PROJEKTBERICHT – KPZT| DI Kurt Pock UNIFIED TIMBER

PROJEKTBERICHT – KPZT| DI Kurt Pock
UNIFIED TIMBER CONNECTIONS [UTC]
Standardisierung von Verbindungssystemen im Holzbau 01 2015 - 07 2016
Inhalt
1 ALLGEMEINES 2 HORIZONTALE EINWIRKUNGEN | ANSCHLUSSKRÄFTE AUSGANGSITUATION | ERGEBNISSE LASTERMITTLUNG GRUNDRISS ERMITTLUNG DER ERSATZLASTEN LASTFALL ERDBEBEN 3 ÜBERSICHT DER 3 STANDORTE STANDORT GRAZ ANSCHLUSSKRÄFTE AUSSTEIFENDER WÄNDE NÄHERUNGSWEISE BESTIMMUNG NACH EC 8 (BAUWERKSHÖHE) STANDORT LEOBEN STANDORT GRAZ STANDORT INNSBRUCK GEGENÜBERSTELLUNG EINWIRKUNG ERDBEBEN WIND MITTLERE GESCHOSSLASTEN FÜR VORDIMENSIONIERUNG BASISWERTE NORM SCHUBFLUSS IN DER ANSCHLUSSFUGE VERANKERUNGSKRÄFTE (ZUGANSCHLÜSSE) ANSCHLUSSMOMENTE QUERKRAFT VERHÄLTNIS ERDBEBEN-WIND ANSCHLUSSKRÄFTE IN AUSGEFÜHRTEN EINFAMILIENHÄUSERN VERBINDUNGSTECHNIK AUSGANGSITUATION | ERGEBNISSE NORMATIVE VORGABEN BEI VERBINDUNGSMITTELN HÄUFIG EINGESETZE VERBINDUNGSMITTEL AUSZUG AUS DEN DERZEIT GÜLTIGEN NORMEN AUSZUG AUS DER B 1995-1-1:2015 ANHANG K AUSZUG AUS DER B 2215:2009 WIDERSTÄNDE DER VERBINDUNGEN VERBINDUNG NACH K.10 | SCHRAUBEN ZUGANSCHLUSS DÜBEL AN STB SCHUBANSCHLUSS WINKEL AN STB DECKE - WAND | SCHUBFUGE | VERBINDUNG MIT SCHRAUBEN DECKE - WAND | SCHUBFUGE | VERBINDUNG MIT SCHRAUBEN ODER WINKEL GELENKIGER STOß – VERSCHRAUBTER FALZ – SCHUBBEANSPRUCHUNG GELENKIGER STOß – VERSCHRAUBTER FALZ – ZUGBEANSPRUCHUNG GELENKIGER STOß – EINGELASSENE DECKLAGE – GENAGELT- SCHUB GELENKIGER STOß – EINGELASSENE DECKLAGE – GENAGELT- ZUG WAND-WAND – ECKVERSCHRAUBUNG WEITERFÜHRENDE ÜBERLEGUNGEN EINFLUSS VON STEIFIGKEITEN VON SCHUB- UND ZUGANKERN FORDERUNG NACH ÜBERFESTIGKEIT IN BESTIMMTEN TRAGWERKSTEILEN SCHUBWINKEL MIT ABSTANDSMONTAGE VERFÜLLTER RINGSPALT BEI HINTEREINANDER GESETZTEN DÜBELN 15-547 | UTC unified timber connections
DI Kurt Pock | Ingenieurkonsulent für Bauingenieurwesen | allg. beeideter u. gerichtlich zertifizierter Sachverständiger
+43 463 50 29 80 | [email protected] | www.pock.cc
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1 ALLGEMEINES
Die vorliegende Arbeit von KPZT | Ingenieurbüro für Tragwerksplanung und Holzbau, DI Kurt Pock beschäftigt sich vornehmlich mit der Analyse ausgeführter Holzbauten und Ableitung von Vorgaben für künftige
Entwicklungen.
In einem ersten Schritt werden die horizontalen Einwirkungen an diversen Objekten untersucht um daraus
Größenordnungen der Anschlusskräfte abzuleiten. Dazu wird der idealisierte Grundriss eines aktuell umgesetzten Wohngebäudes herangezogen. Die Standorte werden in Österreich variiert und die errechneten
Lasten auf einen Dreigeschosser und einen Fünfgeschosser aufgebracht. So werden die signifikanten Anschlusskräfte errechnet und verglichen. Parallel dazu werden Anschlusskräfte umgesetzter Einfamilienhäuser ausgewertet.
Im nächsten Abschnitt werden häufig eingesetzte Verbindungsmittel untersucht und hinsichtlich der in der
Praxis angesetzten Widerstände beschrieben. Weiters wird Bezug auf die derzeit gültigen Maximalabstände
in der Norm genommen. Zum Schluss steht ein Auszug aus offenen Fragestellungen der Praxis an die Forschung.
Eine gute Zusammenfassung der Ergebnisse der bearbeiteten Punkte findet sich im PROJEKTBERICHT –
KURZFASSUNG UNIFIED TIMBER CONNECTIONS [UTC] vom 7.8.2016 (als Anlage beigelegt).
2 HORIZONTALE EINWIRKUNGEN | ANSCHLUSSKRÄFTE
AUSGANGSITUATION | ERGEBNISSE
Beide Einwirkungen Erdbeben und Wind werden vom horizontalen Tragsystem des Objektes in den
Untergrund abgeleitet. Dies ist zur Erhaltung der Rotations- und Translationsstabilität erforderlich.
Umgangssprachlich auch Aussteifung genannt.
Welchen Einfluss hat welche Belastung, welche ist im dimensionsgebend bei unterschiedlichen Sicherheitsniveaus im Grenzzustand der Tragfähigkeit ULS und unterschiedlichen Limits im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit SLS.
Ergebnisse | zusammengefasst
Diese Ergebnisse sind als Größenordnungen zu sehen um den konstruktiv sinnvollen und wirtschaftlichen Einsatz der jeweiligen Verbindung beurteilen zu können.
Mittlere Geschosslasten | für die Vordimensionierung Lastfall Erdbeben
Dachgeschoß, Dachkonstruktion inkl. der anteiligen Wände:
Zwischengeschoss, Decke inkl. der anteiligen Wände:
4,00 kN/m²
5,50 kN/m²
Eigenschwingdauer | Frequenz
Dreigeschosser
Fünfgeschosser
T1= 0,259 s entspricht 3,86 Hz
T1= 0,381 s entspricht 2,62 Hz
Laststeigerung durch Gebäudehöhe
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Die Belastung nimmt mit der Gebäudehöhe zu, vergleicht man die Lasten eines Dreigeschossers an
der Anschlussfuge zum Massivbau und die adäquate Fuge eines Fünfgeschossers (drei Geschosse
von oben, Ebene 3) ergeben sich folgende Laststeigerungen
Belastung aus Erdbeben
Belastung aus Wind
1,25
1,15


25% Steigerung
15% Steigerung
Anschlusskräfte | Designniveau
Schubfluss in der Anschlussfuge Wandscheiben an Bodenplatte
Wind
Dreigeschosser
Fünfgeschosser
2,5 -4,3 kN/m
4,5 -7,8 kN/m
Dreigeschosser
Fünfgeschosser
11,5 -37,5 kN/m
20,2 -65,3 kN/m
Zweigeschosser
4,6-11,5 kN/m
Erdbeben
informativ
Verankerungskräfte Zuganschlüsse (ohne Rückstellende aus Eigengewicht)
Wind
Dreigeschosser
Fünfgeschosser
12,9 -22,3 kN
39,4 -68,3 kN
Erdbeben
Dreigeschosser
Fünfgeschosser
84,7 -273 kN
235 - 762 kN
Zweigeschosser
16,8-44,9 kN
Querkraft (Schubfluss)
Dreigeschosser
Fünfgeschosser
4,6 – 8,7
6,7 - 8,4
Anschlussmoment (Zug)
Dreigeschosser
Fünfgeschosser
6,6 - 12,3
6,0 - 11,2
informativ
Verhältnis Erdbeben / Wind
Erdbeben ist für die Aussteifung dimensionsgebend.
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LASTERMITTLUNG
Mittlere Geschosslasten für Vordimensionierung
In der Tabelle dargestellt, sind Eigenlasten aus drei realen Projekten.
Für die nachfolgende Berechnung sind die Durchschnittswerte aus der Tabelle genommen worden.
Basis Geschoßhöhe 3m
MASSEN
15-024 MRL
15-049 GLE
15-038 HZP
Dach
Decke
Wand Innen
Wand Außen
∑ Dach + Anteil
Wände
∑ Decke + Anteil Wände
gk= [kN/m²]
gk= [kN/m²]
gk= [kN/m²]
gk= [kN/m²]
gk= [kN/m² / m]
gk= [kN/m² / m]
600,00
1126,00
318,00
3,20
3,50
3,10
3,70
4,70
4,20
0,89
0,68
0,59
0,70
0,53
0,56
3,99
4,11
3,68
5,29
5,92
5,35
Mittelwert
3,27
4,20
0,72
0,60
3,93
5,52
Brutto Fläche [m²]
Zur Vordimensionierung des Tragwerks zur horizontalen Lastableitung kann vereinfacht mit verschmierten Lasten gerechnet werden, die Mittelwertberechnung ergibt gerundet:
Dachgeschoß, Dachkonstruktion inkl. der anteiligen Wände:
Zwischengeschoss, Decke inkl. der anteiligen Wände:
4,00 kN/m²
5,50 kN/m²
Basiswerte Norm
Die Erdbebenlast und Windlast war auf drei verschiedenen Standorten ermittelt worden.
ORT
Erdbeben Zone agr [m/s²] Seehöhe [m] qp [kN/m²] LEOBEN GRAZ INNSBRUCK 2 1 4 0,64 0,47 1,09 547 369 573 0,26 0,26 0,46 GRUNDRISS
Zur Ermittlung von Referenzanschlusskräften der aussteifenden Wänden wird nachstehender Grundriss heran gezogen. Dieser wurde aus den Grundrissen eines Studierendenwohnheims abgeleitet
und so vereinfacht, dass die Tendenzen klar erkennbar bleiben.
Aussteifend wirksam sind nur die Innenwände aus Brettsperrholz. Die Zimmertrennwände sind
durch die Zwischendecken vertikal stark belastet (hoher rückstellender Anteil) die Gangwände sind
nahezu unbelastet (nur Gangdecke, kaum rückstellender Anteil).
Für Aussteifung maßgebende Wände waren die Gangwände in y-Richtung.
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Kein Maßstab
ERMITTLUNG DER ERSATZLASTEN LASTFALL ERDBEBEN
Näherungsweise Bestimmung nach EC 8 (Bauwerkshöhe)
Die Eigenschwingdauer wird rein über die Bauwerkshöhe ermittelt, die Steifigkeit der aussteifenden
Wände und die Masse haben bei dem Verfahren keinen Einfluss.
Dieses Verfahren gibt bei den untersuchten Objekten die höchsten Ersatzlasten
Auszug Norm ( EN 1998-1; 4.3.3.2.2)
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Die Eigenschwingdauer für Objekte mit 3 m hohen Geschossen ist:
-
Dreigeschosser :
T1= 0,259 s entspricht 3,86 Hz
-
Fünfgeschosser :
T1= 0,381 s entspricht 2,62 Hz
Nach Rücksprache mit der hbf (TU Graz) ist dieses prognostizierte Verhalten gut mit den Ergebnissen aus den Versuchen am Rütteltisch vergleichbar.
Horizontale Ersatzlasten Erdbeben in Deckenebene
Stockwerkslast Fi [kN]
LEOBEN
GRAZ
3 Geschosser 5 Geschosser 3 Geschosser
ÎNNSBRUCK
5 Geschosser
3 Geschosser
5 Geschosser
4. OG=
361,1
242,4
784,9
3. OG=
432,7
290,5
940,4
2. OG=
330,1
324,5
221,6
217,8
717,5
705,3
1. OG=
329,6
216,3
221,3
145,2
716,4
470,2
EG=
164,8
108,2
110,6
72,6
358,2
235,1
Fb ∑ =
824,6
1442,8
553,6
968,6
1792,2
3135,8
Ergebnisse zeigen im Vergleich der Geschosse deutlich erhöhte horizontale Ersatzlasten beim 5 Geschosser
In den folgenden Darstellungen sind ein 5 Geschosser neben ein 3 Geschosser als Mehrmassenschwinger dargestellt.
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66
Standort Leoben
[F]
[Q]
[M]
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77
Standort Graz
[F]
[Q]
[M]
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88
Standort Innsbruck
[F]
[Q]
[M]
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GEGENÜBERSTELLUNG EINWIRKUNG ERDBEBEN WIND
Der Vergleich der Belastungen aus Wind und Erbeben auf Nachweisniveau (Designlasten) wird ab
Beispiel des Einspannmomentes eines eingespannten Ersatzstabes geführt. Ziel ist es herauszufinden welche Belastung maßgebend für die Auslegung der horizontalen Tragsystems ist.
Übersicht der 3 Standorte
Vergleich Wind | Erdbeben als Ersatzlasten in Deckenebene
Geschoss
LEOBEN
GRAZ
INNSBRUCK
Wind [kN ]
Erdbeben [kN]
Wind [kN ]
Erdbeben [kN]
Wind [kN ]
Erdbeben [kN]
4. OG=
48,9
361,1
48,9
242,4
64,8 784,9
3. OG=
46,08
432,7
46,08
290,5
67,68 940,4
2. OG=
43,2
324,5
43,2
217,8
74,88 705,3
1. OG=
39,6
216,3
39,6
145,2
79,92 470,2
EG=
37,44
108,2
37,44
72,6
84,96 235,1
F∑=
215,28
1442,8
215,28
968,5
372,24 3135,9
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10
10
Graz
Leoben
Innsbruck
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Graz
Standort Graz
Leoben
Innsbruck
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Anschlussmoment [kNm]
Erdbeben
Wind
Erdbeben: Die Belastung nimmt mit der Gebäudehöhe exponentiell zu, da sich in Abhängigkeit der
Gebäudehöhe, auch die Lasten der oberen Geschosse im Vergleich zum 3 Geschosser erhöhen.
Das Anschlussmoment auf Ebene des dritten Geschosse im fünfgeschossigen Bauwerk ist größer,
als im vergleichbaren 3 Geschosser.
6812/5442=1,25 
25% Steigerung
Eine ähnliche Steigerung ist beim Lastfall Wind auch zu beobachten, hier beruht diese auf der mit
der Höhe zunehmenden Windlast, diese ist etwas kleiner.
639/558=1,15

15% Steigerung
Fazit: Die Anschlusskräfte nehmen mit steigender Gebäudehöhe nicht nur für die unteren Geschosse zu, sondern auch für die oberen. Anders formuliert, die Anschlüsse eines Fünfgeschossers
in der dritten Ebene sind stärker auszubilden als bei einem Dreigeschosser in der untersten Fuge
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ANSCHLUSSKRÄFTE AUSSTEIFENDER WÄNDE
Die Größenordnung der Anschlusskräfte werden über das Ersatzsystem des eingespannten Stabes
ermittelt.
Der Schubfluss und die Zuganschlusskräfte werden über die Grundrisskenngrößen errechnet. Bei
den Zuganschlusskräften werden vorerst die abhebenden alleine dargestellt, die rückstellende Komponente aus Eigengewicht bleibt im ersten Schritt unberücksichtigt
Die Berechnung bezieht sich auf die Maßgebende y Richtung.
L = 3 m Länge der Wand
n = 16 Anzahl der Wände pro Geschoss
Schubfluss in der Anschlussfuge
,
16 ∗ 3
LEOBEN
GRAZ 3. Gesch.
5. Gesch.
3. Gesch.
5. Gesch.
3. Gesch.
5. Gesch.
Ebene 2 1,7 1,7 3,0 Ebene 3 2,5 2,9 2,5 2,9 4,3 5,0 Ebene 4 3,7 3,7 6,4 Ebene 5 Ebene 2 13,8 4,5 9,2 4,5 29,9 7,8 ERDBEBEN Ebene 3 [kN] Ebene 4 Ebene 5 17,2 23,3 27,7 30,0 11,5 15,6 18,6 20,2 37,3 50,6 60,4 65,3 Schubfluss WIND [kN] INNSBUCK Verankerungskräfte (Zuganschlüsse)
,
16 ∗ 3 ∗ 0,9
Verankerungskräfte WIND [kNm] ERDBEBEN [kNm] Ebene 3 Ebene 5 Ebene 3 Ebene 5 LEOBEN GRAZ INNSBRUCK 3 Gesch.
5 Gesch.
3 Gesch.
5 Gesch.
3 Gesch.
5 Gesch.
12,9 126,0 14,8 39,4 157,7 350,3 12,9 84,7 14,8 39,4 105,8 235,2 22,3 273,8 25,7 68,3 343,1 762,2 15-547 | UTC unified timber connections
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Anschlussmomente
Anschlussmoment LEOBEN 3 Gesch.
5 Gesch.
558 5442 Ebene 3 Ebene 5 ERDBEBEN Ebene 3 [kNm] Ebene 5 WIND [kNm] 639 1703 6813 15135 GRAZ 3 Gesch.
INNSBRUCK 5 Gesch.
558 3657 639 1703 4572 10161 3 Gesch.
5 Gesch.
963 11827 1109 2949 14820 32925 Querkraft
Querkraft LEOBEN GRAZ INNSBUCK 3. Gesch.
5. Gesch.
3. Gesch.
5. Gesch.
3. Gesch.
5. Gesch.
Ebene 2 83 83 143 Ebene 3 Ebene 4 120 138 177 120 138 177 207 239 307 Ebene 5 Ebene 2 660 215 443 215 1434 372 ERDBEBEN Ebene 3 [kN] Ebene 4 824 1117 554 750 1791,5 2430 1330 895 2900 1441 968 3135 WIND [kN] Ebene 5 Verhältnis Erdbeben-Wind
LEOBEN 3.
Gesch.
5. Gesch.
Anschlussmo‐ Ebene 3 9,8 10,7 ment Ebene 5 8,9 Querkraft Ebene 3 6,9 8,1 Ebene 5 6,7 Verhältnis V GRAZ INNSBUCK 3. Gesch.
5. Gesch.
3. Gesch.
5. Gesch.
6,6 4,6 7,2 6,0 5,4 4,5 12,3 8,7 13,4 11,2 10,2 8,4 Fazit: Es kann davon ausgegangen werden, dass bei den untersuchten Gebäuden in aller Regel der
Lastfall Erdbeben maßgebend ist.
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ANSCHLUSSKRÄFTE IN AUSGEFÜHRTEN EINFAMILIENHÄUSERN
Die nachstehende Tabelle zeigt übliche Anschlusskräfte von ein bis zweigeschossigen Objekten
Erdgeschoss
Schublast
Abhublast
Projekt
Fläche
[m2]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
112,6
91,4
78,88
312,53
213,72
106,93
84,96
105,61
253,19
185,38
163,84
188,19
128,94
77,65
218,6
108,457
155,62
85,24
173,18
225
Ø*
bis
von
Erdbeben Wind von
zone
qpz= [kN/m] [kN/m] [kN]
bis
[kN]
3
3
2
2
3
1
3
2
3
4
3
2
2
3
3
2
2
3
2
3
0,7
0,69
0,83
0,8
0,59
0,61
0,69
0,77
0,75
0,84
0,79
0,81
0,84
0,72
0,75
0,83
0,86
0,72
0,71
0,77
2,2
2,4
4,1
4,1
0,7
1,4
3,6
5,15
3,8
6,5
3
6,7
11,4
13,3
11,1
3,4
7
11
7,3
13,2
0
0
0
22
0
0
4
10
24
36
14
25
58
73
46
3
22
39
63
65
3,8
5,4
11,8
3,3
4
4,2
3,7
11,7
7,8
13,4
23,4
9,3
9,75
12,19
13
22
48
22
12
22
18
39
41
53
100
35
34
55
8,7
15,2
32
2,6
0,8
4,6
11,5
16,8
Obergeschoss
Schublast
Abhublast
von
bis
von
[kN/m] [kN/m] [kN]
bis
[kN]
54
1,4
1,7
1,9
2,3
0,9
0,5
2,3
3,8
3,5
3
1,7
1,85
2,8
3,2
3
10
2,25
2,9
1,99
12,2
2,7
3,6
5,2
6,6
6,2
3
6,2
6,4
4,2
8
4,8
3,5
5,9
6,7
17,2
14,1
4,2
6,96
4,53
17,4
4
0
0
12
0
0
0
2,8
0
0
14
6
9
10
11
33
8
7
0
40
10
1
18
34
21
9
14
13
12
35
24
11
17
19
58
48
14
20
11,52
58
44,9
3,2
6,9
8,3
19,4
LF
E
U
U
E
E
E
E
E
E
E
E
U
E
E
E
U
U
E
E
E
Die Abhublasten sind ohne Entlastene genommen, ohne Eigengewicht gk der Wand, Decke oder
des Dachs.
Legende:
- Diese Wohnbauten sind Bungalows. Wergen der besseren Vergleichbarkeit sind die Werte
im Obergeschoss eingetragen.
LF: Maßgebender Lastfall
E: Erbeben
W:Wind
U: Unterschiedlich
* Durschnitt optimiert (ohne Extremwerte)
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16
3 VERBINDUNGSTECHNIK
AUSGANGSITUATION
Die Verbindungstechnik hat einen wesentlichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des mehrgeschossigen Holzbaus. In manchen Bereichen gibt es unterschiedliche Wege die doch recht hohen Kräfte
abzudecken, bei anderen Anschlusssituationen stoßen marktübliche Standardlösungen an Ihre
Grenzen. Was auf jeden Fall im Wesentlichen fehlt sind betriebswirtschaftliche Daten zu den jeweiligen Verbindungsmitteln die als zusätzliches Auswahlkriterium herangezogen werden können.
Nachstehend ein erster Ansatz zur Beschreibung üblicher Verbindungen über die Bemessungswerte
der Widerstände und den Bezug zu den derzeit normativ geregelten Maximalabständen.
NORMATIVE VORGABEN BEI VERBINDUNGSMITTELN
In diesem Abschnitt werden die aktuellen Regelungen in gebaute Details umgesetzt und hinsichtlich
ihres tatsächlichen Widerstands bewertet. So gewinnt man die Erkenntnis was die Verbindung mit
den maximal zulässigen Verbindungsmittelabständen leisten kann.
Auszug aus den derzeit gültigen Normen
B 1995-1-1:2015 Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten
Teil 1-1: Allgemeines ― Allgemeine Regeln und Regeln für den Hochbau,
Nationale Festlegungen zur Umsetzung der ÖNORM EN 1995-1-1,
nationale Erläuterungen und nationale Ergänzungen
B 2215:2009 Holzbauarbeiten Werkvertragsnorm
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Auszug aus der B 1995-1-1:2015 Anhang K
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Auszug aus der B 2215:2009
Widerstände der Verbindungen
Die unterschiedlichen Verbindungen werden über die aufnehmbaren Widerstände kN/m auf Designniveau beschrieben.
Der derzeit üblichen Bemessungsgebarung folgend werden die Lasten in der Fuge in Schublast und
Abhublast getrennt betrachtet.
Diese Aufteilung entspricht nur teilweise den realen mechanischen Zusammenhängen, in der Realität wirkt jedes Verbindungsmittel in Abhängigkeit der Steifigkeit sowohl gegen „Abhub und Schub“
gleichzeitig über das polare Trägheitsmoment der gesamten Verbindungsmittel in der Fuge.
Zu diesem Thema hat Flatscher (Lignum) ein Rechenmodel vorgestellt, das auf die Federsteifigkeiten
jedes Verbindungsmittels Bezug nimmt.
Diese Vereinfachung ist derzeit noch sinnvoll
Verbindung nach K.10 | Schrauben
Zur Anwendung kommen Teilgewinde bzw. Vollgewindeschrauben von maximal 8mm Durchmesser
und einer Länge von 350mm, diese Schrauben sind auf jeden Fall ohne gesonderte Nennung in die
einzelnen Positionen eines LVs einzurechnen.
Vergleichbar ist die Verschraubung bei nacheinander Detailpunkten
Decke - Wand | Schubfuge | Verbindung mit Schrauben
Die Verschraubung der BSP decke mit einer BSP Wand erfolgt auf unterschiedliche Arten
a) Vollgewinde (TG)
max.8-350 90° e=50cm
Abscheren
b) Teilgewinde (TG)
max.8-350 90° e=50cm
Abscheren
c) Vollgewinde (VG)
max.8-350 45° e=50cm
Fachwerkmodell
Untersuchungsergebnisse unter 3.2.4
HÄUFIG EINGESETZE VERBINDUNGSMITTEL
Zuganschluss Dübel an STB
Untersucht wird die Tragfähigkeit von Dübelverbindungen unter Wind- und Erdbebenbeanspruchungen auf Auszug.
Es ergeben sich große Unterschiede der Tragfähigkeit, abhängig von der Belastungsart (Wind oder
Erdbeben), Randabstand zur STB-Kante, Deckendicke, Abstand untereinander und weiterer Faktoren.
Für gängige Anordnungen sind die Bemessungswerte nachfolgend dargestellt.
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19
19
KP
3.3.1.1 ZUGANKER POSITIONEN MIT
HIT-HY 200-A+HIT Z M16 BETONDECKE d=30cm
DESIGNNLASTNIVEU
Erdbeben E
Wind W
30
M16
10
13
E 27 kNd
W 36 kN d
E 54 kNd
W 63 kN d
E 23 kNd
W 28 kN d
E 60 kNd
W 80 kN d
16
16
10
E 32 kNd
W 38 kN d
E 71 kNd
W 101 kN d
E 37 kNd
W 49 kN d
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20
KP
3.3.1.2 ZUGANKER POSITIONEN
HIT-HY 200-A+HIT Z M16 BETONDECKE d=20cm
DESIGNNLASTNIVEU
Erdbeben E
Wind W
20
M16
10
13
E 20 kNd
W 27 kN d
E 20 kNd
W 24 kN d
E 17 kNd
W 20 kN d
E 29 kNd
W 36 kN d
16
16
10
E 18 kNd
W 21 kN d
E 36 kNd
W 49 kN d
E 24 kNd
W 32 kN d
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21
KP
3.3.1.3 ZUGANKER POSITIONEN MIT
HIT-HY 200-A+HIT Z M12 BETONDECKE d=30cm
DESIGNNLASTNIVEU
Erdbeben E
Wind W
30
M12
10
13
E 22 kNd
W 30 kN d
E 19 kNd
W 33 kN d
E 19 kNd
W 23 kN d
E 31 kNd
W 56 kN d
16
16
10
E 19 kNd
W 29 kN d
E 48 kNd
W 60 kN d
E 30 kNd
W 40 kN d
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KP
3.3.1.4 ZUGANKER POSITIONEN
HIT-HY 200-A+HIT Z M12 BETONDECKE d=20cm
DESIGNNLASTNIVEU
Erdbeben E
Wind W
20
M12
10
13
E 22 kNd
W 29 kN d
E 19 kNd
W 33 kN d
E 19 kNd
W 23 kN d
E 31 kNd
W 54 kN d
16
16
10
E 19 kNd
W 28 kN d
E 48 kNd
W 67 kN d
E 29 kNd
W 39 kN d
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Schubanschluss Winkel an STB
Problemstellung 1:
Winkel für größere Schublasten haben in der Regel zwei Anker.
Bei der Erdbebenbemessung fällt laut aktuellem Nachweisverfahren z.B. Hilti Anchor einer der Beiden Dübel aus, da diese in Ihrer Anordnung (Lochspiel) ungünstig liegen können.
Frage: kann davon ausgegangen werden, dass das Dünne Blech eines Schubankers sich plastisch
verformt, bevor der Dübel abreißt, so dass wieder beide Dübel tragen?
Beispiel:
TITAN TCN 200
Bemessung von Ankern:
Durch die horizontalwirkende Kraft in der Wand bekommt der Schubanker ein horizontale Komponente Fd als auch ein Versatzmoment Md.
In unseren Fall ist der Abstand zwischen dem Dübel und Wand 4 cm:
0,04
∗
Verfüllter Ringspalt
Nein
Ja
LF
FV,Rd [kN]
E
15
W
35
E
30
W
40
Legende:
E- Erdbeben
W- Wind
Bemessung von Nagel:
30 x LBA 4 x 60
, ,
1,1 ∗ 22,1
1
24,3
SCHLUSSFORDERUNG:
Der Ringspalt hat erheblichen Einfluss auf den Widerstand
der Dübel.
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24
Problemstellung 2:
Meist werden BSP nicht direkt auf die STB-Platte gestellt, sondern auf vorher ausgerichtete Schwellen
und / oder einen Quellmörtel, der Unebenheiten ausgleicht.
Die üblichen Schubwinkel sind von ihrer Geometrie / Nagelanordnung nicht auf einen Abstand zwischen anzuschließendem Bauteil und STB-Decke ausgelegt.
Um das Versatzmoment so gering wie möglich zu halten sind die Winkel möglichst flach und die unterste Nagelreihe möglichst niedrig angeordnet.
Das Versatzmoment wird zumeist über das Nagelbild des Winkels aufgenommen.
Fällt die unterste Nagelreihe durch zu geringen Randabstand o.ä. aus, hat dies insbesondere auf die
Aufnahme des Versatzmomentes erheblichen Einfluss.
Praktisch bedeutet dies, dass die meisten Schubwinkel nicht nach den Vorgaben ihrer Zulassung
eingesetzt werden können. Es fehlen hierfür verlässliche Rechenwerte.
F
Schwelle t≤30mm
Ausgleichsmörtel t≤20mm
Verankerung nicht möglich.
Verankerung nur teilweise möglich.
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Decke - Wand | Schubfuge | Verbindung mit Schrauben
Annahme:
Decke 16cm; Wand 10cm
a)
Vollgewinde (TG) 8,2-300 90°
(SFS WT-T 8,2-300)
FV,Rk= 5,5 kN/Stk
Wind:
,
, ∗
,
4,23
e=50cm
FV,Rk= 11,0 kN/m
/
,
Erdbeben:
,
, ∗ ,
6,05
Abscheren
/
,
∗
,
∗ ,
8,46
12,1
/
/
d=16cm
d=10cm
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b)
Teilgewinde (TG) 8-280 90°
FV,Rk= 3,0 kN/Stk
Wind:
,
∗
,
2,31
/
3,3
/
e=50cm
FV,Rk= 6,0 kN/m
,
Erdbeben:
,
∗ ,
,
Abscheren
∗
,
∗ ,
4,62
6,6
/
/
d=16cm
d=10cm
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27
27
c)
Vollgewinde (VG) 8-330 45°
e=50cm
(SFS WT-T 8,2-330)
Fv,Rk = 20,1 kN/m
Fv,Rk = 10 kN/Stk
Wind:
,
∗
,
7,69
Fachwerkmodell
/
,
Erdbeben:
,
∗ ,
11
/
,
, ∗
,
, ∗ ,
15,38
22
/
/
d=16cm
d=10cm
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28
Decke - Wand | Schubfuge | Verbindung mit Schrauben oder Winkel
Schubverbindungen mit Winkel
ABR 105
vollausgenagelt CNA 4,0 x 60
R2/3, k=10,1 kN / Ank.
Wind:
, , ,
10,1 ∗ 1
1,3
7,77
Erdbeben:
, , ,
10,1 ∗ 1,1
1
11,1
TITAN TNN 240
vollausgenagelt CNA 4,0 x 60
R2/3, k=18,95 kN / Ank.
Wind:
, , ,
18,95 ∗ 1
1,3
14,58
18,95 ∗ 1,1
1
20,8
Erdbeben:
, , ,
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29
Schubverbindungen mit Schrauben
d=10cm
Vollgewinde 8,2 – 300 45° e=50 cm
(SFS WT-T 8,2 – 300)
FV,Rk= 5,5 kN/Stk
FV,Rk= 11,0 kN/m
d=16cm
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30
30
Gelenkiger Stoß – verschraubter Falz – Schubbeanspruchung
Schubwiderstand von SFS Verbindungsmittel bei einem gelenkigen Stoß – verschraubter Falz
Gelenkiger Stoß α= 45° Deckenstärke h Schrauben 100 SFS WT‐S/T ‐ 6,5 x 130 120 SFS WT‐S/T ‐ 6,5 x 160 140 SFS WT‐T ‐ 6,5 x 190 160 SFS WT‐T ‐ 6,5 x 220 180 SFS WT‐T ‐ 8,2 x 245 200 SFS WT‐T ‐ 8,2 x 275 220 SFS WT‐T ‐ 8,2 x 300 Fv,Rk [kN] 1 Schraube e= 50 cm 3,16 6,31 3,79 7,57 4,74 9,47 5,69 11,37 8,42 16,83 9,66 19,31 10,73 21,46 Fv,Rk [kN/m] e= 25 cm e= 20 cm e= 15 cm
12,62 15,78 21,03 15,14 18,93 25,23 18,94 23,68 31,57 22,74 28,43 37,90 33,66 42,08 56,10 38,62 48,28 64,37 42,92 53,65 71,53 Überprüfung der Mindestrandabstände bei üblicher Falzbreite 50mm
2,5 *6,5 = 16,25 < 25mm 25/6,5 = 3,85 d (nahe der Empfehlung hbf 4d)
2,5 *8,2 = 20,50 < 25mm 25/8,2 = 3,05 d
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31
31
Gelenkiger Stoß – verschraubter Falz – Zugbeanspruchung
*
Für diese Beanspruchung:
,
∗
2∗
,
2∗6
12 ∗
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Anmerkungen zu dieser Anschlusssituation
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Einsatz als Zugverbinder zur Abdeckung des Moments aus Scheibenwirkung
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34
Gelenkiger Stoß – Eingelassene Decklage (Falzbrett) – genagelt- Schub
Gelenkiger Stoß mittels eingelassener Decklage aus Holzwerkstoff
Mindestrandabstände:
a1 = 10· d
a4,c = 3 · d
a3,t = 3 · d
10 cm
CHARAKTERISTISCH Nagel 3,1/90 mm
3,8/90 mm
Decklage OSB Fv,Rk [kN/m] 3SP Fv,Rk [kN/m] OSB Fv,Rk [kN/m] 3SP Fv,Rk [kN/m] 15 6,60 5,07 8,60 6,47 Abstand e [cm] 10 9,90 7,60 12,90 9,70 7 14,14 10,86 18,43 13,86 Legende: OSB Platte – Oriented Stand Board; 3SP – Dreischichtplatte ON B 1995-1-1 Anhang K: Mindestdurchmesser profilierter Nagel dmin =3mm. Der Maximalabstand
ist mit emax = 0,15 m festgelegt.
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Gelenkiger Stoß – Eingelassene Decklage (Falzbrett) – genagelt- Zug
d=16cm
Verschraubung:
Randabstand des Schraubenschwerpunktes bei Ausfräsung für Falzbrett meist nicht einzuhalten.
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Wand-Wand – Eckverschraubung
Teilgewinde (TG) 8-280 90° e=50cm
FV,Rk= 3,0 kN/Stk
Wind:
,
∗
,
Abscheren
FV,Rk= 6,0 kN/m
2,31
/
3,3
/
,
∗
4,62
,
Erdbeben:
,
∗ ,
,
/
∗ ,
6,6
/
Bei einem 5-Sichtigen Aufbau wird die Schraube direkt in der Mitte (die stehende Lage) eingebohrt.
Beispiel:
Verschraubung
α = 90° Achsabstand e‘ ≤ 45 cm
Verschraubung in die Querlage muss sichergestellt werden.
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37
WEITERFÜHRENDE ÜBERLEGUNGEN
Diese Kapitel nimmt Bezug auf das Arbeitspaket 5 Ableitung von Vorgaben für künftige Entwicklungen
Nachstehend sind einige „Fragestellungen der Praxis an die Wissenschaft“ formuliert die im Zuge
der Projektbearbeitung zu Tage getreten sind. Es ist wäre wünschenswert wenn es in naher Zukunft
ein Projekt gäbe dass diese Fragestellungen aufnimmt und bestmöglich beantwortet.
Einfluss von Steifigkeiten von Schub- und Zugankern
Interaktion Schub und Zugverbindungsmitteln.
Klassische Anordnung:
Zuganker an den Wandenden kombiniert mit Schubankern, über die Wandlänge aufgeteilt.
Bei dieser Kombination kann davon ausgegangen werden, dass die Steifigkeit der Schubanker in
Vertikalrichtung nahezu bei null liegt (Winkel ohne Rippe) und diese keine abhebenden Kräfte anziehen.
Ebenso kann davon ausgegangen werden, dass der Zuganker aufgrund seiner Höhe in horizontaler
Richtung eine Steifigkeit von nahezu null hat und somit keine horizontalen Lasten anzieht.
Zug und Schubverbund über kreuzweise Schrauben:
Werden als Zug und Schubanker kreuzweise Schrauben angeordnet, haben die „Zugschrauben“ in
beiden Lastrichtungen die gleiche Steifigkeit, wie die „Schubschrauben“.
Es ist zu untersuchen, ob eine gedankliche Aufteilung auf „Zugschrauben“ am Wandende und
„Schubschrauben“ über Wandlänge verteilt, vertretbar ist, oder ob die Zugkräfte über das polare
Trägheitsmoment auf alle Schrauben aufgeteilt werden müssen.
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38
Interaktion Zugbeanspruchung und Schubbeanspruchung bei Schrauben:
ÖNORM B 1995-1-1:2015
8.7.1 (4) Schrauben mit d>6mm werden wie Bolzen behandelt
EC5 keine gesonderte Bestimmung zum Umgang von Interaktion Zug-Schub bei Bolzen.
(Anlehnung an Nägel?)
8.7.1 (5) Schrauben bis d=6mm werden wie Nägel behandelt
Formel 8.28
Für die Ermittlung von FV;Rd kann laut Johannsen Fax/4 begrenzt auf 100% von FV;Rd als Erhöhung angesetzt werden.
Frage 1: Darf dieses erhöhte FV;Rd bei der Interaktion angesetzt werden? (Stichpunkt doppelter Einsatz von Fax)
Antwort KPZT: Bei vergleichbaren Herstellerangaben wird dieser Anteil in beiden Termen berücksichtigt. Bis diese Annahme falsifiziert wird, wird der Vorschlag der Zulassungen übernommen.
Frage 2: Wie ist bei Schrauben mit d> 6mm vorzugehen?
Antwort KPZT | Derzeit ist dem Verfasser keine andere Überlagerungsvorschrift bekannt, es wird bis
auf Weiteres empfohlen den Vorschlag des EC auch für Schrauben > 6mm anzuwenden.
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Nachfolgend zwei Beispiele um den Einfluss der Steifigkeiten zu untersuchen:
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40
Können kreuzweise angeordnete Schrauben auf Schub ausgelegt werden, wenn diese mit Zugankern (ggf.
durch hohe Zugkräfte erforderlich) kombiniert werden, oder ziehen die „Schubschrauben“ aufgrund ihrer
Steifigkeit die vertikalen Lasten an?
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41
Forderung nach Überfestigkeit in bestimmten Tragwerksteilen
Auszug aus der aktuell gültigen Norm
EN 1998-1 2011-16-15
Kap. 8 Besondere Regeln für den Holzbau
Diese Regelung erscheint im Zusammenhang mit Überlegungen des duktilen Verhaltes von Holzbauten sinnvoll. Gleichzeitig bringt gerade diese Vorschrift große Probleme mit sich. Zum einen sind die
Bauleute üblicher Weise der Meinung, dass ein Mehr an Kraftübertragung, ein mehr an Verbindungsmittel etc. auf der sicheren Seite liegend nur gut ist. So kann eine angeordnete Teilausnagelung im Ausführungsfall recht schnell verschwinden und voll ausgenagelt sein (eine Korrektur ist
wirtschaftlich sinnvoll dann nicht mehr möglich, zuviel gesetzte Nägel können nicht mehr entfernt
werden). Zum anderen erhöht sich der bearbeitungsaufwand in der Planung enorm. Jede Gruppe
von Zugankern (Holddown) mit den Dübeln muss gesondert betrachtet werden. Die Ausagelung jedes einzelnen Zugankers muss auf die Dübelgruppe abgestimmt sein.
Nachstehend sind Fragen formuliert, auf dies es aus Sicht des Verfassers bestätigte Antworten
braucht:
Frage: Höhe der Überfestigkeit.
Anlehnung an 4.4.2.5 ?!
Duktile Versagensform γd=1,1
Maßgebendes Verbindungsmittel der Verankerung ist der Dübel.
Frage: Wird die Überfestigkeit bei Dübelverbindungen an STB über den Teilsicherheitsfaktor
γM,S,SEIS = 1,50 abgedeckt?
(Dies wird derzeit so angenommen, somit sind die γd=1,1 durch die γM,S,SEIS = 1,50 abgedeckt)
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42
Vergleichsrechnungen an ausgewählten Verbindungsmitteln mit den Ergebnissen von 2.2
Annahme: γd=1,1 γd wird durch Überfestigkeit des Dübels γM,S,SEIS abgedeckt.
ERDBEBEN:
Bemessung der Nägel:
WHT 340 – Teilausgenagelt nach Produktzulassung
, ,
1,1 ∗ 27,0
1
29,7
Bemessung der Dübel:
Aus Kapitel 3.2.1 :
( 3.2.1.1 Model c )
, ,
32
29,7
√
Die Forderung, dass die Nägel hier das schwächste Glied der Kette darstellen und die Verbindung
sich somit duktil verhält, ist gegeben. Die Gesamttragfähigkeit der Verbindung reduziert sich bei zulassungsgemäßer Ausführung von 31 auf 29,7 kN.
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ERDBEBEN:
Nachweis der Nägel:
WHT 340 - Teilausgenagelt
, ,
1,1 ∗ 38,6
1
42,5
Nachweis der Dübel:
Aus Kapitel 3.2.1 :
( 3.2.1.1 Model c )
, ,
32
42,5
//
Problem mit der Überfestigkeit
SCHLUSSFORDERUNG:
Die Winkel müssen immer exakt auf die Tragfähigkeit der Dübel abgestimmt werden. Bei eine
Gruppe von Dübel muss folglich die Teilausnagelung nochmals reduziert werden um der Abminderung des Gruppeneffekts gerecht zu werden. Hierfür gibt es dann wiederum keine Zulassungswerte.
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Die ohnehin schon sehr geringen Anschlusskräfte die über die Verdübelung im Erdbebenfall übertragen werden können werden somit nochmals reduziert.
Alternative Anschlusskonzepte von Holz auf STB sind unbedingt erforderlich! Die auftretenden Anschlusskräfte sind um ein vielfaches höher als die mittels derzeit zur Verfügung stehenden Standardanschlussteilen abzudecken sind (Siehe 2.6.2 Verankerungskräfte (Zuganschlüsse) und 3.2.1 Zuganschluss Dübel an STB)

Ankerkörper mit lagefexiblen Anschlusselementen um die Toleranzen zwischen Stahlbeton
und Holzkonstruktion aufnehmen zu können

Anschlusssysteme über Ankerplatten (Schweißgründe) und angeschweißte Nagelbleche

Etc.
Schubwinkel mit Abstandsmontage
Abstandsmontage durch Montageschwellen und / oder Ausgleichsmörtel
Derzeit wird seitens der Verbindungsmittelhersteller nicht auf diesen Umstand eingegangen. Aus
Sicht des Verfassers gibt es keine brauchbaren Ansätze die auf diese Konstellationen Bezug nehmen (3.2.2 Problemstellung 2).
Vergleiche 3.2.2 Schubanschluss Winkel an STB
Verfüllter Ringspalt bei hintereinander gesetzten Dübeln
Hier wird Bezug auf die Angaben durch die Dübelhersteller genommen. Bei der Bemessung im Lastfall Erdbeben wird das Verfüllen des Ringspalts gefordert um das Zusammenwirken beider Dübel zu
gewährleisten. In anderen Zulassungen oder Produktdatenblättern z.B. Rothblass wird auf diesen
Umstand nicht Bezug genommen.
Seitens des Verfassers wird davon ausgegangen, dass bei den im Holzbau eingesetzten Winkeln mit
einer Blechstärke von 2-4mm die Verformbarkeit der Löcher so groß ist, dass ein Abscheren eines
Dübels bei seismischer Belastung vor der Aktivierung der anderen ausgeschlossen werden kann.
Vergleiche 3.2.2 Schubanschluss Winkel an STB
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