François Colling. Holzbau

Transkript

1 François Colling Holzbau

2 François Colling Holzbau Grundlagen, Bemessungshilfen 2., überarbeitete Auflage Mit 223 Abbildungen und 129 Tabellen STUDIUM

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. 1. Auflage , überarbeitete Auflage 2008 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008 Lektorat: Karina Danulat Sabine Koch Technische Redaktion: Dipl.-Vw. Annette Prenzer Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: Krips b.v., Meppel Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in the Netherlands ISBN

4 Für Moma und ILO

5 Vorwort zur 2. Auflage Das vorliegende Werk ist die Buchfassung meines Skriptums zur Vorlesung Holzbau an der Fachhochschule Augsburg. Die behandelten Themen beinhalten im Wesentlichen die Grundlagen des Holzbaus und stellen einen Grundstock für eine Holzbau-Vorlesung an Hochschulen dar. Im Anschluss an die jeweils behandelten Themenbereichen werden zahlreiche Beispiele angeboten, die so aufgebaut sind, dass mit ihnen die behandelte Theorie praxisgerecht angewandt und gefestigt werden kann. Die Lösungen zu den Beispielen sind in einem getrennten Band zusammengefasst, der auch eine Formelsammlung enthält. Für die praktische Bemessung wurden Bemessungstabellen erstellt, die die Bemessung per Hand erleichtern sollen. Diese Tabellen sind im Hinblick auf die praktische Handhabung in einem Anhang zusammengefasst. Gegenüber der Erstauflage wurden folgende Änderungen vorgenommen: Inhaltliche Überarbeitungen/Ergänzungen bei Durchbiegungsberechnungen, Versätzen, Berücksichtigung der Spaltgefahr bei hintereinander liegenden Verbindungsmitteln, Bemessung von Stabdübel- und Bolzenverbindungen, Kippen bei gekrümmten und Satteldachträgern sowie Querzugverstärkungen bei Ausklinkungen und gekrümmten Trägern. Umstellung der Bemessungstabellen auf charakteristische Werte. Dies erfolgte im Wesentlichen aus zwei Gründen. Zum einen erfolgt dadurch eine Anpassung an die Bemessung anderer Baustoffe, und zum anderen wird eine gewisse Harmonisierung der Holzbau- Literatur erreicht. Ein hilfreicher Nebeneffekt dieser Umstellung ist die Tatsache, dass die Bemessungstabellen nun auch für die Brandschutzbemessung herangezogen werden können, die auf charakteristischen Festigkeitswerten basiert. Einarbeitung der vom NABau-Arbeitsausschuss DIN 1052 verabschiedeten ersten Änderung zur DIN 1052 (sog. A1-Papier ). Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um die Abminderungen der Schubfestigkeiten bei Voll- und Brettschichtholz und die daraus resultierenden Änderungen bei Nachweisen der Spannungskombination. Die zugehörigen Änderungen sind jeweils mit A1 gekennzeichnet und grau hinterlegt. Ein großes Dankeschön gebührt den Studenten Ludmilla Bolz, Michael Gutmann und Frank Fühles, die im Rahmen ihres Praktikums alle Beispiele umgerechnet und Korrektur gelesen haben. Angesichts der Vielzahl an Formeln, Tabellen, Diagrammen und Zahlenwerten sind Fehler nicht auszuschließen, ja sogar eher als unvermeidbar anzusehen. Ich bitte hierfür um Nachsicht und bin für jede Fehlermeldung dankbar. Mering, im Juli 2008 François Colling VII

6 Vorwort Vorwort Das vorliegende Werk stellt die Buchfassung meines Skriptums zur Vorlesung Holzbau an der Fachhochschule Augsburg dar. Die behandelten Themen beinhalten im Wesentlichen die Grundlagen des Holzbaus und stellen einen Grundstock für eine Holzbau-Vorlesung an Hochschulen dar. Im Anschluss an die jeweils behandelten Themenbereichen werden zahlreiche Beispiele angeboten, die so aufgebaut sind, dass mit ihnen die behandelte Theorie praxisgerecht angewandt und gefestigt werden kann. Die Lösungen zu den Beispielen sind in einem getrennten Band zusammengefasst. Für die praktische Bemessung wurden Bemessungstabellen erstellt, die die Bemessung per Hand erleichtern sollen. Diese Tabellen sind im Hinblick auf die praktische Handhabung in einem Anhang zusammengefasst. In dem Bestreben, meine Studenten möglichst frühzeitig mit den Regelungen der neuen DIN 1052 vertraut zu machen, stellte ich meine Vorlesung zeitgleich mit dem Erscheinen des Gelbdruckes im Jahre 2000 auf die neue Holzbaunorm um. Die Erprobung des Skriptums während den Vorlesungen der letzten drei Jahre trug dazu bei, Fehler aufzufinden und einzelne Passagen verständlicher auszuarbeiten. Mein großer Dank gilt daher all denjenigen Studenten, die mit Ihren Fragen und Anregungen zu einer Verbesserung des Skriptums beigetragen haben. So erfolgte z. B. die Zusammenfassung aller Beispiel-Lösungen in einem separaten Teil auf ausdrücklichen Wunsch der Studenten. Ein großes Dankeschön gebührt auch den (ehemaligen) Studenten Stefan Bedö, Henrik Boll, Holger Dietrich, Helmut Mögele und Sven Petersen, die im Rahmen ihrer Praktika ihre Kenntnisse in Textverarbeitung und CAD vertiefen durften bzw. mussten. Dank auch an meine Kollegen Hannelore Damm (FH Berlin), Jürgen Kürth (FH Biberach), Manfred Logemann (FH Lübeck), Nikolaus Nebgen (FH Hildesheim), Kurt Schwaner (FH Biberach) und Martin Speich (FH Lübeck), die sich als Lektoren zur Verfügung stellten und mir manch wertvolle Anregung gegeben haben. Angesichts der Vielzahl an Formeln, Tabellen, Diagrammen und Zahlenwerten sind Fehler nicht auszuschließen, ja sogar eher als unvermeidbar anzusehen. Ich bitte hierfür um Nachsicht und bin für jede Fehlermeldung dankbar. Mering, im Juni 2004 François Colling VIII

7 Inhaltsverzeichnis VORWORT... VII WICHTIGE FORMELZEICHEN... XVII 1 ALLGEMEINES Holzbau und Umwelt Leistungsfähigkeit von Holztragwerken Normen, Vorschriften, Zulassungen Kennzeichnungspflicht Literatur BAUSTOFFEIGENSCHAFTEN Technologie des Holzes Struktur und Wuchseigenschaften Physikalische Eigenschaften Elastomechanische Eigenschaften Holzsortierung Nadelschnittholz ( traditionelles Vollholz) Konstruktionsvollholz (KVH) Brettschichtholz Herstellung Vorteile gegenüber Vollholz Duo- und Triobalken Holzwerkstoffe Holzwerkstoffklassen, Anwendungsbereiche Massivholzplatten (Mehrschichtplatten) Bau-Furniersperrholz Holzspanplatten (Flachpressplatten) nach DIN Holzfaserplatten Neue Holzwerkstoffe Beispiele...27 IX

8 Inhaltsverzeichnis 3 GRUNDLAGEN DER BEMESSUNG Beanspruchbarkeiten (Baustoffeigenschaften) Baustoffeigenschaften Nutzungsklassen Einfluss der Lasteinwirkungsdauer und der Umgebungsbedingungen (k mod, k def ) Teilsicherheitsbeiwerte γ M Bemessungswerte der Baustoffeigenschaften Beanspruchungen (Einwirkungen, Kombinationen) Einwirkungen (Lastannahmen) Charakteristische Einwirkungen G k, Q k Bemessungswerte der Einwirkungen Bemessungswerte der Beanspruchungen, Kombinationsbeiwerte Klassen der Lasteinwirkungsdauer Maßgebende Lastkombinationen Nachweise der Tragfähigkeit Nachweise der Gebrauchstauglichkeit (Durchbiegungsnachweise) Beispiele TRAGFÄHIGKEITSNACHWEISE FÜR QUERSCHNITTE Zug in Faserrichtung Druck in Faserrichtung (ohne Knicken) Schub infolge Querkraft Schub bei einachsiger Biegung Schub bei schiefer Biegung (zweiachsige Biegung) Nachweis mit reduzierter Querkraft Biegung Einachsige Biegung Schiefe Biegung (zweiachsige Biegung) Zug und Biegung Druck und Biegung Ausklinkungen Nicht verstärkte Ausklinkungen Verstärkte Ausklinkungen Beispiele GEBRAUCHSTAUGLICHKEIT...58 X 5.1 Berechnung von Verformungen Elastische Anfangsverformung w inst Kriechverformung w kriech Endverformung w fin Verformungen bei mehreren Lasten Grenzwerte der Durchbiegungen, Nachweise Nachweise gegen Schäden an Bauteilen Nachweis gegen optische Beeinträchtigung...62

9 Inhaltsverzeichnis Nachweis gegen Unbehagen (Schwingungen) Nachweise und Dimensionierung bei Einfeldträgern Einachsige Biegung Schiefe Biegung (zweiachsige Biegung) Nachweise und Dimensionierung bei Durchlaufträgern Einachsige Biegung Schiefe Biegung (zweiachsige Biegung) Beispiele STABILITÄTSNACHWEISE Druckstäbe mit Knickgefahr Biegeträger mit Kippgefahr Knicken und Kippen Zug und Kippen Beispiele NACHWEIS VON BAUTEILEN IM ANSCHLUSSBEREICH Querschnittsschwächungen Zuganschlüsse Druckanschlüsse Biegeträger Ausmittige Anschlüsse Beispiele AUFLAGERUNGEN, KONTAKTANSCHLÜSSE Druck rechtwinklig zur Faser Druck unter einem Winkel zur Faser Knaggenanschlüsse Sparrenauflager Versätze Versatzformen Einfluss auf die Tragfähigkeit Kraftübertragung und Nachweise Exzentrizitäten Beispiele LEIM-/KLEBEVERBINDUNGEN Allgemeines Nachweis der Eignung zum Kleben XI

10 Inhaltsverzeichnis 10 MECHANISCHE VERBINDUNGEN, GRUNDLAGEN Trag- und Verformungsverhalten Mechanische Verbindungen Zusammenwirken von nachgiebigen Verbindungsmitteln Konstruktive Ausbildung Mindestabstände Anschlussbilder Zugstöße Schräganschlüsse Queranschlüsse Spaltgefahr bei hintereinander liegenden Verbindungsmitteln Kraft parallel zur Faserrichtung Kraft rechtwinklig zur Faserrichtung Kraft schräg zur Faserrichtung Anordnung der Verbindungsmittel Beispiele TRAGVERHALTEN STIFTFÖRMIGER VERBINDUNGSMITTEL Grundlagen Einschnittige Verbindungen Einschnittige Holz-Holz und Holz-Holzwerkstoff-Verbindungen Einschnittige Stahlblech-Holz-Verbindungen Zweischnittige Verbindungen Zweischnittige Holz-Holz und Holz-Holzwerkstoff-Verbindungen Zweischnittige Stahlblech-Holz-Verbindungen Mehrschnittige Verbindungen Holz-Holz und Holzwerkstoff-Holz-Verbindungen Stahlblech-Holz-Verbindungen Beispiele STABDÜBEL- UND BOLZENVERBINDUNGEN Allgemeines Stabdübel Bolzen Passbolzen Berechnung der charakteristischen Tragfähigkeiten Wahl eines geeigneten Stiftdurchmessers Holz-Holz-Verbindungen Stahlblech-Holz-Verbindungen Anzahl der Verbindungsmittel Anordnung der Verbindungsmittel (Mindestabstände) Beispiele XII

11 Inhaltsverzeichnis 13 NAGELVERBINDUNGEN Allgemeines Holz-Holz-Verbindungen (Abscheren) Mindestholzdicken Mindesteinschlagtiefen Charakteristische Tragfähigkeit Rechnung mit Tabellenwerten Anzahl der Verbindungsmittel Anordnung der Verbindungsmittel (Mindestabstände) Holzwerkstoff-Holz-Verbindungen (Abscheren) Stahlblech-Holz-Verbindungen (Abscheren) Beanspruchung auf Herausziehen Kombinierte Beanspruchung Beispiele DÜBEL BESONDERER BAUART Allgemeines Dübeltypen Typ A1 und B1 (Appel-Dübel) Typ C1 und C2 (Bulldog-Dübel) Typ C10 und C11 (Geka-Dübel) Tragfähigkeit einer Verbindungseinheit Charakteristische Tragfähigkeit Einfluss der Holzdicke Einfluss der Rohdichte Winkel Kraft/Faser Abstand zum beanspruchten Hirnholz Bemessungswerte der Tragfähigkeit Berechnung mit Tabellenwerten Anzahl der Verbindungseinheiten Anordnung der Verbindungseinheiten (Mindestabstände) Beispiele WEITERE VERBINDUNGEN Allgemeines Stahlblech Formteile Winkelverbinder Balkenschuhe Sparrenpfettenanker Zugverankerung von Wandscheiben Knotenverbindungen Nagelplatten Nagelverbindung System Greim Paslode-Stahlblech-Holz-Nagelverbindung Multi-Krallen-Dübel XIII

12 Inhaltsverzeichnis BSB-Knotenverbindung BVD-Anker Balkenanschlüsse JANEBO-Hakenplatten BOZETT Balken-Z-Profil GH-Integralverbinder BMF-Balkenträger JANE-TU-Einhängeträger Merk-NHT-Verbinder Stützenfüße HAUSDÄCHER Allgemeines Dachformen Dachhaut Dachsysteme Pfettendächer Teile eines Pfettendaches Einfluss der konstruktiven Ausbildung Bemessung Sparrendächer Teile eines Sparrendaches Symmetrisches Sparrendach Symmetrisches Kehlbalkendach Aussteifung von Dächern Allgemeines Windrispen aus Holz Windrispenbänder aus Stahl Dachscheiben aus Holzwerkstoffplatten Beispiel KOPPELPFETTEN Allgemeines Wirkungsweise Nachweise bei einachsiger Biegung Biegespannung Schubspannung Durchbiegungen Überkopplung Nachweise bei schiefer Biegung Beispiel XIV

13 Inhaltsverzeichnis 18 GEKRÜMMTE TRÄGER, PULT- UND SATTELDACHTRÄGER Allgemeines Besonderheiten Trägertypen, Trägergeometrie Stelle der größten Biegespannung Größte Biegespannung im Feld Spannungskombination am angeschnittenen Rand Kippnachweise Biegespannung im Firstquerschnitt Querzugspannung im Firstquerschnitt Querzugverstärkung Konstruktive Verstärkung Vollständige Aufnahme der Querzugkräfte Praktische Bemessung Durchbiegung Horizontale Auflagerverschiebung Beispiele MEHRTEILIGE DRUCKSTÄBE, RAHMENSTÄBE Allgemeines Zweiteilige Rahmenstäbe Knicken um die z-achse Knicken um die y-achse Nachweis der Querverbindung und der Verbindungsmittel Beispiel HoB.Ex: BEMESSUNGSHILFEN AUF EXCEL-BASIS ANHANG: BEMESSUNGSTABELLEN SACHWORTVERZEICHNIS XV

14 Wichtige Formelzeichen Hauptzeiger A Fläche, Faktor E Elastizitätsmodul F Kraft, Einzellast G Schubmodul, allg. für ständige Einwirkung I Flächenmoment 2. Grades (Trägheitsmoment) K Verschiebungsmodul KLED Klasse der Lasteinwirkungsdauer M Moment N Normalkraft NKL Nutzungsklasse Q allg. für veränderliche Einwirkung R Widerstand, Tragfähigkeit ( resistance ) S Flächenmoment 1. Grades (statisches Moment) V Querkraft ( vertical load ) W Widerstandsmoment X Baustoffeigenschaft allgemein α β γ δ λ ρ σ τ ψ Winkel, Schwind-/Quellmaß Winkel, Knicklängenbeiwert, Verhältnis der Lochleibungsfestigkeiten Winkel, Teilsicherheitsbeiwert Dachneigungswinkel Ausnutzungsgrad Schlankheitsgrad Rohdichte Normalspannung Schubspanung Kombinationsbeiwert a b d e f g h i k l p q r s t u w Fußzeiger G M Q V DLT Abstand Breite Durchmesser, Dicke Ausmitte, Exzentrizität Festigkeit ständige Last (Streckenlast) Höhe, Einlass-/Einpresstiefe Trägheitsradius Beiwert (allgemein) Länge, längs veränderliche Nutzlast (Streckenlast) rechtwinklig ( perpendicular ) Gleichstreckenlast Radius Schneelast (Streckenlast) Dicke (allgemein), Lamellendicke, Eindringtiefe von Verbindungsmitteln Holzfeuchte Windlast (Streckenlast), Durchbiegung allg. für ständige Einwirkung Material allg. für veränderliche Einwirkung Querkraft ( vertical load ), Versatz Durchlaufträger 0 in Faserrichtung, Bezugswert 90 rechtwinklig zur Faserrichtung α Winkel zur Faserrichtung 05 5%-Quantilwert XVII

15 Formelzeichen ad ap ax b c crit d def e ef f fin g gl h in inst j k l la m mean mod n p q qs r red req res XVIII Haftung, Verankerung ( adhesion ) First ( apex ) in axialer Richtung Bolzen, brutto Druck ( compression ), Knicken, Dübel besonderer Bauart, Länge des gekrümmten Bereiches kritisch ( critical ) Bemessungswert ( design value ) Kriechverformung ( deformation ) Einlass-/Einpresstiefe effektiv wirksam Gurt Endwert ( final ) ständige Last Gleichgewicht Lochleibung innerer (Radius) elastische Anfangsverformung ( instantaneous ) Verbindung ( joint ) charakteristischer Wert, Klebfuge längs rechtwinklig zur Stiftachse ( lateral ) Biegung, Kippen Mittelwert Modifikation ( modification ) Netto, Nagel Nutzlast veränderliche Last, quer quasi-ständig radial, Rippe, Krümmungsradius abgeminderter Wert ( reduced ) erforderlicher Wert ( required ) resultierend s ser t u v w y z Beispiele Schneelast, Stahlblech Gebrauchszustand ( serviceability ) Zug ( tension ), tangential Holzfeuchte Schub, Vorholz Windlast, Steg Fließgrenze (-moment), y-achse z-achse G mean mittlerer Schubmodul E 0,05 5%-Quantilwert des Elastizitätsmoduls in Faserrichtung des Holzes M y,k char. Fließmoment eines stiftförmigen Verbindungsmittels R la,d Bemessungswert des Tragwiderstandes eines Verbindungsmittels rechtwinklig zur Stiftachse f c,90,k char. Druckfestigkeit rechtwinklig zur Faserrichtung f h,k char. Lochleibungsfestigkeit f m,z,d Bemessungswert der Biegefestigkeit bei Biegung um die z-achse f t,0,d Bemessungswert der Zugfestigkeit parallel zur Faserrichtung des Holzes h ap Querschnittshöhe im First k c,90 Beiwert bei Druck rechtwinklig zur Faserrichtung k m Kippbeiwert k,t Beiwert zur Berücksichtigung des Winkels zwischen Kraft und Faserrichtung am zugbeanspruchten Rand l ad Verankerungs-/Einkleblänge t req erforderliche Dicke (Mindestdicke) t s Stahlblechdicke w fin,g Enddurchbiegung infolge ständiger Last m,,d Bemessungswert der Biegespannung am angeschnittenen Rand