Development and validation of a probabilistic strength prediction method for glued-in rods in timber engeneering

Glued-in Rods (GiR) represent an adhesively bonded structural connection widely used in timber engineering. Up to now, common practice largely focused on sofwood. Accordingly, most structural adhesives have specifically been formulated to perform on softwood, in particular spruce.The increased use of hardwood, and corresponding engineered wood products (EWP), calls for deeper insights regarding GiR for the connection there of. This thesis presents an overview over two extensive research campaigns:
• Firstly, carried with nine - markedly linear-elastic - adhesives, three EWP, and four types of rods.
• Secondly, on G-FRP rods glued into Douglas Fir, in which rod diameter and embedment lengths were varied. As opposed to most previous studies exhibiting stiff adhesives, a ductile polyurethane with markedly non-linear behaviour was used.
Investigations started at component level, by fully characterising all adhesives, EWP, and rods.They were then extended to characterise the behaviour of interfaces, providing by this a methodology for selecting adhesives. Investigations at full scale followed, involving 6 diferent adhesives, 4 EWP, and 5 rod types - if both series are combined. More than 300 individual samples were tested. The results allowed drawing conclusions about the relationship between performance o fGiR connections, and mechanical properties of their components. This relationship, however, has been found to be relatively weak. Based upon material modelling, stresses inside the GiR were estimated through Finite-Element-Analysis (FEA), which indicated that transverse tensile strength are at least as signifcant as shearstresses in their magnitude. Both results mitigate previous research fidings that focused on shear-dominated failure mechanisms and neglected transverse tensile strength.
The core of the thesis deals with the development, and subsequent implementation, of an innovative probabilistic design procedure for the determination of joint capacity of GiR. Tis method reinterprets strength in terms of probabilities of failure, and circumvents most of the problems associated with the sharp stress peaks inherent to all adhesively bonded joints. Because it extends the concepts of classical mechanics, it appears much more likely to get acceptance by practitioners, if compared to alternative methods as Fracture Mechanics (FM), or Cohesive Zone Modelling(CZM). Unlike common practice with FM and CZM, material parameters were solely obtained independently from the GiR itself, and no single parameter had to be backfitted on the experimental results of the GiR. Results clearly showed that transverse tensile strength of the wood is at least as important as shear strength for joint capacity of GiR, and that longitudinal strength plays a minor role.
An alternative to aforementioned non-local FM and CZM is given by the probabilistic approach. Based upon extensive, but relatively simple, material characterisation, mechanical and statistical modelling thereof is used to reformulate joint strength in terms of probability of survival rather than deterministically. The probabilistic method overcame the drawbacks of direct methods by not only considering stress magnitude locally at their maxima, but by additionally considering non-locality through the volumes over which they act. Combining the material characterisation with FEA, and reformulating strength in probabilistic terms, then allowed performing predictions of joint capacities for over 70 experimentally investigated GiR-configurations.
.• For the fist experimental series, with brittle adhesives, comparison between predicted and experimental values showed a good agreement with relative differences amounting to -2 %or beech GLT, -1 % for oak GLT, and 0 % for beech LVL, respectively. For the second series, featuring ductile adhesives, predictions proved reasonably accurate for the 25 different geometrical confgurations of diameters and embedment lengths. The probabilistic method was extended for realistic estimations of the experimental capacity scattering in form of upper and lower percentiles.

Eingeklebte Stäbe (engl. GiR) stellen eine geklebte strukturelle Verbindung dar, die im Holzbau weit verbreitet ist. Die bisher übliche Praxis konzentrierte sich weitgehend auf Nadelholz. Aus diesem Grund wurden die meisten Konstruktionsklebstofe speziell für Weichholz, insbesondere Fichte, entwickelt. Die zunehmende Verwendung von Laubholz und entsprechenden Holzwerkstoffen (engl. EWP) erfordert tiefere Erkenntnisse über GiR für deren Verbindung.
Diese Arbeit gibt einen Überblick über zwei umfangreiche Forschungsreihen:
• Erstens, Versuche an GiR mit neun - linear-elastischen - Klebstoffen, drei EWP und vier Arten von Stäben
• Zweitens, Versuche an in Douglasie eingeklebten GFK Stäben, bei denen Stabdurchmesser und Einbindelängen variiert wurden. Im Gegensatz zu den meisten früheren Studien, die steife Klebstoffe untersuchten, wurde ein duktiles Polyurethan mitausgeprägt nicht linearem Verhalten verwendet.
Die Untersuchungen begannen auf Komponentenebene, indem alle Klebstofe, EWP und Stäbe vollständig charakterisier twurden.Sie wurden dann erweitert, um das Verhalten von Grenzflächen zu charakterisieren und so eine Methodik für die Auswahl von Klebstoffen bereitzustellen. Es folgten Untersuchungen in vollem Umfang, an denen, beide Serien eingeschlossen, sechs verschiedene Klebstoffe, vier Holzwerkstoffe und fünf Stabtypen beteiligt waren. Mehr als 300 Einzelproben wurden getestet. Die Ergebnisse erlaubten Rückschlüsse auf die Beziehung zwischen der Leistung von GiR-Verbindungen und den mechanischen Eigenschafen ihrer Komponenten. Diese Beziehung hat sich jedoch als relativ schwach erwiesen. Auf der Grundlage der Materialmodellierung wurden die Spannungen innerhalb der GiR mittels der Finiten-Elemente-Methode (engl. FEA) geschätzt. Diese ergab, dass die Querzugfestigkeit in ihrer Größenordnung mindestens so signifkant ist, wie die aufretenden Scherspannungen. Beide Ergebnisse schwächen frühere Forschungsergebnisse ab, welche sich auf scherdominierte Versagensmechanismen konzentrierten und die Querzugfestigkeit vernachlässigten. Der Kern der Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und anschließenden Implementierung eines innovativen probabilistischen Bemessungsverfahrens zur Bestimmung der Tragfähigkeitvon GiR. Diese Methode interpretiert Festigkeit als Versagenswahrscheinlichkeiten neu und umgeht die meisten Probleme im Zusammenhang mit den scharfen Spannungsspitzen, die allen geklebten Verbindungen eigen sind. Da diese die Konzepte der klassischen Mechanik erweitert, scheint sie im Vergleich zu alternativen Methoden wie der Bruchmechanik (engl. FM) oder der kohäsiven Zonenmodellierung (engl. CZM) von Praktikern viel eher akzeptiert zu werden.
Im Gegensatz zur üblichen Praxis mi tFM und CZM wurden die Materialparameter ausschließlich unabhängig von den GiR selbst ermittelt, es musste kein einziger Parameter auf die experimentellen Ergebnisse der eingeklebten Stäbe durch Fitting angepasst werden. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass die Querzugfestigkeit des Holzes für die Verbindungskapazität der GiR mindestens ebenso wichtig ist, wie die Scherfestigkeit, und dass die Längsfestigkeit eine untergeordnete Rolle spielt. Eine Alternative zu den oben erwähnten nichtlokalen FM und CZM ist durch den probabilistischen Ansatz gegeben. Basierend auf einer umfangreichen, aber relativ einfachen, Materialcharakterisierung wird deren mechanische und statistische Modellierung verwendet, um die Verbindungsfestigkeit in Bezug auf die Überlebenswahrscheinlichkeit und nicht deterministisch neu zu formulieren. Die probabilistische Methode überwindet die Nachteile der direkten Methoden, indem sie nicht nur die Spannungsgröße lokal an ihren Maxima, sondern zusätzlich die Nichtlokalität durch die Volumina, über die sie wirken, berücksichtigt. Die Kombination der Materialcharakterisierung mit der FEM und die Neuformulierung der Festigkeit in probabilistischen Begriffen ermöglichte dann die Vorhersagen der Tragfähigkeit aller 60 experimentell untersuchten EKS-Konfgurationen
• Bei der ersten Versuchsreihe mit den spröden Klebstoffen zeigte der Vergleich zwischen vorhergesagten und experimentellen Werten eine sehr gute Übereinstimmung mit relativen Unterschieden von -2 % für Buchen-GLT, -1 % für Eichen-GLT und 0 % für Buche FSH.
• Für die zweite Serie mit dem duktilen Klebstoff erwiesen sich die Vorhersagen der Traglasten der 25 verschiedenen geometrischen Konfgurationen von Durchmessern und Einbettungslängen als gut. Die probabilistische Methode wurde für realistische Schätzungen der experimentellen Streuung in Form von oberen und unteren Perzentilen erweitert.