In Brettschichtholz eingeklebte Gewindestangen Stand des Wissens zu einer leistungsfähigen Verbindungstechnik

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1 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger 1 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen Stan es Wissens zu einer leistungsfähigen Verbinungstechnik Steel ros bone in glulam State of knowlege on a high-performance connection Sbarre acciaio incollate in legno lamellare incollato Stato ella conoscenza su connessioni a elevata performance René Steiger Empa, Schweizerische Materialprüfungs- un Forschungsanstalt Abteilung Ingenieur-Strukturen CH-Dübenorf

2 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger

3 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger 3 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen Stan es Wissens zu einer leistungsfähigen Verbinungstechnik 1. Einleitung Mit parallel oer rechtwinklig zur Faserrichtung in Brettschichtholz (BSH) eingeklebten profilierten Stahlstäben können auf kleiner Fläche grosse Kräfte in Holzbauteile eingeleitet weren. Bei Verwenung von Stahlstäben mit metrischem Gewine ergeben sich besoners einfache, praxisgerechte Anschlüsse an Beton- un Stahlteilen oer effiziente Verstärkungen von hoch beanspruchten Bereichen in Holzbauteilen. Eingeklebte Stahlstäbe weren sowohl bei neuen als auch bei er Ertüchtigung von bestehenen Holzkonstruktionen eingesetzt. Die Stäbe können abei axial (Ausziehen), rechtwinklig zur Schaftrichtung (Abscheren) oer in beie Richtungen gleichzeitig (Kombinierte Beanspruchung) beansprucht weren. Dabei weisen erartige Verbinungen hohe Festigkeiten un Steifigkeiten auf. Seit mittlerweile mehr als 30 Jahren weren Verbinungen mit eingeklebten Stäben beforscht un in er Praxis es Ingenieurholzbaus, vorwiegen bei BSH erfolgreich eingesetzt. Einsatzbereiche sin Stützenverankerungen in Funamenten, biegesteife Verbinungen von Holzbauteilen (Trägerstösse, Rahmenecken) un Anschlüsse an Träger rechtwinklig oer schräg zur Faserrichtung. Weitere gängige Einsatzbereiche sin ie Verstärkung von Trägern (Schub, Querzug) in hoch beanspruchten Bereichen wie beispielsweise Aufsattelungen, Durchbrüchen un Ausklinkungen sowie ie lokale, auf kleine Kontaktflächen begrenzte Einleitung grosser Kräfte rechtwinklig zur Faserrichtung (Querruck). Ein Vorteil ieser Verbinungsart ist ie "unsichtbare" Einbettung es Stahlstabs im Holz, welche neben optischen Vorzügen auch Vorteile beim Bran- un Korrosionsschutz bietet. Meistens weren Stahlstangen in Form von Armierungseisen oer Gewinestangen mit metrischem Gewine verwenet. Es sin aber auch Anwenungen von faserverstärkten Kunststoffstäben bekannt, insbesonere wenn Korrosionsgefahr für en Stahl besteht oer wenn as Konstruktionseigengewicht gering gehalten weren soll. Solche Verbinungen verhalten sich jeoch im Gegensatz zu optimal ausgelegten Verbinungen mit Stahlstäben nicht uktil. Sie weren im vorliegenen Beitrag nicht behanelt. Die Klebstoffinustrie hat speziell für as Einkleben von Gewinestangen in Holz optimierte Klebstoffe entwickelt (vorwiegen 1- un -Komponenten-Epoxyharze sowie PUR-Klebstoffe), welche auf einfache Weise appliziert weren können un eine hohe Leistung bezüglich Festigkeit, Steifigkeit un Dauerhaftigkeit aufweisen. Einen guten Überblick über en Stan es Wissens un ie Entwicklungen auf em Gebiet er eingeklebten profilierten Stahlstäbe geben ie Proceeings er Working Commission W18 Timber Structures es International Council for Research an Innovation in Builing an Construction CIB [1] un ie Publikationen [] un [3].. Einkleben von Stahlstäben.1. Herstellungsvarianten Hanwerklich gesehen gibt es mehrere Möglichkeiten für ie Montage von eingeklebten Stahlstäben [3]. In en meisten Fällen wir ein Bohrloch er erforerlichen Tiefe gebohrt mit einem Durchmesser, welcher geringfügig (1 mm) grösser ist als er Aussenurchmesser es Stahlstabs. Das Bohrloch muss anschliessen von Bohrspänen gereinigt weren, beispielsweise urch Ausblasen mit Druckluft. Sofern ie Stäbe senkrecht stehen montiert weren können, besteht eine Variante arin, eine genau berechnete un abgemessene Menge Klebstoff in as Bohrloch einzufüllen un ie Stangen mit einer rehenen Bewegung in as Bohrloch hineinzurücken

4 4 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger (Abb. 1a). Je nach Grösse von Bohrloch un Stahlstab sowie er Viskosität es Klebstoffs bearf es hierzu recht grosser Kräfte. Ein Nachteil ieser Methoe ist ie unzureichene Möglichkeit er Kontrolle, ob ie Verklebung auch wirklich über ie ganze erforerliche Länge erfolgt ist. Eine weitere häufig angewenete Variante ist as Einführen es Stabs in as leere Bohrloch un eine Befüllung esselben vom Lochgrun her über eine seitliche Bohrung. Hierbei muss ie Stange gegen ein Herausrücken gesichert un fixiert weren. Das Ausfliessen es Klebstoffs am Bohrlochran oer an einer zusätzlichen weiteren seitlichen Bohrung ermöglicht eine gewisse Kontrolle es Befüllungsgras es Lochs (Abb. 1b). Diese Montagevariante bewirkt eine Verschiebung er Verankerungszone in as Innere es Holzbauteils. Sofern er Spalt zwischen Bohrloch un Stahlstab versiegelt wir, kann iese Montagevariante auch bei geneigtem oer liegenem Bohrloch (Abb. 1c), ja gar bei einem Bohrloch über Kopf angewenet weren (Abb. 1). Diese Varianten verursachen in er Praxis jeoch einen erheblichen Aufwan un weren aher eher selten angewenet. Es wuren auch Montagevarianten erprobt mit Stäben, welche über eine konzentrische urchgehene Bohrung zum Einfüllen/-pressen es Klebstoffs verfügen [4], sowie mit Bohrlöchern mit einem reuzierten Durchmesser entsprechen em Schaftquerschnitt er verweneten Gewinestangen. Beie Lösungen haben sich aber als nicht praxisgerecht erwiesen. a b c Abbilung 1: Herstellungsvarianten für Anschlüsse un Verbinungen mit eingeklebten Stahlstangen. 3. Qualitätssicherung Wie bei allen tragenen Klebeverbinungen muss bei eingeklebten Stahlstäben em Herstellungsprozess besonere Beachtung geschenkt weren. Von Wichtigkeit sin abei ie folgenen Parameter: Material Holzqualität: BSH er erforerlichen Festigkeitsklasse, evtl. mit Lamellen aus Laubholz im Lasteinleitungsbereich Klebstoff: für ie Anwenung nachweislich geeignet Stahlstab: korrekte Geometrie, Stahlsorte ientisch mit Anforerung bezüglich Tragwierstan un Korrosionsverhalten, Oberflächenbeschaffenheit kompatibel mit Klebstoff Umgebungsbeingungen Temperatur un Feuchte, beies sowohl hinsichtlich Verklebung als auch Nutzung Präzise Fertigung / Qualitätssicherung Bohrloch: Durchmesser, Tiefe, Neigung, Geraheit, Sauberkeit Einhaltung er Ran- un Zwischenabstäne zentrierte Positionierung un Fixierung es Stabes im Bohrloch Klebstoff Füllungs-/Benetzungsgra, Verarbeitung gemäss Herstellerangaben.

5 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger 5 Insbesonere bei einer Verklebung auf er Baustelle kann ie Qualitätssicherung schwierig umzusetzen sein un ementsprechen zu Problemen führen. Aber auch für ie vorzuziehene Montage unter Fabrikbeingungen gibt es bis heute keine allgemein gültigen Spezifikationen für ie Qualitätssicherung. Dies obliegt somit jeem Hersteller selbst. Die Vielzahl er oben genannten Einflussparameter un ie Streuung erselben sowie as in en meisten Fällen hohe Beanspruchungsniveau lässt es aher mit Blick auf ie Qualitätssicherung als ratsam erscheinen, ass zur Abklärung es Tragverhaltens von Verbinungen mit eingeklebten profilierten Stäben Vorversuche urchgeführt weren. Dabei ist abzuklären, ob as Verhalten es Klebstoffs un seines Verbunes mit em profilierten Stab un mit em Holz währen er geplanten Nutzungsauer es Bauwerks innerhalb er angenommenen Temperatur- un Feuchtebereiche auerhaft zuverlässig ist. Was ie Umgebungsfeuchte betrifft, so beschränken sich ie aktuellen Bemessungsnormen häufig auf en Einsatz von eingeklebten profilierten Stäben in Bauteilen, welche en Nutzungsklassen 1 un entsprechen. Verbinungen mit eingeklebten Stahlstäben als System betrachten Zur Gewährleistung einer ausreichenen Qualität einer Verbinung oer eines Anschlusses mit eingeklebten Stäben sollte aher er Systemgeanken in en Vorergrun gestellt weren. Bei erfolgreichen Systemen (mit hohen spezifischen Tragwierstänen) weren anhan von umfangreichen Versuchsserien un theoretischen Überlegungen ie oben genannten Einflussparameter erart optimiert, ass mit iesen Systemen Verbinungen un Anschlüsse hoher Leistung hergestellt weren können. In solchen Fällen erfolgt beispielsweise auch eine Abstimmung er Querschnittsflächen er Stahl- un Holzquerschnitte A Stahl bzw. A Holz bei Anschlüssen parallel zur Faserrichtung. Das Verhältnis wir iealerweise so gewählt, ass es umgekehrt proportional zu en zugehörigen Elastizitätsmouln E Holz bzw. E Stahl ist [5, 6] un sich somit ientische Zugsteifigkeiten im Holz un im Stahl ergeben: E A E A. Holz Holz Stahl Stahl 4. Tragverhalten Das Tragverhalten von Verbinungen mit eingeklebten profilierten Stahlstäben wir urch eine Vielzahl von Parametern beeinflusst. Umso schwieriger ist es, allgemein gültige Bemessungsansätze anzugeben, welche en einzelnen, z. T. stark unterschielichen Systemen gerecht weren Einflussparameter Der Tragwierstan von parallel oer rechtwinklig zur Faserrichtung eingeklebten Stäben ist von en folgenen Parametern abhängig: Anschlussgeometrie Flächenverhältnis Holz / Klebfuge / Stahlstabquerschnitt Verhältnis von Verankerungslänge zu Bohrlochurchmesser ie Schlankheit / h Ran- un Zwischenabstäne er Stahlstäbe Anzahl er Stahlstäbe Kraft- zu Faserwinkel (inkl. unplanmässige Imperfektionen!) h, repräsentiert urch Steifigkeit er eingesetzten Materialien Verhältnis er Elastizitäts- un Schubmouln von Stahlstab, Holz un Klebstoff Verhältnis von Elastizitätsmoul zu Schubmoul er einzelnen Materialien Festigkeit er eingesetzten Materialien Schub-, Querzug- un Querruckfestigkeit es Holzes ahäsive un kohäsive Klebstofffestigkeit Festigkeit er Stahlstäbe (Fliessspannung/Streckgrenze un Zugfestigkeit)

6 6 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger Bruchmechanische Eigenschaften von Holz un Klebstoff Art er Krafteinleitung bezüglich es Stahlstabs axiale oer rechtwinklig zur Achse wirkene Kraft Lage er Verankerungszone (vertieft oer bis an ie Oberfläche reichen) Zug Zug, Zug Druck, Zug Balken, Zug Schubfel (Abb. ) Einwirkungsauer Konstante Last oer Wechsellast Weitere Parameter Holzart un Rohichte es Holzes Art er Herstellung er Verbinung (Aushärtezeit es Klebstoffs, Oberflächeneigenschaften, etc.). Die Art er Krafteinleitung beeinflusst wesentlich en Tragwierstan. In Versuchen können aher aussagekräftige Resultate nur erhalten weren, wenn ie Versuchsanornung er Situation in er Baupraxis entspricht. Beispielsweise unterscheien sich Versuchsresultate aus Zug Druck-Versuchen mit irekter Krafteinleitung in as Holz (Abb. c) auf Grun er auftretenen Querruckspannungen im Holz eutlich von Resultaten aus Versuchen mit kontinuierlicher Einleitung er Reaktionskraft auf Schub im gesamten Holzquerschnitt nach em Vorbil er Pfahlfunation im Grunbau (Abb. ). Auch sin Zug Druck-Versuche gemäss Abb. c nicht geeignet, as Verhalten er Verbinung für en Fall Zug Balken vorherzusagen. Hier liefert ie Versuchsanornung gemäss Abb. aussagekräftigere Resultate. Abbilung : Verschieene Arten er Beanspruchung eingeklebter Stahlstäbe ( h = Bohrlochurchmesser, = Aussenurchmesser es Stabs). Zur korrekten statistischen Auswertung von Datensätzen aus Versuchen an symmetrischen Prüfkörpern (Abb. a) oer von Versuchsserien mit unterschielichen Brucharten (siehe unten), sin spezielle statistische Methoen erforerlich [7]. Sämtliche Einflussparameter sin streuungsbehaftet. Diese Variationen, aber auch sonstige mögliche Imperfektionen, müssen urch ie Bemessungsansätze in aäquater Form erfasst weren. Obwohl zwischen em Klebstoff un em Stahlstab eine gewisse Haftung besteht, ist eine sichere Kraftübertragung nur mittels mechanischer Verzahnung zwischen Klebstoff un Stahlstab möglich [8]. Die eingesetzten Stahlstäbe müssen aher eine Profilierung aufweisen, wie z.b. Rippen (Armierungsstähle) oer aufgerollte bzw. eingeschnittene Gewine (Gewinestangen).

7 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger Versagensarten Bei en möglichen Versagensarten von eingeklebten Stäben muss unterschieen weren zwischen einzelnen Stäben un Verbinungen bestehen aus Stabgruppen. Einzelstabanschlüsse können versagen urch: Bruch / Versagen es Stahlstabs infolge: Überschreiten er Fliessgrenze bzw. er Zugfestigkeit bei axialer Zugbelastung (Abb. 3) Knicken es Stabes bei axialer Druckbeanspruchung Ausreissen es Stabs aus er Verankerung wegen: Klebstoffversagen (Kohäsionsbruch) Klebfugenversagen im Übergang zum Holz (Ahäsionsbruch 1) (Abb. 4) Klebfugenversagen im Übergang zum Stab (Ahäsionsbruch ) (Abb. 5) Holzbruch in er Nähe er Klebfuge (Schubbruch) (Abb. 6) Abbilung 3: Zugbruch im Stahlstab. Abbilung 4: Ahäsionsbruch Klebstoff Holz. Abbilung 5: Ahäsionsbruch Klebstoff Stahl. Abbilung 6: Klebfugennaher Holzbruch. Aufspalten es Holzes wegen: zu geringen Ranabstänen (Abb. 7) bei parallel zur Faserrichtung eingeklebten Stäben Überschreitung er Querzugfestigkeit bei rechtwinklig zur Faserrichtung eingeklebten Stäben Ausreissen es Stabs inklusive einem Teil es umgebenen Holzes (Abb. 8) Zugbruch es Holzbauteils (Abb. 9) Wirkungsgra es Anschlusses 1 (in er Praxis möglich: ) [9]. Bei aus mehreren Stäben bestehenen Verbinungen un Anschlüssen treten zusätzlich ie folgenen Versagensarten auf: Aufspalten es Holzes wegen zu geringen Abstänen zwischen en einzelnen Stäben Ausreissen von ganzen Gruppen von Stäben (Blockschubversagen).

8 8 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger Abbilung 7: Aufspalten es Holzes. Abbilung 8: Ausreissen es Stabs inklusive eines Teils es umgebenen Holzes. Abbilung 9: Zugbruch es Holzes Einfluss er Geometrie er Verankerungszone Bei er Auswertung von Versuchen an Gewinestangen mit Durchmesser M1, M16 un M0, welche nach em GSA -System [10] mit Epoxiharz-Klebstoff parallel un rechtwinklig zur Faserrichtung in BSH eingeklebt waren, wure auf Grun er optimierten Verbinungsparameter stets Holzbruch in er Nähe er Klebfuge (Schubbruch im Holz, Abb. 6) festgestellt. In solchen Fällen kann ie Auswertung er Versuchsaten basiert auf er Geometrie er Verankerungszonen, beschrieben urch Bohrlochurchmesser un Verankerungslänge erfolgen. Der Einfluss von Verankerungslänge un Bohrlochurchmesser h lässt sich am einfachsten mit einem Schlankheitsparameter / h beschreiben. Die Versuche zeigten, ass im geprüften Schlankheitsbereich von er Einfluss er Schlankheit auf en Mittelwert er Schubfestigkeit für parallel zur Faserrichtung eingeklebte Stahlstäbe mit einem Ansatz erfasst weren kann (Abb. 1/ 3 10). Der Ausziehwierstan von rechtwinklig zur Faserrichtung eingeklebten Stäben war etwa 0% bis 40% grösser als erjenige von parallel zur Faserrichtung eingeklebten Stäben un ist abhängig von er Mantelfläche er Verankerungszone (Abb. 11).

9 Schubfestigkeit Verankerung f v,0,mean [N/mm ] Ausziehwierstan R ax,90 [kn] In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger Nierige Dichte Hohe Dichte y = 17.1x R = y = 14.5x R = y = x 0.83 R = Bohrlochschlankheit = / h Oberfläche er Verankerungszone A g = h [mm ] Abbilung 10: Schubfestigkeit (Mittelwert) in er Verankerungszone von parallel zur Faserrichtung in BSH aus Fichte eingeklebten Gewinestangen aus Stahl mit metrischem Gewine (GSA -System) in Funktion er Schlankheit es Bohrlochs. Abbilung 11: Ausziehwierstan (Mittelwert) von rechtwinklig zur Faserrichtung in BSH aus Fichte eingeklebten Gewinestangen aus Stahl mit metrischem Gewine (GSA -System) in Funktion er Oberfläche er Verankerungszone Einfluss er Rohichte es Holzes Der Einfluss er Rohichte auf en Tragwierstan von eingeklebten Stahlstäben bei Beanspruchung auf Ausziehen wir in er Literatur kontrovers iskutiert. Währen im europäischen Forschungsprojekt GIROD [11] kein Einfluss er Rohichte gefunen wure, zeigen Schweizer Versuche [6], [1] an Gewinestangenanschlüssen es GSA - Systems [10], ass er Tragwierstan von auf Ausziehen beanspruchten eingeklebten Stahlstangen mit metrischem Gewine, sofern Holzbruch massgeben ist, sehr wohl von er Rohichte es Holzes abhängig ist. Die Autoren quantifizieren en Einfluss er Rohichte bei parallel zur Faserrichtung in BSH eingeklebten Stäben mit einem Ansatz c, wobei er Exponent c zu 0.5 bis 0.6 ermittelt wure. Bei rechtwinklig zur Faserrichtung eingeklebten Stäben ist er Einfluss geringer. Er kann vernachlässigt oer mit einem Exponenten von c 0. 5 erfasst weren Einfluss er Schubspannungsverteilung in er Verankerung Ausser bei sehr kurzen Verankerungslängen un bei geringer Schubsteifigkeit in er Verankerung ergeben sich an beien Enen er Verankerungszone Schubspannungsspitzen, welche as Gesamttragverhalten er Verbinung ungünstig beeinflussen, bzw. ie Leistung reuzieren [3, 13, 14]. Es gibt verschieene Ansätze, ie Spannungsspitze am oberen Verankerungsene zu reuzieren oer ie Spannungsverteilung in er Verankerung günstig zu beeinflussen. Eine erste Möglichkeit ist as Ansenken es Bohrlochs bzw. eine abgesetzte Bohrung mit grösserem Durchmesser an er Holzoberfläche [15]. Eine weitere Variante besteht arin, ie effektive Verankerung es Stabes in as Holzinnere zu verschieben ( Vorholz ) inem entweer im oberen Teil es Bohrlochs kein Klebstoff eingebracht wir oer inem er Stab in ieser Zone keine profilierte Oberfläche aufweist, womit keine mechanische Verzahnung mit em Klebstoff existiert [5, 16]. Die Schubspannungsspitze kann auch reuziert weren, inem ie Stäbe in eine wenige Zentimeter ins Holz eingerehte Stahlhülse mit grösserem Durchmesser un Innengewine eingeschraubt weren. Auch mit einer Aufweitung es Bohrlochgrunes un er aurch ermöglichten Bilung eines zwiebelförmigen Klebstoffklumpens am Bohrlochgrun wure erfolgreich experimentiert [17] Einfluss er Ran- un Zwischenabstäne Die geometrischen Anforerungen insb. ie Ran- un Zwischenabstäne beeinflussen ie Leistungsfähigkeit er Verbinung massgeblich. Zu geringe Ran- un Zwischenab-

10 10 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger stäne erhöhen ie Gefahr es vorzeitigen Aufspaltens (Querzugversagen), bei zu grossen Abstänen ist er Wirkungsgra er Verbinung gering [18]. In er Tabelle 1 sin für ie im Abschnitt 6 vorgestellten Bemessungsansätze bei axialer Beanspruchung er Stange ie minimalen Ran- un Zwischenabstäne, wie sie in Abb. 1 efiniert sin, zusammengestellt. Tabelle 1: Minestabstäne bei eingeklebten Stahlstäben, wie sie für ie Bemessungsansätze im Abschnitt 6 vorausgesetzt weren. Definition er Abstäne siehe Abb. 1. Ansatz ENV 1995-:1997 Final Draft DIN 105:008 bzw. Moell Riberholt pren 1995-:003 DIN EN /NA:010 Stab/Faserrichtung a a a a Stäbe zur Faserrichtung eingeklebt Stäbe zur Faserrichtung eingeklebt Abbilung 1: Minestabstäne bei eingeklebten axial beanspruchten Stahlstäben [19]. Das Aufspalten kann auch bei geringeren Abstänen verhinert weren, inem man entweer ie Verankerung un Kraftübertragung von er Stange auf as Holz optimiert (siehe 4.5) oer as Holz senkrecht zur Faser verstärkt, z. B. mit Vollgewineschrauben. 5. Bemessungsphilosophie Zur Gewährleistung eines ausreichenen Tragwierstanes von eingeklebten profilierten Stahlstäben (Einzelstangen oer Gruppen) müssen sämtliche er oben erwähnten Versagensformen untersucht bzw. nachgewiesen weren. In er Baupraxis weren Bauteile, Verbinungen un Anschlüsse bevorzugt, welche Überbeanspruchung urch möglichst grosse Deformationen vor em Versagen anzeigen,.h. sich uktil verhalten. Da im Falle von eingeklebten Stäben sowohl as Holz als auch er Klebstoff ein spröes Bruchverhalten aufweisen, sollten Verbinungen un Anschlüsse mit eingeklebten Stäben vorzugsweise unter Verwenung von Stahlstangen (Gewinestäbe oer Armierungsstähle) ausgeführt weren. Die Verbinung kann ann so bemessen weren, ass ie Stahlstange as schwächste Glie er Kette arstellt un bei Erreichen er Traglast er Verbinung zu fliessen beginnt, bevor spröes Holz- oer Klebstoffversagen eintritt R R R, Abb.13). Die höchste Leistung er Verbinung ist ann erreicht, ( y, eff t,min,1 t,min, wenn er Schubbruch im Holz nahe er Klebfuge vor em Bruch in er Klebfuge erfolgt, ie Schubfestigkeit er Klebfuge also grösser ist als iejenige es Holzes nahe er Klebfuge ( R t, min,1 Rt,min,, Abb. 13). Dies kann erreicht weren, inem (1) nur geeignete un mittels Versuchen erprobte Klebstoffe verwenet weren un () ie Länge er Verankerung ausreichen gross gewählt un vorzeitiges Aufspalten verhinert wir (siehe 4.6). Die Auslegung er Verbinung auf Stahlversagen un ie Vorhersage er Traglast mit ausreichener Zuverlässigkeit ist nur möglich, wenn ie Streuung er Klebfugenfestigkeit un er Schubfestigkeit es Holzes nahe er Klebfuge aus Versuchen mit Stichproben grösseren Umfangs ausreichen genau bekannt ist. Gemäss er erzeitigen Normenphilosophie weren ie entsprechenen Festigkeitswerte als 5%-Fraktilwerte angegeben. Dementsprechen können also 5% er Schubfestigkeitswerte geringer sein, als er angegebene Wert. Um mit ausreichener Zuverlässigkeit Stahlversagen zu erhalten, sollte man aher mit einem aäquaten Vorhaltemass arbeiten ( R y, eff k Rt, 05 ). Zuem kann ie

11 Klebstoff In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger 11 Streuung nur gering gehalten weren, wenn man ie Holzeigenschaften (z. B. urch eine Festigkeitssortierung) genau kennt. Holz Stahlstab sprö uktil R t,min, R t,min,1 R y,eff 1 Die abgebilete Kette besteht aus spröen Glieern mit einem Tragwierstan von R t,min, 1 (Schubbruch im Klebstoff) un R t,min, (Schubbruch im Holz) sowie einem uktilen Glie mit einem Tragwierstan von Stahlstabs). R, (Fliessen es y eff Das Kraft- Verformungsverhalten gilt für ie beien spröen Glieer Holz un Klebstoff. 3 Das Diagramm zeigt as Kraft-Verformungsverhalten es uktilen Gliees Stahl. 4 Das Kraft-Verformungsverhalten er Kette ergibt sich aus er Summe er spröen Glieer un es uktilen Gliees. Abbilung 13: Begrenzung er Beanspruchung einer Verbinung mit eingeklebten Stahlstäben erart, ass uktiles Versagen (im Stahlstab) eintritt, bevor ie spröen Verbinungsteile (Holz, Klebstoff) versagen. Bei Zugverbinungen mit mehreren gleichzeitig wirkenen Stäben (.h. für en häufigsten Fall in er Praxis) ist ie notwenige gleichmässige Kraftverteilung auf ie einzelnen Stäbe nur bei ausreichener Duktilität es Einzelstabanschlusses erreichbar [5]. 6. Beispiele von Bemessungsansätzen Sämtliche nachfolgen angegebenen Bemessungsansätze sin nur bei Einhaltung bestimmter Ran- un Zwischenabstäne er Stäbe gültig (siehe Tabelle 1). Ausserem ist er Tragwierstan von Stabgruppen in er Regel geringer als as n-fache es Tragwierstans eines Einzelstabs [5] Ansatz aus er ENV 1995-:1997 In er Vornorm es Eurocoe 5, Teil Brücken (ENV 1995-:1997) ist folgener Ansatz zur Berechnung es charakteristischen Werts es Ausziehwierstans eines einzelnen Stahlstabs für en Fall von Schubbruch im Holz aufgeführt: R ax k equ fv, k, mit equ Min h,1. 5 = Verankerungslänge es Stabs, f v, k equ k f v, k un k Max 0.4,, = Stabaussenurchmesser min 8 sin ie charakteristischen Werte er Schubfestigkeit un er Rohichte. Dieser Ansatz wure in en Sitzungen es für ie Erarbeitung es Eurocoe 5 zustänigen CEN/TC50/SC5 kontrovers iskutiert. U. a. wure er starke Einfluss er Rohichte (Exponent von 1.5) angezweifelt, ies zu Recht (siehe 4.4). In er Schlussversion es EC5- (Final Draft pren 1995-:003) fan sich schliesslich ein Bemessungsansatz auf Basis er in 6. beschriebenen GIROD-Forschungsarbeit.

12 1 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger 6.. GIROD-Bemessungsansatz Im Rahmen es umfangreichen europäischen Forschungsprojektes GIROD wure ein Ansatz zur Bestimmung er mittleren Schubspannung entlang es Stabes basieren auf en Methoen er quasi-nichtlinearen Bruchmechanik entwickelt [11]: f tanh = mittlere Schubspannung entlang es Stabs lokale Schubspannung in er Klebefuge f = = Parameter in Funktion er Anschlussgeometrie, er Steifigkeit von Holz, Klebstoff un Stab, sowie in Funktion er Bruchenergie er Klebfuge. Anhan einer Vielzahl von Versuchen wure araus er folgene Bemessungsansatz zur Berechnung es Ausziehwierstans abgeleitet [0]: tanh R f mit / equ ax, k ax, k equ = Verankerungslänge (Klebefuge) Min,1. un f ax, k 5.5 N/mm. equ h 5 Um ie Gültigkeit es Ansatzes für möglichst viele unterschieliche Ranbeingungen (Verankerungslänge, Klebstoffart, Versagensart, Ran- un Zwischenabstäne) zu gewährleisten, wure er GIROD-Ansatz moifiziert. Die araus entstanene Bemessungsformel war zwar polyvalent anwenbar, ergab jeoch Bemessungswerte, welche je nach Staburchmesser un Verankerungslänge eutlich unter en in Versuchen festgestellten Tragwierstänen für optimierte System lagen (vgl. z. B. [1] oer [1]). Dies führte u.a. azu, ass ie Norm EN bei er Schlussabstimmung 003 nur ohne en Bemessungsansatz für eingeklebte Stäbe mehrheitsfähig war [19] Ansatz aus DIN 105:008 bzw. DIN EN /NA:010 Gemäss er eutschen Norm DIN 105:008 bzw. DIN EN /NA:010 kann er charakteristische Ausziehwierstan von eingeklebten profilierten Stahlstäben für einen Durchmesserbereich von 6 mm 30 mm im Fall von Versagen in er Klebfuge berechnet weren mit: R ax, k fk1, k Der charakteristische Wert er Klebfugenfestigkeit f für 500 mm 1000 mm k1, k f für 50 mm 500 mm k1, k f 4.0 für 50 mm k1, k f k, k 1 beträgt abei: Der Durchmesser entspricht sowohl bei Gewinestangen als auch bei Betonrippenstählen em Nennurchmesser. Die Einklebelänge muss minestens betragen: Max 0.5 ; 10. min Bei parallel zur Faserrichtung eingeklebten zugbeanspruchten Stahlstäben ist ie Zugbeanspruchung am Ene es Stahlstabes nachzuweisen. Als wirksame Querschnittsfläche es Holzes arf abei je Stahlstab höchstens eine Fläche von 36 angesetzt weren. Wenn eine ungleichmässige Beanspruchung bei Verbinungen mit mehreren Stäben nicht ausgeschlossen weren kann, verlangt ie DIN, ass für ie Tragfähigkeit er Verbinung ie Tragfähigkeit es Stahlstabes un nicht ie Festigkeit es Holzes oer er Klebfuge massgeben sein muss. min

13 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger 13 Das Moell basiert auf Versuchen von Blass et al. [] un lehnt sich eng an as Moell von Riberholt [3] an (siehe 6.4) Ansatz Riberholt Riberholt schlug bereits 1988 einen Bemessungsansatz für en Ausziehwierstan vor, welcher zwischen Stäben mit kurzen un langen Verankerungen unterscheiet [3]: Rax, k fws für 00 mm Rax, k fwl für 00 mm. ist abei ein Holzichtewert, welcher aus er Darrmasse un em Volumen im Feuchtzustan zu ermitteln ist. Die Festigkeitsparameter f ws un wl f betragen 50 bzw. 650 N/mm 1.5 un 37 bzw. 46 N/mm für spröe bzw. nicht-spröe versagene Klebstoffe. Gemäss Riberholt waren ie Resorcinharze un einige Epoxiharze er Gruppe er spröen Klebstoffe zuzuweisen, währen -K-PUR-Klebstoffe als nicht-spröe galten. Heutzutage ist bekannt, ass ie rheologischen Eigenschaften er verschieenen Klebstoffe unabhängig vom Klebstofftyp in einem weiten Mass eingestellt weren können Bemessung nach Norm SIA 65:01 Verbinungen mit eingeklebten profilierten Stäben sin gemäss er Schweizer Norm SIA 65:01 auf Bauteile, ie en Feuchteklassen 1 un zugeornet sin, zu beschränken. Es ist nachzuweisen, ass as Verhalten es Klebstoffs (Kunstharz-Klebstoff bzw. -Mörtel) un seines Verbuns mit em profilierten Stab un mit em Holz währen er geplanten Nutzungsauer es Bauwerks innerhalb er angenommenen Temperaturun Feuchtebereiche gleichbleiben zuverlässig ist. Der Einfluss von Holzfeuchteänerungen un er araus resultierenen Zwängungen bzw. Risse ist zu beachten. Auf ie Angabe von expliziten Bemessungsformeln verzichtet ie Norm; es weren nur ie Anforerungen an ie Verbinung formuliert. Bei Beanspruchung in Schaftrichtung ist er Tragsicherheitsnachweis von Verbinungen mit eingeklebten, axial belasteten Stäben ist in er Regel urchzuführen bezüglich (i) Versagen es profilierten Stabs, (ii) Versagen es Klebstoffs un seines Verbuns mit em profilierten Stab un em Holz, (iii) Versagen es Holzes entlang er Klebefuge un (iv) Versagen eines Holzteils im Bereich er Verbinung. Die Kraftübertragung zwischen Klebstoff un profiliertem Stab hat mechanisch zu erfolgen; eventuelle Haftung ist nicht mit in Rechnung zu stellen. Bei Zugverbinungen mit mehreren gleichzeitig wirkenen Stäben wir eine gleichmässige Kraftverteilung verlangt. Da ies nur bei ausreichener Duktilität es Einzelstabanschlusses erreichbar ist, verlangt ie Norm, ass as Zugversagen es Stabs mit Sicherheit vor en aneren Versagensmöglichkeiten eintritt (vgl. 5). Die Norm verlangt, ass er charakteristische Wert es Ausziehwierstans in Schaftrichtung versuchsmässig an repräsentativen Verbinungen (Gruppe von eingeklebten Stäben) bestimmt wir un ass abei u.a. folgene Einflussgrössen zu berücksichtigen sin: Lochurchmesser, Staburchmesser, Länge er Klebfuge; Holzart, Festigkeitsklasse, Rohichte, Holzfeuchte; Stahlgüte, Profilierung; Eigenschaften es Klebstoffs; Winkel zwischen Stab- un Faserrichtung; Ran- un Zwischenabstäne. Das Tragverhalten rechtwinklig zur Schaftrichtung leitet ie Norm von emjenigen er Stabübel ab, wobei infolge er Profilierung es Stahlstabes ein reuzierter plastischer Biegewierstan einzuführen ist. Die gleichzeitige Beanspruchung von eingeklebten Stahlstäben auf Abscheren F un auf Herausziehen F, kann gemäss en Normen SIA 65:01 un DIN 105:008 bzw. ax DIN EN /NA:010 mit folgenem Bemessungsansatz nachgewiesen weren: F R ax, ax, F R 1.

14 14 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger R ax, un R sin ie Bemessungswerte es Tragwierstans er Verbinung im Falle er alleinigen Beanspruchung auf Ausziehen bzw. auf Abscheren Zulassungen Es gibt auf em Markt Klebstoffe (z. B. Purbon CR 41, WEVO-Spezialharz EP 3 S / B TS), welche über eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung zum Einkleben von Stahlstäben in tragene Holzbauteile haben. Zuem wure kürzlich er GSA - Ankertechnologie eine entsprechene Zulassung erteilt. 7. Fazit Verbinungen mit eingeklebten profilierten Stahlstäben zählen zu en leistungsfähigsten Verbinungsarten. Um ie volle Leistungsfähigkeit zu erreichen, muss sowohl bei er Bemessung, er Wahl er Komponenten als auch bei er Herstellung mit besonerer Sorgfalt vorgegangen weren un eine Qualitätssicherung ist unerlässlich. Dabei sollte er Systemgeanke im Vorergrun stehen,. h. ie Verbinung bestehen aus: Stahlstab Brettschichtholz Klebstoff Geometrischen Paramatern (u. a. Ran- un Zwischenabstäne) Ausführung / Montage / Qualitätskontrolle sollte ganzheitlich betrachtet weren. Nur so kann ie Leistungsfähigkeit ieser für en Holzbau äusserst interessanten Verbinung vollumfänglich ausgenützt un verlässlich garantiert weren. Was ie Bemessung betrifft, gibt es teilweise wiersprüchliche Bemessungsansätze, welche zuem auf unterschielichen Annahmen un experimentellen Grunlagen beruhen. Die Konsensfinung in er Normierung gestaltet sich aher entsprechen schwierig. Bemessungsnormen wie z. B. er Eurocoe 5 sollten Bemessungsansätze enthalten, welche möglichst allgemeingültig sin,. h. für verschieene BSH-Festigkeitsklassen, Klebstoffe, Verankerungslängen, Staburchmesser, etc. Dieser Allgemeingültigkeit kann allerings er Nachteil anhaften, ass auf ie Eigenschaften optimierter Systeme nicht ausreichen spezifisch eingegangen weren kann, was azu führt, ass im Vergleich zu en experimentell ermittelten Kennaten er Systeme zu tiefe Bemessungswerte es Ausziehwierstans resultieren können. Zuminest aber sollte auf Basis solcher allgemein gültiger Ansätze eine Vorbemessung er Verbinung möglich sein, amit ie Verbinung in er Tragwerksplanung überhaupt eingesetzt wir. Mögliche Wege, ieses Dilemma zu umgehen, sin ie Erarbeitung von Prouktenormen oer as Inverkehrbringen es Prouktes auf Basis einer technischen Zulassung. Beie Wege weren auch em Aspekt er zunehmenen Beeutung er Bauprouktegesetze gerecht, inem ie Verantwortung zur Gewährleistung er für ie Verbinung eklarierten Eigenschaften beim Anbieter liegt. Unter Beachtung es oben favorisierten Systemgeankens mit er Vielzahl von Einflussgrössen erscheint ie Prouktenormierung auf Basis einer EN oer einer technischen Zulassung er richtige Weg, zuminest ie Verbinungssysteme im Hochlastbereich zu normieren. Da Prouktenormen auf mehrere verschieene Proukte anwenbar sein müssen, sin in er Formulierung er Anforerungen Kompromisse nötig. Der maximalen Leistung von optimierten Systemen können aher nur spezifische Zulassungen gerecht weren. 8. Literatur [1] CIB-W18: [] RILEM 001: Proceeings PRO of the International RILEM-Symposium on "Joints in Timber Structures" Stuttgart, Germany. [3] Tlustochowicz G., Serrano E., Steiger R. 010: State-of-the-art review on timber connections with glue-in steel ros. Materials an Structures 44(5):

15 In Brettschichtholz eingeklebte Gewinestangen R. Steiger 15 [4] Bainbrige R.J., Mettem C.J. 1998: A review of moment resistant structural timber connections. Structural Builing Engineering 18(4): [5] Gehri, E. 001: Ductile behaviour an group effect of glue-in steel ros. In: Proceeings of the International RILEM Symposium on Joints in Timber Structures Stuttgart, Germany [6] Steiger R., Gehri E., Wimann R. 007: Pull-out strength of axially loae steel ros bone in glulam parallel to the grain. Materials an Structures 40(1): [7] Steiger R., Köhler J. 005: Analysis of censore ata Examples in timber engineering research. In: Proceeings of CIB-W18 Meeting Karlsruhe, Germany. Paper [8] Gehri E. 007: Leistungsfähige Anschlüsse parallel zur Faser Anforerungen un technische Lösungen. In: Tagungsban zur 6. Grazer Holzbau-Fachtagung Graz, Österreich. E1-E16. [9] Strahm T. 009: Verbinungen mit grosser Leistung. In: Tagungsban zum 41. SAH Fortbilungskurs Weinfelen, Schweiz [10] Neue Holzbau AG, Lungern: [11] Gustafsson P.-J. et al. 001: A strength esign equation for glue-in ros. In: Proceeings of the International RILEM Symposium on Joints in Timber Structures Stuttgart, Germany [1] Wimann R., Steiger R., Gehri E. 007: Pull-out strength of axially loae steel ros bone in glulam perpenicular to the grain. Materials an Structures 40(8): [13] Volkersen O. 1953: Die Schubkraftverteilung in Leim-, Niet- un Bolzenverbinungen. Energie un Technik 5(3): [14] Gerol M. 199: Verbun von Holz un Gewinestangen aus Stahl. Bautechnik 69(4): [15] Broughton J.G., Hutchinson A.R. 001: Pull-out behaviour of steel ros bone into timber. Materials an Structures 34(): [16] Fabris A. 001: Verbesserung er Zugeigenschaften von Bauholz parallel zur Faser mittels Verbun mit profilierten Stahlstangen. Dissertation ETH Zürich, Professur für Holztechnologie. Zürich, Schweiz. [17] Estévez Cimaevila J. et al. 01: New anchoring system with ahesive bulbs for steel ro joints in woo. Construction an Builing Materials 30: [18] Gehri E. 009: Influence of fastener spacings on joint performance - Experimental results an coification. In: Proceeings of CIB-W18 Meeting Dübenorf, Switzerlan. Paper [19] Schickhofer G., Augustin M., Jeitler G. 007: Einführung in ie Verbinungstechnik mit Stabübeln, Schrauben un eingeklebten Stahlstangen. In: Tagungsban zur 6. Grazer Holzbau-Fachtagung Graz, Österreich. A1-A66. [0] CEN 003: pren 1995-: Design of timber structures, Part : Briges. Final Project Team raft. Stage 34. [1] Rossignon A., Espion B. 008: Experimental assessment of the pull-out strength of single ros bone in glulam parallel to the grain. Holz als Roh- un Werkstoff 66(6): [] Blass H.J. et al. 1996: Wirkungsweise von eingeleimten Gewinestangen bei er Aufnahme von Querzugkräften in gekrümmten Biegeträgern un Entwicklung von Bemessungsgrunlagen. Forschungsbericht T 744. Versuchsanstalt für Stahl, Holz un Steine. Universität Karlsruhe, Deutschlan. Fraunhofer IRB Verlag. [3] Riberholt H. 1988: Glue bolts in glulam - Proposal for CIB coe. In: Proceeings of CIB-W18 Meeting 1. September Parksville, Vancouver Islan, Canaa. Paper 1-7-.

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