Ingenieurholzbau. Helmuth Neuhaus

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1 Helmuth Neuhaus Ingenieurholzbau Grundlagen - Bemessung - Nachweise - Beispiele 3., korrigierte und aktualisierte Auflage Mit 272 Abbildungen und 221 Tabellen STUDIUM VIEWEG + TEUBNER

2 Einleitung XIX 1 Der Baustoff Holz Aufbau des Holzes Anisotropie des Holzes Rohdichte des Holzes Holzfeuchte Bereiche, Werte und Messen der Holzfeuchte Holzfeuchteverteilungen und Eigenspannungen Quellen und Schwinden Formänderungen des Holzes infolge Quellens und Schwindens Rissbildungen im Holz infolge Holzfeuchteänderungen Trocknung, Lagerung und Einbaufeuchte von Holzbauteilen Wärmedehnung von Holz Natürliche Dauerhaftigkeit von Holz Chemisches Verhalten von Holz Elastizität des Holzes Elastisches Verhalten von Holz Elastizitätsgesetze (anisotrop, rhombisch-anisotrop, isotrop) Steifigkeitskennwerte (Elastizitäts-, Schub-, Torsionsmoduln) von (Bau-)Hölzern Kriechen von Holz Kriechen von Holz als visko-elastisches Material Kriechen von Holz unter verschiedenen mechanischen Beanspruchungen bei Holzfeuchten der Nutzungsklasse Kriechen von Holz bei höheren Holzfeuchten der Nutzungsklassen 2 und Berücksichtigung des Kriechens bei der Bemessung von - Holzbauteilen Festigkeit von Holz Festigkeiten von fehlerfreiem Holz Festigkeiten von Holz in Abhängigkeit vom Winkel a zwischen Kraft- (bzw. Beanspruchungs-) und Faserrichtung Festigkeiten von Holz in Abhängigkeit von der Rohdichte und Ästigkeit Festigkeiten von Holz in Abhängigkeit von der Holzfeuchte und Holztemperatur Festigkeiten von Holz in Abhängigkeit von der Belastungsdauer Festlegen der charakteristischen Festigkeits-, Steifigkeits- und Rohdichtekennwerte von Bauholz Reißlänge 45

3 Holzvverkstoffe Holzwerkstoffbauteile Aufbau, Herstellung und Einsatzgebiete von Holzwerkstoffen Anisotropie von Holzwerkstoffen Rohdichte von Holzwerkstoffen Quellen, Schwinden und Holzfeuchte von Holzwerkstoffen Elastizität von Holzwerkstoffen Kriechen von Holzwerkstoffen Festigkeiten von Holzwerkstoffen Klassen und Anwendungsbereiche von FlolzWerkstoffen 65 Bauholz Bauhölzer Vollholz (VH) Bauschnitt- und Rundhölzer Veredelte Bauschnitthölzer Sortierung von Vollholz Maße und Maßänderungen bei Vollholz Brettschichtholz (BS-Holz) Aufbau des Brettschichtholzes Abmessungen, Formgebung und Oberflächenqualität von Brettschichtholzbauteilen Maße und Maßänderungen bei Brettschichtholz Geklebte Verbundbauteile aus Brettschichtholz Balkenschichtholz Furnierschichtholz (FSH) Vollwandträger aus T-, I- und Kastenquerschnitt 91 Brandverhalten und Brandschutzbemessung von Holzbauteilen Brandverhalten von Holz Baustoffklassen von Holzbaustoffen Feuerwiderstandsklassen von Bauteilen aus Holzbaustoffen Bemessung von Holzbauteilen im Brandfall Einwirkungen und Bemessung im Brandfall Vereinfachte Bemessung unbekleideter stabförmiger Holzbauteile im Brandfall Genauere Bemessung unbekleideter stabförmiger Holzbauteile im Brandfall Bemessung knick- und kippgefährdeter, unbekleideter stabförmiger Holzbauteile im Brandfall Bemessung mechanischer Verbindungen und weiterer Holzbauteile im Brandfall 106 Dauerhaftigkeit, Holz- und Korrosionsschutz Dauerhaftigkeit eines Tragwerkes Holzschutz Übersicht über den Flolzschutz Baulicher (konstruktiver) Holzschutz Chemischer Holzschutz 119

4 XI Oberflächenbehandlung Bekämpfungsmaßnahmen gegen Pilz- und Insektenbefall Korrosionsschutz metallischer Bauteile und Verbindungsmittel Geklebte Holzverbindungen Übersicht über geklebte Flolzverbindungen und Kleber Tragende geklebte Verbindungen im Holzbau Beanspruchung geklebter Holzverbindungen Herstellen tragender geklebter Holzbauteile Schraubenpressklebung Nachweis der Eignung zum Kleben tragender Flolzbauteile Schaffung Keilzinkung Eigenschaften von Holzbaustoffen Holzbaustoffe, Begriffe Festigkeits-, Steifigkeits- und Rohdichtekennwerte Charakteristische Kennwerte für Voll- und Brettschichtholz Charakteristische Kennwerte für ausgesuchte Holzwerkstoffe Charakteristische Kennwerte für Klebfugen bei Verstärkungen Nutzungsklassen, Lasteinwirkungsdauer und Verformungen Nutzungsklassen Lasteinwirkungsdauer Verformung (Kriechen) Modifikations- und Verformungsbeiwerte Modifikationsbei werte Verformungsbei werte Quell- und Schwindmaße, Querschnittsänderungen, Ausgleichsfeuchte Quell-und Schwindmaße Berechnung von Querschnitts- und Längenänderungen infolge Quellens oder Schwindens Ausgleichsfeuchte Temperaturänderungen in Holzbauteilen Grundlagen für Entwurf, Berechnung und Bemessung von Bauteilen aus Holzbaustoffen Sicherheitskonzept Methode derteilsicherheitsbeiwerte zur Bemessung von Bauwerken..: Grenzzustände der Tragfähigkeit Nachweis der Tragfähigkeit in allgemeiner Form Charakteristische Werte Teilsicherheitsbei werte Bemessungswerte Nachweisverfahren im Grenzzustand der Tragfähigkeit Querschnittsmaße und Querschnittsschwächung Nennmaße Mindestquerschnitte für Bauteile aus Holzbaustoffen Querschnittsschwächungen Mittig und ausmittig beanspruchte Stäbe 173

5 XII Inhaltsverzeichnis 9 Einwirkungen und Lastannalunen Einwirkungen Bemessungssituationen Kombinationsregeln für Einwirkungen Grundkombination im Grenzzustand der Tragfähigkeit Vereinfachte Kombinationsregel ftir Hochbauten im Grenzzustand der Tragfähigkeit Lastannahmen und Lastaufstellung Lastannahmen Lastaufstellung Mechanische Holzverbindungen, Allgemeines Übersicht über mechanische Holzverbindungen Anordnung von Verbindungsmitteln Trag- und Verformungsverhalten von Holzverbindungen Verbindungen von Holzbauteilen Nachgiebigkeit einer Holzverbindung Steifigkeitswerte mechanischer Holzverbindungen Wirksame Anzahl hintereinander liegender Verbindungsmittel Zusammenwirken verschiedener Verbindungsmittel in einer Holzverbindung Holzverbindungen unter wechselnden Beanspruchungen Scher- oder Zugversagen (Blockscheren) bei Holzverbindungen Verbindungen mit stiftförmigen metallischen Verbindungsmitteln Überblick über stiftförmige metallische Verbindungsmittel Herleitung von Gleichungen zur Berechnung der Tragfähigkeit stiftförmiger metallischer stiftförmiger Verbindungsmittel Vereinfachtes Nachweisverfahren zur Berechnung der Tragfähigkeit stiftförmiger metallischer Verbindungsmittel in Holz-Holz- und Holz-Holzwerkstoff-Verbindungen (Abscheren) Vereinfachtes Nachweisverfahren zur Berechnung der Tragfahigkeitstiftförmiger metallischer Verbindungsmittel in Stahlblech-Holz- Verbindungen (Abscheren) Stabdübel- und Passbolzenverbindungen Übersicht über Stabdübel- und Passbolzen Tragfähigkeit von Stabdübelverbindungen bei Beanspruchung rechtwinklig zur Stiftachse (Abscheren) Tragfähigkeit von Passbolzenverbindungen bei Beanspruchung rechtwinklig zur Stiftachse (Abscheren) Tragfähigkeit von Passbolzenverbindungen bei Beanspruchung in Richtung der Stiftachse (Zug) Bolzen- und Gewindestangenverbindungen Übersicht über Bolzen und Gewindestangen Tragfähigkeit von Bolzen- und Gewindestangenverbindungen bei Beanspruchung rechtwinklig zur Stiftachse (Abscheren) Tragfähigkeit von Bolzen- und Gewindestangenverbindungen bei Beanspruchung in Richtung der Stiftlängsachse (Zug) 225

6 XIII 11.7 Nagelverbindungen Übersicht über Nägel Tragfähigkeit von Nagelverbindungen bei Beanspruchung rechtwinklig zur Stiftachse (Abscheren) Tragfähigkeit von Nagelverbindungen bei Beanspruchung in Richtung der Stiftachse (Herausziehen) Tragfähigkeit kombiniert beanspruchter Nagelverbindungen (Abscheren und Herausziehen) Nagelverbindungen mit Stahlteilen oder Stahlblechen Holzschraubenverbindungen Übersicht über Holzschrauben Tragfähigkeit von Holzschraubenverbindungen bei Beanspruchung rechtwinklig zur Stiftachse (Abscheren) Tragfähigkeit von Holzschraubenverbindungen bei Beanspruchung in Richtung der Stiftachse (Herausziehen) Verbindungen mit Dübeln besonderer Bauart Überblick über Holzverbindungen mit Dübeln besonderer Bauart Holzverbindungen mit Ring-und Scheibendübeln Holzverbindungen mit Scheibendübeln mit Zähnen oder Dornen Dübelsicherung durch Sondernägel, Holzschrauben und Gewindestangen Holzverbindungen mit Dübeln besonderer Bauart in Hirnholzflächen Verbindungen mit eingeklebten Stahlstäben Überblick über Verbindungen mit eingeklebten Stahlstäben Eingeklebte Stahlstäbe bei Beanspruchung rechtwinklig zur Stabachse (Abscheren) Eingeklebte Stahlstäbe bei Beanspruchung in Richtung der Stabachse (Herausziehen oder Hineindrücken) Zimmermannsmäßige Verbindungen Verbindungen mit Versätzen Verbindungen mit Zapfen Verbindungen mit Holznägeln Nachweise für Zug Querschnittstragfähigkeit für Zug Zug in Faserrichtung des Holzes (mittiger Zug) Zug unter einem Winkel a Zug und Biegung (ausmittiger Zug) Zugverbindungen Nachweise für Druck Querschnittstragfähigkeit für Druck Druck in Faserrichtung des Holzes (mittiger Druck) Druck rechtwinklig zur Faserrichtung des Flolzes Druck unter einem Winkel a zwischen Kraft- und Faserrichtung Druck und Biegung (ausmittiger Druck) 318

7 XIV Inhaltsverzeichnis 16.2 Ersatzstabverfahren für Druckstäbe Mittiger Druck (Knicken maßgebend) Druck und Biegung (ausmittiger Druck) Knickbeiwerte k Ersatzstablängen (Knicklängen) / cl Stabilität (kurze Einführung in das Knicken) Anschlüsse und Stöße bei Druckstäben Nachweise für Biegung Querschnittstragfähigkeit für Biegung Einfache (einaxiale) Biegung (nicht kippgefährdeter Biegeträger) Erhöhung der charakteristischen Biegefestigkeiten von Brettschichtholz Doppelbiegung (zweiaxiale Biegung, nicht kippgefährdet) Biegung und Zug (ausmittiger Zug) (nicht kippgefährdeter Träger) Biegung und Druck (ausmittiger Druck, nicht kippgefährdet) Ersatzstabverfahren für Biegestäbe Einfache (einaxiale) Biegung (kippgefährdeter Biegeträger) Doppelbiegung (zweiaxiale Biegung, kippgefährdeter Biegeträger) Biegung und Zug (ausmittiger Zug, Kippen maßgebend) 354 VI2A Biegung und Druck (ausmittiger Zug, Kippen und Knicken maßgebend) Kippbeiwert k m Ersatzstablängen (Kipplängen) / e f Kippen (kurze Einführung) Auflagerung, Gabelager und Stützweiten von Biegeträgern Auflagerung von Biegeträgern Gabellager von Biegeträgern Stützweiten von Biegeträgern Biegesteife Stöße und Eckverbindungen Überblick über biegesteife Stöße und Eckverbindungen Biegesteifer Stoß mit mechanischen Verbindungsmitteln Biegesteife gerade Stöße bei Koppelträgern (Koppelpfetten) Biegesteife abgewinkelte Stöße und Bauteile Verdübelte Rahmenecken Keilgezinkte Rahmenecken Nachgiebigkeit mechanischer Verbindungsmittel in biegesteifen Stößen und Eckverbindungen Nachweise für Querkraft Schub aus einaxialer Querkraft (Querschnittstragfähigkeit) Schub aus zweiaxialer Querkraft (Querschnittstragfähigkeit) Schub bei reduzierter Querkraft (Querschnittstragfähigkeit) Verteilung der Querkraft und Schubspannung in einem Biegträger Nachweise für Torsion Schub aus Torsion (Querschnittstragfähigkeit) Schub aus Torsion und Querkraft (Querschnittstragfähigkeit) 396

8 XV 20 Nachweise für Pultdach-, Satteldach- und gekrümmte Biegeträger Biegeträger mit linear veränderlicher Querschnittshöhe Biegespannungsverlauf in Trägern mit linear veränderlicher Querschnittshöhe Spannungskombination am geneigten Trägerrand Nachweis des Kippens bei Trägem mit linear veränderlicher Querschnittshöhe Pultdachträger Nachweise von Pultdachträgern Satteldachträger Nachweise von Satteldachträgern Konstruktive Verstärkungen von Satteldachträgem Satteldachträger mit nachgiebig verbundener Firstspitze Gekrümmte Trager Nachweise von gekrümmten Trägern Konstruktive Verstärkungen von gekrümmten Trägern Verstärkungen von Satteldach- und gekrümmten Trägern aus Breitschichtholz Konstruktive Verstärkungen für klimabedingte Querzugspannungen in gekrümmten Trägern und Satteldachträgern Verstärkungen zur vollständigen Aufnahme von Querzugspannungen in gekrümmten Trägem und Satteldachträgern Spannungsverläufe in Satteldach- und gekrümmten Trägem Nachweise für Ausklinkungen, Durchbrüche und Queranschlüsse Ausklinkungen Unverstärkte Ausklinkungen Verstärkte Ausklinkungen Spannungsverläufe in Ausklinkungen Durchbrüche Unverstärkte Durchbrüche Verstärkte Durchbrüche Spannungsverläufe in Durchbrüchen Queranschlüsse Unverstärkte Queranschlüsse Verstärkte Queranschlüsse Spannungsverläufe in Queranschlüssen Nachweise für zusammengesetzte Biegeträger Tragverhalten von Biegestäben mit zusammengesetzten Querschnitten Zusammengesetzte Querschnitte mit Teilquerschnitten aus unterschiedlichen Baustoffen Zusammengesetzte Biegestäbe mit starrem Verbund Zusammengesetzte Biegestäbe mit nachgiebigem Verbund 457

9 XVI Inhaltsverzeichnis 23 Nachweise für Anschlüsse, Stöße und Fachwerke sowie Verformungsberechnungen Modellbildung bei Stabtragwerken Verformungen in Stäben und Verbindungen Federsteifigkeiten in Stäben und Verbindungen 462, Schnittgrößen Verbindung von Stäben Anschlüsse in Fachwerken Ausbildung von Fachwerken Vereinfachte Berechnung von Fachwerken Ausmittige Anschlüsse Verformungsberechnungen Einflüsse auf Verformungen Arbeitsgleichung (Arbeitssatz) Nachweise mit Theorie II. Ordnung Theorie 1. und II. Ordnung Theorie II. Ordnung im Holzbau Anwendung der Theorie II. Ordnung Schnittgrößenermittlung nach Theorie 11. Ordnung Imperfektionen bei Theorie II. Ordnung Nachweise nach Theorie II. Ordnung im Holzbau Nachweise mit Theorie II. Ordnung oder Ersatzstabverfahren im Vergleich Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit Einwirkungen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeil Kombinationsregeln im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Charakteristische und quasi-ständige Bemessungssituationen Nachweise der Gebrauchstauglichkeit Nachweise der Gebrauchstauglichkeit in allgemeiner Form Berechnung der Verformungen (Durchbiegungen) Nachweise und Grenzwerte der Verformungen (Durchbiegungen) Überhöhungen Nachweise und Grenzwerte der Verformungen (Schwingungen) Aussteifung von Bauwerken und Bauteilen Aussteifung von Bauwerken Einzelabstiitzungen (Zwischenabstützungen) Einzelabstiitzungen bei Druckstäben Einzelabstiitzungen bei Biegestäben (-trägem) Bauteile für Einzelabstützungen und Kopfbänder Herleitung der Ersatzlasten für Einzelabstiitzungen bei Druck- und Biegestäben Aussteifungskonstruktionen Aussteifungskonstruktionen bei Biege- und Fachwerkträgern Aussteifungskonstmktionen mit Ersatz- und Windlasten Aussteifungskonstruktionen als Scheiben Aussteifungskonstruktionen bei Druckstäben 521

10 XVII 27 Berechnungs- und Bemessungsbeispiele Querschnittsänderungen eines Kantholzes durch Schwinden (Schwindverformung) Längenänderungen eines Brettschichtträgers durch Quellen (Quellverformung), Sonderfall Zulässige Abweichungen der Querschnittsmaße eines Kantholzes nachdin 1052: Zulässige Abweichungen nach Maßtoleranzklasse Maximal zulässige Abweichung infolge Schwindens Maximal zulässige Abweichung infolge Quellens Nachweis des Anschlusses einer Diagonalen an einen Gurt mit Nägeln Konstruktive Ausbildung und Einwirkung Nachweis der Nagelverbindung Nachweis der Diagonalen (Zugverbindung) Querzugnachweis für den Anschluss der Diagonalen an den Gurt mit Nägeln Nachweis eines Zugstoßes mit Stabdübeln Konstruktive Ausbildung und Einwirkung Nachweis der Stabdübelverbindung Nachweis der Zugstäbe und der Innenlasche (Zugverbindung) Alternativer Nachweis eines Zugstabes Nachweis eines Queranschlusses mit Scheibendübeln mit Dornen Konstruktive Ausbildung und Einwirkung Nachweis der Verbindung mit Scheibendübeln C Nachweis der Zugstäbe (Zange) Querzugnachweis für den Queranschluss der Zugstäbe an einen Balken mit Scheibendübeln C Nachweis einer Druckfläche rechtwinklig zur Faser Konstruktive Ausbildung und Einwirkung Nachweis der Querdruckfläche Nachweis eines Druckstabes mit dem Ersatzstabverfahren Konstruktive Ausbildung und Einwirkung r Nachweis des Druckstabes mit dem Ersatzstabverfahren Nachweis eines Druckstabes mit Theorie II. Ordnung Konstruktive Ausbildung und Einwirkung Nachweis des Druckstabes (Theorie II. Ordnung) Nachweis eines parallelgurtigen Biegeträgers aus Brettschichtholz Konstruktive Ausbildung und Einwirkungen Nachweis der Querschnittstragfähigkeit des parallelgurtigen Biegeträgers Nachweis des Kippens mit dem Ersatzstabverfahren für den parallelgurtigen Biegeträger Nachweis der Gebrauchstauglichkeit für den parallelgurtigen Biegeträger I Nachweis eines Satteldachträgers aus Brettschichtholz Konstruktive Ausbildung und Einwirkungen Schnittgrößen und maßgebende Lastkombination des Satteldachträgers Nachweis der maximalen Biegebeanspruchung des Satteldachträgers.. 566

11 XVIII Inhaltsverzeichnis Nachweis des Firstquerschnitts des Satteldachträgers Nachweis der Schubspannungen am Auflager des Satteldachträgers Nachweis der Ausklinkung eines Endauflagers Konstruktive Ausbildung und Einwirkungen Maßgebende Lastkombination und Festigkeiten Nachweis des Endauflagers ohne Ausklinkung (zum Vergleich) Nachweis des Endauflagers mit unverstärkter Ausklinkung Nachweis des Endauflagers mit verstärkter Ausklinkung Nachweis einer elastisch (nachgiebig) eingespannten, zweiteiligen Nadelholzstütze Konstruktive Ausbildung und Einwirkungen Maßgebende Lastkombination und Festigkeiten Drehfedersteifigkeit des Anschlusses am Stützenfußpunkt Beanspruchung der Dübel in der Stützenfuß-Einspannung Nachweis der Tragfähigkeit der maximal beanspruchten Verbindungseinheit (Scheibendübel Cll mit Bolzen Ml6) Nachweis der zweiteiligen Stütze (Druckstab) mit dem Ersatzstabverfahren Nachweis der Gebrauchstauglichkeit Nachweis der Durchbiegung eines parallelgurtigen Fachwerkträgers aus Kanthölzern Konstruktive Ausbildung und Einwirkungen Ausbildung des Fachwerkträgers Ermitteln der Stabkräfte Nachweis der Verformungen (Durchbiegung) 594 Formelzeichen 599 Technische Baubestimmungen 603 Literaturverzeichnis 611 Sachwortverzeichnis 631