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Ductility in timber structures - possibilities and requirements with regard to dowel type fasteners

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[Quelle: http://d-nb.info]

Die Arbeit befasst sich mit der planmäßigen Berücksichtigung des duktilen Verhaltens von stiftförmigen Verbindungsmitteln in der Berechnung von Holztragwerken, mit dem Ziel plastische Gelenke im Holzbau planmäßig ausbilden zu können. Andere Werkstoffgruppen, wie beispielsweise der Stahlbau oder der Stahlbetonbau sowie der Verbundbau, haben bereits Regelwerke entwickelt, um die Vorteile des plastischen Verhaltens planmäßig zu nutzen. Die Notwendigkeit, das duktile Verhalten zuverlässig zu beschreiben und die Anwendbarkeit von Fließgelenken in Holzbau zu ermöglichen, ergibt sich direkt aus der derzeitig gültigen Bemessungsnorm im Holzbau EN 1995-1-1:2004. Diese lässt Berechnungsmethoden unter dem Ansatz der Duktilität zu. Im Hinblick auf die Umsetzung der Berücksichtigung der Duktilität sind jedoch keine ausreichenden Angaben vorhanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde anhand der Sichtung von Versuchsergebnissen aus der Literatur eine Auswertung von verschiedenen Verbindungsmitteln hinsichtlich ihres duktilen Verhaltens durchgeführt, um eine erste Datenbasis zur Einstufung der einzelnen Verbindungsmittel zu schaffen. Dabei wurden unterschiedliche Bewertungsverfahren herangezogen, um das duktile Verhalten einzuordnen. Diese wurden im Rahmen dieser Arbeit hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit beurteilt. Die Auswertung der Daten zeigt eine große Varianz der einzelnen Verbindungsmittel. Stabdübelverbindungen ohne jegliche Verstärkungsmaßnahmen können eher als spröde eingestuft werden. Verstärkte Stabdübelverbindungen zeigen hingegen ein ausgeprägtes duktiles Verhalten. Innerhalb der Auswertung der bereits durchgeführten Versuche aus der Literatur konnte festgestellt werden, dass einige Versuche nur bis zu einer Verschiebung von 15 mm entsprechend DIN EN 26891:1991-07 durchgeführt wurden. Dies führt zu einem Informationsverlust hinsichtlich der Bestimmung der Duktilität der Verbindung, da über das Verhalten nach 15 mm in diesen Fällen keine Aussagen getroffen werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher gezielt Versuche an verstärkten Stabdübelverbindungen durchgeführt. Dabei wurde sowohl die Anzahl der Stabdübel als auch ihre Anordnung variiert. Um die Duktilität und damit die Möglichkeit der Bildung von plastischen Gelenken zu untersuchen, wurden sowohl Komponentenversuche in Form von Zugversuchen als auch gesamte Trägerstöße untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass beide Versuchsserien über ein ausgeprägtes duktiles Verhalten verfügen. Versuche an Stabdübeln mit einem Durchmesser von 7 mm zeigen aufgrund der Verstärkungsmaßnahme durch selbstbohrende Holzschrauben eine Wiederverfestigung. Um das Momenten-Rotations Verhalten von Anschlüssen mit stiftförmigen Verbindungsmitteln zu erfassen, wurde eine analytische Betrachtung durchgeführt. Diese beruht auf dem Komponentenmodell, das einzelne Traganteile eines Anschlusses als Federn abbildet. Die Ergebnisse des entwickelten Modells sind mit den Versuchsergebnissen verglichen worden. Nicht nur die maximale Tragfähigkeit sondern auch die Anschlussverformung wird durch das Modell verlässlich abgebildet. Um das Modell der Praxis zugänglich zu machen, wurde ein vereinfachtes Verfahren zur Ermittlung des Momenten-Rotations Verhalten vorgestellt. Eine der wichtigsten Forderungen beim Einsatz von plastischen Gelenken im Holzbau ist, dass kein sprödes Holzversagen eintritt, bevor sich ein Fließen des Gelenkes eingestellt hat. Um dies zu gewährleisten, wurde ein Überfestigkeitsfaktor mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation ermittelt, der eine Mindesttragfähigkeit des spröden Holzelements in Anlehnung an das einwirkende Biegemoment durch den Anschluss bestimmt. Dieser Überfestigkeitsfaktor wurde dabei in Abhängigkeit der Versagenskonsequenz ermittelt, so dass dieser Überfestigkeitsfaktor der jeweiligen Anwendung angepasst werden kann. Damit Schnittgrößen durch duktile Elemente innerhalb eines Tragwerks umgelagert werden können, wurden abschließend analytische Untersuchungen zu Mindestanforderungen an die Anfangssteifigkeit von duktilen Elementen an Mehrfeldträgern durchgeführt. Der Ansatz zeigt, dass es unumgänglich ist, eine Mindeststeifigkeit des Anschlusses zu fordern, da bei einer zu geringen Steifigkeit ein Holzversagen außerhalb des Anschlussbereichs, z.B. in Feldmitte eintreten kann, bevor es zu einem Fließen des plastischen Gelenkes kommt. Die Mindeststeifigkeiten wurden dabei für ausgewählte Fälle bestimmt. Damit ist es möglich, das plastische Verhalten von Anschlüssen in Anlehnung an die Forderungen der derzeit gültigen Bemessungsnorm EN 1995-1-1:2004 zu formulieren, so dass plastische Gelenke im Holzbau und damit deren Vorteile im Hinblick auf Tragfähigkeit und Robustheit genutzt werden können.

Folgendes könnte Sie auch interessieren:

Bücher, Broschüren

Hans Joachim Blaß
Blockscheren von Holzbauteilen im Verbindungsbereich axial beanspruchter Vollgewindeschrauben
Karlsruher Berichte zum Ingenieurholzbau, Band 35
2019, 66 S., graph. Darst. 210 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Anschlüsse mit axial beanspruchten Holzschrauben, die Kraftkomponenten rechtwinklig zur Faserrichtung in Holzbauteile einleiten, wurden im Hinblick auf spröde Versagensmechanismen untersucht. Dazu wurden bestehende Versuchsergebnisse analysiert und mit Bemessungsvorschlägen für Blockscherversagen, für Reihenscherversagen sowie mit dem in vielen ETAs für Holzschrauben angegebenen Bemessungsverfahren mit einer wirksamen Schraubenanzahl nef verglichen. Um die Datenbasis mit Querzug- oder Rollschubversagen zu vergrößern, wurden gezielt weitere Versuche durchgeführt, um bestehende Rechenmodelle zu überprüfen und erforderlichenfalls zu modifizieren. Das analytische Modell von Meyer und Blaß (2018) für Reihenscherversagen in Verbindungen mit axial beanspruchten, eingeklebten Stahlstäben kann die Tragfähigkeit von Schraubenverbindungen mit Schrauben, die in Faserrichtung hintereinander angeordnet sind, ebenfalls gut vorhersagen. Das Bemessungsmodell von Mahlknecht und Brandner (2016) für Blockscherversagen wurde modifiziert, um eine bessere Übereinstimmung mit Versuchsbeobachtungen zu erzielen und um die Lasteintragung in querbeanspruchte Bauteile genauer zu berücksichtigen. Die dargestellten Ergebnisse ermöglichen eine einfache Bemessung von Verbindungen mit axial beanspruchten Schrauben und Lastkomponenten rechtwinklig zur Faser.

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Hans Joachim Blaß
Steifigkeit axial beanspruchter Vollgewindeschrauben
Karlsruher Berichte zum Ingenieurholzbau, Band 34
2019, 188 S., graph. Darst. 210 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Im Ingenieurholzbau sind selbstbohrende Holzschrauben ein wichtiges stiftförmiges Verbindungsmittel, um große Zugkräfte in Verbindungen übertragen zu können. Während die Tragfähigkeit nach derzeitigem Stand der Technik zutreffend bestimmt werden kann, weisen gegenwärtig verfügbare Berechnungsmodelle für die axiale Steifigkeit untereinander große Unterschiede auf und entsprechende Berechnungsergebnisse sind daher fallweise widersprüchlich. Dies liegt in der Wahl der Prüfmethode zur Ermittlung der axialen Steifigkeit begründet. In der Forschungsarbeit wurden unterschiedliche Prüfmethoden zur Ermittlung der axialen Steifigkeit erprobt und analysiert. Auf Grundlage der Versuchsergebnisse wurde schließlich eine Prüfmethode identifiziert, die mit Experimenten an nachgiebig verbundenen Biegeträgern erfolgreich validiert wurde. Aufbauend auf den systematisch durchgeführten Versuchen wurden Berechnungsmodelle für die axiale Steifigkeit entwickelt.

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Harald Krenn
Die Stahlblech-Holz-Laschenverbindung mit schrägen Schrauben
Monographic series TU Graz - Timber engineering and technology, Band 7
2018, 470 S., 22.5 cm, Softcover
Verlag der Technischen Universität Graz

 

 

Die zum Thema der Stahlblech-Holz-Zuglaschenverbindung mit geneigt angeordneten selbstbohrenden Holzschrauben steht in erster Linie im Zeichen nach der Frage der wirksamen Anzahl von Verbindungsmitteln. Darüber hinaus wurden die wesentlichen Einflussparameter auf die Bemessung dieser Verbindungstechnik untersucht. Eine allgemein gehaltene Einleitung zur Thematik der Verbindungstechnik im Holzbau und der Verbindungen mit selbstbohrenden Holzschrauben im Besonderen ist gefolgt von einer umfangreichen Literaturstudie hinsichtlich der Gruppenwirkung von Verbindungen mit stiftförmigen Verbindungsmitteln. Es kristallisierten sich neben der Verbindungsgeometrie und den holzspezifischen Eigenschaften, vor allem das Last-Verschiebungs-Verhalten des einzelnen Verbindungsmittels als maßgebliche Einflussparameter auf die Lastverteilung in einer Reihe heraus. In einer umfangreichen Laborstudie mit Stahlblech-Holz-Zuglaschenverbindungen und unter 45° bzw. 30° zur Faserrichtung geneigt eingedrehten selbstbohrenden Holzschrauben mit Teil- oder Vollgewinde, wurde neben dem Last-Verschiebungs-Verhalten der Verbindung insbesondere die Abhängigkeit der bemessungsrelevanten Größen Tragfähigkeit und Steifigkeit von der Anzahl der gleichzeitig beanspruchten Verbindungsmittel untersucht. Die hohe Leistungsfähigkeit und die Praxistauglichkeit dieser Verbindungstechnik konnte damit unter Beweis gestellt werden. Auf Basis vorhandener mechanischer Modelle wurden die, aus den experimentellen Untersuchungen ermittelten, Eingangsgrößen zur rechnerischen Ermittlung der wirksamen Anzahl untersucht. Das im Labor festgestellte Verhalten konnte damit in befriedigendem Maße bestätigt werden. Den Abschluss der Arbeit bildet die Vorstellung eines Bemessungsmodells für Stahlblech-Holz-Zuglaschenverbindungen für verschiedene Winkel zwischen Schraubenachse und Faserrichtung des Holzes. Die zugehörigen Anwendungsgrenzen sowie notwendige Hinweise für die Baupraxis bilden dabei den Rahmen für die praktische Anwendbarkeit dieser Regeln.

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Tobias Schmidt
Kontaktverbindungen für aussteifende Scheiben aus Brettsperrholz
Karlsruher Berichte zum Ingenieurholzbau, Band 33
Dissertationsschrift
2018, 268 S., graph. Darst. 210 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Brettsperrholzelemente sind aufgrund ihrer hohen Schubtragfähigkeit und Schubsteifigkeit, verglichen mit anderen Holzbausystemen, besonders geeignet, um Einwirkungen in Scheibenebene abzutragen und damit Gebäude auszusteifen. Gleichwohl weisen heute gebräuchliche Verbindungstechniken vergleichsweise geringe Tragfähigkeits- und Steifigkeitswerte auf. Um diese Einschränkung zu überwinden wurden leistungsfähige Kontaktverbindungen für statische Einwirkungen und Erdbebeneinwirkungen entwickelt.

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Dietrich Töws
Holztafelbau mit klebstofffreien Beplankungen
Karlsruher Berichte zum Ingenieurholzbau, Band 32
Dissertationsschrift
2017, 254 S., graph. Darst. 210 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Es wurden klebstofffreie Beplankungssysteme entwickelt und hinsichtlich ihrer Anwendungsmöglichkeiten als Beplankung in aussteifenden Holztafeln beurteilt. Einen Schwerpunkt stellte die Entwicklung unterschiedlicher Verbindungslösungen und deren wissenschaftliche Untersuchung in klein- und großformatigen Versuchen dar. Auf der Grundlage dieser Versuche erfolgte die Bemessung und die computergestützte Berechnung der Holztafeln mit klebstofffreien Beplankungen.

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Forschungsberichte

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Ulrike Kuhlmann, Julius Gauß
Optimierung und Systematisierung von Anschlüssen im Holzbau zur Verbreitung der ressourcenschonenden Bauweise
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3185
2020, 190 S., 168 Abb. u. 19 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Komplexe, momententragfähige Anschlüsse im Holzbau werden derzeit meist als Unikate entworfen und bemessen. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, die Bemessung komplexer Anschlussgeometrien im Holzbau zu vereinfachen und zu systematisieren und somit die Akzeptanz des Werkstoffs Holz in anspruchsvollen Ingenieurtragwerken zu erhöhen. Dies kann durch die Anwendung der Komponentenmethode erreicht werden, durch die mit Hilfe eines standardisierten Vorgehens, dem Zerlegen des Knotens in durch Federn charakterisierte Komponenten, die Bemessung unterschiedlicher Anschlüsse in Bezug auf die Tragfähigkeit und Steifigkeit ermöglicht wird. Durch dieses Projekt soll die in anderen Bauweisen schon übliche Komponentenmethode im Holzbau ermöglicht und der Zugang der Praxis zu diesem Verfahren durch eine Zusammenstellung typischer Komponenten und eines Bemessungsbeispiels erleichtert werden.

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H.J. Blaß
Herauswandern von Nagelplatten aus dem Holz - Identifizierung wesentlicher Einflussparameter
Abschlussbericht.
Bauforschung, Band T 3379
2020, 12 S., 4 Abb. u. 1 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

In den letzten Jahren wurden zunehmend Schadensfälle in Dachkonstruktionen mit Nagelplattenbindern beobachtet, die auch durch das Herauswandern von Nagelplatten aus dem Holz verursacht wurden. Bereits ein Herauswandern von 1 mm kann zu signifikanten Reduzierungen der Tragfähigkeit von Nagelplattenverbindungen führen. Deshalb wurden im Forschungsprojekt besonders gefährdete Dachkonstruktionen mit Nagelplatten untersucht. Dazu wurden mögliche Parameter und ihre Kombinationen identifiziert und ihr Einfluss auf das Herauswandern von Nagelplatten abgeschätzt. Zusätzlich wurden Empfehlungen abgeleitet, wie bei der Errichtung von baulichen Anlagen mit Dachkonstruktionen in Nagelplattenbauweise im Hinblick auf Mindestanforderungen an Nagellänge oder Nagelform vorgegangen werden sollte.

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Stefan Loebus, Stefan Winter
Zweiachsige Tragwirkung bei Holz-Beton-Verbundkonstruktionen - Entwicklung von Bemessungsverfahren und Konstruktionsdetails für zweiachsige Lastabtragung bei der Holz-Beton-Verbundbauweise. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3022
2017, 186 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Mit der Holz-Beton-Verbundbauweise existiert ein System mit einer guten Kombination aus Tragfähigkeit, Schallschutz und Brandschutz. Aktuell ist diese Bauweise auf einachsig lastabtragende Systeme begrenzt. Mit dem Brettsperrholz sind große flächige Holzelemente mit zweiachsigem Lastabtragpotential verfügbar. Die Vorteile beider Bauweisen werden in dem behandelten System des Forschungsvorhabens kombiniert. In dem Forschungsvorhaben konnte die grundsätzliche Eignung und Anwendbarkeit der zweiachsigen Tragwirkung der Holz-Beton-Verbundbauweise nachgewiesen werden. Neben der Klärung des Tragverhaltens in experimentellen Untersuchungen und FEM-Simulationen waren Konstruktions- und Bemessungsvorschläge für diese Bauweise zu erarbeiten.

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Jürgen Schnell, Christian Kohlmeyer, Fadi Mikdad
Untersuchung von Schubnocken aus hochfestem Beton zur Schubverbindung in Holzverbundträgern. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2994
2016, 94 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Der Verbundbau hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. In diesem Zusammenhang ist in erster Linie der Stahl-Beton-Verbundbau zu nennen, doch auch Holz wird zunehmend in Verbundkonstruktionen eingesetzt. Die Holz-Beton-Verbundbauweise wird seit den 80er Jahren nach längerem Stillstand wieder zunehmend erforscht, hat in Deutschland aber bei Weitem nicht den Stellenwert wie in anderen europäischen Ländern. In diesem Forschungsvorhaben wurde das Trag- und Verformungsverhalten von Schubnocken aus hochfestem Beton als Schubverbindung für Holzverbundträger untersucht. Bei diesem Verbundmittel wird der Verbund zwischen Holzbalken und dem Betongurt durch in den Holzbalken einbetonierte Schubnocken aus hochfestem Beton sichergestellt.

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Ulrike Kuhlmann, Frank Brühl
Robustheit durch duktile Anschlüsse im Holzbau
Bauforschung, Band T 3312
2015, 125 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Robustheit gegenüber außergewöhnlichen Einwirkungen ist eine Forderung an Tragwerke, die immer mehr an Bedeutung gewinnt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Auslegung von duktilen Anschlüssen, um einem sicherheitsgefährdenden, spröden Anschlussversagen entgegenzuwirken. Des Weiteren wird die Anschlussduktilität im Hinblick auf die Robustheit eines Tragwerkes am Beispiel einer seismischen Belastung bewertet. Duktile Anschlüsse entziehen sich durch Verformungen einer weiteren Belastung. Dadurch sind derartige Systeme in der Lage, durch Schnittgrößenumlagerung außergewöhnliche Belastungen zu kompensieren. Um Kenntnisse über die Verformbarkeit von Verbindungsmitteln zu erhalten, sind verschiedene Verbindungsmittel hinsichtlich ihres duktilen Verhaltes untersucht worden. Hierbei zeigte sich, dass neben stiftförmigen Verbindungsmitteln auch Dübel besonderer Bauart über eine beachtliche Verformbarkeit verfügen. Aufgrund der Bestimmungen nach DIN EN 26891 wurden die Versuche jedoch bei einer Verformung von 15 mm abgebrochen, sodass die ermittelte Kenngröße nicht das gesamte Verformungsvermögen widerspiegelt. Im Rahmen eines weiteren Forschungsvorhabens wurden Stabdübelanschlüsse entworfen und hinsichtlich ihres plastischen Verhaltens ausgewertet. Dabei wurde der Stabdübeldurchmesser sowie die Anordnung der Verbindungsmittel variiert. Die Versuchsergebnisse zeigten ein ausgeprägtes Verformungsverhalten. Basierend auf den vorangegangenen Untersuchungen wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens, quasi-statisch, zyklische Verbindungen geprüft, um duktile Anschlüsse unter einer seismischen Belastung bewerten zu können. Es zeigte sich, dass derartige Verbindungen neben einer ausgeprägten statischen Verformbarkeit ebenfalls über eine beachtliche Verformbarkeit unter einer zyklischen Beanspruchung verfügen. Holz besitzt streuende Materialeigenschaften, die das Trag- und Verformungsverhalten beeinflussen. Neben dem Einfluss des streuenden E-Moduls auf die Trägerendrotationen wurde ein erster Faktor bestimmt, der sicherstellt

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Schrentewein, Thomas
Nagel trifft Schraube. Verbindungstechnik
Der Zimmermann, 2020

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Heiß, Daniel
Befestigungen durch WDVS in Untergründen aus Holz. Verankerungen
Der Zimmermann, 2020

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Romstedt, Uwe
Zink oder Edelstahl? Korrosionsschutz
Bauen mit Holz, 2020

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Jacob-Freitag, Susanne
Verbindungen mit Tragweite. Fachwerkträger
Der Zimmermann, 2020

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Mehl, Robert
Ökologisch, regional und digital. Moderner Blockbau - Prototyp aus gefrästen Kanthölzern
Dach und Holzbau, 2019

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