HOLZ-HOLZ-VERBINDUNGEN

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Martina Sauer
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1 HOLZ-HOLZ-VERBINDUNGEN Forschungsbericht Mechanisches Verhalten von Holz-Holz-Verbindungen in historischen und modernen Holztragwerken Technische Universität Graz Institut für Holzbau und Holztechnologie holz.bau forschungs gmbh Graz, April 2014

2 INHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung Grundlagenermittlung Literaturrecherche Überblick der wichtigsten Literaturquellen Literaturangaben zur Berechnung der Steifigkeiten und Tragfähigkeiten Zugbeanspruchte Blattverbindungen Zugbeanspruchte Schwalbenschwanzblätter Normalkraftbeanspruchte schräge Zapfenverbindungen Querdruckbeanspruchte Kontaktverbindungen Stirnversatzverbindungen Hakenblatt Querkraftbeanspruchte Zapfenverbindungen Ausgeklinkte Bauteile Neuartige Zapfenverbindung Begriffserklärungen Typische Verbindungsausbildungen und -geometrien Tragverhalten von Holz Holz Verbindungen Referenzobjekt: Dachtragwerk der Alten Universität Graz Allgemeine Beschreibung / Überblick Montagevorgang Aufnahmegenauigkeit Vorkommende Verbindungen Prüfungen im Labor Allgemeines Ermittlung einer geeigneten Prüfkonfiguration Abschätzung der maximalen Lasten Variante 1 Prüfrahmen Variante 2: horizontale Prüfung am Aufspannfeld Variante 3: Universalprüfmaschine Zwick/Roell Variante 4: Prüfgerüst Bestimmung von Steifigkeiten und Bruchlasten Festlegung der Federn Weißschwanz / Überblattung Kammverbindungen Vorversuche Weißschwanzverbindung I

3 3.5.1 Montage der Wegaufnehmer Ergebnisse Vorversuche Weißschwanzverbindung Zusammenfassung Vorversuche Kammverbindung Anbringung der Wegaufnehmer Ergebnisse Vorversuche Vollkamm Zusammenfassung Vorbereitung der Prüfungen der Hauptserie verwendetes Holz Abmessungen der Prüfkörper historische Verbindungen Anzahl der Prüfkörper Wegmessung Bestimmung der Federsteifigkeiten der Hauptprüfungen Weißschwanzverbindung / Überblattung Kammverbindungen Prüfergebnisse der Weißschwanzverbindung Allgemeines Holzfeuchte und Rohdichte Federsteifigkeiten und Bruchlasten der Weißschwanzverbindungen mit 30 Neigungswinkel Federsteifigkeiten und Bruchlasten der Weißschwanzverbindungen mit 45 Neigungswinkel Federsteifigkeiten und Bruchlasten der Weißschwanzverbindungen mit 60 Neigungswinkel Einfluss der Rohdichte Einfluss der Reibung Lastabtragung der Weißschwanzverbindung Vergleich der Prüfergebnisse des Weißschwanzes Prüfergebnisse der Überblattungen Allgemeines Rohdichten und Holzfeuchten Federsteifigkeiten und Bruchlasten der Überblattungen mit 30 Neigungswinkel Federsteifigkeiten und Bruchlasten der Überblattungen mit 60 Neigungswinkel Einfluss der Rohdichte Vergleich der Prüfergebnisse der Überblattungen Vergleich der Ergebnisse für die Überblattung und den Weißschwanz Prüfergebnisse der Kammverbindungen Allgemeines Rohdichten und Holzfeuchte Federsteifigkeiten und Bruchlasten der Vollkämme II

4 Federsteifigkeiten und Bruchlasten der Halbkämme Federsteifigkeiten und Bruchlasten Mittelkamm Federsteifigkeiten und Bruchlasten der Kreuzkämme Federsteifigkeiten und Bruchlasten historischer Halbkämme Vergleich der Prüfergebnisse der Kammverbindungen Zusammenfassung Finite-Elemente Berechnungen Einleitung FE-Modellierung der Verbindungen Parametrisierung der Verbindungen FE-Berechnungen zu den Blattverbindungen Allgemeines Ermittlung der Verschiebungsmoduln (Federsteifigkeit) Ergebnisvergleich der Weißschwanzverbindungen Federsteifigkeit C B Ergebnisvergleich der Weißschwanzverbindungen Federsteifigkeit C S Ergebnisvergleich der Überblattungen Federsteifigkeit C B Ergebnisvergleich der Überblattungen Federsteifigkeit C S Zusammenfassung und Fazit Entwicklung von Berechnungsmodellen Allgemeines Weißschwanzverbindung und Überblattung Ermittlung der Federsteifigkeit C B, Ermittlung der Federsteifigkeit C S, Ermittlung der Federsteifigkeit C B, Tragfähigkeit von Weißschwänzen und Überblattungen Vollkämme, Halbkämme und Mittelkämme Ermittlung der Federsteifigkeit C BT, Ermittlung der Federsteifigkeit C MB, Ermittlung der Federsteifigkeit C BT, Ermittlung der Federsteifigkeit C MB, Ermittlung der Tragfähigkeit Kreuzkamm Federsteifigkeit C BT,K, Federsteifigkeit C BT,K, Federsteifigkeit C MB,K Ermittlung der Tragfähigkeit von Kreuzkämmen Zusammenfassung III

5 6 Beanspruchung der Verbindungen im Referenz Tragwerk Baustatische Analyse des Referenzdachwerkes Modellbildung des Tragwerkes Auflager Verbindungen Analyse der einzelnen Knotenpunkte Detail Fußpunkt Detail liegender Stuhl der 1. Ebene sowie 1. Kehlbalkenebene Detail liegender Stuhl der 2. Ebene sowie 2. Kehlbalkenebene Detail Hahnenbalken sowie Firstpunkt Detail Anschluss Hängesäule Bundtram Detail Firstpunkt des Leergespärre Zusammenfassung der einzelnen Steifigkeiten Resümee Prüfung und Optimierung von CNC-gefertigten Schwalbenschwanzzapfenverbindungen Allgemeines Prüfung der Schwalbenschwanzzapfenverbindungen im Labor Konfiguration zur Prüfung der Schwalbenschwanzzapfenverbindungen Wegmessung und Bestimmung der Federsteifigkeiten Prüfergebnisse S-I glatter Schwalbenschwanzzapfen Prüfergebnisse S-II abgestufter Schwalbenschwanzzapfen Zusammenfassung Optimierung der Schwalbenschwanzzapfen Variante 1 - Ausgangsgeometrie Variante 2 - bogenförmige Flanken Variante 3 - Abstufung Variante 4 - stärkere Neigung der Flanken Variante 5 - zwei Abstufungen Variante - 6 Abstufung mit zusätzlicher Abstufung aus der Ebene Vergleich der Varianten auf Basis einer FE-Simulation Zusammenfassung und Interpretation der Ergebnisse Anhang A: Prüfdaten Kraft-Weg-Diagramme Weißschwanzverbindungen mit 30 Neigungswinkel Weißschwanzverbindungen mit 45 Neigungswinkel Weißschwanzverbindungen mit 60 Neigungswinkel Überblattungen mit 30 Neigungswinkel IV

6 8.1.5 Überblattungen mit 60 Neigungswinkel Vollkämme Halbkämme Mittelkämme Kreuzkämme Einfluss der Rohdichte Weißschwanzverbindungen mit 30 Neigungswinkel Weißschwanzverbindungen mit 45 Neigungswinkel Weißschwanzverbindungen mit 60 Neigungswinkel Überblattungen mit 30 Neigungswinkel Überblattungen mit 60 Neigungswinkel Einfluss der Quervorspannkraft FMB bei den Kammverbindungen Vollkamm Halbkämme Mittelkämme Kreuzkämme Rohdichten und Holzfeuchten der Prüfkörper Weißschwanzverbindungen mit 30 Neigungswinkel Weißschwanzverbindungen mit 45 Neigungswinkel Weißschwanzverbindungen mit 60 Neigungswinkel Überblattungen mit 30 Neigungswinkel Überblattungen mit 60 Neigungswinkel Vollkämme Halbkämme Mittelkämme Kreuzkämme Boxplot-Diagramme Weißschwanzverbindungen Überblattungen Kammverbindungen Bruchbilder Weißschwanz mit 30 Neigungswinkel Weißschwanz mit 45 Neigungswinkel Weißschwanz mit 60 Neigungswinkel Überblattungen mit 30 Neigungswinkel Überblattungen mit 60 Neigungswinkel Vollkämme Halbkämme Mittelkämme Kreuzkämme V

7 9 Anhang B: Abschätzung der Tragfähigkeiten der Verbindungen Ermittlung der Materialkennwerte Ermittlung der zu erwartenden Tragfähigkeit der zu prüfenden Verbindungen Weißschwanzverbindung: Überblattung: Kammverbindungen Zusammenfassung der Ergebnisse Weißschwanzverbindung Überblattung Kammverbindungen Anhang C: FE-Modellierung zu Kapitel Anhang D: FE-Simulation zu Kapitel Variante 1 - Ausgangsgeometrie FE-Simulation mit Reibbeiwert =0, FE-Simulation mit Reibbeiwert =0, Variante 2 - bogenförmige Flanken FE-Simulation mit Reibbeiwert =0, FE-Simulation mit Reibbeiwert =0, Variante 3 - Abstufung FE-Simulation mit Reibbeiwert =0, FE-Simulation mit Reibbeiwert =0, Variante 4 - stärkere Neigung der Flanken FE-Simulation mit Reibbeiwert =0, FE-Simulation mit Reibbeiwert =0, Variante 5 - zwei Abstufungen FE-Simulation mit Reibbeiwert =0, FE-Simulation mit Reibbeiwert =0, Variante 6 - Abstufung aus der Ebene FE-Simulation mit Reibbeiwert =0, FE-Simulation mit Reibbeiwert =0, Anhang E: Dokumentation der RSTAB 7.04 Modelle Lastaufstellung Lastfallüberlagerungen Modell M1 2D Modell M2 3D Modell M3 3D mit Federn ns: VI

8 12.6 Modell M3 3D mit Federn hs: Modell M3 3D mit Federn hs10: Vergleich der Ergebnisse der Stabwerksberechnung Vergleich der Ausnutzungsgrade ausgewählter Bauteile: Vergleich der Ausnutzungsgrade ausgewählter Verbindungen Literaturverzeichnis VII

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