Empirische Modellierung der Verformung von Holzproben unter Zugbeanspruchung: Entwicklung einer sensorlosen Abschätzungsmethode im Kontext thermomechanischer Untersuchungen

Kurzfassung: „Empirische Modellierung der Verformung vonHolzproben unter Zugbeanspruchung“ Die vorliegende Masterarbeit entstand im Rahmen des Forschungsprojekts „Mechanical Propertiesof Wood for Fire Design“ und knüpft an die Fragestellung an, wie Holz sich unter Zugbeanspruchungbei erhöhten Temperaturen verhält. Geplant waren ursprünglich umfassende Versuche unterTemperaturbelastung bis 240 °C. Aufgrund praktischer Einschränkungen bei der Einspannung derPrüfkörper und dem Bedarf nach einer zuverlässigen Abschätzung der Probenverformung, auchunter thermischer Einwirkung wurde der methodische Fokus der Arbeit angepasst.Statt einer vollständigen Temperaturprüfung konzentriert sich diese Arbeit auf die Entwicklung einesempirischen Modells, das den Maschinenweg und weitere Werkstoffkennwerte (z. B. Zugfestigkeitund Holzfeuchte) nutzt, um die lokale Verschiebung ohne gesonderte Sensorik zu schätzen. Hierzuwurden rund 260 Holzproben bis zum Bruch belastet, wobei die lokalen Verschiebungen bis 8 kNmithilfe von Wegaufnehmern gemessen und diese anschließend demontiert wurden. Aus diesenDaten wurden Modelle entwickelt, die eine verlässliche Methode zur Abschätzung derProbenverlängerung zur Verfügung stellen.Die apparatbedingte Maschinenverformung ΔLApparat wurde regressionsbasiert beschrieben unddiente als Grundlage für die indirekte Abschätzung der tatsächlichen Probenverlängerung ΔLProbe.Verschiedene Regressionsmodelle wurden entwickelt und validiert. Für die Anwendung untererhöhten Temperaturen wird insbesondere das Modell für Sortierklasse S13 hervorgehoben, da allethermischen Prüfungen an S13-Proben durchgeführt wurden. Bei einer Prüfkraft von 3,1 kN erreichtedieses Modell einen mittleren Absolutfehler (MAE) von 0,0219 mm.Zusätzlich wurde ein Temperaturanpassungsfaktor eingeführt, der den unterschiedlichen Verlustvon Zugfestigkeit und E-Modul mit steigender Temperatur berücksichtigt. Die Arbeit liefert somiteinen Beitrag zur sensorlosen Abschätzung der Probenverlängerung unter standardisierten undthermisch anspruchsvollen Prüfbedingungen, die als Grundlage für zukünftige thermomechanischeUntersuchungen im Rahmen des Gesamtprojekts dienen. Abstract „Empirical Modelling of the Deformation of TimberSpecimens under Tensile Load“ This master’s thesis was carried out within the framework of the research project “MechanicalProperties of Wood for Fire Design” and addresses how timber behaves under tensile loading atelevated temperatures. Originally, extensive tests at temperatures up to 240 °C were planned.However, due to practical limitations in specimen clamping and the need for a reliable method toestimate specimen deformation even under thermal conditions, the methodological focus of the workwas adjusted.Instead of conducting a full high-temperature test series, this study focuses on developing anempirical model that uses machine displacement and material parameters (e.g., tensile strength andmoisture content) to estimate the local deformation without dedicated sensors. Around 260 timberspecimens were loaded to failure, with displacement transducers recording deformations up to 8 kNbefore being removed. Based on these measurements, models were developed that provide areliable method to estimate specimen elongation.The machine-related deformation ΔLApparat was described using regression analysis and used toindirectly determine the actual elongation of the specimens ΔLProbe. Several regression models weredeveloped and validated. For application under elevated temperatures, particular emphasis is placedon the S13 model, as all temperature-conditioned specimens belong to this sorting class. At a forcelevel of 3.1 kN, this model achieved a mean absolute error (MAE) of 0.0219 mm.In addition, a temperature adjustment factor was introduced to account for the differing reduction intensile strength and modulus of elasticity with increasing temperature. This study thus contributes asensorless method for the estimation of specimen elongation under standardized and thermallydemanding conditions – providing a basis for future thermomechanical investigations within theoverall project.