichstrukturen umgekehrt zum Biegemodul und der Biegefestigkeit. Beim Vergleich mittels unterschiedlicher Spritzgießverfahren produzierter Sandwichstrukturen haben die durch das 1K-Spritzgießverfahren hergestellten Proben einen niedrigeren Biegemodul und eine geringere Biegefestigkeit als die durch das 2K-Spritzgießverfahren produzierten. Jedoch zeigen die Sandwichstrukturen aus dem 1K-Spritzgießverfahren mit geschäumtem Kern den höheren spezifischen Biegemodul und die höhere spezifische Biegefestigkeit in Y-Richtung im Vergleich zu jenen aus dem 2K-Spritzgießverfahren. Außerdem weisen die verschiedenen Versagensarten der Sandwichstrukturen bei der Biegeprüfung und der Bestimmung der interlaminaren Scherfestigkeit keine Delamination zwischen Deck- und Kernschicht auf. Bei der Berechnung durch den modifizierten Gonzales-Ansatz und die Paralleltheorie zeigt sich, dass der E-Modul der Schäume und der Sandwichstrukturen fast identisch mit jenem aus den Experimenten ist. Allerdings ist die Berechnung der faserverstärkten Proben nicht möglich, daher wird der E-Modul aus den Experimenten verwendet, um die Durchbiegung im Rahmen einer Balkentheorie zu bestimmen. Die nahezu identische Durchbiegung aus dem Experiment und der Berechnung lässt sich auch durch die Euler-Bernoulli-Balkentheorie nachweisen. Die Arbeit zeigt auf, dass die Sprünge in der Steifigkeit und Festigkeit in jeder Lage von 1K-und 2K-spritzgegossenen Sandwichstrukturen abnehmen. Auf diese Weise lässt sich die Vermeidung der Delamination zwischen Deck- und Kernschicht erreichen. Die Dichte und die Materialmenge der Sandwichstrukturen reduzieren sich ohne signifikante Abnahme des spezifischen Biegemoduls und der spezifischen Biegefestigkeit. Mit der Verwendung von mechanischen Eigenschaften von Teilkomponenten der Sandwich-struktur können die Biegeeigenschaften der gradierten Sandwich-strukturen durch eine Berechnung vorausgesagt werden.:1 Einführung 2 Stand der Technik 3 Motivation und Ziel 4 Versuchsdurchführung 5 Ergebnisse und Diskussion 6 Zusammenfassung und Ausblick / The 1-component and 2-component injection moulding processes are employed to produce thermoplastic sandwich structures of which the skin and core layers comprise a short glass fibre-reinforced polypropylene film and either compact or foamed polypropylene, respectively. In addition, the foams are produced using the CELLMOULD® process with a physical blowing agent. A suitable short fibre reinforced PP film is selected on the basis of its microscopic, rheological and mechanical properties. In foam injection moulding, the three-way ANOVA determines the influence of the mould temperature, gas content and injection speed on the density as well as the cell density and cell size of the injected foams. Functionally graded sandwich structures can be proven by using the microstructure investigation. The mechanical properties and specific mechanical properties of the injected samples are determined by the three-point bending test. The results show that fibre-reinforced conventional PP films with 30 wt% are the most suitable for the skin layers. In the case of foam injection moulding, only the mould temperature influences the cell density and cell size of the injected foams. Functionally graded material results from the sandwich structure, which is produced by 1-component injection moulding process, because a foamed layer, compact layers and short glass fibres reinforced layers occur from the middle to the edges of these samples. The presence of foam structures reduces the flexural modulus and the flexural strength. The bending elongation at maximum bending stress decreases significantly with the existing glass fibres. The sandwich structures only increase the flexural modulus and the flexural strength compared to compact and foamed PP. The bending elongation at maximum bending stress behaves in the opposite way in the sandwich structures compared to the flexural module and the flexural strength. When comparing sandwich structures produced using different injection moulding processes, the sandwich structures produced by the 1-component injection moulding process have a lower flexural modulus and a lower flexural strength than those produced by the 2-component injection moulding process. However, the sandwich structures with foamed core from the 1-component injection moulding process show the higher specific flexural modulus and the higher specific flexural strength in Y-direction compared to those in the same direction from the 2-component injection moulding process. In addition, the various types of failure of the sandwich structures during the bending test and the determination of the interlaminar shear strength provide no delamination between the skin and core layers. The calculation suggests that the modulus of elasticity of the foams and the sandwich structures, calculated by the modified Gonzales approach and the parallel theory, respectively, is almost identical to that from the experiments. Nevertheless, the calculation of the fibres-reinforced samples cannot be achieved, hence, the modulus of elasticity of the fibres-reinforced samples from the experiments is used to determine the deflection based on a beam theory. The almost identical deflection from the experiment and the calculation can also be demonstrated by the Euler-Bernoulli beam theory.The work shows that the significant change in rigidity and strength decrease in each layer of 1-component and 2-component injection moulded sandwich structures. Thus, the avoidance of delamination between the skin and core layers can be achieved. The density and the amount of material in the sandwich structures are reduced without a significant decrease in the specific flexural modulus and the specific flexural strength. With the use of mechanical properties of subcomponents of the sandwich structure, the bending properties of the graded sandwich structures can be predicted by a calculation.:1 Einführung 2 Stand der Technik 3 Motivation und Ziel 4 Versuchsdurchführung 5 Ergebnisse und Diskussion 6 Zusammenfassung und Ausblick

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