Schubverstärkung von Holz mit Holzschrauben und Gewindestangen

Transkript

1 Schubverstärkung von Holz mit Holzschrauben und 90 Jahre Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine Festkolloquium am 29. und 30. September 2011 KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Warum Schubverstärkung? Verringerung der Schubtragfähigkeit durch Risse Erhöhung der Schubtragfähigkeit von Bauteilen Schubverstärkung von Holz 1

2 Schubspannung Technische Biegelehre h max b F q F/2 F/2 Q ql 2 ql Schubverstärkung von Holz Schubverstärkung Funktionsprinzip Vollgewindeschraube Gewindestange Schubverstärkung von Holz 2

3 Schubverstärkung Funktionsprinzip F ax c,90 c,90 F ax Schubverstärkung von Holz Gliederung Finite-Elemente-Modell Ergebnisse der numerischen Simulation Versuche Sanierung Schubverstärkung von Holz 3

4 Modellierung Verhalten des Holzes bei Schubbeanspruchung Verbundeigenschaften der Verstärkungsmittel Schubverstärkung von Holz Verhalten des Holzes bei Schubbeanspruchung Schub-Querspannungsinteraktion bei Fichte nach Spengler (1982) in N/mm² Querdruck in N/mm² Versuche N=354 Regression Querzug Regression: 4,75N mm2 1,15 0,13 2 R 0, Schubverstärkung von Holz 4

5 Verbundverhalten von Mittlere Last-Verformungskurven aus Versuchen F ax 120% 100% 16 mm 20 mm 45 80% F ax / R ax 60% 40% 20% 0% Verformung ax in mm ax R ax mm kn 16 92, Schubverstärkung von Holz Finite-Elemente-Modell II II Interaktion von Schub- und Querspannungen in N/mm² Versagenskriterium Erreichen einer kritischen Schubspannung im Element elem krit,elem in N/mm² Schubverstärkung von Holz 5

6 Finite-Elemente-Modell Verstärkungsmittel Federelemente Verbundverhalten der Verstärkungsmittel durch Federelemente Knoten Träger Federkraft in N/mm ` mm Knoten Verstärkungsmittel Federweg in mm Schubverstärkung von Holz Versuchskonfiguration Maße in mm Brettschichtholz GL36h m Stegträger Rechteckquerschnitt Schubverstärkung von Holz 6

7 Numerische Berechnungen Einzellasten konstante Querkraft 608 mm 4400 mm Streckenlast veränderliche Querkraft 7000 mm Schubverstärkung von Holz Numerische Berechnungen a r a 1 16 mm Einschraubwinkel 45 Einzellasten und Gleichstreckenlast Parameter Anzahl der Verstärkungsmittel je Seite Randabstand a r des äußersten Verstärkungsmittels Zwischenabstände a 1 Vergleich der Tragfähigkeitssteigerung zwischen unverstärkten und verstärkten Trägern Schubverstärkung von Holz 7

8 Optimale Verstärkungsmittelanordnung Beispiel 44% 6 Verstärkungsmittel je Seite größte Laststeigerung: 42% mit a r = 400 mm a 1 = 144 mm 96 VM-Abstand a 1 in mm Randabstand a r in mm 42% 40% 38% 36% 34% 32% Schubtragfähigkeitssteigerung Schubverstärkung von Holz Berechnete Traglaststeigerungen 60% 50% Einzellast Traglaststeigerung 40% 30% 20% Streckenlast 10% 0% Anzahl Verstärkungsmittel je Trägerseite Schubverstärkung von Holz 8

9 Optimale Anordnung der Verstärkungsmittel Einzellast 1 Streckenlast 1 1 a S v a S ef a S Q Lage des Schwerpunkts einer Verstärkungsmittelgruppe a s Einzellast: a s / v 0,51 Streckenlast: a s / ef 0, Schubverstärkung von Holz Optimale Anordnung der Verstärkungsmittel Einzellast 1 Streckenlast 1 1 a S v a S ef a S Länge des verstärkten Bereichs in Faserrichtung 1 0,7 0,6 1 / V bzw. 1 / ef 1 / V bzw. 1 / ef 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Anzahl Verstärkungsmittel je Trägerseite Schubverstärkung von Holz Einzellast Streckenlast 9

10 Übersicht Versuche 608 mm 4400 mm Schubverstärkung von Holz Herstellung der Prüfkörper Bohrsystem Schubverstärkung von Holz 10

11 Herstellung der Prüfkörper Bohrsystem Schubverstärkung von Holz Herstellung der Prüfkörper Bohrlöcher Schubverstärkung von Holz 11

12 Herstellung der Prüfkörper Selbstbohrende Vollgewindeschrauben Schubverstärkung von Holz Herstellung der Prüfkörper Eindrehen der Schubverstärkung von Holz 12

13 Herstellung der Prüfkörper Eindrehen der Schubverstärkung von Holz Herstellung der Prüfkörper Eindrehen der Schubverstärkung von Holz 13

14 Verstärkter Träger im Prüfstand Schubverstärkung von Holz Versuchsergebnisse VM f v Laststeigerung Versuche Var.-Koef. Stück / Seite N/mm² Versuch Berechnung ,35 12,7% ,39 8,7% 23% 28% 4 3 5,71 7,5% 31% 34% 6 3 5,77 3,1% 32% 31% 9 4 5,57* 3,3% 28%* 42% * 3 von 4 Versuchen mit Biegeversagen 4 VM/Seite Schubverstärkung von Holz 14

15 Versuchsergebnisse Druckbeanspruchte Verstärkungsmittel VM f v Laststeigerung Versuche Var.-Koef. Stück / Seite N/mm² Versuch Berechnung ,35 12,7% ,28 4,7% -2% -7% 9 VM/Seite in N/mm² Schub-Querspannungs-Interaktion in N/mm² Schubverstärkung von Holz Sanierung unverstärkt Schubverstärkung von Holz 15

16 Sanierung saniert Schubverstärkung von Holz Sanierung Träger stark geschädigt 5 VG-Schr. 12x400 unverstärkt saniert 4 VG-Schr. 13x Gewindest. 16 mm 5 Gewindest. 16 mm 6 Gewindest. 16 mm Schubverstärkung von Holz 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Schubfestigkeit in N/mm² 16

17 Sanierung Träger leicht geschädigt unverstärkt saniert 6 Gewindest. 16 mm 6 eingeklebte Gewindest. M12 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Schubfestigkeit in N/mm² Schubverstärkung von Holz Zusammenfassung Eine Erhöhung der Schubtragfähigkeit durch Holzschrauben ist möglich. Mit dem entwickelten Rechenmodell kann das Tragverhalten schubverstärkter Träger simuliert werden. Möglichkeit der Sanierung geschädigter Träger. Ausblick Vorhersage der Tragfähigkeit beliebiger schubverstärkter Träger mit Hilfe des Rechenmodells. Allgemeiner Bemessungsvorschlag für Schubverstärkungen Schubverstärkung von Holz 17