A new three-dimensional finite solid element (3D FE) model for dowel-type wood connections was developed using the concept of a beam on a nonlinear wood foundation, which addresses the intricate wood crushing behaviour under the connector in a dowel type connection. In order to implement the concept of wood foundation with solid elements, a 3D FE wood foundation model was defined within a prescribed foundation zone surrounding the dowel. Based on anisotropic plasticity material theory, the material model for the foundation zone was developed using effective foundation material constants that were defined from dowel-embedment test data. New 3D FE single nail connection models were developed that incorporated the wood foundation model. The 3D wood foundation model was justified and validated using dowel-embedment test data with a range of dowel diameters, from a 2.5-mm nail to a25.4-mm bolt. The connection models provided successful results in simulating the characteristics of load-slip behaviour that were experimentally observed. Based on the success of the single nail connection models, several applications of the3D FE connection models were investigated including statistical wood material models, bolted connection models and a multiple nail connection model. Throughout the application studies, discussion of the benefits and limitations of the new model approach using the 3D FE wood foundation are presented. Also, future areas of study are proposed in order to improve the 3D FE dowel-type wood connections models.

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