Holz als Konstruktionswerkstoff: Festigkeitsberechnung am Beispiel von Fichtenholz unter Berücksichtigung der neutralen Faser bei Biegebeanspruchung

Die Nachhaltigkeit von Konstruktionswerkstoffen, insbesondere von Holz als nachwachsenden Rohstoff, gewinnt in der heutigen Forschung und Praxis zunehmend an Relevanz. Ein wichtiger Aspekt für die Schaffung von umweltfreundlichen und ressourcenschonenden Strukturen ist die Wahl von nachhaltigen Konstruktionsmaterialien. Aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften und Struktur, weist Holz als Konstruktionswerkstoff ökologische Vorteile auf und leistet einen wichtigen Beitrag zur CO2-Reduktion. [BmW21] Im Gegensatz zu traditionellen Konstruktionsmaterialien besitzt Holz ein komplexeres Materialverhalten unter Biegebelastung. Bei isotropen Materialien liegt die neutrale Faser dauerhaft im Schwerpunkt der Probe. Im Gegensatz dazu weisen anisotrope Materialien, wie es bei Vollholz der Fall ist, eine abweichende Dynamik auf. Nach Überschreitung der Proportionalitätsgrenze verlagert sich die neutrale Faser bei Vollholz in Richtung der Zugzone. Bei der Berechnung der Biegefestigkeit wird diese Verschiebung der neutralen Faser jedoch nicht berücksichtigt. Die gegenwärtigen Normen basieren auf der Annahme, dass sich die neutrale Faser oberhalb der Proportionalitätsgrenze weiterhin im Schwerpunkt der Probe befindet. Diese Annahme führt zu einem symmetrischen Spannungsverlauf in der Berechnung, der nicht den tatsächlichen Materialeigenschaften bei Biegebeanspruchungen entspricht und somit zu einer nicht realitätsgetreuen Spannungsannahme führt. In dieser Arbeit werden die Unterschiede zwischen dem 3-Punkt- und dem 4-Punkt-Biegeversuch hinsichtlich der Bestimmung des Biege-E-Moduls und der Biegefestigkeit analysiert. Dabei wird ebenso der Einfluss der Jahrringorientierung zur Lastrichtung berücksichtigt. Mithilfe der Digitalen Bildkorrelation (DIC) wird die Verschiebung der neutralen Faser visualisiert und analysiert. Die Zugrandfaserdehnungen werden sowohl mittels Dehnungsmessstreifen als auch durch die DIC erfasst. Um die maximale Dehnung beim Erreichen der Druckfestigkeit zu bestimmen, werden Druckversuche durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen der Versuchsdaten wird eine Software entwickelt, die als Berechnungsgrundlage für Vollholz bei Biegebelastung dient. Dieses Berechnungsmodell berücksichtigt die Verschiebung der neutralen Faser sowie die unterschiedlichen Zug- und Druckeigenschaften, um die Biegespannungen zu berechnen. Basierend auf dieser Grundlage wird es möglich, Konstruktionen effizienter auszulegen, insbesondere im Hinblick auf den Aspekt des Leichtbaus. Die Ergebnisse eines Berechnungsbeispieles zeigen, dass durch die Berücksichtigung der Verschiebung der neutralen Faser sowie der Zugrandfaser als maßgebendes Versagenskriterium bei der Bestimmung der Biegespannung eine bis zu 25 % geringere mechanische Ausnutzung der Festigkeit im Vergleich zu den nach DIN EN 1995-1-1 (Eurocode 5) ermittelten Bemessungswerten resultiert. Dies trägt zu einem verbesserten Verständnis des Biegeverhaltens von Vollholz bei und bildet die Grundlage für eine bedarfsgerechtere sowie materialeffizientere Auslegung von Holzkonstruktionen. [BmW21] BmWE. Bundesminesterium für Wirtschaft und Energie.Holz als CO2-Speicher. Techn. Ber. Okt. 2021. URL: https://www.dena.de/fileadmin/dena/Publikationen/PDFs/2022/Factsheet_Holz_Gebaeudeforum_Klimaneutral.pdf (besucht am 10.03.2023).