Analyse und Modellierung der Zusammenhänge zwischen der Tragfähigkeit und den Gewindeparametern von Holzschrauben durch die Entwicklung von Analysetechniken = Analysis and Modeling of the Relations between Load-Bearing Capacity and Thread Parameters of Wood Screw Connections through the Development of Analysis Techniques
Creators: name: Hölz, Kevin Sven
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Holzschrauben
Gestaltung
Gewindeparameter

description: In der Gestaltung ist die zentrale Aufgabe, ein Produkt so zu gestalten, dass es die geforderten Funktionen erfüllt. Eine besondere Herausforderung stellen hierbei Bauteilverbindungen dar und hier insbesondere die Holzschraubverbindungen. Bei diesen kann im Gewindekontakt zwischen Schraube und Holz nur die Gestalt der Schraube verändert werden, um die Funktion zu erfüllen. Für die Auslegung der Holzschraubverbindung ist die Tragfähigkeit wesentlich und daher eine Entwicklungszielgröße in der Gestaltung. Die Tragfähigkeit basiert auf den Wechselwirkungen zwischen Schraubengewinde und Holz. Für die Gestaltung ist das Wissen zu den Zusammenhängen zwischen Tragfähigkeit und Gewindegestalt, welches in Modellen zu Gestalt-Funktion-Zusammenhänge gebildet wird, notwendig. Bislang fehlen jedoch sowohl dieses Wissen zu den Zusammenhängen als auch Methoden zur Ermittlung dieser Zusammenhänge. Mit diesem Wissen kann die Gestaltung von Holzschrauben hin zu einer höheren Tragfähigkeit unterstützt sowie nachgeordnet ein Beitrag zum ressourcenschonenden Bauen mit dem nachwachsenden Baustoff Holz erzielt werden. Das wissenschaftliche Ziel dieser Arbeit ist die Analyse und Modellierung der Zusammenhänge zwischen der Tragfähigkeit und den Gewindeparametern von Holzschrauben. In dieser Forschungsarbeit werden zunächst Einflussgrößen auf das Versagenverhalten im Gewindekontakt identifiziert. Dafür werden die Analysetechniken Continued Movement und Sectional Imaging entwickelt. Die Holzfaserrichtung wird als Einflussgröße auf das Versagenverhalten identifiziert und nachfolgend bei der Ermittlung des Einflusses der Gewindeparameter auf die Tragfähigkeit berücksichtigt. Dazu wird ein neuer Experimentalaufbau zum Schrauben-Testing entwickelt. Wesentlich an diesem Aufbau ist ein Gewinde-Testobjekt mit geraden Flanken, wodurch die Einflüsse der Gewindeparameter in gezielten Ebenen zur Faserrichtung untersucht werden können. Mit diesem Aufbau kann erstmals der Einfluss der Gewindesteigung nachgewiesen werden. Durch einen Algorithmus wird die Wirkung der Gewindesteigung auf das Versagen gemessen. Mit diesen Ergebnissen werden die Gestalt-Funktion-Zusammenhänge des Flankenabstands, des Steigungswinkels, der Profilhöhe und des Flankenwinkels modelliert. Zur Validierung dieser Modelle wird die korrekte Vorhersage dieser Gewindeparameter auf das Haltevermögen untersucht. Die ermittelten Zusammenhänge werden für die Synthese von optimierten Holzschraubengewinden genutzt. Zentrale Ergebnisse dieser Arbeit sind die Zusammenhänge zwischen Tragfähigkeit und Flankenabstand, Profilhöhe, Steigungswinkel sowie Flankenwinkel, wodurch die Gestaltung von Holzschrauben unterstützt wird. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist die Bereitstellung von Analysetechniken zur Analyse des Versagenverhaltens im Gewindekontakt sowie der Experimentalaufbau zum Schrauben-Testing zur Ermittlung von Gestalt-Funktion-Zusammenhängen.