Bruchenergien, kritische Energiefreisetzungsraten und Bruchzähigkeiten von Fichte bei Zugbeanspruchung senkrecht zur Faserrichtung

Zusammenfassung

Es wird über BruchenergienG _f, kritische EnergiefreisetzungsratenG _c und BruchzähigkeitenK _c von Fichte bei Modus I Rißöffnungsbeanspruchung im RL-Rißsystem berichtet. Die Untersuchungen erfolgten mit speziellen SENB-Biegeprüfkörpern gemäß eines CIB W18A Normentwurfs. Zur Klärung des Größeneinflusses wurden geometrisch ähnliche Prüfkörper mit deutlichen Abmessungsunterschieden geprüft; die Querschnittshöhed varrierte von 10 bis 320 mm, wobei die (Initial-) Rißlänge konstant 0,6d betrug. Alle „Querzugvolumina” stammten aus zwei Brettern mit vergleichbarer mittlerer Rohdichte von rd. 460 kg/m³.

In dem Aufsatz werden zunächst grundsätzliche Aspekte der verwandten EnergiegrößenG _fbzw.G _c behandelt und sodann Finite-Element-Ergebnisse für die normierten Energiefreisetzungsraten und Spannungsintensitätsfaktoren des speziellen orthotropen Prüfkörpers angegeben. Die experimentellen Ergebnisse können wie folgt zusammengefaßt werden: Die BruchenergieG _f ist weitgehend unabhängig von der Initialrißlänge und beträgt im Mittel rd. 280 N/m; die 5%-Fraktile der angepaßten 3parametrigen Weibull-Verteilung liegt mit 180 N/m ca. 30% unter dem implizit in Eurocode 5 für die nämliche Rohdichte angegebenen Wert. Für die Rohdichteabhängigkeit im Bereich von ca. 420 bis 480 kg/m³ wurde die lineare BeziehungG _f≈0,62 ρ₁₂ gefunden.

Die kritische EnergiefreisetzungsrateG _c wächst degressiv mit zunehmender Querschnittshöhe bzw. Initialrißlänge an. Im Vergleich zuG _fistG _cbis zu einer Rißlänge von ca. 60 mm im Mittel 25% niedriger, während bei größeren Anrißlängen weitgehende Übereinstimmung vorliegt. Die BruchzähigkeitK _cist, vergleichbarG _f, weitgehend unabhängig von der Initialrißlänge; als mittlerer und charakteristischer Wert wurden 440 bzw. 280 kN/√m³ erhalten.

Abstract

It is reported on Mode I fracture energyG _f, critical strain energy release rateG _c and fracture toughnessK _c of spruce in RL-crack system. The investigations were performed with special SENB specimens acc. to a CIB W18A draft standard. For determination of size effects geometrically similar specimens of significant different sizes were tested; the cross-sectional depthd varied from 10 to 320 mm and notch length was constant 0,6d. All “tension perpendicular to grain volumes” were cut from two boards with similar mean densities of about 460 kg/m³.

The paper first deals with some general aspects of related energy termsG _f resp.G _c and then gives finite element results for normalized strain energy release rates and stress intensity factors of the specific orthotropic specimen. The experimental results can be summarized as follows: Fracture energyG _f is quite independent of initial crack length and counts in mean 280 N/m; the 5th percentile value due to fitted 3parameter Weibull distribution is 180 N/m and thus about 30% lower as given implicitly in Eurocode 5 for respective density. For density dependency in the range of about 420 to 480 kg/m³ the linear relationG _f≈0,62 ρ₁₂ was found.

Critical strain energy release rateG _c increases degressively with specimen depth resp. initial crack length. Compared toG _f,G _c is roughly 25% lower up to crack lengths of about 60 mm and is then of similar quantity asG _f. Fracture toughnessK _c alikeG _f, was found to be quite independent of initial crack length; for mean and characteristic values 440 resp. 280 kN/√m³ were received.