Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut de structures IS (Laboratoire de construction en bois IBOIS)

Zur Berechnung von Holzschalen in Brettrippenbauweise mit elastischem Verbundquerschnitt

Pirazzi, Claudio ; Natterer, Julius K. (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3229.

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    Summary
    The design of timber rip shells confronts the engineer with major uncertainties during the planning process. The consideration of the elastic compound cross section during structural analysis of curved members by means of conventional calculation methods is possible only in a restricted manner. The shear-analogy provides a seemingly useful method for calculating these structures. However it is only an approximation, particularly with regard to cross sections with high flexibility in terms of shear stress. This thesis treats the limitations of applying of the shearanalogy with regard to the calculation of straight and curved members with elastic compound cross section. The bending of timber lamellas generates initial bending stress. Due to the rheological behaviour of wood and the associated process of plastification within the microstructure of wood, the stress becomes partially reduced as a function of time (stress relaxation). Prior work provides contradictory information about the duration and intensity of this reduction. To shed light on these uncertainties, appropriate experiments have been conducted. To join timber lamellas to a multi-layered cross section, mechanical fasteners like screws, nails and bolts are used. The knowledge of the physical properties, like rigidity and resistance, are of significant importance for the verification of the ultimate limit states. Tests conducted in the past in order to evaluate theoretical models and to determine empirical values refer generally to connections, which differ clearly from the multi-layered connection treated here concerning the deformation and failure mechanisms. Experiments carried out provide estimation in how far the existing values can be applied to structural analysis of the present case. The theoretical model according to Johansen was adapted in an appropriate manner. The aim of the work presented here is to contribute to the clarification of several problems related to the design of spatial timber structures with elastic compound cross section. The results provide further confidence to engineers for planning and realising these challenging lightweight structures.
    Résumé
    La planification des structures spatiales en planches lamellées vissées est liée à de fortes incertitudes. La prise en considération de la liaison semi-rigide des structures courbes lors du calcul statique n'est possible, avec des solutions conventionnelles, que de manière restreinte. L'analogie de l'effort tranchant est un modèle avec lequel le calcul de telles structures semble possible. Par contre, il s'agit d'une approximation dont la précision est encore à vérifier, notamment pour des sections composées de plus de trois éléments dont la rigidité à l'effort tranchant est faible. Au cours de cette thèse, les limites de l'application de l'analogie de l'effort tranchant aux poutres droites et courbes avec des sections semi-rigides seront examinées et discutées. Pendant la construction des coques nervurées, la courbure des lamelles en bois crée des contraintes de flexion. À cause du comportement rhéologique du matériau, des processus plastiques dans la microstructure du bois réduisent ces contraintes initiales au cours du temps. La littérature donne des références contradictoires sur l'intensité et les paramètres de ce phénomène. Une clarification de cette incertitude est attendue par une série d'essais. Pour lier les lamelles en bois, des moyens d'assemblage de type tiges, comme des vis à bois, sont utilisés. La connaissance des propriétés physiques de ceux-ci, comme la rigidité et la résistance est une donnée importante pour la vérification des états ultimes. Dans le passé, beaucoup d'essais ont été effectués pour évaluer des modèles théoriques et déterminer des valeurs de glissement caractéristiques. Ces essais se réfèrent à des assemblages qui ont un comportement différent, dans leur déplacement et dans leur mode de rupture, de celui des sections multicouches étudiées. Des essais appropriés doivent permettre de déterminer si ces valeurs sont applicables à un calcul statique. Le modèle théorique de Johansen pour la détermination de la résistance ultime est à modifier. Le but du présent travail est de contribuer à la clarification de ces importantes incertitudes dans la planification des structures nervurées en planches vissées, ouvrant ainsi la voie à une utilisation accrue du matériau bois dans la réalisation de ce type d'ouvrage.
    Zusammenfassung
    Bei der Konzeption von Flächentragwerken in Brettrippenbauweise sieht sich der Tragwerksplaner massiven Planungsunsicherheiten gegenüber gestellt. Die Berücksichtigung des nachgiebigen Verbundes bei der statischen Berechnung dieser gekrümmten Strukturen ist mit konventionellen Lösungsansätzen nur sehr bedingt möglich. Mit dem Schubanalogieverfahren existiert ein Modell, mit welchem die Berechnung solcher Strukturen möglich scheint. Allerdings handelt es sich auch hier, insbesondere bei schubweichen Querschnitten aus mehr als drei Einzelteilen, um eine Näherung, die es im Einzelnen noch zu quantifizieren gilt. Im Verlauf dieser Arbeit sollen Grenzen für die Anwendung des Schubanalogieverfahrens auf gerade und gekrümmte Träger mit elastischem Verbundquerschnitt untersucht und diskutiert werden. Bei der Konstruktion von Rippenschalen aus Holz werden infolge des Krümmens der Brettlamellen Eigenspannungszustände hervorgerufen. Durch das rheologische Verhalten des Werkstoffes kommt es mit der Zeit zu einem teilweisen Abbau dieser Initialspannungen infolge plastischer Vorgänge in der Mikrostruktur des Holzes (Spannungsrelaxation). Die Literatur zu diesem Thema liefert zum Teil widersprüchliche Aussagen über die Intensität und die Einflussparameter dieses Vorganges. Die Klärung dieser Fragen soll eine entsprechende Versuchsreihe bringen. Für das Fügen der Brettlamellen zu einem elastischen Verbundquerschnitt werden stiftförmige Verbindungsmittel wie etwa Schrauben verwendet. Die Kenntnis der physikalischen Kennwerte Steifigkeit und Tragfähigkeit des einzelnen Verbindungsmittels ist hierbei für die Bemessung der Grenzzustände von besonderer Bedeutung. Die in der Vergangenheit zur Evaluierung theoretischer Modelle und zur Ermittlung empirischer Rechenwerte durchgeführten Versuche beziehen sich in der Regel auf Verbindungen, die in ihrem Verschiebungs- und Versagensverhalten nur sehr bedingt mit dem hier vorliegenden, mehrlagig geschichteten Verbundquerschnitt übereinstimmen. Eine Abschätzung, inwieweit die Rechenwerte dennoch bei der statischen Berechnung angesetzt werden können, sollen Abscherversuche an dieser Verbindung bringen. Das theoretische Traglastmodell nach Johansen zur Bestimmung der Verbindungstragfähigkeit wird entsprechend modifiziert. Ziel dieser Arbeit ist es, zur Klärung dieser Problemstellungen beizutragen, um bei der Realisierung solch anspruchsvoller Tragwerke in Holz wichtige Planungssicherheit zu schaffen.