761 10 VERBINDUNGSTECHNIKEN 10.1 VERBINDUNGSMITTEL 10.1 Verbindungsmittel Ausziehwiderstand von in Brettschichtholz eingeklebten Gewindestangen aus Stahl René Steiger 1 Überblick Mit parallel oder rechtwinklig zur Faser in Brettschichtholz eingeklebten Gewindestangen können auf kleiner Fläche große Kräfte in Holzbauteile eingeleitet werden. Bei Verwendung von Stahlstangen mit metrischem Gewinde ergeben sich besonders einfache, praxisgerechte Anschlüsse an Beton- und Stahlteilen. Die Stangen werden entweder axial beansprucht (Ausziehen) oder senkrecht zur Schaftrichtung (Abscheren). Seit mittlerweile mehr als 30 Jahren werden Verbindungen mit eingeklebten Stangen beforscht und in der Praxis des Ingenieurholzbaus, vorwiegend bei Brettschichtholz erfolgreich eingesetzt [1], [2]. Einsatzbereiche sind Stützenverankerungen in Fundamenten, biegesteife Verbindungen von Holzbauteilen (Trägerstöße, Rahmenecken) und Anschlüsse an Träger senkrecht oder schräg zur Faser, aber auch die Verstärkung von Trägern (Schub, Querzug) und die lokale Einleitung großer Kräfte senkrecht zur Faser (Querdruck). Meistens werden Stahlstangen in Form von Armierungseisen oder Gewindestangen mit metrischem Gewinde verwendet. Es sind aber auch Anwendungen von faserverstärkten Kunststoffstäben bekannt, insbesondere wenn Korrosionsgefahr für den Stahl besteht oder wenn das Konstruktionseigengewicht gering gehalten werden soll. Die Klebstoffindustrie hat speziell für das Einkleben von Gewindestangen in Holz optimierte Klebstoffe entwickelt (vorwiegend 1- und 2-Komponenten-Epoxydharze sowie PUR-Klebstoffe), welche auf einfache Weise appliziert werden können und eine hohe Leistung bezüglich Festigkeit, Steifigkeit und Dauerhaftigkeit aufweisen. 2 Tragverhalten 2.1 Einflussparameter Der Tragwiderstand von parallel oder senkrecht zur Faser eingeklebten Stangen ist von den folgenden Parametern abhängig: - Anschlussgeometrie - Flächenverhältnis Holz / Klebfuge / Stangenquerschnitt - Verhältnis von Verankerungslänge zu Bohrlochdurchmesser d h, repräsentiert durch die Schlankheit = / d h - Rand- und Zwischenabstände der Stangen - Anzahl der Stangen - Kraft- zu Faserwinkel (inkl. unplanmäßige Imperfektionen!) - Steifigkeit der eingesetzten Materialien - Verhältnis der Elastizitäts- und Schubmoduln von Stange, Holz und Klebstoff - Verhältnis von E-Modul zu Schubmodul der einzelnen Materialien (insb. bei Holz, da dieses sich ausgeprägt orthotrop verhält) - Festigkeit der eingesetzten Materialien - Schub-, Querzug- und Querdruckfestigkeit des Holzes - adhäsive / kohäsive Klebstofffestigkeit - Festigkeit der Stangen (bei Stahl: Fließspannung und Zugfestigkeit) - Bruchmechanische Eigenschaften von Holz und Klebstoff - Art der Krafteinleitung - bezüglich der Stange axiale oder senkrecht zur Achse wirkende Kraft - Zug Zug, Zug Druck, Zug Balken, Zug Schubfeld (siehe Abb. 1) - Einwirkungsdauer (statisch, dynamisch) - Konstante Last oder Wechsellast - Weitere Parameter - Holzart - Holzdichte - Art der Herstellung der Verbindung (Aushärtezeit des Klebstoffs, Oberflächeneigenschaften, etc.).
10 VERBINDUNGSTECHNIKEN 10.1 VERBINDUNGSMITTEL 762 ZUKUNFT a) Zug - Zug Sämtliche Einflussparameter sind streuungsbehaf- F d h d F tet. Diese Variationen, aber auch sonstige mögliche Imperfektionen müssen durch die Bemessungsansätze in adäquater Form erfasst werden. b) Zug - Balken F F / 2 c) Zug - Druck d) Zug - Schubfeld F F F / 2 F / 2 F / 2 F / 2 F / 2 Obwohl zwischen dem Klebstoff und der Stange eine gewisse Haftung besteht, ist eine sichere Kraftübertragung nur mittels mechanischer Verzahnung zwischen Klebstoff und Stange möglich. Die eingesetzten Stangen müssen daher eine Profilierung aufweisen, wie z.b. Rippen (Armierungsstähle) oder aufgerollte bzw. eingeschnittene Gewinde. "Pfähle" Abb. 1: Verschiedene Arten der Beanspruchung eingeklebter Gewindestangen (d h = Bohrlochdurchmesser, d = Außendurchmesser der Stange) Die Art der Krafteinleitung beeinflusst wesentlich den Tragwiderstand. In Versuchen können daher aussagekräftige Resultate nur erhalten werden, wenn die Versuchsanordnung der Situation in der Baupraxis entspricht. Beispielsweise unterscheiden sich Versuchsresultate aus Zug Druck-Versuchen mit direkter Krafteinleitung in das Holz (Abb. 1c) auf Grund auftretenden Querdruckversagens deutlich von Resultaten aus Versuchen mit kontinuierlicher Einleitung der Reaktionskraft auf Schub im gesamten Holzquerschnitt nach dem Vorbild der Pfahlfundation im Grundbau (Abb. 1d). Auch sind Zug Druck-Versuche gemäß Abb. 1c nicht geeignet, das Verhalten der Verbindung im Fall Zug Balken vorherzusagen. Hier liefert die Versuchsanordnung gemäß Abb. 1d aussagekräftigere Resultate. Zur korrekten statistischen Auswertung von Datensätzen aus Versuchen an symmetrischen Prüfkörpern (Abb. 1a) oder mit verschiedenen Brucharten, sind spezielle statistische Methoden erforderlich [3]. 2.2 Brucharten Bei den möglichen Versagensarten von eingeklebten Stangen muss unterschieden werden zwischen einzelnen Stäben und Verbindungen bestehend aus Stabgruppen. Einzelstabanschlüsse können versagen durch: - Bruch / Versagen der Stange infolge: - Überschreiten der Fließgrenze bzw. der Zugfestigkeit bei axialer Zugbelastung (Abb. 2) - Knicken außerhalb der Verankerung bei axialer Druckbeanspruchung - Ausreißen der Stange aus der Verankerung wegen: - Klebstoffversagen (Kohäsionsbruch) - Klebfugenversagen im Übergang zum Holz (Adhäsionsbruch 1) (Abb. 3) - Klebfugenversagen im Übergang zur Stange (Adhäsionsbruch 2) (Abb. 4) - Holzbruch in der Nähe der Klebfuge (Abb. 5) - Ausreißen der Stange inklusive einem Teil des umgebenden Holzes (Abb. 6) - Aufspalten des Holzes wegen zu geringen Randabständen (Abb. 7) bei parallel zur Faser eingeklebten Stangen bzw. wegen Überschreitung der Querzugfestigkeit bei senkrecht zur Faser eingeklebten Stangen - Zugbruch des Holzbauteils (Abb. 8).
763 10 VERBINDUNGSTECHNIKEN 10.1 VERBINDUNGSMITTEL Abb. 5: Klebefugennaher Holzbruch Abb. 2: Zugbruch in der Stahlstange Abb. 3: Adhäsionsbruch Klebstoff Holz Abb. 6: Ausreißen der Stangen inklusive eines Teils des umgebenden Holzes Abb. 7: Aufspalten des Holzes Abb. 4: Adhäsionsbruch Klebstoff Stahl Abb. 8: Zugbruch des Holzes
10 VERBINDUNGSTECHNIKEN 10.1 VERBINDUNGSMITTEL 764 ZUKUNFT Bei aus mehreren Stangen bestehenden Verbindungen und Anschlüssen treten zusätzlich die folgenden Versagensarten auf: - Aufspalten des Holzes wegen zu geringen Abständen zwischen den einzelnen Stangen - Ausreißen von ganzen Gruppen von Stangen. 2.3 Einfluss der Schlankheit / Oberfläche Bei der Auswertung von Versuchen an Gewindestangen mit Durchmesser M12, M16 und M20 welche nach dem GSA -System [4] mit Epoxydharz-Klebstoff parallel und senkrecht zur Faser in Brettschichtholz eingeklebt wurden, ließ sich der Einfluss von Verankerungslänge l und Bohrlochdurchmesser d h am einfachsten mit einem Schlankheitsparameter = / d h, beschreiben. Im geprüften Schlankheitsbereich von 7.5 15 kann der Einfluss der Schlankheit auf den Mittelwert der Schubfestigkeit für parallel zur Faser eingeklebte Stangen mit einem Ansatz -1/3 erfasst werden (Abb. 9). Schubfestigkeit Verankerung fv,0,mean [N/mm 2 ] 10 Niedrige Dichte Hohe Dichte 9 y = 17.1x -0.33 R 2 = 0.71 8 7 6 y = 14.5x -0.33 R 2 = 0.88 5 6 8 10 12 14 16 Bohrlochschlankheit = /d h Abb. 9: Schubfestigkeit (Mittelwert) in der Verankerungszone von parallel zur Faser in BSH eingeklebten Gewindestangen (GSA -System) in Funktion der Schlankheit des Bohrlochs. Ausziehwiderstand Rax,90 [kn] 180 160 140 120 100 80 60 40 y = 0.044 x 0.83 20 R 2 = 0.96 0 0 5000 10000 15000 20000 Oberfläche der Verankerungszone A g = d h [mm 2 ] Abb. 10: Ausziehwiderstand (Mittelwert) von senkrecht zur Faser in BSH eingeklebten Gewindestangen (GSA -System) in Funktion der Oberfläche der Verankerungszone. Der Ausziehwiderstand von senkrecht zur Faser eingeklebten Stangen war etwa 20 bis 40% größer als derjenige von parallel zur Faser eingeklebten Stangen und ist abhängig von der Mantelfläche der Verankerungszone (Abb. 10). 2.3 Einfluss der Dichte Der Einfluss der Dichte auf den Tragwiderstand bei Beanspruchung auf Ausziehen wird in der Literatur kontrovers diskutiert. Während im europäischen Forschungsprojekt GIROD [5] kein Einfluss der Dichte gefunden wurde, zeigen neue Schweizer Versuche [6], [7] an Gewindestangenanschlüssen nach dem GSA -System [4], dass der Tragwiderstand von auf Ausziehen beanspruchten eingeklebten Stahlstangen mit metrischem Gewinde, sofern Holzbruch maßgebend ist, sehr wohl von der Dichte des Holzes abhängig ist. Die Autoren quantifizieren den Einfluss der Dichte bei parallel zur Faser in BSH eingeklebten Stangen mit einem Exponenten von 0,5 bis 0,6. Bei senkrecht zur Faser eingeklebten Stangen ist der Einfluss geringer. Er kann vernachlässigt oder mit einem Exponenten von 0.25 erfasst werden.
765 10 VERBINDUNGSTECHNIKEN 10.1 VERBINDUNGSMITTEL 3 Bemessungsphilosophie Zur Gewährleistung eines ausreichenden Tragwiderstandes von eingeklebten Gewindestangen (Einzelstangen oder Gruppen) müssen sämtliche der oben erwähnten Versagensformen untersucht bzw. nachgewiesen werden. In der Baupraxis werden Bauteile, Verbindungen und Anschlüsse bevorzugt, welche Überbeanspruchung durch möglichst große Deformationen vor dem Versagen anzeigen, d.h. sich duktil verhalten. Da im Falle von eingeklebten Gewindestangen sowohl das Holz als auch der Klebstoff ein sprödes Bruchverhalten aufweisen, sollten Verbindungen und Anschlüsse mit eingeklebten Stangen vorzugsweise unter Verwendungen von Stahlstangen (Gewindestäbe oder Armierungsstähle) ausgeführt werden. Die Verbindung kann dann so bemessen werden, dass die Stahlstange das schwächste Glied der Kette darstellt und bei Erreichen der Traglast der Verbindung zu fließen beginnt, bevor sprödes Holz- oder Klebstoffversagen eintritt. Diese Bemessungsphilosophie hat noch nicht in alle Normen Eingang gefunden. Da die mechanischen Eigenschaften von Stahl weniger streuen, als diejenigen von Klebstoff und Holz, kann bei einer Auslegung der Verbindung auf Stahlversagen die Traglast präziser vorausgesagt werden. Bei Zugverbindungen mit mehreren gleichzeitig wirkenden Stangen ist eine gleichmäßige Kraftverteilung in den einzelnen Stangen nur bei ausreichender Duktilität des Einzelstabanschlusses und bei optimierten Steifigkeitsverhältnissen Stange / Holz erreichbar [8]. 4 Beispiele von Bemessungsansätzen Sämtliche nachfolgend angegebenen Bemessungsansätze sind nur bei Einhaltung bestimmter Rand- und Zwischenabstände der Stangen gültig. Außerdem ist der Tragwiderstand von Stangengruppen in der Regel geringer als das n-fache des Tragwiderstands einer Einzelstange [8]. 4.1 Ansatz aus ENV 1995-2: 1997 In der Vornorm des Eurocode 5, Teil 2 Brücken ist folgender Ansatz zur Berechnung des Ausziehwiderstands einer einzelnen Stahlstange für den Fall von Schubbruch im Holz aufgeführt: R d f mit ax, k equ v, k d Min( d, 1.25 d ) equ h = Verankerungslänge der Stange f d 3 0.2 1.5 v, k 1.2 10 equ k f v,k und k sind die charakteristischen Werte der Schubfestigkeit und der Dichte. 4.2 GIROD-Ansatz Im Rahmen des umfangreichen europäischen Forschungsprojektes GIROD wurde ein Bemessungsansatz basierend auf quasi-nichtlinearer Bruchmechanik entwickelt [5]: tanh f mit = mittlere Schubspannung entlang der Stange f = lokale Schubspannung in der Klebefuge = Parameter in Funktion von Anschlussgeometrie, die Steifigkeit von Holz / Klebstoff / Stange und die Bruchenergie der Klebfuge. Anhand einer Vielzahl von Versuchen wurde daraus der folgende Bemessungsansatz zur Berechnung des Ausziehwiderstands entwickelt: tanh Rax, k fax, k d equ mit 0.017 / d equ = Verankerungslänge (Klebefuge) d Min( d, 1.25 d ) equ h f ax,k = 5.8 N/mm 2. 4.3 Ansatz von Riberholt Riberholt schlägt einen Bemessungsansatz (auf Mittelwertsniveau) für den Ausziehwiderstand vor, welcher zwischen Stangen mit kurzen und
10 VERBINDUNGSTECHNIKEN 10.1 VERBINDUNGSMITTEL 766 ZUKUNFT langen Verankerungen unterscheidet [9]: R f d für 200 mm ax ws R f d für 200 mm ax wl ist dabei ein Holzdichtewert, welcher aus der Darrmasse und dem Volumen im Feuchtzustand zu ermitteln ist. Die Festigkeitsparameter f ws und f wl betragen 520 bzw. 650 N/mm 1.5 und 37 bzw. 46 N/mm 2 für spröde bzw. nicht-spröde versagende Klebstoffe. Gemäß Riberholt waren die Resorcinharze und einige Epoxydharze der Gruppe der spröden Klebstoffe zuzuweisen, während 2-K-PUR-Klebstoffe als nicht-spröde galten. Heutzutage ist bekannt, dass die rheologischen Eigenschaften der verschiedenen Klebstoffe unabhängig vom Klebstofftyp in einem weiten Maß eingestellt werden können. 4.4 Ansatz aus DIN 1052:2004 Gemäß der aktuellen deutschen Norm DIN 1052:2004 kann der charakteristische Ausziehwiderstand im Falle von Versagen in der Klebfuge berechnet werden mit: R d f ax, k k1, k Der charakteristische Wert der Klebfugenfestigkeit f k1,k beträgt in Abhängigkeit der Verankerungslänge: f k1, k 3.5 0.0015 für 500 1000 mm f k1, k 5.25 0.005 für 250 500 mm f k1, k 4.0 für 250 mm 5 Qualitätssicherung Die Vielzahl der Einflussparameter und die Streuung derselben lässt es mit Blick auf die Qualitätssicherung als ratsam erscheinen, dass zur Abklärung des Tragverhaltens Vorversuche durchgeführt werden. Dabei ist nachzuweisen, dass das Verhalten des Klebstoffs und seines Verbundes mit dem profilierten Stab und mit dem Holz während der geplanten Nutzungsdauer des Bauwerks innerhalb der angenommenen Temperatur- und Feuchtebereiche dauerhaft zuverlässig ist. Was die Umgebungsfeuchte betrifft, so beschränken die meisten aktuellen Bemessungsnormen auf den Einsatz von eingeklebten profilierten Stäben bei Bauteilen, welche den Nutzungsklassen 1 und 2 zugeordnet sind. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Qualität einer Verbindung oder eines Anschlusses mit eingeklebten Stangen wird empfohlen, den Systemgedanken in den Vordergrund zu stellen. Bei erfolgreichen Systemen werden anhand von umfangreichen Versuchsserien und theoretischen Überlegungen die Einflussparameter Holz (vorzugsweise Brettschichtholz), Klebstoff, Stange(n) (vorzugsweise profilierte Stahlstangen), Anschlussgeometrie (Schlankheit, Rand- und Zwischenabstände) und Applikationstechnik (Zentrierung der Stangen im Bohrloch, Klebstoffeinpressen) derart optimiert, dass mit diesen Systemen Verbindungen und Anschlüsse hoher Leistung hergestellt werden können. Das Modell basiert auf Versuchen von Blass [10] und lehnt sich eng an das Modell von Riberholt [9] an (siehe Abschnitt 3.3).
767 10 VERBINDUNGSTECHNIKEN 10.1 VERBINDUNGSMITTEL Quellen [1] Aicher S., Reinhardt H.-W. (Herausgeber) 2001: Joints in Timber Structures. Proceedings PRO 22. RILEM Publications S.A.R.L. [2] Proceedings of the Working Commission W18 "Timber Structures" of the International Council for Research and Innovation in Building and Construction CIB. [3] Steiger R., Köhler J. 2005: Paper CIB- W18/38-17-1: Analysis of censored data - Examples in timber engineering research. In: Proceedings of CIB-W18 Meeting 38, Karlsruhe, Germany. [4] www.neueholzbau.ch [5] Gustafsson P.-J., Serrano E., Aicher S., Johansson C.-J. 2001: A strength design equation for glued-in rods. In: Proceedings PRO 22 of the International RILEM Symposium on Joints in Timber Structures, Stuttgart, Germany. [6] Steiger R., Gehri E., Widmann R. 2006: Pullout strength of axially loaded steel rods bonded in glulam parallel to the grain. Materials and Structures 40:1. 69 78. [7] Widmann R., Steiger R., Gehri E. 2006: Pullout strength of axially loaded steel rods bonded in glulam perpendicular to the grain. Materials and Structures 40:8. 827 839. [8] Gehri E. 2001: Ductile behaviour and group effect of glued-in steel rods. In: Proceedings PRO 22 of the International RILEM Symposium on Joints in Timber Structures, Stuttgart, Germany. [9] Riberholt H. 1988: Paper CIB-W18/21-7-2: Glued bolts in glulam - Proposal for CIB code. In: Proceedings of CIB-W18 Meeting 21, Parksville, Vancouver Island, Canada. [10] Blass H. J., Eberhart O., Ehlbeck J., Gerold M. 1996: Wirkungsweise von eingeleimten Gewindestangen bei der Aufnahme von Querzugkräften in gekrümmten Biegeträgern und Entwicklung von Bemessungsgrundlagen, Teil 3. Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine. Universität Karlsruhe.
STATUSBERICHT ZUM AKTUELLEN STAND DER VERWENDUNG VON HOLZ UND HOLZ- PRODUKTEN IM BAUWESEN UND EVALUIERUNG KÜNFTIGER ENTWICKLUNGSPOTENZIALE Abschlussbericht 30.04.2009 ZUKUNFT HOLZ Querschnittsbericht und Entwicklungspotenziale Projekttitel Zukunft Holz - Statusbericht zum aktuellen Stand der Verwendung von Holz und Holzprodukten im Bauwesen und Evaluierung künftiger Entwicklungspotenziale Gefördert mit Mitteln der Landesstiftung Baden-Württemberg Im Rahmen der Zukunftsoffensive III Aktenzeichen 54-8214.07 IV/59-15 Bearbeitung Institut für Holzbau Hochschule Biberach Karlstraße 11 88400 Biberach Tel: 07351 / 582-521 Fax: 07351 / 582-529 holzbau@hochschule-bc.de Herausgeber Prof. Dipl.-Ing. Kurt Schwaner Mitarbeiter Dipl.-Ing. (FH) Johannes Sessing Dipl.-Ing. (FH) Karen Spanninger Dipl.-Ing. (FH) Stefanie Roßbach Dipl.-Ing. (FH) Timo Beutel Dipl.-Ing. (FH) Volker Knopp Peter Merk Peter Kaufmann Redaktion Dipl.-Ing. Arnim Seidel Dipl.-Holzwirt Stephan Klein
HOLZ Statusbericht zum aktuellen Stand der Verwendung von Holz und Holzprodukten im Bauwesen und Evaluierung künftiger Entwicklungspotentiale CD V1.1