BEMESSUNG HOLZRAHMENBAU. Holz_Haus_Tage Seite 1

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2 DI Kurt Pock Ingenieurkonsulent für Bauwesen Lehrbeauftragter für Holzbau FH Kärnten, FH Salzburg Neuer Platz 8, A-9800 Spittal / Drau, Geboren 1964 in Klagenfurt Lebenslauf Studium des Bauwesens an der Technischen Universität in Graz, Vertiefte Ausbildung: Konstruktiver Holzbau bei Prof. Pischl Holzbauingenieur bei Holzleimbau Hofer GMBH (Lienz) 1999 Bürogründung DI Kurt Pock, Ingenieurbüro für Holzbau und Tragwerksplanung; Ingenieurkonsulent für Bauingenieurwesen, Allgemein beeideter und gerichtlich zertifizierter Sachverständiger Seit 1997 Lektor für Konstruktiven Holzbau, FH Technikum Kärnten 1999 Gastvorlesungen an der TU in Graz, im Rahmen der vertieften Holzbauausbildung seit 2000 Lektor für Konstruktiven Holzbau, FH Holztechnikum Kuchl: Holztechnik und Holzwirtschaft 2003 Lehrauftrag FH Dortmund FB Architektur Baukonstruktionslehre: Konstruktiver Holzbau 2005 Gastprofessur TU Graz Institut für Tragwerkslehre: Tragsysteme Forschungsprojekte (Auswahl): 2003 HERAID- Produkt- und Systementwicklung zur thermischen Sanierung von Altbauten 2003 NASA-Praxisleitfaden für nachhaltiges Sanieren und Modernisieren bei Hochbauvorhaben 2005 NHHB Neue hochwärmedämmende Holzleichtbauweisen Projekte (Auswahl): 2004 Nationalparkbrücke Hohe Tauern mit Christian Halm (Holzbaupreis 2005) 2005 Altenwohnheim Steinfeld, Architekt Wissounig (Holzbaupreis, Kärntner Baupreis 2005) 2007 ASKÖ Bewegungszentrum, Klagenfurt, Architekten Halm / Kaschnig Seite 2

3 Grundsätzliches von der Modellbildung bis zur Verankerung 1 Einleitung Beim Holzrahmenbau handelt es sich um eine sehr effiziente durchaus weit entwickelte Holzbauweise, die sich durch eine hohe Tragfähigkeit im Verhältnis zu äußerst positiven bauphysikalischen Eigenschaften auszeichnet. Diese Bauweise ist weit verbreitet und wird vornehmlich bei Häusern mit Vorfertigung eingesetzt. Um mit dieser Konstruktion immer bessere Dämmwerte zu erreichen, wird zunehmend der Holzanteil reduziert. Dies bedingt eine genauere Betrachtung durch den Tragwerksplaner. An dieser Stelle sei festgehalten, dass es sich hier bei den meisten Punkten um keine Besonderheit der Holzrahmenbauweise handelt. Es geht hier um allgemeine Grundsätze der Mechanik, die bei allen gleichartigen Objekten auch anderer Bauweisen ihre Anwendung finden. Die Besonderheit des Holzrahmenbaus ist im geringen Eigengewicht der Konstruktion zu sehen, bei anderen Bauweisen wirkt die hohe Eigenlast oftmals begünstigend und stabilisierend. Nachstehend sind die wichtigsten Grundsätze für die Modellbildung bzw. Bemessung eines Objektes in Holzrahmenbauweise ansatzmäßig dargestellt. 2 Lastableitung und Aussteifungskonzept Vor der Dimensionierung einzelner Bauteile bzw. Elemente ist es erforderlich ein schlüssiges Lastableitungs- und Aussteifungskonzept für das Objekt zu erstellen. Abbildung 1: Aussteifungskonzept für Wind auf Giebel- bzw. Traufseite. [3] Dieses Modell muss imstande sein alle auftretenden Lasten sowohl Horizontallasten wie auch Vertikallasten (äußere und innere Lasten) - in den Untergrund abzuleiten. Daraus entwickelt sich das Aussteifungskonzept, das im direkten Zusammenhang mit der Gestaltung des Objektes steht. Lastleitende Scheiben werden hier definiert und entsprechend gekennzeichnet. Die Verbindung der einzelnen aussteifenden Elemente ist durch entsprechende Verbindungsmittel zu gewährleisten. 3 Mindestaussteifung Zur Aussteifung eines eingeschossigen Baukörpers müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein: Seite 3

4 a) Boden und Decke bilden eine statisch wirksame Scheibe; b) Es müssen im Grundriss mindestens drei aussteifende Wandscheiben vorhanden sein; c) Die Wirkungslinien der drei aussteifenden Scheiben dürfen keinen gemeinsamen Schnittpunkt haben (mindestens zwei Schnittpunkte erforderlich). Abbildung 2: Mindestbedingungen für die Unverschieblichkeit von Wand-Decken-Scheiben (Deckenscheibe nicht dargestellt). [3] Sind diese Bedingungen erfüllt, so ist das Objekt in der Regel als aussteifend anzusehen. In der Abbildung 1 sind diese Bedingungen erfüllt. Der Baukörper ist genügend ausgesteift. In der Abbildung 2 sind Beispiele von Objekten angeführt, bei denen mindestens eine der oberen Bedingungen nicht erfüllt ist. Als Scheiben bezeichnete Bauelemente können selbstverständlich auch als Rahmen oder als aufgelöste Fachelemente ausgebildet werden. In diesen Abbildungen sind die erforderlichen Deckenscheiben nicht dargestellt. 4 Fundament- und Deckenscheibe 4.1 Fundamentscheibe Die untere Scheibe wird meistens durch die Gründung gebildet. Entweder handelt Abbildung 3: Verschiebliche Wandscheibensysteme [3] es sich um eine Bodenplatte oder um Einzelfundamente. Dieses Element muss neben den Vertikalkräften, die sich einerseits aus Druckkräften und andererseits aus abhebenden Kräften zusammensetzen, auch Horizontalkräfte aufnehmen können. Andererseits muss natürlich der Vollanschluss aller Krafteinleitungspunkte gegeben sein. Es sei darauf hingewiesen, dass bei speziellen Konstellationen, bei sehr schmalen Wandscheiben, im Falle einer Bodenplatte dies nicht immer gegeben ist. Hier kann es durch abhebende Kräfte lokal auch zu Überlastungen dieser Platte führen (Stichwort: aufbiegende Ecken). Seite 4

5 Abbildung 4: Ansicht Einbindung Zwischendecke, Andeutung der Gabellagerung der Träme. 4.2 Decke als Biegeträger Um diese Funktion voll zu erfüllen müssen für die Deckenträme die Nachweise der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit erfüllt sein. Beim Nachweis der Gebrauchstauglichkeit gewinnt die Schwingungsberechung immer größere Bedeutung. Ab einer Spannweite von ca. 4 m ist der Ansatz über die Durchbiegungsbeschränkung l/300 bzw. l/400 nicht mehr ausreichend um die Schwingungsanfälligkeit von Decken zu beurteilen. Hierzu finden sich Rechenansätze in der DIN 1052:2004 [5] und im EC 5 [6]. Einen wesentlichen Punkt für die Gesamtstabilität des Gebäudes stellt der Bereich zwischen den Trämen dar. Über diesen Bereich werden die Horizontalkräfte aus dem Obergeschoss (aus der Deckenscheibe) in die lastabtragenden Wände des Untergeschosses geleitet. Zudem gewährleisten diese Elemente die Gabellagerung der Träme selbst. 4.3 Deckenscheibe Bei den Decken ist darauf zu achten, dass sie neben Funktion als Biegeträger auch die Anforderungen an eine statische Scheibe zu erfüllen haben. Dies ist aber nur dann der Fall, wenn die Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen ordnungsgemäß geplant sind. Die Anforderung an eine Deckescheibe im Hochbau sei durch folgendes Beispiel erklärt: Um das Verständnis dieser Zusammenhänge zu fördern, soll die Beanspruchung einer Deckenscheibe vereinfacht am Biegeträger dargestellt werden. Die Decke selbst ist als Einzelträger zu sehen, der am Rand jeweils auf aussteifenden Wänden (Querwände des Gebäudes) aufliegt, die in unserem Fall die Auflager (strichliert) darstellen. Die Belastung kommt z.b. von äußerer Einwirkung des Windes auf die Längswände des Objektes. Dieser Einfeldträger wird folglich mit einer Linienlast beaufschlagt. Laut der allgemeinen Biegelehre entsteht im Ersatzträger Abbildung 5: Schubverformung durch Querkraft. Querkraft und Biegemoment. Querkraft mit linearen und Biegemoment mit parabelförmigem Verlauf. Geht man von einzeln vorgefertigten Deckenelementen aus, die sich zu einer Decke zusammensetzen, dann entstehen folgende Effekte, die in den Abbildungen 5 u. 6 vereinfacht dargestellt sind. Durch die Belastung aus Querkraft verschieben sich die Elemente untereinander. Die Belastung durch das Biegemoment bewirkt auf der Druckseite ein Zusammenpressen, auf der Zugseite ein Auffächern dieser Elemente. Seite 5

6 Abbildung 6: Verformung durch Biegemoment. Diese beiden Effekte müssen durch Verbindungsmittel abgedeckt werden. Einerseits geschieht dies für den Fall der Querkraft in der Fuge zwischen den einzelnen Elementen. Die Belastung kann über den Schubfluss errechnet werden. Andererseits muss die Belastung durch Biegemoment entsprechend abgedeckt werden. Dies kann einerseits auch wieder in dieser Fuge passieren oder andererseits durch die Ausbildung eines oben und unten verlaufenden Gurtstreifens, der zumeist durch die darunter liegenden Wandelemente sowieso vorhanden ist. In diesem Fall muss die Differenzgurtkraft aus dem Moment übertragen werden. Genaue Vorschläge hierfür finden sich in der Erläuterung zur DIN 1052 (Verweis [1]). 5 Wandscheiben Dem Aussteifungskonzept folgend ergeben sich für die einzelne Wandscheibe Lastkombinationen aus Horizontal- und Vertikallasten. Abbildung 7: Belastung einer Wandtafel durch Horizontallasten (in Scheibenebene und normal darauf) [1] Abbildung 8: Belastung einer Wandtafel durch Vertikallasten [1] Diese werden anteilsmäßig auf die wirksamen Einzelscheiben aufgeteilt. Es werden nur die Wandteile herangezogen die ohne Öffnungen vom Boden bis zur Decke durchgehen. Öffnungen müssen entsprechend ausgewechselt und Lasten aufgeteilt werden (Abbildungen 7 u. 8). Rahmenbauwände bestehen im Wesentlichen aus 3 Einzelelementen: den Rippen, der Beplankung und den Verbindungsmitteln. In der Abbildung 9 werden diese dargestellt. Für die Ableitung der Horizontalkräfte (für die Aussteifung des Gebäudes von essentieller Bedeutung) gibt es zwei Modellansätze. Das ältere Modell mit der Zugdiagonale in der Beplankung (Abbildung 9) und das aktuelle Schubfeldmodell nach DIN 1052:2004 (Abbildung 10). Beide Modelle gehen von einer raumhohen Beplankung aus. Ist die Beplankung gestoßen stellt sich ein weitaus ungünstigeres Tragmodell ein. Die Traglast sinkt dramatisch ab, die Verformung steigt um ein Vielfaches. Rissbildungen im Innenausbau können die sichtbare Folge sein. Daraus entsteht die Forderung, die statisch wirksame Beplankung einer Holzrahmenbauwand immer raumhoch auszubilden. Seite 6

7 Abbildung 9: Prinzip des Fachwerkmodells lt. DIN 1052:1988 Abbildung 10: Schubfeldmodell lt. DIN 1052:2004 [4] 6 Verankerungen Um die Kräfte planmäßig ins Fundament und in weiterer Folge ins Erdreich abzuleiten ist besonderes Augenmerk auf die Verankerung der Wandscheiben zu legen. Die Verbinder haben drei wesentliche Funktionen zu erfüllen: Sie müssen die Horizontalkraft in Scheibenrichtung F H, die Horizontalkraft normal zur Scheibe und die abheben Komponente Z A ableiten. Abbildung 11: Prinzipelle Darstellung der Anschlusskräfte einer Wandscheibe Hierbei ist auf die richtige Verwendung und die entsprechende Einbindung der Verbinder zu achten. Einbindetiefen und Randabstände von Schrauben, Nägeln und Anker sind unbedingt einzuhalten. Eine genaue Planung der Verbindungsmittel ist aus statischen und wirtschaftlichen Überlegungen erforderlich. Abbildung 12: Anschluss durch Stahlwinkel [4] Abbildung 13: Anschluss durch Zuganker Seite 7

8 7 Schlussfolgerung Die zur Berechnung notwendigen statischen Modelle sind recht anschaulich und einfach. Erfahrungen aus der Praxis zeigen dennoch, dass es bei sehr vielen Objekten zu Problemen kommt einerseits beim Nachweis der Tragfähigkeit und andererseits der Gebrauchstauglichkeit. Die Auswirkungen bei Nichterfüllung dieser Nachweise zeigen sich vor allem in Form von Rissbildungen in den Bekleidungen, Problemen bei der Luftdichtheit oder im Extremfall durch klemmende Türen und Fenster. 8 Literatur [1] Hrsg: Beuth-Kommentare Holzbauwerke, Erläuterung zur DIN /3 2. Auflage 1997, Beuth Verlag GmbH Berlin [2] Leicher G.: Tragwerkslehre in Beispielen und Zeichnungen, Auflage 2002, Werner, Düsseldorf [3] Hrsg: Bund deutscher Zimmermeister: Holzrahmenbau, 2.Auflage 1992, Bruderverlage Karlsruhe [4] DIN 1052 Praxishandbuch Holzbau, 1. Auflage 2005, Beuth [5] DIN 1052:2004 Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken [6] ÖNorm EN :2006; Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten Seite 8

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