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Forschungsbericht: Entwicklung leistungsfähiger, geklebter Verbindungen für Rahmenecken und Stützenanschlüsse unter Verwendung hochfester Anschlußelemente

Entwicklung leistungsfähiger, geklebter Verbindungen für Rahmenecken und Stützenanschlüsse unter Verwendung hochfester Anschlußelemente

Bau- und Wohnforschung
Simon Aicher, Jürgen Herr, Volker Bornschlegl
Forschungs- und Materialprüfungsanstalt Baden-Württemberg -FMPA-, Otto-Graf-Institut, Abteilung 1 Baustoffe, Stuttgart
1997, 170 S.
Fraunhofer IRB Verlag

Kurzbericht [PDF] deutsche Version
Short Version [PDF] englische Version
Version abrégée [PDF] französische Version

Inhalt

Stangen und Platten aus Stahl, die in das Brettschichtholz biegesteifer Rahmenecken und Stützenanschlüsse eingeklebt werden, nutzen die Bauteiltragfähigkeit deutlich besser aus als bei Verbindungen mit Keilzinkenvollstoß oder Dübelkreis. Lassen sich dazu noch die verstärkten Ecken und Anschlüsse demontieren, verschrauben oder verschweißen, sind wesentliche Kosteneinsparungen wegen des effektiveren Transports von Stielen und Riegeln zur Baustelle und wegen des insgesamt rationelleren Bauablaufs ein weiterer Vorteil. Zur Weiterentwicklung biegesteifer, leistungsfähiger Brettschichtholz-Verbindungen untersuchte man mit der Methode der finiten Elemente den Einfluss von Armierungsanordnungen auf den Spannungsverlauf im Eckbereich. Ein vereinfachter analytischer Berechnungsansatz ist erarbeitet worden, dessen Resultate mit denen der Finite-Elemente-Analysen gut übereinstimmen. Auszugsversuche mit axial beanspruchten, in das Brettschichtholz faserparallel eingeklebten Stahl-Gewindestangen dienten zur Abschätzung von Rahmentragfähigkeiten. Neben einem Kalibrierversuch mit einer keilgezinkten Ecke wurden vier gleich große, stahlverstärkte Rahmenecken unterschiedlicher Konstruktion bei negativem Biegemoment experimentell untersucht. Die Eckenspannweite des Rahmens betrug 6,5 m und der Öffnungswinkel der Rahmenschenkel 110 Grad. Das Brettschichtholz entsprach der Festigkeitsklasse BS 16h und hatte einen Querschnitt von 160 x 700 mm. Die Traglasten der verstärkten Rahmenecken erhöhten sich im Mittel auf das 1,55fache der Traglast der keilgezinkten Rahmenecken

Verfügbare Formate

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1
2 Auswertung des Schrifttums 2
2.1 Rahmenecken und Stützenanschlüsse 2
2.2 Untersuchungen zu Brettschichtholz-Gewindestangen- und Brettschichtholz-Stahlplatten-Verklebungen 7
3 Rechnerische Untersuchungen 9
3.1 Finite-Element-Berechnungen zu Rahmeneckenausbildungen mit eingeklebten Gewindestangen 9
3.1.1 Allgemeines zur Modellierung 10
3.1.2 Ergebnisse der linear elastischen FE-Berechnungen 12
3.2 Gleichgewichtsmodell für die resultierenden Kräfte 18
3.3 Umlenkdruckspannungen 27
4 Zusammenstellung bekannter Versuchsergebnisse und Bemessungsvorschläge für faserparallel in Brettschichtholz eingeklebte, axial beanspruchte Gewindestangen mit metrisebem Gewinde 30
4.1 Untersuchungen und Bemessungsvorschlag nach Möhler und Hemmer 31
4.2 Untersuchungen und Bemessungsvorschlag nach Riberholt 32
4.3 Untersuchungen und Bemessungsvorschlag nach Ehlbeck et al. sowie Gerold 34
4.4 Untersuchungen und Bemessungsvorschlag nach Blaß et al. für rechtwinklig zur Faserrichtung eingeklebte Gewindestangen 35
4.5 Bemessungsvorschlag in prENV 1995-2 36
5 Untersuchungen an in Brettschichtholz eingeklebten, axial beanspruchten Stahl-Gewindestangen speziell mit großen Einbindelängen 37
5.1 Allgemeines 37
5.2 Versuchsprogramm 38
5.3 Einklebetechnik 40
5.4 Versuchsanordnung und -durchführung 41
5.5 Versuchsergebnisse 42
5.6 Vergleichende Bewertung der Versuchsergebnisse mit großen Einbindelängen mit bekannten Bemessungsvorschlägen 45
6 Anmerkungen zu den Bauteiluntersuchungen 47
6.1 Versuchsaufbau für Traglastuntersuchungen an Rahmenecken in Bauteilabmessungen 47
6.2 Dehnungsmessungen 49
7 Experimentell untersuchte Rahmeneckenvarianten 50
7.1 Allgemeines 50
7.2 Bauartbeschreibungen 52
7.2.1 Rahmenecke II 52
7.2.2 Rahmenecke III 53
7.2.3 Rahmenecke IV 56
7.2.4 Rahmenecke V 58
8 Allgemeines zur Versuchsdurchführung 61
9 Versuchsergebnisse . 61
9.1 Rahmenecke II 62
9.2 Rahmenecke III 66
9.2.1 Globale Last-Verschiebungscharakteristik und Bruchverhalten 66
9.2.2 Gewindestangenkräfte 68
9.2.3 Dehnungsmessungen 70
9.2.4 Vergleich gemessener und rechnerischer Dehnungs- bzw. Spannungsverteilungen 70
9.3 Rahmenecke IV 71
9.4 Rahmenecke V 72
9.4.1 Globale Last-Verschiebungscharakteristik 72
9.4.2 Gewindestangenkräfte und Dehnungsmessergebnisse 75
10 Zusammenfassung 77
11 Literatur 84

Publikationslisten zum Thema:
Rahmenecke, Stützenanschluss, Verstärkung, Stahlplatte, Gewindestange, Brettschichtholz, Ingenieurholzbau, Versuch, Finite-Elemente-Methode, Traglasterhöhung, Berechnung, Armierung,

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.

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.

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.

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.

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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Optimierung und Systematisierung von Anschlüssen im Holzbau zur Verbreitung der ressourcenschonenden Bauweise

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.

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.

Zweiachsige Tragwirkung bei Holz-Beton-Verbundkonstruktionen - Entwicklung von Bemessungsverfahren und Konstruktionsdetails für zweiachsige Lastabtragung bei der Holz-Beton-Verbundbauweise. Abschlussbericht

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.

Untersuchung von Schubnocken aus hochfestem Beton zur Schubverbindung in Holzverbundträgern. Abschlussbericht

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.

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

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

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

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

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

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

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