Bedürfnisse aus der Praxis Flachdecken mit grossem Stützenraster

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1 Stefan Zöllig Dipl. Ing. FH Timbatec GmbH Thun, Schweiz Bedürfnisse aus der Praxis Flachdecken mit grossem Stützenraster 1

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3 Bedürfnisse aus der Praxis Flachdecken mit grossem Stützenraster Forschungs- und Entwicklungsprojekt Ausgangslage Die Holzbauweise wird immer öfter auch in den Bereichen Gewerbe und Industrie eingesetzt. Bei Geschossdecken mit Stützenrastern bis 8.00 x 8.00 m und Nutzlasten bis 500 kg/m2 stösst sie allerdings an eine Grenze. Die Leistungsfähigkeit in den Bereichen Tragwirkung, Lastabtragung, Elementgrösse, Brandschutz und Schallschutz ist ungenügend und muss verbessert werden. Bisher wurde versucht, mit Stützen und Trägern in Holz oder Stahl sowie Holz-Beton- Verbunddecken die erforderlichen Werte zu erreichen. Dies wurde bei grösseren Spannweiten immer unbefriedigender. Die ursprünglichen Vorteile von Holz, nämlich leicht, trocken, sauber, ökologisch wurden zunehmend durch die begleitenden Materialien wie Stahl und Stahlbeton aufgehoben. Aus diesem Grunde wurde ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt gestartet, das konstruktive und ausführungstechnische Möglichkeiten unabhängig von konkreten Bauprojekten auslotet und aufzeigt. Es stellt bisherige Vorgehensweisen zur Seite und beginnt mit neuen Denkansätzen und Konstruktionsweisen. Mit der Erarbeitung neuer Erkenntnisse dient es als Grundlage für weitere Projekte. Im Laufe dieses Projekts wurden bisher 2 Projekte im Auftrag des Fonds zur Förderung zur Wald- und Holzforschung durchgeführt und 3 Bachelor-Thesis sowie eine Master-Thesis verfasst. Projektpartner Unternehmen / Institut Ort Funktion Schilliger AG Küssnacht am Rigi Wirtschaftspartner Purbond AG Sempach Wirtschaftspartner Timbatec GmbH Dipl. Ing. Stefan Zöllig Thun Projektleitung BFH Berner Fachhochschule Prof. Andreas Müller, Prof. Dr. Steffen Franke ETHZ Prof. Dr. Andrea Frangi Tabelle 1: Projektpartner Biel Zürich Wissenschaftliche Begleitung, Prüfungen Stützenkopf linear, Prüfungen baustellentaugliche Verbindung Wissenschaftliche Begleitung, Prüfungen Stützenkopf flächig 3

4 Mustergebäude Boîte Avenir Um die Anforderungen an die Geschossdecken eingrenzen und standardisieren zu können, wurde ein Mustergebäude entwickelt, das die Anforderungen bisheriger Gebäudetypen grösstenteils erfasst und abbildet. Bild 1 Mustergebäude Boîte Avenir Abmessungen Mustergebäude Boîte Avenir 4-geschossig Grundriss x m Geschosshöhe EG 4.5 m, 2.-4.OG 3.0 m Anforderungen an die Geschossdecke Stützenraster 8.00 x 8.00 m Nutzlast 500 kg/m 2 Zwei- oder mehrachsig tragend Flachdecke Holz Beanspruchte Bereiche Elementstoss 2. Schub aus Querkraft 3. Schnittkräfte in Platte (Querdruck, Biegung, Schub) 4. Querdruck beim Stützenanschluss 5. Anschluss Aussteifung Stahlteile 6. Anschluss an Stahlbeton-Bauteile Bild 2 Beanspruchte Bereiche 4

5 Stützenköpfe Standard-Grundriss Die ideale Standard-Grundrissgeometrie wurde 2010 in der Bachelor-Thesis von Oliver Stutz ermittelt. Sie entspricht untenstehender Geometrie mit Stützenkopf-Elementen von 2.50 x 2.50 m, Nebentragsystemen 1 von 2.50 x 5.50 m sowie Nebentragsystemen 2 von 2.50 x 5.50 m y x Haupttragsystem Nebentragsystem 1 Nebentragsystem 2 Bild 3: Grundriss Geschossdecke Experimentelle Untersuchungen linear Zur Schubbeanspruchung von Furnier- und Brettsperrholz sowie zur Abhängigkeit von Rollschub zur Dicke der Querlagenbretter wurde im Rahmen der Bachelor-Thesis von Reto Blaser 2011 an der Berner Fachhochschule BFH in Biel eine Untersuchung mit verschiedenen Aufbauten aus Buchen- und Fichtenholz durchgeführt. Bild 4: Resultierende Spannungen aus Rollschub Die Prüfserien zeigen, dass für Brettsperrholz mit den Laubholzarten Buche und Esche eine Festigkeitssteigerung von ca. 275% gegenüber Fichte erreicht wird. Eine zentrale Fragestellung ist der Einfluss der Lamellendicke auf die Rollschubfestigkeit bei Brettsperrholz. Prüfserien mit unterschiedlichen Lamellendicken zeigen, dass mit abnehmender Dicke die Rollschubfestigkeit steigt. Beispielsweise zeigt ein Vergleich zwischen 10 mm und 20 mm dicken Buchenlamellen eine Festigkeitssteigerung von ca. 24%. Unterschiede zwischen Furnier und Brettsperrholz zeigen sich vor allem im Tragverhalten. Durch die herstellungsbedingten Haarrisse in den Furnierlagen verhält sich Furniersperrholz wesentlich duktiler. Dies ist in der Praxis von Bedeutung, da mit erheblichen Verformungen zu rechnen ist. 5

6 Ansicht Querschnitt Angaben Prüfserie: BF2.4X - Furniersperrholz Buche - Furnierdicke 2.4 mm Prüfserie: BB20X - Brettsperrholz Buche - Brettdicke 20 mm Prüfserie: BF2.4 - Furniersperrholz Buche - Furnierdicke 2.4 mm Prüfserie: BB10 - Brettsperrholz Buche - Brettdicke 10 mm Prüfserie: BB20 - Brettsperrholz Buche - Brettdicke 20 mm Prüfserie: BB30 - Brettsperrholz Buche - Brettdicke 33 mm Prüfserie: EB20 - Brettsperrholz Esche - Brettdicke 20 mm Prüfserie: FB20 - Brettsperrholz Fichte - Brettdicke 20 mm Tabelle 2: Prüfkörper Schubprüfungen linear 6

7 Bild 5: Prüfanordnung Schubprüfungen linear Bild 6: Bruchzustand Furniersperrholz Buche Prüfserie Holzart R,Mittelwert Standardabw. CoV V,Mittelwert Mittelwert [N/mm 2 ] [%] N/mm 2 N/mm 2 BF2.4X Buche BB20X Buche BF Buche BF Buche BB10 Buche BB20 Buche BB33 Buche EB20 Esche FB20 Fichte Tabelle 3: Mittlere Rollschub - Bruchspannung und Biegespannung 7

8 Experimentelle Untersuchungen flächig Zu diesem Thema wurde im Jahr 2012 von Lorenzo Boccadoro eine Masterarbeit an der ETHZ erarbeitet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Stützenkopfelemente getestet. Hauptmaterial dieser hochbeanspruchten Elemente ist Buchenfurniersperrholz, das gute mechanische Eigenschaften im Vergleich zum Fichten-Furnier und Brettsperrholz aufweist. Es wurden sechs Prüfkörper getestet: Drei homogene Platten aus Buchenfurniersperrholz und drei gemischte Platten aus Buchenfurniersperrholz und Fichtenbrettern. Die Plattendicken betragen 240 mm, 320 mm und 400 mm. Ein Grundlagenstudium zeigte die Stärken der Buchenfurnierwerkstoffe in Bezug auf Biegeund (Roll-) Schubbeanspruchungen. Mit einfachen statischen Modellen wurden erstens von Hand und nachher mit einem FE-Programm die erwarteten Bruchkräfte und Verformungen der Stützenkopfelemente berechnet. Hauptteil der Arbeit war die Prüfung der sechs Stützenkopfelemente, die auf dem Aufspannboden der ETHZ Hönggerberg durchgeführt wurde. Diese Platten wurden mit einem Druckzylinder verformungsgesteuert zentrisch belastet, um den Effekt der Krafteinleitung in die Stütze zu simulieren. Die Prüfkörper versagten auf Biegung mit Bruchkräften, die zwischen und kn lagen. Diese Werte sind sehr hoch und zeigen das grosse Potential der mechanischen Eigenschaften des Laubholzes. Bild 7: Prüfkörper Buche/Fichte gemischt Bild 8: Prüfkörper Buche Bild 9: Durchstanzprüfung Buche / Fichte kombiniert 400 mm 8

9 Bild 10: Prüfkörper vor der Prüfung Bild 11: Rissverlauf ausgehend vom Loch Platte Biegebruchkraft Versuchsresultat Charakteristisch Bemessungsniveau SIA 265 Stützenkraft (Einwirkung) Bemessungsniveau SIA 260 Nachweis Tragsicherheit F R = F cr F Rk F Rd ( M M=1.5, w = t=1) F Ed F Rd F Ed Name kn kn kn kn K nicht i.o F nicht i.o K i.o F i.o K i.o F i.o Tabelle 4: Resultate / Bemessungsvorschlag Ausblick Baustellentaugliche Verbindung Die grossen Schnittkräfte, bei den Fugen auftreten, können mit herkömmlichen stabförmigen Verbindungsmitteln (eingeschlagen, eingedreht oder eingeklebt) nicht wirtschaftlich übertragen werden. Auch mit Schlitzblechen und Stabdübeln wäre der Aufwand übermässig hoch. Im Weiteren könnte die Steifigkeit, die zur Erreichung der geforderten Plattenwirkung notwendig wäre, bei weitem nicht erreicht worden. Deshalb werden ausgehend von den Anforderungen neue Verbindungssysteme erforscht. Stefan Zöllig, dipl. Ing. FH 9