Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6717
Technisches Holz nach dem Vorbild der Natur - Abschlußbericht zu dem durch das BMBF geförderte Vorhaben mit dem Förderkennzeichen 01 RP 9804/9
K. Götz, R. Kappel, I. Tesari, K. Weber, C. Mattheck
Zusammenfassung
Das Holz im Baum ist ein anisotroper, hochgradig
optimierter Werkstoff. Untersuchungen von Festigkeiten und Wachstumsspannungen
von grünem Holz in Verbindung mit makroskopischen und mikroskopischen
holzanatomischen Untersuchungen zeigten Mechanismen auf, die einem möglichen
Materialversagen von Bäumen an vermeintlichen Schwachstellen entgegenwirken.
Der Zusammenhang zwischen Belastung im Baum,
Holzanatomie und lastabhängiger Festigkeitsverteilung gibt einen Einblick in
die Optimierung der inneren Baumstruktur.
Zusammen mit dem schubspannungsfreien Arrangement der
Längsfasern und der optimalen Verteilung von Eigenspannungen stellt die innere
Optimierung der Bäume eine ideale Ergänzung zu der bekannten, äußeren
Gestaltoptimierung von biologischen Kraftträgern dar.
Die Natur liefert somit eine wertvolle Hilfestellung
zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen.
Durch das Verständnis der inneren Optimierung von Bäumen konnte das
Kerbverhalten von Faser-Kunststoffverbunden, anhand einer lokalen Approximation
des optimalen Faserverlaufs nach dem Vorbild der Natur, signifikant verbessert
werden.
Technical
Wood modelled on Nature
Abstract
Wood
in trees is an anisotropic, highly optimized material. Studies of strength and
growth stresses of green wood in combination with macroscopic and microscopic
studies of wood anatomy indicated connections which oppose a probably failure
of material in supposed weak spots.
The
interaction between loading in trees, wood anatomy and load controlled stress
distribution examine the optimization of the internal structure of trees.
Together
with the zeroshearstress arrangement of fibres in direction of the grain and
the optimum distibution of residual stresses, the internal optimization appears
to be an ideal completion to the known external shape optimization of
biological load carriers.
Nature
provides therefore a valuable support to improve the mechanical behaviour of
fibre reinforced composites. In case of the understanding of the internal
optimization of trees, there was a significant improvement on the notch
behaviour of fibre composites through a local approximation of the ideal fibre
course that nature serves as a model.
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