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Forschungsbericht: Wirkungsweise von eingeleimten Gewindestangen bei der Aufnahme von Querzugkräften in gekrümmten Biegeträgern und Entwicklung von Bemessungsgrundlagen. Tl.3

Wirkungsweise von eingeleimten Gewindestangen bei der Aufnahme von Querzugkräften in gekrümmten Biegeträgern und Entwicklung von Bemessungsgrundlagen. Tl.3

Bauforschung, Band T 2744
Hans Joachim Blaß, O. Eberhart, J. Ehlbeck, M. Gerold
1996, 86 S.
Fraunhofer IRB Verlag

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Inhalt

Ziel war es, ein Rechenmodell zur Beschreibung der Wirkungsweise von eingeleimten Gewindestangen in verstärkten, gekrümmten Brettschichtholz-Trägern zu entwickeln. Neben ergänzenden Grundlagenversuchen zur Bestimmung der Haftfestigkeit von rechtwinklig zur Faserrichtung eingebrachten, axial beanspruchten Gewindestangen wurden dazu auch Bauteilversuche sowohl mit ausgeklinkten als auch mit gekrümmten Brettschichtholz-Trägern durchgeführt. Die Untersuchungen beschränkten sich auf rechtwinklig zur Faserrichtung des Holzes eingebrachte Gewindestangen bei Verwendung unterschiedlicher Leime und Gewindestangen unterschiedlicher Stahlsorten, Durchmesser und Gewindeausbildungen. Die Versuchsergebnisse zeigten, daß es möglich und sinnvoll ist, sowohl unterschiedliche Leimarten als auch unterschiedliche Gewindestangen in einer Bemessungsgleichung zusammenzufassen. Die Ergebnisse der Bauteilversuche mit ausgeklinkten Brettschichtholz-Trägern zeigen trotz der geringen Anzahl von Versuchen, daß die Ausklinkungen im Widerspruch zu den Erläuterungen der DIN 1052 ohne Ausrundung ausgeführt werden können. Auch war ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die maximalen Querspannungen im verstärkten Träger abgeschätzt werden können und ein Bemessungsverfahren für die Verstärkungen zu entwickeln. Dieses Bemessungsverfahren ermöglicht es, abhängig von der gewählten Festigkeitsklasse des Holzes und der Gewindestange, der Einleimlänge und der vom Anwender gewählten zulässigen Holzquerzugspannung die Verstärkung zu dimensionieren.

Inhaltsverzeichnis

1 Allgemeines 4
2 Grundlagenversuche 5
2.1 Allgemeines 5
2.2 Bemessungsvorschläge aus der Literatur 6
2.2.1 MÖHLER und HEMMER, 1981 6
2.2.2 RIBERHOLT, 1988 und JOHANSSON, 1995 7
2.3 Vergleich zwischen Versuchsergebnissen und Bemessungsvorschlag 8
2.4 Versuche 10
2.4.1 Versuchsprogramm 10
2.4.2 Versuchsmaterial 12
2.4.2.1 Holz 12
2.4.2.2 Leime 13
2.4.2.3 Gewindestangen 13
2.4.3 Geometrie und Herstellung der Versuchskörper 14
2.4.4 Versuchsaufbau 18
2.4.5 Versuchsdurchführung 19
2.4.6 Ergebnisse und Auswertung der Ausziehversuche 20
2.4.6.1 Allgemeines 20
2.4.6.2 Haftspannungs-Verformungsverhalten der geprüften Verbindungen 2l
2.4.6.3 Auswertung der Versuche mit spröden Leimen 23
2.4.6.4 Auswertung der Versuche mit nichtspröden Leimen 23
2.4.6.5 Auswertung der Versuche ohne Leim 23
2.4.6.6 Diskussion der Versuchsergebnisse 24
2.4.7 Bemessungsvorschlag 25
2.5 Zusammenfassung 26
3 Rechtwinklig ausgeklinkte BS-Holz-Träger .27
3.1 Grundlagen 27
3.2 Bemessung von Ausklinkungen 27
3.3 Verstärkungsmethoden 28
3.4 Versuche 30
3.4.1 Versuchsprogramm und -material 30
3.4.2 Versuchskörper und -aufbau 31
3.4.3 Versuchsdurchführung 31
3.4.4 Versuchsergebnisse 32
3.4.5 Versuchsauswertung 34
3.5 Zusammenfassung 35
4 Entwicklung eines Bemessungsvorschlages für mit eingeleimten Gewindestangen verstärkte Bauteile 36
4.1 Allgemeines 36
4.2 Frühere Untersuchungen 36
4.3 Mechanisches Modell 37
4.3.1 Allgemeines 37
4.3.2 Verwendete Formelzeichen 37
4.3.3 Herleitung der Gleichungen für die größte vorhandene Querzugkraft (im unverstärkten Träger) 39
4.3.4 Entwicklung eines Rechenmodells zur Berechnung der Verstärkung durch Gewindestangen 39
4.3.4.1 Bestimmung der Verhältniszahl 40
4.3.4.2 Zusammenstellung der Gleichungen 42
4.3.5 Rechenmodell zur Bestimmung der erforderlichen Trägerverstärkungen.42
4.4 Untersuchung der verschiedenen Einflussparameter des Rechenmodells 44
4.4.1 Mögliche Stabdurchmesser und -abstände, Anwendungsbereiche des Rechenmodells (bzw. der Verstärkungen) 44
4.4.2 Untersuchung zur Variation des Gewindestangendurchmessers und -abstands 45
4.4.3 Einfluss verschiedener Brettschichtholzgütern 46
4.5 Bemessung 47
5 Versuche mit verstärkten, gekrümmten BS-HoIz-Trägern zur Überprüfung des Rechenmodells 49
5.1 Allgemeines 49
5.2 Versuchsprogramm und -material 49
5.3 Versuchsaufbau und Lage der Messeinrichtungen 51
5.4 Versuchsdurchführung 53
5.5 Ergebnisse und Auswertung der Bauteilversuche 53
6 Vergleich der Versuchsergebnisse mit dem Rechenmodell 55
6.1 Biege- und Schubspannungsnachweis 55
6.2 Nachweis der Verstärkungsmaßnahme 55
7 Zusammenfassung 58
8 Literatur 60

Publikationslisten zum Thema:
Brettschichtholz, Bemessung, Berechnung, Leim, Tragverhalten, Rechenmodell, Großversuch, Verstärkung, Gewindestange, Querzugkraft, Dimensionierung, Querspannung, Versuch,

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Diese Beispielsammlung zeigt die praktische Bemessung verschiedener Bauteile und Verbindungselemente nach dem aktuellen Eurocode 5 (EC 5), dem zugehörigen Nationalen Anhang (NA) und den jeweiligen Änderungen A1 und A2. Weiterhin sind die Regelungen der neuen Brettschichtholznorm DIN EN 14080:2013-09 berücksichtigt. Die Aufgaben basieren auf dem Inhalt des Lehrbuches ?Holzbau: Grundlagen ? Bemessungshilfen?. Es zeigt den Studenten des Fachgebiets Holzbau und den berufstätigen Bauingenieuren die praktische Anwendung der neuen Holzbaunorm. Erweitert wurde die 6. Auflage um eine umfassende Formelsammlung.

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Die 5. Auflage aus der Reihe der Bauwerk-Basis-Bibliothek informiert umfassend über den Holzbau nach Eurocode 5. Alle Angaben sind auf dem neusten Stand nach DIN EN 1995-1-1:2010-12, DIN EN 1995-1-1/NA:2013-08 und DIN EN 1995-1-1/A2:2014-07 - und mit der bauaufsichtlichen Einführung der EC-Regelungen (seit Juli 2012) ist der Bedarf an Praxiswissen dazu noch einmal gestiegen. Diese Themen stehen im Mittelpunkt: -Konstruktionen aus Holz und Holzwerkstoffen; - Baustoffe, Dauerhaftigkeit, Brandschutz, Schnittgrößen, Verbindungen und vieles mehr; - Veranschaulichung am Bespiel eines Wohnhauses und Hallentragwerks; - Beispiele beziehen sich zielgerichtet auf die Bemessungskriterien nach EC 5; - Wichtige Erläuterungen zur Tragwerkslehre. Die behandelten Inhalte werden von den Autoren im Zusammenhang erklärt und sind didaktisch so aufbereitet, dass der Leser den Stoff problemlos verstehen kann. Der Inhalt beschränkt sich nicht auf reine Holzbauaufgaben, sondern setzt sich, wenn für den Zusammenhang wichtig, auch mit der Tragwerkslehre auseinander. Außerdem wurden zahlreiche neue Erkenntnisse aus Forschung und praxisnaher Entwicklung eingebracht. Änderungen gegenüber der Vorauflage: - Aktualisierte Beispiele bezogen auf EC 5, insbesondere unter Berücksichtigung der neuen DIN EN 1995-1-1/A2:2014-07. - Ergänzungen und Aktualisierungen in Bereichen Querzugverstärkung, Holzschrauben, Verbindungsmittelabstände, Durchbiegungsnachweise und neue Festigkeitsklassen gemäß DIN EN 14080:2013-09. - Außerdem wird Bezug auf die DIN EN 1995-2/NA:2011-08 genommen.

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Forschungsberichte

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Ziel des Vorhabens war die pränormative Forschung im Vorfeld der praxisgerechten Überarbeitung und Weiterentwicklung des Eurocode 5 für den Holzbau (EN 1995-1-1; EN 1995-1-2; EN 1995-2). Die Arbeiten folgten dem Grundsatz, dass zunächst in einer Anamnese Schwachstellen und Überregulierungen des Eurocode 5 zusammengetragen wurden. Dann wurde in einer Diagnose geprüft, inwieweit diese Defizite in der Praxis Bedeutung haben, um anschließend Verbesserungen und Vereinfachungen im Sinne einer Therapie zu erarbeiten. Als verbesserungswürdige Schwerpunktthemen des Eurocode 5 haben sich aus deutscher Anwendersicht insbesondere die Regelungen zu den stiftförmigen Verbindungsmitteln sowie die Bemessung und Detaillierung von Verstärkungsmaßnahmen herausgestellt. Des Weiteren wurden die Bemessung von Wand- und Deckentafeln sowie die Konkretisierung der Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit priorisiert. Bedarfsweise wurden die Auswirkungen der Verbesserungsvorschläge zu Eurocode 5 auch an konkreten Bauteilen untersucht und mit den Bemessungsergebnissen des bisherigen Eurocode 5 verglichen. Bei allen bearbeiteten Themen wurde auch eine Reduktion der Anzahl der NDP und insbesondere der deutschen Zusatzregeln erreicht. Die Therapievorschläge mündeten in laufend überarbeitete und praxistaugliche Entwürfe von Normentexten für den Eurocode 5 selbst und für den zugehörigen Nationalen Anhang.

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Die Steifigkeit horizontaler Verbände ist entscheidend für eine ausreichende Seitensteifigkeit schlanker Biegeträger. Je größer die seitliche Auslenkung des Binders als Haupttragelement ist, desto größer sind die zu erwartenden nichtlinearen Effekte aus Theorie II. Ordnung auf den Binder und die daraus resultierenden Zusatzspannungen aus auftretendem Biegemoment um die z-Achse und Torsionsmoment um die x-Achse. Der Stabilitätsnachweis des Biegedrillknickens und der Schubspannungsnachweis infolge Querkraft und Torsion am Auflager werden dadurch zunehmend maßgebend für die Bemessung. Von entscheidender Bedeutung für das Biegedrillknicken als Effekt nach Theorie II. Ordnung ist die effektive Kipplänge und demzufolge die ausreichende Steifigkeit der Horizontalverbände, die es im Zusammenhang von neuen europäischen Normen und veränderten schlankeren Bauweisen zu untersuchen galt. Im Sinne einer standsicheren und wirtschaftlichen Dimensionierung sowohl der Binder als auch der Horizontalverbände wurde im Rahmen dieses Forschungsvorhabens die Wechselwirkungen zwischen Horizontalverband und Binder untersucht. Hierzu wurde ein bereits bestehendes numerisches Modell um eine horizontale Stützung am Obergurt und die Rechenroutine für einen holzbautypischen Satteldachträger erweitert. Im Rahmen einer Parameterstudie wurden Querschnittswerte des Biegeträgers und des Horizontalverbands variiert, um deren Einflüsse auf die erforderliche Steifigkeit zu erhalten. Mit zunehmender Trägerlänge und somit zunehmender Trägerschlankheit nimmt die Steifigkeit der Stützungen deutlich ab. Bei Vergrößerung des Abstands der Biegeträger und bei Vergrößerung des Durchmessers der Verbands-Zugdiagonalen steigen die Steifigkeiten dagegen deutlich an. Das in DIN EN 1995 vorgegebene Kriterium einer maximalen Verbandsdurchbiegung von 1/500 wurde bei allen untersuchten Träger- und Verbandskonfigurationen unter dem reinen Ansatz von Stabilisierungslasten eingehalten. Durch die sinusförmige Vorkrümmung des Biegeträgers entstehen in der Mitte des Horizon

Ergänzungsauftrag zum Forschungsvorhaben DIN EN 1995 - EC 5 Holzbauten - Anwendungserprobung. Untersuchung von Pultdachträgern und Satteldachträgern mit geradem und gekrümmtem Untergurt zur Abschätzung des Einflusses des Faseranschnittwinkels bzw. Dachn. eigungswinkels. Schlussbericht

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Ergänzungsauftrag zum Forschungsvorhaben "DIN EN 1995 - EC 5 Holzbauten - Anwendungserprobung". Untersuchung von Pultdachträgern und Satteldachträgern mit geradem und gekrümmtem Untergurt zur Abschätzung des Einflusses des Faseranschnittwinkels bzw. Dachn. eigungswinkels. Schlussbericht
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Die Berechnungsgrundsätze für Pultdachträger, Satteldachträger mit geradem oder gekrümmtem Untergurt sowie gekrümmte Träger sind nach DIN EN 1995-1-1:2010 (kurz EC 5) und DIN 1052:2008 prinzipiell gleich. Jedoch wird in DIN 1052:2008 der Faseranschnittwinkel für Pultdachträger und Satteldachträger mit geradem Untergurt auf 10 und der Dachneigungswinkel im Firstbereich von Satteldachträgem mit gekrümmtem Untergurt auf 20 beschränkt. Eine solche Deckelung des Faseranschnittwinkels bzw. des Dachneigungswinkels ist im Eurocode nicht enthalten. Dem seinerzeitigen Projektteam zum Forschungsvorhaben "DIN EN 1995 - Eurocode 5 Holzbauten - Anwendungserprobung", aber auch den Mitgliedern des für den EC 5 zuständigen DIN-Spiegelausschusses sind keine systematischen Untersuchungen mit größeren Winkeln bekannt. Im Hinblick auf ein mögliches Sicherheitsdefizit haben die Harrer Ingenieure beim DiBt einen ergänzenden Forschungsauftrag zur Durchführung von Untersuchungen der drei Trägerformen Pultdachträger, Satteldachträger mit geradem Untergurt und Satteldachträger mit gekrümmtem Untergurt mit verschiedenen Faseranschnittwinkeln bzw. Dachneigungswinkeln beantragt. Die Untersuchungen erfolgten in Zusammenarbeit mit der Softwarefirma DLUBAL, welche die Träger mit dem Programm RFEM modelliert und berechnet hat. Im Vergleich dazu wurden die Binder nach den Berechnungsgrundsätzen der DIN EN 1995-1-1 Ausgaben Juni 1994 (Vornorm) sowie Dezember 2010, der DIN 1052 Ausgaben April 1988 sowie Dezember 2008 und nach den Diagrammen in der Veröffentlichung von BLUMER 1972/1979 - soweit vorhanden - nachgewiesen. Die Ergebnisse wurden als Kurverscharen aufgetragen.

Tragfähigkeit und Bemessung von Brettschichtholzträgern mit runden Durchbrüchen - Sicherheitsrelevante Modifikationen der Bemessungsverfahren nach Eurocode 5 und DIN 1052

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Die theoretischen Untersuchungen umfassten die Entwicklung eines Weibull-Theorie basierten Bemessungsverfahrens, wobei die Zugbeanspruchung rechtwinklig zur Faserrichtung als ausschlaggebend tragfähigkeitsbestimmend betrachtet wird. Der Weibull-Ansatz wurde gewählt, da er sich nachweislich gut für sprödbrüchige, stochastisch defektbehaftete Materialien/Materialeigenschaften und für die einfache Berücksichtigung sehr inhomogener Spannungsverteilungen in unterschiedlich großen Volumina eignet. Da die Weibull-Theorie bereits europäisch (EC 5) und national (DIN 1052:2004) für den Nachweis von "Querzug"-Spannungen infolge Umlenkkräften in gebogenen und satteldachförmigen BSH-Trägern verwendet wird, stellt die Wahl des Bemessungskonzepts auch die konsequente Ausweitung einer insgesamt als zielführend anerkannten Modellvorstellung für Brettschichtholz dar. Der Bemessungsansatz erfasst alle in den Versuchen als durchriss- und traglastbestimmend festgestellten Parameter: die Schnittgrößen V und M, das Durchbruchsverhältnis d/h, die bezogene Trägerkrümmung h/r tief m und die Bauteilgröße respektive den hiermit verbundenen Maßstabseffekt. Zur Anpassung des rechnerischen Bauteilwiderstandes im Bemessungsansatz an die Gesamtheit der Versuchsergebnisse wurde ein skalarer Parameter eingeführt, der durch Minimierung der Fehlerquadrate zwischen berechneten und experimentellen Werten aller Testreihen berechnet wird. Die Bestimmung des Kalibrierfaktors kann prinzipiell mit nahezu gleicher Anpassungsgüte sowohl bezüglich der charakteristischen Durchriss- wie der Höchstlasten vorgenommen werden. Auf der Grundlage der festgestellten Schädigungsabfolge und der Gesamtheit der Versuchsergebnisse ist jedoch im Hinblick auf die langfristige Standsicherheit und die Gebrauchstauglichkeit von BSH-Trägern mit Durchbrüchen ohne planmäßig akzeptierte großformatige Risse ausschließlich die Verwendung des anhand der Durchrisslasten bestimmten Kalibrierfaktors vertretbar. Das entwickelte Bemessungsverfahren liefert bei kleinen und mittleren Träger

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Das vorliegende Forschungsvorhaben verfolgt die Zielsetzung, Hilfestellung für den Umstieg bei der Bemessung wesentlicher Bauteile im Holztafelbau zu liefern und damit die Akzeptanz für die neue Norm zu erhöhen. Dafür wird zunächst das der neuen DIN 1052 zugrunde liegende Sicherheitskonzept vorgestellt und näher erläutert. Anschließend werden, getrennt für die Bauteilgruppen Dach, Decke und Wand, einige gängige Konstruktionsvarianten dargestellt. Neben einer kurzen Einführung werden hier jeweils die notwendigen statischen Nachweise näher erläutert und die Anforderungen tabellarisch im Normenvergleich gegenübergestellt. Jedes Kapitel schließt mit vergleichenden Untersuchungen zwischen den Normen und gibt ggf. Hinweise zu möglichen Optimierungsansätzen. So hat beispielsweise bei den Dachbauteilen der gewählte Sparrenabstand einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtkosten. Bei einer kostenoptimierten Ausführung können Einsparungen von bis zu 20 Proz. erreicht werden. Auch für die Horizontalaussteifung werden die wesentlichen Nachweise für Wandtafeln sowie Dach- und Deckentafeln gemäß alter und neuer Holzbaunorm erläutert und vergleichend gegenübergestellt. Die wesentlichen Nachweise der alten sowie der neuen Norm werden in einer abschließenden Synopse nochmals ausführlich gegenübergestellt. Ablaufdiagramme für häufige Bemessungssituationen ergänzen die Arbeit. Darüber hinaus wird ein auf der Tabellenkalkulation Excel basierendes Bemessungstool zur Verfügung gestellt, welches die Vordimensionierung von Bauteilen nach alter und neuer Norm erlaubt. Bei ausgewählten Bauteilen werden die voraussichtlichen Kosten ebenfalls ermittelt. Um auf Änderungen reagieren zu können, die Bemessungshilfe weiter zu entwickeln und ggf. den Bedürfnissen der Anwender anpassen zu können, folgt die Umsetzung dem Leitgedanken "Open Source". Ein Großteil der Zellen ist zwar durch Zellschutz gegen unbeabsichtigtes Überschreiben geschützt, der Zellschutz kann aber ohne Passwort aufgehoben werden. Das Bemessungstool kann unter http://www.forsch

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