Kurzbericht zum Forschungsvorhaben

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1 Kurzbericht zum Forschungsvorhaben Untersuchungen zum Brandverhalten von querkraftbeanspruchten Verbindungen bei Holzbaukonstruktionen, Neuentwicklung und Optimierung von Verbindungssystemen und allgemeinen Konstruktionsregeln Durchgeführt von: Technische Universität München Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Winter Projektbearbeitung Dipl.-Ing. Martin Gräfe Dipl. Ing. (BA) Veronika Hofmann M. Sc. Projektleitung Dipl.-Ing. Norman Werther Laufzeit: Dezember 2012 bis Dezember 2014 gefördert durch: Forschungsinitiative Zukunft Bau Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung Deichmanns Aue Bonn Das Vorhaben wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung gefördert. (Aktenzeichen: II 3-F / SWD ) Die Verantwortung für den Inhalt des Berichtes liegt beim Autor.

2 Anlass und Ausgangslage 1 Anlass und Ausgangslage Allgemeine normative Aussagen über das Brandverhalten von Bauteilanschlüssen im Holzbau liegen aktuell nur in sehr begrenztem Umfang vor. Die brandschutztechnische Bewertung von Bauteilanschlüssen zur planmäßigen Übertragung von Querkräften, welche eindeutig den größten Teil der Bauteilverbindungen und -anschlüsse im Holzbau ausmachen, ist somit häufig nur versuchstechnisch und damit mit hohem Kostenaufwand möglich und wird bei der Planung und Ausführung meist nicht bzw. nur sehr ungenügend berücksichtigt. Erfolgt eine Berücksichtigung dieser brandschutztechnischen Anforderungen, führt dies dann zu konstruktiv äußerst aufwändigen Anschlüssen bzw. im Einzelfall zum Ausschluss der Holzbauweise infolge dieses zusätzlichen Aufwandes. Allgemeine Aussagen zu Einflussgrößen, den möglichen Versagensmechanismen, kompensatorischen Maßnahmen, allgemeine Bemessungsansätze, brandschutztechnische Konstruktionsdetails und damit Angaben zum Feuerwiderstand von Haupt-Nebenträger und Stützen-Träger-Verbindungen bei Holzbaukonstruktionen sind nur in geringem Umfang vorhanden. Ziel des Vorhabens ist es daher, die thermomechanischen Eigenschaften stabförmiger Holzbauteile im Bereich querkraftbeanspruchter Anschlüsse unter Brandbeanspruchung besser zu erfassen und daraus entsprechende, schutzzielorientierte brandsichere Bauteilanschlüsse für Haupt-Nebenträger-Verbindungen und Stützen-Träger-Anschlüsse zu entwickeln. Hierbei werden bestehende Systeme von Balkenschuhen und geschraubten Anschlüssen untersucht, bewertet und optimiert sowie in einigen Fällen notwendige bzw. sinnvolle Ertüchtigungsmaßnahmen entwickelt. 2 Gegenstand des Forschungsvorhabens Erster Schritt der Bearbeitung war die Erfassung und systematische Zusammenstellung der praktischen Randbedingungen, typischen Anwendungsfälle, typischen Lasten und Abmessungen der Verbinder. Darauf aufbauend wurde eine Auswahl konkreter und für die Gesamtheit möglichst repräsentativer, im weiteren Verlauf zu untersuchender Verbindungstypen getroffen. Ausgewählt wurden bestimmte Typen von Balkenschuhen aus Stahlblech und Verbindungen mit Vollgewindeschrauben, die Balkenschuhe werden dabei mit stiftförmigen Verbindungsmitteln an die Holzbauteile angeschlossen, die Vollgewindeschrauben paarweise gegenüber der Vertikalachse geneigt eingebaut (Abbildung 1). Brandverhalten von Haupt-Nebenträgerverbindungen im Holzbau TUM, Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion 2

3 Abbildung 1: Beispiele für die untersuchten Verbindungstypen: Links eine Verbindung mit paarweise über Kreuz eingebauten Vollgewindeschrauben, rechts ein handelsüblicher Balkenschuh aus Stahlblech für größere Holzquerschnitte (Quelle: GH Baubeschläge) Die ausgewählten Typen von Verbindungen wurden unter Variation bestimmter Randbedingungen in einer Serie unbelasteter Brandversuche untersucht, um Einflussfaktoren auf die Temperaturverteilung, das Abbrandverhalten und die voraussichtliche Brandtragfähigkeit zu gewinnen. Hierbei wurden kurze Abschnitte von Nebenträgern mit Temperaturmesselementen ausgestattet und über 30 und 60 Minuten beflammt (Abbildung 2). Abbildung 2: Brandversuchskörper der unbelasteten Brandversuche. Links vor, rechts nach dem Versuch. Ergebnis dieser Brandversuche waren umfangreiche Erkenntnisse über das thermische Verhalten der Verbindungen. Es konnten Aussagen getroffen werden, welche Typen, Abmessungen und Geometrien voraussichtlich geeignet sind in belasteten Brandversuchen eine ausreichende Tragfähigkeit zu erhalten. Bestimmte Varianten konnten bereits zu diesem Zeitpunkt ausgeschlossen, bei anderen notwendige Randbedingungen festgelegt werden. Im

4 Fall der Vollgewindeschrauben wurden Aussagen zu erforderlichen Randabständen, Holzüberdeckungen und Einschraubwinkeln getroffen. Als weitere vorbereitende Maßnahme wurde die Auszugsfestigkeit von Vollgewindeschrauben in Abhängigkeit der Einschraubwinkel und Temperaturen versuchstechnisch an Kleinprüfkörpern bestimmt (Abbildung 3). Abbildung 3: Bestimmung der Ausziehfestigkeit von Vollgewindeschrauben in Abhängigkeit der Temperatur Der nächste Schritt des Vorhabens bestand in der Planung, Durchführung und Auswertung von Brandversuchen über 30 und 60 Minuten unter Last an ausgewählten Verbindungen, um deren Versagensverhalten und Tragfähigkeit nach Brandeinwirkung zu bestimmen (Abbildung 4, Abbildung 6, Abbildung 7). Die Versuche wurden in einem Brandprüfstand mit hydraulischer Belastungseinrichtung durchgeführt. Alle Verbindungen für die belasteten Brandversuche wurden vorher bei Raumtemperatur auf ihr Tragverhalten und ihre Tragfähigkeit untersucht, um typische Versagensmechanismen besser beurteilen und einschätzen zu können. Es wurden insgesamt neun belastete Brandversuche durchgeführt. Ergebnis waren Last-Verformungsdiagramme über die Zeit und die jeweils erreichten maximalen Tragfähigkeiten (Abbildung 5). Die vorher getroffenen Annahmen und Abschätzungen hinsichtlich des Bauteilverhaltens wurden sehr gut erreicht und konnten die theoretischen Überlegungen und Rechenverfahren weitgehend bestätigen.

5 Abbildung 4: Aufbau der Prüfkörper für die belasteten Brandversuche Abbildung 5: Zeit-Kraft und Zeit-Weg Diagramme der belasteten Brandversuche, links für eine Balkenschuhverbindung, rechts für eine Vollgewindeschraubenverbindung

6 Abbildung 6: Brandversuche an Balkenschuhverbindungen: links Prüfkörper vor und nach dem Versuch, rechts Blick in den Prüfofen während des Versuchs. Abbildung 7: Brandversuche an Schraubenverbindungen: links Prüfkörper vor und nach dem Versuch, rechts Blick in den Prüfofen während des Versuchs.

7 Basierend auf den Versuchen wurden Konstruktions- und Bemessungsempfehlungen für Verbindungen mit Balkenschuhen und Vollgewindeschrauben ausgearbeitet. Im Falle der Balkenschuhe konnten konkrete Angaben zur Ausführung gemacht werden, bei deren Einhaltung praxistaugliche Tragfähigkeiten im Brandfall zu erwarten sind. Diese Empfehlungen sind geeignet, als Basis für die Ergänzung bauaufsichtlicher Zulassungen zu dienen und somit direkt in die praktische Anwendung aufgenommen zu werden. Im Fall der Vollgewindeschrauben wurde festgestellt, dass gegenüber den aktuellen normativen Angaben erheblich verbesserte und damit materialsparende Ausführungen bei gleicher oder höherer Tragfähigkeit möglich sind. Dies betrifft insbesondere die Festlegungen hinsichtlich der Randabstände. Zusätzlich zu den belasteten Versuchskörpern wurden baugleiche Ausführungen mit Schutzmaßnahmen untersucht. Dies betraf zusätzliche Abdeckungen bzw. Versenkungen des Kopfes bei den Schrauben und Anstriche mit intumeszierenden Brandschutzmaterialien bei den Balkenschuhen (Abbildung 8). Es konnten als Ergebnis dieser Versuche Aussagen zu zweckmäßigen Schutzmaßnahmen und deren Wirksamkeit getroffen werden. Diese können insbesondere dann zum Einsatz kommen, wenn in Sonderfällen erhöhte Tragfähigkeiten im Brandfall erforderlich werden. Abbildung 8: Brandschutzanstrich auf einem Balkenschuhprüfkörper

8 Ergänzend zu den versuchstechnischen Untersuchungen wurden rechnerische Parameterstudien mit Simulationsmodellen erstellt. Diese konnten mit den in Versuchen gewonnenen Daten wie z. B. gemessene Temperaturverteilungen kalibriert werden. Es zeigten sich gute Übereinstimmungen mit dem realen Verhalten, so dass die Modelle geeignet sind, für weitere Anwendungen ähnlicher Verbinder relativ genaue Abschätzungen zu treffen (Abbildung 9). Abbildung 9: FE-Modell einer Schraubenverbindung. Dargestellt sind die Isothermen in farbigen Abstufungen. 3 Fazit Die in diesem Forschungsvorhaben durchgeführten Recherchen, Versuche, Rechnungen und theoretischen Untersuchungen stellen den aktuellen Wissenstand zum Brandverhalten von Holzverbindungen mit den betrachteten Verbindertypen dar. Es konnten zudem wesentliche grundsätzliche Erkenntnisse zum Verhalten von Holzverbindungen mit stiftförmigen Verbindungsmitteln gewonnen werden. Hierzu wurden unter anderem temperaturabhängige Ausziehparameter für Schraubenverbindungen bestimmt. Für Verbindungen mit Balkenschuhen aus Stahlblech und Vollgewindeschrauben wurde die tatsächliche Tragfähigkeit im Brandfall experimentell bestimmt. Es konnte nachgewiesen

9 werden, dass bei entsprechender Gestaltung der Anschlussgeometrien sowohl Verbindungen mit Balkenschuhen als auch mit Vollgewindeschrauben geeignet sind, eine in üblichen Bemessungssituationen ausreichende Tragfähigkeit über die Brandbeanspruchungsdauer zu erhalten. Zur zweckmäßigen Gestaltung der Verbindungen konnten konkrete Angaben aus den Forschungsergebnissen abgeleitet werden. Im Ergebnis dieses Vorhabens konnte das Wissen über das Brandverhalten der betrachteten Holzverbindungen deutlich erweitert werden. Zudem wurden zahlreiche allgemeingültige Eigenschaften stiftförmiger Verbindungsmittel im Brandfall untersucht. Durch diese Erkenntnisse konnte eine breite Basis geschaffen werden, auch ähnliche, aber im Detail anders ausgeführte Verbinder ingenieurmäßig im Hinblick auf ihre Brandtragfähigkeit beurteilen zu können. 4 Eckdaten Kurztitel: Brandverhalten von Haupt-Nebenträger Verbindungen im Holzbau Forscher: Dipl.-Ing. Martin Gräfe, Dipl. Ing. (BA) Veronika Hofmann M. Sc. Projektleitung: Dipl.-Ing. Norman Werther Gesamtkosten: ,00 Anteil Bundeszuschuss: ,00 Projektlaufzeit: Dezember 2012 bis Dezember 2014