Verbindungssysteme für Holzkonstruktionen

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1 KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Stiftförmige Verbindungsmittel Bolzen

2 Stiftförmige Verbindungsmittel Stabdübel Stiftförmige Verbindungsmittel Gewindestangen

3 Stiftförmige Verbindungsmittel Nägel Stiftförmige Verbindungsmittel Schrauben

4 Stiftförmige Verbindungsmittel Klammern Beanspruchungsarten stiftförmiger VM Beanspruchung auf Abscheren: Bolzen, Stabdübel, Gewindestangen, Nägel, Schrauben, Klammern Beanspruchung auf Herausziehen: Bolzen, Gewindestangen, Nägel, Schrauben, Klammern Beanspruchung auf Hineindrücken: Gewindestangen, Schrauben

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6 Tragfähigkeit bei Beanspruchung auf Abscheren Starr - plastisches Verhalten der Stifte bei Biegung und des Holzes bei Lochleibung F F max 0 u

7 M M max Sprödes Biegeversagen nicht zulässig

8 Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Blaß Johansens Modell R M t1 f f y t2 h, 1 h, 1 f h, 2 R

9 Zweischnittig beanspruchte Stifte F = f t d v,rk h,1,k 1 F v,rk= 0,5 fh,2,k t2 d f h,1,k t1 d 4 (2+ ) My,k Fax, F v,rk= 1,05 2 (1+ ) fh,1,k d t1 4 2 F v,rk= 1,15 2 My,k fh,1,k d 1+ F ax,rk 4 Rk Zweischnittig beanspruchte Stifte F = f t d v,rk h,1,k 1 fh,1,k kmod F v,rd= fh,1,d t1 d = t1 d 2 F v,rk= 1,15 2 My,k fh,1,k d 1+ M F ax,rk 4 k My,k fh,1,k k mod mod 1, 15 2M y,k fh,1,k d 2 d 1,3 1,1 1,

10 Seileffekt f R 1 R 2 s 1 s 2 M y x 1,mod,1 M y f h,1 H 1 H 1 2 Q 2 N 1 N 2 Q 1 H 2 H 1 2 x My M y f f h,2 1,mod,2 Schnittgrößen Seileffekt Gleichgewicht im unverformten Zustand VM 3 F F ( cos sin ) (1 tan ) 2 M d f cos 2 v,rk ax,rk y,k h,1,k F ax,rk s1 f1, k d cos min s2 f 1, k d cos

11 Seileffekt Gleichgewicht im unverformten Zustand VM 3 0: 2 F F ( cos sin ) ( 1 tan ) 2 M d f cos v, Rk ax,rk y,k h,1,k F ax,rk s1 f1, k d cos min s2 f 1, k d cos Seileffekt 0: F F 0,25 2 M d f v,rk ax,rk y,k h,1,k

12 Seileffekt F = min k F ; 0,25 F v,rk ax Rk,Johansen ax,rk k ax = 0,15 für runde, glattschaftige Nägel k ax = 0,25 für quadratische, glattschaftige Nägel k ax = 0,5 für profilierte Nägel k ax = 1,0 für Schrauben k ax = 0,25 für Bolzen und Passbolzen k ax = 0 für Stabdübel F ax,rk ist der charakteristische Wert des Ausziehwiderstandes bzw. des Kopfdurchziehwiderstandes Vollgewindeschrauben 10x300 in GL24h Einschnittig, dickes Stahlblech

13 Eurocode 5, Abschnitt 8.1.3: (1) In mehrschnittigen Verbindungen sollte die Tragfähigkeit pro Scherfuge unter der Annahme bestimmt werden, dass jede Scherfuge Teil einer Reihe von zweischnittigen Verbindungen ist. (2) Um in einer mehrschnittigen Verbindung die Tragfähigkeiten der einzelnen Scherfugen kombinieren zu können, hat in der Regel der vorherrschende Versagensmechanismus der Verbindungsmittel in der entsprechenden Fuge mit jedem anderen verträglich zu sein und sollte nicht aus einer Kombination der Versagensmechanismen (a), (b), (g) und (h) aus Bild 8.2 oder der Versagensmechanismen (c), (f) und (j/l) aus Bild 8.3 mit anderen Versagensmechanismen bestehen

14 Mehrschnittige Verbindungen

15 Eurocode 5, Abschnitt 8.1.3: (1) In mehrschnittigen Verbindungen sollte die Tragfähigkeit pro Scherfuge unter der Annahme bestimmt werden, dass jede Scherfuge Teil einer Reihe von zweischnittigen Verbindungen ist. (2) Um in einer mehrschnittigen Verbindung die Tragfähigkeiten der einzelnen Scherfugen kombinieren zu können, hat in der Regel der Versagensmechanismus der Verbindungsmittel in der entsprechenden Fuge mit jedem anderen verträglich zu sein. Versagensmechanismen (j) aus Bild 8.2 oder (g) und (k) aus Bild 8.3 sind nur in den beiden äußeren Scherfugen möglich

16 Mehrschnittige Verbindungen Verbindungen mit Stabdübeln Vorbohren des Holzes oder Holzwerkstoffes mit dem Nenndurchmesser Vorbohren von Stahlblechen bis zu d + 1 mm Durchmesser zwischen 6 mm und 30 mm Mindestens zwei Stabdübel, mindestens vier Scherflächen

17 Johansens Modell F (kn) 17,5 14,0 10,5 t 2 /d = 12 t 2 /d = 6 7,0 3,5 t 2 /d = u (mm)

18 Versagensformen in Verbindungen Spalten a 1 a 2 a 2,c a 1,t

19 Wirksame Anzahl der Stabdübel In Kraft- und Faserrichtung n ef =min n ; n a 13 d 0,9 4 1 Rechtwinklig zur Faserrichtung nef n Wirksame Anzahl n ef Wirksame Anzahl n ef Anzahl n = 0 =

20 Verstärkung mit selbstbohrenden Holzschrauben Stoppen des Risswachstums durch Schrauben

21 Unverstärkte Verbindung: Versagen durch Spalten Last-Verschiebungsverhalten Last [kn] Unverstärkt Verstärkt Verschiebung [mm]

22 6 R d h a1 10 d n 0,4 F 60 R d R d R d a 1 Load [kn] Last R je Scherfuge und Verbindungsmittel [kn] Verschiebung [mm] Deformation [mm] 8 R d h a1 10 d n 0,4 F R d R d R d R d a 1 Load [kn] Last R je Scherfuge und Verbindungsmittel [kn] Verschiebung [mm] Deformation [mm]

23 8 R d h 0,4 a1 10 d n F R d R d R d R d a 1 Load [kn] Last R je Scherfuge und Verbindungsmittel [kn] Verschiebung [mm] Deformation [mm] 8 R d h 0,4 a1 10 d n F R d R d R d R d a 1 Load [kn] Last R je Scherfuge und Verbindungsmittel [kn] Verschiebung [mm] Deformation [mm]

24 Verstärkte Verbindung: Lochleibungsversagen

25 Verbindungen mit Holzschrauben Schrauben mit teilweise glattem Schaft: Vorbohren erforderlich für d > 6 mm Wirksamer Durchmesser = Schaftdurchmesser wenn Einbindetiefe des Schaftes 4 d Nicht gehärtet nach dem Gewindeformen Niedrige Zug-, Biege- und Torsionstragfähigkeit Holzschrauben nach ETA Kein Vorbohren Gehärtet, hohe Zug-, Biege- und Torsionstragfähigkeit Durchmesser bis 14 mm Längen bis 1500 mm

26 Beanspruchung auf Abscheren Wirksamer Durchmesser d ef = 1,1 Kerndurchmesser Schrauben nach ETA: Wirksamer Durchmesser d ef = Gewindeaußendurchmesser Lochleibungsfestigkeit nicht vorgebohrt: f h,k = 0,082 k d -0,3 Lochleibungsfestigkeit vorgebohrt: f h,0,k = 0,082 k (1-0,01d) F F 0,25 2 M d f v,rk ax,rk y,k h,k Fachwerkwirkung F 0,5 F 0,5 F

27 Fachwerkwirkung F R F c,90 F 0 F ax Fachwerkwirkung F ax,c F 0 F ax,t

28 Axial beanspruchte Schrauben Versagensmechanismen: Herausziehen, Hineindrücken oder Ausknicken Kopfdurchziehen Zugversagen Herausziehen = Scherversagen des Holzes Withdrawal = Shear failure

29 Ausknicken Kopfdurchziehen

30 Zugversagen Schraubenverbindung im Stahlbau Source: Project KI-Smile

31 Fachwerkknoten Photo: Wiehag

32 Frankfurter Messehalle 11 Photo: Atlas Copco Geneigte Schrauben in Stahl-Holz-Verbindungen Photo: Atlas Copco

33 Geneigte Schrauben in Stahl-Holz-Verbindungen Photo: Atlas Copco Vollgewindeschrauben 10x400 in GL24h Einschnittig, dickes Stahlblech

34 Wirksame Anzahl axial beanspruchter Schrauben In Kraft- und Schraubenachsrichtung n 0,9 nef Geneigt angeordnete Schrauben n = 99 Eurocode 5: n ef = 99 0,9 = 62,5 = 0,63 n n ef nach Lantos (siehe STEP C15): n ef 0,97 n n ef = 11 0,9 0,97 = 62,5 = 0,76 n? Fachwerkträger - Satteldachträger

35 Fachwerkträger für den industriellen Holzbau BS-Holz Brettsperrholz BS-Holz A - A B - B

36 Fachwerkträger für den industriellen Holzbau Anschluss der Zug- und Druckstäbe Schwächung der Gurte in den Knoten Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Allgemeines Axial beanspruchte Holzschrauben können hohe Kräfte übertragen Steife Verbindung (Blaß, Bejtka und Uibel 2006) Unbekanntes Langzeitverhalten bei = 0 Schrauben werden unter 90 zur Faser eingebracht Ausziehtragfähigkeit von Schrauben in Brettsperrholz entspricht der Tragfähigkeit von rechtwinklig zur Faserrichtung eingedrehten Schrauben in Vollholz bzw. Brettschichtholz (Blaß und Uibel 2007) Längslagen von Brettsperrholz stehen zur Übertragung der Normalkräfte zur Verfügung

37 Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Versagen der Verbindung: Stahlversagen Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Versagen der Verbindung: Stahlversagen Rollschubversagen

38 Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Versagen der Verbindung: Stahlversagen Rollschubversagen Scherversagen in der Mantelfläche des Schraubengewindes

39 Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Verbindungsmittel: SFS Gewindestange d außen 16 mm 20 mm d innen 12 mm 15 mm MW Zugtragfähigkeit 100 kn 175 kn MW Ausziehwiderstand; Einschraublänge 400 mm 94 kn 115 kn Variation der Einschraublängen, Verbindungsmitteldurchmesser, Randabstände und Verbindungsmittelabstände untereinander Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Gewindestangen werden parallel zur Längsachse der Füllstäbe in die vorgebohrten Querlagen eingedreht und anschließend axial belastet (DIN EN 1382)

40 Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Versuchsprogramm Gewindestangen werden parallel zur Längsachse der Füllstäbe in die vorgebohrten Querlagen eingedreht und anschließend axial belastet (DIN EN 1382) Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Versuchsprogramm Gesamtprüfkörperlänge = 3,5 Einschraubtiefe L_ad 1,5*L_ad L_ad

41 Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Versuchsprogramm Gesamtprüfkörperlänge = 3,5 Einschraubtiefe Querzugverstärkung durch Vollgewindeschrauben Versagensbilder eingeklebte Stahlstäbe Aufspalten des Holzes Zugversagen des Holzes

42 Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Durchmesser: 20 mm Randabstand: 3 d - 2,5 d - 2 d Verstärkung über komplette Einschraublänge Anzahl Holzversagen: 26 Anzahl Stahlversagen: Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Durchmesser 20 mm Durchmesser: mm Randabstand: d - 2,5 d - 2 d 160 Verstärkung über komplette Einschraublänge Ausziehwiderstand in kn 150 Anzahl Holzversagen: Anzahl Stahlversagen: * d 600 mm 3 * d 600 mm (v) 3 * d 700 mm 2,5 * d 700 mm 2,5 * d 600 mm 20_1_600 20_1_600v 20_1_700 20_2_700 20_2_600 20_4_800 R_ax,k 2 * d 800 mm

43 Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Durchmesser: 16 mm Randabstand: 3 d - 2,5 d - 2 d Anzahl Holzversagen: 0 Anzahl Stahlversagen: Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Durchmesser 16 mm Ausziehwiderstand in kn _1_500 16_2_500 16_4_500 R_ax,k * d 2,5 * d 2 * d

44 Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Untersuchung des Gruppeneffekts 3 VM nebeneinander Randabstand: 2 d 2,5 d Verbindungsmittelabstand: 3 d 4 d 2*d 3*d - 4*d 3*d - 4*d 2*d Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH

45 Axial beanspruchte Holzschrauben in BSPH Ergebnisse Reihe d l ef a 1,c f 1,k f n 1,mean in mm in mm in mm in N/mm² in N/mm² 16_ ,3 12,6 16_ ,1 12,4 16_ ,0 12,3 20_1_ ,4 13,7 20_1_600v ,8 13,1 20_1_ ,7 11, _2_ ,7 11, _2_ ,6 11,8 20_ ,9 10,2 16_3_1 10,3 11, _3_2 9,8 10,9 3 20_3_1 9,9 11, _3_2 9,5 10, Zusammenfassung Zuganschlüsse Gewindestangen sind prädestiniert für den Einsatz in Fachwerkträgern. Ein sprödes Verhalten sollte durch Stahlversagen vermieden werden. Querlagendicke muss größer sein als der Gewindeaußendurchmesser. Eine Querzugverstärkung am Zugstabende verhindert zuverlässig das Aufspalten. Die Qualität der Verklebung im Brettsperrholz muss gewährleistet sein

46 Druckanschluss Versätze Versatzformen Stirnversatz Fersenversatz Doppelter Versatz Mehrfacher Versatz Treppenversatz Druckanschluss Versätze Treppenversatz Maximale Fersenanzahl bei = 45 t v h S 100 mm 160 mm 320 mm 5 mm mm mm h S t v

47 Druckanschluss Versätze Treppenversatz Passgenauigkeit Druckanschluss Versätze Versuchsdurchführung DIN EN Versagen bei Lastabfall oder 15 mm Verschiebung F Teflon 45 HEM

48 Druckanschluss Versätze Versuchsergebnis Stirnversatz GL28h (Strebe: b / h = 120 / 160 mm) = 45 t v = 30 mm Druckbeanspruchung unter einem Winkel MW = 128 kn Druckanschluss Versätze Versuchsergebnis Doppelter Versatz GL28h (Strebe: b / h = 120 / 160 mm) = 45 t v = 30 mm Druckversagen des Stirnversatzes Querzugriss zwischen Stirn und Ferse MW = 209 kn

49 Druckanschluss Versätze Versuchsergebnis Treppenversatz GL28h (Strebe: b / h = 120 / 160 mm) = 45 t v = 10 mm Querdruckversagen Querdehnung Querzugriss zwischen Stirn und Ferse MW = 216 kn Druckanschluss Versätze Versuchsergebnis Treppenversatz Doppelter Versatz Kraft in kn Stirnversatz Verschiebung in Strebenlängsrichtung in mm

50 Druckanschluss Versätze Versuchsergebnis Treppenversatz Hybrid GL28h (Strebe: b/h = 120/100 mm) = 45 t v = 10 mm Druckversagen in der Stirn Querzugriss zwischen Stirn und Ferse Querdruckversagen im Nadelholz MW = 310 kn (1) Druckanschluss Versätze Versuchsergebnis Treppenversatz Hybrid GL28h (Strebe: b/h = 120/100 mm) = 45 t v = 10 mm Druckversagen in der Stirn Querzugriss zwischen Stirn und Ferse Querdruckversagen im Nadelholz MW = 310 kn (1)

51 Druckanschluss Versätze Versuchsergebnis Kraft in kn Treppenversatz Treppenversatz Hybrid-BSH Doppelter Versatz Stirnversatz Treppenversatz BSH Verschiebung in Strebenlängsrichtung in in mm Druckanschluss Versätze Ausblick Nur Fersenversätze Querdrucknachweis bei 45 Reihe 4 (9 Fersen) 5 (5 Fersen) F est,c, kn 157 kn F Versuch 216 kn 158 kn 30 mm 30 mm

52 Zusammenfassung Druckanschlüsse Versatzanschlüsse stellen sehr tragfähige Verbindungen für eine Druckbeanspruchung dar. Der Treppenversatz zeigt eine hohe Tragfähigkeit bei gleichzeitig minimierter Schwächung des Gurtes. Gurte aus Brettschichtholz mit äußeren Lagen aus Buchen- oder Eschenholz erhöhen die Tragfähigkeit gegenüber Fichte auf das Doppelte. Eine Bemessung scheint über einen Querdrucknachweis einfach möglich zu sein Fachwerkträger für den industriellen Holzbau Schwächung der Gurte in den Knoten

53 Querschnittsschwächung Einfluss auf die Druckfestigkeit Druckversuche: Anzahl: 150 Versuche Bauteilabmessung: 480 mm / 80 mm / 200 mm Querschnittsschwächung Ungeschwächt Bohrung Schlitz und Bohrungen Querschnittsschwächung Einfluss auf die Druckfestigkeit Druckversuche: 0,71 0,80 1,

54 Querschnittsschwächung Einfluss auf die Druckfestigkeit Druckversuche: Ungeschwächt Querschnittsschwächung Einfluss auf die Druckfestigkeit Druckversuche: Schlitz und Bohrungen

55 Querschnittsschwächung Einfluss auf die Druckfestigkeit Druckversuche: Bohrung Querschnittsschwächung Einfluss auf die Druckfestigkeit Druckversuche: Die Tragfähigkeit druckbeanspruchter Querschnitte ist mit der Nettoquerschnittsfläche nachzuweisen. Querschnittsschwächungen, die dauerhaft mit einem Material satt ausgefüllt sind, dessen Elastizitätsmodul mindestens dem des Querschnittes entspricht, brauchen nicht berücksichtigt zu werden ,0 0,8 0,71 1,0 0,

56 Querschnittsschwächung Einfluss auf die Druckfestigkeit Druckversuche: Ergebnisse Druckspannung (brutto) in N/mm² Ungeschwächt Bohrung Schlitz MW Ungeschwächt MW Bohrung MW Schlitz 42,1 N/mm² = 100 % 33,3 N/mm² = 79 % 30 31,1 N/mm² = 74 % Rohdichte in kg/m³ Querschnittsschwächung Einfluss auf die Druckfestigkeit Druckversuche: Ergebnisse Druckspannung (netto) in N/mm² Ungeschwächt Bohrung Schlitz MW Ungeschwächt MW Bohrung MW Schlitz Rohdichte in kg/m³

57 Querschnittsschwächung Einfluss auf die Druckfestigkeit Druckversuche: Ergebnisse Typ F max,versuch in kn E c,0 in N/mm² f c,brutto in N/mm² f c,netto in N/mm² Typ 1 Ungeschwächt ,1.. Mittelwert 37,0.. 5%-Quantil Typ 2 Bohrung ,3 30,1 41,8 37,6 Typ 3 Schlitz ,1 28,6 f c,0,k = 24 N/mm² nach DIN 1052 (GL24h) 43,7 40, Querschnittsschwächung Einfluss auf die Druckfestigkeit Druckversuche: VG-Schrauben Markus Enders-Comberg

58 Querschnittsschwächung Einfluss auf die Zugfestigkeit Zugversuche: Anzahl: 90 Versuche Prüfkörper: 3800 mm / 80 mm / 200 mm Querschnittsschwächung Ungeschwächt Bohrung Schlitz und Bohrungen Entwicklung von Fachwerkträgern für den industriellen Holzbau Zugversuche: A netto /A brutto = 1,0 f t,brutto = 28,9 N/mm² A netto /A brutto = 0,8 f t,brutto = 25,6 N/mm² A netto /A brutto = 0,71 f t,brutto = 24,9 N/mm²

59 Entwicklung von Fachwerkträgern für den industriellen Holzbau Zugversuche: 50 Zugspannung im Nettoquerschnitt in N/mm² ,00 N/mm² = 121% 32,02 N/mm² = 111% 30 28,87 N/mm² = 100% Ungeschwächt 25 Bohrung Schlitz 20 MW Ungeschwächt MW Bohrung MW Schlitz E-Modul nach EN 408 in N/mm² Entwicklung von Fachwerkträgern für den industriellen Holzbau Zugversuche: Simulierte charakteristische Brettschichtholz- Zugfestigkeit in N/mm² lref = 5400 mm ft,0,g,k,ref = 28,5 N/mm² 0,8 * ft,0,g,k,ref = 22,8 N/mm² Bauteillänge in mm

60 Zusammenfassung Querschnittsschwächung Auch satt ausgefüllte Querschnittsschwächungen zeigen einen signifikanten Einfluss auf die Drucktragfähigkeit von Brettschichtholzbauteilen. Der Einfluss einer Querschnittsschwächung bei Zugbeanspruchung ist wegen des Längeneinflusses auf die Zugfestigkeit geringer als bei Druckbeanspruchung Vielen Dank Univ.-Prof. Dr.-Ing. für H.J. Ihre Blaß Aufmerksamkeit