Verstärkung von Verbindungen

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1 Seie Verärkung von Verbinungen von H.J. Blaß, M. Schmi, H. Werner * Einleiung Eine in Finnlan (Kevarinmäki e al., 995) enwickele Verärkung ür Verbinungen mi iörmigen Verbinungmieln beeh au im Verbinungbereich eingepreen Nagelplaen, bei enen Bereiche ohne Auanzungen vorhanen in (Bil ). In ieen Bereichen ohne Auanzungen weren Löcher ür ie Verbinungmiel gebohr. Dabei olle bei eingepreer Nagelplae gleichzeiig urch Holz un Nagelplaenblech gebohr weren. Der Bohrlochurchmeer i wie bei einer Sabübel- oer Pabolzenverbinung gleich em Durchmeer e Verbinungmiel zu wählen. Diee Ar er Verärkung wir im Weieren al Nagelübel bezeichne. Bei einer Beanpruchung er Verbinungmiel au Abcheren wir außer em Holz oer Holzwerko auch ie Nagelplae au Lochleibung beanpruch. Die Lochleibungeigkei er Nagelplae i um ein vielache höher al ie er anzuchließenen Holzbaueile. Die bewirk eine weenliche Seigerung er Tragähigkei e Anchlue. Die zweie poiive Auwirkung ieer Verärkungar i, a a Spalen er Hölzer er Verbinung urch ie al Querbewehrung wirkene Nagelplae verhiner wir. Da bei Holzkonrukionen o er Anchlubereich beimmen ür ie Abmeungen er Baueile i, kann ie Verärkung mi Nagelübeln zu einer erheblichen Maerialeinparung un zu chlankeren Konrukionen ühren. * Univ.-Pro. Dr.-Ing. H.J. Blaß i Inhaber e Lehruhl ür Ingenieurholzbau un Baukonrukionen, Univeriä Karlruhe; Regierungbaumeier Dipl.-Ing. M. Schmi i wienchalicher Angeeller am gleichen Lehruhl; Dr.-Ing. H. Werner i Leier e Ingenieurbüro Holzbau im Bruerverlag

2 Seie Bil : Geöneer verärker Anchlubereich Feigkeigrößen un Enwur er Verärkung Die Bemeung von Verbinungen mi iörmigen Verbinungmieln nach Eurocoe 5 oer E DIN 05 beruh au en Gleichungen von Johanen (949). Erorerliche Eingangwere ür ie Berechnung er Tragähigkei einer Verbinung in ie Lochleibungeigkeien er zu verbinenen Teile un er Biegewieran e Verbinungmiel. Angaben zur Berechnung er Lochleibungeigkeien weren in o.g. Normen bzw. in en bauauichlichen Zulaungen von Holzwerkoen gemach. Diee Angaben be-

3 Seie 3 ruhen au Veruchen nach DIN EN 383 Beimmung er Lochleibungeigkei un er Beungwere ür iörmige Verbinungmiel. Angaben zum Biegewieran e Verbinungmiel können ebenall en Normen ennommen weren. Johanen geh von ieal plaichem Maerialverhalen un er Aubilung eine Fließgelenke au,.h. ie augebreieen Fließzonen weren in einem Querchni zuammengea. Blaß, Bienhau un Krämer (000) zeigen jeoch, a bei en üblicherweie ich einellenen geringen Biegewinkeln er Verbinungmiel nich von einem voll plaizieren Querchni augegangen weren kann. In E DIN 05 wir inolge ieer Uneruchungen ein geringere Fließmomen ür Verbinungmiel angeez al in Eurocoe 5. Bil : Verormer Sabübel nach urchgeührem Veruch Bei er Bemeung er Nagelübel i chließlich noch ie Kennni er Lochleibungeigkei er Nagelplae erorerlich. Dabei i zu beachen, a ie Angaben er DIN 8800 (990) Teil zu Verbinungen mi Schrauben nur ür Blechicken 3 mm gelen. Für ie ünneren Bleche er Nagelplaen kann ie DAS-Richlinie 06 Bemeung un konrukive Gealung von Tragwerken au ünnwanigen kalgeormen Baueilen (988) verwene weren. In Anlehnung an ie DAS-Richlinie 06 wir ie Lochleibungeigkei er Nagelplae mi er Sreckgrenze e Nagelplaenbleche,k zu h,,k =,k berechne. Die Ranabäne er DAS-Richlinie 06 ollen hier al Aban zu er eren augeanzen Nagelreihe beimm weren (Bil 3). Mi er Blechicke er Nagelplae, er Lochleibungeigkei h,,k er Sahlblech- Bolzenverbinung un em Bolzenurchmeer kann ie Nagelplae mi einem charakeriichen Wer er Lochleibungkra von V l,r,k = h,,k

4 Seie 4 beanpruch weren. Die Nagelplae mu iee Kra in a zu verärkene Holz einleien können. Die erorerliche Anchluläche zwichen Nagelplae un Holz beräg A e = V l,r,k / ( a,α,, γ M ) mi γ M =,, em Teilicherheibeiwer einer Sahlblech-Schraubenverbinung beim Nachwei er Lochleibungeigkei mi er Sreckgrenze. a,α,, i er Bemeungwer er Nagelragähigkei in Abhängigkei von em Winkel α zwichen Plaenlängrichung un Krarichung un em Winkel zwichen Kra- un Faerrichung e Holze. b e l u F A e Bil 3: Ranabäne in Anlehnung an DAS-Richlinie 06

5 Seie 5 Die Nachweie er Nagelplae gegen Abcheren un gegen Zug- bzw. Druckveragen können nach E DIN 05 Abchni..3 oer EC 5 Abchni D 6 geühr weren. Dabei olle al Beanpruchung F F = V l,r, = V l,r,k / γ M angenommen weren. Diee La F ar ür ie Nachweie halbier weren, wenn a Verbinungmiel mmerich im Nagelübel eingebrach wir. Beipielweie in bei einer Anornung nach Bil 3 ie ruck- bzw. zugbeanpruchen oer ie cherbeanpruchen Längen l jeweil zweimal je Verbinungmiel zur Laabragung vorhanen. Der Enwur er Anchluläche A e un ie Nachweie er Plaenragähigkei olle mi em Wer V l,r, erolgen, um ie Lochleibungeigkei e Sahlbleche er Nagelplae in en im olgenen Abchni argeellen Gleichungen voll anezen zu können. Bei en uneruchen Prükörpern konne ie Nachgiebigkei zwichen Nagelplae un Holz vernachläig weren. Da Abcheren zwichen Bolzen un Nagelplae kann ebenall nach DAS-Richlinie 06 nachgewieen weren. Ein Nachwei nach DIN 8800 (990) i ebenall möglich, a ür a Abcheren im Gegenaz zum Nachwei er Lochleibung ie Blechicke keinen Einlu ha. 3 Bemeung er verärken Verbinung 3. Bemeunggleichungen ür a Konzep er Teilicherheibeiwere (EC5 un E DIN 05) Verärkungen mi augeleimen Sperrholzplaen wuren berei von Blaß un Werner (988) uneruch. Die hier argeellen Bemeunggleichungen ür mi Nagelübeln verärke Verbinungbereiche beruhen au einer Erweierung er Gleichungen von Johanen (949). In en Bemeunggleichungen weren ie nachehen augeühren Variablen verwene. Dabei wure au en Fußzeiger k zur Kennzeichnung er Were al charakeriiche Größen verziche, um ie Form er Gleichungen ewa überichlicher zu halen:, Holz- oer Holzwerkoicke oer Einringiee e Verbinungmiel,

6 Seie 6 h,, h, h, M Blechicke er Nagelplae, charakeriicher Wer er Lochleibungeigkei er Hölzer oer Holzwerkoe, charakeriicher Wer er Lochleibungeigkei er Nagelplae, charakeriicher Wer e Fließmomene e Verbinungmiel, Durchmeer e Verbinungmiel, = h, h,, η = h, h,, R = R k charakeriicher Wer er Tragähigkei nach EC 5 oer E DIN 05. Eine Abminerung iee Were R er Tragähigkei wegen mehrerer in Kra- un Faerrichung hinereinaner liegener Sabübel i nich erorerlich, a ie Geahr e Spalen, ie iee Abminerung begrüne, bei mi Nagelübeln verärken Verbinungen nich vorlieg. Einchniige Verbinungen Zweichniige Verbinungen Bil 4: Veragenbiler ein- un zweichniiger Verbinungen mi Holz oer Holzwerkoen

7 Seie 7 Nach Blaß e al. (000) ergeben ich olgene Gleichungen ür ie Tragähigkei je Verbinungmiel un je Scheruge. Für ie Berechnung er charakeriichen Tragähigkei i er Kleinwer maßgeben. Für einchniige mi Nagelübeln verärke Verbinungen von Hölzern oer Holzwerkoen: = M 4) ( 4M 4 ) ( 4) ( 4) ( 4M 4 4) ( min R h, h, h, h, h, h, h, h, h, h, h, 3 h, h, h, h, h, η η η η η Für zweichniige mi Nagelübeln verärke Verbinungen von Hölzern oer Holzwerkoen: = M 4) ( 4M 4 4) ( 0,5 min R h, h, h, h, h, h, h, h, h, h, η η Für einchniige mi Nagelübeln verärke Verbinungen von Hölzern oer Holzwerkoen mi ünnen Sahlblechen:

8 Seie 8 R = min h, ( ( η 4 ( ) ) h, ) (- η) M h, h, h, Für einchniige mi Nagelübeln verärke Verbinungen von Hölzern oer Holzwerkoen mi icken Sahlblechen un ür zweichniige Verbinungen mi innen liegenen icken oer ünnen Sahlblechen: R = min h, h, h, h, (- η) ( η) 4M h, 4 h, 4M h, ( ) h, Für zweichniige mi Nagelübeln verärke Verbinungen von Hölzern oer Holzwerkoen mi außen liegenen ünnen Sahlblechen: 0,5 h, R = min η - h, h, M h, h, Für zweichniige mi Nagelübeln verärke Verbinungen von Hölzern oer Holzwerkoen mi außenliegenen icken Sahlblechen: 0,5 h, R = min η h, - h, 4M h, h, Die Unercheiung zwichen ünnen un icken Sahlblechen bei Sahlblech-Holz- Verbinungen i erorerlich, a ich bei en zwei Fällen unerchieliche Veragenmechanimen aubilen können. Eine Einpannung er Verbinungmiel i in ünnen Sahlblechen nich möglich, er Si i hier gelenkig gelager. Al ünne Sahlblech gil eine Sahllache, eren Dicke weniger al ie Häle e Verbinungmielurchmeer beräg: Sahllache 0,5. Ein icke Sahlblech, a eine volle Einpannung e Sie gewährleie, lieg bei einer Dicke größer oer gleich em Verbinungmielurchmeer vor:

9 Seie 9 Sahllache. Für 0,5 Sahllache ar linear zwichen en Ergebnien R ür ein icke un ein ünne Sahlblech inerpolier weren. Die Veragenmechanimen ür Sahlblech-Holz-Verbinungen in im Anhang V er E DIN 05 un im Abchni 6.. e EC 5 argeell. 3. Bemeunggleichungen ür a Konzep er zuläigen Spannungen er DIN 05 (988) Die z.z. al echniche Baubeimmung eingeühre DIN 05 (988) mi Änerung vom Okober 996 beruh au em Konzep er zuläigen Spannungen. Dabei weren ie charakeriichen Einwirkungen nach DIN 055 (97-987) irek zur Ermilung er Schnigrößen verwene. Die Sreuungen er Einwirkungen un er Feigkeien er Bauoe weren berückichig, inem ie Feigkeiwere urch einen globalen Sicherheiakor geeil weren. Diee Konzep wure auch in er Sahlbaunorm DIN 8800 au em Jahre 98 verwene. Sollen Nagelübel nun nach em Konzep er zuläigen Spannungen er DIN 05 (988) berechne weren, ann kann olgenermaßen vorgegangen weren: In Anlehnung an ie Zulaungen von Sahlblechormeilen kann ein zuläiger Lochleibungruck ür a Nagelplaenblech egeleg weren zu zul σ l = σ l,r, /,5 = 30 N/mm² /,5 0 N/mm². Die zuläige Beanpruchung einer mi Nagelübeln verärken Verbinung ergib ich ann au er Aiion er zuläigen Laen (zul N S ) einer Paßbolzen- oer Sabübelverbinung nach DIN 05 (988) un er zuläigen Belaung zul F b = zul σ l einer Schraubenverbinung in Anlehnung an DIN 8800 (98). Bei einer zweichniigen Verbinung ar zweimal zul F b aier weren, a ich zul F b au eine Scheruge bezieh. Die erorerliche Anchluläche A e zwichen Nagelplae un Holz ergib ich bei ieem Konzep zu A e = zul F b / zul F n.

10 Seie 0 Dabei i zul F n ie zuläige Nagelbelaung in N / cm² nach er jeweiligen Nagelplaenzulaung. Die weieren Nachweie er Nagelplae ür ie Beanpruchungen urch Druck, Zug un Scheren können analog zu Abchni ieer Veröenlichung nach DIN 05 (988) Teil Abchni 0 geühr weren. 4 Veruche un Veragenbiler An er Veruchanal ür Sahl, Holz un Seine, Abeilung Ingenieurholzbau, er Univeriä Karlruhe wuren in en Jahren 997 bi 999 Veruche mi urch Nagelübel verärken Verbinungen urchgeühr. In Tabelle in iee Veruche zuammengea. Die Prükörper wuren au Fichenvollholz oer Furnierchichholz (FSH) hergeell. Der Winkel gib en Winkel zwichen er Kra- un Faerrichung an. Tabelle : Zuammenaung er urchgeühren Veruche Reihe/ Seienlachen Miellache Winkel α zwichen Sabübelurchmeer Anzahl Maerial Dicke Winkel Maerial Winkel Kra- un Plaenlängrichung Dicke a/5 Sahl = 0 mm - FSH = 45 mm mm b/5 Sahl = 0 mm - FSH = 45 mm mm c/0 Sahl = 0 mm - FSH = 45 mm 0 ohne Nagelübel 6 mm a/5 Sahl = 0 mm - Fiche = 45 mm mm b/5 Sahl = 0 mm - Fiche = 45 mm mm c/0 Sahl = 0 mm - Fiche = 45 mm 0 ohne Nagelübel 6 mm 3/0 FSH = 75 mm 90 Sahl = 5 mm mm 4a/0 Sahl = 30 mm - Fiche = 80 mm 0 0 mm 4c/0 Sahl = 30 mm - Fiche = 80 mm 0 ohne Nagelübel mm 5a/5 Fiche = 40 mm 0 Fiche = 80 mm 0 0 mm 5b/5 Fiche = 40 mm 0 Fiche = 80 mm 0 90 mm Nach Durchührung er Veruche er Serien, un 4 wuren ie verärken Bereiche abgechnien un mi en gleichen Prükörpern nochmal Veruche ohne Verärkung urchgeühr. In Bil 5 i ie Anich er Prükörper er Serie b argeell. Da Diagramm in Bil 6 zeig zum Vergleich ie La-Verchiebungkurven eine verärken un zugehörigen unverärken Veruche er Serie b.

11 Seie Bohrung ür zweien Veruch (ohne Verärkung e Anchlue) α = 90 Bil 5: Anich er Prükörper er Serie b La [kn] mi Nagelübel 0 unverärk KOND_QU Verormung [mm] Bil 6: La-Verchiebungiagramme eine Prükörper er Serie b (verärk) un er Serie c (unverärk) Bei ieen Veruchen bileen ich in en Sabübeln keine Fließgelenke au. Der verärke Prükörper erreiche eine Höchla von

12 Seie F verärk = 63,9 kn, er unverärke eine von F unverärk = 4,9 kn. Da enprich einer Seigerung er Tragähigkei von F = 63,9 4,9 = 39,0 kn. Die zur Verärkung verwenee Nagelplae hae nach Zulaung eine Sreckgrenze von mineen 50 N / mm² un eine Nennicke von = mm. Die Lochleibungeigkei e Bleche kann aher angenommen weren zu: h,,k =,k = 50 N / mm² = 500 N / mm² Bei em bechrieben Veragenall reiner Lochleibung war omi urch ie Verärkung mi einem Nagelübel je Seie eine Laeigerung von mineen F Nagelübel = h,,k = mm 6 mm 500 N / mm² = 3000 N zu erwaren. Die aächlichen Tragähigkeieigerungen er verärken Verbinungen lagen bei allen Veruchen über en rechnerich zu erwarenen. Die Unerchäzung er Traglaeigerung kann im Weenlichen au eine Vereigung e Nagelplaenbleche nach Erreichen er Sreckgrenze zurückgeühr weren In Tabelle in ie Klein- un Größwere, owie ie rechnerichen Tragähigkeien verärker un unverärker Verbinungen argeell. Tabelle : Vergleich er rechnerichen Tragähigkeien mi en Veruchergebnien Reihen nach Tabelle rechneriche Tragähigkei einer unverärken Verbinung rechneriche Tragähigkei einer verärken Verbinung Kleinwer er Höchla er Verucherie Größwer er Höchla er Verucherie a, b 3,8 kn 55,8 kn 63,9 kn 68,7 kn a, b 8,8 kn 50,8 kn 56,4 kn 60,7 kn 3 60, kn 06 kn 4 kn 8 kn 4a, kn 4,0 kn 44,3 kn 50,0 kn 5a, 5b 50,4 kn 39 kn 43 kn 67 kn

13 Seie 3 Die Zuammenellung in Tabelle vereulich ie möglichen großen Laeigerungen von mi Nagelübeln verärken Verbinungen un ie gue Übereinimmung er Bemeunggleichungen mi en in Veruchen erreichen Tragähigkeien. Inbeonere in en Serien un, bei enen ie Sabübel im Veragenzuan gerae blieben un omi ein gegen Spalen beoner empinlicher Veragenall vorlag, i ie größe Tragähigkeieigerung möglich. Durch a Fließvermögen e Sahlbleche verhäl ich ie Verbinung ehr ukil. Die Biler 7 bi 9 vereulichen ie ür Verbinungen im Holzbau ehr hohen Beanpruchungen un ie Dukiliä er verärken Verbinungen. Bil 7: Deail eine augerennen Anchlue

14 Seie 4 Bil 8: Verormung er Lochwan er Nagelplae

15 Seie 5 Bil 9: Deail eine Sabübel 5 Zuammenaung Die al Nagelübel bezeichnee Verärkung von iörmigen mechanichen Verbinungmieln mi Hile von im Verbinungbereich eingepreen Nagelplaen erwie ich in Veruchen al überau eekive Möglichkei er Tragähigkeieigerung. Die rechnerichen Tragähigkeien au er Grunlage eine erweieren mechanichen Moell nach Johanen immen ehr gu mi en Veruchergebnien überein. Die verärke Verbinung wei gegenüber er unverärken Verbinung ein ehr ukile Verhalen au, wie e mi raiionellen Verbinungmieln im Holzbau kaum zu erreichen i. Die ell einen Voreil ar, er inbeonere bei einer Wechelbeanpruchung oer bei Einwirkungen urch Erbeben von großem Voreil ein kann. Weren ie Nagelübel an innenliegenen Scherlächen angebrach, erzeug iee Verärkungmaßnahme gegenüber augekleben Sperrhölzern leiglich einen ehr ünnen Spal von wenigen Millimeern un i prakich unichbar. Weiere Enwicklungmöglichkeien beehen in er Verringerung er Mineabäne im Vergleich zu einer unverärken Verbinung un in er Verwenung pezieller

16 Seie 6 elbbohrener Schrauben, ie ein Vorbohren auch e Nagelplaenbleche unnöig machen. Lieraur Baehre, R. (99). Vorleungen über Sahlbau, Sicherheikonzepe. Skripum e Lehruhl ür Sahl- un Leichmeallbau, Univeriä Karlruhe (TH). Blaß, H.J., un Werner, H Sabübelverbinungen mi verärken Anchlubereichen. bauen mi holz 90, Bruerverlag, Karlruhe. S Hilon, B.O Join wih owel-pe aener Theor. In: Timber Engineering STEP. Cenrum Hou, The Neherlan, ISBN pp. C3/ C3/. Johanen, K.W Theor o imber connecion. Inernaional aociaion o Brige an Srucural Engineering. Publicaion No. 9. Bern, Swizerlan. pp Kevarinmäki, A., Kanga, J., Nokelainen, T., un Kanerva, P Nail-plae reinorce bol join o Kero-FSH rucure. Publicaion 5, Helinki Univeri o Technolog/LSEBP, ISSN p. Blaß, H.J., Schmi, M., Lize, H., Wagner, B. (000). Nail plae reinorce join wih owel-pe aener. Worl Conerence on Timber Engineering 000. Whiler, Briih Columbia, Canaa. Proceeing pp