Querzug- und Querdruckverstärkungen - Aktuelle Forschungsergebnisse

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1 Querzug- un Querrucverstärungen - Atuelle Forschungsergebnisse 1 Allgemeines Bei einer Zugbenspruchung rechtwinlig zur Fserrichtung weist Holz nur eine sehr geringe Festigeit uf. Der chrteristische Festigeitswert von Vollholz bzw. Brettschichtholz bei Zugbenspruchung rechtwinlig zur Fserrichtung beträgt nur etw 1/0 bis 1/60 es entsprechenen Wertes prllel zur Fserrichtung. Holzonstrutionen sollten her so geplnt weren, ss Zugspnnungen rechtwinlig zur Fser vermieen weren oer nur möglichst geringe Werte nnehmen. Beispiele für querzuggefährete Buteile sin Quernschlüsse, usgelinte Trägeruflger un Trägerurchbrüche. Als Verstärungselemente wuren bisher ins Holz eingelebte Sthlstäbe oer uf s Holz ufgelebte Holzwerstoffpltten verwenet. Eine Alterntive zu en gelebten Querzugverstärungen stellen buufsichtlich zugelssene selbstbohrene Vollgewineschruben r. Selbstbohrene Vollgewineschruben önnen ber uch in querrucgefähreten Buteilen eingesetzt weren. Bei einer Drucbenspruchung rechtwinlig zur Fserrichtung weist s Holz ebenso eine geringe Festigeit uf. Bei mit Hilfe von selbstbohrenen Vollgewineschruben verstärten querrucgefähreten Buteilen, wie z.b. Trägeruflgern, nn ie Trgfähigeit im Vergleich zu unverstärten Buteilen eutlich gesteigert weren. Im Gegenstz zu en z.b. nch DI 96, DI 97 oer DI 571 genormten Schruben, ie lle eine Gewineform nch DI 7998 ufweisen un in vorgebohrte Löcher eingereht weren, weren buufsichtlich zugelssene selbstbohrene Holzschruben nch em Aufrollen es Gewines gehärtet, um höhere Werte es Fließmomentes, er Torsionstrgfähigeit sowie insbesonere er Zugtrgfähigeit zu erreichen. Es sin Durchmesser bis zu 1 mm sowie Längen bis zu 600 mm verfügbr. Selbstbohrene Holzschruben önnen ls Teilgewineschruben oer ls Vollgewineschruben mit urchgehenem Gewine zwischen Schrubenopf un Schrubenspitze hergestellt weren. Um s Einschrubrehmoment sowie s Splten es Holzes zu reuzieren, önnen selbstbohrene Holzschruben mit einer Bohrspitze, einem Schneiegewine oer einem Reibschft zwischen em Schft- un em Gewinebereich usgestttet weren. chfolgen weren für mit selbstbohrenen Vollgewineschruben verstärte querzug- un querrucgefährete Buteile Hinweise zur onstrutiven Ausfüh-

2 rung ieser Verstärungselemente ngegeben. Die Trgfähigeitsnchweise für unverstärte sowie verstärte querzuggefährete Buteile önnen nch em Bemessungsonzept er E DI 105 geführt weren. Für Trägerurchbrüche sowie Querrucverstärungen weren ergänzene Berechnungshinweise ngegeben, ie im tuellen Bemessungsonzept er E DI 105 bislng nicht enthlten sin. Bil 1: Selbstbohrene Holzschruben Selbstbohrene Holzschruben - Benspruchung uf Herusziehen un Hineinrücen Wegen er profilierten Ausbilung es Gewinebereiches önnen selbstbohrene Holzschruben hohe Kräfte in Richtung ihrer Achse übertrgen. Dher weren selbstbohrene Holzschruben in uf Querzug- un uf Querruc benspruchten Buteilen vorwiegen rechtwinlig zur Holzfserrichtung eingereht un somit in Richtung ihrer Achse uf Herusziehen bzw. Hineinrücen bensprucht. In E DI 105, Abschnitt 1.8. sin für uf Herusziehen benspruchte Holzschruben Bemessungsgleichungen ngegeben. Diese gelten für eine Benspruchung prllel zur Schrubenchse sowie für Einschrubwinel zwischen Fserrichtung es Holzes un er Schrubenchse von 45 α 90. Mit m Lehrstuhl für Ingenieurholzbu un Buonstrutionen (Universität Krlsruhe) urchgeführten Versuchen zur Bestimmung es xilen Ausziehwierstnes sowie es Wierstnes gegen Hineinrücen onnte gezeigt weren, ss er Wierstn gegen Hineinrücen von Schruben ins Holz em xilen Ausziehwierstn entspricht. Der chrteristische Wert es Ausziehwierstnes sowie es Wierstnes gegen Hineinrücen ist in erster Linie vom chrteristischen Wert es Ausziehp-

3 rmeters (Tbelle 1) un somit insbesonere von er Trgfähigeitslsse (TFK) un vom chrteristischen Wert er Rohichte es Holzes bhängig. Tbelle 1: Chrteristische Werte es Ausziehprmeters bzw. es Kopfurchziehprmeters Ausziehprmeter Kopfurchziehprmeter Trgfähigeitslsse f 1, in /mm Trgfähigeitslsse f, in /mm ρ A ρ B ρ C Chrteristische Rohichte ρ in g/m 3, jeoch höchstens 500 g/m ρ ρ ρ Der chrteristische Wert er Zugtrgfähigeit ist von er Zugfestigeit er Schrube bhängig. Für buufsichtlich zugelssene selbstbohrene Holzschruben sin ie Werte es Ausziehprmeters bzw. er Trgfähigeitslsse sowie er Zugtrgfähigeit er entsprechenen Zulssung zu entnehmen. Für genormte Holzschruben sin ie Hinweise in E DI 105, Abschnitt 1.8. zu bechten. Der chrteristische Wert es Ausziehwierstnes bzw. es Wierstnes gegen Hineinrücen von Holzschruben, ie unter einem Winel 45 α 90 zur Fserrichtung in s Holz eingeschrubt weren, rf somit wie folgt berechnet weren: R x, α, = min sin f1, lef 4 α + cos 3 R t,u, α (1) un 45 α 90 Hierin beeuten: R t,u, chrteristischer Wert er Zugtrgfähigeit er Schrube (gilt nur für uf Herusziehen benspruchte Schruben) f 1, chrteristischer Wert es Ausziehprmeters in /mm nch Tbelle 1 ennurchmesser l ef leinerer Wert er Gewinelänge im Holzteil 1 bzw. α Winel zwischen Schrubenchse un Fserrichtung

4 Für Verbinungen mit xil benspruchten selbstbohrenen Holzschruben weren folgene Minestbstäne empfohlen (Bil ). Diese Minestbstäne gelten ebenflls für geneigt ngeornete, vorwiegen xil benspruchte selbstbohrene Holzschruben (Bil 3). 1 Achsbstn er Schruben untereinner in einer Ebene prllel zur Fserrichtung: 1 5 Achsbstn er Schruben untereinner rechtwinlig zu einer Ebene prllel zur Fserrichtung:,5 zusätzlich gilt: 1 5 1,c,c Abstn es Schwerpuntes es im Holz eingerehten Schftteils von er Hirnholzfläche (prllel zur Fser): 1,c 5 Abstn es Schwerpuntes es im Holz eingerehten Schftteils von er Seitenholzfläche (rechtwinlig zur Fser):,c 4 F 1 F 1,c 1,c 1 1,c F A A B B F 1,c Schnitt A - A,c,c F Schnitt B - B,c,c F Bil (lins) un 3 (rechts): Minestbstäne von vorwiegen xil benspruchten selbstbohrenen Holzschruben 3 Querzugverstärungen mit selbstbohrenen Holzschruben 3.1 Verstärte Quernschlüsse Für urch eine Krfteinleitung rechtwinlig zur Holzfserrichtung benspruchte unverstärte Buteile mit Rechtecquerschnitt ürfen ie urch verurschten Querzugspnnungen nch E DI 105, Abschnitt berechnet weren. Weren Quernschlüsse urch rechtwinlig zur Holzfserrichtung eingerehte selbstbohrene Holzschruben verstärt (Bil 4), ist er chweis er Verstärungselemente nch E DI 105, Abschnitt zu führen. Dieser chweis bsiert

5 uf er Annhme einer gerissenen Zugzone im Holz un somit uf er Übertrgung er Krftomponente rechtwinlig zur Holzfser llein urch ie Verstärungselemente. Dher nn bei nicht usreichen verstärten Quernschlüssen er Bemessungswert er Trgfähigeit rechtwinlig zur Fserrichtung es Holzes R 90, nch Abschnitt leiner sein ls erjenige für unverstärte Quernschlüsse. Für iesen Fll rf er Bemessungswert R 90, wie für unverstärte Quernschlüsse ermittelt weren. Vollgewineschruben l l,t,c l S h A A x F / 90 Bil 4: Quernschluss Können ie Minestbstäne 1 un eingehlten weren, sollten ie Verstärungsschruben zwischen ie Verbinungsmittel es Quernschlusses rechtwinlig zur Holzfserrichtung sowie rechtwinlig zu en Verbinungsmitteln es Quernschlusses ngeornet weren (Bil 5). 1,c,c Bil 5: Schruben mittig zwischen en Verbinungsmitteln es Quernschlusses (Schnitt A - A) Anerenflls önnen ie Schruben nur von ußen (Bil 6) icht n ie Verbinungsmittel es Quernschlusses oer ber sowohl zwischen en Verbinungsmitteln ls uch ußerhlb eingereht weren.

6 1,c,c Bil 6: Schruben ußerhlb er Verbinungsmittel es Quernschlusses (Schnitt A - A) Beispiel: Als Beispiel wir ein verstärter Quernschluss nch E DI 105 berechnet. An einen Träger us Vollholz er Festigeitslsse C 4 mit einem Querschnitt h x b = 160 x 80 mm weren zwei ußenliegene Sthlbleche mit Hilfe von zwei nebeneinner liegenen Bolzen ( B = 16 mm) ngeschlossen. Der Abstn er Bolzen von benspruchten Rn beträgt = 60 mm. Der Abstn er Bolzen untereinner in Fserrichtung beträgt r = 64 mm. Der Quernschluss wir mit Hilfe von vier rechtwinlig zur Holzfserrichtung eingerehten Vollgewineschruben 6,0 x 10 mm verstärt. Die Anornung er Vollgewineschruben entspricht er Schrubennornung in Bil 5. Ds Gewine er Vollgewineschrube entspricht er Trgfähigeitslsse. weitere Angben: KL ; KLED "urz" mo = 0,90 für Gewine entsprechen er Trgfähigeitslsse gilt: f 1, = ρ = 8,58 /mm für C 4 ist ρ = 350 g/m 3 { l ; l } 60 mm lef = min,c, t = R x, = min sin f1, lef 4 α + cos 3 f, α R x, = 3089 Kopfurchziehen (f, ) ist bei Vollgewineschruben nicht mßgeben. sowie für ie Zugfestigeit er Vollgewineschrube:

7 R = 75 π ( 0,9 ) 6871 x, = mo 0,9 Rx, = Rx, = 3,09 =,14 γ 1,3 M F t,90, R x, somit gilt: n R x, 3 [ 1 3 α + α ] F90, mit α = / h sowie n = 4 Schruben folgt: F 90, 1,5 Zum Vergleich nn er Bemessungswert er Krftomponente rechtwinlig zur Holzfserrichtung F 90. für einen ientischen unverstärten Quernschluss nch E DI 105, Abschnitt zu F 90, 6,3 berechnet weren. Minestbstäne: Bolzen: 1,c,vorh = 64 mm 1,c,erf = 4 B Vollgewineschruben: Überprüfen, ob eine Anornung zwischen en Bolzen möglich ist: 1,mx = r - B - = ( ) mm 1,mx = 4 mm gewählt: = 6 mm 1,vorh = 40 mm 1,erf = 5,vorh = 30 mm,erf =,5,c,vorh = 5 mm,c,erf = 4 1 = mm 5 3. Verstärte usgelinte Trägeruflger Bei unverstärten Trägern mit Rechtecquerschnitt, ie n en Enen usgelint sin, ist er Schubspnnungsnchweis mit er Resthöhe h e nch E DI 105, Abschnitt 11. zu führen. Für verstärte usgelinte Träger (Bil 7) gilt Abschnitt er E DI 105. Bei nicht usreichen verstärten usgelinten Trägeruflgern nn er Bemessungswert er ufnehmbren Querrft V nch Abschnitt leiner sein ls er Bemessungswert er ufnehmbren Querrft für unverstärte usgelinte Trägeruflger. Für iesen Fll rf er chweis

8 er usgelinten Ece wie für unverstärte usgelinte Trägeruflger nch Abschnitt 11. geführt weren. Schnitt A - A. 1,c h h e 90 l, l,1.,c,c A V A Bil 7: Auslinung Die Verstärungselemente sin stets unter 90 zur Holzfserrichtung mit em leinst möglichen Abstn 1,c zur Auslinungsece in ie Träger einzurehen. Weiterhin rf in Trägerlängsrichtung nur eine selbstbohrene Holzschrube in Rechnung gestellt weren. Der Bemessungswert er Zugrft F t,90, rechtwinlig zur Holzfser muss leiner sein ls er Bemessungswert er xilen Trgfähigeit er Schruben. Für ie Ermittlung er xilen Ausziehtrgfähigeit nch Abschnitt l = min l ; l 1.8. er E DI 105 ist er leinere Wert er Gewinelänge { } nzunehmen. Beispiel: Als Beispiel wir eine verstärte rechtwinlige Auslinung m Ene eines Trägers us BSH er Festigeitslsse BS 8c nch E DI 105 berechnet. Die Trägerhöhe beträgt h = 300 mm, ie Trägerbreite b = 80 mm. Die Resthöhe m usgelinten Auflger beträgt h e = 150 mm. Die Auslinung wir mit Hilfe einer rechtwinlig zur Holzfserrichtung eingerehten Vollgewineschrube 8,0 x 40 mm verstärt. Die Anornung er Vollgewineschrube entspricht er Schrubennornung in Bil 7. Ds Gewine er Vollgewineschrube entspricht er Trgfähigeitslsse. weitere Angben: KL ; KLED "urz" mo = 0,90 Steigungswinel es Anschnitts: ε = 90 Abstn zwischen Krftwirungslinie er Auflgerrft un Auslinungsece: c = 50 mm,1,

9 für Gewine entsprechen er Trgfähigeitslsse gilt: f 1, = ρ = 11,8 /mm für BS 8h ist ρ = 410 g/m 3 l,1 = h - h e = 150 mm l, = l S - l,1 = 90 mm { l ; l } 90 mm lef = min,1, = R x, = min sin f1, lef 4 α + cos 3 f, α R x, = 8496 Kopfurchziehen (f, ) ist bei Vollgewineschruben nicht mßgeben. sowie für ie Zugfestigeit er Vollgewineschrube: R = 75 π ( 0,9 ) 1, x, = mo 0,9 Rx, = Rx, = 8,50 = 5,89 γ 1,3 M F t,90, R x, somit gilt: n R [ 3 ( 1 α) ( α) ] 3 x, 1,3 V 1 mit α = h e / h sowie n = 1 Schrube folgt: V 9,06 Zum Vergleich nn er Bemessungswert er Querrft V für eine ientische unverstärte Auslinung nch E DI 105, Abschnitt 11. zu V 10,7 berechnet weren. Der Bemessungswert er ufnehmbren Querrft für ie unverstärte Auslinung ist größer ls erjenige für eine mit einer Vollgewineschrube 8 x 40 mm verstärte Auslinung. Entweer nn für ie ufnehmbre Querrft V er nch Abschnitt 11. berechnete Wert V = 10,7 ngenommen weren oer er Verstärungsgr ist zu erhöhen. euwhl er Verstärung: Vollgewineschrube: 10 x 300 mm Minestbstäne:

10 ,c,vorh = 40 mm,c,erf = 4 1,c,vorh = 50 mm,c,erf = 5 l,1 = h - h e = 150 mm l, = l S - l,1 = 150 mm { l ; l } 150 mm lef = min,1, = R x, = min sin f1, lef 4 α + cos 3 f, α R x, = Kopfurchziehen (f, ) ist nicht mßgeben. sowie für ie Zugfestigeit er Vollgewineschrube: ( 0,9 ) 19,1 Rx, = 75 π = mo 0,9 Rx, = Rx, = 19,1 = 13, γ 1,3 M F t,90, R x, somit gilt: n R [ 3 ( 1 α) ( α) ] 3 x, 1,3 V 1 mit α = h e / h sowie n = 1 Schrube folgt für ie ufnehmbre Querrft: V 0,3 Zusätzlich muss er chweis er Schubspnnung im reuzierten Querschnitt mit er Trägerhöhe h e geführt weren. mo 0,9 f v, = fv, = 3,5 =,4 γ 1,3 mm mm M V = he b fv, = 19, Verstärte Trägerurchbrüche Durchbrüche in Trägern mit Rechtecquerschnitt sin rune bzw. rechtecige Öffnungen mit en lichten Mßen > 50 mm. Bei Trägerurchbrüchen mit einer Benspruchung infolge er Querrft V un es Biegemomentes M entsteht eine Zugrft F t,90, rechtwinlig zur Holzfser. Der chweis für en Bemessungswert ieser Zugrft rechtwinlig zur Holzfser nn nch Abschnitt 11.3 er E DI

11 105 geführt weren. Für mit selbstbohrenen Vollgewineschruben verstärte Trägerurchbrüche (Bil 8) gilt Abschnitt Hierbei ist ie Zugrft F t,90, bei rechtecigen Durchbrüchen in er Höhe er querzugbenspruchten Durchbruchsece, bei reisförmigen Durchbrüchen in er Höhe es querzugbenspruchten Durchbruchrnes unter 45 zur Trägerchse vom Kreismittelpunt ngenommen urch selbstbohrene Vollgewineschruben ufzunehmen. Bei nicht usreichen verstärten Trägerurchbrüchen nn ie ufnehmbre Zugrft F t,90, rechtwinlig zur Holzfser leiner sein ls ie ufnehmbre Zugrft F t,90, für unverstärte Trägerurchbrüche. Für iesen Fll rf nlog zum Vorgehen bei Quernschlüssen un usgelinten Trägeruflgern er chweis für verstärte Trägerurchbrüche wie für unverstärte Trägerurchbrüche nch Abschnitt geführt weren. 1,c l,1 Schnitt A - A,c M V A 90 1,c l, V A M 1,c 1,c,c Bil 8: Trägerurchbruch Für verstärte Trägerurchbrüche sin ie Schruben mit em leinst möglichen Abstn 1,c zum Durchbruchsrn rechtwinlig zur Holzfserrichtung einzurehen. Für en chweis nch Abschnitt rf je Durchbruchsseite in Trägerlängsrichtung nur eine Schrube in Rechnung gestellt weren. Der Bemessungswert er Zugrft F t,90, rechtwinlig zur Holzfser muss leiner sein ls er Bemessungswert er xilen Trgfähigeit er Schruben. Für ie Ermittlung er xilen Trgfähigeit nch Abschnitt 1.8. er E DI 105 ist er l = min l ; l nzunehmen. leinere Wert er Gewinelänge { } Zusätzlich zu er Berechnung von unverstärten sowie verstärten Trägerurchbrüchen nch E DI 105, Abschnitt 11.3 un ist nch [1] ein Schubspnnungsnchweis mit erhöhten Werten er Schubspnnung in er ähe eines Durchbruches zu führen. Infolge er Umleitung es Schubflusses treten bei Trägern mit rechtecigen bzw. runen Durchbrüchen n en Durchbruchsecen sowie in einem zur Holzfser prllelem Abstn zum Durchbruchsrn von etw er Durchbruchshöhe h erhöhte Schubspnnungen uf. In Abhängigeit von er Durchbruchslänge un er Durchbruchshöhe h önnen ie n iesen Stellen uftretenen Schubspnnung,1,

12 um bis zu rei ml höhere Werte nnehmen ls ie Schubspnnungen im Restquerschnitt oberhlb bzw. unterhlb es Durchbruches. In Bil 9 sin ie Schubspnnungsverläufe über en Querschnitt n en vier mßgebenen Stellen eines Trägers mit Durchbruch qulittiv rgestellt. τ1 τ τ3 τ 4 h h Bil 9: Schubspnnungsverläufe Für 0,1 /h 1,0 un 0,1 h /h 0,4 gilt bei onstnter Querrft für ie mximlen Werte er Schubspnnungen: τ > τ 3 > τ 1 > τ 4 Der Höchstwert er Schubspnnung nn nch [1] wie folgt ermittelt weren: τ mx = κ mx 1,5 b V ( h h ) mit κ mx h = 1, h h 0, () mit 0,1 /h 1,0 un 0,1 h /h 0,4 Beispiel: Als Beispiel wir ein 000 mm lnger Einfelträger us BSH er Festigeitslsse BS 8h (Trägerquerschnitt h x b = 00 x 80 mm ) mit einer Einzellst V in Trägermitte sowie einem verstärten rechtecigen Durchbruch nch E DI 105 betrchtet. Der Durchbruch mit einer Durchbruchshöhe h = 60 mm sowie einer Durchbruchslänge = 100 mm wir in einem Abstn l v = 00 mm zum Auflger ngeornet. Als Verstärungselemente weren jeweils zwei Vollgewineschruben 6 x 10 mm lins un rechts vom Durchbruch nebeneinner vorgesehen. Die Anornung er Vollgewineschruben entspricht em Schrubenbil in Bil 8. Ds Gewine er Vollgewineschrube entspricht er Trgfähigeitslsse. weitere Angben: KL ; KLED "urz" mo = 0,90 für Gewine entsprechen er Trgfähigeitslsse gilt:

13 f 1, = ρ = 11,8 /mm für BS 8h ist ρ = 410 g/m 3 l,1 = h r = 70 mm l, = l S - l,1 = 50 mm { l ; l } 50 mm lef = min,1, = R x, = min sin f1, lef 4 α + cos 3 f, α R x, = 3540 R = 75 π ( 0,9 ) 6,87 x, = mo 0,9 Rx, = Rx, = 3,54 =,45 γ 1,3 M F t,90, R x, somit gilt: V h 4 h h 3 h l + 0,008 x V h r n R x, mit h / h = 0,3; / h = 0,5; h r = 70 mm; l x = l v + = 300 mm sowie n = Schruben folgt: V 19,4 Zum Vergleich nn er Bemessungswert er ufnehmbren Querrft V für einen ientischen unverstärten Trägerurchbruch nch E DI 105, Abschnitt 11.3 zu V 7,13 berechnet weren. Weitere chweise: Biegespnnungsnchweis in Trägermitte: mo 0,9 f m, = fm, = 8 = 19,4 γ 1,3 mm mm M b h V fm, = 10, mm Biegespnnungsnchweis m Trägerurchbruch: V I h l etto x f m,

14 I etto b hr = b h r h hr + I etto = 5, mm 4 V 33,6 Schubspnnungsnchweis m Trägerurchbruch nch Gleichung (): mo 0,9 f v, = fv, = 3,5 =,4 γ 1,3 mm mm κ V M 0, mx = h = 1, h h b 3 κ ( h h ) fv, = mx,17 8,34 Für en verstärten Trägerurchbruch ist er chweis er Schubspnnung in er ähe es Trägerurchbruchs nch Gleichung () mßgeben. Dmit hätte uch eine Schrube pro Seite genügt. Minestbstäne:,c,vorh = 30 mm,c,erf = 4,vorh = 0 mm,erf =,5 1,c,vorh = 30 mm,c,erf = 5 4 Querrucverstärungen mit selbstbohrenen Holzschruben Bei unverstärten Trägeruflgern ist er chweis er Drucspnnung rechtwinlig zur Fserrichtung es Holzes nch E DI 105, Abschnitt zu führen. Hierbei ist nchzuweisen, ss er Bemessungswert er wirsmen Drucspnnung rechtwinlig zur Holzfser σ c,90, leiner ist ls er Bemessungswert er Querrucfestigeit unter Berücsichtigung er Teilflächenpressung c,90 f c,90,. Knn er chweis er Auflgerpressung nicht eingehlten weren, besteht ie Möglicheit, Auflger mit rechtwinlig zur Holzfserrichtung eingerehten Vollgewineschruben zu verstären (siehe Bil 10).

15 Bil 10: Auflger eines BSH-Trägers mit sechs Vollgewineschruben Hierbei weren selbstbohrene Vollgewineschruben n er Stelle es querrucbenspruchten Trägeruflgers rechtwinlig zur Holzfserrichtung eingereht, so ss ie Obernte es Schrubenopfes bünig mit er Holzoberfläche ist. Dmit ie Auflgerlst gleichmäßig über ie Schruben sowie über ie Holzoberfläche ins Holz eingeleitet weren nn, sin ie Schruben gleichmäßig über ie Auflgerfläche zu verteilen. Die Trgfähigeit eines mit selbstbohrenen Vollgewineschruben verstärten Trägeruflgers ist von er Auflgerfläche un en Holzeigenschften un insbesonere von er Geometrie un en Mterileigenschften er Vollgewineschruben bhängig. In Abhängigeit von iesen Prmetern önnen beim Erreichen er Trgfähigeit eines mit selbstbohrenen Vollgewineschruben verstärten Trägeruflgers folgene rei Versgensmechnismen uftreten: 1) Unter er Annhme einer Lstusbreitung unter 45 wir ie Querrucfestigeit es Holzes oberhlb er Schrubenspitze erreicht. Dieser Versgensmechnismus nn insbesonere nn uftreten, wenn bei leinen Auflgerflächen zu urze Schruben ls Verstärungselemente eingebut weren. ) Unter er Annhme eines Zusmmenwirens es Holzes uf Querruc un er Schruben uf Hineinrücen weren ie Schruben ins Holz hineingerüct. Dieser Versgensmechnismus nn ebenflls bei zu urzen Schruben ls Auflgerverstärung uftreten. 3) Unter er Annhme eines Zusmmenwirens es Holzes uf Querruc un er Schruben uf Hineinrücen nicen ie Schruben im Holz us. Dieses Stbilitätsversgen tritt nur bei schlnen Schruben uf. Hierbei önnen mit steigener Schrubenlänge ie Trglsten nicht mehr gesteigert weren.

16 Für en chweis er Trgfähigeit eines mit selbstbohrenen Vollgewineschruben verstärten Trägeruflgers sin somit folgene Beingungen einzuhlten: chweis er Auflgerrft F c,90 unter er Annhme eines Zusmmenwirens er Schruben uf Hineinrücen un es Holzes uf Querruc: F c,90, n R + c,90 A ef,1 f c,90, mit A ef,1 = B l chweis er Drucspnnung rechtwinlig zur Holzfser oberhlb er Schrubenspitze unter er Annhme einer Lstusbreitung unter 45 (siehe Bil 11): F c,90 c,90, A ef, f c,90, mit A ef, = B l ef, = B ef,1 (3) ( l + l ) (4) ef,1 S Lstusbreitung l ef Schnitt A - A H 45 l S B 1 1,c,c,c A l A Bil 11: verstärtes Auflger Hierin beeuten: F c,90, n Bemessungswert er Auflgerrft rechtwinlig zur Holzfser Anzhl er Schruben c,90 Beiwert zur Berücsichtigung er Teilflächenpressung (E DI 105, Abschnitt 10..4) f c,90, B l ef l S R Bemessungswert er Querrucfestigeit Auflgerbreite Auflgerlänge prllel zur Holzfser. Für ie Ermittlung er wirsmen Querrucfläche A ef,1 un A ef, rf ie Auflgerlänge l n jeem l = min l; 30 mm verlängert weren. Rn um bis zu { } Länge er Vollgewineschrube bzw. ie Gewinelänge Bemessungswert er xilen Schrubentrgfähigeit

17 Der Bemessungswert er xilen Schrubentrgfähigeit R ist er leinere Wert us em xilen Wierstn er Schrube uf Hineinrücen R x, un er Grenztrgfähigeit beim Ausnicen er Schrube im Holz R c,. Es gilt: R = min { R ;R } x, c, (5) mit R x, nch E DI 105, Abschnitt 1.8. un R c, = κ c pl, Der Bemessungswert er Grenztrgfähigeit beim Ausnicen R c, ergibt sich us em chrteristischen Wert R c, un em Teilsicherheitsbeiwert γ M = 1,1. Für κ c gilt: κ c = 1 für λ 0, 1 κc = für λ > 0, + λ mit = 0,5 [ 1+ 0,49 ( λ 0, ) + λ ] un einem bezogenen Schlnheitsgr bei Drucbenspruchung λ = pl, i,g /E, Hierin beeuten: pl, chrteristischer Wert er ormlrft im vollplstischen Zustn bezogen uf en Schrubenern mit: pl, = A Kern f y, = π ( 0,7 ) 4 f y, Sofern nichts Aneres ngegeben ist, rf f y, zu f y, = 400 /mm ngenommen weren. i,g/e, Schrubennennurchmesser chrteristischer Wert er leinsten Verzweigungslst nch Elstizitätstheorie in Abhängigeit vom Schrubennennurchmesser, von er Schrubenlänge l S, von er chrteristischen Rohichte es Holzes ρ sowie von er Lgerungsrt es Schrubenopfes n

18 er Stelle er Lsteinleitung unter Berücsichtigung er elstischen Bettung es Holzes sowie einer reiecförmigen ormlrftverteilung in er Schrube. Die Minestbstäne 1, 1,c, un,c in Bil 11 entsprechen en uf Herusziehen benspruchten Schruben (siehe Abschnitt ). Der chrteristische Wert er leinsten Verzweigungslst i,g/e, nch Elstizitätstheorie nn entweer nlytisch urch ein näherungsweises Lösen einer Differentilgleichung vierter Ornung bzw. numerisch ermittelt weren. In Bil 1 ist s ngenommene System einer nicgefähreten, selbstbohrenen Vollgewineschrube ls Auflgerverstärung rgestellt. Hierbei ist c h ie elstische Bettung es Holzes un c v ie vertile elstische Abstützung er Schrube beim Hineinrücen ins Holz. Der chrteristische Wert er elstischen Bettung es Holzes wure us 70 Versuchen zur Bestimmung er Lochleibungsfestigeit es Holzes m Lehrstuhl für Ingenieurholzbu un Buonstrutionen (Universität Krlsruhe) ermittelt un nn zu c h, = 0,3 ρ ngenommen weren. Der chrteristische Wert er vertilen elstischen Abstützung er Schrube beim Hineinrücen ins Holz nn zu c v, = 130 /mm ngenommen weren. D s Verhältnis er vertilen elstischen Abstützung c v zur Dehnsteifigeit er Schrube E A S sehr lein ist, nn ie ormlrft in er Schrube relitätstreu ls stufenförmig sowie tngententreu bzw. für en Fll einer ontinuierlichen Abstützung ls reiecförmig sowie tngententreu verteilt ngenommen weren. Drüber hinus ist ie Verzweigungslst nch Elstizitätstheorie von er Größe er vertilen elstischen Abstützung c v unbhängig. Die Verzweigungslst i,g/e, wure bei er numerischen Berechnung ls richtungstreu ngenommen. i ormlrftverteilung i i richtungstreue Lsteinleitung c h l S tngententreue ormlrftverteilung c v Bil 1: System einer nicgefähreten schlnen Schrube ls Auflgerverstärung

19 Der chrteristische Wert er leinsten Verzweigungslst i,g/e, sowie ie Knicfigur sin weiterhin von er onstrutiven Ausführung er Stelle er Lsteinleitung m Auflger bhängig. Für en Fll er Ausführung einer Auflgerverstärung mit Schruben mit beliebigen Kopfformen ist für ie Berechnung er leinsten Verzweigungslst für ie Drehfeersteifigeit K n er Stelle er Lsteinleitung K = 0 nzunehmen (rechts in Bil 13). Weren ls Auflgerverstärung Schruben mit einer Senopfform sowie einer usgefrästen Sthlpltte nch Bil 14 verwenet, rf für ie Berechnung er leinsten Verzweigungslst ie Drehfeersteifigeit zu K = ngenommen weren (lins in Bil 13). K= i,e, K=0 i,g, Bil 13: Lgerung er Lsteinleitungsstelle - lins: Einspnnung - rechts: Gelen Auflgerlst Sthlpltte (Sthlplttenice = Senopfhöhe) onische Ausfräsungen in Senopfform (Lochurchmesser = Senopfurchmesser) Unternte Holzträger Bil 14: Konstrutive Ausführung eines verstärten Trägeruflgers für K = Auflgerverstärungen mit selbstbohrenen Vollgewineschruben mit beliebigen Kopfformen (K = 0) sin im Vergleich zu Auflgerverstärungen mit selbstbohrenen Vollgewineschruben mit einer Senopfform sowie einer onisch usgefrästen Sthlpltte nch Bil 14 einfcher herstellen. Allerings sin bei gleichen Geometrie- un Mterileigenschften er Schruben ie leinsten Verzwei-

20 gungslsten i,g, für Vollgewineschruben mit beliebigen Kopfformen eutlich geringer ls iejenigen Verzweigungslsten i,e, für Vollgewineschruben mit einer Senopfform sowie einer onisch usgefrästen Sthlpltte. In Bil 15 sin für Knicsysteme mit einer Drehfeersteifigeit K = 0 n er Stelle er Lsteinleitung (gilt für Auflger mit Schruben mit beliebigen Kopfformen) mit unterschielichen Verhältnissen von Schrubenlänge l S zu Gewineußenurchmesser ie Knicfiguren sowie ie leinsten Verzweigungslsten i,g, nch E- lstizitätstheorie rgestellt. Entsprechene Knicfiguren sowie Verzweigungslsten i,e, nch Elstizitätstheorie für Knicsysteme mit einer Drehfeersteifigeit K = n er Stelle er Lsteinleitung (gilt für Auflger mit Schruben mit einer Senopfform sowie einer onisch usgefrästen Sthlpltte) sin in Bil 16 rgestellt. verformter Zustn K=0 i,g, unverformter Zustn l S / = 5 i = 10,3 l S / = 6,7 i = 15 l S / = 16,7 i = 18,6 l S / = 8,3 i = 16,7 l S / = 33,3 i = 18,6 Bil 15: Knicfiguren un Verzweigungslsten i,g, für K = 0 (für ρ = 310 g/m 3 un E S = /mm ; = 6 mm)

21 verformter Zustn unverformter Zustn K= i,e, l S / = 16,7 i = 41,9 l S / = 5 i = 4,6 l S / = 33,3 i = 4,1 l S / = 6,7 i = 8,3 l S / = 8,3 i = 33,3 Bil 16: Knicfiguren un Verzweigungslsten i,e, für K = (für ρ = 310 g/m 3 un E S = /mm ; = 6 mm) Für en chweis er Trgfähigeit eines mit selbstbohrenen Vollgewineschruben verstärten Trägeruflgers nn er chrteristische Wert er leinsten Verzweigungslst i,g/e, nch Elstizitätstheorie in Abhängigeit vom Schrubennennurchmesser, von er Schrubenlänge l S, von er chrteristischen Rohichte es Holzes ρ sowie von er onstrutiven Ausführung er Lsteinleitungsstelle unter Berücsichtigung er elstischen Bettung es Holzes sowie einer reiecförmigen ormlrftverteilung in er Schrube nch Tbelle bzw. 3 ermittelt weren. Die Werte in Tbelle gelten für Auflgerverstärungen mit selbstbohrenen Vollgewineschruben mit beliebigen Kopfformen. Weren Auflgerverstärungen mit selbstbohrenen Vollgewineschruben mit einer Senopfform sowie einer onisch usgefrästen Sthlpltte unterhlb es Trägeruflgers nch Bil 14 usgeführt, sin ie Werte er leinsten Verzweigungslsten Tbelle 3 zu entnehmen. Tbelle : chrteristischer Wert er leinsten Verzweigungslst i,g, in [] Schrubenlänge ls in [mm] i,g, in [] ρ = 310 g/m 3 ρ = 380 g/m 3 Durchmesser in [mm] Durchmesser in [mm] Durchmesser in [mm] Durchmesser in [mm] ,34 5,55 5,58 5,59 5,59 6,47 6,78 6,83 6,84 6,85 6,94 7,31 7,37 7,38 7,39 7,57 8,0 8,09 8,10 8, ,85 15,0 16,3 16,6 16,7 9,84 17,8 19,8 0,3 0,4 10, 19,0 1,3 1,8,0 10,8 0,4 3,3 3,9 4,1 60 8,77 18,4 6,8 9,4 30,1 9,76 0,6 31,5 35,6 36,8 10, 1,5 33,4 38, 39,6 10,7,6 35,8 41,6 43,3 80 8,71 18,5 30,6 40,3 43,9 9,69 0,7 34,4 47,3 53,0 10,1 1,6 36,0 50,1 56,7 10,6,7 37,9 53,6 61, ,6 31,0 44,9 55, 0,8 34,8 50,9 64,9 1,6 36,3 53, 68,7,7 38,3 56, 73, ,4 45,8 60,8 35, 51,7 69,4 36,8 54,0 7,7 38,7 57,0 77, ,7 46,6 6,6 35,4 5,5 70,8 36,9 54,8 74,1 38,8 57,9 78, ,3 63,7 53,1 7,1 55,4 75,4 58,4 79, ,67 18,6 47,6 64,8 9,64 0,8 53,4 73, 10,0 1,6 55,7 76,5 10,5,7 58,7 80, ,8 65,7 35,5 73,9 37,0 77, 38,9 81,5 0 47,9 66, 53,6 74,5 55,9 77,7 58,9 81,9 >40 66,7 74,9 78,1 8,3 Hinweis: Zwischenwerte ürfen liner interpoliert weren ρ = 410 g/m 3 ρ = 450 g/m 3

22 Tbelle 3: chrteristischer Wert er leinsten Verzweigungslst i,e, in [] i,e, in [] Schrubenlänge ls in [mm] ρ = 310 g/m 3 Durchmesser in [mm] Durchmesser in [mm] Durchmesser in [mm] Durchmesser in [mm] , 0,8 0,8 0,8 0,8 16,8 5,5 5,5 5,5 5,5 17,5 7,6 7,6 7,6 7,6 18,4 30, 30, 30, 30, 40 0,7 8,3 40,7 40,7 40,7 3,7 3,9 49,5 49,9 49,9 4,8 34,9 51,6 53,8 53,8 6,1 37,5 54, 59,0 59,0 60 0,5 38, 45,3 57,8 60,5,9 45,1 53,5 66,1 74, 3,9 47,8 57,0 69,7 80,0 5,1 51,1 61,6 74,4 87,8 80 0, 41,3 57,1 63,8 74,6,4 46,4 68, 75,9 86,8 3,3 48,5 7,8 81,0 9,0 4,4 51, 78,7 87,8 98, ,9 65,7 76,7 83, 47,1 74,7 9,1 99,3 49, 78,3 98, ,8 8, ,9 89,4 96,7 76, , , ,5 94, , , , , ,9 4,1 99,1 16,1 47, ,9 49, ,0 51, , , , , > Hinweis: Zwischenwerte ürfen liner interpoliert weren ρ = 380 g/m 3 ρ = 410 g/m 3 ρ = 450 g/m 3 Wie mn en Tbellen un 3 entnehmen nn, önnen ie chrteristischen Werte er leinsten Verzweigungslsten i,g/e, b einer Schlnheit er Schruben von etw l S / > 0 nicht mehr gesteigert weren. Wir beim chweis er Trgfähigeit eines verstärten Trägeruflgers ie Grenztrgfähigeit beim Ausnicen er Schrube im Holz R c, nch Gleichung (5) mßgeben, ist es nicht sinnvoll, selbstbohrene Vollgewineschruben mit einer Länge l S > 0 zu verwenen. Für iesen Fll nn ie Trgfähigeit eines verstärten Trägeruflgers nicht mehr gesteigert weren. Diese Erenntnisse onnten urch m Lehrstuhl für Ingenieurholzbu un Buonstrutionen (Universität Krlsruhe) urchgeführte Versuche mit verstärten Trägeruflgern belegt weren. In Bil 17 sin rei verstärte Trägeruflger mit unterschielichen Schrubenlängen nch er Versuchsurchführung rgestellt. A B C 8 x 180 mm 8 x 60 mm 8 x 400 mm lle Auflger: B x l = 10 x 90 mm ; ρ = 450 g/m 3 lle Schruben: f y, = 100 /mm - System: Einspnnung m Schrubenopf Bil 17: Aufgeschnittene verstärte Trägeruflger

23 Wie berechnet, wuren bei er Versuchsreihe A ie Schruben bei einer mittleren Trglst von R A,mittel = 195 in s Holz hineingerüct. Der chrteristische Wert er ufnehmbren Drucbenspruchung rechtwinlig zur Fser nn hierbei zu F c,90, = 184 berechnet weren. Entsprechen onnten bei en Versuchsreihen B un C ie Versgensrten sowie ie Trglsten sehr gut hervorgesgt weren. Alle Prüförper us er Versuchsreihe B un C versgten infolge Ausnicen er Schruben im Holz, wobei sich gleiche Knicfiguren einstellten wie bei er numerischen Berechnung (siehe Bil 16). Obwohl ie Schrubenlängen mit l S = 60 mm für ie Versuchsreihe B un l S = 400 mm für ie Versuchsreihe C unterschielich wren, wren für beie Versuchsreihen ie mittleren Trglsten mit R B,mittel = 30 un R C,mittel 41 fst gleich. Der chrteristische Wert er ufnehmbren Drucbenspruchung rechtwinlig zur Fser nn für beie Versuchsreihen zu F c,90, = 193 berechnet weren. Zum Vergleich betrug ie mittlere Trglst von unverstärten Trägeruflgern R mittel = 5. Beispiel: Als Beispiel wir er Bemessungswert er ufnehmbren Benspruchung rechtwinlig zur Holzfser F c,90, eines verstärten Trägeruflgers ermittelt. Ds Auflger eines 600 mm hohen Trägers us Brettschichtholz er Festigeitslsse BS 8h weist eine Auflgerfläche von B x l = 160 mm x 10 mm uf. Die utzungslsse es Buteils ist, ie Klsse er Lsteinwirungsuer ist urz. Als Verstärung sollen selbstbohrene Vollgewineschruben 1 mm bünig mit er Oberfläche es Holzes in en Träger eingereht weren. Ds urchgehene Gewine entspricht er Trgfähigeitslsse 3. Der chrteristische Wert er Strecgrenze es gehärteten Sthls beträgt f y, = 1000 /mm. Für ein unverstärtes Trägeruflger nn er Bemessungswert er ufnehmbren Krftomponente rechtwinlig zur Holzfserrichtung F c,90, nch E DI 105, Abschnitt zu F c,90, = 87, berechnet weren. chweis eines verstärten Trägeruflgers: Anzhl n 1 er Schruben in Fserrichtung: 1,c,erf 5 = 60 mm Auflgerlänge prllel zur Fser l = 10 mm n 1 = 1 Schrube Anzhl n er Schruben rechtwinlig zur Fser:,c,erf 4 = 48 mm,erf,5 = 30 mm Auflgerbreite rechtwinlig zur Fser b = 160 mm

24 n b 1+,erf,c,erf n = 3 Schruben Gesmtnzhl n er Schruben: n = n 1 n = 3 Schruben gewählte Schrubenlänge: l S = 400 mm Wierstn gegen Hineinrücen: 6 f 1, = ρ = 13,5 mm mit ρ = 410 g/m 3 mo 0,9 f 1, = f1, = 13,5 = 9,31 γ 1,3 mm R x, M = f 1, l S = 9, R x, = 44,7 Trgfähigeit beim Ausnicen: pl, = A Kern f y, ( 0,7 1) = π ( 0,7 ) 4 f y, pl, = π 1000 = 55,4 4 i, us Tbelle mit ρ = 410 g/m 3 un = 1 mm i, = 78,1 λ 55,4 78,1 pl, = = = i, = 0,5 = 1,01 0,84 [ 1+ 0,49 ( λ 0, ) + λ ] 1 κc = = 0,636 + λ R c, = κ c pl, R c, = 3,0 = 0,636 1,1 pl,

25 R = min { R ;R } 3,0 x, c, = mßgeben ist s Ausnicen er Vollgewineschrube im Holz. mit c,90 = 1,75 für l = 10 mm < 400 mm A ef,1 = B l ef,1 = B (l+30 mm) = 4000 mm mo 0,9 f c,90, = fc,90, = 3,0 =,08 γ 1,3 mm M folgt nch Gleichung (3): F n R + A f c,90, c,90 ef,1 c,90, = 183 chweis nch Gleichung (4): mit c,90 = 1,00 für (l + l S ) = 50 mm > 400 mm A ef, = B (l ef,1 +l S ) = B (l+l S +30 mm) = mm mo 0,9 f c,90, = fc,90, = 3,0 =,08 γ 1,3 mm M folgt nch Gleichung (4): Fc,90, c,90 Aef, fc,90, = 183 Die ufnehmbre Krftomponente rechtwinlig zur Holzfser wure für s verstärte Trägeruflger zu F c,90, = 183 ermittelt un ist somit mehr ls oppelt so groß wie er Wert für ein unverstärtes Trägeruflger. Hierbei ist ie Trgfähigeit es verstärten Trägeruflgers urch s Erreichen er Querrucfestigeit es Holzes oberhlb er Schrubenspitze bzw. urch s Ausnicen er Schruben im Holz begrenzt. Durch nn in iesem Beispiel ie ufnehmbre Krftomponente rechtwinlig zur Holzfser urch eine größere Schrubenlänge bzw. urch eine onstrutive Ausführung es Trägeruflgers mit Schruben mit Senopfform sowie einer onisch usgefrästen Sthlpltte nicht mehr gesteigert weren. 5 Zusmmenfssung In iesem Beitrg wuren Anwenungsmöglicheiten von selbstbohrenen Holzschruben mit Vollgewine gezeigt. Selbstbohrene Vollgewineschruben ön-

26 nen wie ins Holz eingeleimte Gewinestngen oer uf s Holz ufgeleimte Holzwerstoffpltten ls Verstärungselemente in querzuggefähreten Buteilen eingesetzt un berechnet weren. Der Einstz von selbstbohrenen Vollgewineschruben ls Querrucverstärung in Trägeruflgern zeigt weitere Anwenungsmöglicheiten ieser neurtigen Verbinungsmittel, ie ohne Vorbohren ins Holz eingereht weren. Durch iese einfche Montge wir ein problemloser Einstz ieser Schruben im Wer ls uch uf er Bustelle ermöglicht. Grunsätzlich önnen selbstbohrene Vollgewineschruben überll in Buteilen eingesetzt weren, wo Zug- bzw. Drucräfte übertrgen weren müssen, ie Trgfähigeit es Holzes insbesonere rechtwinlig zur Fserrichtung jeoch nicht usreichen ist. Dies eröffnet weitere Perspetiven für sinnvolle Anwenungen mit selbstbohrenen Vollgewineschruben im Ingenieurholzbu. 6 Litertur [1] Blß, H.J.; Bejt, I. "Querzugverstärungen in gefähreten Bereichen mit selbstbohrenen Holzschruben" Forschungsbericht 003. Versuchsnstlt für Sthl, Holz un Steine, Universität Krlsruhe [] Blß, H.J.; Ehlbec, J.; Kreuzinger, H.; Stec, G.; "Entwurf, Berechnung un Bemessung von Holzbuweren" Schlussentwurf Bemessungsnorm Holzbu BEKS - 00 in Tgungsbn 00 - Ingenieurholzbu - Krlsruher Tge