Verbindungsmittel nach der neuen DIN 1052

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1 nach der neuen DIN 1052 Vorbei sind die Zeiten, als man durch das schlichte Nachschlagen in einer Tabelle die Tragfähigkeit einer Nagelverbindung bestimmen konnte. Die Tragfähigkeit einer Verbindung im Holzbau ist abhängig von klimatischen Einflüssen und der Lasteinwirkungsdauer. Diese Einflüsse sind nach der neuen DIN 1052 nun entsprechend zu berücksichtigen. Das zugrundeliegende Sicherheitskonzept der DIN 1052-neu wurde bereits in Ausgabe 1/2005 der Holzbau kurz vorgestellt. Die darüber hinausgehenden Änderungen bei der Ermittlung der Tragfähigkeit von Verbindungen mit mechanischen sollen Inhalt der nachfolgenden Zeilen sein. Es werden lediglich die wesentlichen Veränderungen vorgestellt. Einführung Verbindungen von Nadelhölzern, Laubhölzern und Holzwerkstoffen untereinander und mit Stahl unter Verwendung mechanischer werden als mechanische Verbindungen bezeichnet. Die werden in der Regel auf Abscheren beansprucht, können jedoch teilweise auch langfristig auf Herausziehen belastet werden (z. B. Schrauben und Sondernägel). Kennzeichnend für solche auf Abscheren beanspruchte Verbindungen ist die Nachgiebigkeit (lastabhängige Verschiebungen) der miteinander verbundenen Teile, die je nach Art der Verbindung unterschiedlich groß ausfällt. Diese Verschiebungen resultieren aus Lochleibungsverformungen im Holz und aus Verformungen der selbst. stangen, Nägel, Schrauben und Klammern. Die bei den stiftförmigen auftretenden Verformungen resultieren aus Eindrückungen im Holz und aus Biegeverformungen des Stiftes bis hin zur Ausbildung von Fließgelenken. Daher wird die Tragfähigkeit einer Verbindung mit stiftförmigen neben der Geometrie, durch die Lochleibungsfestigkeit der miteinander verbundenen Hölzer und Holzwerkstoffe (abhängig von der Rohdichte) und dem Biegewiderstand der Stifte (abhängig vom Fließmoment) bestimmt. Tragfähigkeit auf Abscheren bei Bauteilen aus Holz und Holzwerkstoffen (DIN 1052, Abschnitt ) Die Bemessung stiftförmiger gemäß DIN 1052 basiert auf Arbeiten von Johansen (1949). Die Tragfähigkeit gilt als erreicht, wenn die zulässige Lochleibungsfestigkeit in einem Bauteil erreicht ist und/ oder Fließgelenke im stiftförmigen auftreten. Zur Ermittlung der Tragfähigkeit bei Beanspruchung rechtwinklig zur Stiftachse (Abscheren) von ein- und zweischnittigen Verbindungen aus Holz oder Holzwerkstoffen können in einem genaueren Nachweis gemäß Anhang G der DIN 1052 alle Versagensfälle nachgewiesen werden (siehe Abb. 1, exemplarisch für einschnittige Holz- Holz und Holz-Holzwerkstoffverbindungen). Bei der Ermittlung der charakteristischen Tragfähigkeit wird der Verhältniswert der Lochleibungsfestigkeiten der miteinander zu verbindenden Holzbauteile ( ), die charakteristischen Werte des Fließmomentes Stahl (M y,k ) und der Lochleibungsfestigkeit Holz (f h,k ) sowie der durchmesser (d) berücksichtigt. Abschnitt 12.2 der DIN Abb. 1: Versagensfälle einschnittiger Holz-Holz und Holz-Holzwerkstoffverbindungen [1] Autor: Dr.-Ing. Holger Schopbach, Universität Kassel Verbindungen mit stiftförmigen metallischen (DIN 1052, Abschnitt 12) Stiftförmige im Sinne der DIN 1052 sind Stabdübel, Passbolzen, Bolzen, Gewinde- 44

2 Abb. 2: Definition der stände [2] 1052 enthält dagegen vereinfachte Nachweise für die Praktiker; nur der maßgebende Versagensfall wird untersucht (in Abb. 1 beispielsweise Fall 6). Die Anwendung der vereinfachten Nachweise setzt allerdings gewisse Mindesteinbindetiefen der Stifte und daraus resultierend erforderliche Mindestholzdicken voraus. Diese Mindestholzdicken sind ebenfalls abhängig von den zuvor definierten Größen, M y,k, f h,1,k und d. Bei Nagelverbindungen wurden die Regelungen nochmals vereinfacht: es ist eine Mindestdicke von 9 d n einzuhalten. Dafür muss jedoch bei nicht vorgebohrten Nägeln wegen der Spaltgefahr des Holzes eine durch eine Formel definierte Mindestholzdicke eingehalten werden (abhängig vom durchmesser sowie der Rohdichte des Holzes); für Kiefernholz dürfen diese Werte wegen der geringeren Spaltgefahr um 50% reduziert Vorgebohrte verringern die Spaltgefahr des Holzes und wirken sich daher günstig auf das Tragverhalten aus. Bei Nagelverbindungen wird dies beispielsweise bei der Ermittlung der Lochleibungsfestigkeit f h,k berücksichtigt. Ist die Mindestholzdicke t req unterschritten, muss die charakteristische Tragfähigkeit R k mit dem Verhältniswert t/t req (vorhandene Holzdicke/ geforderte Holzdicke) abgemindert Eine adäquate Vorgehensweise kennen wir aus der alten DIN , wenn die Mindesteinschlagtiefe bei Nagelverbindungen nicht eingehalten wurde. Der Bemessungswert der Tragfähigkeit ergibt sich aus der Multiplikation der charakteristischen Tragfähigkeit R k mit dem Modifikationsbeiwert k mod sowie der Division durch den Teilsicherheitsbeiwert M (siehe auch HOLZBAU 1/05). abstände Voraussetzung für die ermittelten Bemessungswerte ist nach wie vor das Einhalten der Mindestabstände der (siehe Abb. 2). Diese sind ebenfalls in Abschnitt 12 der DIN 1052 verbindungsmittelabhängig, entsprechend Abb. 2, tabelliert. Dies und Das Erfolgt der Kraftangriff bei Stabdübeln, Passbolzen, Bolzen, Gewindestangen sowie Schrauben mit einem Durchmesser d > 8 mm schräg zur Faser, ist die Tragfähigkeit abzumindern. Die Tragfähigkeit eines Nagels ist dagegen nach wie vor unabhängig vom Winkel zwischen Kraft- und Faserrichtung. Stiftförmige müssen nicht mehr um d/2 gegenüber der Risslinie versetzt angeordnet Die Tragfähigkeit einer Klammer entspricht nach wie vor derjenigen zweier Nägel des gleichen Durchmessers, wenn der Winkel zwischen dem Klammerrücken und der Faserrichtung des Holzes mindestens 30 beträgt. Bautechnik Ermittlung der Tragfähigkeit von Stahlblech-Holz- Verbindungen auf Abscheren (DIN 1052, Abschnitt ) Bei den Stahlblech-Holz- Verbindungen unterscheidet DIN 1052 in Verbindungen mit außen liegenden dünnen Stahlblechen Verbindungen mit innen liegenden Stahlblechen oder mit außen liegenden dicken Stahlblechen Bei dünnen Stahlblechen ist davon auszugehen, dass durch das Blech keine Einspannwirkung für das stiftförmige erzielt werden kann; der Stift kann sich frei verdrehen. Dicke Bleche erzielen 45

3 Abb. 3: Spaltgefahr bei hintereinander liegenden [3] Abb. 4: Einhängeeffekt bei mit Kopf [3] dagegen bei den stiftförmigen eine gewisse Einspannwirkung; im Stift können bis zu zwei Fließgelenke entstehen, die Tragfähigkeit steigt dadurch. Wie bei den Holz-Holz bzw. Holz-Holzwerkstoffverbindungen darf auf die Überprüfung aller möglichen Versagensfälle gemäß Anhang G verzichtet werden, wenn eine gewisse Mindestholzdicke eingehalten wird; im vereinfachten Nachweis wird nur der maßgebende Versagensfall untersucht. Spaltgefahr bei hintereinanderliegenden Bei mehreren in Kraftund Faserrichtung hintereinander liegenden besteht für das Holz die Gefahr des Aufspaltens. Es dürfen daher nicht alle in Faserrichtung hintereinander liegenden voll angesetzt Für die Ermittlung der Tragfähigkeit ist die effektiv wirksame Anzahl n ef der zu ermitteln. Es müssen Stabdübel, Passbolzen, Bolzen, Dübel besonderer Bauart sowie Nägel und Schrauben mit einem Durchmesser d > 6 mm abgemindert Bei der Ermittlung der effektiv wirksamen Anzahl wird der abstand untereinander in Faserrichtung berücksichtigt. Werden hierbei die Mindestabstände zugrunde gelegt (in der Regel 10 d), sinkt die Tragfähigkeit gegenüber der Bemessung nach der alten Norm erheblich! Es sollten daher möglichst viele nebeneinander in verschiedenen reihen angeordnet Die maximal mögliche Anzahl an reihen ergibt sich aus den Mindestabständen der untereinander senkrecht zur Faser, beschränkt durch die Höhe der Hölzer. Wird durch geeignete Maßnahmen (z. B. seitlich eingedrehte Schrauben) ein Aufspalten des Holzes verhindert, darf n ef = n gesetzt Zur Reduzierung der Spaltgefahr muss bei nicht vorgebohrten Nägeln, wie bereits erwähnt, unabhängig vom Nageldurchmesser, eine definierte Mindestholzdicke eingehalten Einhängeeffekt Glattschaftige ohne Kopf ziehen sich im Verformungszustand in das Holz ein. Bei Bolzen, Passbolzen, Schrauben und Sondernägeln der Tragfähigkeitsklasse III wird dies verhindert (siehe Abb. 4). Die charakteristische Tragfähigkeit R k darf um einen Wert R k erhöht Abhängig vom und dessen Anordnung kann dadurch die Tragfähigkeit erheblich gesteigert werden (bei Schrauben bis zu 100%). Verbindungen mit sonstigen mechanischen Sonstige mechanische im Sinne der DIN 1052 sind Nagelplatten, Bauart und Stahlblechformteile. Im Folgenden sollen nur die wesentlichen Änderungen bei Dübeln besonderer Bauart kurz vorgestellt Bauart Bauart müssen hinsichtlich ihrer Form, ihrer Maße und ihrer Werkstoffeigenschaften den Anforderungen nach DIN EN 912: Holzverbindungsmittel - Spezifikationen für Bauart für Holz entsprechen. Diese Norm enthält Spezifikationen für Ringdübel Typ A1 A6, für Scheibendübel Typ B1 B4, für Scheibendübel mit Zähnen Typ C1 C11 sowie für einen sonstigen Dübel besonderer Bauart Typ D. Nachfolgend werden nur die in Deutschland handelsüblichen Bauart vorgestellt. Ein Ringdübel ist ein Dübel besonderer Bauart, der als geschlossener Ring oder als Ring mit einem Spalt auf einer Stelle des Umfangs ausgebildet ist. Die frühere Bezeichnung lautete zweiseitiger Einlassdübel Typ A bzw. zweiseitiger Ringkeildübel. Dem handelsüblichen System Appel entspricht Typ A1 nach DIN EN 912. Ein Scheibendübel ist ein einseitiger Bauart, der aus einer Kreisscheibe mit einem Flansch entlang des Umfangs auf einer Seite der Scheibe besteht. Die frühere Bezeichnung lautete einseitiger Einlassdübel Typ A bzw. einseitiger Ringkeildü- 46

4 Abb. 5: Ringdübel (Typ A1), links, und Scheibendübel (Typ B1) [3] Bautechnik bel. Dem handelsüblichen System Appel entspricht Typ B1 nach DIN 912. Ein Scheibendübel mit Zähnen ist ein Bauart, der aus einer Scheibe mit dreieckförmigen Zähnen entlang des Scheibenrandes oder mit Dornen auf der Scheibe besteht; ein mit Zähnen versehener Scheibendübel kann zweiseitig oder einseitig sein. Die frühere Bezeichnung lautete ein- oder zweiseitiger Einpressdübel Typ C bzw. Typ D. Dem handelsüblichen System Bulldog (Typ C) entspricht Typ C1 bzw. C2, dem System Geka entspricht Typ C10 bzw. C11 nach DIN 912. Verbindungseinheit Ein Bauart in Verbindung mit dem zugehörigen Bolzen wird in DIN 1052 als Verbindungseinheit bezeichnet. Da das Tragverhalten dieser Einheit stark vom Dübeltyp abhängig ist, gibt es unterschiedliche Regelungen für die verschiedenen Dübeltypen. Dübel des Typs A1 und B1 (früher System Appel) sind so steif, dass die anzuschließende Kraft nahezu vollständig vom Dübel übertragen wird. Bei Dübeln des Typs C1 und C2 (früher System Bulldog) bzw. C10 und C11 (früher System Geka) sind dagegen die Verformungen wegen der Nachgiebigkeit der Zähne/Dorne so groß, dass sich der Bolzen an der Kraftübertragung beteiligt. Die Gesamttragfähigkeit ergibt sich daher aus der Summe der Tragfähigkeit eines Dübels und der Tragfähigkeit eines Bolzens (einschnittig). Die charakteristische Tragfähigkeit eines Dübels ist abhängig von dessen Außendurchmesser, bei Dübeln des Typs A1/B1 wird zusätzlich die Einlasstiefe berücksichtigt. Der nach DIN 1052, Abschnitt 13.3 ermittelte Wert der charakteristischen Tragfähigkeiten R c,0,k gilt unter folgenden Voraussetzungen: Winkel a zwischen Kraftund Faserrichtung des Holzes beträgt 0 Endabstand des Dübels vom belasteten Holzende in Faserrichtung beträgt mindestens 2 d c (Außendurchmesser) bzw. 1,5 d c (Typ C1/C2) Randabstand des Dübels vom Holzrand rechtwinklig zur Faserrichtung beträgt mindestens 0,6 d c Dicke t 1 des Seitenholzes beträgt mindestens 3 h e, (Einlass- bzw. Einpresstiefe) Dicke t 2 des Mittelholzes (bei zwei- und mehrschnittigen Verbindungen) beträgt mindestens 5 h e Charakteristische Rohdichte k der miteinander verbundenen Bauteile beträgt mindestens 350 kg/m 3 Wird von diesen Voraussetzungen abgewichen, ist der Wert der charakteristischen Tragfähigkeit mit entsprechenden Faktoren zu modifizieren. Wie auch bei den stiftförmigen besteht bei mehreren in Kraft- und Faserrichtung hintereinander liegenden für das Holz die Gefahr des Aufspaltens. Bei der Ermittlung der effektiv wirksamen Anzahl n ef gelten weiterhin die aus DIN bekannten Werte. 47

5 Abb. 6: Zweiseitige Scheibendübel mit Zähnen; links Typ C1, rechts Typ C10 [3] Der Meister aller Klassen: Die HECO-TOPIX für s Holz Verlangen Sie HECO Schrauben Sicher ist sicher Bis zu 75% weniger Bearbeitungsaufwand. Mit bauaufsichtlichen Zulassungen. NEU: Zulassung nach DIN bis 3 und DIN V ENV Eurocode 5 Revolutionäre Spitzen- u. Schaftgeometrie Ansetzen, schrauben und fertig Kein Vorbohren oder Senken notwendig Schnellere Einschraubzeiten Deutliche Reduzierung der Spaltwirkung Geringes Einschraubdrehmoment Hohe Wirtschaftlichkeit Zusammenfassung Stiftförmige werden für Beanspruchung auf Abscheren nach einheitlichen Regeln berechnet Die Rohdichte der Hölzer und die Stahlfestigkeit gehen in die Ermittlung der Tragfähigkeit ein Bei Stahlblech-Holz-Verbindungen unterscheidet man dicke und dünne Bleche Wegen der Spaltgefahr des Holzes dürfen nicht alle in Faserrichtung hintereinanderliegenden stiftförmiger voll angesetzt werden Durch den Einhängeeffekt bei mit Kopf erhöht sich die Tragfähigkeit Bauart werden jetzt als Verbindungseinheit genau berechnet Literatur [1] DIN 1052: Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken - Allgemeine Bemessungsregeln und Bemessungsregeln für den Hochbau. [2] INFORMATIONS- DIENST HOLZ holzbau handbuch Reihe2 Teil 1 Folge 10: Einführung in die Bemessung nach DIN 1052: Entwicklungsgemeinschaft Holzbau (EGH) in der Deutschen Gesellschaft für Holzforschung e.v., München, [3] F. Colling: Holzbau. 1. Auflage, Verlag Vieweg & Sohn, Wiesbaden, Händlernachweis oder weitere Infos: HECO-Schrauben GmbH & Co.KG Tel.: / , Internet: 48

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