NACHHALTIGES BAUEN – EIN VERSUCH MIT NACHGIEBIG MITEINANDER VERBUNDENEN TRÄGERN AUS BRETTSCHICHTHOLZ
Die schwere Rahmenstruktur eines Einkaufszentrums im Ort Hustopeče
Dieser Artikel behandelt die Analyse der Rotationssteifigkeit einer halbstarren Holzverbindung zwischen zwei Brettschichtholzstützen und einem Querträger. Für die Verbindung wurden bolzenartige Metallelemente verwendet. Getestet wurden einerseits eine Kombination aus Bolzen und Stiften und andererseits die Verwendung von Gewindeschrauben. Gegenstand und Beweggrund der Untersuchung sind die Verwendung modernerer Verbindungselemente, um die Tragfähigkeit dieser Art Verbindung zu verbessern und die Montage zu verkürzen und zu vereinfachen. Beide Verbindungsarten wurden jeweils bis 60, 80 und 100 % des Grenzzustands der Tragfähigkeit beansprucht. Anschließend wurde für jedes Belastungsniveau nach fünf Be- und Entlastungszyklen die Rotationssteifigkeit ermittelt. Die im Versuch erhaltenen Ergebnisse wurden dann mit der Annahme nach der derzeit gültigen Norm verglichen und auf Verbindungen und Details des schweren, eingeschossigen Rahmens eines Einkaufszentrums im Ort Hustopeče angewendet. Die Dachstruktur des Einkaufszentrums ist aufgrund der potenziellen Nutzung als Spielplatz auf hohe Lasten und potenzielle dynamische Einwirkungen ausgelegt.
1. EXPERIMENTELLE PHYSIKALISCHE ANALYSE ZUM ERMITTELN DES VERHALTENS VON VERBINDUNGEN UND DETAILS LASTTRAGENDER TEILE DER STRUKTUR
BESCHREIBUNG DER STRUKTUR UND IHRER GEOMETRIE
Die im Versuch untersuchte Struktur besteht aus einer halbstarren Verbindung von zwei Ständern und einem Querträger. Für die Verbindung wurden bolzenartige, mechanische Verbindungselemente verwendet. Es wurden zwei identische Struktursysteme untersucht, deren einziger Unterschied in der Art der verwendeten Verbindungselemente liegt. In Versuch A wurde eine Kombination aus Bolzen und Stiften verwendet, während in Versuch B Gewindeschrauben zum Einsatz kamen. Die Struktur besteht aus Brettschichtholz der Festigkeitsklasse GL24h. Die Eigenschaften der Holzteile wurden in partiellen Tests untersucht, die bereits im Artikel von Johanides aus dem Jahr 2022 [1] veröffentlicht wurden. Das Ständersegment hat einen Querschnitt von 100 x 300 mm. Ebenso hat das Querträgersegment einen Querschnitt von 100 x 300 mm. Die Zugfestigkeit des Verbindungsmittelmaterials wurde ebenfalls im Rahmen von Versuchen bestätigt, wie im oben aufgeführten Artikel beschrieben. In Versuch A wurde eine Kombination aus Bolzen und Stiften der Stahlklasse 10.9 verwendet. Die Gewindestange hat einen Außendurchmesser von 8 mm und einen Innendurchmesser von 7,25 mm. Der Bolzen ist 360 mm lang und der Stift hat eine Länge von 300 mm.
In diesem Versuch wurden die Verbindungselemente mit einem 8-mm-Bohrer vorgebohrt. Ziel war es, eine Verbindung ohne anfängliches Gleiten herzustellen. Die in Versuch B verwendeten Gewindeschrauben entsprechen der Stahlklasse 10.9. Die Schraube hat einen Außendurchmesser von 8 mm, einen Innendurchmesser von 5 mm und eine Länge von 300 mm. Dieses Verbindungselement wurde mit einem 5-mm-Bohrer vorgebohrt, um auch in dieser Verbindung das anfängliche Gleiten zu reduzieren.
Die Positionen der Verbindungselemente waren in beiden Versuchen identisch. Zehn Verbindungselemente wurden symmetrisch in einem Kreis mit dem Radius r = 90 mm angeordnet. Die Positionen wurden nach Koželouh 1998 [2] ermittelt (siehe Abbildung 1).
Zum Bereitstellen von Randbedingungen für die Versuche wurde eine externe Stahlstruktur gebaut. Eine schematische Darstellung der Versuchsstruktur ist in Abbildung 2 zu sehen.
BESCHREIBUNG DER STRUKTUR UND IHRER GEOMETRIE
Ziel der statischen zyklischen Tests war es, das Verhalten der Rahmenverbindung bei unterschiedlichen Beanspruchungsniveaus zu untersuchen und auf Grundlage der erhaltenen Daten die Rotationssteifigkeitswerte für die einzelnen Belastungsniveaus zu ermitteln.
Abbildung 1 – Anordnung der Verbindungselemente
Abbildung 2 – Schematische Darstellung des Versuchs: (a) Untersuchte Rahmenverbindung, (b) Stahlstruktur, (c) Stahlbetonboden
Der Beweggrund zum Ausführen eines solchen Versuchs entstammt einer praktischen Anforderung. In der Praxis werden Bauten für Grenzzustände bemessen. In einer realen Struktur darf der Grenzzustand der Tragfähigkeit nicht überschritten werden, weil dies zu permanenten Schäden der tragenden Konstruktion oder gar zu ihrem Versagen führen kann. Deshalb wird die Rotationssteifigkeit der Verbindung über den Grenzzustand der Tragfähigkeit hinaus in der Praxis nicht untersucht. Für die Versuche wurden drei Belastungsniveaus definiert: 60, 80 und 100 % des Grenzzustands der Tragfähigkeit.
Die Werte der Rotationssteifigkeit der halbstarren Verbindung wurden durch Trennen der einzelnen externen Einwirkungen ermittelt. Der erste externe Faktor, der sich auf die Rotationssteifigkeit der Verbindung auswirkt, ist die Verbindung zwischen dem unteren Bereich der Ständer und der Stahlstruktur. Ein horizontaler Sensor, S2, wurde installiert, um die Neigung des Ständers in Bezug auf die Stahlstruktur zu ermitteln (Abbildung 3).
Der zweite Faktor sind die einzelnen Verformungen der Segmente der Struktur. Ihre Verformung kann mit dem Kraftgrößenverfahren ermittelt werden. Durch Subtrahieren der einzelnen Verformungskomponenten von der Gesamtverformung, die vom vertikal ausgerichteten Sensor S1 (Abbildung 3) gemessen wird, ergibt sich die tatsächliche Verformung, die durch die Rotationssteifigkeit der halbstarren Verbindung verursacht wird.
VERSUCHE
Die Versuche wurden im „Centre for Building Experiments and Diagnostics“ der VSB (Technische Universität Ostrava) in der Tschechischen Republik durchgeführt. Abbildung 4 zeigt Versuch A (a) mit der Kombination aus Bolzen und Stiften und Versuch B (b) mit den Gewindeschrauben, jeweils vor dem zyklischen statischen Belasten. Die Last wurde mit einem Stahlzylinder mit einem Durchmesser von 50 mm auf die Verbindung angewendet. Unter dem Zylinder wurde eine 10 mm dicke Gummiunterlage eingeführt, um lokale Schäden am Holz während der Beanspruchung zu vermeiden.
Abbildung 3 – Anordnung der Verformungssensoren, links die Frontansicht, rechts die Seitenansicht
Abbildung 4 – Beispiele aus dem Versuch: Versuch A mit der Kombination aus Bolzen und Stiften (a); Versuch B mit den Gewindeschrauben (b)
Tabelle 1 – Erhaltene Rotationssteifigkeitswerte
|
Verfahren |
Verbindungselement |
|
Wert [MNm/rad] | Vergleich [%] |
|
ČSN EN 1995-1-1 [3] |
Bolzen und Stifte |
kr,u,EC5 |
0.323 |
- |
|
kr,u,EC5,1 |
0.299 |
-8 |
||
|
kr,u,EC5,2 |
0.293 |
-10 |
||
|
kr,test,60 |
2.198 |
+85 |
||
|
kr,test,80 |
1.055 |
+31 |
||
|
kr,test,100 |
0.404 |
+20 |
||
|
ČSN EN 1995-1-1 [3] |
Gewindeschrauben |
kr,u,EC5 |
0.323 |
- |
|
kr,u,EC5,1 |
0.206 |
-57 |
||
|
kr,u,EC5,2 |
0.202 |
-60 |
||
|
kr,test,60 |
0.386 |
+16 |
||
|
kr,test,80 |
0.313 |
-3 |
||
|
kr,test,100 |
0.896 |
+64 |
VERSUCHSERGEBNISSE
Tabelle 1 zeigt die im Versuch erhaltenen Werte. Die Werte werden hier mit den Bemessungswerten nach ČSN EN 1995-1-1 [3] verglichen. Der Wert für jedes Belastungsniveau wurde durch Bildung des Mittelwerts der fünf Belastungszyklen ermittelt. Der Vergleich basiert auf dem Wert kr,u,EC5 = 0,323 MNm/rad als Bezugswert. Dieser Wert wurde durch Einsetzen der Standardwerkstoffeigenschaften in die Formel zur Berechnung des Verschiebungsmoduls nach der oben erwähnten Norm erhalten. Der nächste Wert in der Tabelle ist kr,u,EC5,1. Dieser Wert wurde mit dem gemessenen Durchmesser des Verbindungsmittelkerns und der gemessenen Holzdichte ermittelt. Der letzte Wert für kr,u,EC5,2 wurde mit dem Istdurchmesser des Verbindungsmittelkerns und dem Standardwert der Holzdichte für die betreffende Festigkeitsklasse ermittelt.
Die Abbildungen 5 und 6 zeigen die Kurven zur Rotationssteifigkeit je nach Belastung der einzelnen Verbindungen. Diese Abbildung zeigt außerdem die Rotationssteifigkeitswerte, die für den Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT) und für den Grenzzustand der Tragfähigkeit ohne angewendete Teilsicherheitsbeiwerte (GZT 1) ermittelt wurden.
Abbildung 7 zeigt einen Vergleich der Rotationssteifigkeit mit den verschiedenen Verbindungsmitteln. Die Kurve zeigt deutlich, dass die Rotationssteifigkeit der Verbindung mit Schrauben bei steigender Belastung leicht steigt, während sie bei der Verbindung mit Bolzen und Stiften sinkt.
Abbildung 8 zeigt ein numerisches Modell der untersuchten Rahmenecke. Sie stellt eine Komponente eines schweren Rahmens dar. Ziel dieser Versuche (verschiedene Arten von Verbindungsmitteln wurden in der Ecke selbst und in den externen Verbindungen zu den Stahlbauteilen verwendet) war es, die Rotationssteifigkeit zu ermitteln und das allgemeine Verhalten der untersuchten Verbindungstypen zu analysieren.
Abbildung 9 zeigt Fotos von den Laboren der Fakultät für Bauingenieurwesen an der VSB (Technische Universität Ostrava).
Abbildung 5 – Rotationssteifigkeit je nach Belastung bei Verwendung von Bolzen und Stiften
Abbildung 6 – Rotationssteifigkeit je nach Belastung bei Verwendung von Gewindeschrauben
Abbildung 7 – Vergleich der Rotationssteifigkeit einzelner Verbindungselemente: (a) Schraube, (b) Bolzen
Abbildung 8 – Geometrie und FE-Netze der Rahmenecke (a), Gesamtverformung der untersuchten Struktur (b)
Abbildung 9 – Vorbereitung des Versuchs mit der Rahmenecke (a), Beispiel der Verformung der Rahmenecke nach Belastung (b)
FAZIT
Im Versuch mit einer aus herkömmlichen Bolzen und Stiften hergestellten Verbindung (Versuch A) wurden Sicherheit und Zuverlässigkeit der Verbindung bei Belastung bis zum Grenzzustand der Tragfähigkeit nachgewiesen. In Bezug auf die Rotationssteifigkeit liefert diese Verbindungsart über die gesamte Belastungsdauer hinweg höhere Werte als in der Norm für den Grenzzustand der Tragfähigkeit angenommen.
Im Versuch mit einer Verbindung aus Gewindeschrauben (Versuch B) wurden die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Verbindung bei Belastung bis zum Grenzzustand der Tragfähigkeit ebenfalls nachgewiesen. In Bezug auf die Rotationssteifigkeit liefert diese Verbindungsart bei einer Belastung bis 80 % des GZT keine höheren Werte als in der Norm für den Grenzzustand der Tragfähigkeit angenommen. Der Versuch legt nahe, dass zum Erhalt eines genaueren Ergebnisses der Rotationssteifigkeit gemäß Eurocode 5 [3] der Durchmesser des Verbindungsmittelschafts für die Berechnung des Verschiebungsmoduls verwendet werden muss. Alternativ können der Durchmesser des Verbindungsmittelschafts und die gemessene Holzdichte verwendet werden. In der Praxis ist es schwierig, die tatsächlich gemessene Holzdichte zu verwenden. Die Ergebnisse dieses Versuchs zeigen, dass mit dem Durchmesser des Verbindungsmittelelements und dem in der Norm definierten Wert für die Holzdichte ausreichend genaue Daten erzielt werden können.
Die Frage der Ermittlung der Tragfähigkeit von Holzverbindungen gemäß den europäischen Normen für die Bemessung von Holzstrukturen nach Eurocode 5[3] entwickelt sich ständig weiter. Dieser Trend könnte durch die vorgeschlagenen Versuche unterstützt werden, in denen die Rotationssteifigkeit einer halbstarren Verbindung eines Querträgers aus Holz und eines Ständers mit mechanischen, bolzenartigen Verbindungsmitteln untersucht wurde.
Die in den Versuchen ermittelten Daten zur Rotationssteifigkeit können für die praktische Bemessung dieser Art halbstarrer Verbindung genutzt werden. Der Autor, Marek Johanides, hat weitere, separate Artikel zu Widerstand [4], Duktilität [1] und Rotationssteifigkeit [5] dieser Art Verbindung veröffentlicht.
Holz hat viele Vorteile, wie seine Erneuerbarkeit und seinen Charakter, und wird von den Menschen seit mehreren Tausend Jahren geschätzt und genutzt.
Für seine Dichte hat Holz sehr gute Festigkeitseigenschaften längs zu den Fasern. Strukturelemente aus Massivholz weisen außerdem eine hohe Feuerwiderstandsfähigkeit auf. Ergänzt durch aktive und passive Feuerschutzelemente eignet es sich dadurch auch für mehrgeschossige Häuser, wie sie beispielsweise in Brumunddal, Norwegen, gebaut wurden.
Holz ist ein natürliches Material und damit anfällig für Verfall und Zersetzung (durch holzzerstörende Pilze und Insekten). Wenn das Holz und die Verbindungsdetails ausreichend geschützt werden, können solche Strukturen Hunderte von Jahren erhalten bleiben (Beispiel: Kapellbrücke in der Schweiz)
2. ANWENDEN DER MÖGLICHKEITEN DER NUMERISCHEN MODELLE AUF DEN ERFOLGTEN BAU EINES COOP-KAUFHAUSES IN HUSTOPEČE
SCHWERE RAHMEN IN NACHHALTIGER BAUWEISE
Schwere Holzrahmen sind heutzutage eine begehrte Lösung für mehrgeschossige oder schwere Gebäude. Grund hierfür ist hauptsächlich der Wunsch, die Industrie, und damit auch die Bauindustrie, so nachhaltig wie möglich zu gestalten, insbesondere im Hinblick auf die verwendeten Ressourcen und Energien, zum Beispiel durch Verwendung umweltfreundlicher und erneuerbarer Ressourcen. Holz ist ein natürlicher Werkstoff und bietet als solches zahlreiche Vorteile. Es besitzt auch Eigenschaften, die verbessert werden müssen, um die erforderlichen Parameter zu erfüllen, die durch den Typ und Zweck des Bauwerks definiert werden.
Mit der Entwicklung moderner Holzverarbeitungsmethoden (BSH, BSP usw.) und Verbindungsmittel (Stahl, Epoxidharz, Glasfaser und Kombinationen dieser Werkstoffe), der Verfügbarkeit leistungsfähiger numerischer Simulationstools sowie der wachsenden Erfahrung im Bereich der Normen und neuer Versuche ist es nun möglich, das Bauwerk als Ganzes zu bemessen und zu optimieren. Dies wiederum ermöglicht neue Volumen und Formen bei Holzbauwerken. Abbildung 10 zeigt eine mögliche praktische Nutzung des Dachs auf dem bemessenen Rahmen.
Dieser Artikel soll Einblicke in die Möglichkeiten schwerer Rahmen bieten. Allgemein lassen sich Tragwerke als statisches System in Rahmen-, Wand- und Fachwerksysteme unterteilen. Das Rahmensystem weist dabei die geringste Steifigkeit auf. Dies gilt umso mehr für Verbindungen in Holzstrukturen. Das Wandsystem ist hingegen sehr steif und kann für Hochhäuser in Erwägung gezogen werden (Stahlbetonkerne eines Wolkenkratzers). Das Fachwerksystem ist relativ leicht, weist eine gute Steifigkeit auf und ähnlich wie bei den Rahmensystemen stellt die Verbindung zwischen den einzelnen Elementen (hier mit hohen kumulierten Knotenkräften) den wichtigsten Aspekt dar. Bei einer geeigneten Geometrie führt das Wandsystem nicht zu so hohen Knotenkräften in den Verbindungen und erzeugt somit keine so hohe lokale Beanspruchung in den Verbindungsdetails. Abbildung 11 zeigt die Bemessung einer Halle, die ungefähr 30,6 × 46,3 × 6 m groß ist. Der Grundriss ist im Wesentlichen rechteckig, mit seitlichen Treppenaufgängen. Die Halle ist mit einem seitlichen Servicegebäude verbunden.
Abbildung 10 – Nicht umgesetzte Darstellung des COOP-Kaufhauses in Hustopeče
Abbildung 11 – Kombiniertes System, Diagramm des schweren Rahmens – Rahmen und Binder des COOP-Gebäudes in Hustopeče
Abbildung 12 – Ansicht des Eingangsbereichs des Kaufhauses
Abbildung 13 – Innenbereich des in Betrieb genommenen Kaufhauses (links), Detail der Verankerung der V-Stütze (rechts)
Abbildung 14 – Ansicht der Rahmenelemente (links), die Schraube für Holz und Stahl (rechts)
Abbildung 15 – Schnittgrößen in den tragenden Elementen des Rahmens
Abbildung 16 – Montiertes Haupttragwerk der Kaufhaushalle
Abbildung 17 – Numerisches Modell der tragenden Elemente des Rahmens
Abbildung 18 – Schnittgrößen in den tragenden Elementen des Rahmens
COOP-KAUFHAUS IN HUSTOPEČE
Es handelt sich um ein eingeschossiges Einkaufszentrum mit einem schweren Dach, das als Skatepark ausgelegt ist. Das Haupttragwerk ist aus Stützen und einer starren Dachplatte mit Trägern und Bindern gebildet. Ausgewählte Holzelemente sind geleimt und haben eine Breite von 480 mm. Die räumliche Steifigkeit der Struktur wird durch A- und V-förmige Stützen gewährleistet, die in rechteckigen Rastern angeordnet und mit einer starren Dachplatte abgedeckt sind. Die Stützen sind hauptsächlich Druck und Zug ausgesetzt. Die Rahmenecke wird durch ein geschlossenes Dreieck geformt. Abbildung 12 zeigt die verkleidete Struktur der Kaufhaushalle.
Abbildung 13 zeigt links die Ansicht des möblierten Innenbereichs des Kaufhauses. Hier ist zu sehen, wie das Tragwerk in die Gestaltung des Innenraums integriert wurde. Die Struktur verleiht dem Raum trotz ihrer Größe einen Eindruck von Natürlichkeit und hebt den natürlichen Charakter der Hauptelemente der Hallenstruktur hervor. Dank der Bemaßungen der Elemente und verdeckten Verbindungen bietet die Struktur eine hohe Feuerwiderstandsfähigkeit. Rechts in Abbildung 13 ist die Stütze mit ihrer Verankerung und Verbindung zu den anderen Elementen der Hallenstruktur dargestellt.
Auf dem Foto links in Abbildung 14 ist eines der Hauptelemente des V-Rahmens aus Holz und das Rahmensystem mit den Bindern zu sehen. Der Binder ist 480 x 1200 mm groß und besteht aus Brettschichtholz der Festigkeitsklasse GL28h. Der Binder ist außerdem mit Brettschichtholzträgern der Festigkeitsklasse Gl28h und mit einem Querschnitt von 360 x 720 mm verbunden. Der Träger ist mit SFS-Gewindeschrauben mit einem Durchmesser von 13 x 500 mm am Binder verankert. Pro Verbindung werden 10 Schrauben verwendet. Die Verbindung hält einer Querkraft von ungefähr 211 kN von der Dachlast stand, einschließlich klimatischer und veränderlicher Lasten.
Die Abbildung rechts zeigt ein mechanisches Verbindungselement für Holz und Stahl. Mit diesen gewindebohrenden Stiften können Holzelemente ohne Vorbohren mit Stahlplatten verbunden werden. Die Verbindung zeichnet sich durch eine hohe Tragfähigkeit und Steifigkeit aus. Solche Verbindungen wurden in den Stützenköpfen und Stützenfüßen verwendet.
Abbildung 16 zeigt das Haupttragwerk des eingeschossigen Holzrahmens vor dem Verkleiden. Abbildung 17 zeigt die numerischen Modelle der wesentlichen tragenden Elemente. Das linke Bild stellt eine ausgewählte Stabilitätseigenform für die angegebene Last dar. Diese Eigenform wird durch die lokale Durchbiegung der Stütze bestimmt. Die mittlere Abbildung zeigt das verwendete Verbindungsmittel (Gewindeschraube), mit dem die Tragfähigkeit des Holzes bei Druckbeanspruchung lotrecht auf den Fasern erhöht wird, Querkräfte übertragen werden (siehe Abbildung 15) und die Holzmasse unter Zugbeanspruchung lotrecht zu den Fasern gespannt wird. Das rechte Bild zeigt einen tragenden A-Rahmen mit Binderverhalten.
Dieses Bild zeigt, wie das System aus Holz- und Stahlelementen numerisch modelliert wird. Das numerische Modell wurde aus Schalen- und Trägerelementen [7] erstellt, wobei das Fundament und die physikalische und geometrische Nichtlinearität berücksichtigt wurden. Außerdem wurden auch das Gleiten in den Verbindungen und die strukturelle Nichtlinearität mit Imperfektionen berücksichtigt. Ein solches Modell kann separat oder als Teil eines globalen Modells analysiert werden. Wenn das separate Modell in das globale numerische Modell integriert wird, steigt die Komplexität der Lösung. Die Interaktion ist jedoch realitätsnäher, weil die Randbedingungen durch die „echte“ Modellierung der Verbindung der einzelnen Elemente gegeben sind.
Abbildung 18 zeigt ein Detail der linken Struktur aus Abbildung 17: die Fußplatte. Die Abbildung links zeigt die Kontaktspannung in der Verbindung des Stahlbügels mit der Stahlbetonplatte. Die Kontaktspannung beträgt hier ungefähr 10,20 MPa bei einer Druckkraft von ungefähr 1.144 kN. Die Abbildung rechts zeigt die Stabilitätseigenform für die Last, die den maximalen Druck erzeugen sollte. Das Ausbeulen des längeren Stegs des geschlossenen Stahlkastens ist deutlich zu sehen. Die hier erwähnten Eigenformen entsprechen ungefähr 2,7 Mal der Eingangslast. Komplexe numerische Modelle bieten den Vorteil, dass die Berechnung der nichtlinearen Stabilität die globale Steifigkeit berücksichtigt.
Abbildung 19 zeigt einen Teil des Tragwerks des Holzrahmens, der aus dem gesamten numerischen Modell ausgewählt wurde. Dieses numerische Modell besteht aus Volumen- und finiten Trägerelementen. Das Problem ist ein Kontaktproblem und berücksichtigt die Orthotropie des Holzes mit bilinearen Spannungs-Dehnungsdiagrammen für Holz und Stahl.
Links in Abbildung 20 ist das FE-Netz der Binder und Träger mit den Stahlschrauben dargestellt. Die Verbindung erfolgt über Kontakte mit Reibung und Gleiten. Das numerische Modell in der Abbildung ist Teil des globalen Modells (siehe Abbildung 19). Der Ort für die Netzerstellung des analysierten Details der Abscherverbindung wurde so gewählt, dass die Verbindung einer Last von ungefähr 211 kN ausgesetzt ist, d. h. der maximalen Kraft im Trägermodell. Das Bild rechts zeigt ein Detail der Schrauben, die in den Bindern und Trägern montiert sind und die Abscherverbindung bilden.
Das Bild zeigt eine Spannung von bis zu 1.019 MPa im Bereich der Verbindung zwischen Träger und Binder. Dieser Teil der Verbindung verhält sich wie ein Fachwerkbinder, was den Annahmen entspricht, die bei der Bemessung dieser Verbindung angewendet wurden. Diese Art der Verbindung wird bereits seit Jahrzehnten in der Praxis verwendet.
Links in Abbildung 21 ist die Scherspannung im Binderelement mit der Abmessung 480 × 1200 mm dargestellt. Die Scherspannung in der Verbindung von Träger und Binder erreicht einen Wert von ungefähr 2 MPa. Für Massivholz und diese Art und Richtung der Belastung schreibt die Norm einen charakteristischen Spannungswert von 2,7 MPa vor. Der Wert des Querkrafttragwiderstands für die erwähnte Belastung liegt im Bereich von 3 MPa bis 6 MPa. Das rechte Bild zeigt die Spannung im 360 x 720 mm großen Träger. Das Verhalten ähnelt dem Verhalten, das im linken Bild für den Binder gezeigt ist. Die Analyse berücksichtigt außerdem die möglichen Ungenauigkeiten in der Kontaktverbindung zwischen dem Binder und dem Träger. Varianten der numerischen Modelle berücksichtigen sowohl den unmittelbaren Kontakt zwischen Binder und Träger als auch das Vorhandensein eines Spalts zwischen den Elementen des Trägers und des Binders, selbst nach der Belastung.
Die analysierten Modelle zeigen, dass der Einfluss des Kontakts zwischen der Trägerstirnseite und der Binderfläche bis zu ungefähr 7 % der Von-Mises-Spannung keine signifikante Auswirkung auf die Spannung in den Schrauben hat. Wenn der Träger und der Binder vollständig in Kontakt sind, erhöht sich die Kontaktspannung lotrecht zur Faser deutlich. Sie kann lokal bis zu 5,0 MPa erreichen.
Abbildung 22 zeigt die Spannungsverteilung lotrecht zu den Fasern. Für die Last von 211 kN am Ende des Trägers beträgt der lokale Höchstwert der Zugspannung lotrecht zur Faser 2,70 MPa und der lokale Mindestwert der Druckspannung lotrecht zur Faser 5 MPa. Diese Werte gelten am Grenzwert der Holzfestigkeit. Dies ist teilweise ein numerischer Extremwert, der durch die Vereinfachungen bei der Modellierung und die Wahl eines Werkstoffmodells verursacht wird, das das Verhalten des Holzes nicht genau beschreiben kann (Anisotropie). Im Prinzip treten diese Extremwerte jedoch im Bereich auf, in dem die Schrauben einander kreuzen und vom Träger zum Binder verlaufen, und werden dort kumuliert. Der untere Spannungswert im Binder lotrecht zur Faser wird vom numerischen Modell angegeben. Dies berücksichtigt den unmittelbaren Kontakt zwischen dem Träger und dem Binder und die Hebelwirkung im Binder am unteren Rand. Hier ändert sich aufgrund der Reibung auch leicht die Belastung der Schrauben, weil sie zur Rotation um einen bestimmten Punkt gezwungen werden. Abbildung 22 zeigt rechts die Verformung der Träger und Binder. Sie beträgt mindestens ungefähr 9 mm und höchstens 12 mm. Das Gleiten zwischen Trägerstirnseite und Projizierung der Trägerstirnfläche auf dem Binder, die durch eine maximale Querkraft von 211 kN pro Verbindung verursacht werden, beträgt ungefähr 0,977 mm.
Abbildung 19 – Verformung eines ausgewählten Binders einschließlich Detail der Abscherverbindung, ANSYS-Modell [6]
Abbildung 20 – Detail des numerischen Modells des FE-Netzes und der Schrauben
Abbildung 21 – Scherspannung im Binder und Träger im ausgewählten Verbindungsdetail
Abbildung 22 – Detail des numerischen Modells, Zugspannung lotrecht zur Faser und Verformung der Verbindung
ANWENDUNG NUMERISCHER VERFAHREN IN DER PRAXIS
Zusammenfassend lässt sich zur Analyse schwerer Rahmen und deren Details feststellen, dass die Anwendung numerischer Methoden vorteilhaft für Details und Strukturen ist, die neuer Art sind oder einer hohen Last ausgesetzt sind und deren Geometrie und Verankerungsmethode nicht gut bekannt sind. Die numerischen Verfahren müssen durch eine normenbasierte Lösungsmethode, Erkenntnisse aus der Fachliteratur und, je nach Bedarf, durch physikalische Versuche ergänzt werden. Die Beratschlagung mit erfahrenen Experten in diesem Bereich ist ebenfalls wichtig.
Wenn all diese Lösungsansätze für neue Verbindungsarten und Strukturen verfügbar sind, besteht die Möglichkeit, komplexe Strukturen zu erstellen und deren System und Details so zu optimieren, dass ihre Festigkeit und Steifigkeit mit einer geeigneten Duktilität kombiniert sind.
Heutzutage müssen wir unbedingt den Zustand unseres Planeten und seiner Ressourcen berücksichtigen, ohne den unsere Zivilisation in ihrer jetzigen Form nicht fortbestehen kann. Die Entwicklungen im Bereich von Holzstrukturen kann ökologische und biologisch abbaubare Werkstoffe, die nicht nur schön sind, sondern auch funktionell und hoch beanspruchbar, in den Vordergrund bringen. Auf diese Weise kann ein breiter Bereich der Baubranche Nutzen ziehen, ob für Einfamilienhäuser, Wohnanlagen oder mehrgeschossige Bauwerke (wie zum Beispiel bereits in Skandinavien, Österreich und England).
QUELLENNACHWEIS
[1] Johanides, M.; Lokaj, A.; Mikolasek, D.; Mynarcik, P.; Dobes, P.; Sucharda, O. Timber Semirigid Frame Connection with Improved Deformation Capacity and Ductility. Buildings 2022, 12, 583. https://doi. org/10.3390/buildings12050583.
[2] Timber Structures According To Eurocode 5; STEP 1: Design and construction materials; übersetzt von Bohumil Koželouh; KODR: Zlín, Tschechische Republik, 1998; ISBN 80-238-2620-4 (auf Tschechisch).
[3] ČSN EN 1995-1-1. Eurocode 5: Design of Timber Structures – Part 1-1: General – Common Rules and Rules for Buildings; Czech Standards Institute: Prag, Tschechische Republik, 2006.
[4] Johanides, M.; Lokaj, A.; Dobeš, P.; Mikolášek, D. Numerical and Experimental Analysis of the Load-Carrying Capacity of a Timber Semi-Rigid Dowel-Type Connection. Materials 2022, 15, 7222. https://doi.org/10.3390/ma15207222.
[5] Johanides, M.; Lokaj, A.; Dobeš, P.; Mikolášek, D. Numerical and Experimental Analysis of the Rotational Stiffness of a Timber Semi-Rigid Dowel-Type Connection. Materials 2022, 15, 5622. https://doi.org/10.3390/ma15165622.
[6] ANSYSTM, verfügbar auf www.ansys.com.
[7] SCIA Engineer, verfügbar auf www.scia.net.
Autoren:
Ing. Marek Johanides, Ph.D., ist auf Holz- und Stahlstrukturen und deren durch physikalische Versuche ergänzten numerischen Modellierung spezialisiert. Er ist Mitglied des „Centre for Building Experiments and Diagnostics“ der VSB (Technische Universität Ostrava) in der Tschechischen Republik.
Prof. Ing. Antonín Lokaj, Ph.D., ist auf Holz- und Stahlstrukturen und die angewandte Forschung und Entwicklung von Verbindungsdetails in kombinierten Strukturen spezialisiert. Er ist Leiter des Fachbereichs Strukturen und Vizedekan für Entwicklung an der Fakultät für Bauingenieurwesen an der VSB (Technische Universität Ostrava) in der Tschechischen Republik.
Ing. David Mikolášek, Ph.D., ist auf Holz-, Stahl- und Verbundstrukturen und deren durch physikalische Versuche validierten numerischen Modellierung spezialisiert. Er ist Mitglied des Fachbereichs Strukturen der Fakultät für Bauingenieurwesen an der VSB (Technische Universität Ostrava) in der Tschechischen Republik.
Ing. Pavel Dobeš, Ph.D., ist auf Gebäudestrukturen und deren Diagnose und zugehörigen Tests und Berechnungen spezialisiert. Er ist Mitglied des „Centre for Building Experiments and Diagnostics“ der VSB (Technische Universität Ostrava) in der Tschechischen Republik.
Ing. Pavel Vlček, Ph.D., ist im Bereich Baukonstruktion spezialisiert und beschäftigt sich mit der Umsetzung neuer Erkenntnisse über Struktursysteme in der Baupraxis. Er ist Mitglied des Fachbereichs Bauingenieurwesen an der Fakultät für Bauingenieurwesen der VSB (Technische Universität Ostrava) in der Tschechischen Republik.
Ing. Robert Martinek ist Experte im Bereich von Holzstrukturen, insbesondere im Bereich der Bemessung, Optimierung und Herstellung von Holzdetails und -strukturen. Er ist Geschäftsführer von EXTEN CZ.
Dieser Artikel wurde in der Zeitschrift KONSTRUKCE 4/2023 (https://konstrukce.cz) veröffentlicht.