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Light frame timber walls in regions of low to moderate seismicity

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[Quelle: https://www.research-collection.ethz.ch]

Im Rahmen eines Forschungsprojekts werden, basierend auf verhaltensorientierten Bemessungsmethoden (Performance Based Design), die Grenzen der Anwendbarkeit von Holzrahmenwänden (HRW), beplankt mit OSB-Panels sowie Gipsfaserplatten als Aussteifung von mehrgeschossigen Holzbauten bei niedriger bis moderater Seismizität aufgezeigt. Die Analyse wird für vier Intensitäten der Erdbebeneinwirkung, charakterisiert durch die Bemessungswerte der horizontalen Bodenbeschleunigung von 0.6, 1.0, 1.3 und 1.6 [m=s2], durchgeführt. Bei der Analyse der HRW wurde vom Verhalten eines einzelnen Verbindungsmittels (VM) (Nagel bzw. Klammer) ausgegangen. Die Antwort der VM einer Holzverbindung auf zyklische Beanspruchung wurde anhand von Versuchen ermittelt. Die dabei ermittelten Hysteresen der einzelnen VM wurden in das Computer-Programm MCASHEW- (ein MatLab-basiertes Programm), entwickelt durch Folt und Filiatrault (2002) eingegeben. Eine 10-parametrige Stewart- Hysterese für das jeweilige VM und für die jeweilige Wandkonfiguration wurden generiert. Im nächsten Schritt wurden für jede untersuchte Wandlänge von 2.4, 3.0, 3.6, 4.2 und 4.8 [m] die auf den Stewart-Hysteresen basierten SAWS-Materialeigenschaften (Seismic Analysis of Woodframe Structures) in der Open Source Software OPENSEES modelliert und eine komplette modale, Pushover sowie Nonlinear Time History Analysis (NLTHA) durchgeführt. Als Input für die NLTHA wurden 10 von 3551 realen Erdbebenaufzeichnungen vom Paci c Earthquake Research Center (PEER), genannt Next Generation Attenuation (NGA) Datenbank ausgesucht und nach bestimmten Kriterien auf die erforderlichen, den Gefährdungsstufen entsprechenden Antwortspektren-Niveaus skaliert. Die Ergebnisse der Pushover und der NLTHAAnalyse beinhalten sämtliche Bewegungsgrössen für alle Freiheitsgrade, gegenseitige Stockwerksverschiebungen (Interstory Drift Ratios (IDR)), verschiedene Niveaus des Duktilitätsbedarfs, Grundschwingzeiten, Schwingungsformen sowie Verankerungskräfte in den Zugankern. Als ergebnisbestimmende Parameter wurden Grundschwingzeiten T 1:7[s], ein Duktilitätsbedarf 3, eine maximale gegenseitige Stockwerkverschiebung IDR 0:8%, für HRW beplankt mit Gipsfaserplatten sowie IDR 2:5% für HRW beplankt mit OSB-Panels und eine Kraft in der Verankerung FHD 725[kN] gewählt. Darüber hinaus wurden im Rahmen der Schadensanalyse die Schadensindexe DI 0:8 für HRW beplankt mit Gipsfaserplatten bzw. DI 0:7 für HRW beplankt mit OSB Panels als limitierende Grössen festgelegt. Das Ergebnis der Analyse sind zulässige Massen und eine zulässige Anzahl Geschosse von Holzbauten für die untersuchten Gefährdungsstufen, wobei für jede untersuchte Konfiguration eine der oben genannten Parametergrenzen erreicht wurde. Gleichzeitig wird die Gebrauchstauglichkeit unter Windeinwirkung kontrolliert. Für die Erfüllung des Kriteriums der Gebrauchstauglichkeit wurde der Ausnutzungsgrad des Tragwerks infolge Windeinwirkung auf 55% = Fy 1:8 der Fliesskraft Fy begrenzt. Dieser Beitrag geht auf die Frage der Anwendbarkeitsgrenzen für aussteifende Standard- Holzrahmenwände (HRW) als Teil mehrgeschossiger Holzbauten in europäischen Regionen mit niedriger bis moderater Seismizität ein. Es wird gezeigt, dass die hier untersuchten HRW, dank deren hervorragenden Eigenschaften, in bis zu 8-stöckigen Holzbauten als aussteifende Elemente ausreichenden Schutz gegen Erdbebeneinwirkung bieten und in mehrgeschossigen Holzbauten weiterhin erfolgreich eingesetzt werden können. Die Erdbebeneinwirkung wird für jede Stufe der Erdbebengefährdung, charakterisiert durch Bemessungswerte der horizontalen Bodenbeschleunigungen von 0.6, 1.0, 1.3 und 1.6 [m=s2], durch entsprechende Antwortspektren repräsentiert. Die Bandbreite der in dieser Arbeit berücksichtigten Bodenbeschleunigungen deckt gemäss [89] weite Teile Europas bezüglich der dort herrschenden Erdbebengefährdung ab. Die Ergebnisse der Pushover Analyse werden mittels einer Nonlinear Time History Analysis (NLTH) verifiziert. Die hier vorgestellte Parameterstudie stützt sich auf das im Rahmen des Programms des Consortium of Universities for Research in Earthquake Engineering (CUREE), 2002 von Folz und Filiatrault entwickelte MatLab basierte Programm MCASHEW (Cyclic Analysis of Shear Walls). Es handelt sich dabei um ein Programm für die Analyse von HRW unter monotoner und zyklischer Beanspruchung von ein- und mehrstöckigen Strukturen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Programm lediglich für die Evaluation des 10-parametrischen, mechanischen Modells eines einstöckigen HRW-Elementes verwendet. Die Ergebnisse der auf dem mechanischen MCASHEW-Modell basierenden parametrischen Studie wurden zusätzlich mit einem unabhängigen Wekzeug nämlich der Incremental Dynamic Analysis (IDA) überprüft. Schliesslich wurden lediglich diejenigen Ergebnisse, die beide Analysen bestanden haben, als solche anerkannt. Im Vorfeld wurde ein für die Handrechnung geeignetes, auf dem energetischen Ansatz von Mc- Cutcheon basierendes Verfahren für die Ermittlung der nichtlinearen Kraft-Verformungsbeziehung einer HRW vorgestellt. Das letztere Verfahren kann auf mehrgeschossige Bauten im Rahmen einer Erdbebenanalyse angewandt werden. Die Handrechnung dient der Ermittlung der nichtlinearen F-Beziehung, ermöglicht den Vergleich mit den Ergebnissen der Computergestützten Analyse sowie der Ermittlung weiterer, für die Analyse der HRW wichtigen Parameter, die durch die oben genannte Software nicht direkt ermittelt werden können.

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Forschungsberichte

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Thomas Oberndorfer, Frank Hunger, Oliver Fischer
Ultra High Performing Timber Walls - Einsatz von schlanken Lamellen aus ultrahochfestem Beton in Brettsperrholzelementen zur Steigerung der Tragfähigkeit
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Bei mehrgeschossigen Hochbauten ergeben sich vor allem in den unteren Etagen hohe Vertikallasten in den tragenden Wandscheiben. Durch die Kombination von ultrahochfestem Beton mit Holz soll ein nachhaltiger und hochleistungsfähiger Verbundwerkstoff geschaffen werden, der sich neben den allgemeinen Vorzügen von Holz insbesondere durch seine hohe und an die örtliche Belastung anpassbare Tragfähigkeit auszeichnet. Das Forschungsprojekt konnte zeigen, dass eine tragfähige Verklebung von ultrahochfestem Beton und Holz mit zugelassenen Klebstoffen, die in der Brettsperrholzproduktion üblich sind, hinsichtlich des Kurzzeittragverhaltens herstellbar sind.

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Ondrej Kyjanek, Oliver David Krieg, Tobias Schwinn, Achim Menges
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Der Holzbau basiert heute auf Leichtbausystemen mit einem sehr hohen Vorfertigungsgrad. Der Automatisierungsgrad der Fertigung im Holzbau ist jedoch im Vergleich zu anderen Industriebranchen immer noch sehr gering. Ziel dieses Projektes ist es daher, einen möglichen Einsatz der Mensch-Roboter-Kooperationsfertigung zu analysieren und zu bewerten, um den Automatisierungsgrad in der Holzbauvorfertigung zu erhöhen und flexibel zu halten. Die Forschungsarbeit verfolgt einen vierstufigen Forschungsansatz bestehend aus Analyse, Systematisierung, Entwicklung und Evaluierung: basierend auf der Analyse des aktuellen Stands der Technik im Holzbau und der verfügbaren Technologien der Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) und der Systematisierung der Ergebnisse, werden praktikable MRK-Workflows entwickelt und diese abschließend durch eine Reihe von Produktionssystemprototypen bewertet.

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Für den gesetzlich geforderten Schallschutznachweis ist eine Prognose der Schallemissionen von Installationsgeräuschen und gebäudetechnischen Anlagen sowie der Köperschallübertragung im Gebäude erforderlich. Für den Holzbau sind hierfür bislang keine Prognoseverfahren verfügbar. Somit kann der Nachweis des geforderten Schallschutzes im Holzbau formal nur durch bauakustische Messungen im ausgeführten Gebäude erbracht werden. Hierfür wird ein empirisches Verfahren basierend auf gemessenen Übertragungsfunktionen vorgeschlagen. Um ein empirisches Prognosemodell abzuleiten, wurden die vorhandenen Daten anhand von Kategorien gruppiert. Aus diesen Gruppen wurden repräsentative Spektren für die Übertragungsfunktionen abgeleitet. Damit ist nun erstmals eine Abschätzung des resultierenden Schalldruckpegels im Holzbau möglich.

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Stefan Bacher, Camille Châteauvieux-Hellwig, Melina Martin, Thomas Ecker, Michael Rudolph, Andreas Rabold
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Bei der Planung von modernen Büro- und Wohngebäuden ist vor allem im Bereich der mehrgeschossigen Bauweise i.d.R. ein Flachdach oder ein flachgeneigtes Dach mit ausgebautem Dachgeschoß vorgesehen. Mangelnde Planungsdaten erschweren es gerade klein- und mittelständigen Unternehmen, zu denen sehr viele Holzbaubetriebe gehören, den Einstieg in den mehrgeschossigen Holzbau, der nicht nur aus ökologischer Sicht vorteilhaft ist. So wurden auch in der neuen DIN 4109 nur drei Aufbauten für leichte Flachdächer berücksichtigt. Die Zielsetzung des Projektes besteht daher in der Bereitstellung von Planungsunterlagen für verschiedene Konstruktionsvarianten von Flachdächern und leicht geneigten Dächern, die insbesondere den Anforderungen an den Schallschutz genügen sowie den weiteren Leistungseigenschaften wie Wärme- und Feuchteschutz entsprechen. Die Untersuchungen wurden an praxisnahen Dachaufbauten durchgeführt, um die Einflussgrößen auf die Schalldämmung von Flachdächern und leicht geneigten Dächern beschreiben und Planungsunterlagen gut geeigneter Konstruktionen zur Verfügung stellen zu können.

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Catherina Thiele, Dirk Lorenz, Thomas Scherer, Stephan Birk, Sebastian Simon
Leitungsdurchführungen im Holzbau
Abschlussbericht LeitHolz.
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2019, 118 S., 55 Abb. u. 19 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Forschungsprojekt "Leitholz" beschäftigte sich mit der Anwendung und Prüfung von Leitungsabschottungen im Holzbau. Bekannte, im Massiv- oder Trockenbau zugelassene, Abschottungssysteme sollten bezüglich ihrer Anwendbarkeit im Holzbau untersucht werden. Weiterhin sollte überprüft werden, ob die Prüfbedingungen für Abschottungen im Massivbau auf Abschottungen in Holzbauteilen übertragen werden können. Aktuell stellt zur Leitungsabschottung im Holzbau eine gewerkübergreifende Lösung die gängige Praxis dar. An der Stelle der Leitungsdurchführung wird der Werkstoff Holz durch ein massives Bauteil (Beton / Mörtel) substituiert. Die Leitungsabschottung erfolgt dann innerhalb des massiven Bauteils. Abschottungssysteme können unter nicht wesentlicher Abweichung von ihren Anwendbarkeitsnachweisen eingebaut werden. Im Forschungsprojekt wird eine neue Methode "Holz-in-Holz" erarbeitet. Ziel ist an der Stelle der Leitungsdurchführung nicht weiter einen anderen Werkstoff einzubringen. Die Abschottung soll in Holzmodulen stattfinden.

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Zeitschriftenartikel

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Bertagnolli, Stephan
Auf den Punkt berechnet
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Jahresbericht 2022 (kostenlos)
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Aondio, Patrik; Glaser, Peter
Feuchteprävention im modernen Holzbau. Herausforderungen für die Zukunft
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Schwind, Wolfgang
Berechnung von Schneelasten
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Lattke, Frank
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