Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen

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1 8. Februar 2016 Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen Flavio Wanninger Techniker Tag VGQ

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Analytische Modellierung 3. Versuche Knoten 4. Pushover Rahmen 5. Numerische Modellierung 6. Langzeitverhalten 7. Bemessung eines Prototypen 8. Schlussfolgerungen 9. Aussicht Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 1

3 Einleitung Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 2

4 Einleitung Forstwirtschaft: Umstellung von reinen Nadelwäldern zu Mischwäldern Mehr Laubholz wird in Zukunft zur Verfügung stehen Laubholz wird oft direkt thermisch verwertet Keine nachhaltige Nutzung von Laubholz Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 3

5 Einleitung ETH Zürich forscht an Tragwerken aus Laubholz Verbunddecken, Laubholzdecken, Fachwerke, Rahmen Zug-, Druck-, und Querdruckverstärkung Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 4

6 Einleitung Tabelle: Eigenschaften für BSH aus Nadelholz GL24h 1) und Laubholz GL48h 2) in N/mm 2 Eigenschaften Festigkeitsklasse Änderung GL24h GL48h f m,d % f t,0,d % f c,0,d % 3) f c,90,k % E % E % G % 1) SIA 265 2) T.Strahm, Esche und Buche im Ingenieurholzbau 3) Mit Vorholz Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 5

7 Einleitung Vorgespannte Rahmen entwickelt für Beton (PRESSS: Precast Seismic Structural Systems) University in Canterbury (Neuseeland) verwendet Technologie mit Furnierschichtholz Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 6

8 Einleitung ETH Zürich hat das System adaptiert Modikation für den Schweizer Markt Brettschichtholz anstelle Furnierschichtholz Keine Dissipatoren Laubholz als Verstärkung im Knotenbereich Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 7

9 Analytische Modellierung Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 8

10 Analytische Modellierung Wird benötigt um das Verhalten im Anschluss zu beschreiben (M-θ ) Analogie: Elastisch gebettetes column Fundament beam beam w bc Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 9

11 Analytische Modellierung Lediglich ein Parameter: Bettungsmodul (Federkonstante) Halbe Stütze berücksichtigen (Symmetrie) Parameter abhängig von Stützengeometrie und E 90 column beam beam w c = 2 E 90 b c b c Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 10

12 x=h inf Analytische Modellierung column column sup beam beam M M sup=0 P0 P0 x=hb inf x<hb inf x column = h b beam σ inf,sup = P 0 ± M M = P 0 ± A b W b b b h b P d θ = σ inf σ sup 1 x<hb/2 c x M = c bb h 3 b 12 θ = c I b θ inf M b b h 2 b 6 ( hb x = 3 2 M ) P 0 2 P 0 σ inf = ( hb2 ) 3 b b MP 0 θ = σ inf 1 c x ( ) hb 2 M = P P 0 b b c θ Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 11

13 Analytische Modellierung M [knm] E 90 = E 90 =1200 E 90 = θ [ ] x P [kn] E =860 E 90 = E 90 = θ [ ] x x [mm] E 90 =860 E =1200 E 90 =1400 σ inf [N/mm 2 ] 6 4 E 90 =860 2 E 90 =1200 E 90 = θ [ ] x 10 3 θ [ ] x 10 3 Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 12

14 R d e GA Analytische r Modellierung R column beam left R e d r GA beam right R h γ = R G c A c θ GA h b = γ e Asymmetrische Beanspruchung führt zu Schub im Knotenbereich θ GA = γ e h b = θ tot = θ + θ GA M G c A c h b Rotation infolge Schub θ GA Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 13

15 Analytische Modellierung Analytisches Model für Rahmen Verbindungen können mit Rotationsfedern modelliert werden Elastische Stützen Träger vernachlässigbar u = K = M θ tot = K = M θ + θ GA M 12 M c b b h + M 3 G b c A c h b M h2 c + M + M h c 3 E c I c G c A c K F K o K i E b I b = F K i,o E c I c G c A c E c I c G c A c 4 E c I c G c A c h c h c h c Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 14

16 Versuche Knoten Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 15

17 Versuche Knoten Versuche an einem vorgespannten Knoten Vorspannkräfte bis 700 kn Symmetrische und asymmetrische Belastung Verbindungsverhalten unter Schwerelasten Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 16

18 Versuche Knoten Belastung der Träger führt zu einem Moment im Knoten Verformungen im Anschluss wurden aufgezeichnet Folgende Parameter wurden bestimmt: Moment M Rotation θ Druckzonenhöhe x Spannungen im Anschluss σ inf x inf Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 17

19 Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 18

20 Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 19

21 Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 20

22 Versuche Knoten M [knm] 100 P [kn] left right θ [ ] θ [ ] x [mm] left right FSR θ [ ] σ inf [N/mm 2 ] left right θ [ ] Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 21

23 Versuche Knoten M [knm] 100 P [kn] test model θ [ ] 200 test model θ [ ] test model θ [ ] σ inf [N/mm 2 ] test model θ [ ] Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 22

24 Versuche Knoten M [knm] 100 P [kn] test model model c mod 200 test model model c mod θ [ ] θ [ ] test model model c mod θ [ ] σ inf [N/mm 2 ] test 5 model model c mod θ [ ] Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 23

25 Pushover tests Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 24

26 Pushover Rahmen Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 25

27 Pushover Rahmen Tests an einem Rahmen im Massstab 1:1 (ETH HoNR) Belastung unter Horizontallasten und Vorspannkräften von kN Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 26

28 Pushover Rahmen Tests mit gelenkigen Stützenfüssen Mehrere Belastungs- und Entlastungszyklen Horizontale Steigkeit abhängig von Vorspannkraft F [kn] Sebst-zentrierendes Verhalten des Rahmens u [mm] P=600kN P=500kN P=400kN Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 27

29 Pushover Rahmen Vorteilhaftes Verhalten Selbst-zentrierend ohne grosse Beschädigung Gute Modellvorhersage für P>500 kn Model kann in einer Software implementiert werden F [kn] test model u [mm] Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 28

30 Numerische Modellierung Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 29

31 Numerische Modellierung Opensees Modell für Verbindung sowie Rahmen Unterschiedliche Lastanordnung Materialeigenschaften; elastisch, orthotrop, plastisch Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 30

32 x [mm] < inf [N/mm 2 ] M [knm] P [kn] Numerische Modellierung test model opensees test model opensees [-] [-] test model opensees test model opensees [-] 3 [-] Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 31

33 Numerische Modellierung Numerisches sowie analytisches Modell liefern ähnliche Resultate Numerisches Modell wird weiterentwickelt (3D, Modikationen) Numerisches Modell kann auf für Vorspannkräfte <500 kn verwendet werden Force [kn] test P=400kN test P=500kN 50 opensees P=400kN opensees P=500kN Horizontal displacement [mm] Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 32

34 Langzeitverhalten Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 33

35 Langzeitverhalten Kleine Blöcke (Kriechfaktoren) Knoten und Träger (Verluste Vorspannkraft) Kontrollierte und unkontrollierte Bedingungen Vorspannkrafte für Gebäude ermitteln Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 34

36 Langzeitverhalten Verluste Vorspannkraft infolge verschiedener Mechanismen Verluste den Mechanismen zuordnen Relaxation wurde vernachlässigt Kontrolliert Unkontrolliert Mechanismus Vorgespannt Unbelastet Vorgespannt Unbelastet Kriechen MS-Kriechen Schwinden Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 35

37 Langzeitverhalten Kriechfaktoren anhand der Tests an den Kleinproben (Klötze) Esche senkrecht zur Faser belastet, Fichte parallel zur Faser MS-Kriechen 70% des Kriechens bei der Esche 50% des Kriechens bei der Fichte φ [ ] ash creep+ms ash creep spruce creep+ms spruce creep Time [d] Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 36

38 Langzeitverhalten Starke korrelation zwischen Spannkraft und relativer Luftfeuchtigkeit MS-Kriechen 40% des Kriechens beim Knoten P(t)/P 0 = t RH [%] RH temperature Time [d] P/P 0 [ ] P(t)/P 0 = t ms creep pure creep Time [d] Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 37

39 Langzeitverhalten Prüfkörper Verluste gemessen Verluste berechnet Unkontrollierte Bedingungen Beam-Col 100mm Beam-Col 160mm Beam-Col 240mm 25 ) 39 Beam 6 11 Kontrollierte Bedingungen Beam-Col 100mm Beam 4 3 ) Extrapolation infolge Messdaten eines Jahres Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 38

40 Bemessung eines Prototypen Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 39

41 Bemessung eines Prototypen Bemessung basiert auf dem ETH House of Natural Resources Bemessung fokussiert sich auf den Rahmen Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 40

42 16 16 Bemessung eines Prototypen q wq M = 2 E I L θ q L2 12 w L M + = 2 E I L θ + q L2 24 L V = q L 2 M M V w = q L4 384 E I + q L2 8 G A + L 4 θ V Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 41

43 Bemessung eines Prototypen OpenSees-Modell mit Rotationsfedern Tri-lineare Feder (Annäherung) Moment [knm] opensees 50 model Rotation [rad] qed,2 qed,1 Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 42

44 Design qed,2 qed,1 M = 40 knm M = 60 knm M + = 91 knm M + = 82 knm M = 69 knm M + = 142 knm M = 95 knm M + = 130 knm Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 43

45 Bemessung eines Prototypen Verformungsbasiertes Verfahren Erdbeben für Zurich (SIA und UHS) S a [g] UHS design UHS max.credible SIA 1.0 m k 2 m 1 m * S d [m] k 1 k * Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 44

46 Bemessung eines Prototypen Verformungsbasiertes Verfahren Erdbeben für Zurich (SIA und UHS) C * [ ] UHS design UHS max.credible SIA pushover 1.0 m k 2 m 1 m * * [ ] k 1 k * Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 45

47 Bemessung eines Prototypen M = 23 knm M = 34 knm M + = 52 knm M + = 47 knm M = 38 knm M + = 79 knm M = 53 knm M + = 72 knm M + = 25 knm M = 19 knm M c + = 38 knm M + = 19 knm M + = 58 knm M = 42 knm M c + = 71 knm M + = 42 knm Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 46

48 Bemessung eines Prototypen qed,2 w = 9 mm = H 666 H 500 Qw,2 w = 6 mm = H/2 500 H/2 500 qed,1 Qw,1 Spröde Einbauten: 2 Geschosse Duktile Einbauten: 3-4 Geschosse Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 47

49 Schlussfolgerungen Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 48

50 Schlussfolgerungen - Analytische Modellierung Einfaches Modell basierend auf Gleichgewichtsbedingungen Keine Iterationen nötig (gewusst wie) Modell ist robust bezüglich den Eingabeparametern Modellparameter sind in den Normen zu nden Schubverformungen können berücksichtigt werden column beam w b c beam Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 49

51 Schlussfolgerungen - Versuche Versuche Knoten: Selbst-zentrierendes Verhalten des Knotens Grosse Deformationen ohne nennenswerte Schäden Gute Modellvorhersage für Knoten unter Schwerelasten Pushover Rahmen: Selbst-zentrierendes Verhalten des Rahmen Fast keine Schäden (Keilzinken versagten bei einem Test) Gute Modellvorhersage für den Rahmen Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 50

52 Schlussfolgerungen - Langzeitverhalten Grössere Spannkraftverluste im Vergleich zum Massivbau (30% anstelle von 15%) Verluste abhängig von der Luftfeuchtigkeit Nachspannen ist möglich Verluste für Bauwerke werden 670 kleiner sein (Grösseneekt) / / / /2015 Post-tension Force [kn] % in 4 months Load cells 1st story -1% in 4 months LC1 LC2 LC3 LC4 LC5 LC6 LC7 LC8 Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 51

53 Schlussfolgerungen - Bemessung Prototyp Bemessung mit OpenSees (oder ähnlicher Software) Bemessung anhand des analytischen Modells (Handberechnung) Bemessung limitiert durch Festigkeit senkrecht zur Faser Querdruckversuche zeigten, dass kein Versagen auf Querdruck eintreten kann Massgebendes Bemessungskriterium: Deformationen infolge Wind Gelenkige Stützenfüsse nicht sinnvoll Erdbebenbemessung nicht massgebend Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 52

54 Aussicht Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 53

55 Aussicht Modell wird modiziert (1 Modell für alle Lastfälle) Modell neu mit drei Federn ETH-Spin-O wird gegründet Stützenfüsse werden untersucht Steigkeit muss ermittelt werden Steifere Strukturen sowie bessere Momentenverteilung M G c A c h b GA (3.25) Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 54

56 Aussicht Horizontale Steigkeit unter Einheitslast MRF: Biegesteife Verbindung Post-tensioned: Vorgespannte Verbindung K: Steigkeit der Stützenfüsse Erwarteter Wert für K: 20 MNm/rad u [m] Post tensioned MRF K [MNm/rad] Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 55

57 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Flavio Wanninger Tragverhalten von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen 56