Tragfähigkeit und Steifigkeit von Verbindungen zwischen Holzfaserdämmplatten und der Holzunterkonstruktion in aussteifenden Wand- und Dachsystemen

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1 Tragähigkeit und Steiigkeit von Verbindungen zwischen Holzaserdämmplatten und der Holzunterkonstruktion in aussteienden Wand- und Dachsstemen Dipl.-Ing. Gunnar Gebhardt Univ.-Pro. Dr.-Ing. Hans Joachim Blaß Holzbau und Baukonstruktionen Karlsruher Institut ür Technologie Zusammenassung Holzaserdämmplatten (HDP) werden im Holzbau bislang zur Wärme- und Schalldämmung eingesetzt. Als plattenörmiger Bausto können HDP insbesondere beim Einbau dicker Platten aber auch ür die Abtragung horizontaler Lasten, wie z. B. Wind- und Erdbebenlasten, herangezogen werden. ür die Bestimmung des Tragverhaltens von Wand- und Dachscheiben ist die Kenntnis der tragähigkeitsrelevanten Eigenschaten von HDP erorderlich. Neben den Eigenschaten bei Schubbeanspruchung sind dies die Tragähigkeit und Steiigkeit der Verbindung. ür den Nachweis der Verbindung sind sowohl die grundlegenden Parameter, wie die Lochleibungsestigkeiten der verbundenen Bauteile und die Kopdurchziehtragähigkeit des Verbindungsmittels soern das Verbindungsmittel direkt in die HDP eingebracht wird als auch die Berechnung der Tragähigkeit der Verbindung notwendig. Die Tragähigkeit kann im all des direkten Einbringens des Verbindungsmittels nach der Theorie von Johansen ermittelt werden. Wird das Verbindungsmittel durch eine Konterlatte eingebracht und werden zwischen Last abtragender HDP und Holzunterkonstruktion weitere Zwischenlagen (z. B. in Ausparrendämmsstemen) angeordnet, ist eine Erweiterung der Theorie von Johansen erorderlich. In diesem Beitrag werden sowohl die Bestimmung der grundlegenden Parameter von HDP als auch die Erweiterung der Theorie von Johansen vorgestellt. Weiterhin werden die Ergebnisse von Versuchen zur Bestimmung der Tragähigkeit und der Steiigkeit ür unterschiedliche Verbindungen dargestellt. 1. Einleitung Wände und Decken in Holzbauweise können in unterschiedlichen Bauweisen erstellt werden. In der massiven Bauweise werden Bauteile aus beispielsweise Brettsperrholz lächig hergestellt. Die einzelnen Brettlagen der massiven Bauteile werden miteinander verklebt oder durch mechanische Verbindungsmittel verbunden. In der Holztaelbauweise werden Holztaeln als Wand- und Decken- bzw. Dachelemente eingesetzt. Holztaeln bestehen aus Schwelle, Rähm, Rippen und einer Beplankung. Die parallel angeordneten Rippen sind meist aus Vollholz, können aber in energetisch optimierten Gebäuden auch durch zusammengesetzte I Träger ersetzt werden. ür die Beplankung von Holztaeln werden bislang Sperrholz-, Span-, Gipskartonplatten und OSB verwendet. Die horizontalen Beanspruchungen von Wänden und Dächern werden durch die Beplankung der Holztael augenommen. In Decken kann die Beplankung zusätzlich zur Abtragung von Biegemomenten herangezogen werden.

2 ür die Wärme- und Schalldämmung kann eine Vielzahl weiterer Werkstoe aus Holz oder auch anderen Werkstoen eingesetzt werden. Ein Beispiel ür einen Holzwerksto sind Holzaserdämmstoe. Diese können in der Zwischensparrendämmung als lexible atte oder in Ausparren- oder Untersparrensstemen als Platte verwendet werden. ür die Herstellung von Holzaserdämmstoen werden Holzasern aus Schwachhölzern und Holzresten durch Zermahlung gewonnen. Holzaserdämmplatten (HDP) können dann in zwei unterschiedlichen Verahren hergestellt werden. Im Nassverahren wird aus Holzasern, Wasser und Zuschlagstoen ein Holzaserbrei erzeugt, der zu einer Platte verpresst wird. Anschließend werden die Platten in einer Trocknungsanlage getrocknet. Der im Holz natürlich enthaltene Sto Lignin dient dabei als alleiniges Bindemittel. Im Trockenverahren werden die Holzasern nach der Herstellung und Trocknung mit Klebsto besprüht und anschließend zu einer atte augeschichtet und gepresst. In beiden Verahren wird die Rohplatte zugeschnitten und nach Bedar Nut und eder eingeräst. Durch den hohen Energieeinsatz bei der Trocknung werden im Nassverahren nur Platten mit Dicken bis ca. 0 mm hergestellt. Dickere Platten werden aus mehreren Platten durch Verklebung hergestellt. Im Trockenverahren können hingegen auch Platten mit Dicken bis zu 40 mm in einer Lage hergestellt werden. In Abb. 1 sind Querschnitte verschiedener HDP dargestellt. a b Abb. 1 Holzaserdämmplatten, einlagig (a) und mehrlagig (b) HDP besitzen eine im Vergleich mit anderen Holzwerkstoen geringere Rohdichte, die sich günstig au die Wärmedämmeigenschaten auswirkt. it der geringeren Rohdichte sinken allerdings auch die estigkeits- und Steiigkeitswerte. Daher wurden bislang die unktionen Aussteiung der Holztael und die bauphsikalischen Anorderungen von unterschiedlichen Holzwerkstoen übernommen. Durch die wachsenden Anorderungen an den Wärmeschutz werden zunehmend dickere HDP eingesetzt. it einer größeren Dicke der HDP können die geringeren estigkeitseigenschaten zumindest teilweise kompensiert werden. Somit können statische und bauphsikalische Augaben in einem Werksto vereint werden. Dies erönet neue öglichkeiten in der Planung und ontage von Gebäuden aus Holz.. Einsatzelder von HDP in Gebäuden und Anorderungen an aussteiende Beplankungen HDP können in Gebäuden in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. In Dächern können sie als Unterdeckplatte (UDP) zwischen Sparren und Konterlatte alternativ zur Unterspannbahn eingebaut werden. Eine zusätzliche Dämmung ist in Dächern als Zwischensparren-, Untersparren- oder Ausparrendämmung möglich. Als Zwischensparrendämmung werden lexible Holzasermatten eingesetzt, die zwischen die Sparren geklemmt werden. In der Untersparren- oder Ausparrendämmung werden Dämmplatten eingesetzt. Die Rohdichte nimmt in der Reihenolge Unterdeckplatte Dämmplatte Dämmmatte ab.

3 In Wänden können Unterdeckplatten zwischen Rippen und Lattung einer hinterlüteten assade angeordnet werden. Eine weitere öglichkeit ist der Einsatz einer Wärmedämmverbundplatte. Hierbei wird die Wärmedämmverbundplatte au den Rippen beestigt. Der Putz wird direkt au die Wärmedämmverbundplatte augetragen. Die Rohdichte der Wärmedämmverbundplatte liegt zwischen der Rohdichte von Unterdeckplatten und Dämmplatten. In Abb. sind die unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten von HDP dargestellt. Abb. Einsatzmöglichkeiten von HDP in Gebäuden: Unterdeckplatte (oben links), Unterdeckplatte und Zwischensparrendämmung (oben rechts), Wärmedämmverbundplatte und Dämmung (unten links), Unterdeckplatte und Ausparrendämmung (unten rechts) ür einen möglichen Einsatz von HDP als aussteiende Beplankung ist der Nachweis der Tragähigkeit nach DIN 105:008-1 oder Eurocode 5 zu ühren. Im Nachweis lassen sich sstemspeziische und materialspeziische Einlussparameter unterscheiden. Zu den sstemspeziischen Parametern gehört die Anordnung der Beplankung (einseitig oder beidseitig), die Anordnung der Verbindungsmittel (umlauend oder abschnittsweise) sowie die Geometrie der Tael (Länge der Tael, Höhe der Tael, Abstand der Rippen). Zu den materialspeziischen Parametern zählen die Schubestigkeit der Beplankung und die Tragähigkeit der Verbindung zwischen Beplankung und Holzunterkonstruktion. Nach Eurocode 5 ist lediglich der Nachweis der Tragähigkeit der Verbindung zu ühren. ür die Bestimmung der Tragähigkeit der Verbindung zwischen HDP und Holzunterkonstruktion sind olgende Parameter erorderlich: die Lochleibungsestigkeiten der verbundenen Bauteile, das ließmoment des Verbindungsmittels und die Geometrie der Verbindung. Zusätzlich steigt die laterale Tragähigkeit mit der axialen Tragähigkeit des Verbindungsmittels. Die axiale Tragähigkeit ist abhängig vom Ausziehparameter und vom Kopdurchziehparameter des Verbindungsmittels in den jeweiligen Bauteilen. Die Parameter von Verbindungsmitteln in Vollholz sind bekannt, während diese in HDP bislang nicht untersucht wurden. Daher wurden Versuche zur Bestimmung der Lochleibungsestigkeit und der Rückendurchziehtragähigkeit durchgeührt. Die Lochleibungsestigkeit wurde in Gebhardt und Blaß [1] vorgestellt. Die Rückendurchziehtragähigkeit wird in Abschnitt 4 vorgestellt. Zusätzlich wurden Versuche mit Verbindungen zwischen HDP und Holzunterkonstruktion durchgeührt. Hierbei wurden eine direkte Verbindung der HDP au der Holzunterkonstruktion und eine Verbindung durch einer Konterlatte untersucht. Die Ergebnisse der Versuche werden in Blaß und Gebhardt [] sowie in Abschnitt 5 vorgestellt. 3. Berechnung der Tragähigkeit von Holz-HDP-Verbindungen ür die Verbindung der HDP mit der Holzunterkonstruktion können unterschiedliche stitörmige Verbindungsmittel verwendet werden. Eine direkte Verbindung der HDP mit der Holzunterkonstruktion ist mit Breitrückenklammern oder speziellen Schrauben möglich. Die spezielle Schraube ist eine Teilgewindeschraube mit einem Plastikteller als Unterlegscheibe und wird mit dem Plastikteller in die HDP eingedreht. Der Plastikteller erhöht die Kopdurchziehtragähigkeit des Verbindungsmittels in der HDP. Eine direkte Verbindung wird hauptsächlich bei der Beestigung von Wärmedämmverbundplatten ausgeührt. In

4 Dächern und hinterlüteten assaden erolgt die Verbindung mit Klammern, Nägeln oder Schrauben durch eine Konterlatte hindurch. Dabei wird das Verbindungsmittel durch die Konterlatte und die HDP in die Holzunterkonstruktion eingebracht. In Ausparrendämmsstemen wird das Verbindungsmittel durch Konterlatte, Unterdeckplatte, Dämmplatte (einlagig oder zweilagig) in die Holzunterkonstruktion eingebracht. Hierür werden Teilgewindeschrauben oder Schrauben mit Doppelgewinde verwendet. Die Tragähigkeit von Verbindungen zwischen Holz und HDP mit direkt eingebrachten Verbindungsmitteln wird nach Johansen [3] bzw. DIN 105:008-1 [4] direkt berechnet. Die Tragähigkeit ist der kleinste Wert der sechs möglichen Versagensmechanismen. ür die Ermittlung der Tragähigkeit einer Verbindung mit außen liegender Konterlatte kann die Tragähigkeit ebenalls nach Johansen [3] bzw. DIN 105:008-1 [4] berechnet werden. Wird allerdings der all 1 bzw. G.3 oder der all b bzw. G.5 maßgebend, kann die Tragähigkeit durch Berücksichtigung der außen liegenden Schicht erhöht werden. Hierür wurden die entsprechenden Gleichungen erweitert (s. Gebhardt und Blaß [1]). In Ausparrendämmsstemen wird zusätzlich eine oder es werden zwei Dämmplatten zwischen Sparren und Unterdeckplatte angeordnet. ür die Ermittlung der Tragähigkeit muss der Einluss der Zwischenlage berücksichtigt werden. In Blaß und Laskewitz [5] wurden entsprechende Gleichungen hergeleitet. Dabei wird zwischen einer verschieblichen und einer unverschieblichen Zwischenschicht unterschieden. Die Tragähigkeit einer Verbindung in einem Ausparrendämmsstem kann nach den Gleichungen ür eine verschiebliche Zwischenschicht berechnet werden, da die Dämmplatte nicht durch weitere Verbindungsmittel beestigt wird. Auch hier kann die Tragähigkeit durch Berücksichtigung der außen liegenden Schicht erhöht werden, alls einer der entsprechenden älle maßgebend wird. Die Verteilung der Lochleibungsestigkeit in der Verbindung ist in Abb. 3 ür die beiden älle dargestellt. Die Tragähigkeit der erweiterten älle kann nach den Gleichungen (1) und () berechnet werden. h,zw h, h,3 h,zw h, h,3 Abb. 3 Versagensmechanismus mit Zwischenlage und Ansatz einer Außenschicht δ 1 1 d β t 4+ δ + + t + + t ( + β ) + t β 1+ + zw R= tzw t1 t + β β β 1 β + 4tzw t1+ 4tzw t + t1 t δ δ 1 β 1 1 tzw t + + t3 β3 + + tzw t β d t 4 β 4 β R= tzw 1 + β d d β it t zw h,zw Dicke der Zwischenlage Lochleibungsestigkeit der Zwischenschicht (1) ()

5 δ = hzw, β = h, β = 3 h,3 In Ausparrendämmsstemen mit zwei Dämmlagen sind die grundlegenden Gleichungen unter Berücksichtigung einer zweiten Zwischenschicht herzuleiten. ür die entsprechenden älle kann dann zusätzlich der Einluss der Konterlatte berücksichtigt und die Tragähigkeit erhöht werden. Die Verteilung der Lochleibungsestigkeit in einer Verbindung mit Konterlatte ist in Abb. 4 ür die sechs möglichen Versagensmechanismen dargestellt. Die Tragähigkeiten ür reines Lochleibungsversagen in einem der verbundenen Bauteile entsprechen den zugehörigen Gleichungen nach Johansen. Die Tragähigkeit der weiteren älle kann nach den Gleichungen (3) bis (6) berechnet werden. h,zw1 h,zw h, h,3 h,zw1 h,zw h, h,3 h,zw1 h,zw h, h,3 h,zw1 h,zw h, h,3 h,zw1 h,zw h, h,3 h,zw1 h,zw h, h,3 Abb. 4 Versagensmechanismus mit zwei Zwischenlagen und Ansatz einer Außenschicht R tzw1 tzw t1 t δ δ 1 d β t 4+ + δ + t 4+ + δ + t + + t + β ( ) 1 zw1 1 zw 1 = β β β 1+ β t β t t + t ( 4t + 4t ) + t ( 4t + 4t ) + t t 3 3 zw1 zw zw1 1 zw 1 1 β (3) R t tzw 1 tzw d β δ δ δ δ 1 β t t t = zw1 zw 1 4β 4β + β t β + + t t + t ( t + t ) zw1 zw zw1 zw 4β d d β (4)

6 R tzw1 tzw t1 δ δ d β t 4+ δ + + t 4+ δ + + 4t t + 4t t + 8t t 1 zw1 zw 1 zw1 1 zw 1 zw1 zw = β β β t β d β d (5) t t zw1 zw d β = δ δ δ δ β tzw tzw tzw 1 tzw + + β β d d β R it t zw1 Dicke der Zwischenlage 1 t zw Dicke der Zwischenlage hzw, 1 hzw, h, δ 1 = δ = β = β 3 = h,3 (6) 4. Ermittlung der Rückendurchziehtragähigkeit von Breitrückenklammern in HDP Die laterale Tragähigkeit einer Verbindung nach Johansen wird durch die axiale Tragähigkeit des Verbindungsmittels erhöht (Einhängeeekt). Die Tragähigkeit nach DIN 105: oder Eurocode 5 kann dabei höchstens das Doppelte der lateralen Tragähigkeit betragen. Die axiale Tragähigkeit einer Verbindung ist der kleinere Wert der Ausziehtragähigkeit des Verbindungsmittels aus dem Bauteil mit der Spitze und der Kop- bzw. Rückendurchziehtragähigkeit des Verbindungsmittels aus dem Bauteil mit dem Kop bzw. Rücken. Die Ausziehtragähigkeit hängt vom Ausziehparameter, von der Länge des Verbindungsmittels im Bauteil mit der Spitze und vom Durchmesser ab. Die Kopdurchziehtragähigkeit ist vom Kopdurchziehparameter und vom Kopdurchmesser abhängig. In Verbindungen zwischen HDP und Holzunterkonstruktion liegt die Spitze des Verbindungsmittels im Holz. Der Kop bzw. Rücken des Verbindungsmittels ist bei einem direkt in die HDP eingebrachten Verbindungsmittel in der HDP angeordnet. Wird das Verbindungsmittel durch eine Konterlatte eingebracht, liegt sowohl die Spitze als auch der Kop bzw. Rücken des Verbindungsmittels im Holz. ür direkt eingebrachte Verbindungsmittel kann die Tragähigkeit in Abhängigkeit der Kopbzw. Rückendurchziehtragähigkeit erhöht werden. Daher wurden Versuche zur Bestimmung der Rückendurchziehtragähigkeit von Breitrückenklammern in HDP durchgeührt. Es wurden Unterdeckplatten und Wärmedämmverbundplatten berücksichtigt. Die untersuchten Holzaserdämmplatten wurden von drei Herstellern zur Verügung gestellt. Die je Plattentp gelieerten Platten stammten aus bis zu drei Herstellungschargen. Neben einlagigen HDP wurden auch mehrlagige HDP berücksichtigt. ür die Versuche wurden Platten mit Dicken zwischen 18 mm und 60 mm verwendet. Die Versuche wurden in Anlehnung an DIN EN 1383:000 [6] durchgeührt. Neben der Krat wurde die Verschiebung gemessen. Die Tragähigkeit wird im ittel bei einer Verschiebung erreicht, die der halben Plattendicke entspricht. it Hile einer multiplen Regressionsanalse wurde Gleichung (7) zur Bestimmung der Tragähigkeit hergeleitet. Die Rückendurchziehtragähigkeit kann in Abhängigkeit von der Rohdichte und der Plattendicke berechnet werden. In Abb. 5 sind die Versuchsergebnisse über den mit Gleichung (7) berechneten Werten darge-

7 stellt. Durch eine Anpassung des Voraktors wurde Gleichung (8) ür die Berechnung des charakteristischen Wertes der Rückendurchziehtragähigkeit ermittelt. it ρ t R ax, = 0,040 ρ 1,17 t 0,95 in N (7) Rohdichte der HDP in kg/m 3 Plattendicke der HDP in mm 1,17 R ax,,k = 0,03 ρ k t 0,95 in N (8) it ρ k Charakteristische Rohdichte der HDP in kg/m 3 Rückendurchziehtragähigkeit aus Versuch in kn,5,0 1,5 1,0 0,5 0,0 = 1,01x - 0,01 R = 0,814 N = 97 UDP WDVP 0,00 0,5 0,50 0,75 1,00 1,5 1,50 Berechnete Rückendurchziehtragähigkeit in kn Abb. 5 Rückendurchziehtragähigkeit Versuchsergebnisse über Vorhersagewerten 5. Versuche mit Verbindungen zwischen HDP und VH Während die Tragähigkeit mit den vorgestellten Gleichungen und Versuchsergebnissen berechnet werden kann und in Versuchen lediglich überprüt wird, müssen ür eine Abschätzung der Steiigkeit der Verbindung weitere Versuche durchgeührt werden. Hierür wurden Versuche mit Breitrückenklammern, Klammern und Nägeln durchgeührt. Die Breitrückenklammern wurden direkt in die HDP eingebracht. Die Klammern und die Nägel wurden durch eine Konterlatte eingebracht. Der Versuchsaubau und die Ergebnisse werden in Blaß und Gebhardt [] vorgestellt. Die Steiigkeit wurde au Grund des rühen nicht-linearen Verhaltens der Verbindung ür alle Verbindungsmittel ür eine konstante relative Verschiebung zwischen den verbundenen Bauteilen von 0,3 mm ausgewertet. it Hile einer multiplen Regressionsanalse wurde Gleichung (9) ür die Bestimmung des Verschiebungsmoduls hergeleitet. Der Verschiebungsmodul kann in Abhängigkeit von den Rohdichten der verbundenen Bauteile, der Plattendicke der HDP und dem Durchmesser des Verbindungsmittels berechnet werden. In Abb. 6 sind die Versuchsergebnisse über den mit Gleichung (9) berechneten Werten dargestellt. it ρ HDP ρ VH t d K = 1, 5 ρ ρ t d in N/mm (9) 0,80 0,30 0,3 1,9 ser HDP VH Rohdichte der HDP in kg/m 3 Rohdichte des VH in kg/m 3 Plattendicke der HDP in mm Durchmesser des Verbindungsmittels in mm

8 Steiigkeit im Versuch in N/mm K s,versuch = 1,00 K s,ber. - 0,404 R = 0,898 N = 90 Klammer Breitrückenklammer Nagel 3,8 mm Nagel 4,6 mm Berechnete Steiigkeit in N/mm Abb. 6 Verschiebungsmodul Versuchsergebnisse über Vorhersagewerten 6. Zusammenassung und Ausblick ür einen Einsatz von Holzaserdämmplatten als aussteiende Beplankung wurden analtische und experimentelle Untersuchungen von Verbindungen zwischen HDP und Holz durchgeührt. Die Tragähigkeit kann nach der Theorie von Johansen berechnet werden. Durch das Einbringen des Verbindungsmittels durch eine Konterlatte kann die Tragähigkeit erhöht werden. Werden in Ausparrendämmsstemen Zwischenlagen angeordnet, ist der Einluss der Zwischenlagen au die Tragähigkeit zu berücksichtigen. Beide öglichkeiten werden in einer Erweiterung der Theorie von Johansen berücksichtigt. In Versuchen wurde die Lochleibungsestigkeit von Nägeln in HDP bestimmt. ür eine Erhöhung der Tragähigkeit der Verbindung in Abhängigkeit der axialen Tragähigkeit wurde die Rückendurchziehtragähigkeit von Breitrückenklammern in HDP ermittelt. In Versuchen wurden die Verschiebungsmoduln der Verbindungen bestimmt und die rechnerischen Tragähigkeiten den Versuchsergebnissen gegenübergestellt. In weiteren Versuchen werden die Tragähigkeit und die Steiigkeit von Verbindungen in Ausparrendämmsstemen untersucht. it der Kenntnis der Tragähigkeit und Steiigkeit von Verbindungen zwischen HDP und der Holzunterkonstruktion wird eine Grundlage ür den Einsatz von HDP als aussteiende Beplankung von Holztaeln geschaen. 7. Literatur [1] Gebhardt, G.; Blaß, H.J.: Untersuchungen zum Trag- und Verormungsverhalten von Holzaserdämmplatten (HDP) und Holz-HDP-Verbindungen. Doktorandenkolloquium Holzbau orschung und Praxis, Stuttgart, 008, S [] Blaß, H.J.; Gebhardt, G.: Holzaserdämmplatten Trag- und Verormungsverhalten in aussteienden Holztaeln. Karlsruher Berichte zum Ingenieurholzbau, Universität Karlsruhe (TH), Lehrstuhl ür Ingenieurholzbau und Baukonstruktionen, Band 14, Universitätsverlag Karlsruhe, 009 [3] Johansen, K. W.: Theor o timber connections. International Association o bridge and structural Engineering, Bern, 1949, S [4] DIN 105:008-1 Entwur, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken Allgemeine Bemessungsregeln und Bemessungsregeln ür den Hochbau [5] Blaß, H.J.; Laskewitz, B.: Tragähigkeit von Verbindungen an Holztaelelementen. Versuchsanstalt ür Stahl, Holz und Steine, Universität Karlsruhe, 000 [6] DIN EN 1383: Holzbauwerke, Prüverahren, Prüung von Holzverbindungsmitteln au Kopdurchziehen