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M. Fleischmann:
"Numerische Berechnung von Holzkonstruktionen unter Verwendung eines realitätsnahen orthotropen elasto-plastischen Werkstoffmodells";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): J. Eberhardsteiner, G. Schickhofer; Institut für Mechanik der Werktstoffe und Strukturen, 2005.

Holz zählt neben Beton und Stahl zu den Massenbaustoffen im Bauwesen. Dennoch wurde das mechanische Verhalten von Holz in der Vergangenheit nicht in jenem Maße wissenschaftlich untersucht, wie man es sich erwarten würde. Um realitätsnahe Berechnungen von Holzkonstruktionen mit modernen numerischen Berechnungsverfahren, wie z.B. der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchführen zu können, benötigt man geeignete Werkstoffgesetze. Ein solches Materialmodell hat Mackenzie-Helnwein für technologisch einwandfreies,
d.h. fehlerfreies Fichtenholz entwickelt.

Ziel dieser Arbeit ist die anwendungsorientierte Umsetzung des genannten Werkstoffmodells, dessen Implementierung in eine FE-Software sowie die Durchführung von numerischen Tragfähigkeitsanalysen mit Hilfe der FEM und die Validierung des Materialmodells durch den Vergleich der Ergebnisse der FE-Simulationen mit parallel
durchgeführten Experimenten auf Strukturebene.

Das von Mackenzie-Helnwein vorgestellte orthotrope Einflächenplastizitätsmodell mit der Berücksichtigung von nicht assoziierten Ver- und Entfestigungsgesetzen basiert auf umfangreichen experimentellen Untersuchungen an fehlerfreiem Fichtenholz, welche von Eberhardsteiner durchgeführt wurden.
Unter weiteren, am Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen der TU Wien durchgeführten Arbeiten, dient die Diplomarbeit von Müllner als weitere wesentliche Grundlage für diese Arbeit.

Für eine praktische Anwendung des Werkstoffmodells von Mackenzie-Helnwein im Ingenieurholzbau waren folgende, im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Schritte, erforderlich:

- Durchführung von ergänzenden Experimenten an Holzprobekörpern mit fehlerfreiem Fichtenholz zur Bestimmung des vollständigen zweidimensionalen Satzes von orthotropen Materialparametern.

- Durchführung von Experimenten an Holzprobekörpern mit ausgewählten
Holzmerkmalen (Ästen) zur Bestimmung von Materialkennwerten realer Bretter.

- Adaptierung des Werkstoffmodells und Berücksichtigung der Versuchsergebnisse
im Materialmodell.

- Implementierung des Materialmodells in eine Finite-Elemente-Software und
Überprüfung des Programmcodes anhand von Testbeispielen.

- Durchführung von Struktursimulationen mit Hilfe der FEM von
Fichtenholzkonstruktionen und Vergleich der Ergebnisse mit korrespondierenden Experimenten.

Abgesehen von dem im Holzbau üblichen Streubereich der Materialkennwerte liefern die in dieser Arbeit durchgeführten Tragfähigkeitsprognosen befriedigende Ergebnisse.

Although wood is used as a favourite building material among concrete and steel, the mechanical behaviour was not scientifically investigated yet as one would expect. To be able to perform more realistic simulations of timber constructions with modern numerical simulation methods like the Finite Element Method (FEM), a suitable constitutive material model is required. Such a material model was developed by Mackenzie-Helnwein for clear spruce wood.

The aim of this thesis is the application-oriented adaption and usage of the mentioned material model, its implementation in a FE software as well as performing ultimate load analyses using FEM and the validation of the material model by means of the comparison of results of FE Simulations and experiments on the structure level.

The orthotropic single-surface plasticity model by Mackenzie-Helnwein regarding non-associated hardening and softening laws based on a comprehensive series of biaxial tests on clear spruce wood, performed by Eberhardsteiner. Among further works at the Institute for Mechanics of Materials and Structures at the Vienna University of Technology, the diploma thesis of MYllner is an essential basis of this work.

The practical application of the material model of Mackenzie-Helnwein in the field of timber engineering requires the following steps, performed in this work:

- Perfoming additional experiments on wooden specimens with clear spruce wood for
the determination of the full set of two dimesional orthotropic material parameters.

- Performing experiments on wooden specimens with selected knots for the
determination of the material parameters of real boards.

- Adaptation of the constitutive material model and considering the results of the
mentioned tests in the material model.

- Implementation of the material model in a Finite Element software and verification
of the program code by means of test examples.

- Performing numerical simulations of wooden structures using the FEM and comparison
of the results with those of corresponding experiments.

Except for the common scatter of material parameters in timber engineering, the results of the prediction of the ultimate load, performed in this thesis, are satisfying.

http://publik.tuwien.ac.at/files/pub-bi_3949.pdf