Erdbebengerechte mehrgeschossige Holzbauten. Steifigkeit von Scheiben in Holzbauweise
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- Martin Fried
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1 Erdbebengerechte mehrgeschossige Holzbauten Steifigkeit von Scheiben in Holzbauweise Pirmin Jung Dipl. Holzbauing. FH PIRMIN JUNG Ingenieure für Holzbau AG
2 Einleitung Die Anforderungen an den Holzbau nehmen zu Wohnungsbauten Anforderung an die Horizontalverformung an Gebäuden nach SIA260(2003) Lignum-Dok. Seite 45
3 Einleitung Steifigkeit von Holzbauten / resultierende Grundschwingzeit Tiefe horizontale Steifigkeit des Tragwerks erzeugt kleinere Erdbebenbeanspruchung Lignum-Dok. Seite 45
4 Einleitung Wandscheiben in Holzbauweise Holzrahmenbauwand -Beplankung 1-reihig geklammert Holzrahmenbauwand -Beplankung 3-reihig geklammert Mehrlagige Massivholzplatte -Vollholzbauteil Stahlbetonwand -Einteiliges Bauteil Steifigkeit 0,7 kn/mm Steifigkeit 2,7 kn/mm Steifigkeit 14,3 kn/mm Steifigkeit 82,0 kn/mm 100 % 386 % % % Lignum-Dok. Seite 45
5 Einleitung Steifigkeit von Deckensystemen Rippendecke Massivholzdecke Holz-Beton-Verbunddecken -Beplankung 2-reihig geklammert -Mehrlagige Massivholzplatte -HBV Brettstapeldecke Steifigkeit 1,89 kn/mm Steifigkeit 10,0 kn/mm Steifigkeit 37,0 kn/mm 100 % 529% 1 928% Lignum-Dok. Seite 46
6 Einleitung Einfluss der Deckensteifigkeit e e t Aussteifende Wandscheiben: 1 mehrlagige Massivholzpatte 140mm Holz-Beton-Verbunddecke 2 Stahlbetonwände 200mm (gerissen) Aussteifende Deckenscheiben: 3 HBV-Decke mit 100mm Überbeton 4 Rippendecke Holzrahmenbauwand Deckenscheibe OSB 22mm verklammert Merke: Bei starren Deckenscheiben werden die Erdbeben- und Windkräfte in Abhängigkeit der Wandsteifigkeit auf die Tragwände aufgeteilt. Bei weichen Deckenscheiben verliert die Wandsteifigkeit an Einfluss, da die Deckenscheibe nicht in der Lage ist die Kräfte bis zu den steiferen Tragwände weiterzuleiten. Rippendecke Holzrahmenbau Lignum-Dok. Seite 34
7 Einleitung Berechnungsmodell für Holzrahmenbausysteme In der aktuellen Normengeneration werden Holzrahmenbausysteme mit Hilfe des linearen Schubfeldmodells erfasst. Als Alternative zur analytischen Betrachtung der Einzelbauteile können Wand- und Deckensysteme als mit Finiten Elementen modelliert werden. Statisches Modell der Wandscheibe Schubspannung Normalkraft in Verschiebung in mit Detail der unteren Ecke in der Beplankung den Tragrippen x-richtung FE-Modell einer Wandscheibe in Holzrahmenbauweise
8 Inhalt des Referates Einleitung Wandscheiben in Holzrahmenbauweise Deckenscheiben in Holzrahmenbauweise Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Zusammenfassung und Ausblick
9 Wandscheiben in Holzrahmenbauweise Aufbau der Wandscheibe Horizontale Lasteinleitung Kopfholz Randrippe Schwelle Verbindungsmittel Beplankung Vertikalstoss Horizontalstoss Vertikale Verankerung Horizontale Verankerung Lignum-Dok. Seite 104
10 Wandscheiben in Holzrahmenbauweise Verformungsanteil infolge Querkraftbeanspruchung der Beplankung Lignum-Dok. Seite 104
11 Wandscheiben in Holzrahmenbauweise Verformungsanteil infolge des Schubflusses im Verbund Lignum-Dok. Seite 104
12 Wandscheiben in Holzrahmenbauweise Verformungsanteil infolge Normalkraftbeanspruchung der Randstützen Lignum-Dok. Seite 104
13 Wandscheiben in Holzrahmenbauweise Verformungsanteil infolge Nachgiebigkeit der Tragwandverankerung Lignum-Dok. Seite 104
14 Deckenscheiben in Holzrahmenbauweise Aufbau der Deckenscheibe Lasteinleitung Gurtholz Rand- und Feldrippen Beplankung Verbindungsmittel Vertikalstösse Vertikale Verankerung Lignum-Dok. Seite 106
15 Deckenscheiben in Holzrahmenbauweise Verformungsanteil infolge Querkraftbeanspruchung der Beplankung Lignum-Dok. Seite 106
16 Deckenscheiben in Holzrahmenbauweise Verformung infolge des Schubflusses im Verbund Lignum-Dok. Seite 106
17 Deckenscheiben in Holzrahmenbauweise Verformungsanteil infolge Normalkraftbeanspruchung der Gurthölzer Lignum-Dok. Seite 106
18 Deckenscheiben in Holzrahmenbauweise Verformungsanteil der Verankerung der Scheiben in den Tragwänden Lignum-Dok. Seite 106
19 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Modellbildung für die Tragwerksanalyse Lignum-Dok. Seite 61-66
20 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Modell des eingespannten Kragarms Analytische Berechnungen nach der linearen Schubfeldtheorie sind für mehrgeschossige Tragwände sehr aufwändig. Als Alternative können Holzrahmenbauwände als eingespannte Kragarme modelliert werden. Für jede Tragwandkomposition wird in Abhängigkeit der Verformung die Steifigkeit eines äquivalenten Ersatzstabes berechnet. Diese Vorgehensweise ermöglicht die einfache Modellierung des Aussteifungssystems in Stabstatikprogrammen. E Ersatz G Ersatz K DF,DG K DF,2.OG K DF,1.OG K DF,EG Lignum-Dok. Seite 61-66
21 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Horizontales Verformungsverhalten der Tragwand TWX TW X TW Y TW X TW Y Steifigkeit der Tragwand kann an der eingeschossigen Wandscheibe berechnet werden! Lignum-Dok. Seite 61-66
22 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Auslenkung infolge Normalkraftbeanspruchung der Randstützen Lignum-Dok. Seite 62
23 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Auslenkung infolge Nachgiebigkeit der Beplankung Lignum-Dok. Seite 62
24 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Auslenkung infolge Nachgiebigkeit des Verbundes der Beplankung Lignum-Dok. Seite 62
25 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Auslenkung infolge Normalkraftbeanspruchung der Randstützen Lignum-Dok. Seite 63
26 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Gesamte Auslenkung der Tragwand TWX1 im EG Lignum-Dok. Seite 63
27 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Ersatzelastizitätsmodul für den eingespannten Kragarm Lignum-Dok. Seite 64
28 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Ersatzelastizitätsmodul für den eingespannten Kragarm Für identischen Querschnitte der Randstützen gilt alternativ: Lignum-Dok. Seite 64
29 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Ersatzschubmodul für den eingespannten Kragarm Lignum-Dok. Seite 65
30 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Drehfeder zur Berücksichtigung der Verankerung und Anschlüsse am Stockwerkübergang Merke: Neben den Zugkräften werden auch die Druckkräfte über die Stabdübel und nicht über Stirnholzkontakt abgegeben! Lignum-Dok. Seite 65
31 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Ersatzsteifigkeiten der Tragwände des Berechnungsbeispiels Querschnittparameter der eingespannten Kragarme Die Querschnitthöhe entspricht der Länge der Tragwand. Als Querschnittbreite wurden 100mm angenommen. In der Berechnung mit Computerprogrammen ist die wirksame Schubfläche mit 5/6 der Querschnittfläche anzunehmen. Lignum-Dok. Seite 65
32 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Zusammenfassung mehrerer Tragwände je Hauptrichtung zu einem globalen Ersatzstab Die Querschnitthöhe des globalen Ersatzstabes (unter dem Bruchstrich) kann beliebig bi gewählt werden, die Querschnittbreit beträgt t wieder 100mm. Lignum-Dok. Seite 66
33 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Zusammenfassung mehrerer Tragwände je Hauptrichtung zu einem globalen Ersatzstab Die Drehfedern können addiert werden, wobei die Drehfedern am Stockwerkübergang den halbierten Werten derjenigen der Verankerungen im Ed Erdgeschoss aufweisen. Lignum-Dok. Seite 66
34 Steifigkeit des äquivalenten Ersatzstabes Resultierende Querschnittwerte der globalen Ersatzstäbe des Berechnungsbeispiels für die Hauptrichtungen x und y Mit den Querschnittwerten kann die Aussteifung in den beiden Hauptrichtungen x und y modelliert werden. Am globalen Ersatzstab können so die Grundschwingzeit, Effekte 2. Ordnung oder Verformungen unter Windeinwirkung einfach mit einem Stabstatikprogramm berechnet werden. Lignum-Dok. Seite 66
35 Zusammenfassung und Ausblick Über Ersatzsysteme können Bauteile in Holzrahmenbauweise vereinfacht als stabförmige Bauteile modelliert werden. Mit Ersatzsystemen können auch komplexe dreidimensionale Aussteifungssysteme mit vertretbarem Aufwand modelliert und berechnet werden Um aufwendige Handrechnungen ngen zu umgehen, können alternativ Excel- Arbeitsblätter programmiert, oder Steifigkeitsdiagramme erstellt werden. Die Ersatzsteifigkeiten können so sehr schnell berechnet bzw. abgelesen werden. In Nordamerika sind bereits diverse FE-Programme im Einsatz die über benutzerfreundliche Tools für die Eingabe von Holzrahmenbausysteme verfügen. Erste Trends in diese Richtung sind auch bei europäischen Software Herstellern feststellbar.
36 Steifigkeiten von Scheiben in Holzbauweise Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Pirmin Jung Dipl. Holzbauing. FH PIRMIN JUNG Ingenieure für Holzbau AG
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