Investigations into the fatigue behaviour of connections with self-tapping timber screws
The presented work describes investigations into the fatigue behavior of connections with self-tapping timber screws. Using a selected screw with a nominal diameter of 6 mm, fundamental insights into the behavior of the fastener and different connections are obtained through experimental studies. In addition to determining S-N-curves (Wöhler curves) to quantitatively describe the behavior, the study examines whether the design of connections with inclined screws, which is beneficial under predominantly static loads, is also preferable in fatigue-relevant loading configurations. The behavior of connections with perpendicular screws is investigated in full connections as a system, while the failure mechanisms steel tensile failure and withdrawal are examined in isolation and then incorporated, along with the results of the tests with perpendicular screws, into a design concept for connections with inclined screws. The concept is based on an explicit consideration of the dominant failure modes steel tensile failure and withdrawal while subordinate phenomena such as bending in the screw and embedment stress are inherently considered. Additionally, a simplified verification concept is presented, in which failure due to withdrawal is precluded, leaving only steel tensile failure to be verified in a calculatory form. The transition between withdrawal and steel tensile failure receives special attention in the examinations. Comparisons with results from previous investigations on the tensile failure of a comparable screw show good agreement, which is interpreted as an indication that an economical description of the behavior of different screws with generic S-N-curves is possible (comparable to the detail categories in EN 1993-1-9). The results of the tests on withdrawal failure show a significant influence of the penetration length, which is reinforced by considering a comparable study with threaded rods and also partially observed in earlier studies with glued-in rods. Based on the results of the tests with perpendicular screws and the developed design concept for connections with inclined screws, it is shown that, as under quasistatic loading, an inclined arrangement of the screws leads to a superior behavior under fatigue-relevant loading. Therefore, future investigations should focus primarily on the behavior of other screws under axial tension. In this context, a concept is presented to transfer insights into the behavior of a screw under axial tension to the behavior in a connection with predominantly lateral loading (bending). The presented findings cannot be quantitatively transferred to connections with different boundary conditions (especially with other screws). Rather, they serve as a starting point and guide for a targeted and efficient design of further research efforts that build on the presented studies. Two main questions are in focus here: Firstly, the investigation of the transferability of the results on the tensile failure of the screw to other screws with the aim of developing generic S-N-curves. Secondly, a further exploration of the influence of the penetration length on the withdrawal behaviour, associated with further insights into the transition point between steel tensile failure and withdrawal.
Die vorgelegte Arbeit beschreibt Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten von Verbindungen mit selbstbohrenden Holzschrauben. Am Beispiel einer ausgewählten Schraube mit einem Nenndurchmesser von 6mm werden grundlegende Erkenntnisse zum Verhalten des Verbindungsmittels und verschiedener Verbindungen durch experimentelle Untersuchungen erarbeitet. Neben der Ermittlung von Wöhlerlinien zur quantitativen Beschreibung des Verhaltens wird die Frage untersucht, ob die bei vorwiegend ruhenden Beanspruchungen vorteilhafte Ausgestaltung von Verbindungen mit geneigten Schrauben auch bei ermüdungsrelevanten Einwirkungen vorzuziehen ist. Das Verhalten von Verbindungen mit senkrechten Schrauben wird dabei an ganzen Verbindungen als System untersucht, während die Versagensmechanismen Zugversagen der Schraube und Herausziehen in isolierter Form betrachtet und zusammen mit den Ergebnissen der Versuche mit senkrechten Schrauben in ein Bemessungskonzept für Verbindungen mit geneigten Schrauben überführt werden. Das Konzept basiert auf einem expliziten Nachweis der dominierenden Versagensfälle Zugversagen der Schraube und Herausziehen, während untergeordnete Phänomene wie Biegung in der Schraube und Lochleibungsbeanspruchung inhärent berücksichtigt werden. Ergänzend wird ein vereinfachtes Nachweiskonzept vorgestellt, bei dem das Versagen durch Herausziehen im Vorfeld ausgeschlossen wird und nur noch das Zugversagen der Schraube rechnerisch nachzuweisen ist. Dafür findet der Übergang zwischen Herausziehen und Zugversagen der Schraube in den Untersuchungen besondere Beachtung. Vergleiche mit Ergebnissen früherer Untersuchungen zum Zugversagen einer vergleichbaren Schraube zeigen gute Übereinstimmungen, was als Hinweis gedeutet wird, dass eine wirtschaftliche Beschreibung des Verhaltens verschiedener Schrauben mit generischen Wöhlerlinien möglich ist (vergleichbar mit den Kerbfällen in EN 1993-1-9). Die Ergebnisse der Versuche zum Versagensfall Herausziehen zeigen Hinweise auf einen signifikanten Einfluss der Einschraubtiefe, die durch die Berücksichtigung einer vergleichbaren Studie mit eingeschraubten Gewindestäben bekräftigt und teilweise auch in früheren Untersuchungen mit eingeklebten Stäben beobachtet werden. Basierend auf den Ergebnissen der Versuche mit senkrechten Schrauben und dem erarbeiteten Bemessungskonzept für Verbindungen mit geneigten Schrauben wird festgestellt, dass auch bei ermüdungsrelevanten Einwirkungen eine geneigte Anordnung der Schrauben zu einem überlegenen Verhalten der Verbindung führt. Es bietet sich also an, künftige Untersuchungen schwerpunktmäßig auf das Verhalten weiterer Schrauben unter Axialzug zu fokussieren. Vor diesem Hintergrund wird ein Konzept vorgestellt, mit dem sich Erkenntnisse zum Verhalten einer Schraube unter Axialzug auf das Verhalten in einer Verbindung mit vorwiegend lateraler Beanspruchung (Biegung) übertragen lassen. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich quantitativ nicht ohne Weiteres auf Verbindungen mit abweichenden Randbedingungen (insbesondere mit anderen Schrauben) übertragen. Sie dienen vielmehr als Ausgangspunkt und Richtungsweiser für eine zielgerichtete und effiziente Ausgestaltung weiterer Forschungsbemühungen, die an die vorgestellten Untersuchungen anschließen. Hierbei stehen zwei Fragestellungen im Vordergrund: Zum einen die Untersuchung der Übertragbarkeit der Ergebnisse zum Zugversagen der Schraube auf andere Schrauben mit dem Ziel der Erarbeitung generischer Wöhlerlinien. Zum anderen eine weitere Untersuchung des Einflusses der Einschraubtiefe auf den Versagensfall Herausziehen und damit verbunden weitere Erkenntnisse zum Übergang zwischen Zugversagen der Schraube und Herausziehen.
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