Bautechnik 01/2014 Free Sample Copy by Ernst & Sohn

1 91. Jahrgang Januar 2014 ISSN 0932-8351 A 1556

Bautechnik Zeitschrift für den gesamten Ingenieurbau

- Innovative erdbebensichere Konstruktionen im Holzbau - Zum konstruktiven Holzschutz mit Polyurethan-Spritzelastomeren - Dauerhaftes Brettschichtholz aus Radiata Kiefer - Optimierte Schraubengeometrie für hochbeanspruchte Stahl-Holzverbindungen - Langzeitversuche an biegesteifen Rahmenecken im Außenklima - Glasfaserverstärkte Holzrohre zur Errichtung von Kleinwindkraftanlagen - Der neue Elefantenpark im Zoo Zürich - Wissenschaft in praktischer Absicht

Ein weiterer Stern für ganz Europa.

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HALFEN HDB: Die Dübelleiste mit ETA-Zulassung, CE-zertifiziert.

ls erster Hersteller konnte HALFEN mit Datum vom 18.12.2012 die HDB Dübelleiste mit Europäisch Technischer Zulassung (ETA) anbieten. Daraus ergeben sich für Sie folgende Vorteile: ƒ Eurocode konforme Bemessung nach dem aktuellen Stand der Technik ƒ Einheitliche Bemessungsregeln, gültig in 30 Ländern Auf der Baustelle eingebaute HALFEN Dübelleisten.

ƒ Höhere Tragfähigkeit in Flachdecken ƒ Durchstanzbemessung von Einzelfundamenten und Bodenplatten explizit geregelt ƒ An ETA angepasste Software und Technische Informationen zur HALFEN HDB Dübelleiste ab sofort verfügbar

Viele Argumente, ein Fazit: Die Produkte von HALFEN bedeuten Sicherheit, Qualität und Schutz – für Sie und Ihr Unternehmen.

Montage der HALFEN HDB Dübelleisten.

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Inhalt Bautechnik 1/14 Zum Titelbild Ein neues Elefantenhaus bereichert nun den Zoo Zürich. Das Gebäude ist ein Holzbau, der sich aufgrund seines netzartig-konstruierten Daches unauffällig in die Umgebung einfügt. Zielstellung, Planung und Umsetzung werden im Beitrag auf Seite 51 beschrieben.

HOLZBAU AUFSÄTZE

Tobias Vogt, Johannes Hummel, Michael Schick, Werner Seim Experimentelle Untersuchungen für innovative erdbebensichere Konstruktionen im Holzbau

Volker Schmid, Özkan Yildiz Zum konstruktiven Holzschutz mit hochelastischen PolyurethanSpritzelastomeren

Matthias Frese, Hans Joachim Blaß Dauerhaftes Brettschichtholz aus acetylierter Radiata Kiefer

Andreas Ringhofer, Reinhard Brandner, Gerhard Schickhofer Entwicklung einer optimierten Schraubengeometrie für hochbeanspruchte Stahl-Holz-Verbindungen

Christoph Koj, Martin Trautz Mit Schrauben fügen und bewehren – Langzeitversuche an biegesteifen Rahmenecken im Außenklima BERICHT

Jörg Wehsener, Tom-Egmont Werner, Andreas Heiduschke, Jens Hartig, Peer Haller Glasfaserverstärkte Holzrohre für Kleinwindkraftanlagen

Wolfram Kübler Das neue Elefantenhaus im Zoo Zürich FREIE THEMEN 90 JAHRE BAUTECHNIK

91. Jahrgang Januar 2014, Heft 1 ISSN 0932-8351 (print) ISSN 1437-0999 (online) Peer-reviewed journal Bautechnik ist ab Jahrgang 2007 bei Thomson Reuters Web of Knowledge (ISI Web of Science) akkreditiert. Impact Factor 2012: 0,293

www.wileyonlinelibrary.com, die Plattform für das Bautechnik Online-Abonnement

Karl-Eugen Kurrer Wissenschaft in praktischer Absicht

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BAUTECHNIK aktuell VERANSTALTUNGSKALENDER

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Produkte & Objekte Holzbau Bodenbeläge und Beschichtungen Aktuell

HOLZBAU

Aufstockung eines Karlsruher Altstadthauses mit Mansarddach

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Die Konstruktion der Wand- und Dachbauelemente, die individuell und nach Maß vorgefertigt werden

Karlsruhe am 5. Dezember 2012 um 7.00 Uhr morgens: Ein Großtransport hält in der Innenstadt vor der Waldstraße Nummer 4. Er hat Fertigbauteile für ein zweigeschossiges Mansarddach geladen. Der Kran steht auf der halbseitig gesperrten Straße bereit, und die Zimmerer haben die ersten Vorbereitungen auf der Baustelle hoch über den Dächern von Karlsruhe getroffen. Am Abend des nächsten Tages wird der Rohbau mit rund 200 m2 Wohnfläche stehen.

Innenstädten typisch ist. Für die Aufstockung mit einem zweigeschossigen Mansarddach schlug die Zimmerei Berggötz aus Karlsruhe Fertigbauelemente vor. Die erfahrenen Fachleute für Holzbau hatten die vorgefertigte Bauweise bei einem Seminar

Das Gebäude in der Waldstraße wurde 1963 erbaut und grenzt direkt an die Nachbargebäude, wie es für die Bebauung von a)

Bild 2 a + b

Um einen U-Wert von 0,18 W(m2K) zu erhalten, muss Mauerwerk 46 cm dick sein, eine LITEC Wand hingegen nur 26,3 cm

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

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Bauen mit hoch wärmegedämmten Fertigteilen: absenken, einpassen, anschrauben – fertig

HOLZBAU

Software für Statik und Dynamik

Das räumliche Stabwerksprogramm

Bild 4 Selbst die Montage der großen Dachbauelemente ging reibungslos und schnell

3D-Finite Elemente BIM / Eurocodes

des Riedlinger Unternehmens Linzmeier kennengelernt und sofort erkannt, welche Zeit- und Qualitätsvorteile damit verbunden sind. Damit konnten sowohl der Bauherr als auch das Architekturbüro Schmidt & Schmidt aus Karlsruhe für diese Lösung gewonnen werden.

Das ultimative FEM-Programm

Architektin des Architekturbüros, bestätigt: „Wir hatten bei der Gestaltung keinerlei Einschränkungen durch die Fertigelemente und konnten alles nach unseren Vorstellungen umsetzen.“

Stahlbau

Wetterunabhängig bauen

Konstruktion und statische Berechnungen inklusive Die Elemente wurden vom Hersteller millimetergenau konstruiert und in eigener Fertigung produziert – mit Öffnungen für die Gauben und den ausgefeilten Anschlüssen, die bei einer MansarddachKonstruktion mit verschiedenen Dachschrägen eine Herausforderung für sich sind. Frau Hahn, die betreuende

Querschnitte 3D-Stabwerke

Aktuelle Informationen... RF-/JOINTS Stahl - Stützenfuß: Fußpunkte gelenkiger und eingespannter Stahlstützen nach EC 3 RF-/FUND Pro: Block-, Köcher- und Einzelfundamente nach EC 2 und 7

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Brückenbau

Stabilität und Dynamik

Mit PUR/PIR-Hartschaum verfügen die Bauelemente über einen Hochleistungsdämmstoff, der auf Dauer formstabil ist, nicht zusammen sackt und nicht verrottet. Zudem ist er feuchte- und schimmelresistent. Die hohen Dämmwerte (WLS 026) bleiben jahrzehntelang konstant. Darüber hinaus stellt PUR/PIR-Hartschaum einer der am besten dämmenden Stoffe dar. Aufgrund seiner extrem hohen Dämmwirkung ergibt sich ein schlanker Wandaufbau, da schon mit geringer Dicke die EnEV-Vorgaben erfüllt werden.

Glas- und Membranbau

Verbindungen

Die eingesetzten Fertigbauteile fußen auf bewährter Holzständerbauweise. Da das Mansarddach eine Blechverkleidung erhalten sollte, sah der Wandaufbau wie folgt aus: eine 15 mm Holzwerkstoffplatte auf der massiven Holzrahmenkonstruktion, Dämmkern mit 200 mm PUR/PIR-Hartschaum, beidseitig mit Mineralvlies kaschiert, und außen wiederum eine Holzwerkstoffplatte mit 22 mm Stärke.

Am 5. und 6. Dezember 2012 war der Himmel bewölkt und es wehte ein kalter Wind. Die Giebelbalken standen, und die Zimmerleute erwarteten mit Spannung das erste Bauelement, das mit dem Kran ins oberste Stockwerk gehievt wurde. Beim Absenken auf die Traufkante genügten wenige Handgriffe, um das Element passgenau auf die Bohle aufzusetzen und an den oberen Dachbalken anzupassen. Die dafür notwendigen Stufenfalze der Elemente passten millimetergenau. Innerhalb kürzester Zeit standen die Wände des ersten Mansardgeschosses. Sofort wurden die ebenfalls mit PUR/PIR-Hartschaum wärmegedämmten LITEC GBS Flachdachgauben des gleichen Produktprogramms für die Gaubenfenster aufgeschraubt. Am zweiten Tag folgte die Montage des zweiten Mansardgeschosses. Als erstes wurden die Dachbauelemente auf die Holzbalkenkonstruktion aufgesetzt – jedes einzelne mit einer Spannweite von 10,80 m. Dann erst erfolgte das passgenaue Ansetzen der Wandelemente, die Aussparungen für die Dachflächenfenster hatten. Dominik Merz, der zuvor noch nie LITEC eingesetzt hatte, ist begeistert: „Das Bausystem ist sehr durchdacht und hat für alle Details eine überzeugende Lösung. Nicht nur wir, sondern auch der Bauherr und die Architektin sind mit dem Produkt höchst zufrieden und wir werden es mit Sicherheit weiter beim Kunden anbieten und empfehlen.“ Nach Montieren der Fertigbauteile wurden alle Bohlen, auf denen die Schrägdach-Elemente aufsitzen mit Quellmörtel abgedichtet.

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Hoch wärmegedämmt und nach Maß

(Fotos: Linzmeier)

HOLZBAU

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gedämmt worden. Da für solch einen Dachausbau die strengen Richtlinien für Neubauten eingehalten werden müssen, wären mindestens 30 cm Dämmstoffdicke der WLS 035 erforderlich gewesen. Entsprechend dick hätten die Sparren ausfallen müssen. Dazu kommt noch eine gute Woche Arbeit, die das Bauen in schwindelnder Höhe bei einer Traufkante von 12 m erfordert hätte. Damit spricht für die Bauelemente vor allem dreierlei: Individuelles Bauen lässt sich mit vorgefertigten Bauelementen von LITEC schnell und mit hoher Qualität realisieren. Zum zweiten ist der Raumgewinn aufgrund geringerer Aufbauhöhen ein weiteres, wichtiges Argument, da zum Beispiel Mieten nach Raumfläche berechnet werden. Auch im Gewerbebau stellt schlankes Bauen einen nicht unerheblichen Kostenvorteil dar, da weniger Raum umbaut werden muss. Drittens erlaubt LITEC das nahezu wetterunabhängige Bauen. Dass die Lösung langlebig ist, ein Gebäudeleben lang hohe Dämmwerte garantiert und dem Architekten größtmögliche Gestaltungsfreiheit bietet, sei hier der Vollständigkeit halber nochmals erwähnt.

Das fertig gestellte, zweigeschossige Mansarddach mit Blechverkleidung

Konventionell oder vorgefertigt – eine Gegenüberstellung Hätte die Zimmerei das Mansarddach konventionell erstellt, wäre die Holzständerbauweise wie üblich mit Mineralwolle

Hrsg.: Ernst & Sohn 90 Jahre Bautechnikgeschichte Bautechnik Sonderheft 2013. 124 S. Bestell-Nr. 50910213 € 25,–* Sonderpreis für Abonnenten der Bautechnik € 14,90* journal erhältlich. Auch als

Weitere Informationen: Linzmeier Bauelemente GmbH, Industriestraße 21, 88499 Riedlingen, Tel. +49 (0)73 71 – 18 06-0, Fax +49 (0)73 71 – 18 06-96, Info@Linzmeier.de, www.Linzmeier.de

Meilensteine des Bauwesens Aus Anlass des 90. Jahrgangs der Bautechnik erscheint ein besonderes Sonderheft der „Bautechnik“. Einige der bedeutendsten Meilensteine der vergangenen 90 Jahre auf dem Gebiet der Bautechnik (neue Verfahren, Materialien, Tragwerkskonzepte) werden in besonderer Weise vorgestellt. Renommierte Autoren kommentieren und bewerten den jeweiligen Meilenstein aus heutiger Sicht und schlagen die Brücke zu den Entwicklungen in der Bautechnik in Gegenwart und Zukunft.

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Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG

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HOLZBAU

Sandwich mit Biss – Eine neue Form der Brettstapeldecke Die Brettstapeldecke ist eine bewährte Deckenform die jetzt von zwei Unternehmen aus dem Schwarzwald neu definiert wurde. Das Ergebnis ist eine geschraubte Systemdecke nach Sandwichprinzip mit einer Holzfaser-platte als Zwischenlage. Eingebaut wurde das Pilotprojekt in einem Anbau des Schraubenherstellers HECO. Normalerweise bestehen Brettstapeldecken aus hochkant unter hohem Druck miteinander vernagelten Brettern gleichen Typs. Die HECO-Schrauben GmbH und die Zimmerei Lamprecht aus Schramberg haben diesen Aufbau geändert und statt Nägeln Schrauben verwendet. Mit einer Holzfaserdämmplatte als Wechsellage bekommen die Deckenelemente ganz neue Eigenschaften. Das merken vor allem die Mitarbeiter der Firma HECO, die von einem angenehmen Raumgefühl sprechen, das ihnen über die Decke vermittelt werde. Nicht nur akustisch, sondern auch vom Raumklima her gestalte sich das Arbeiten deutlich angenehmer als zuvor. Wegen des Aufbaus mit Konstruktionsvollholz und Holzfaserplatte liegt eine diffusionsoffene Deckenstruktur vor, die einen regelmäßigen Luftaustausch mit positivem Effekt auf das Raumklima ermöglicht. Auch akustische Anforderungen wie Geh- und Sprechgeräusche werden durch die Systemdecke positiv beeinflusst. Hierbei entkoppelt die Weichfaserplatte die Körperschallübertragung von der Tragstruktur, was die Schallübertragung in angrenzende Räume deutlich reduziert. Gleichzeitig wird die Schallreflexion im Raum gemindert.

KVH® , DUOBALKEN® , TRIOBALKEN®

schen gelegten Holzfaserplatten wirken wie Puffer und gleichen die Spannungen, die bei Belastung der Decke unweigerlich entstehen, aus. Die Sandwich-Struktur wiederum brachte neue Anforderungen an die Befestigungs-technik. Die Vorüberlegungen, welche Schrauben für die Module in Frage kämen, erklärt Ulrich Hettich, Leiter der Entwicklungsabteilung von HECO: „Wir mussten auf eine Schraube zurückgreifen, die hohe Lasten aufnehmen kann und gleichzeitig die Platten zusammenzieht.“ Die vollständige Lösung dieser Anforderungen bot schließlich die bauaufsichtlich zugelassene Holzschraube HECO-TOPIXCombiConnect. Sie besteht aus zwei Gewinden unterschiedlicher Steigung, die nicht nur das Zusammenziehen der zu verbindenden Bauteile bewirken, sondern auch die Übertragung hoher Zug- und Druckkräfte über das Gewinde gewährleisten.

Geschraubtes Brettstapelsystem für optimale Lastabtragung Systemdecke verhält sich wie ein geschlossenes System Für die etwa 173 m2-große Deckenfläche des Gebäudes, wurden Module der Größe 1 m × 6 m × 0,2 m (B/L/H) gefertigt und zusammengefügt. Sie bestehen aus hochkant gestelltem Konstruktionsvollholz (KVH), das im Wechsel mit Gutex-Holzfaserdämmplatten gestapelt und maschinell unter Druck verschraubt wird. Den Vorteil einer Verschraubung erkennen Anwender darin, dass über das Gewinde der Schrauben hohe Zug- und Druckkräfte aufgenommen und abgeleitet werden können. Das Ziel war, eine Systemdecke zu entwickeln, die mehr Lasten tragen kann und sich in der Akustik und im Raumklima noch besser verhält als konventionelle Brettstapeldecken – daher auch die Idee, im Sandwich-Prinzip zu arbeiten. Die dazwi-

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Systemdecke mit Sandwichprinzip: hochkant gestelltes Konstruktionsvollholz wird im Wechsel mit Holzfaserdämmplatten gestapelt und maschinell verschraubt.

Während die Verschraubung für den notwendigen Zug zwischen den einzelnen Bestandteilen sorgt, gleicht die gepresste Holzfaserplatte in den Zwischenräumen das Quell- und Schwindverhalten des Naturwerkstoffs Holz aus. Es ist daher keine Dehnungsfuge mehr notwendig, da die Dehnung im Element selbst beseitigt wird. Zudem sind Horizontallasten möglich, da die Schrauben den Zug in Quer- und Längsrichtung aufnehmen. Je nach Anforderung kann die Systemdecke durch geeignete zusätzliche Verschraubungen so erweitert werden, dass sie baustatisch als vollwertige Scheibe betrachtet werden kann.

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Das Konstruktionsvollholz wird im Wechsel mit Gutex-Holzfaserdämmplatten gestapelt.

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

HOLZBAU Ein Sandwich für mehr Wertschöpfung im Zimmereibetrieb und damit die Montage vor Ort drastisch zugenommen. Da die Fertigteile meist industrieller Herkunft sind und der Zimmerer nur noch zur Montage gerufen wird, gelingt es den Betrieben immer weniger eigene, handwerkliche Wertschöpfung zu generieren. Eine Systemdecke, die sich im Betrieb vormontieren und zwischenlagern lässt, bietet dagegen die Chance diese Werte wieder in den Betrieb zurückzuführen. Daher sind die Werkstücke so konzipiert, dass sie selbst in einem Kleinbetrieb umgesetzt werden können. Das Ziel ist, durch die Vergabe von Lizenzen, das Konzept der Brettstapeldecke in anderen Zimmereibetrieben zu verankern und dadurch langfristig das Handwerk und dessen Ansehen aufzuwerten.

Neben den technischen Vorteilen bringt die neue Brettstapeldecke auch für den Handwerksbetrieb wirtschaftliche Vorteile mit sich. Im Holzbaugewerbe hat die Verwendung von Fertigteilen

Projektdaten Objekt:

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Brettstapeldecke im neuen Anbau bei HECOSchrauben GmbH, Schramberg Planer/Architekt: Stollbert Architekten, Schramberg Ausführender Betrieb: Zimmerei Lamprecht GmbH, Schramberg/Heiligenbronn Urheber Systemdecke: Dieter Kazenwadel, Zimmerei Lamprecht GmbH Produkte: Konstruktionsvollholz eines Sägewerks aus der Region: 28,00 m3 – Gutex Holzfaserdämmplatte: 6,50 m3 – HECO-TOPIX-CC-Schrauben: ca. 3.000 St. Deckenfläche: Ca. 173 m2 Bauzeit: Fertigung der Module im Betrieb: 1,5 Wochen – Einbau vor Ort: 1 Tag

Nach dem Vorspannen erfolgt die maschinelle Verschraubung der Stapel mit der HECO-TOPIX-CC. Dabei wird zusätzliche Verspannung eingebracht. Das Doppelgewinde mit unterschiedlicher Steigung der HECO-TOPIX-CC zieht die Bauteile zusammen und gewährleistet die Übertragung hoher Zug- und Druckkräfte über das Gewinde.

Weitere Informationen: HECO-Schrauben GmbH & Co. KG, Dr.-Kurt-Steim-Straße 28, 78713 Schramberg, Tel. +49 (0)7422 – 989-0, Fax +49 (0)7422 – 989-200, info@heco-schrauben.de, www.heco-schrauben.de

Aussichtsturm am Pyramidenkogel

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Die Module der Systemdecke liegen direkt auf den Pfetten auf und ...

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

(Screenshot: Dlubal)

Bei dem neuen Anbau von HECO am Stammsitz in Schramberg handelt es sich um ein zweistöckiges Gebäude in überwiegender Holzbauweise mit Brandabschnittswänden. Die patentierte Systemdecke der Zimmerei Lamprecht wurde als massives Deckenelement, sichtbar eingebaut.

(Fotos: Heco)

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Der wahrscheinlich höchste Holzaussichtsturm der Welt wurde im Juni 2013 im österreichischen Klagenfurt am Wörthersee eröffnet. Inklusive der Spitze ist der Turm 100 m hoch. Er besitzt eine geschlossene und drei freie begehbare Aussichtsplattformen, die einen atemberaubenden Blick über den Alpe Adria Raum und die Seenlandschaft Kärntens bieten.

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Visualisiertes 3D-Modell in RSTAB und in DYNAM berechnete Eigenform

HOLZBAU Die von den Architekten Klaura + Kaden gewählte Spiralform steht symbolisch für Wachstum und Entwicklung. Ein weiteres Highlight des Turms ist die mit fast 52 m höchste überdachte Rutsche Europas. Sie befindet sich im Inneren der Konstruktion. Auf ihr werden Geschwindigkeiten bis zu 25 km/h erreicht.

Holzfaserdämmung. Alles im grünen Bereich!

Die statische Berechnung dieses spektakulären Bauwerks wurde von LACKNER + RAML mit RSTAB erstellt.

Konstruktion des Turms

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Das dritte Tragelement der Turmkonstruktion bilden acht Diagonalstränge aus Stahlrohren. Diese verlaufen vom Fußpunkt bis zur Spitze. Zu den Aussichtsplattformen gelangt man entweder mit dem transparenten Panoramaaufzug oder über eine der beiden Treppen.

m m e n!

Bei der Konstruktion des Aussichtsturms handelt es sich um ein „räumliches Fachwerk“. Ein wesentlicher Bestandteil des Haupttragwerks sind die 16 gekrümmten Lärchenholzstützen mit einem Querschnitt 32/144 cm. Diese sind durch zehn elliptische Stahlringe mit einem Kastenquerschnitt 440/160 miteinander verbunden. Der vertikale Abstand der Ringe beträgt 6,40 m.

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Energetisch zukunftsfähige Gebäudehüllen sind gefragt: Mit Holzfaserdämmstoffen und Wärmedämmverbundsystemen auf Holzfaserbasis werden Wände, Decken und Dächer aller Bauarten und jeden Alters fachgerecht gedämmt. Exzellenter sommerlicher Hitzeschutz, wohltuender Schallschutz, nachhaltige Wärmedämmung sowie natürlicher Feuchteausgleich durch Diffusionsoffenheit sind dabei nur vier Vorteile von vielen, die in der Praxis heute und in Zukunft zählen. 'HU 9+' XQG VHLQH 0LWJOLHGVÀ UPHQ

Wir dämmen natürlich!

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Die Lasten der oberen Turmebenen und des Turmkopfes werden in die Ebene 8 abgeleitet. Dazu sind in dieser Ebene zwei unterspannte Binder angeordnet, welche diese Lasten aufnehmen und in die Stützen abtragen.

Verband Holzfaser Dämmstoffe e.V. (VHD) Elfriede-Stremmel-Straße 69 42369 Wuppertal Telefon 0202 978 35 - 81 · Fax -79 info@holzfaser.org · www.holzfaser.org

Zwischen den Ebenen 8 und 9 befindet sich die „Skybox“, ein geschlossener, windgeschützter Bauteil. Darüber befinden sich die offenen Aussichtsplattformen. Die Bauzeit für die Errichtung des Turms am Pyramidenkogel betrug lediglich acht Monate.

Am Bau beteiligte Firmen: Bauherr: Pyramidenkogelinfrastruktur GmbH & Co KG, Klagenfurt/Österreich Architekt: Klaura + Kaden ZT GmbH Architekten, Klagenfurt/Österreich Statische Berechnung: LACKNER + RAML Ziviltechniker GmbH, Villach/Österreich Software: Dlubal Software GmbH, Tiefenbach

(Abb./Fotos: 1 Dlubal, 2 u. 3 Klaura + Kaden)

Weitere Informationen: Dlubal Software GmbH, Am Zellweg 2, 93464 Tiefenbach, Tel. +49 (0)9673 – 92 03-0, Fax +49 (0)9673 – 92 03-51, info@dlubal.com, www.dlubal.de

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Gesamtansicht Turm

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Innenansicht der „Skybox“ Gesamtansicht Turm

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HOLZBAU

Bis zu 100 % erhöhte Abschertragfähigkeit Das SPAX Vollgewindesortiment bietet einfach auszuführende und hoch tragfähige Lösungen z.B. für die Verstärkung von Holzbauteilen bei Querzug- oder Querdruckbeanspruchung. Bei Verbindungen mit SPAX Vollgewinde kann sich die Abschertragfähigkeit – bedingt durch den Einhängeeffekt – um bis zu 100% erhöhen. Geringe Verbindungsmittelabstände sind durch die CUT- und 4CUT-Spitze garantiert. Über die allgemein bauaufsichtliche Zulassung Z-9.1-519 oder die europäisch technische Zulassung ETA-12/0114 werden die durchweg in Deutschland hergestellten Produkte geregelt.

Die SPAX für den Holzbau mit Senkkopf und Vollgewinde sorgt für sicheres Arbeiten und und ist die erste Wahl für Querdruck- und Querzugverstärkungen. Schraubenlängen bis 800 mm erweitern das Anwendungsspektrum zusätzlich. Natürlich ist die SPAX Senkkopf mit Vollgewinde auch in Edelstahl rostfrei A4 verfügbar, sowie bauaufsichtlich zugelassen. Die SPAX Senkkopf mit Vollgewinde ist dabei zu Bolzenverbindungen oder Blechformteilen. Bei Querzugverstärkungen ersetzt diese SPAX aufgeleimte Verstärkungsplatten oder eingeleimte Gewindestangen. Das Vollgewinde nimmt im Vergleich zum Teilgewinde besonders hohe Zug- und Druckkräfte auf. Das Material Edelstahl rostfrei A4 mit erhöhtem Korrosionswiderstand sorgt für langlebige Sicherheit und effektiven Schutz z.B. bei Salzlagerhallen, gerbstoffreichen Hölzern wie z.B. Eiche oder der Verwendung im frei bewitterten Außenbereich. Überall dort, wo sichere, korrosionsbeständige und belastbare Schraubverbindungen im Holzbau gefordert sind, ist die SPAX Senkkopf mit Vollgewinde in Edelstahl rostfrei A4 die beste Empfehlung.

SPAX Vollgewinde mit Zylinderkopf (6 und 8 mm) Auch die SPAX Vollgewinde mit Zylinderkopf für den Holzbau erlaubt die Übertragung von hohen Druck- und Zugkräften. Generell eignet sich die SPAX mit Zylinderkopf überall dort, wo aus optischen Gründen ein kleiner Kopf gewünscht ist, welcher sich ggfs. auch im Holz tiefer versenken soll. Auch für die Verstärkung von Stabdübelverbindungen sind diese Produkte bestens geeignet, weil durch die Verstärkung keine Abminderung der effektiven Anzahl erfolgen muss: n = nef. Die Gesamtanzahl der Stabdübel kann somit auf das rechnerisch erforderliche Maß beschränkt bleiben, was zu einer deutlichen Steigerung der

(Fotos: Spax)

SPAX Vollgewinde mit Senkkopf (8, 10 und 12 mm)

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Bietet alle Vorteile einer flexiblen und immer aktuellen OnlineLösung: Die serverbasierte Software SPAX Online-Bemessungssoftware.

Wirtschaftlichkeit führt. Somit sind kompaktere Anschlussbilder möglich. Mit dem Gewindeaußendurchmesser 6 mm können darüber hinaus auch schmale Holzquerschnitte verschraubt werden. Die SPAX mit Zylinderkopf ist für besseren Korrosionsschutz mit WIROX beschichtet. WIROX bietet im Vergleich zur herkömmlichen gelben Verzinkung einen 10fach höheren Korrosionsschutz. Neben dem Holzbau findet die SPAX Vollgewinde mit Zylinderkopf auch im Bereich der Holz-Glas-Fassaden Verwendung. Hier sind verdeckte Pfosten-Riegel-Verschraubungen bei kleiner Bauteilbreite möglich. Bei beiden Schraubentypen sorgt das SPAX typische Wellenprofil für ein schnelles und sicheres Verschrauben. Der Anwender spart Zeit und Geld. Die SPAX CUT-Spitze verringert wirkungsvoll das Spalten von Holz und der SPAX T-STAR Kraftangriff erleichtert das Einschrauben deutlich.

Neue SPAX Online-Bemessungssoftware Der Hersteller bietet nicht nur Produkte – sondern auch den Service – der das Arbeiten leichter und schneller macht, wie z.B. die bewährten SPAX-Bemessungshinweise mit Tragfähigkeitstabellen etc. Zusätzlich stellt das Unternehmen registrierten Nutzern online eine Bemessungssoftware für den Holzbau zur Verfügung. Damit wird die Planung und Bemessung ausgewählter Verbindungen und Verstärkungen für die Holzkonstruktion unterstützt bzw. erleichtert.

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Zeit und Geld gespart: Bei beiden Schraubentypen sorgt das SPAX typische Wellenprofil für ein schnelles und sicheres Verschrauben.

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Die von der Software durchgeführten Berechnungen und Nachweise können abgespeichert und ausgedruckt werden. Im Ergebnis wird angezeigt, welche SPAX in Frage kommt. Die serverbasierte Software bietet alle Vorteile einer flexiblen und immer aktuellen Online-Lösung. Die eingegebenen Projektdaten können lokal auf dem Rechner gespeichert werden und jederzeit

HOLZBAU wieder aufgerufen werden, nachdem die Online-Bemessungssoftware gestartet wurde. Die Ausgaben im pdf-Format können sie ebenfalls lokal auf Ihrem Rechner speichern und in branchenspezifische Softwarelösungen wie z.B. BauText problemlos einlesen. Die Bemessungssoftware ist modular aufgebaut und wird schrittweise ergänzt. SPAX liefert die optimalen Lösungen und guten Service, wenn es um Verbindungen im Holzbau geht. Der Grund ist ganz einfach: SPAX ist Made in Germany! Und das mit langer Tradition seit 1823.

Weitere Informationen: SPAX International GmbH & Co. KG, Kölner Straße 71 – 77, 58256 Ennepetal, Tel: +49 (0)23 33-799-0, Fax: +49 (0)23 33-799-199, info@spax.com, www.spax.com

BIMFORMATION MANAGEMENT

Neue Lehr-DVD „KVH®, Duobalken®, Triobalken®“ Eine neue Lehr-DVD „KVH®, Duobalken®, Triobalken®“ der Überwachungsgemeinschaft Konstruktionsvollholz KVH e.V. richtet sich an alle Universitäten, Hochschulen, Holzfach- und Meisterschulen, an denen modernes Bauen mit Holz gelehrt wird. Die Lehr-DVD ist als vielseitig einsetzbares Lehr- und Lernmittel für angehende Architekten, Bauingenieure, Technikerund Handwerksmeister konzipiert. Klar gegliedert und übersichtlich gestaltet, informiert die DVD über Herstellung, technische Eigenschaften und Anwendungs- und Einsatzbereiche von KVH®, Duobalken®, Triobalken® (Balkenschichtholz) nach dem Stand der Technik.

Ein vielseitig einsetzbares Lehr- und Lernmittel für angehende Architekten, Bauingenieure, Techniker- und Handwerksmeister: Die neue LehrDVD „KVH®, Duobalken®, Triobalken®“ der Überwachungsgemeinschaft Konstruktionsvollholz KVH e.V.

Die neue Lehr-DVD kann zusammen mit der Broschüre „Technische Informationen KVH®, Duobalken®, Triobalken®“ kostenlos bei der Überwachungsgemeinschaft Konstruktionsvollholz e.V. angefordert werden.

Bernd, Stahlfertiger

Kevin, Fertigteilbauer

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Karl-Heinz, Bauunternehmer

Experten aus verschiedenen Disziplinen sind mit der Herausforderung konfrontiert, in der Planung miteinander detailliert zu kommunizieren und übereinzustimmen. Sie brauchen ein Tool, das eine effektive Datenzentralisierung und -überprüfung in allen Phasen des Bauprojektes ermöglicht. Durch die Arbeit an ein und demselben Tekla-Modell stehen allen Partnern die aktuellsten Baudaten zur Verfügung, in Echtzeit. Tekla Structures BIM (Building Information Modeling)Software bietet eine datenintensive 3D-Umgebung, die von Bauunternehmern, Planern, Konstrukteuren und Fertigungsbetrieben sowohl im Stahl- als auch Betonbau gemeinsam genutzt werden kann. Tekla ermöglicht besseres Bauen und eine optimale Integration bei Projektmanagement und -auslieferung.

Weitere Informationen: Überwachungsgemeinschaft Konstruktionsvollholz e.V., Elfriede-Stremmel-Straße 69, 42369 Wuppertal, Tel. 0700-KVHDUOTRIO bzw. 0700 – 58 43 86 87, Fax + 49 (0)202 – 978 35-79, info@kvh.eu, www.kvh.eu

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HOLZBAU

Holz- und Flammschutz durch Nanopartikel aus Silizium- oder Titanverbindungen

findet sie hauptsächlich in den Zellhohlräumen, den Lumen. Sie sind aber auch in den Zellwänden nachweisbar.

Äußerlich sieht man dem Holz seine Behandlung gar nicht an. „Es ist imprägniert, aber die typische Holzoberfläche bleibt erhalten“, sagt Thomas Hübert von der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und zeigt auf ein 5 mal 10 cm großes Kiefernholzstück. Die neue Imprägnierung ist kaum färbend. Das Geheimnis sind Nanopartikel aus Silizium- oder Titanverbindungen, die im Holz entstehen und dieses dauerhaft vor Pilzbefall schützen. Und mehr noch: Als Resultat der Zusammenarbeit von Forschergruppen aus der BAM und dem Burkhardt-Institut der Georg-August-Universität Göttingen konnten die Wissenschaftler zeigen, dass auch der Brandschutz und die Härte des Holzes durch die Behandlung verbessert wird. Bereits der Zusatz von etwa einem Masseprozent von Titandioxid reicht dafür aus. Das Projekt hatte auch das Ziel, zu schauen, ob es nicht umweltfreundlichere Alternativen zu den herkömmlichen Verfahren gibt, die oft auf bedenkliche Substanzen setzen. In einem ersten Schritt wurde dafür ofengetrocknetes Kiefernsplintholz (Pinus sylvestris L.) ausgewählt. Splintholz stammt aus dem äußeren Stammbereich des Baumes. Dort werden Wasser und Nährstoffe transportiert. Aus diesem Grund ist dieses Holz auch besonders anfällig gegenüber Schädlingen. Die Holzproben wurden mit Silizium- und Titanalkoholat-Lösungen auf Ethanoloder Isopropanol-Basis im Vakuum durchtränkt. Die Alkoholate werden hydrolisiert und es entstehen heterogene Stoffgemische, so genannte Suspensionen, die die Nanopartikel enthalten. Zur Anwendung kam dabei der so genannte Sol-Gel-Prozess. Ein „Sol“ nennen Wissenschaftler eine Suspension von sehr kleinen festen Teilchen (mit einer Größe von einigen Nanometern) in einem flüssigen Medium. Der Sol-Gel-Prozess ist eine Synthesemethode, bei der durch Hydrolyse und Kondensationsreaktion zunächst ein Sol und dann durch Vernetzung der Solpartikel ein festes Gel gebildet wird. Diese Gele bedecken gleichmäßig in dünnen Schichten die Zellen des Holzes. Man

Die Einlagerung führe dazu, schreiben die Wissenschaftler in einem Artikel für das Fachblatt „International Biotdeterioration & Biodegradation“*), dass die Materialien einen deutlich messbaren Schutz gegen holzzerstörende Braunfäulepilze (Coniophora puteana und Poria placenta) aufweisen. Die Proben wurden dabei zunächst einem 10-wöchigen Laborversuch ausgesetzt. Aber auch die Ergebnisse nach 16 Wochen deuten darauf hin, dass der Schutz dauerhaft ist. Die imprägnierten Proben zeigten eine verringerte Feuchtigkeitsaufnahme um bis zu 50 % (im Vergleich zum nicht behandelten Holz), während sich die Biegefestigkeit um bis zu 40 % erhöhte. Das Material zeigt auch eine bessere Beständigkeit gegenüber Feuer. Im optimalen Fall lag die flammenhemmende Wirkung bei bis zu 80 %. Die Kohlenmonoxid-Bildung wie auch die Rauchentwicklung könnten deutlich gesenkt werden. Die Wissenschaftler sehen in ihrer Methode mit letztlich nichtgiftigen Stoffen, die keine toxischen Substanzen freisetzen, sowie in der einfachen Handhabung und den relativ niedrigen Kosten großes Potenzial. In einem nächsten Schritt streben sie einen Austausch der derzeit noch verwendeten Lösungsmittel wie Ethanol oder Isopropanol durch Wasser an. Weitere Informationen: BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Unter den Eichen 87, 12205 Berlin, Tel. +49 (0)30 – 81 04-0, Fax +49 (0)30 – 811 20 29, info@ bam.de, www.bam.de

DACH+HOLZ International Die Messe, vom 18. bis 21. Februar 2014 auf dem Messegelände in Köln, ist der europäische Branchentreff rund um die Gebäudehülle. Kurz vor Beginn der Bausaison stellen hier über 550 Aussteller aus 26 Ländern ihre Neuentwicklungen aus den Bereichen Holzbau, Dach, Fassade, Metallbearbeitung, Klempnertechnik und Ausbau vor.

(Foto: BAM)

In vier Messehallen und auf dem Freigelände zeigen nationale und internationale Aussteller (Stand: Dezember 2013) – darunter Ante, Bauder, Binder Holz, Braas, Creaton, Dörken, Fermacell, Hundegger, Kronoply, Mafell, Merk Timber GmbH, Rheinzink, Rockwool, Roto, Velux und Wolfin – ihre Neuheiten.

Holz-Titandioxid Nanokomposit; Foto: BAM-Arbeitskreis Nanotechnologie

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In Halle 6 dreht sich alles um Steildach, Dachbahnen und Metall. Schwerpunkte in der Halle 8 sind u. a. Metall, Absturzsicherung und Gerüste. Die Anbieter zu Flachdach, Fassade und

HOLZBAU Entwässerung sind in Halle 9 vertreten. Holzelementbau, Holzfassaden, Dachaufstockungen, CAD-Planung, Dämmungen aller Art sowie Sanierung von Holzkonstruktionen sind die Kernthemen der Halle 7.

Umfangreiches Tagungsprogramm

(Foto: GHM)

Neben Produkten und Bausystemen überzeugt die Messe mit einem umfangreichen Tagungsprogramm. So beschäftigt sich das täglich stattfindende Fassadenforum mit den Chancen und das Potenzial von vorgehängten hinterlüfteten Fassaden. Höhepunkt des Begleitprogramms ist das Architekturforum „holzhochdrei“ am Messedonnerstag (20.2.). Hier stellen internationale Architekten die Vielfalt moderner Holzkonstruktionen vom Niedrigenergiehaus über weit gespannte Tragwerke bis zum Hochhausbau vor. Planer und Architekten, Zimmerer, Dachdecker und Bauklempner haben im Februar ein gemeinsames Ziel: die DACH + HOLZ International in Köln

Stararchitekten Die Holzbaufirma Blumer-Lehmann (Gossau/Schweiz) präsentiert die mit dem japanischen Architekten Shigeru Ban realisierten Freiform-Architekturprojekte (z. B. Headquarter von Swatch). Das dänische Büro C.F. Møller Architects stellt ihre Pläne zu einem 34 Stockwerke hohen Holzhaus in Stockholm vor, das bis 2024 errichtet sein soll. Des Weiteren werden u. a. folgende Architekturbüros dabei sein: Prof. Rossi Prodi (Florenz) spricht über die derzeit höchsten Holzhäuser Europas, seine vier neungeschossigen Gebäude in der Mailänder Via Cenni. sauerbruch hutton (Berlin) berichtet über ihrer

Holzkirche in Köln. Architekten und Planer finden alle Vorträge, Referenten und die Registrierung auf www.dach-holz.de/ architekturforum.

Weitere Informationen: GHM Gesellschaft für Handwerksmessen mbH, Willy-Brandt-Allee 1, 81829 München, Tel. +49 (0)89 – 949 55-230, Fax +49 (0)89 – 949 55-239, kontakt@ghm.de, www.ghm.de

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HOLZBAU

Hitze besser puffern Das Zuhause ist der Ort, an dem der Mensch zu Ruhe und neuen Kräften findet. Damit das immer wieder gewährleistet ist, müssen bestimmte bauliche Voraussetzungen vorliegen: Für den VHD (Verband Holzfaser Dämmstoffe) zählt dazu in erster Linie eine intakte, natürlich gedämmte Gebäudehülle, die jeden Bewohner vor Wetterunbilden und klimatischen Extremen schützt. „Etliche wissenschaftliche Gutachten und Studien belegen, was sich in der Baupraxis seit Jahrzehnten zeigt – dass Dämmstoffe aus natürlichen Holzfasern bauphysikalische Eigenschaften besitzen, die über einen effektiven Schutz vor Wind und Wetter hinaus zugleich ein Maximum an Wohlgefühl und Wohnbehaglichkeit bewirken“, erläutert Dr.-Ing. Tobias Wiegand, Geschäftsführer beim VHD in Wuppertal. Das Naturmaterial hält die größte Sommerhitze draußen und lässt die Winterkälte sehr viel später rein als in einer ungedämmten Wohnung. Hinzu kommt der Schallschutz einer fachgerecht ausgeführten Holzfaserdämmung: Wer weniger Lärm aus der Nachbarschaft ertragen muss, lebt stressfreier und nachweislich gesünder. Was wie ein vollmundiges Versprechen aus der Werbung klingt, lässt sich wissenschaftlich genau durch charakteristische bauphysikalische Eigenschaften der Holzfaserdämmstoffe belegen.

Hohe Wärmespeicherkapazität Um im Sommer vor unangenehm hohen Außentemperaturen zu schützen, braucht ein guter Dämmstoff eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, ein hohes Raumgewicht sowie eine hohe spezifische Wärmekapazität. Holzfaserdämmstoffe vereinen alle drei Aspekte in optimaler Weise. Sie – verfügen über hohe Wärmespeicherkapazitäten; das bedeutet, dass große Mengen Wärmeenergie vom Dämmstoff „gepuffert“ bzw. aufgenommen werden und erst gar nicht in den Raum gelangen können; – bewirken lange Phasenverschiebungen; das heißt, dass die Wärmewelle die Innenseite des Bauteils tagsüber nicht mehr

erreicht, sondern erst sehr viel später in den kühleren Abendstunden; – zeichnen sich durch kleine Temperaturamplituden aus; d. h., dass die Wärmewelle im Tagesverlauf so stark gedämpft wird, dass sie auf der Innenseite des Bauteils kaum noch messbar ist.

Niedrige Wärmeleitfähigkeit Für einen effektiven Schutz vor Raumwärmeverlusten ist eine möglichst niedrige Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffs wichtig. Deren Bemessungswert kommt wie folgt zustande: Gemäß Stoffnorm deklariert der Hersteller einen Nennwert der Wärmeleitfähigkeit. Aus diesem wird der Bemessungswert abgeleitet, der als Lambda-Wert bekannt ist. Wie bei vielen anderen gebräuchlichen Dämmstoffen liegt bei Holzfaserdämmplatten der Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit bei 0,039 bis 0,045 W/(mK). Andere Holzfaserprodukte liegen im Bereich von 0,045 bis 0,055 W/(mK). Wärmeverluste durch Bauteile werden in jedem Fall durch eine Holzfaserdämmung wirksam minimiert.

Vorbildliche Schalldämmmaße Ausschlaggebend für die guten Schalldämmung von Holzfaserdämmstoffen ist vor allem die poröse Faserstruktur, die sich durch eine hohe schallabsorbierende Wirkung auszeichnet. Zahlreiche Prüfberichte zeugen von hervorragend bewerteter Schalldämmung für alle Arten von Bauteilen mit Holzfaserdämmung. Außenwände in Massiv- und Holzbauweise mit Vorhangoder WDVS-Fassaden bis Rw,P = 56 dB, Dächer mit Zwischenoder Aufsparrendämmung bis Rw,P = 59 dB, Holzbalkendecken als Geschossdecken bis Rw,P = 79 dB sowie leichte Raumtrennwände bis Rw,P = 62 dB. Auch Holzfaser-Trittschalldämmplatten erzielen so niedrig bewertete Norm-Trittschallpegel (bis Ln,w,P = 34 dB) bzw. so hohe Trittschallverbesserungsmaße (bis DLw,P = 30 dB), dass sowohl Holz- als auch Massivdecken den Eignungsnachweis als „Wohnungstrenndecken“ bei normalen wie auch bei erhöhten Schallschutzanforderungen erlangen können.

Diffusionsoffene Materialstruktur

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Bei Außentemperaturen über 30 °C kommt es auf einen guten Hitzeschutz an. Dafür muss der Dämmstoff Wärme, die von außen auf die Gebäudehülle trifft, in sich aufnehmen, für eine gewisse Zeit speichern und „puffern“ – also 1. verzögert und 2. peu à peu wieder abgeben. Daraus resultiert der Phasenverschiebung genannte temperaturausgleichende Effekt, bei dem der Wärmeeintrag ins Haus so lange hinausgezögert wird, bis die abendliche Abkühlung einsetzt.

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(Abb./Foto: VHD)

Nicht jedes frisch gedämmte Gebäude kann sofort vollflächig ummantelt werden. Auch weisen Bestandsgebäude oft Undich-

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Fachgerecht in den Fußbodenaufbau integriert, kann eine Holzfaserdämmung hörbare Gehgeräusche ganz erheblich reduzieren; eine Trittschallminderung um bis zu 12 dB ist beispielsweise bei den heute sehr beliebten Laminatfußböden durchaus zu erzielen.

HOLZBAU tigkeiten im Dachbereich und sonst wo an der Gebäudehülle auf, durch die Feuchtigkeit unter ungünstigen Umständen auch die Dämmebene erreichen kann. Somit stellt sich die Frage, wie die Faserstruktur von Holzfaserdämmstoffen auf Feuchte reagiert. Maßgeblich für die Bewertung der Feuchteresistenz von Dämmstoffen aller Art sind die Wasserdampfdiffusionswiderstandszahlen; für Holzfaserdämmstoffe liegen sie mit Werten von 3 bis 5 in einem für die diffusionsoffene Bauweise optimalen Bereich. Der Wasserdampfdurchgang wird dabei nur geringfügig gepuffert, nicht aber gebremst oder gar abgesperrt. Eine schadlose Feuchteaufnahme bis 20 Gew.-% ist möglich, ohne dass der Holzfaserdämmstoff „nass“ erscheint. In den porösen Holzfasern wird die Feuchtigkeit dabei zwischengespeichert und auf dem Diffusions- und Kapillarweg wieder abgegeben. Hierzu sind ausschließlich organische Fasern imstande, vor allem solche aus Nadelholz. Die Vorteile, die sich aus der diffusionsoffenen Bauweise allgemein und insbesondere dem Dämmen mit diffusionsoffenen Holzfaserprodukten ergeben, führen zu einem als äußerst angenehm empfundenen Raumklima. Es kommt also nicht von ungefähr, dass sich Menschen in holzfasergedämmten Gebäuden erheblich wohler fühlen als in unzureichend oder gänzlich ungedämmten Häusern. Weitere Informationen: Verband Holzfaser Dämmstoffe e.V. (VHD), Elfriede-Stremmel-Straße 69, 42369 Wuppertal, Tel. +49 (0)2 02 – 978 35 81, Fax +49 (0)2 02 – 978 35 79, info@holzfaser.org, www.holzfaser.org

Einheitliche Plattform für unterschiedliche Programme – für Planer und Handwerk Gut synchronisierte Arbeitsschritte und praxisbezogene Entwicklungen erhöhen die Produktivität in der Bauindustrie. Innovative Softwarelösungen spielen dabei eine entscheidende Rolle, denn sie integrieren unterschiedliche Abläufe und machen so das Bauen wirtschaftlicher. Speziell im konstruktiven Ingenieurbau. Das Softwarehaus TragWerk Döking + Purtak GbR hat sich auf die statisch-konstruktive Betreuung von Bauvorhaben im Hochbau und die Entwicklung von Anwendungssoftware auf den Gebieten Ingenieurbau, Architektur und Management spezialisiert. Ihre Statik-Plattform TW Solution ist auch für generelle parametrisierbare Problemstellungen erste Wahl.

Holzdecke, Stahlbetondecke oder Verbundsystem

erfüllen sie vielfach dann doch nicht die Anforderungen an neuzeitlichen Wohn- oder Arbeitskomfort. Mittels einer prüffähigen Statik kann man auch im Vorfeld verlässlich sagen, ob es wirtschaftlicher ist, die bestehende Holzdecke aus- und z. B. eine neue Stahlbetondecke einzubauen, oder etwa das Holz-Beton Verbundsystem zu installieren. Dabei lässt sich die TW Solution als einheitliche Plattform über sehr unterschiedliche, vorhandene Programme und Lösungswege legen. Sie berücksichtigt in diesem Fall den externen Rechenkern der Elascon GmbH.

Höchstes Augenmerk auf Software-Ergonomie Elascon-Geschäftsführer Dipl.-Ing Holger Rupprecht: „Bei dem Anwendungsbeispiel der Holzbalkendecken muss der Planer in seinen Berechnungen oft mehr als sieben Variablen überwachen. Dazu zählen Faktoren wie Standsicherheit, Schwingungsnachweise oder die Verteilung des Schubverbundes. Weil die Entwickler von TW Solution höchstes Augenmerk auf die Software-Ergonomie gelegt haben, weiß man als Planer bei denen immer wo man sich befindet“. Viele ingenieurtechnische Aufgaben lassen sich mit parametrischen Problemstellungen beschreiben. Auf diese Weise ist mit Computerprogrammen eine schnelle, wiederholbare und verlässliche Lösung möglich. Fortlaufend werden von Ingenieuren neue Erkenntnisse und spezialisierte Algorithmen, Vorschriften und Problemlösungen als Fachprogramme eingepflegt. Meist ist es jedoch nicht möglich, diese Fachprogramme einem breiten Anwenderkreis nutzbar zu machen, da sie individuell konzipiert und damit in Oberflächen, Schnittstellen und Systemanforderungen sehr heterogen sind und nicht den Anforderungen an marktfähige Softwareprodukte entsprechen. Hier setzt die Grundidee von TW Solution an: Externe Rechenkerne lassen sich mit Hilfe ausgereifter Ein- und Ausgabetechnologien, plausibler Benutzerführung, der Integration in Test-, Build-, Release- und Vertriebszyklen sowie einem Kundensupport zu marktfähigen Ingenieur-Softwareprodukten weiterentwickeln. TragWerk-Geschäftsführer Dipl.-Ing. Wolfgang Döking: „Unsere TW-Plattform wird von Praktikern für Praktiker entwickelt und fortgeschrieben. Wir sind Bauingenieure mit einem tiefen Verständnis für Datenstrukturen. Wir wissen auch, dass ca. 80 % des Entwicklungsaufwandes einer marktfähigen Ingenieuranwendung für rein softwaretechnische Probleme gebündelt wird. In TW Solution lassen sich viele diese Aufwendungen reduzieren, da sie in anpassbarer Form bereits gelöst wurden. Wir ersparen den Kunden eigene lange Entwicklungszeiten und können seine Vorgaben in kurzer Zeit adaptieren“.

Das konnte die Elascon GmbH aus Waldkirch bei Freiburg feststellen. Das Inhaber-geführte Unternehmen wurde 2010 gegründet und gilt als Technologieführer im Bereich HolzBeton-Verbund. Spezialgebiet ist die Sanierung alter Holzbalkendecken.

Zu den bisher verfügbaren Modulen von TW Solution zählen z. B. TW Glas, TW Mauerwerk, Schneelast-Ermittlung, Windlast-Ermittlung, Querkraftbewehrung oder Elascon Verbunddecke.

Holzdecken waren üblich im sozialen Wohnungsbau der Vorkriegszeit, aber auch im Gewerbebau. Wegen mangelnder Traglast müssen die alten Geschossdecken heute jedoch saniert werden. Doch oftmals erweist sich die Sanierung als unverhältnismäßig aufwendig und obendrein sehr teuer. Außerdem

Weitere Informationen: TragWerk Software, Döking+Purtak GbR, Prellerstraße 9, 01309 Dresden, Tel. +49 (0)351 – 43 30 85-0, Fax +49 (0)351 – 43 30 85-5, info@tragwerk-software.de, www.tragwerk-software.de

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BODENBELÄGE UND BESCHICHTUNGEN

„Durchhänger“ beseitigt Ein durchhängender Betonboden kann durchaus als Gefährdung der Betriebssicherheit angesehen werden. Und das umso mehr, als eine undichte Wasserleitung zu Aus-spülungen und damit größeren Hohlräumen unter dem Boden geführt hat. Mit URETEK konnte bei laufendem Betrieb saniert werden.

Erschwerend kam hinzu, dass eine undichte Druckwasserleitung mit deutlich hörbaren Wasseraustritten entdeckt wurde. Die Hohllage unter der Bodenplatte beträgt hier bis zu ca. 32 cm. Eine Reparatur wurde unmittelbar veranlasst. Anscheinend hatte man schon vor ca. 6 Monaten einen erhöhten Wasserverbrauch registriert, zunächst aber nichts weiter unternommen.

(Fotos: Uretek)

In dem oberfränkischen Betrieb für Metallverarbeitung hat sich über einen Zeitraum von ca. 45 Jahren der Betonfußboden um bis zu 15 cm abgesenkt, sodass er jetzt regelrecht durchhängt. Der ca. 17–22 cm starke bewehrte Betonboden ist bereichsweise in einem Raster von ca. 5,0 – 6,0 m mit Dehnfugen versehen. Unterhalb der Bodenplatte befindet sich ein Filterkies (40 – 60 mm), der nicht näher definierten Geländeauffüllungen aufliegt. Tragende Stützen und Wände gründen auf tiefer geführten Streifenfundamenten, denen die Hallenbodenplatte randlich aufliegt.

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Zwischenzeitlich hatte man sich mit Unterfütterungen geholfen.

Da zu befürchten war, dass Maschinen und Regallager durch den Betonboden durchbrechen sowie auch um ggf. auftretende Schwingungen des Hallenbodens zu reduzieren, war eine Bodensanierung unumgänglich. Es wurde besprochen, mit Hilfe der URETEK-FloorLift®-Methode die vorhandenen Hohlräume unter dem Betonboden aufzufüllen, bis der Fußboden wieder überall vollflächig und kraftschlüssig auf dem Untergrund aufliegt. Anschließend sollte der Fußboden wieder in Richtung Ursprungsniveau angehoben werden.

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Deutlicher Absatz im Boden.

Durch 12 mm-Bohrlöcher in der Fläche, im Abstand von ca. 1,20 – 1,50 m, wurde das URETEK-Expansionsharz direkt unter den Betonboden gepresst. Durch die Volumenvergrößerung der Harze wurden vorhandene Hohlräume aufgefüllt, bis der Fußboden wieder vollflächig und kraftschlüssig auf dem Unterbau auflag. Wegen der kurzen Reaktionszeit der Harze und einer millimetergenauen Überwachung durch Nivellierlaser konnte der ganze Prozess genau kontrolliert und gesteuert werden. Stabilisierte Bereiche konnten bereits 15 Minuten nach der letzten Injektion wieder voll belastet werden. Somit wurde eine Unterbrechung der betrieblichen Abläufe verhindert. Für den gesamten Leistungsumfang waren lediglich 3 Arbeitstage notwendig. Im direkten Anschluss an Fußbodenanhebung sind bauseits die Ausgleichsplatten unter Regalen und Maschinen wieder entfernt worden. Eine größere Fräsmaschine musste anschließend neu justiert werden. URETEK ist mit seinen Technischen Beratern bundesweit verfügbar und sorgt für eine kompetente Vor-Ort-Betreuung vom ersten bis zum letzten Sanierungsschritt.

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Nach der kontrollierten Anhebung ist der Absatz verschwunden.

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Weitere Informationen: URETEK Deutschland GmbH, Weseler Str. 110, 45478 Mülheim an der Ruhr, Tel. +49 (0)208 – 37 73 25-0, Fax +49 (0)208 – 37 73 25-10, info@uretek.de, www.uretek.de

BODENBELÄGE UND BESCHICHTUNGEN

Schäden durch elektrostatische Aufladung sicher vermeiden Störungen in der Mikroelektronik und miniaturisierten elektronischen Komponenten können fatale Auswirkungen haben: Sie führen zu Fehlern, deren Behebung sehr teuer werden kann. Ein Beispiel: Aktuell beträgt der Anteil der elektronischen Bauteile in der Automobilproduktion rund 30 Prozent der Fahrzeug-Herstellungskosten, mit steigender Tendenz. Führt der Ausfall auch nur eines einzigen zu einer Rückrufaktion, können die Folgekosten für den Hersteller des fehlerhaften Bauteils existenzbedrohend sein. Verursacht werden derartige Schäden in vielen Fällen durch ESD (Electrostatic Discharge). Darunter versteht man den spontanen Ausgleich von Ladungsunterschieden zwischen unterschiedlich aufgeladenen Gegenständen. Sie entstehen häufig durch ungeeignete Fußböden, über die sich der Mensch auflädt und elektrische Ladung an das Bauteil abgibt. Besonders problematisch sind Schäden, die bei der Qualitätsprüfung nicht erkennbar sind, sondern erst im späteren Gebrauch Fehlfunktionen verursachen. Hier sind dann nicht nur die Produktionskosten zu berücksichtigen, sondern auch Kosten für Logistik, Gewährleistung und eventuell Folgeschäden des Ausfalls. Hinzu kommt der unter Umständen erhebliche Reputationsschaden des Herstellers solch fehlerhafter Elektronik.

Sorgfältige Gestaltung der Produktionsumgebung Daher muss die Produktion von elektronischen Bauteilen auf einem Fußboden stattfinden, der schädigende Spannung gar

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Bild 1 Die Messauswertung zeigt klar die geringe Aufladung der gemessenen ESD-Beschichtung

nicht erst entstehen lässt. Diese Funktion muss auch bei Produktionsbedingungen mit niedriger Luftfeuchtigkeit von unter 50 % sicher erfüllt werden. Gängige ableitfähige oder antistatische Bodensysteme sowie viele EDS-Beschichtungen können dies nicht leisten. Die DIN EN 61340, der so genannte Walking-Test, begrenzt die tolerierbare Spannung derzeit auf 100 V. Nur bis auf diesen Wert darf sich ein Mensch aufladen, der über eine ESD-Oberfläche läuft. Zum Vergleich: Auf Teppichböden können Spannungen bis 35.000 V erreicht werden. Aber auch die erlaubten 100 V unterschreiten viele Bauteile deutlich. Daher ist eine ESD-Bodenbeschichtung zu wählen, die niedrigere Spannungswerte erzielt. Und noch ein anderer Umstand macht ganz besondere Sorgfalt erforderlich: Menschen nehmen Spannungen beziehungsweise eine sprunghafte Entladung (ESD) erst ab rund 3.500 V wahr. Ein Bauteil kann also durch ESD geschädigt werden, ohne dass dies von Menschen überhaupt bemerkt wird. Die Gestaltung einer für empfindliche elektronische Bauteile

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Schwingungen isolieren Die neuen Elastomere von BSW Aus unserem Werkstoff Regufoam® haben wir ein neues Programm aus 12 Materialtypen entwickelt. Zusammen mit den schwingungstechnischen Produkten aus unserem zweiten Werkstoff Regupol® verfügen wir jetzt über eine vielseitige und flexibel einsetzbare Produktpalette schwingungstechnischer Elastomere. Immer mehr Experten schätzen das − weltweit.

BSW GmbH Telefon: +49 2751 803-124 Fax: +49 2751 803-159 schwingung@berleburger.de www.bsw-schwingungstechnik.de

Das Standardprogramm kann durch projekt- und einsatzbezogene Sondertypen ergänzt werden.

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BODENBELÄGE UND BESCHICHTUNGEN

Außen skulptural, innen funktionell

sicheren Produktionsumgebung muss daher ganz sorgfältig erfolgen.

Die Stadtteilschule Hamburg Bergedorf zählt zu den größten Schulen der Hansestadt. Nachdem die Sporthalle bei einem Brand 2009 stark beschädigt und abgerissen wurde, entstand jetzt nach den Plänen von BKS Architekten-Hamburg eine moderne Dreifeldhalle, an die sich ein Kulturraum für Veranstaltungen mit bis zu 400 Personen anschließt. Gemeinsam mit den ein- bis dreigeschossigen Flachdachbauten der Schule aus den siebziger Jahren bilden sie ein bauliches Ensemble in dessen Mitte ein zentraler Schulhof entstanden ist.

Spezielle ESD-Bodenbeschichtungssysteme Für diese Anwendungsfälle bietet STEULER-KCH spezielle ESD-Bodenbeschichtungssysteme. Das breite Programm beinhaltet die Entwicklung, Produktion, Fachberatung und Verarbeitung vor Ort aus einer Hand. Die Bodenbeschichtungssysteme erfüllen oder unterschreiten zum einen alle technischen Vorgaben der DIN EN 61340 hinsichtlich Ableitwiderstand, Systemwiderstand Mensch-Schuhe-Boden und Personenaufladung. Zum anderen kann der Kunde Farben und Oberflächen auswählen: Es sind auch helle Farbtöne wie RAL 7035 – lichtgrau – sowie glatte und rutschhemmende Oberflächen verfügbar. Damit lassen sich auch die Vorgaben der Arbeitssicherheit problemlos erfüllen. Die einwandfreie Funktion der ESD-Bodenbeschichtungssysteme ist durch ein Prüfzeugnis bis zu einer Luftfeuchtigkeit von nur noch 12,5 % sichergestellt. Mit diesen Systemen ist es daher möglich, die menschliche Aufladung statt auf die erlaubten 100 V auf bis zu 50 V zu begrenzen. Das Unternehmen bietet eigene oder fremdüberwachte Qualitätskontrollen mit allen erforderlichen Nachweisen und Protokollen.

BKS Architekten planten das neue Gebäude als ein- bzw. zweigeschossigen Baukörper. Seinen skulpturalen Ausdruck erhält es durch die expressive Ausgestaltung der Dachlandschaft: Die Funktionsbereiche sind in ihren Volumen additiv einander zuund gestaffelt angeordnet. Die in ihrem Relief unregelmäßig gemauerte Klinkerfassade erinnert an die regionale Backsteinarchitektur. Dabei steht der dunkle kohlegebrannte Klinker in Kontrast zu den flächenbündig integrierten Verglasungen. Durch das Zusammenspiel der Detailreduktion sowie präzise gesetzten, asymmetrischen Glasflächen entsteht der eigenständige Gebäudecharakter.

Kräftig leuchtende Farben, lichtdurchflutet und hell

(Fotos: Steuler)

Im Inneren dominiert Farbe: Kräftig leuchtendes Grün, Blau und Rot. Ein gemeinsamer behindertengerechter Eingang erschließt Sporthalle und Kulturraum. Sie lassen sich für größere Veranstaltungen zusammenschließen, aber natürlich auch getrennt nutzen. Ein Kiosk bewirtschaftet bei Bedarf beide Räumlichkeiten. Eine massive Stahlbeton- und Mauerwerks-

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Einbringen einer ESD-Bodenbeschichtung mit glatter Oberfläche in eine spätere Produktionsstätte für elektronische Bauteile.

Damit sind Hersteller elektronischer Bauteile stets auf der sicheren Seite. Die ESD-Bodenbeschichtungssysteme des Westerwälder Herstellers sind sowohl für die Sanierung als auch den Neubau geeignet. Sie bedürfen keinerlei Pflegemittel oder einer Auffrischung der ESD-Eigenschaften. Weitere Informationen: STEULER-KCH GmbH, Peter Jentzsch, Berggarten 1, 56427 Siershahn, Tel. +49 (0)6385 – 99 37–22, Mobil +49 (0)151 – 182 13 905, Fax +49 (0)2624 – 13-339 Peter.jentzsch@steuler-kch.de, www.steuler.de

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Die von BKS Architekten entworfene Dreifeldsporthalle mit Kulturraum erhält seinen skulpturalen Ausdruck durch die expressive Ausgestaltung der Dachlandschaft.

BODENBELĂ&#x201E;GE UND BESCHICHTUNGEN konstruktion trĂ¤gt die leichte Dachkonstruktion aus Holzleimbindern und Trapezblech. Der Kulturraum ist lichtdurchflutet und hell, in Schwarz und WeiĂ&#x; gehalten. Akzentuiert wird er durch weinrote, akustisch wirksame SamtvorhĂ¤nge. Die Flure sind in frisches GrĂźn getaucht, die Umkleidekabinen in krĂ¤ftiges Blau. Die Sporthalle wird blendfrei mit Tageslicht beleuchtet durch transluzente FensterbĂ¤nder im oberen Drittel der LĂ¤ngsseiten. Direkt dahinter liegen halboffene Zuschauergalerien, die sich ebenfalls Ăźber die gesamte SpielfeldlĂ¤nge erstrecken. Die Halle lĂ¤sst sich variabel nutzen, sowohl als ein groĂ&#x;es WettkampfSpielfeld, als auch â&#x20AC;&#x201C; dank mobiler TrennvorhĂ¤nge â&#x20AC;&#x201C; in drei separate kleinere Trainingsbereiche aufteilen. Sie besitzt PrallwĂ¤nde aus Eichenholz und einen roten Linoleum Sportboden. Die Architekten haben sich fĂźr Linodur Sport in â&#x20AC;&#x17E;lava redâ&#x20AC;&#x153; entschieden, wegen des warmen Rottons, der zusammen mit der Holzverkleidung am besten zur gewĂźnschten Raumstimmung passte.

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Ideal fĂźr Schul- und Freizeitsport Die EUROP Sportboden GmbH verlegte in der Halle 1.470 m2 des Sportlinoleums von DLW Sports auf einer speziellen Unterkonstruktion. Der Trockenunterbau besteht aus einer Feuchtigkeitsabdichtung, einer NivellierschĂźttung und einer DĂ¤mmung. Der so entstandene flĂ¤chenelastische Boden reagiert bereits auf geringe Belastungen, beispielsweise von Kindern, dĂ¤mpft StĂśĂ&#x;e ab und schont damit die Gelenke der jungen Sportler. Zudem ist er robust und bestens geeignet auch fĂźr unterschiedlichste Nutzungen. Ca. 2.400 m Spielfeldlinierungen hat die Firma zudem fĂźr die verschiedenen Spielfelder aufgemalt.

Weitere Informationen: Armstrong DLW GmbH, Stuttgarter Str. 75, 74321 Bietigheim-Bissingen, Tel. +49 (0)71 42 â&#x20AC;&#x201C; 71-0, Fax +49 (0)71 42 â&#x20AC;&#x201C; 71-799, info@dlwsports.com, www.dlwsports.com

(Fotos: Ralf Buscher/Armstrong)

Linodur von DLW Sports hat sich als Oberbelag bestens bewĂ¤hrt. Laut Hersteller wurden bereits mehr als 10 Mio. m2 weltweit in Sport- und Mehrzweckhallen verlegt. Es zeichnet sich aus durch funktionale Gebrauchseigenschaften wie die einfache Reinigung und Pflege. Durch seine Dicke von 4 mm ist der homogene Belag besonders robust und strapazierfĂ¤hig. So kĂśnnen auch eine Bestuhlung bei Kulturveranstaltungen und PfennigabsĂ¤tze dem Boden nichts anhaben, gleichzeitig ist DLW Sportlinoleum ideal fĂźr den Schul- und Freizeitsport.

Seine griffige OberflĂ¤che gibt den Sportlern in jeder Spielsituation festen Halt. Die zarte Musterung, die sogenannte Moirierung, macht Linodur Sport besonders unempfindlich â&#x20AC;&#x201C; Verstrichungen beim Abrieb von Sportschuhen fallen weniger auf. Leicht zu reinigen ist es obendrein. Von Haus aus verfĂźgt Linoleum Ăźber eine bakteriostatische Wirkung, die Hygiene wird so auf natĂźrliche Weise gefĂśrdert. Sportlinoleum ist Ăźbrigens der einzige elastische Sportbelag aus Ăźberwiegend nachwachsenden Rohstoffen und ausgezeichnet mit dem Blauen Engel. Alle SportbodenbelĂ¤ge produziert DLW Sports ausschlieĂ&#x;lich in Deutschland.

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Transluzente FensterbĂ¤nder sorgen fĂźr blendfreies Tageslicht, der flĂ¤chenelastische Bodenaufbau dĂ¤mpft StĂśĂ&#x;e ab und schont die Gelenke.

Bild 3

Der Linoleum-Oberbelag, krĂ¤ftig rotes Linodur von DLW Sports, lĂ¤sst sich leicht reinigen, ist robust und griffig.

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BODENBELÄGE UND BESCHICHTUNGEN

Reaktionsharz-Boden für Gourmet-Tempel Rund 1.000 Jahre ist sie alt, die „Stromburg“ in Stromberg am Hunsrück. Promi-Koch Johann Lafer und Ehefrau Silvia wohnen und wirken hier. Sie haben das historische Gemäuer zu einer der feinsten Genießer-Adressen Deutschlands hergerichtet. Ein aufwändiges Unterfangen, das andauernden Einsatz erfordert. So beispielsweise mit der Erneuerung des Küchenfußbodens durch die ReaktionsharzSysteme von Silikal, Mainhausen. Getreu dem Motto „Ein Leben für den guten Geschmack“ ließ das Besitzer-Ehepaar eine echte Wohlfühl-Oase entstehen, mit komfortablen Zimmern und – natürlich – mit ausgesuchten lukullischen Genüssen. Als jetzt das „Herzstück“ des GourmetTempels, die großzügige Küche, einen neuen Boden bekommen sollte, entschied man sich für die Kunstharz-Systeme von Silikal.

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Die „Stromburg“, Domizil und Wirkungsstätte von Promikoch Johann Lafer, erhielt einen neuen Reaktionsharzboden von Silikal – mit Hohlkehlen zur leichten Pflege der Eckbereiche …

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… und mit flächenbündig angesetzten Bodenwannen und Bodeneinläufen

Zweifach neuer Aufbau Die Neubeschichtung erwies sich als problematisch: Nachdem der vorhandene alte Epoxidharz-Belag angeschliffen war, offenbarte sich das Problem aufsteigender Feuchtigkeit im Boden, und die Flächen mussten gleich einen zweifachen neuen Aufbau mit den entsprechenden Spezial-Systemen von Silikal erhalten. Trotzdem gelang die Erneuerung ganz nach Plan und innerhalb des vorgesehenen schmalen Zeitfensters während der Betriebsferien.

„Küchenzauber“ ohne Kompromisse in Sachen Hygiene Und natürlich darf bei so viel „Küchenzauber“ die Hygiene nicht zu kurz kommen. Da ist es wichtig, dass der durchgängig fugenfreie Kunstharz-Boden einfach, schnell und gründlich sauber zu halten ist. Die Flächen sind resistent gegen chemische Belastungen, wie beispielsweise viele Säuren, Salze, Fette und Reiniger. Auf der „Stromburg“ wurden rund 100 m2 Reaktionsharz-Boden von Silikal verlegt. Ergänzend entstanden Hohlkehlen mit eingestreuten Farbchips für die einfache Reinhaltung der Eckberei-

(Fotos: Silikal)

Abgestimmt auf die Profi-Küche: das Farbkonzept des Bodens. Eingestreute Colorquarze in Lichtgrau, Silbergrau und Schwarz unterstreichen den Eindruck gepflegter Kochkultur und geben der Oberfläche eine rutschhemmende Struktur. Schließlich wird dem Bodenbelag hier einiges abverlangt: Von früh bis spät in der Nacht herrscht Betriebsamkeit. Bis zu 18 Mitarbeiter sind dann im Einsatz.

che. Bodenabläufe und Bodenwannen wurden flächenbündig an den Boden angearbeitet. „Stromburg“-Chef Johann Lafer zeigte sich von seiner neuen Küchenbasis absolut überzeugt: „Ein super Boden“. Für ihn war es bereits die zweite Begegnung mit dem Beschichtungssystem: Bei der Gestaltung der neuen Schul-Mensa für das Gymnasium „Am Römerkastell“ in Bad Kreuznach – ein Modellprojekt des vielseitigen Sterne-Kochs – kamen ebenfalls die Kunstharze aus Mainhausen zum Einsatz.

Weitere Informationen: Silikal GmbH, Ostring 23, 63533 Mainhausen, Tel. +49 (0)61 82 – 92 35-0, Fax +49 (0)61 82 – 92 35-40, mail@silikal.de, www.silikal.de

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AKTUELL

Vom 3D-Modell zum 2D-Bewehrungsplan Die SOFiSTiK AG entwickelt seit über 25 Jahren CAD basierende Software für den konstruktiven Ingenieurbau mit Schwerpunkt Bewehrungsplanung. Motiviert durch neue Technologien ergeben sich neue Möglichkeiten im Planungsprozess. Daher entwickelt die SOFiSTiK parallel zu diesen in der Praxis bewährten CAD Applikationen Softwarelösungen, die einen 100 % durchgängigen BIM Workflow in der Bauplanung unterstützen. Dadurch ist es möglich die Planungsqualität und –sicherheit gegenüber der bisherigen Arbeitsweise enorm zu steigern. Gebaut wird dreidimensional, geplant oft noch in 2D. Zwar wird in vielen Fällen schon seit Jahren dreidimensional gerechnet, der Austausch von zeichnerischen Darstellungen hinkt dem aber erheblich hinterher. Vor allem bei der Erstellung der Bewehrungspläne ist eine planbezogene 2D-Arbeitsweise in vielen Ingenieurbüros noch Stand der Technik. Ein Planungsprozess ist immer eine Zusammenarbeit zwischen Experten, von denen jeder eine andere Sicht auf das hat, was durch den Planungsprozess letztlich geschaffen werden soll, das Bauwerk oder das Produkt. Eine der größten Herausforderungen ist der ständige Informationsaustauch, wobei die Anzahl der Schnittstellen exponentiell mit der Anzahl der Fachplaner steigt. Die Kommunikation untereinander funktioniert im Bauwesen primär durch den Austausch zweidimensionaler Strichzeichnungen, die jeder Beteiligte durch seine Ausbildung interpretieren kann. Konflikte zwischen den Teilplanungen der Gewerke werden häufig erst spät im Prozess erkannt und führen regelmäßig zu Stress, Streit und Mehrkosten. Auch für die Bewehrungsplanung gelten heute noch die oben beschriebenen Vorgehensweisen. Informationen über eine später dreidimensional zu verlegende Bewehrung werden auf 2D-Plänen ausgetauscht. Sehr häufig werden die Bewehrungspläne planbezogen und ansichtsunabhängig erstellt.

Arbeitsweise von SOFiSTiK Reinforcement Detailing Um eine Bewehrungsplanung in Autodesk® Revit® vornehmen zu können ist ein „korrekt“ modelliertes 3D Gebäudemodell Voraussetzung. Erstellen des Bewehrungsmodells In das vorhandene Gebäudemodell werden die physikalischen Bewehrungselemente eingelegt. Dafür stehen in Autodesk® Revit® sowohl Stabstahlelemente als auch Matten zu Verfügung. Der Anwender kann aus vordefinierten landes- bzw. marktspezifischen Standardbiegeformen wählen. (Abb. 1). Freie Biegeformen können sehr einfach über eine 2D-Skizze erzeugt werden. Bei der Platzierung der Bewehrungselemente in den verschiedenen Bauteilen wird deren Betondeckung automatisch berücksichtigt. Diese Betondeckung wird auch bei veränderter Geometrie (z.B. Reduzierung der Stützenabmessungen) gewährleistet, da durch die automatisch vorhandene Parametrik eine Abhängigkeit zwischen Bewehrungselement und der Schalfläche definiert ist. Das Bewehrungselement kann innerhalb eines Bauteils mit verschiedenen Regeln (Festgelegte Anzahl, Maximaler Abstand, Anzahl mit Abstand, usw.) verlegt werden (Abb. 2).

Diese klassische Arbeitsweise ist einerseits sehr fehleranfällig und andererseits sehr arbeitsintensiv bei Änderungen, die es in jedem Bauprojekt gibt. Änderungen von Bauteilen müssen „manuell“ auf allen Plänen und in allen Listen nachgezogen werden.

BIM Arbeitsweise in der Bewehrungsplanung Durch den Einsatz der BIM Arbeitsweise lässt sich die Fehleranfälligkeit vermeiden und der Aufwand bei Änderungen reduzieren. Für die CAD Module im konstruktiven Ingenieurbau (SOFiCAD) setzte die SOFiSTiK schon vor 25 Jahren auf den Weltstandard AutoCAD®. Für die neuen BIM Applikationen setzt das Softwarehaus konsequenterweise auf Autodesk® Revit® als Plattform für Ihre Entwicklungen. Neben einer Schnittstelle zu den SOFiSTiK Statikmodulen und den BIMTOOLS – einem kostenlosen Paket von Funktionen zur effektiven Planerstellung in Autodesk® Revit® – entwickelt die SOFiSTiK AG derzeit an einem Modul zur Bewehrungsplanung.

Für Standardbauteile wie Stützen, Balken, Deckenöffnungen, usw. ist es nicht notwendig jedes Bewehrungselement einzeln zu erzeugen und zu verlegen. Dem Anwender stehen dafür innerhalb der Autodesk® Revit® Extensions einige Makros zur Verfügung, um diese Bauteile effizient zu bewehren (Abb. 3).

Eine erste Version dieser Applikation „SOFiSTiK Reinforcement Detailing 2014“ für Autodesk® Revit® 2014 ist über Autodesk Exchange Apps (http://apps.exchange. autodesk.com/RVT/de/Home) kostenfrei verfügbar. Das Produkt beinhaltet die Software selbst, sowie eine Auswahl von Familien, mit denen durch einfache Anpassungen örtliche oder Firmenstandards umgesetzt werden können.

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AKTUELL Ziel ist es, zukünftig einen physikalischen Bewehrungsvorschlag automatisch aus Bemessungsergebnissen einer FE-Berechnung erzeugen zu können. Ein entsprechendes Modul soll noch in diesem Jahr als „Labs-Version“ zur Verfügung gestellt werden. In Abbildung 4 ist für einen Balken mit Rechteckquerschnitt die erforderliche untere Längsbewehrung aus einer FE-Berechnung in Rot und gegenübergestellt die eingelegte Bewehrung in Blau dargestellt.

vollständige Bewehrungsplanung erforderlich sind. Es fehlen z.B. Positionsinformationen, Angaben von Durchmessern, Biegeformauszüge, Verlegelinien mit Beschriftungen. Für die Ergänzung dieser fehlenden Informationen, sprich der detaillierten Ausarbeitung des Bewehrungsplans, können die Befehle von SOFiSTiK Reinforcement Detailing verwendet werden. Die Software bietet dafür folgende Funktionalitäten:

Dieser Bewehrungsvorschlag wird sicherlich nie gänzlich den Vorstellungen des Anwenders entsprechen, die erzeugten Bewehrungselemente sind jedoch native Autodesk® Revit® Elemente und können somit jederzeit modifiziert bzw. um konstruktive Elemente ergänzt werden. Durch das Verlegen der Bewehrungselemente sind nun im Gebäudemodell alle baurelevanten Informationen enthalten. Der derzeitige Workflow sieht vor diese Informationen mittels 2D-Bewehrungsplänen zu übertragen.

– Automatische Positionierung durch Biegeformerkennung Alle Bewehrungselemente werden miteinander verglichen. Vergleichskriterien sind Geometrie, Stahlgüte und Durchmesser. Gleichartige Elemente erhalten die gleiche Positionsnummer. Der Anwender kann zwischen einer planbezogenen oder einer projektbezogenen Arbeitsweise bzw. Positionierung wählen. – Automatische Beschriftung nach benutzerspezifischen Regeln Die automatisch erzeugten Beschriftungselemente sind wiederum native Autodesk® Revit® Elemente, die aufgrund der „Familientechnologie“ in Autodesk® Revit® komplett benutzerspezifisch anpassbar sind. Abbildung 6 zeigt exemplarisch die Beschriftung der Bewehrungselemente einer Stütze. Die Beschriftungselemente können benutzerspezifisch modifiziert und so sehr einfach an unterschiedliche Marktanforderungen angepasst werden. In SOFiSTiK Reinforcement Detailing sind derzeit Beschriftungsfamilien für den deutschsprachigen sowie für den britischen Markt verfügbar.

Vorbereiten der 2D Bewehrungspläne In Autodesk® Revit® ist es sehr einfach möglich 2D Darstellungen wie Grundrisse, Ansichten, Schnitte, usw. sowie Bauteillisten zu generieren. Diese Elemente sind lediglich unterschiedliche Sichten auf die Gebäudedatenbank. Dadurch fließen Änderungen am Gebäudemodell automatisch in Echtzeit in alle bereits erzeugten Ansichten sowie Bauteillisten ein. Dies gilt natürlich auch für alle erzeugten Bewehrungselemente. Diese Ansichten/Bauteillisten können nun beliebig auf Plänen platziert werden. (Abb. 5)

– Erzeugung von Auszugseisen Es kann eine schematische Darstellung der Biegeform mit allen geometrisch notwendigen Angaben erzeugt werden. Jede beliebige Biegeform von Bewehrungselementen wird automatisch erkannt. Änderungen an Modellobjekten wirken sich in Echtzeit auf den Biegeformauszug aus. Die Informationen/ Darstellungen im Modell und auf den Plänen sind somit auch für Auszugseisen immer konsistent. Beispiel für das Auszugseisen eines geschlossenen Bügels (siehe Abb. 7).

Ausarbeiten der 2D Bewehrungselemente mit SOFiSTiK Reinforcement Detailing Die so mit Autodesk® Revit® Funktionalität erzeugten Pläne enthalten noch nicht alle Informationen/Elemente, die für eine

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– Ausblenden von Stabstahl in Verlegungen Vielfach ist es nicht erwünscht alle Stäbe einer Verlegung am Plan darzustellen. Mit Hilfe dieser Funktionalität ist es mög-

AKTUELL lich die Darstellung der Verlegung zu beeinflussen. Dadurch wird die „Lesbarkeit“ eines Bewehrungsplanes vor allem bei Flächenbauteilen wie Decken und Wänden stark erhöht. – Erzeugung von Stahl-, Biege- und Mattenschneideskizzen Aus allen relevanten Bewehrungsinformationen der so erzeugten Bewehrungspläne können automatisiert Stahl-, Biege- und Mattenschneideskizzen erzeugt werden. Diese Listen können im PDF-Format ausgegeben bzw. direkt auf den Plänen platziert werden (Abb. 8). Zusätzlich können aus den Informationen dieser Listen Biegemaschinendaten nach BVBS Standard erzeugt werden.

Bauplanung und -ausführung Beteiligten noch ganz andere Verbesserungen vorstellbar. Aber schon eine „Insel-Anwendung“ nur in einem Büro wird nach Überwindung der Einstiegshürden die Planungsqualität erheblich steigern und damit zur Wirtschaftlichkeit beitragen. Weitere Informationen: SOFiSTiK AG, Hauptsitz Oberschleißheim, Bruckmannring 38, 85764 Oberschleißheim, Tel. +49 (0)89 – 31 58 78-0, Fax +49 (0)89 – 31 58 78-23, info@sofistik.de, www.sofistik.de

Fireprotec – Symposium mit Fachausstellung

(Abb: SOFiSTiK)

Im Mittelpunkt des Fireprotec Symposiums – am 26. und 27. 2. 2014 in der Messe Frankfurt, Halle 11.1. – stehen baurechtliche Aspekte des vorbeugenden Brandschutzes. Experten informieren über Neuerungen und Änderungen der Anforderungen sowie deren Realisierung in der Praxis.

Eine kostenlose Version von SOFiSTiK Reinforcement Detailing mit uneingeschränkter Funktionalität ist derzeit über Autodesk Exchange Apps verfügbar. Die Lizenzgebühr für zukünftige Updates oder Hauptversionen ist noch unbestimmt. Die in diesem Artikel beschriebene BIM-Arbeitsweise für die Bewehrungsplanung ist aktuell für viele Hochbauprojekte gut anwendbar. Auch im Tiefbau ist eine Anwendung gut möglich, sofern das Projekt mit Wänden, Decken, Stützen und Balken eine „hochbauähnliche“ Geometrie besitzt. Autodesk® und die SOFiSTiK AG werden gemeinsame Anstrengungen unternehmen, die noch vorhandenen Lücken künftig zu schließen. Dann wird die beschriebene Arbeitsweise auch bei geometrisch komplexen Stabbrücken anwendbar sein. Dieser Artikel beschreibt den BIM-Workflow für den Arbeitsbereich des konstruktiven Ingenieurs. Mit der Basisplattform Autodesk® Revit®, die auch für Architekten und Haustechniker zur Verfügung steht, sind in der Zusammenarbeit ALLER an der

Das Symposium zählt deutschlandweit zu den größten Fachveranstaltungen der Branche. Neben den vielfältigen Gelegenheiten zum Knüpfen von Kontakten, garantiert die fachliche Leitung durch Bureau Veritas allen, die am Bau und Betrieb von Immobilien beteiligt sind, ein anspruchsvolles und hochaktuelles Programm. Verschiedene Ingenieur- und Architektenkammern erkennen die Teilnahme an den Vorträgen als Weiterbildung an und bewerten diese mit Fortbildungspunkten. Parallel werden auf der Fireprotec Fachausstellung innovative Produkte aus den Bereichen des anlagentechnischen, baulichen und betrieblichen Brandschutzes sowie individuelle Dienstleistungen und Komplettlösungen präsentiert. Die räumliche Nähe zwischen Ausstellung und Symposium schafft die Möglichkeit für einen regen Austausch zwischen den Teilnehmern des Symposiums und den Ausstellern. Weitere Informationen: Mesago Messe Frankfurt GmbH, Rotebühlstr. 83–85, 70178 Stuttgart, Tel. +49 (0)711 – 619 46-0, Fax +49 (0)711 – 619 46-91, info@mesago.com, www.mesago.de

acqua alta alpina Die neue 3-Fach-Messe:

Kongressmesse für Naturgefahrenmanagement ... für alpine Infrastruktur, Naturgefahren und Hochwasserschutz

12. - 14. März 2014

MESSEZENTRUM ... fürSALZBURG Waldwirtschaft, Schutzwaldzeitgleich mit:

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bewirtschaftung und Technik ... für Wasserkraft Kongressmesse für Naturgefahrenmanagement

Kongressmesse für Bergwaldbewirtschaftung

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AKTUELL

Grundwasser – dichte Bauwerke mit Feuchte- und Langzeitschutz Ob Bankgebäude, Hochschulen, Krankenhäuser oder Industriekomplexe; in den Kellern befinden sich oft auf oder gar unter Grundwasserniveau, wertvolle und hochwertige Installationen wie Energiezentralen, Serverstationen, Labore und vieles mehr. Auf die Langzeitdichtigkeit gegen drückendes Grundwasser, die Dichtigkeit gegen Feuchte Durchdringung eingeschlossen, sollte deshalb bereits in der Planungsphase besonders geachtet werden. Mit einem umfassenden Dienstleistungspaket für 100 % Wasser- und Feuchtedichtigkeit im Neubau und das auch nach Jahrzehnten, ist die CR Consult GmbH seit dem 1. September 2013 auf dem Markt. Gründer und Geschäftsführer Dipl.-Ing. Christoph Rodinger befasst sich seit über 20 Jahren mit der Planung, Ausführung und Begutachtung der Basisabdichtung von druckwasserbelasteten, erdberührten und vielfach hochwertig genutzten Stahlbetonbauwerken. Die CR Consult GmbH stützt sich aus dem Stand und deutschlandweit auf ein Netzwerk von Partnerunternehmen mit denen Geschäftsführer Rodinger, damals in anderer Funktion, viele Projekte erfolgreich durchführte. Von der Planung, Festlegung der Abdichtungskonzeptes bis hin zur Überwachung der Bauausführung reicht der Service des in Bückeburg ansässigen Unternehmens. Herr Dipl. Ing Christoph Rodinger ist in diversen Fachausschüssen tätig, wie auch als Gutachter in Abdichtungsproblemstellungen. Rodinger ist ständiges Mitglied im UA WU-Bauwerke des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb,) und konnte sein Wissen bei der Erarbeitung der WU-Richtlinie des DAfStb sowie den Erläuterungen zur WU-Richtlinie 2009 einbringen.

Hintergrundinformationen – dichte erdberührte Bauwerke Wenn es um ergänzende Abdichtungen bei WU-Bauwerken (WU = Wasser undurchlässige) geht kommt es in Ausschreibungsverfahren manchmal zu kuriosen Erscheinungen. So finden sich in den Ausschreibungstexten bereits Produktnamen von Herstellern. Oder Bieter argumentieren mit Zulassungen, die gar nicht notwendig sind oder sich nicht auf den Anwendungsfall beziehen. Warum geht es eigentlich?

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1. Grundlagen für bauaufsichtliche Regelungen für Bauwerksabdichtungen „…Der Feuchteschutz hat aus bauaufsichtlicher Sicht eine nachgeordnete Bedeutung, da Mängel rechtzeitig erkannt und behoben werden können und Leben und Gesundheit nicht oder nicht unmittelbar betroffen sind…“ „…Zur Einhaltung der bauaufsichtlichen Schutzziele soll lediglich sichergestellt werden, dass die Abdichtungsprodukte für den jeweiligen Verwendungszweck gebrauchstauglich sind…“ „…Die Verwendung von Bauprodukten ist in Deutschland durch die Landesbauordnungen geregelt. Diese sehen ein abgestuftes Zuordnungssystem vor, mit Hilfe dessen Bauprodukte je nach ihrer Bedeutung...zuzuordnen und anzuwenden sind. Hierzu dienen die Bauregellisten A,B, und C…“ 2. Allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen und/oder Prüfungen für Bauwerksabdichtungen Aus den oben genannten Gründen dürfen grundsätzlich zusätzliche Flächenabdichtungssysteme bei Bauteilen aus WU-Beton ohne bauaufsichtliche Anforderungen verwendet werden. Daher werden für Flächenabdichtungssysteme von Bauteilen- und/oder Bauwerken aus WU-Beton keine bauaufsichtlichen Zulassungen oder Prüfzeugnisse mehr erteilt. Bestehende allgemeine bauaufsichtliche Prüfzeugnisse werden nicht mehr verlängert…“ (Stellungnahme des DIBT, Stand Januar 2008). Nach neuesten Kenntnisstand der CR Consult GmbH sollen zukünftig – entgegen der Stellungnahme des DIBT aus dem Jahre 2008 – zusätzliche Flächenabdichtungssysteme bei Bauteilen aus WU-Beton, wie z.B. Frischbeton-Verbundabdichtungssysteme den Nachweis der Verwendbarkeit aufgrund der Besonderheit der Bauart auf einer neuen Grundlage, nämlich der Bauregelliste A, Teil 2, Lfd. Nr. 1.14 geprüft und zugelassen werden. Allerdings müssen nach Mitteilung der MPA Braunschweig aus Mai 2012 die Prüfgrundsätze noch erstellt werden, sodass allgemeine bauaufsichtliche Prüfzeugnisse auf der Grundlage der BRL A, Teil 2, lfd. Nr. 1.14 derzeit noch nicht erteilt werden können, sondern derzeit nur für Kunststoffdichtungsbahnen nach DIN EN 13967 für Bauwerksabdichtungen der Bauregelliste A, Teil 3 lfd. Nr. 1.2, die von der DIN V 20000-202 Abschnitt 5.3 abweichen. Weitere Informationen über allgemeine bauaufsichtliche Prüfungen von Flächenabdichtungssystemen von WU-Bauwerken gegen Grundwasser können bei den Materialprüfungsämtern der Länder, wie zum Beispiel bei der MFPA Leipzig, eingeholt werden.

Bitte wenden Sie sich an: Janette Seifert Verlag Ernst & Sohn Rotherstraße 21, 10245 Berlin Tel +49(0)30 47031-292 Fax +49(0)30 47031-230 E-Mail Janette.Seifert@wiley.com

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Nach der Veröffentlichung der WU-Richtlinie des DAfStb. im November 2003 und den Erläuterungen zur WU-Richtlinie im Juni 2006 (Heft 555 des DAfStb.) wurde eine normative und bauaufsichtliche Neuregelung für Abdichtungsprodukte und -verfahren erforderlich. Im Januar 2008 wurden die aktuelle bauaufsichtliche und normative Regelung für Abdichtungsprodukte und -verfahren in der Bauwerks- und Dachabdichtung veröffentlicht. Demnach gelten folgende Regelungen (Auszug aus der Zusammenfassung des DIBt, Stand Januar 2008):

Weitere Informationen: CR Consult GmbH, Hermannstraße 3, 31675 Bückeburg, Tel. +49 (0)5722 – 95 48 499, info@cr-consult-bau.de, www.cr-consult-bau.de

Anbieterverzeichnis Produkte & Dienstleistungen Abstandhalter

Max Frank GmbH & Co. KG Technologien für die Bauindustrie Mitterweg 1 D-94339 Leiblfing Tel. +49 (0) 94 27/1 89-0 Fax +49 (0) 94 27/15 88 info@maxfrank.de www.maxfrank.de

Befestigungstechnik Getzner Werkstoffe GmbH Am Borsigturm 11 D-13507 Berlin Tel. (0 30) 40 50 34-00 Fax (0 30) 40 50 34-35 E-Mail: info.berlin@getzner.com Internet: www.getzner.com Sylomer / Sylodyn: PUR-Werkstoffe zur Schwingungsisolierung

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BETON: Verankerungstechnik FASSADE: Befestigungssysteme MONTAGETECHNIK: Produkte und Systeme Speba Bauelemente GmbH In den Lissen 6 D-76547 Sinzheim BSW GmbH Am Hilgenacker 24 D-57319 Bad Berleburg Tel. (0 27 51) 803-224 Fax (0 27 51) 803-159 E-Mail: info@berleburger.de Internet: www.bsw-schwingungstechnik.de PUR-Schaum und hochelastischer Polyurethankautschuk zur Schwingungsisolierung

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Max Frank GmbH & Co. KG Technologien für die Bauindustrie Mitterweg 1 D-94339 Leiblfing Tel. +49 (0) 94 27/1 89-0 Fax +49 (0) 94 27/15 88 info@maxfrank.de www.maxfrank.de

mb AEC Software GmbH Europaallee 14 67657 Kaiserslautern Tel. (06 31) 3 03 33 11 Fax (06 31) 3 03 33 20 info@mbaec.de www.mbaec.de

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DC-Software Doster & Christmann GmbH Hannah-Arendt-Weg 3 D-80997 München E-Mail: service@dc-software.de Internet: www.dc-software.de

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Tekla GmbH Helfmann-Park 2 D-65760 Eschborn 0 61 96-4 73 08 30 0 61 96-4 73 08 40 contact@de.tekla.com www.tekla.com

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n Software für den Verbundbau

Kretz Software GmbH Europaallee 14 67657 Kaiserslautern Tel. (06 31) 3 03 33 11 Fax (06 31) 3 03 33 20 info@kretz.de www.kretz.de

Estrichdämmung

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Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG Rotherstraße 21 D-10245 Berlin Tel. +49 (0)30 47031 200 Fax +49 (0)30 47031 270 E-Mail: info@ernst-und-sohn.de Internet: www.ernst-und-sohn.de

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AUFSATZ

Tobias Vogt*, Johannes Hummel, Michael Schick, Werner Seim

Experimentelle Untersuchungen für innovative erdbebensichere Konstruktionen im Holzbau Dieser Fachaufsatz berichtet über die Ergebnisse umfangreicher experimenteller Untersuchungen an 20 Holzrahmenwänden und 15 Brettsperrholzwänden, bei denen praxisrelevante Fragestellungen im Zusammenhang mit der Erdbebenbemessung im Mittelpunkt standen. Besonderes Augenmerk wurde auf die Frage gelegt, welchen Einfluss unterschiedliche Auflagerdetails und Verankerungen auf die Verformungsfähigkeit und die Energiedissipation haben. Circa 90 kleinformatige Versuche an Verbindungsmitteleinheiten und Verankerungsdetails bildeten die Basis für Optimierungen, die bei den anschließenden Wandversuchen bereits erfolgreich getestet werden konnten. Eine wesentliche Erkenntnis aus den experimentellen Untersuchungen ist, dass bei seitlicher Verankerung im Holzrahmenbau Querzugverstärkungen im Bereich der Zugverankerung notwendig werden können, um das duktile Verhalten der Wandelemente zu gewährleisten. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine Verankerung auf der Beplankung keine Nachteile bringt. Die Beplankung mit Gipsfaserplatten führt in den Untersuchungen zu ähnlichen Werten in der Tragfähigkeit, der Duktilität und der Energiedissipation wie die Beplankung mit OSB-Platten. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass auf den ersten Blick nachrangige Details wie die Anordnung von Elastomer-Zwischenschichten zwischen Wand und Decke (aus Schallschutzgründen) einen signifikanten Einfluss auf die Duktilität und die hysteretische Dämpfung von Wandelementen aus Brettsperrholz haben.

Experimental tests for innovative and earthquake-resistant timber-constructions This paper presents the results from test series on 20 timberframed and 15 cross laminated timber (CLT) wall elements, which focus on practical aspects in connection with the design for earthquake resistance. The main objective was to learn about the influence of different types of anchoring and support conditions on displacement capacity (ductility) and energy dissipation. About 90 tests on connection and anchoring units aimed on optimization of construction details. These test results had already been used for the design of full scale tests. One important test result is, that failure due to shear-tension interaction has to be prevented by reinforcement in the connection area of the hold down to ensure the ductile behavior of the wall elements. Furthermore it could be demonstrated, that asymmetric anchoring on one side of the wall doesn’t affect ductility and energy dissipation. Wall elements with gypsum fiber boards (gfb) reach similar values for maximal load, ductility and energy dissipation compared to wall elements with osb. Moreover it was found, that construction details like using elastomer separation layers between wall and floor elements for sound insulation have a significant influence on ductility and hysteretic damping for CLT wall elements.

Keywords Brettsperrholz (BSP); Holzrahmenbau; Holztafelbau; Erdbebenbeanspruchungen; Verankerung; Untersuchungen, experimentelle

Keywords cross laminated timber (CLT); light frame constructions; earthquake impact; anchoring; experimental investigations

Details haben einen regelrechten Boom bei dieser Konstruktionsart gestützt, der sich in den Verkaufszahlen und bei zahlreichen innovativen Projekten nachvollziehen lässt. Eines dieser Leuchtturmprojekte, die Wohnanlage „Via Cenni“ in Mailand (Bild 1) mit mehreren neungeschossigen Wohngebäuden, sei hier beispielhaft genannt. Allerdings ist auch die Entwicklung der klassischen Holzrahmenbauweise nicht stehen geblieben. Auch mit diesem vor über 150 Jahren in den USA entwickelten Konstruktionssystem können heute Bauwerke mit bis zu acht Geschossen realisiert werden. In Nordamerika gibt es bereits Bemessungsunterlagen mit Beispielprojekten bis hin zu fünfgeschossigen Holzrahmenbauten (Bild 2). Bei aktuellen europäischen Projekten wird mit dicht an dicht stehenden Stielen und der Verwendung von Furnierschichtholz für Schwelle und Rähm [3] oder mit dem Einbau von stirnseitig kraftschlüssigen Zapfenverbindungen zwischen Stielen und Schwelle bzw. Rähm [4] sicherge-

Einleitung

Mehrgeschossiges Bauen mit Holz gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dass sich der Holzbau auch im Bereich von Wohn- und Verwaltungsgebäuden mit mehr als vier Geschossen Schritt für Schritt als wirtschaftlich und technisch wettbewerbsfähige Konstruktionsart etabliert, ist auf fortschrittliche baurechtliche und technisch innovative Entwicklungen gleichermaßen zurückzuführen. Was die technischen Innovationen anbelangt, so steht hier auf den ersten Blick die Brettsperrholzbauweise im Fokus. Statisch-konstruktive Vorteile, ein günstiges Abbrandverhalten und vergleichsweise einfache bauphysikalische *) Corresponding author: tobias.vogt@uni-kassel.de Submitted for review: 15 October 2013 Revised: 09 December 2013 Accepted for publication: 10 December 2013

AUFSATZ ARTICLE

DOI: 10.1002 / bate.201300083

T. Vogt, J. Hummel, M. Schick, W. Seim: Experimentelle Untersuchungen für innovative erdbebensichere Konstruktionen im Holzbau

Bild 1

Projekt „Via Cenni“ in Mailand [1] Project “Via Cenni”, Milan [1]

stellt, dass die Verformungen aus der Druckbeanspruchung des Holzes senkrecht zur Faser die baukonstruktiv verträglichen Größen nicht überschreiten. Mit zunehmender Höhe der Geschossbauten kommt auch im Holzbau dem Entwurf und der Berechnung des Aussteifungssystems eine entscheidende Bedeutung zu. Während bei ein- und zweigeschossigen Bauwerken sowohl bei einer Ausführung in Brettsperrholzbauweise als auch bei einer Ausführung als Holzrahmenkonstruktion die Berechnung des Aussteifungssystems in der Regel die aus konstruktiven Gründen getroffenen Entscheidungen bestätigt, ist eine genauere Betrachtung der Zusammenhänge bei höheren Bauwerken unerlässlich. Die Anforderungen an den statisch-konstruktiven Entwurf und die entsprechenden Detaillösungen für das Aussteifungssystem nehmen nochmals ganz wesentlich zu, wenn neben den Einwirkungen aus Wind ein Nachweis der Tragsicherheit gegenüber Erdbeben erforderlich wird. Obwohl dies in Deutschland nur wenige Gebiete betrifft, sind von allen allgemein einsetzbaren Produkten und Bauarten Lösungen zur Verfügung zu stellen, die die Anforderungen an das erdbebensichere Bauen erfüllen. Die Bedeutung, die diese Frage für den Holzbau hat, wird dann deutlich, wenn man den europäischen Wirtschaftsraum in den Blick nimmt. So ist nach neuen Regelungen in Frankreich in einem Gebiet, das etwa 60 % der Staatsfläche entspricht, für alle Bauprojekte eine Aussage zur Erdbebensicherheit zu treffen. In Italien und anderen Ländern südlich der Alpen – für die im Übrigen ein erheblicher Nachholbedarf beim Wohnungsbau ermittelt wurde – ist das Thema der Erdbebensicherheit durch die im Abstand von wenigen Jahren auftretenden Schadensereignisse ganz offensichtlich. Schon diese sehr verkürzte Betrachtung macht deutlich, dass das Thema „Erdbebensichere Konstruktionen“ ein europäisches Thema ist, auch im Holzbau. Vor diesem Hintergrund stellt die europäische Norm EC 8 [5] das entscheidende technische Regelwerk dar. Vergleicht man darin die konkreten Angaben zu den unterschiedlichen Konstruktionsarten ganz elementar anhand des jeweiligen Seitenumfangs, so stellt man fest, dass die normativen Regelungen zum Holzbau am wenigsten umfangreich 2

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Bild 2

„WoodWorks“-Beispielprojekt [2] „WoodWorks“-design example [2]

sind. Dies könnte im Sinne einer schlanken Norm durchaus positiv interpretiert werden. Ein genauerer zweiter Blick zeigt allerdings, dass die Schlankheit leider eine Folge unvollständiger und lückenhafter Regelungen ist. Dadurch wird die Umsetzung innovativer Konstruktionsarten in konkrete Projekte behindert. Eine von mehreren Initiativen, die das Ziel haben, verlässliche Grundlagen für die sichere Bemessung von mehrgeschossigen Holzbauwerken unter Erdbebenbeanspruchung zur Verfügung zu stellen, ist das Forschungsprojekt OPTIMBERQUAKE. Von 2011 bis 2013 wurden in einem Konsortium der Universitäten Kassel und Sassari sowie des belgischen Forschungsinstituts BBRI umfangreiche experimentelle und rechnerische Untersuchungen durchgeführt. Die beiden wesentlichen Ziele waren die Charakterisierung des Verhaltens unterschiedlicher Wand- und Deckenelemente unter zyklischen Lasten bei vergleichbaren praxisgerechten Randbedingungen sowie die Weiterentwicklung von Berechnungsverfahren für die Ingenieurpraxis. In den folgenden drei Abschnitten werden nun erste Erkenntnisse präsentiert und erläutert, die sich direkt aus den Versuchen mit Wandelementen in Holzrahmenbauweise und Brettsperrholzbauweise sowie den zugehörigen Verankerungen ableiten lassen.

Experimentelle Untersuchungen

2.1

Bewertung des Verhaltens von Holzkonstruktionen unter Erdbebeneinwirkung

Um das Erdbebenverhalten von unterschiedlichen Konstruktionsarten zu erforschen, werden häufig monotone und zyklische Versuche an einzelnen Bauteilen wie beispielsweise Wandelementen durchgeführt. Ein umfangrei-

cher Überblick zu in den letzten Jahrzehnten durchgeführten Versuchen im internationalen Bereich kann z. B. P ETERSON [6] und VAN DE LINDT [7] entnommen werden. Während bei monotonen Lastprotokollen eine gleichmäßig steigende Verschiebung vorgegeben wird, wechselt bei den zyklischen Protokollen die Belastungsrichtung bei definierten Verschiebungsamplituden. Der monotone Versuch dient als Vorversuch, um das zyklische Lastprotokoll zu kalibrieren. Bei den an der Universität Kassel durchgeführten experimentellen Untersuchungen wurden die Lastprotokolle (monoton und zyklisch) nach ISO 21581 [8], das zyklische Lastprotokoll nach CUREE (Basic Loading History) [9] und die Lastprotokolle nach DIN EN 26891 [10] und ISO 16670 [11] verwendet. CUREE- und ISO-Protokoll unterscheiden sich vor allem hinsichtlich der Belastungsgeschwindigkeit bei den einzelnen Lastzyklen. Weitere Details zu den verwendeten Lastprotokollen können den Forschungsberichten des Forschungsprojekts OPTIMBERQUAKE entnommen werden [12],[13],[14]. Aus den typischen Last-Verschiebungskurven (siehe Bild 5) lassen sich die folgenden Parameter ermitteln, die einerseits eine Aussage über die Eignung im Erdbebenfall geben und anderseits als Vergleichsmaß bei der Gegenüberstellung der Versuche dienen: – Duktilitätsfaktor µ als Verhältnis aus Bruchverformung Du und Fließverformung Dy:

µ=

(1)

menwirken der plastischen Verformung des Verbindungsmittels und der Eindrückung des Holzes im Bereich der Verbindung zu begründen ist. Allerdings wird die Form der Hysterese mitunter sehr stark durch unterschiedliche Versuchsrandbedingungen wie Verankerung/Lagerung und Auflast beeinflusst (siehe Bild 5a und b). Ein direkter Rückschluss des Bauwerkverhaltens unter Erdbebenbeanspruchung anhand der oben aufgeführten Parameter – Verhaltensbeiwert qE, der für das Element bestimmt wird, Duktilität des Elementes µ und äquivalente viskose Dämpfung νeq – ist nur bedingt möglich. Grund dafür ist, dass in einem realen Bauwerk vor allem räumliche Effekte – das Mitwirken von Querwänden, die Deckensteifigkeit und das Mitwirken von Wandbereichen mit Öffnungen – das Verhalten des Bauwerks unter Erdbebeneinwirkung beeinflussen. Dies betrifft sowohl das Verformungsverhalten als auch die Energiedissipation. Darüber hinaus werden im Versuch i. d. R. größere Verformungen erreicht als dies im Gebäude im Erdbebenfall der Fall ist. Das bedeutet, dass der auf Elementebene ermittelte q-Wert (siehe Gl. (2)) für eine bestimmte Bauweise nicht direkt auf das Bauwerk übertragbar ist. Deshalb werden häufig umfangreiche nichtlineare Berechnungen unter Berücksichtigung des charakteristischen Hystereseverhaltens (siehe Bild 5) durchgeführt, um einen Verhaltensbeiwert für die Gesamtstruktur ableiten zu können [17]. Eine andere Möglichkeit bietet der Vergleich von Versuchsergebnissen – wie Tragfähigkeit, Steifigkeit, Duktilität, Verformungsvermögen – aus Bauteilversuchen mit entsprechenden Referenzdaten. Auf diese Weise lässt sich das Verhalten von Bauteilen einem bereits bekannten Strukturverhalten zuweisen.

– Verhaltensbeiwert qE auf Elementebene nach dem Ansatz der Energieäquivalenz (s. SEIM [15]):

2.2 qE = 2 ⋅ µ − 1

Wandelemente aus Brettsperrholz

(2)

2.2.1 Versuchsprogramm Für die Ermittlung der Fließverformung Dy wurde das Verfahren nach YASUMURA [16] verwendet. Darüber hinaus lässt sich bei zyklischen Versuchen die sogenannte äquivalente viskose Dämpfung νeq nach Gl. (3) bestimmen, die ein Maß für die Energiedissipation ist. Für eine genaue Definition wird auf SEIM et al. [12]–[14] verwiesen.

ϑ eq =

Ed 4π ⋅ Ep

(3)

Durch Belastung, Entlastung und Wiederbelastung – ähnlich wie bei einem Erdbeben – entsteht beim Aufzeichnen der aufgebrachten Kraft und der dazugehörigen Verschiebung (z. B. H-Last am Wandkopf und Kopfverformung, siehe Bild 3a) eine Schleife, die sogenannte Hystereseschleife, welche eine Fläche einschließt (siehe Bild 5). Der Flächeninhalt solcher Hystereseschleifen entspricht der durch Verformungsarbeit dissipierten Energie Ed. Die Höhe der Energiedissipation hängt im Wesentlichen von der Form der Hysterese ab. Typisch für den Holzbau sind eingeschnürte Hystereseverläufe, was mit dem Zusam-

Das Verhalten von Brettsperrholzwänden unter monotoner und zyklischer Belastung wurde an Wandelementen mit den Abmessungen 2,50 m × 2,50 m und einer Wandstärke von 105 mm (fünfschichtig, 21 mm dicke Brettlamellen, C24) untersucht (Bild 3). Wesentliches Ziel war es, die Wandelemente unter möglichst realitätsnahen und praxisnahen Randbedingungen zu prüfen. In die Entwicklung des Versuchsprogramms flossen Vorstudien an mehrgeschossigen Referenzgebäuden und Recherchen zu praxisüblichen Anschlusslösungen ein [18]. Aus den angestellten Vorüberlegungen ergaben sich die in Tab. 1 zusammengefassten Prüfkonfigurationen. Neben einer starren Lagerung, welche den Anschluss an ein Betonfundament repräsentiert, wurden auch die Lagerung auf Brettsperrholz (Geschossdecke) und die Anordnung von Zwischenschichten (Sylodyn [19], PE-Folie), die aus bauphysikalischen Gründen (Schallschutz, Luftdichtigkeit) erforderlich werden, berücksichtigt. Speziell zum Einfluss von Zwischenschichten auf das Bauteilverhalten gab es bisher keine experimentellen Untersuchungen. Bautechnik 91 (2014), Heft 1

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T. Vogt, J. Hummel, M. Schick, W. Seim: Experimental tests for innovative and earthquake-resistant timber-constructions

T. Vogt, J. Hummel, M. Schick, W. Seim: Experimentelle Untersuchungen für innovative erdbebensichere Konstruktionen im Holzbau

a) Bild 3

(a) Versuchsaufbau; (b) Auflagersituation starre Lagerung und Lagerung auf BSP-Deckenstreifen mit Sylodyn als Zwischenschicht (a) Test set-up for CLT wall elements; (b) support conditions rigid support and bearing on CLT with elastomeric interlayer (Sylodyn)

Darüber hinaus wurde die Auflast hinsichtlich ihrer Größe und Verteilung variiert. Die in Tab. 1 dargestellte exzentrische Auflast (W-CLT-4.2 und W-CLT-4.4) ergibt sich aus der Interaktion zwischen Auflast und Horizontallast insbesondere in den unteren Geschossen eines mehrgeschossigen Gebäudes.

zentrale Rolle, da nur an diesen Stellen Duktilität und Energiedissipation erzielt werden können.

Die in Tab. 1 aufgeführten Wandelemente (elf Versuche) wurden jeweils mit zwei Zugankern (HTT 22 [20]) und drei Winkelverbindern (AE 116 [20]) verankert (Bild 3). Das Verhalten der einzelnen Verankerungselemente wurde im Vorfeld in Verankerungsversuchen geprüft [13].

2.2.2 Ergebnisse

Im Zusammenhang mit dem Erdbebenverhalten der Brettsperrholzbauweise spielt die Verankerung eine ganz

Tab. 1

Weitere Details zu den Versuchen an BSP-Wandelementen können [14] entnommen werden.

Einige wesentliche Ergebnisse aus den experimentellen Untersuchungen sind in Tab. 2 zusammengestellt. Neben der maximalen Last, der Bruchverformung, der Duktilität und der äquivalenten viskosen Dämpfung wurden auch die Verformungsanteile „Slip“ (Gleiten), „Rocking“ (Kippen) und die – weitestgehend elastischen – Verformungen

Versuchsprogramm zu Brettsperrholz-Wandelementen Testing program for CLT wall elements

Versuch

Auflast

Lagerung

Lastprotokoll

W-CLT-1.1

10 kN/m

starr (Stahl)

monoton

W-CLT-1.2

10 kN/m

starr (Stahl)

zyklisch (ISO)

W-CLT-2.1

50 kN/m

starr (Stahl)

monoton

W-CLT-2.2

50 kN/m

starr (Stahl)

zyklisch (ISO)

W-CLT-3.1

10 kN/m

BSP

monoton

W-CLT-3.2

10 kN/m

BSP

zyklisch (ISO)

W-CLT-3.3

50 kN/m

BSP

zyklisch (ISO)

W-CLT-3.4

50 kN/m

BSP + Sylodyn

zyklisch (ISO)

W-CLT-3.5

50 kN/m

starr (Stahl) + 2×PE

zyklisch (ISO)

W-CLT-4.2

50 kN/m + M

BSP

zyklisch (ISO)

W-CLT-4.4

100 kN/m + M

starr (Stahl)

zyklisch (ISO)

ISO – ISO 21581, Sylodyn – Elastomer-Zwischenschicht, PE – PE-Folie, M – Moment

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Tab. 2

Versuchsergebnisse zu den Brettsperrholz-Wandelementen Test results for tests on CLT wall elements

Versuch

Fmax [kN]

Du [mm]

µ [–]

qE [–]

νeq [–]

Verformungsanteile BSP Slip Rocking

W-CLT-1.1

102,1

48,5

2,8

2,1

–

5 %

28 %

67 %

W-CLT-1.2

89,1

54,0

3,0

2,2

0,103

4 %

24 %

72 %

W-CLT-2.1

133,3

58,0

3,9

2,6

–

12 %

40 %

48 %

W-CLT-2.2

122,4

48,5

4,0

2,6

0,162

9 %

44 %

47 %

W-CLT-3.1

74,7

72,8

4,5

2,8

–

3 %

17 %

80 %

W-CLT-3.2

63,2

78,5

5,5

3,2

0,084

3 %

24 %

73 %

W-CLT-3.3

92,5

70,9

8,0

3,9

0,091

8 %

16 %

76 %

W-CLT-3.4

98,9

66,7

4,1

2,7

0,085

8 %

24 %

68 %

W-CLT-3.5

106,3

43,2

3,4

2,4

0,127

11 %

46 %

44 %

W-CLT-4.2

45,6

57,3

6,0

3,3

0,054

14 %

5 %

81 %

W-CLT-4.4

83,4

47,3

7,6

3,8

0,109

8 %

19 %

73 %

Mechanismus

‘BSP’ steht für die Biege- und Schubverformung des Brettsperrholzelementes.

a) Bild 4

Vergleich der Versuchsergebnisse zu den Brettsperrholzelementen; (a) Duktilität, (b) äquivalente viskose Dämpfung Comparison of test results for tests on CLT wall elements; (a) ductility, (b) equivalent viscous damping

des Wandelementes (BSP) selbst bezogen auf die Gesamtverformung am Wandkopf dokumentiert. Den Hauptanteil stellt hierbei das „Rocking“ dar, wobei bei den Versuchen W-CLT-2.1, W-CLT-2.2 und W-CLT-3.5 (starre Lagerung) der Anteil des Gleitens („Slip“) beträchtlich steigt. Welcher Verformungsanteil dominiert, scheint einen Einfluss auf das hysteretische Dämpfungsverhalten zu haben. Denn wenn der Anteil des Gleitens zunimmt, steigt auch die äquivalente viskose Dämpfung. Dämpfung und Duktilität einzelner Versuche werden in Bild 4 gegenübergestellt. Anhand der Diagramme lässt sich feststellen, dass die äquivalente viskose Dämpfung nicht unbedingt mit der Duktilität korreliert und dass neben der Auflast auch der Untergrund (Stahl, BSP, Zwi-

schenschichten) einen ganz wesentlichen Einfluss auf das Bauteilverhalten (siehe auch Bild 5) unter monotoner und zyklischer Belastung hat.

2.2.3 Zwischenbilanz Bei allen Wandelementen waren die Anzahl und die Anordnung von Zugankern und Winkelverbindern gleich. Allerdings fallen die Ergebnisse allein durch Erhöhung der Auflast, durch einen anderen Untergrund (BSP, Stahl) und durch Anordnung von Zwischenschichten sehr unterschiedlich aus. Darüber hinaus hat auch die Verteilung der Auflast einen beträchtlichen Einfluss auf nahezu alle Parameter (siehe Tab. 2). Die wesentlichen Bautechnik 91 (2014), Heft 1

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a) Bild 5

Last-Verformungskurven unter zyklischer Last (Hysteresen); (a) W-CLT-1.2 und (b) W-CLT-3.4 (mit Zwischenschicht, Sylodyn) Hysteresis curve of test; (a) W-CLT-1.2 and (b) W-CLT-3.4 (with interlayer, Sylodyn)

Erkenntnisse, die aus den Versuchen gewonnen werden konnten, lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: – Bauphysikalische Anforderungen an Anschlussdetails können das zyklische Verhalten von Brettsperrholzwänden unmittelbar beeinflussen, da eine ElastomerZwischenschicht die Reibung zwischen Wand und Decke erhöht, wohingegen eine Dampfbremse (PEFolie) die Reibung reduziert. Bei der PE-Folie führt das zur Reduzierung der äquivalenten viskosen Dämpfung, der Steifigkeit und der Duktilität. Darüber hinaus führen Elastomer-Zwischenschichten zu geringeren Duktilitäten aufgrund der geringeren Anfangssteifigkeit. – Die Auflast hat insbesondere bei der starren Auflagerung einen wesentlichen Einfluss. Hier steigen mit steigender Auflast die Traglast, die Duktilität und die äquivalente viskose Dämpfung. Bei der Lagerung auf Brettsperrholz ist der Einfluss der Auflast eher gering. Besonders hervorzuheben ist der große Einfluss der exzentrischen Auflast auf das Hystereseverhalten. Dadurch verringert sich sowohl die Duktilität als auch die äquivalente viskose Dämpfung im Vergleich zur Konfiguration mit konstanter Auflast. Auch die Tragfähigkeit reduziert sich deutlich. – Bewertet man den Einfluss unterschiedlicher Untergründe im Hinblick auf den Verhaltensbeiwert, so liegt die Vermutung nahe, dass dieser bei starrer Lagerung geringer ist, sofern man nur die Duktilität bzw. den Verhaltensbeiwert des Elementes qE betrachtet. Bei dem q-Wert eines Tragwerktyps geht jedoch auch das Energiedissipationsvermögen ein (siehe Abschn. 2.1). Dieses ist bei der Lagerung auf Brettsperrholz sehr gering (νeq < 10 %, siehe Tab. 2). Man muss deshalb davon ausgehen, dass die Lagerung auf Brettsperrholz – wie sie außer im untersten Geschoss überwiegend vorzufinden ist – zu geringeren q-Werten führt als bei Annahme einer starren Lagerung. Dies ist erst recht der Fall, wenn – wie in der Praxis üblich – elastische 6

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Zwischenschichten angeordnet werden, da hier die Duktilität (bzw. der qE-Wert) aufgrund der geringeren Anfangssteifigkeit im Vergleich zur Ausführung ohne Zwischenschicht reduziert ist. – Insgesamt betrachtet liegen die auf Elementebene ermittelten Verhaltensbeiwerte zwischen 2,1 und 3,9. Diese bewegen sich in einem ähnlichen Bereich wie q-Werte aus der Literatur [17], welche anhand von räumlichen Berechnungen ermittelt wurden. In einem Vorschlag zur Überarbeitung des Abschnittes „Besondere Regeln für Holzbauten“ im EC 8 wird die Brettsperrholzbauweise in die mittlere Duktilitätsklasse mit einem Verhaltensbeiwert von 2,0 eingestuft [21]. Aufgrund der zahlreichen Randbedingungen, die sich nur schwer in einer allgemeinen Regelung fassen lassen, scheint dieser vergleichsweise konservative Ansatz durchaus sinnvoll.

2.3

Holzrahmenelemente

In diesem Abschnitt werden die Eigenschaften von Holzrahmenwänden gegenüber Erdbebeneinwirkungen beschrieben. Dazu werden zwei Versuchsserien an Holzrahmenwänden und Verankerungsdetails vorgestellt, bei denen vor allem zwei Fragestellungen im Mittelpunkt standen: Neben dem Vergleich der Eigenschaften von OSB- und Gipsfaserplatten (GFB) als Beplankungswerkstoffe liegt ein wesentlicher Schwerpunkt auf der Untersuchung von praxisnahen Verankerungsdetails. In der aktuellen Version des EC 8 [5] sind nicht alle der praxisrelevanten Beplankungswerkstoffe geregelt. Während der Analogieschluss zwischen einer Beplankung mit im EC 8 nicht genannten OSB-Platten und genannten Spanplatten vergleichsweise leicht fällt, sind für den Einsatz von Gipsfaserplatten bauaufsichtliche Zulassungen notwendig. Vor diesem Hintergrund werden mit OSBund Gipsfaserplatten zwei unterschiedliche Beplankungs-

Tab. 3

Versuchsprogramm an Holzrahmenwänden Testing program for timber framed wall elements

Versuch

Lastprotokoll

Geschw./ Frequenz

WL-1.1

monoton

1,0 mm/s

WL-1.2

zyklisch (ISO)

0,2 mm/s

WL-1.3

zyklisch (ISO)

1,0 mm/s

WL-1.4

zyklisch (CUREE)

0,025 Hz

WL-2.1

monoton

1,0 mm/s

WL-2.2

zyklisch (ISO)

1,0 mm/s

WL-2.3

zyklisch (ISO)

1,0 mm/s

WL-2.4

zyklisch (CUREE)

0,025 Hz

WL-4.1

zyklisch (ISO)

WL-4.2

zyklisch (ISO)

Verbindungsmittel ∅ – Länge [mm]

Art der Verankerung

2x OSB/3 18 mm

glattschaftige Nägel, 2,8-65

stirnseitig

2x GFB 18 mm

Klammern, 1,53-55

stirnseitig

1,0 mm/s

2x OSB/3

gl. Nägel, 2,8-65

einseitig

1,0 mm/s

2x GFB

Klammern, 1,53-55

a) Bild 6

Beplankung

Versuche an Holzrahmenwänden; (a) Wandelement im Versuchsstand, (b) Isometrie des Wandelementes (horizontal geschnitten) und der Verankerungssituation für stirnseitige (oben) und seitliche Verankerung (unten) Tests on timber-framed wall elements; (a) test set-up, (b) symmetric and asymmetric anchoring

werkstoffe auf ihre Eigenschaften hinsichtlich Erdbebeneinwirkungen untersucht. Obwohl eine intakte Verankerung eine wesentliche Voraussetzung dafür ist, dass die dissipativen und duktilen Eigenschaften von Holzrahmenwänden überhaupt erst wirksam werden können, werden in den Normen keine konkreten Hinweise zur Ausführung der Verankerung gegeben. Nach EC 5 [22] muss „Die Wand [...] angemessen gehalten werden, um ein Kippen oder Gleiten zu verhindern.“ Wie genau dies aussehen kann, bleibt dem Tragwerksplaner und dem ausführenden Unternehmen überlassen. Vor diesem Hintergrund wurden verschiedene Varianten eines praxisnahen Verankerungssystems sowohl an Holzrahmenwänden als auch an Verankerungsdetails untersucht.

2.3.1 Wandelemente Tab. 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Versuchsprogramm mit insgesamt 20 Versuchen. Die Größe der Wandelemente betrug 2,50 m × 2,50 m. Die jeweils fünf Stiele hatten einen Querschnitt von 140 mm × 60 mm, der Querschnitt von Schwelle und Rähm betrug 140 mm × 85 mm. Als Material wurde Konstruktionsvollholz der Festigkeitsklasse C24 verwendet. Die Beplankung bestand aus OSB/3-Platten bzw. Gipsfaserplatten (GFB) der Firma Fermacell. Für die Verbindungen von Schwelle und Rähm an die Stiele wurden jeweils zwei selbstbohrende Schrauben verwendet (2 × 6,0–160 mm). Bei der Verbindung zwischen Beplankung und Rippen kamen glattschaftige Nägel bzw. beharzte Klammern im Abstand von 75 mm (Innenstiele 150 mm) zur Anwendung. Der geBautechnik 91 (2014), Heft 1

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T. Vogt, J. Hummel, M. Schick, W. Seim: Experimentelle Untersuchungen für innovative erdbebensichere Konstruktionen im Holzbau Tab. 4

Ausschnitt aus Versuchsprogramm an Verankerungsdetails Testing program for anchoring units

Versuch

Lastprotokoll

Geschw.

HD-sct-1.1

monoton

0,1 mm/s

HD-sct-1.2

zyklisch (ISO)

1,0 mm/s

HD-sct-1.3

zyklisch (ISO)

1,0 mm/s

HD-sct-1.4

zyklisch (ISO)

1,0 mm/s

HD-osb18-1.1

monoton

0,1 mm/s

HD-osb18-1.2

zyklisch (ISO)

1,0 mm/s

HD-osb18-1.3

zyklisch (ISO)

1,0 mm/s

HD-osb18-1.4

zyklisch (ISO)

1,0 mm/s

HD-gfb18-1.1

monoton

0,1 mm/s

HD-gfb18-1.2

zyklisch (ISO)

1,0 mm/s

HD-gfb18-1.3

zyklisch (ISO)

1,0 mm/s

HD-gfb18-1.4

zyklisch (ISO)

1,0 mm/s

a) Bild 7

Verbindung mit Zuganker

–

profilierte Nägel, 17 × 4,0–60 mm

OSB 18 mm

profilierte Nägel, 17 × 4,0–60 mm

GFB 18 mm

profilierte Nägel, 17 × 4,0–60 mm

Versuchsaufbau der Verankerungsdetails; (a) Verankerung direkt auf dem Stiel, (b) Verankerung durch OSB-Beplankung, (c) Foto des Versuchskörpers Test set-up for anchoring; (a) direct on stud, (b) through osb-panel, (c) picture of specimen

naue Wandaufbau kann Bild 6 entnommen werden, der Versuchsrahmen ist in Bild 3a dargestellt. Bild 6b (oben) zeigt schematisch eine OSB-beplankte Wand mit stirnseitiger Zugverankerung. Mit jeweils zwei Zugankern vom Typ HTT 22 [20] wurde diese Verankerung überdimensioniert, um den Einfluss der Verankerung auf das Trag- und Verformungsverhalten der Wandelemente zu minimieren. Die horizontalen Kräfte wurden durch stirnseitig angebrachte Stahlplatten (Knaggen) aufgenommen. In Bild 6b (unten) ist der Wandaufbau mit einseitiger Verankerung dargestellt, mit der die praxisnahe Verankerungssituation abgebildet werden sollte. Neben jeweils einem Zuganker an den Außenstielen kamen für die Aufnahme der Schubkräfte vier Winkelverbinder vom Typ AE 116 [20] zur Anwendung. Die Wände wurden alle mit einer vertikalen Auflast von 10 kN/m (25 kN insgesamt) belastet. 8

Beplankung

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

2.3.2 Verankerungselemente Tab. 4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Versuchsprogramm mit insgesamt 35 Versuchen an Verankerungsdetails. Bei den Versuchen wurde die Auflagersituation im Bereich der Zugverankerung von Holzrahmenwänden abgebildet. Es kamen die gleichen Materialien wie bei den Versuchen an Wandelementen zur Anwendung. Die Schwelle und der Randstiel hatten nahezu die gleichen Abmessungen wie bei den Wandelementen. Getestet wurde hier ausschließlich die einseitige Verankerung. Unterschieden wurde zwischen dem Anbringen des Zugankers vom Typ HTT 22 [20] direkt auf dem Stiel oder durch eine OSB- bzw. GFB-Beplankung hindurch (Bild 7). Die Beplankung wurde – wie bei den Wandversuchen – mit Klammern bzw. Nägeln im Abstand von 75 mm auf dem Stiel und der Schwelle befestigt. Die Zuganker wurden

Bild 8

Hysteresen von (a) Wandversuch WL-2.2 und (b) Verankerungsversuch HD-sct-1.2 Hysteresis of (a) wall element WL-2.2 and (b) anchoring unit HD-sct-1.2

Tab. 5

Übersicht der Versuchsergebnisse an Holzrahmenwänden Overview of test results on timber framed wall elements

Versuch

Fmax [kN]

Du [mm]

µ [/]

qE [/]

νeq [/]

WL-1.1

110,5

133,8

4,0

2,6

–

WL-1.2

78,3

74,9

2,5

2,0

0,13

WL-1.3

81,4

75,5

2,8

2,1

0,12

WL-1.4

95,5

81,7

2,8

2,1

0,15

WL-2.1

76,1

45,6

3,2

2,3

–

WL-2.2

66,8

56,4

2,8

2,2

0,15

WL-2.3

61,2

59,6

1,6

1,5

0,15

WL-2.4

84,7

73,1

3,8

2,6

0,20

WL-4.1

59,4

73,7

5,3

3,1

0,13

WL-4.2

68,3

67,7

3,9

2,9

0,13

mit jeweils 17 profilierten Nägeln an die Randstiele angeschlossen.

2.3.3 Ergebnisse In Bild 8a ist eine typische Last-Verformungskurve einer Holzrahmenwand unter zyklischer Beanspruchung dargestellt (WL-2.2). Bei der analogen Darstellung der Ergebnisse des Verankerungselementes (HD-sct-1.2) in Bild 8b ist die Asymmetrie aufgrund der unterschiedlichen Lagerbedingungen für Druck (Kontakt) und Zug (Anker) deutlich zu erkennen. Tab. 5 zeigt eine Übersicht zu den Ergebnissen aus den Versuchen an Holzrahmenwänden. Die jeweiligen Versuchskonfigurationen sind in Tab. 3 angegeben. In Bild 9a und Bild 9b sind die Werte für Duktilität und äquivalente viskose Dämpfung grafisch dargestellt. Hier können vor allem zwei wesentliche Beobachtungen gemacht werden:

– Die Werte für die Duktilität, den qE-Wert und die äquivalente viskose Dämpfung liegen bei OSB- und GFB-Beplankung in einer ähnlichen Größenordnung. Dies ist vor allem daher interessant, weil für OSB-beplankte Holzrahmenwände nach EC 8 ein Verhaltensbeiwert von 5,0 angesetzt werden darf, während bei der Verwendung von GFB-Platten nach bauaufsichtlicher Zulassung [23] dieser Wert auf 2,5 beschränkt ist. – Die ermittelten Werte für den auf Elementebene ermittelten Verhaltensbeiwert qE liegen – auch für OSBPlatten – deutlich unter dem Wert, der nach EC 8 angesetzt werden darf. Die Unterscheidung zwischen ISO- und CUREE-Lastprotokoll soll an dieser Stelle nicht weiter diskutiert werden. Hierzu sei auf VOGT et al. [24] verwiesen. Tab. 6 zeigt die Ergebnisse der Versuche an Verankerungsdetails. Die jeweiligen Versuchskonfigurationen sind in Tab. 4 angegeben. In Bild 10a und Bild 10b sind Bautechnik 91 (2014), Heft 1

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T. Vogt, J. Hummel, M. Schick, W. Seim: Experimental tests for innovative and earthquake-resistant timber-constructions

T. Vogt, J. Hummel, M. Schick, W. Seim: Experimentelle Untersuchungen für innovative erdbebensichere Konstruktionen im Holzbau

Bild 9

Diagramme der Versuchsergebnisse an Holzrahmenwänden; (a) Duktilität, (b) äquivalente viskose Dämpfung Diagrams of test results on timber framed wall elements; (a) ductility, (b) equivalent viscous damping

Tab. 6

Übersicht der Versuchsergebnisse an Verankerungsdetails Overview of test results on anchoring units

Versuch

Fmax [kN]

Du [mm]

µ [/]

νeq [/]

HD-sct-1.1

55,2

24,3

3,5

–

HD-sct-1.2

60,5

23,7

2,4

0,032

HD-sct-1.3

62,4

28,7

2,7

0,030

HD-sct-1.4

54,7

22,7

3,4

0,027

HD-osb18-1.1

43,6

23,7

3,5

–

HD-osb18-1.2

48,8

28,2

3,6

0,030

HD-osb18-1.3

48,6

28,6

3,3

0,029

HD-osb18-1.4

48,9

26,8

3,4

0,031

HD-gfb18-1.1

45,2

19,8

3,3

–

HD-gfb18-1.2

55,5

22,1

2,7

0,036

HD-gfb18-1.3

51,8

21,5

3,2

0,036

HD-gfb18-1.4

52,4

21,6

3,3

0,034

die Werte für Duktilität und äquivalente viskose Dämpfung grafisch dargestellt. Die wesentlichen Beobachtungen sind folgende: – Die maximale Tragfähigkeit ist etwas geringer, wenn die Zuganker auf der Beplankung angebracht werden. Die Duktilität und die äquivalente viskose Dämpfung hingegen sind etwas höher. Da die Zuganker nicht voll ausgenagelt wurden, kann die gleiche Tragfähigkeit erreicht werden, wenn 2–3 Nägel mehr verwendet werden. – Es ist kein wesentlicher Unterschied zwischen der Verankerung durch OSB- bzw. GFB-Platten erkennbar. 10

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Bei den Verankerungsversuchen wurde außerdem ein weiterer Effekt beobachtet. Bei einigen der ersten Versuche trat aufgrund der exzentrischen Verankerung ein Querzugversagen in den Stielen ein (Bild 11a). Dieses wurde durch das Einschrauben von neun selbstbohrenden Schrauben (5,0–100 mm) im Abstand von 5 cm auf der Rückseite der Versuchskörper bei den weiteren Versuchen verhindert (Bild 11b und c). Für die Wandversuche mit exzentrischer Verankerung wurden daraufhin selbstbohrende Schrauben anstelle der üblichen Kammnägel zur Befestigung der Zuganker verwendet. Dazu war es erforderlich, die in den Zugankern vorhandenen Bohrungen geringfügig aufzubohren.

Bild 10 Diagramme der Versuchsergebnisse an Verankerungsdetails; (a) Duktilität, (b) äquivalente viskose Dämpfung Diagrams of test results on anchoring units; (a) ductility, (b) equivalent viscous damping

Bild 11 Verankerungsdetails; (a) Querzugversagen eines Stiels, (b) Querzugverstärkung durch selbstbohrende Schrauben, (c) Anbringen des Zugankers über selbstbohrende Schrauben Anchoring units; (a) tensile failure perpendicular to the grain, (b) reinforcement using self-tapping screws, (c) using self-tapping screws for the connection of the hold down

2.3.4 Zwischenbilanz Aus den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: – Gipsfaserplatten und OSB-Platten liefern vergleichbare Ergebnisse im Bereich der Tragfähigkeit, Duktilität und Energiedissipation. Weitere Versuche an einseitig beplankten Holzrahmenwänden unterstreichen diese Beobachtung [12]. – Die Auswertung der experimentellen Untersuchungen macht deutlich, dass der im EC 8 für Holzrahmenwände angegebene q-Wert mit 5,0 zu hoch angesetzt ist. Die ermittelten qE-Werte auf Elementbasis liegen im Bereich zwischen 2 und 3. Untersuchungen aus der Li-

teratur [25], welche anhand von räumlichen Berechnungen ermittelt wurden, liefern Werte für q im Bereich von 3 bis 4. Diese Ergebnisse zeigen, dass der qWert für Holzrahmenwände keinesfalls über 4,0 liegen sollte, was der Regelung nach DIN 4149 [26] entspricht. – Für Gipsfaserplatten scheint der in der bauaufsichtlichen Zulassung mit q = 2,5 angegebene Verhaltensbeiwert vergleichsweise konservativ. – Ein hohes Augenmerk muss auf die Zugverankerung von Holzrahmenwänden gelegt werden. Ein sprödes Versagen im Auflagerbereich, etwa durch Querzugversagen des Stiels, Zugversagen des Zugankers oder Herausreißen des Betondübels, verhindert die Aktivierung des plastischen Verformungsverhaltens der VerBautechnik 91 (2014), Heft 1

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Bild 12 (a) Hysterese, Einhüllende und bilineare Kraft-Verformungs-Linie von Wandversuch WL-1.3 und (b) Häufigkeitsverteilungen von berechneten Tragfähigkeiten und Tragfähigkeiten aus den Versuchen WL-1.1 – WL-1.4 (a) Hysteresic, envelope ans bilinear load displacement curve for wall WL-1.3 and (b) frequency distribution for load carrying capacity as calculated and from testing

bindungsmittel. Ohne diese kann jedoch nur ein Bruchteil des angesetzten q-Werts wirksam werden. – Das Querzugversagen der Stiele kann durch die Verwendung von Vollgewindeschrauben verhindert werden – bei den durchgeführten Versuchen haben sich zwei Varianten als wirksam erwiesen: Zum einen wurden insgesamt neun Schrauben (5,0 × 100) von der Rückseite in den Stiel geschraubt (siehe Bild 11b und Bild 11c). Als Abstand in Längsrichtung wurden 50 mm (10 · d) gewählt, die Übergreifungslänge mit den Kammnägeln der Zuganker betrug ca. 20 mm (4 · d). Zur Optimierung des Fertigungsprozesses auf der Baustelle wurde eine weitere Variante untersucht: Anstelle der üblichen Kammnägel wurden zwölf bis 16 Löcher des Zugankers aufgebohrt (von 4,7 mm auf 6 mm), um für die Verbindung Vollgewindeschrauben (6,0 × 140) zu verwenden. Dadurch konnte auf eine zusätzliche Verschraubung von der Rückseite aus verzichtet werden. Diese Variante wurde auch bei den Wandversuchen mit seitlicher Verankerung gewählt. Für eine allgemeingültige Aussage zur Ausführung von Querzugverstärkungen im Bereich der Zugverankerung sind weitere Untersuchungen notwendig. – Um ein Zugversagen des Zugankers oder ein Herausreißen des Betondübels zu vermeiden, müssen diese entsprechend überbemessen werden (siehe Abschn. 3). – Eine Verankerung durch die Beplankung stellt keine Beeinträchtigung des Tragverhaltens dar. Im Gegenteil – es konnten teilweise sogar etwas höhere Werte bei der Duktilität und der Energiedissipation beobachtet werden. Eine Bemessung mit Zwischenschicht kann nach BLASS & LASKEWITZ [27] erfolgen. Hier wird unterschieden zwischen einer verschieblichen und einer unverschieblichen Zwischenschicht. Die Ergebnisse aus den Verankerungsversuchen zeigen, dass trotz der kontinuierlichen Verbindung zwischen 12

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Beplankung und Stiel für die Bemessung von einer verschieblichen Zwischenschicht ausgegangen werden sollte.

Überfestigkeit

Um im Falle eines Erdbebens die für die Berechnung vorausgesetzte erforderliche Energiedissipation von Wandelementen sicherzustellen, muss ein sprödes Versagen bei einer geringeren als der maximalen Tragfähigkeit der Wand ausgeschlossen werden. Die Regelungen im EC 8 [5] fordern eine Bemessung der nicht dissipativen Bereiche mit „ausreichender Überfestigkeit“. Detaillierte Angaben zu Überfestigkeiten im Holzbau sind im EC 8, im Gegensatz zum Stahlbeton- und Stahlbau, nicht verfügbar. Der folgende Vorschlag beschreibt die Bestimmung von Überfestigkeiten für Holzrahmenelemente auf Grundlage der durchgeführten Versuche. Als Überfestigkeit wird die Differenz zwischen den charakteristischen Tragfähigkeiten Rk und den im Versuch ermittelten Tragfähigkeiten Rexp bezeichnet (Bild 12a). Die Duktilität von Holzrahmenwänden beruht im Wesentlichen auf der plastischen Verformbarkeit der stiftförmigen Verbindungsmittel (meist Nägel oder Klammern). Die maximale Tragfähigkeit bzw. das Fließplateau der Wandelemente ist erreicht, wenn die Verbindungsmittel mindestens ein Fließgelenk ausbilden und gleichzeitig die Leibungsfestigkeit im Beplankungsmaterial erreicht wird. Um eine ausreichende Dimensionierung der spröden Bereiche, z. B. der Verankerung, sicherzustellen, muss die maximale Tragfähigkeit des Wandelementes Rexp bzw. das 95 %-Quantil Rexp,0.95 der getesteten Wandelemente als Einwirkung zur Bemessung dieser spröden Bereiche herangezogen werden. Der charakteristische Widerstand der Verankerung Ra,0.05 ist in diesem Fall größer als die

γ mat

γ mech

γ 0.95

γ Rd

Wand-Decke/Gründung (Stahlbeton)

1,30

1,33

1,28

2,20

Wand-Decke (Holz)

1,30

1,00

1,28

1,65

Bild 13 Isometrie einer Holzrahmenwand mit Deckenanschluss und Zugverankerung, Vorschlag für partielle Überfestigkeiten von Holzrahmenwänden mit OSBBeplankungen Wall to slab and wall to foundation anchoring for timber framed wall element, proposal for overstrength factors

Festigkeit Rexp,0.95 des Wandelementes. Somit kann mit ausreichender Sicherheit ein sprödes Versagen ausgeschlossen werden. Ra,0.05 ≥ γ mat ⋅ γ mech ⋅ γ 0.95 ⋅ Rw ,k

(4)

Die Teilfaktoren zur Bestimmung der erforderlichen Überfestigkeit sind in Bild 12b dargestellt. – γmat berücksichtigt die Überfestigkeit aufgrund des Sicherheitskonzeptes des EC 0 [28]. Dieser Faktor beschreibt die Differenz zwischen den charakteristischen Tragfähigkeiten Rk und den Tragfähigkeiten R*m von Verbindungsmitteln, ermittelt mit den Mittelwerten der Materialeigenschaften und den Bemessungsformeln für Verbindungsmittel nach EC 5 [22].

γ mat =

* Rm

(5)

– γmech berücksichtigt die Überfestigkeit aufgrund von Vereinfachungen bei den Rechenmodellen der Bemessungsformeln. Dieser Faktor beschreibt die Differenz zwischen den berechneten Tragfähigkeiten R*m und den mittleren Tragfähigkeiten Rexp,m aus Bauteilversuchen.

γ mech =

Rexp,m * Rm

Dank (6)

– γ0.95 berücksichtigt die statistische Verteilung der Versuchsergebnisse und stellt auf Grundlage des EC 0 sicher, dass 95 % der Versuchskörper eine geringere Tragfähigkeit erreichen als für die Dimensionierung der spröden Bereiche angesetzt wird.

γ 0.95 =

Rexp,0.95 Rexp,m

(7)

Der Überfestigkeitsfaktor γRd ergibt sich zu:

γ Rd = γ mat ⋅ γ mech ⋅ γ 0.95

Auf Grundlage der zuvor beschriebenen Versuche an Holzrahmenwänden und zusätzlichen Untersuchungen der Materialparameter zur Bestimmung der Mittelwerte der Materialeigenschaften wurden Überfestigkeitsfaktoren für die im Rahmen des Forschungsprojekts OPTIMBERQUAKE untersuchten Holzrahmenwände ermittelt. Nähere Einzelheiten und Erläuterungen zur Ermittlung von Überfestigkeiten von Holzrahmenwänden können [29] entnommen werden. Am Beispiel eines Gebäudes in Holztafelbauweise lässt sich der Vorteil der partiellen Überfestigkeitsfaktoren verdeutlichen. Die Bemessung einer horizontalen Scheibe in Tafelbauweise kann, bei gleichem Beplankungsmaterial und gleichen Verbindungsmitteln, mit einer geringeren Überfestigkeit erfolgen, da hier sowohl in der Wand als auch in der Decke die gleichen mechanischen Effekte auftreten. Werden in beiden Fällen die Beplankungen aus OSB-Platten mit Nägeln auf den Stielen bzw. Balken befestigt, so ist γmech auf der Einwirkungs- und auf der Widerstandsseite identisch und kann infolgedessen zu 1,0 angenommen werden. Da sich die mechanischen Überfestigkeiten der Holzrahmenwand und des Zugankers unterscheiden und für Verankerungselemente derzeit keine Überfestigkeitsfaktoren vorliegen, wird empfohlen, für die Bemessung des Zugankers die volle Überfestigkeit des Wandelementes γRd = 2,20 anzusetzen.

(8)

Die experimentellen Untersuchungen waren Teil des Forschungsprojekts OPTIMBERQUAKE und wurden über die aiF vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie im Rahmen der Forschungsinitiative CORNET der EU finanziert. Projektpartner sind, neben der Universität Kassel, die Universität Sassari und das Belgische Bauforschungsinstitut BBRI. Die Projektorganisation erfolgt durch den iVTH (Internationaler Verein für technische Holzfragen) in Braunschweig. Folgende Verbände beteiligen sich an der Finanzierung: Holzbau Deutschland, Qualitätsgemeinschaft Holzbau und Ausbau, Verband der deutschen Holzwerkstoffindustrie, Bundesverband der Gipsindustrie, Deutscher Holzfertigbau-Verband und Studiengemeinschaft Holzleimbau. Bautechnik 91 (2014), Heft 1

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Bautechnik 91 (2014), Heft 1

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Autoren Dipl.-Ing. Tobias Vogt M. Sc. Dipl.-Ing. Johannes Hummel M. Sc. Dipl.-Ing. Michael Schick Prof. Dr.-Ing. Werner Seim Universität Kassel FG Bauwerkserhaltung und Holzbau Kurt-Wolters-Str. 3 34125 Kassel tobias.vogt@uni-kassel.de

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Volker Schmid*, Özkan Yildiz

Zum konstruktiven Holzschutz mit hochelastischen Polyurethan-Spritzelastomeren Architekten und Ingenieure sind zunehmend daran interessiert, eine moderne Formensprache auch für Holzkonstruktionen umzusetzen. Dabei erweisen sich die bewährten Maßnahmen zum konstruktiven Holzschutz, wie z. B. Dachüberstände, Verkleidungen und Verblechungen, häufig als hinderlich und bremsen so eine größere Verbreitung der Holzbauweise. In der Praxis wurde deshalb vereinzelt ein neues Holzschutzkonzept angewandt, das auf einer hochelastischen, 2 bis 3 mm dicken Sprühbeschichtung aus Polyurethan basiert. Dieses Schutzsystem wird seit 25 Jahren erfolgreich für Betonkonstruktionen eingesetzt. Die hervorragende Risseüberbrückungsfähigkeit der Polyurethan-Dickfilmbeschichtung, zusammen mit einer Dampfdurchlässigkeit von sd ≈ 1,8 m bei 2 bis 3 mm Dicke, prädestiniert sie auch zum Schutz moderner Holzbauteile. In einem Forschungsprojekt an der TU-Berlin wurde dieses Holzschutzkonzept nun erstmals wissenschaftlich an drei unterschiedlichen PUR-Beschichtungen auf verschiedenen Holzgründen wie Brettschichtholz, Brettsperrholz, OSB-Platte, mitteldichte Faserplatte und Furnierschichtholz untersucht. Dazu wurden an gealterten und ungealterten beschichteten Holzproben Zug- und Haftzugtests, Ermüdungstests und Auslagerungsversuche durchgeführt und anschließend die Wasserdichtigkeit geprüft. Des Weiteren wurden ein Fassadenelement im ETAG-Fassadenprüfstand sowie ein Wand-Traufe-Bauteil im Schlagregenversuchsstand getestet.

Highly elastic polyurethane coating with 2 to 3 mm thickness for constructive wood protection Architects and engineers develop an increasing interest in sustainable timber structures with a contemporary and modern design. This aim is hampered by the established detailing of timber structures, which for example requires roof overhangs and steel sheet cladding to prevent the timber from weathering. In recent projects architects and engineers tried a new method of constructive wood protection to realize their modern design concepts: A 2 to 3 mm thick, highly elastic polyurethane coating is sprayed onto the wood. This coating is capable of bridging opening gaps, in the tests up to 5 mm in width, while remaining watertight. This type of water proofing is successfully employed on concrete for about 25 years. Its permeability for water vapour with an sd-value of about 1.8 m makes it well suited for timber structures. In a research project the Technische Universität Berlin investigated this new type of wood protection. Polyurethane coatings of three different manufacturers were tested on multiple substrates like gluelam, cross laminated timber, oriented strand board, medium density fibre board and laminated veneer lumber. Half of the test specimens were exposed to artificial weathering before the tests, the other half remained unweathered. Tests of the resistance to delamination were carried out as well as tensile and fatigue tests which were followed by tests assessing the water tightness. Some specimens were exposed to outside climate for two years and a full size facade element was tested in the EOTA facade testing stand.

Keywords Holzschutz; Polyurethan; Holzfeuchtigkeit; Elastomer

Keywords polyurethane; timber; constructive wood protection; moisture content

spielsweise Holzstützen auf dünne Stahlstützenfüße gestellt werden.

Neue Möglichkeiten zum konstruktiven Witterungsschutz

Der wirksame und langandauernde Schutz von Holzkonstruktionen vor den schädlichen Einflüssen der Witterung ist ein zentrales Thema der Holzbauweise. Bewährt haben sich insbesondere die Maßnahmen zum konstruktiven Witterungsschutz [1]. Diese sind allerdings häufig kostspielig, wenn z. B. Brückenkonstruktionen durch eine zusätzliche Überdachung geschützt werden müssen und bisweilen gestalterisch wenig überzeugend, wenn bei-

*) Corresponding author: volker.schmid@tu-berlin.de Submitted for review: 04 October 2013 Revised: 11 November 2013 Accepted for publication: 13 November 2013

Als Vorschlag zur Erweiterung der bekannten Holzschutzmaßnahmen wird hier ein neues Konzept zum Schutz von Holzkonstruktionen mithilfe einer 2 bis 3 mm dicken Sprühbeschichtung aus Polyurethan vorgestellt. Ziel ist es, mithilfe einer dichten und hochelastischen Beschichtung den konstruktiven Holzschutz so zu verbessern, dass der Aufwand für zusätzliche Holzschutzmaßnahmen minimiert wird. Damit soll auch für Holzkonstruktionen, die der freien Bewitterung ausgesetzt sind, eine moderne Gestaltung möglich sein (Bild 1a). Beispielhaft zeigt Bild 1b den im Forschungsprojekt [2] untersuchten Dach-Traufe-Anschluss mit integrierter Regenrinne in Holzbauweise, wobei auf Dachüberstände oder Verblechungen gänzlich verzichtet wurde.

AUFSATZ ARTICLE

DOI: 10.1002 / bate.201300078

V. Schmid, Ö. Yildiz: Zum konstruktiven Holzschutz mit hochelastischen Polyurethan-Spritzelastomeren

a) Bild 1

a) Randdetail Metropol Parasol, Sevilla [3] b) Prototyp eines Dach-Traufe-Wand-Details a) Detail of Metropol Parasol, Seville [3] b) Prototype of a roof-eaves-wall detail

Das Schutzkonzept des Sprühelastomers beruht weitestgehend auf seiner sehr großen Elastizität (Bild 2) und der damit verbundenen Fähigkeit, Risse oder Fugenbewegungen ohne Dichtigkeitsverlust zu überbrücken. Durch die im modernen Holzbau verbreitete Verwendung von großflächigen Holzwerkstoffen und Massivholzplatten sind die auftretenden Rissbreiten gegenüber Konstruktionsvollholz deutlich reduziert und der Einsatz dieses Abdichtungskonzepts wird zunehmend interessant. Neben der hohen Elastizität und Haftfestigkeit ist auch die Dampfdurchlässigkeit des Polyurethans für den Holzbau von großem Vorteil. Der sd-Wert beträgt bei einem 2 bis 3 mm dicken Beschichtungssystem ca. 1,8 m, damit ist eine allmähliche Feuchteregulation im Holz möglich. Für die Anwendung auf Holz wird zunächst eine Grundierung und dann das 2K-Polyurethan aufgesprüht. Die zwei Komponenten des Polyurethans werden im Sprühkopf gemischt und binden in weniger als fünf Minuten zu einer begehbaren Fläche ab. Da keine Weichmacher eingesetzt werden, bleiben die Eigenschaften des PUR weitestgehend konstant, solange die den Alterungsprozess beschleunigende UV-Strahlung durch eine UV-beständige Deckbeschichtung abgehalten wird. Die Unterhaltungskosten sind gegenüber üblichen farbbeschichteten Holz16

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Abdichtungen mit einer Polyurethan-Spritzbeschichtung werden seit 25 Jahren erfolgreich auf Beton eingesetzt. Insbesondere bei geometrisch komplexeren Situationen hat der fugenlose Auftrag ohne Naht- oder Stoßstellen gegenüber anderen Abdichtungsvarianten mit Bitumenoder Kunststoffbahnen den Vorteil, dass die Bauausführung deutlich weniger fehleranfällig ist. Die Europäische Normung regelt die Anwendung dieses PUR-Abdichtungssystems in der Leitlinie für die Europäische Technische Zulassung für flüssig aufzubringende Dachabdichtungen (ETAG 005, [4]) unabhängig vom Beschichtungsuntergrund. Auf Holz wurde dieses Abdichtungsprinzip in der Praxis aber bisher nur wenig angewandt. Wenn doch, dann meist mit dem Ziel, eine zeitgemäße Formensprache kostengünstig umzusetzen. Bild 2

Zugversuch an Schulterstäben aus ca. 2,5 mm dick gesprühter Polyurethan-Folie Tension tests with shouldered test bars from a 2.5 mm thick polyurethane membrane

fassaden deutlich reduziert und beschränken sich auf die wenig aufwändige Erneuerung der Deckbeschichtung alle ca. acht Jahre. Deshalb schneiden Fassaden in Holzrahmenbauweise mit PUR-Beschichtung bei einem Vergleich der Wirtschaftlichkeit verschiedener Fassadenkonstruktionen für einen Nutzungszeitraum von 80 Jahren um 10 % günstiger ab als Wärmedämmverbundsysteme und um ca. 30 % günstiger als Holzrahmenkonstruktionen mit vorgehängter, hinterlüfteter Bekleidung aus farbig lasierter Stülpschalung oder aus Faserzementplatten.

Forschungsprojekt

2.1

Zugversuche, Haftzugfestigkeit und Risseüberbrückungsfähigkeit

Angeregt durch die beschriebenen Vorteile des konstruktiven Holzschutzes mit einer PUR-Flüssigabdichtung

Bild 4

Bild 3

Spannungs-Dehnungslinie für Schulterstäbe aus Baytec Spray VP PU 0310/0309 ohne Deckbeschichtung Stress-strain diagram for Baytec Spray VP PU 0310/0309 without coating

führten die beiden Fachgebiete „Entwerfen und Konstruieren – Verbundstrukturen“ und „Bauphysik und Baukonstruktion“ vom Institut für Bauingenieurwesen der TU-Berlin ein gemeinsames, vom BMVBS gefördertes Forschungsprojekt zum Thema „Hybride Holzkonstruktionen mit Polyurethan“ durch [4]. Es wurden drei PURBeschichtungen auf fünf Untergründen untersucht: Von der AB-Polymerchemie AB PUR 550, von Bayer Baytec Spray VP PU 0310/0309 und von BASF Conipur M 803 FL. Als Untergründe wurden Brettschichtholz, Brettsperrholz, OSB- und MDF-Platten und Furnierschichtholz eingesetzt, alle mit der Grundierung Conipur 73 vorbehandelt. Zunächst wurden Zugversuche an der Polyurethan-Folie selbst durchgeführt (Bild 2). Beispielhaft zeigt Bild 3 die Arbeitslinien für die Zugversuche mit Baytec Spray VP PU 0310/0309 ohne Deckbeschichtung. Die Einflüsse der Deckbeschichtung und der unterschiedlichen Alterungsmethoden auf die Zugfestigkeit des Materials sind in Tab. 1 stellvertretend am Beispiel der Beschichtung AB PUR 550 der Firma AB-Polymerchemie dargestellt. Wie zu erwarten, stieg der E-Modul der Proben an, wenn die für den UV-Schutz notwendige Deckbe-

Tab. 1

Haftzugtests auf OSB und BSP: Immer Bruch im Holz Resistance to delamination on OSB and CLT substrate: Failure always occurs in the timber

schichtung (hier Conipur TC-459) aufgebracht wurde, umgekehrt reduzierte sich dadurch die Bruchspannung um ca. 10 %. Die im Versuch angewandten Alterungsmethoden entsprachen der ETAG 005 und führten zu einer zusätzlichen Reduktion der Bruchspannung um weitere ca. 10 %. Die gemessenen Bruchdehnungen lagen im Bereich von 250 bis 330 %. Anschließend wurden Haftzugversuche sowohl an ungealterten als auch an, entsprechend der ETAG 005, wassergealterten Probekörpern durchgeführt. Dabei konnte für alle untersuchten Untergründe und Beschichtungsmaterialien ein Versagen innerhalb des Holzes und nie in der Kontaktfläche PUR-Holz festgestellt werden (Bild 3). Die Haftzugfestigkeit wird somit allein von der Querzugfestigkeit des Holzes bestimmt. Des Weiteren wurden Versuche zur Rissüberbrückung der PUR-Beschichtung auf Brettschichtholz, OSB, Brettsperrholz und Furnierschichtholz durchgeführt, wobei zunächst eine Rissaufweitung von 0 auf 1,5 mm untersucht wurde. Im Gegensatz zu den Schulterstäben ist die zugehörige Dehnung in der Beschichtung zunächst theoretisch unendlich hoch, denn die Bezugslänge der Verformung entspricht der Rissbreite im Ausgangszustand, also 0 mm. Tatsächlich löst sich aber im Bereich des Risses das PUR-Elastomer etwas vom Untergrund, bzw. kleine Teile des Untergrunds lösen sich zusammen mit dem PUR ab, sodass die Bezugslänge tatsächlich eine endliche Größe hat – und damit auch die Dehnungen im PUR. Die Versuche mit 75 wärmegealterten und 75 ungealterten Probekörpern wurden bei –30 °C durchgeführt. Dabei wurde die Rissrichtung jeweils parallel und senkrecht zur Faserrichtung angeordnet, um die Anisotropie des Holzes zu

Zugspannungen beim Bruch der Schulterstäbe aus AB-Polymerchemie AB PUR 550 Tensile stresses at failure for shouldered test bars, AB-Polymerchemie AB PUR 550

Alterungsart

ohne Deckbeschichtung Medianwert der Medianwert der Zugfestigkeit Bruchdehnung

mit Deckbeschichtung Medianwert der Medianwert der Zugfestigkeit Bruchdehnung

ungealtert

9,5 N/mm2

336 %

8,4 N/mm2

283 %

290 %

8,7

N/mm2

272 %

N/mm2

271 % 271 %

9,4

N/mm2

wärmegealtert

8,8

N/mm2

307 %

7,9

UV-Alterung

7,5 N/mm2

348 %

7,2 N/mm2

wassergealtert

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

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V. Schmid, Ö. Yildiz: Highly elastic polyurethane coating with 2 to 3 mm thickness for constructive wood protection

V. Schmid, Ö. Yildiz: Zum konstruktiven Holzschutz mit hochelastischen Polyurethan-Spritzelastomeren

ein lokal begrenztes Ausbrechen des Holzes zu bemerken. Wie oben erläutert, vergrößerte sich dadurch die freie Dehnlänge der Beschichtung über dem Riss und damit die Dehnfähigkeit der PUR-Sprühbeschichtung.

Bild 5

Bild 6

Test der Rissüberbrückung am Beispiel PUR auf OSB Test of crack-bridging capacity, PUR on OSB

Rissöffnung-Zeit-Steuerung für Versuchsserien 1 und 2: PUR auf Brettsperrholz Crack opening versus time regime for test series 1 and 2: PUR on top of CLT

berücksichtigen. Im anschließenden Dichtigkeitstest zeigten sich keinerlei Leckagen im Rissbereich. In der Praxis sind aber tatsächlich größere Rissaufweitungen oder Klaffungen von Stößen zwischen einzelnen Beplankungen als 1,5 mm vorstellbar. Deshalb wurde in einer zweiten Versuchsserie auf Brettsperrholz mit wärmegealterten und ungealterten Proben eine Rissaufweitung von 0 auf 5 mm bei –30° C getestet (Bild 5). Die Rissaufweitung ging nach diesem Versuch wieder auf 0 mm zurück. Bei den untersuchten 68 Probekörpern wurden auch für diese verschärfte Versuchsdurchführung keine Undichtigkeiten beobachtet. Teilweise war aber im Bereich der Rissufer, unmittelbar unter der Beschichtung, a)

Bild 6 zeigt die Wegsteuerung für die beiden Versuchsserien und in Bild 7 sind exemplarisch die zugehörigen KraftVerformungslinien am Beispiel der Beschichtung AB PUR 550 auf Brettsperrholz dargestellt. Die Arbeitslinien sind Mittelwerte aus den jeweils drei bis fünf Versuchen pro Rissorientierung und Alterungsbedingung. Insbesondere wegen der Streuung der Holzeigenschaften und der geprüften Beschichtungsdicken sind die Kräfte nur indikativ zu verstehen. Sie sind aber prinzipiell anhand der oben beschriebenen mechanischen Vorgänge bei der Rissaufweitung nachvollziehbar. Entscheidender für die praktische Anwendung war hier aber der erfolgreiche Nachweis der Dichtigkeit für alle Versuchskörper im Anschluss an die Rissaufweitungstests. Zusätzlich zu der statischen Überprüfung der Risseüberbrückungsfähigkeit wurden zyklische Ermüdungstests bei -10° C in der Klimakammer mit anschließender Überprüfung der Dichtigkeit durchgeführt. Es wurden 75 wärmegealterte und 75 nicht gealterte Probeköper getestet, wiederum mit Beschichtungsuntergründen aus BSH, OSB, BSP und LVL. Dabei wurde ein überschichteter Riss von bereits 1 mm Breite 500 Mal abwechselnd ganz geschlossen und auf 3 mm Rissbreite gedehnt. Alle Probeköper bestanden den anschließenden Dichtigkeitstest.

3.2

Auslagerungsversuche mit freier Bewitterung

Für die Anwendung in der Praxis ist die Holzfeuchte von entscheidender Bedeutung, da sie sowohl die Dauerhaftigkeit des Holzes grundlegend beeinflusst als auch direkte Auswirkungen auf die Tragfähigkeit des Holzes hat. Die Polyurethanbeschichtung soll als konstruktiver Holzschutz das direkt bewitterte Holz vor dem Eindringen von Nässe infolge Regen, Tau oder Schnee schützen.

Bild 7

Arbeitslinien für AB PUR 550: a) Serie 1: Rissaufweitung bis 1,5 mm, b) Serie 2: Rissaufweitung bis 5,0 mm Force-displacement diagram for AB PUR 550: a) Test series 1: Crack opening up to 1,5 mm, b) Test series 2: Crack opening up to 5,0 mm

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Bild 8

Messungen der Holzfeuchte bei frei bewittertem BSH, PUR-beschichtetem BSH und BSH in GK 2 (von oben nach unten) Measurements of moisture content in weathered gluelam, PUR coated gluelam and gluelam in use class 2 (top to bottom)

Gleichzeitig ist durch die Dampfdurchlässigkeit der Spritzbeschichtung eine allmähliche Anpassung der Holzfeuchte an die sich jahreszeitlich ändernde durchschnittliche Ausgleichsfeuchte zu erwarten. Zur Überprüfung der Feuchtigkeitsaufnahme von direkt bewittertem, nur mit einer PUR-Dickfilmbeschichtung geschütztem Holz wurde ein zwei Jahre dauernder Auslagerungsversuch auf der Dachterrasse des Institutsgebäudes durchgeführt. Es wurden drei unterschiedliche Formen des Witterungsschutzes verglichen (Bild 8): Ausgelagert wurden zum einen direkt bewitterte, unbeschichtete Hölzer entsprechend Gebrauchsklasse 3 (GK 3) und – zum direkten Vergleich – direkt bewitterte Hölzer, die mit der 2 bis 3 mm PUR-Beschichtung geschützt waren, wobei auf die, für den UV-Schutz erforderliche, Deckbeschichtung verzichtet wurde. Zusätzlich wurde als Referenz unbeschichtetes Holz unter einer Überdachung und vor Niederschlag geschützt ausgelagert, entsprechend GK 2. Die Messungen wurden einmal wöchentlich mithilfe einer Gann Hydromette RTU 600 durchgeführt. Dafür wurden Schraubenpaare bis zur jeweiligen Messtiefe von 25, 35 und 50 mm unter der Holzoberfläche angeordnet. Die Schraubenschäfte waren mithilfe eines Schrumpf-

schlauchs abisoliert, sodass nur die Schraubenspitze in der vorgegebenen Tiefe leitend verblieb. Die Schraubenpaare hatten denselben Abstand wie die Elektroden der Aktiv-Elektrode MH 34. Die Holzfeuchtemessungen wurden unter Berücksichtigung der Temperatur durchgeführt. Messtechnisch bedingt ist mit dieser Messtechnologie nur eine begrenzte Genauigkeit der Messungen zu erreichen. Zusätzlich ergaben sich durch vereinzelte Fehlbedienungen bei den Messungen unrealistische Spitzenwerte, die in der Regel für alle Probekörper am gleichen Messtag zu verzeichnen sind. Auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes sind keine realistischen Messungen möglich und der geplottete Wert ist falsch. Trotzdem kann mit den Messungen gut der Verlauf des Mittelwerts der Holzfeuchte nachvollzogen werden. Sie zeigen wie erwartet eine Verdoppelung der Holzfeuchte im ungeschützten, unbeschichteten Holz von anfangs ca. 8 % auf über 16 %, im langen und feuchten Winter 2012/2013 sogar bis auf ca. 25 %, mit ausgeprägten Feuchteschwankungen (Bild 8, oben). Das durch ein Dach geschützte, unbeschichtete Holz blieb erwartungsgemäß deutlich trockener, mit gemittelten Holzfeuchtigkeiten von unter ca. 15 %, selbst im Winter (Bild 8, unten). Ähnlich, aber noch etwas günstiger, verlaufen die Messwerte der mit PUR beschichteten Probekörper. Ausgehend von einem Anfangswert von ca. 8 % steigt die Holzfeuchtigkeit im Sommer auf ca. 11 % Bautechnik 91 (2014), Heft 1

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Fassadenelement vor und während der Beschichtung Façade element before and during application of the polyurethane

an und erreicht selbst im Winter nur ca. 13 % (Bild 8, Mitte). Bemerkenswert sind die reduzierten Feuchtigkeitsschwankungen und der ausgeprägt dämpfende Einfluss der Beschichtung auf die Geschwindigkeit der Feuchteänderung. Diese Dämpfung ist gut nachvollziehbar, wenn man berücksichtigt, dass der sd-Wert der Abdichtung ca. 1,8 m beträgt und damit etwa dem sd-Wert einer 36 mm dicken Schicht Konstruktionsvollholz oder 12 mm Furnierschichtholz entspricht. Die deutlich verlangsamte Feuchtigkeitsänderung ist insbesondere für Holzkonstruktionen und Fassadenelemente mit großen Ausdehnungen von Vorteil, da Schwankungen der Feuchtigkeit gedämpft werden und sich damit insgesamt die maximalen Schwind- und Quelldehnungen des Holzes etwas reduzieren.

4.3

Fassadenprüfung

Der Feuchtetransport durch ein 7,34 × 2,11 m großes Fassadenelement wurde in Anlehnung an die ETAG 004 für unterschiedliche Temperatur und Feuchtezyklen untersucht. Das getestete Fassadenelement bestand aus zwei Teilen mit 3,67 × 2,11 m mit einer Fuge in der Mitte (Bild 9). Es wurde beidseitig mit PUR beschichtet und hatte einen Sandwichaufbau mit 12 mm OSB – 160 mm EPSDämmung – 12 mm OSB. Zur Vorbereitung der Tests wurde eine Simulation des Feuchtetransports mit dem Programm WUFI unter Verwendung zeitraffender Bewitterungszyklen nach dem Vorschlag des Wilhelm-KauditzInstituts für Holzforschung (WKI) durchgeführt. Die Simulation ergab im Übergang von der OSB-Platte zur außen liegenden PUR-Beschichtung maximal eine relative Gleichgewichtsfeuchte von 80 % und am Übergang vom EPS zur OSB-Platte von 50 %. Über die Beanspruchungszyklen wurde keine Anreicherung von Feuchtigkeit errechnet. Der tatsächliche Test im Fassadenprüfstand der TU wurde mit den WKI-Zyklen durchgeführt und bestätigte prinzipiell die Werte aus der Simulation (Bild 10). Der Messpunkt am Übergang EPS-OSB lieferte 20

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Bild 9

Bild 10 Verlauf der relativen Feuchte am außen liegenden Übergang EPSOSB beim Test des Fassadenelements Relative moisture content at outer transition point from EPS to OSB during façade testing

maximal 66 % relative Gleichgewichtsfeuchte. Eine Anreicherung von Feuchtigkeit an dieser Stelle wurde im Test ebenfalls nicht beobachtet.

Bauteilversuche und Anwendung

Im Zuge des Forschungsprojekts wurde ein Wand-TraufeDachdetail ohne Dachüberstand in Holzbauweise und mit PUR-Sprühbeschichtung realisiert (Bild 1b). Damit sollten komplexere Rissöffnungsgeometrien und andere Versagensformen der Abdichtung provoziert werden. Das Detail wurde so (für die Praxis ungünstig) konstruiert, dass beim Absenken des Daches eine große Rissöffnung im sensiblen Bereich der Dachrinne erzwungen werden konnte. Das Absenken des Dachendes um 6 cm (s. Bild 1b) und die damit verbundene Winkeländerung zwischen Wand und Dachfläche von 4,3° führte zu einer Rissöffnung von fast 7 mm, was in der Folge letztlich zum Riss im Sprühelastomer führte. Bild 11 zeigt, dass durch die Versuchsanordnung nicht nur eine Längsdehnung, sondern auch eine Scherbeanspruchung in der Abdichtung provoziert wurde. Umgekehrt können für die Praxis solche Details deutlich robuster konstruiert werden, sodass

Bild 13 a) Ausgerundete Ecke mit gleichmäßiger Schichtdicke b) zu geringe Beschichtungsdicke an Kanten a) Rounded edge with uniform coating thickness b) Edge with reduced coating thickness

Bild 11 Aufreißen der Beschichtung unter sehr großer Längs- und Scherbeanspruchung Failure of the coating in combined longitudinal and transversal crack opening

sig klein wird, verbunden mit der Gefahr eines Aufreißens der Beschichtung an dieser Stelle (Bild 13).

Bild 12 Neue architektonische und konstruktive Möglichkeiten im Holzbau dank PUR-Sprühelastomer: Metropol Parasol, Sevilla New possibilities in timber engineering with sprayed polyurethane elastomere: Metropol Parasol, Seville © V. SCHMID

der beschriebene Versagensvorgang in der Dachrinne vermieden werden könnte. Einige große Holzbauten wurden mit der beschriebenen Polyurethan Flüssigfolie als Witterungsschutz bereits ausgeführt, beispielsweise die Mensa der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Karlsruhe [5] und die Verschattungskonstruktion Metropol Parasol in Sevilla (Bild 12). Zusammen mit anderen realisierten Bauten, wie einem Kindergarten, einer Holzkuppel, der Fahrbahnabdichtung aus Polyurea für eine Holzbrücke [6] oder einem Forschungspavillon der TU-Berlin [7], zeigten die Projekte die große Bedeutung einer hohen Ausführungsqualität der Beschichtung. So müssen die Grundierung, die PURFlüssigfolie und die Deckbeschichtung sorgfältig aufeinander abgestimmt sein. Ähnlich wie bei Anstricharbeiten ist dafür zu sorgen, dass die zu beschichtenden Untergründe sauber und trocken sind, damit eine gute Haftung erreicht wird und die Bildung kleiner Bläschen oder Poren infolge zu hoher Feuchtigkeit vermieden wird. Das ist im Werk problemlos zu garantieren, hat aber bei großen Projekten mit Vor-Ort-Beschichtung zur Folge, dass die Arbeiten witterungsabhängig sind. Wie von den Vorbereitungsarbeiten für Anstriche bekannt, sollten im Bereich von Ecken und Kanten Ausrundungen vorgesehen werden, damit die Beschichtungsdicke dort nicht unzuläs-

Zusammenfassung

Die ausgeführten Pilotprojekte und die Ergebnisse der Versuche an der TU-Berlin zeigen das Potenzial des PURSprühelastomers zum konstruktiven Witterungsschutz von Holzkonstruktionen. Mithilfe dieser Technologie könnten dem Holzbau neue gestalterische und konstruktive Möglichkeiten erschlossen werden. Der Witterungsschutz beruht in erster Linie auf der sehr großen Elastizität der aufgesprühten 2 bis 3 mm dicken Polyurethan Flüssigabdichtung. Sie ermöglicht es diesem Beschichtungssystem, im Gegensatz zu üblichen Anstrichen, Bewegungen, Riss- und Fugenöffnungen im Millimeterbereich ohne Dichtigkeitsverlust zu folgen. Die längeren Instandhaltungsintervalle für die Erneuerung der farbigen UV-Schutzschicht reduzieren die Gesamtkosten aus Herstellung und Pflege der Holzkonstruktion im Vergleich zu anderen farbig gestalteten Holzoberflächen. Frei bewitterte Holzbauteile die mit PUR-Spühelastomer beschichtet sind, weisen ein verlangsamtes Schwind- und Quellverhalten auf, was vor allem für ausgedehnte Bauwerke oder Brückenkonstruktionen von Vorteil sein kann. Das Schutzsystem lässt sich am einfachsten im Zuge der Vorfertigung im Werk aufbringen, wo die Vorgaben zur Qualitätssicherung einfacher einzuhalten sind. Eine Weiterführung der Langzeitversuche ist geplant. Weitere Forschungsarbeiten zu Fragen der Applikation bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen und zur Qualitätskontrolle wären wünschenswert.

Dank

Das Forschungsprojekt wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative „Zukunft Bau“ des BMVBS unterstützt. Besonderer Dank gilt der Beschichtungsfirma Reaku und der AB-Polymerchemie für die großzügige Unterstützung des Projekts sowie den Firmen Bayer, BASF und Isobouw und den Holzbaufirmen Merk Timber und Hess Timber für die kostenfreie Bereitstellung von Material. Bautechnik 91 (2014), Heft 1

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V. Schmid, Ö. Yildiz: Zum konstruktiven Holzschutz mit hochelastischen Polyurethan-Spritzelastomeren

Literatur [1] DIN 68800-2: 2012-02: Holzschutz-Teil 2: Vorbeugende bauliche Maßnahmen im Hochbau. Berlin: Beuth Verlag, 2012. [2] YILDIZ, Ö.; SCHAUDIENST, F.; SCHMID, V.; VOGDT, F.: Abschlussbericht zum Forschungsprojekt „Hybride Holzkonstruktionen mit Polyurethan“. Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau IRB, 2013, In Vorbereitung. [3] SCHMID, V.; KOPPITZ, J.-P.; THURIK, A.: Neue Konzepte im Holzbau mit Furnierschichtholz – Die Holztragkonstruktion des Metropol Parasol in Sevilla. Bautechnik 88 (2011), Heft 10, S. 707–714. [4] Europäische Organisation für Technische Zulassungen: ETAG 005: Bekanntmachung der Leitlinie für die Europäische technische Zulassung für flüssig aufzubringende Dachabdichtungen (Teile 1 bis 8). Berlin: Beuth Verlag, 2005. [5] F RITZEN, K.: Material-Neutron, Die neue Mensa der Hochschule für angewandte Wissenschaften in Karlsruhe. Bauen mit Holz 11 (2006), Heft 11, Karlsruhe: Bruderverlag, S. 22– 26.

[6] MICHELSON, E. N.: Polyurea based bridge membrane on wooden bridges. Proceedings of the International Conference Timber Bridges ICTB2010, Lillehammer, Norway, September 12–15, 2010. [7] ZAUFT, D.; SCHMID, V.: Verbundfassade aus UpcyclingPUR-Pressplatten und Holz für einen Lehr- und Forschungspavillon in Berlin. Bautechnik 89 (2012), Heft 1, S. 68–72.

Autoren Prof. Dr.-Ing. Volker Schmid Dipl.-Ing. Özkan Yildiz Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren – Verbundstrukturen sekretariat@ek-verbundstrukturen.tu-berlin.de Institut für Bauingenieurwesen Technische Universität Berlin Gustav-Meyer-Allee 25 13355 Berlin

FIRMEN UND VERBÄNDE

FV WDVS erweitert Vorstand um Ressort „Public Affairs“

ALFRED HÖRNER ist seit 30 Jahren bei Saint Gobain, von 2004 bis zu seiner Rückkehr nach Deutschland 2012 war er als International Industrial & Exclay Business Director in der Sparte Industriemörtel von Saint-Gobain in Paris tätig. Die Saint-Gobain Weber GmbH und die Branche insgesamt sind ihm noch eng vertraut aus seiner Zeit als Technischer Geschäftsführer von 2001 bis 2004.

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Foto: FV WDVS

Mitgliederversammlung in Göttingen im November wählt ALFRED HÖRNER, Vorsitzender der Geschäftsführung der Saint-Gobain Weber GmbH (Düsseldorf) zum Vorstand „Public Affairs“ des Fachverbandes Wärmedämm-Verbundsysteme (FV WDVS).

Alfred Hörner

Im Rahmen des vor allem technisch geprägten Vortragsprogramms der Mitgliederversammlung war es WERNER EICKEHENNIG (Hess. Energiespar-Aktion, Institut Wohnen und Umwelt), der in

seiner Beschreibung und Bewertung heutiger Dämmbauweise klar Stellung bezog. Er setzte die diskutierten EinzelBrandfälle mit WDVS ins richtige Verhältnis zu allen gemeldeten Brandfällen an Gebäuden („3 größere Fälle in 40 Jahren WDVS Anwendung“). Er beklagte, dass sachlich argumentierende Brandsachverständige oftmals mit unbewiesenen Vorwürfen als „Dämmlobbyisten“ entlarvt würden. Zum Energieeinsatz bei der Herstellung von Dämmstoffen für WDVS befand EICKE-HENNIG: „Ein 12 cm dickes WDVS aus EPS spart, nur über 25 Jahre gesehen, 23 Mal mehr Primärenergie beim Heizen ein, als zu seiner Herstellung benötigt wurde.“

Matthias Frese*, Hans Joachim Blaß

AUFSATZ

Dauerhaftes Brettschichtholz aus acetylierter Radiata Kiefer Seit dem Jahr 2007 ist modifizierte Radiata Kiefer auf dem Markt verfügbar. Gegenüber unbehandelter Radiata Kiefer sind deren Dauerhaftigkeit und Formstabilität mit einem patentierten Acetylierungsverfahren verbessert. Die auf diese Weise modifizierte Radiata Kiefer ist eine Alternative zu dauerhaften Tropenhölzern und eignet sich in Form von Brettschichtholz für frei bewitterte tragende Holzkonstruktionen. Das belegen erste realisierte Brückenbauwerke. Der Aufsatz berichtet über die Ergebnisse einer Forschungsarbeit, in der die wissenschaftliche Basis für eine in Deutschland zukünftig geltende baurechtliche Regelung von Brettschichtholz aus acetylierter Radiata Kiefer geschaffen wurde. Diese Arbeit umfasst experimentelle und numerische Untersuchungen zur Biegefestigkeit von Brettschichtholz aus acetylierter Radiata Kiefer und zahlreiche Versuche mit Verbindungsmitteln, auf deren Grundlage differenzierte Brettschichtholz-Festigkeitsklassen entwickelt bzw. Kennwerte für die Bemessung von stiftförmigen Verbindungsmitteln hergeleitet wurden. Der Aufsatz zeigt Möglichkeiten und Grenzen auf, die bei der Bemessung von tragenden Bauteilen aus Brettschichtholz aus acetylierter Radiata Kiefer zu erwarten sind.

Durabel timber structures made of acetylated Radiata pine Acetylated Radiata pine is available in the marked since 2007. Compared to the untreated wood, it has an improved durability and dimensional stability due to a patented acetylation process. Acetylated Radiata pine is, therefore, an alternative to durable tropical woods and is suitable for timber structures exposed to weather. The first bridge constructions made out of acetylated Radiata pine and without structural cover give proof of this. The article reports results of a research project that created the scientific basis for a future building regulation in Germany of glulam made out of acetylated Radiata pine. The article covers experimental and numerical investigations of the bending strength of glulam of acetylated Radiata pine and numerous tests with dowel-type fasteners. The results obtained are the basis for specific glulam strength classes as well as characteristic values for the embedding strength and for the withdrawal parameter of self-tapping screws. The article aims at showing possibilities and limits regarding structural design with glulam made out of acetylated Radiata pine.

Keywords Biegefestigkeit; Holzmodifizierung; Lochleibungsfestigkeit; Ausziehparameter

Keywords Radiata pine, bending strength, wood modification, embedding strength, withdrawal parameter

modifikation, die darauf abzielen, u. a. die Dauerhaftigkeit von nicht dauerhaften Hölzern zu verbessern [1]. Ein nachweislich wirksames Verfahren ist das Acetylieren von Holz [2]. Durch das Ersetzen von in der Zellulose vorhandenen Hydroxy- durch Acetylgruppen wird das hygroskopische Verhalten der Zellulose derart verändert, dass hinsichtlich des gebundenen Wassers Holzfeuchten, die ein Pilzwachstum begünstigen, auch im Außenbereich nicht erreicht werden. Ein gehemmtes Schwinden und Quellen sowie eine Resistenz gegen Pilze und Insekten sind die erwünschte Folge. Negative ökologische Einwirkungen, die von acetyliertem Holz auf die unmittelbare Umwelt ausgehen, sind gegenwärtig nicht bekannt. Breite Anwendung findet acetylierte Radiata Kiefer für bewitterte Bauteile im nichttragenden Bereich; in den Niederlanden wurde sie in Form von Brettschichtholz (Bild 1) bereits für tragende Konstruktionen von Straßenbrücken verwendet. In Deutschland gibt es bislang keinen Nachweis über die Eignung von Brettschichtholz aus acetylierter Radiata Kiefer als Bauprodukt. Da ein solcher Nachweis die Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit von Brettschichtholz im Allgemeinen steigert, und weil ausreichende Kenntnisse über die mechanischen Eigen-

Einleitung

Die Auseinandersetzung mit der Dauerhaftigkeit von Holzbauten ist im Grunde so alt wie das Bauen mit Holz selbst und die Erfahrung mit durch Pilze zerstörten Holzbauteilen nahezu unerschöpflich. Zu den aus heutiger Sicht besten Maßnahmen zur Sicherstellung einer für die Nutzungszeit angemessenen Dauerhaftigkeit zählen ein durchdachter baulicher Holzschutz und damit der kategorische Verzicht auf die schutzlose Bewitterung insbesondere von Brettschichtholz aus Fichte oder Tanne. Die Verwendung von einheimischen dauerhaften Holzarten ist ebenfalls sinnvoll und sollte ggf. aus sozio-ökologischen Gründen derjenigen von tropischen dauerhaften Holzarten vorgezogen werden. Die Entscheidung für einen chemischen Holzschutz mit bioziden Wirkstoffen ist wegen möglicher ökologischer Folgen in jedem Falle kritisch zu prüfen. Außerdem gibt es Verfahren der Holz*) Corresponding author: matthias.frese@kit.edu Submitted for review: 11 September 2013 Revised: 06 November 2013 Accepted for publication: 08 November 2013

AUFSATZ ARTICLE

DOI: 10.1002 / bate.201300070

M. Frese, H. J. Blaß: Dauerhaftes Brettschichtholz aus acetylierter Radiata Kiefer

Bild 1

Acetylierte Radiata Kiefer (links) und daraus hergestelltes Brettschichtholz (rechts), charakteristisch für das Holz sind eine große Jahrringbreite und aufgrund kurzer Umtriebszeiten ein hoher Anteil juvenilen Holzes Acetylated Radiata pine (left) and glued laminated timber manufactured thereof (right), the material features a large annual ring width and a great portion of juvenile wood due to short rotation periods

Bild 2

Herstellung der Vergleichsproben Preparation of untreated and acetylated specimens

2.2

Bestimmung der Brettschichtholz-Biegefestigkeit

2.2.1 Vorgehensweise

schaften von Brettschichtholz aus acetylierter Radiata Kiefer zum Zwecke eines solchen Nachweises noch nicht vorlagen, wurde am Karlsruher Institut für Technologie ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt durchgeführt [3]. Darin wurden Grundlagen für eine zukünftige allgemeine bauaufsichtliche Zulassung geschaffen. In diesem Zusammenhang berichtet der Aufsatz über einige wesentliche Leistungsmerkmale von Brettschichtholz aus acetylierter Radiata Kiefer und über die wissenschaftlichen Hintergründe. Zu diesen Merkmalen zählen die Biegefestigkeit und der Elastizitätsmodul des Brettschichtholzes und Festigkeitskennwerte zur Bemessung von stiftförmigen Verbindungsmitteln, die auf Abscheren und Herausziehen beansprucht werden.

Material und Methoden

2.1

Brettmaterial und Untersuchung

Die unbehandelte Radiata Kiefer stammte ursprünglich aus Neuseeland und Chile. Die Behandlung, ein patentiertes Acetylierungsverfahren, erfolgte in den Niederlanden durch den Hersteller Titan Wood B.V. Im Handel erhältlich ist acetylierte Radiata Kiefer unter dem Markenname Accoya®, das in verschiedenen Klassen angeboten wird. Für die hiesige Untersuchung wurden die Klassen A1 und A2 [4], aus neuseeländischer Radiata Kiefer hergestellt, und zum Großteil nicht spezifizierte Ware aus Chile verwendet. Zur quantitativen Darstellung von physikalischen und mechanischen Unterschieden, die aus der Acetylierung herrühren, wurden eigens Vergleichsproben hergestellt, die aus 75 unbehandelten und acetylierten Brettpaaren bestanden (Bild 2). Am unbehandelten und acetylierten Brettmaterial wurden die Bruttorohdichte (ρbrutto, Masse/Brettvolumen), der dynamische Elastizitätsmodul auf Grundlage einer Längsschwingung (Edyn) und die Ästigkeit nach der in Deutschland gültigen visuellen Sortierung [5] ermittelt. Rohdichte, Elastizitätsmodul und Ästigkeit sind diejenigen Merkmale, nach denen das Material für Versuchsträger und für virtuelle, mit einem Rechenmodell simulierte Brettschichtholzträger sortiert wurde. 24

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Ein anerkanntes Verfahren zur Ermittlung von Festigkeits- und Steifigkeitskennwerten von Brettschichtholz ist die Tragfähigkeitssimulation mit dem Karlsruher Rechenmodell [6]. Dieses Modell ist seit den 1980er-Jahren Gegenstand kontinuierlicher Weiterentwicklung und wurde für die hier behandelte Problemstellung an acetylierte Radiata Kiefer technisch angepasst. In Übereinstimmung mit den geometrischen Randbedingungen eines genormten Biegeversuchs [7] berechnet das auf der Methode der finiten Elemente beruhende Modell wirklichkeitsnah die Biegetragfähigkeit eines in 150 mm lange Abschnitte und lagenweise gegliederten Brettschichtholzträgers. Um dabei die unter Biegebeanspruchung in den Lamellen und Keilzinken lokal wirkenden Längsspannungen (σc bzw. σt) unter Berücksichtigung der veränderlichen lokalen Steifigkeitsverhältnisse zu erfassen (Bild 3), werden dem diskretisierten Träger zufällige mechanische Eigenschaften zugewiesen; der Einfluss lokaler Merkmale (Äste, Rohdichte, Keilzinken) und wuchsbedingter Regelmäßigkeiten innerhalb einzelner Bretter wird dabei berücksichtigt. Für die Vorhersage der zufälligen mechanischen Eigenschaften wurden für die Tragfähigkeitssimulation von Brettschichtholz aus acetylierter Radiata Kiefer die Regressionsgln. (1 bis 6) hergeleitet und im Rechenmodell programmiert. Sie basieren auf an der Holzforschung München eigens für das Projekt durchgeführten 277 Zugund 50 Druckversuchen an 150 mm langen Brettabschnitten, wobei die Zugprüfungen 103 Keilzinkenverbindungen enthielten. In den Gleichungen ist der Elastizitätsmodul mit E in N/mm2, die Festigkeit mit f in N/mm2, die Darrrohdichte mit ρ0 in kg/m3, der dimensionslose Zahlenwert der Astansammlung mit DAB, die Holzfeuchte mit u in % und der Fehler mit e bezeichnet. Die jeweilige Normalverteilung der Fehler ist mit den in Klammern angegebenen Mittelwerten (= 0) und Varianzen spezifiziert. Die Indizes t und c stehen für Zug- bzw. Druckbeanspruchung; ein j kennzeichnet Keilzinken. Aus den Verfassern bislang unbekannten Gründen ist das Bestimmtheitsmaß (r2) der Regressionsgleichung für den Druck-E-Modul überraschend niedrig; davon unbeeinflusst, werden mit der Vorhersagegleichung dennoch zutreffende Erwartungswerte simuliert, die zu realistischen

Bild 4

Versuchsträger und Eigenschaften der Brettlamellen Test beams and properties of the laminations

2.2.2 Versuchsträger

Bild 3

Spannungszustände in drei ausgewählten Elementen eines diskretisierten Brettschichtholzträgers, der in den Drittelspunkten durch Einzellasten beansprucht ist Stress states in three selected elements of a finite element model representing a glulam beam loaded with single loads in the third points

Steifigkeitsverhältnissen in den simulierten Trägern führen. Ein im Rechenmodell vorhandenes „Sortiermodul“ bewirkt, dass nur solche strukturellen Eigenschaften in die Vorhersage der Festigkeits- und Steifigkeitswerte einfließen, die das Ergebnis einer spezifischen, vom Nutzer vorgegebenen Sortierung sind. Auf diese Weise können verschiedene auf Bruttorohdichte, Elastizitätsmodul und Ästigkeit beruhende Verfahren erprobt und für praktische Zwecke sinnvoll festgelegt werden. ln(Et ) = 7, 55 + 3,12 ⋅ 10−3 ⋅ ρ0 − 1, 02 ⋅ DAB + e N = 174

r 2 = 0, 61

e: N(0;0,1992 )

ln(ft ) = 1, 89 + Et (2, 58 ⋅ 10−4 − 7, 35 ⋅ 10−9 ⋅ Et −1, 54 ⋅ 10−4 ⋅ DAB) + e N = 174 r 2 = 0, 83

ln(fc ) = 2, 94 + 1, 42 ⋅ 10−3 ⋅ ρ0 − 0,786 ⋅ DAB

+3, 05 ⋅ 10−5 ⋅ Ec + e

r 2 = 0, 81

ρ0,Max + e r 2 = 0, 30

ρ0,Min + e r 2 = 0, 38

(3)

(4)

(5)

e: N(0;0,1392 )

ln(ft,j ) = 1, 23 + 5,79 ⋅ 10−5 ⋅ Et,j + 3, 23 ⋅ 10−3 ⋅ N = 103

2.2.3 Überprüfung des Rechenmodells

e: N(0;0,0906 2 )

ln(Et,j ) = 7,71 + 2, 01 ⋅ 10−3 ⋅ ρ0,Min + 8, 93 ⋅ 10−4 ⋅ N = 103

(2)

e: N(0;0,196 2 )

ln(Ec ) = 8,72 + 8, 93 ⋅ 10−4 ⋅ ρ0 − 0, 0153 ⋅ u −0, 656 ⋅ DAB + e N = 50 r 2 = 0,18 e: N(0;0,2572 )

N = 48

(1)

e: N(0;0,234 2 )

174 Zugversuche an Brettabschnitten und 103 Versuche an Keilzinkenverbindungen sind eine solide experimentelle Grundlage für das empirische Repräsentieren von mechanischen Eigenschaften im vorbezeichneten Rechenmodell. Mit sich wiederholenden simulierten Biegeversuchen kann eine breite Variation der Brettschichtholz-Biegefestigkeit abgebildet werden, um daraus zuverlässige Festigkeitswerte abzuleiten. Dennoch sind zur Überprüfung des neu konfigurierten Rechenmodells Biegeversuche in Bauteilgröße erforderlich, deren Ergebnisse keinen Widerspruch zu solchen darstellen dürfen, die an vergleichbaren simulierten Biegeversuchen gewonnen werden. Zum Zwecke der Überprüfung des Modells wurden die in Bild 4 dargestellten Träger hergestellt und in Biegeversuchen geprüft. In der Zugzone der Träger waren astfreie und in der Druckzone astbehaftete Lamellen eingebaut, deren Bretter jeweils einen dynamischen Elastizitätsmodul von über 10 900 N/mm2 aufwiesen; der Mittelwert des Elastizitätsmoduls betrug damit 12 400 N/mm2 in der Zug- und 12 200 N/mm2 in der Druckzone. Im Kernbereich waren Lamellen angeordnet, deren Bretter die vorgenannten Kriterien nicht erfüllten. Sie wiesen daher einen mittleren dynamischen Elastizitätsmodul von nur 9 260 N/mm2 auf. Die Verklebung der Lamellen und Keilzinken (15/3,8-Profil) erfolgte mit dem Resorzin-Phenol-Formaldehyd-Leim Aerodux 185 und dem Härter HRP 150.

(6)

Einem experimentellen Mittelwert (N = 10) der Biegefestigkeit von 34 N/mm2 bzw. des Biege-E-Moduls von 11 400 N/mm2 steht ein simulierter Mittelwert (N = 1 000) von 31 N/mm2 bzw. 11 300 N/mm2 gegenüber. Die Verhältnisse aus simulierten und experimentellen Mittelwerten betragen dann 0,91 bzw. 0,98. Folglich liefert das Rechenmodell, die Festigkeit betreffend, konservative und, den Biege-E-Modul betreffend, übereinstimmende Werte. Es besteht also kein Widerspruch zur Annahme, dass das Rechenmodell im Sinne der Aufgabenstellung zutreffende mechanische Eigenschaften generiert. Inwieweit sich die Streuung der simulierten Biegefestigkeit im Vergleich mit den Versuchswerten in Richtung niedriger Werte erstreckt, verdeutlicht Bild 5. Da bei Spielzahlen von 1 000 etliche denkbare Kombinationen aus niedrigen Rohdichten, großen Ästen und negativen Fehlertermen in den Gln. (1, 2, 5 bzw. 6) für Lamellen der Zugzone ausgewertet werden, Bautechnik 91 (2014), Heft 1

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Bild 5

Gegenüberstellung zwischen Versuchs- und entsprechenden Simulationsergebnissen Comparison between experimental and corresponding simulation results

ter anhand der ermittelten Brettdaten zu den Merkmalen Herkunft, Rohdichte, Elastizitätsmodul und Ästigkeit zugrunde. Insofern konnte eine auf das ursprüngliche Brettmaterial nach Herkunft bzw. Klasse differenzierte Ausbeute berechnet werden, was angesichts des Preises für acetylierte Radiata Kiefer, ein Vielfaches von Fichte, von außerordentlicher Bedeutung ist. Nachfolgend bilden diese vier Trägerentwürfe die Basis zur Festlegung geeigneter Festigkeitsklassen und die Basis zur Abschätzung des Volumeneinflusses auf die Festigkeit. Festigkeitsklassen werden festgelegt, indem bei einem Trägertyp die die Biegefestigkeit in hohem Maße beeinflussende Keilzinkenfestigkeit, s. Gl. (6), während der Simulationen schrittweise angehoben wird. Der Einfluss des Trägervolumens auf die Biegefestigkeit wird durch Tragfähigkeitssimulationen an von den Referenzmaßen (Höhe = 600 mm und Stützweite 18fache Höhe) abweichenden Trägern ermittelt, wobei das h/ -Verhältnis stets 1/18 beträgt.

2.3

Bild 6

Aufbau von homogenem und kombiniertem Brettschichtholz sowie Sortierung der Lamellen Lay-up of homogenous and combined glulam beams and corresponding grading of the laminations

zeigt sich insbesondere bei den geringen Festigkeitswerten die Objektivität eines Simulationsverfahrens. Dieses macht strukturmechanische Zusammenhänge systematisch sichtbar, die mit einem aus wirtschaftlichen Gründen limitierten Versuchsumfang der Biegeträger nur zufällig oder gar nicht erfahrbar sind.

Bestimmung der Lochleibungsfestigkeit und des Ausziehparameters

Das Holz betreffend, müssen für die Bemessung von Verbindungen mit stiftförmigen Verbindungsmitteln die Lochleibungsfestigkeit (fh = Fmax/(d·t)) und – bei Schrauben – vor allem der Ausziehparameter (fax = Rax/(d· ef )) bekannt sein. Diese beiden Festigkeitswerte wurden nach normativen Vorgaben [8, 9] für Stabdübel und selbstbohrende Schrauben bestimmt. Weitere, hier nicht beschriebene Verbindungsmittelversuche mit Nägeln und Gewindestangen sowie Versuche an Verbindungen sind in der Forschungsarbeit dokumentiert [3]. Bild 7 zeigt links das Prinzip der Lochleibungsversuche für α = 0° und 90° mit Stabdübeln (auch stellvertretend für Schrauben) und rechts dasjenige der Ausziehversuche mit Schrauben für α = 90°. Es wurden 120 Lochleibungsversuche in unbehandelter und 220 in acetylierter Radiata Kiefer durchgeführt. Die dabei verwendeten Verbindungsmittel waren Stabdübel mit d = 12, 16 und 30 mm Nenndurchmesser (SD12, SD16 und SD30) sowie handelsübliche selbstbohrende Schrauben unterschiedlicher Hersteller mit 8 und 12 mm Nenndurchmesser (SR08 und SR12). Der Ausziehparameter wurde in jeweils 90 Proben aus unbehandelter und acetylierter Radiata Kiefer bestimmt. Dabei wurden Schrauben mit 6 (SR06), 8 und 12 mm Nenndurchmesser verwendet. Die Schrauben wurden in nicht vorgebohrte Prüfkörper eingebracht. Nach den Versuchen wurde unter anderem die Holzfeuchte ermittelt.

2.2.4 Festigkeitssimulationen In Abhängigkeit von der mengenmäßigen Verfügbarkeit untersuchter Bretter mit spezifischen strukturellen Eigenschaften wurden für vier unterschiedliche Trägertypen (A bis D) geeignete Sortiermodelle festgelegt. Bild 6 zeigt dazu, wie sich aus dem verfügbaren Brettmaterial zwei homogen und zwei kombiniert aufgebaute Brettschichtholztypen realisieren lassen. Diesen Trägerentwürfen liegt eine theoretische Aufteilung aller untersuchten Bret26

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Ergebnisse

3.1

Eigenschaften von unbehandelter und acetylierter Radiata Kiefer

3.1.1 Acetyliertes Material Bild 8, oben, zeigt die nach Herkunft getrennte Beziehung zwischen den Werten des Elastizitätsmoduls und

Bild 7

Schematische Darstellung der Lochleibungsversuche (links) und der Ausziehversuche (rechts) Testing principle for the determination of the embedding strength (left) and the withdrawal resistance (right)

der Bruttorohdichte. Die rote und blaue Linie sind entsprechende Regressionsgraden. Die Rohdichte erstreckt sich von 400 bis 650 kg/m3 und der Elastizitätsmodul von 6 000 bis 16 000 N/mm2. Hinsichtlich der Herkunft des Materials gibt es in dieser Beziehung keine nennenswerten Unterschiede. Bild 8, unten, verdeutlicht den Zusammenhang, ebenfalls getrennt nach Herkunft, zwischen dem Elastizitätsmodul und der größten in den Brettern ermittelten Ästigkeit. Die beiden nicht deckungsgleichen Regressionsgeraden zeigen, dass innerhalb einer Herkunft der Elastizitätsmodul mit zunehmender Ästigkeit abnimmt. Dass astfreies neuseeländisches Material im Mittel den gleichen Elastizitätsmodul aufweist wie chilenische Ware mit einer Ästigkeit von 0,5 kann damit erklärt werden, dass die in Neuseeland praktizierte Wertastung (Abtrennen von Ästen im jungen Baumalter zum Zwecke einer höheren Wertschöpfung) das Holz zwar optisch aufwertet, aber nicht im Sinne der mechanischen Eigenschaften gleichermaßen verbessert. Das Abtrennen von Ästen führt zu Überwallungen, die wie Äste festigkeitsmindernde lokale Faserabweichungen zur Folge haben. Bemerkenswert ist dabei, dass die Regressionsbeziehung für chilenische Ware bei kleinen Ästen höhere Elastizitätsmoduln erwarten lässt als diejenige für neuseeländische Ware bei astfreien Brettern. Die im Bild 8, unten, für die Sortierklassen S13 und S10 eingezeichneten Obergrenzen für Werte der Astansammlung verdeutlichen, dass trotz gleicher Grenzen ein Sortierergebnis hinsichtlich Ausbeute und Festigkeit für neuseeländische und chilenische Brettware unterschiedlich ausfallen wird.

3.1.2 Vergleichsproben Die Diagramme in Bild 9 zeigen den Einfluss der Acetylierung auf den Elastizitätsmodul und die Rohdichte. Eine Folge des Acetylierens ist eine Volumenzunahme des Holzes quer zur Faser, wodurch sich die Summe der tragenden Holzfasern nach dem Acetylieren auf eine grö-

Bild 8

Elastizitätsmodul und Rohdichte (oben) bzw. Ästigkeit (unten) von Brettern aus acetylierter Radiata Kiefer Dynamic modulus of elasticity and apparent density (top) and knot cluster according to the German grading standard (bottom) of acetylated Radiata pine

ßere Querschnittsfläche verteilt [10]. Insofern nimmt der Elastizitätsmodul durch das Acetylieren ab; im Vergleich mit den unbehandelten Bretthälften liegt er im Mittel bei 92 %. Eine ähnliche Abnahme ist bei der von der Holzfeuchte schwach abhängigen Zugfestigkeit parallel zur Faser zu erwarten. Da durch das Acetylieren zusätzliche Masse in Form von Acetylgruppen ins Holz eingebracht wird, nimmt die Rohdichte (auch unter Berücksichtigung der Volumenänderung) zu. Während die unbehandelten Bretthälften eine Holzfeuchte von 12,2 % aufwiesen, betrug diese unter gleichen klimatischen Bedingungen bei den acetylierten Hälften nur 3,4 %. Diese niedrige Holzfeuchte wirkt sich unter anderem positiv auf die Druckfestigkeit parallel zur Faser aus. Insofern ergeben sich durch das Acetylieren verwickelte wechselseitige Beziehungen zwischen physikalischen und mechanischen Größen, die dem Verwender ein teilweise neues Verständnis abverlangen.

3.2

Festigkeitsklassen für Brettschichtholz

Bild 10 zeigt die simulierten Beziehungen zwischen der charakteristischen Keilzinken-Zugfestigkeit (als unabhängige Größe) und der charakteristischen BrettschichtholzBiegefestigkeit, wobei jedem in Bild 6 dargestellten Trägertyp ein individueller Verlauf zugeordnet ist. Mit den Keilzinken-Zugfestigkeiten 19, 21 und 23 N/mm2 (vertikale Hilfslinien) gelingt die Festlegung von vier effizienten charakteristischen Biegefestigkeiten, weil diese Keilzinkenfestigkeiten aus mechanischer Sicht mit der FestigBautechnik 91 (2014), Heft 1

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Bild 9

Elastizitätsmodul und Rohdichte der Vergleichsproben Dynamic modulus of elasticity and apparent density of untreated and acetylated specimens

Bild 11 Brettschichtholz-Biegefestigkeit und Trägerhöhe (links) sowie Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Volumeneinflusses (rechts) Glulam bending strength and beam depth (left) and coefficient considering the influence of beam volume (right)

anpassen. Demnach kann die Biegefestigkeit von 300 mm hohen Trägern gegenüber dem Referenzwert um 11 % angehoben werden (Vergleich: 10 % nach DIN 1052 für Fichtenbrettschichtholz); bei 1 200 mm hohen Trägern ist sie um 10 % zu reduzieren. Bei 3 000 mm hohen Trägern, die jedoch nicht mehr wirtschaftlich erscheinen, ist der Volumeneinfluss schließlich abgeklungen. Bild 10 Beziehung zwischen Brettschichtholz-Biegefestigkeit und Keilzinken-Zugfestigkeit Relation between glulam bending strength and finger joint tensile strength

fm,g,k,eff = fm,g,k ⋅ kh = fm,g,k ⋅ (600 / h)0,15

3.3

keit der Randlamellen harmonieren. Die drei festgelegten Keilzinkenfestigkeiten ergeben sich aus den Schnittpunkten zwischen den Hilfslinien und geglätteten Verläufen der jeweiligen Polygonzüge. Im Ergebnis lassen sich mit dem Typ D und einer Zugfestigkeit von 19 N/mm2 die Festigkeitsklasse GL16, mit den Typen C und B und Zugfestigkeiten von 21 bzw. 19 N/mm2 jeweils GL19 und mit dem Typ A und einer Zugfestigkeit von 23 N/mm2 GL22 realisieren. Die mittleren Biegeelastizitätsmoduln betragen bei den Typen A und D 11 000 N/mm2 und bei den Typen B und C 9 600 N/mm2.

3.2.1 Einfluss der Trägerhöhe bzw. des Volumens Bild 11 zeigt das Ergebnis der Simulationen zum Nachweis des Höhen- bzw. Volumeneinflusses auf die Biegefestigkeit. Im linken Diagramm ist die effektive Biegefestigkeit (fm,g,k,eff ) der vier Typen zwischen 300 und 3 000 mm Trägerhöhe dargestellt. Vereinbarungsgemäß weisen die Verläufe bei 600 mm die jeweilige charakteristische Referenzfestigkeit von 16, 19 bzw. 22 N/mm2 auf (horizontale Referenzlinien). Im rechten Diagramm sind die Verläufe derart normiert, dass sich bei 600 mm jeweils ein kh-Faktor von 1,0 einstellt. Da sich die normierten Verläufe mit der Kurve der Gl. (7) decken, lassen sich die charakteristischen Referenzwerte mit einem einheitlichen kh-Faktor 28

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

(7)

Kennwerte für stiftförmige Verbindungsmittel

Bild 12 zeigt die Lochleibungsfestigkeit der unter α = 0° und 90° belasteten Stabdübel bzw. Schrauben. In Grün ist jeweils die Spanne (zwischen Minimal- und Maximalwert) der unbehandelten und in Blau diejenige der acetylierten Proben dargestellt. Die kurzen horizontalen Striche kennzeichnen Mittelwerte. Bei einer Belastungsrichtung von 0° beträgt die Lochleibungsfestigkeit in acetylierten Proben das 1,6- bis 1,8fache im Vergleich mit den unbehandelten Vergleichsproben, bei 90° das 1,3- bis 1,6fache. Diese Festigkeitszunahmen werden ganz entscheidend durch die drastisch herabgesetzte Holzfeuchte im acetylierten Material verursacht. Diese lag im unbehandelten Material bei 12,1 % und im acetylierten bei 3,4 %. Anhaltswerte für die charakteristische Lochleibungsfestigkeit von acetylierter Radiata Kiefer können wie folgt angenommen werden: Stabdübel,

d = 12 bis 30 mm, α = 0°: fh,0,k = 40 N/mm2

Stabdübel,

d = 12 bis 30 mm, α = 90°: fh,90,k = 20 N/mm2

Schrauben, d = 8 bis 12 mm, α = 0°: fh,0,k = 30 bzw. 20 N/mm2 Schrauben, d = 8 bis 12 mm, α = 90°: fh,90,k = 20 bzw. 15 N/mm2

Bild 13 Ausziehparameter von selbstbohrenden Schrauben in unbehandelter und acetylierter Radiata Kiefer Withdrawal parameter for self-tapping screws in untreated and acetylated Radiata pine

Bild 12 Lochleibungsfestigkeit für Stabdübel und Vollgewindeschrauben in unbehandelter und acetylierter Radiata Kiefer, α = 0° (oben) und α = 90° (unten) Embedding strength for steel dowels and for fully threaded screws in untreated and acetylated Radiata pine, α = 0° (top) und α = 90° (bottom)

Vor allem bei Verbindungsmitteln mit großen Nenndurchmessern neigten die Prüfkörper aus acetylierter Radiata Kiefer bei den Lochleibungsversuchen mit α = 0° zum Spalten. Dieses spröde Verhalten ist vor allem auf die niedrige Holzfeuchte zurückzuführen, die das plastische Vermögen der Holzsubstanz signifikant reduziert. Bild 13 zeigt die Spanne und den Mittelwert des Ausziehparameters für die untersuchten Schrauben. Im Mittel beträgt der Ausziehparameter im acetylierten Material das 1,2fache im Vergleich mit dem unbehandelten. Die Holzfeuchte betrug 12,3 bzw. 3,4 %. Der Anhaltswert für den charakteristischen Ausziehparameter von acetylierter Radiata Kiefer kann unabhängig vom Nenndurchmesser der Schrauben zu fax,k = 20 N/mm2 angenommen werden.

Zusammenfassung

Es wurden wesentliche Grundlagen geschaffen für eine zukünftige allgemeine bauaufsichtliche Zulassung von Brettschichtholz aus acetylierter Radiata Kiefer, das aufgrund der Modifikation des Brettmaterials nachweislich eine verbesserte Dauerhaftigkeit und Formstabilität aufweist. Die Grundlagen betreffen die charakteristische Biegefestigkeit, die Sortierung des acetylierten Brettmaterials, den Aufbau homogener und kombinierter Querschnitte und Kennwerte für die Bemessung von stiftförmigen Verbindungsmitteln.

Mit visuell-maschinell sortierter acetylierter Radiata Kiefer kann Brettschichtholz mit charakteristischen Biegefestigkeiten zwischen 16 und 22 N/mm2 konfiguriert werden. Der mittlere Biegeelastizitätsmodul beträgt 10 000 bzw. 11 000 N/mm2. Vorwiegend visuell sortiertes Material eignet sich für homogenes Brettschichtholz; eine auf dem Elastizitätsmodul des Brettmaterials beruhende maschinelle Sortierung ist die Voraussetzung für eine gezielte Aufteilung des Brettmaterials in Kern- und Randlamellen für kombiniertes Brettschichtholz mit höherer Festigkeit bzw. Steifigkeit. Die zurzeit auf dem Markt befindlichen unterschiedlichen Qualitäten von acetylierter Radiata Kiefer erfordern speziell darauf zugeschnittene Sortierungen. Anhaltswerte für die charakteristische Lochleibungsfestigkeit von Stabdübeln betragen 40 und 20 N/mm2 für die Belastungsrichtungen parallel bzw. rechtwinklig zur Faser. Bei selbstbohrenden Schrauben liegen die Werte für Nenndurchmesser von 8 und 12 mm bei 30 bzw. 20 N/mm2 für die Belastungsrichtung parallel zur Faser und bei 20 bzw. 15 N/mm2 für die Belastungsrichtung rechtwinklig zur Faser. Der charakteristische Ausziehparameter für selbstbohrende Schrauben beträgt etwa 20 N/mm2. Acetylierte Radiata Kiefer zeigte bei vielen Lochleibungsversuchen ein sprödes Versagen; spaltgefährdete Verbindungen sind daher auf geeignete Weise zu verstärken. Die Acetylierung hinterlässt korrosive Stoffe im modifizieren Brettmaterial; für Verbindungsmittel sind daher geeignete nichtrostende Stähle erforderlich. Unbeeinflusst durch die Modifikation ist das Vermögen von acetylierter Radiata Kiefer, in den Zellhohlräumen freies Wasser aufzunehmen; mit speziell auf acetylierte Radiata Kiefer abgestimmten Beschichtungssystemen kann diese Wasseraufnahme gehemmt werden. Weiterer Untersuchungsbedarf betrifft insbesondere die Schub-, Querzug- und Querdruckfestigkeit des Brettschichtholzes.

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Literatur [1] MILITZ, H.; MAI, C.: Sonstige Vergütungsverfahren. In: Wagenführ, A.; Scholz, F. (Hg.): Taschenbuch der Holztechnik, Leipzig: Fachbuchverlag Leipzig, 2008. [2] MILITZ, H.: Die Verbesserung des Schwind- und Quellverhaltens und der Dauerhaftigkeit von Holz mittels Behandlung mit unkatalysiertem Essigsäureanhydrid. Holz als Roh- und Werkstoff 49 (1991), S. 147–152. [3] BLAß, H.J.; F RESE, M.; KUNKEL, H.; SCHÄDLE, P.: Brettschichtholz aus acetylierter Radiata Kiefer. Bd. 25, Karlsruher Berichte zum Ingenieurholzbau, Karlsruhe: KIT Scientific Publishing, 2013. [4] Accsys Technologies: Accoya® Radiata Kiefer BauholzGütespezifikationen, 8.2. http://www.accoya.com/wp-content/uploads/2012/09/LG_DE_metric.pdf (3. September 2013). [5] DIN 4074-1:2012-06 Sortierung von Holz nach der Tragfähigkeit – Teil 1: Nadelschnittholz. [6] EHLBECK, J.; COLLING, F.; GÖRLACHER, R.: Einfluss keilgezinkter Lamellen auf die Biegefestigkeit von Brettschichtholzträgern. Holz als Roh- und Werkstoff 43 (1985), S. 333– 337, 369–373, 439–444. [7] EN 408:2012-10 Holzbauwerke – Bauholz für tragende Zwecke und Brettschichtholz – Bestimmung einiger physikalischer und mechanischer Eigenschaften.

[8] DIN EN 383:2007-03 Holzbauwerke – Prüfverfahren – Bestimmung der Lochleibungsfestigkeit und Bettungswerte für stiftförmige Verbindungsmittel. [9] EN 1382:1999 Holzbauwerke – Prüfverfahren – Ausziehtragfähigkeit von Holzverbindungsmitteln. [10] DREHER, W.A.; GOLDSTEIN, I.S.; CRAMER, G.R.: Mechanical Properties of Acetylated Wood. Forest Products Journal 14 (1964), S. 66–68.

Autoren Dr.-Ing. Matthias Frese Karlsruher Institut für Technologie Holzbau und Baukonstruktionen R.-Baumeister-Platz 1 76131 Karlsruhe matthias.frese@kit.edu

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Blaß Karlsruher Institut für Technologie Holzbau und Baukonstruktionen R.-Baumeister-Platz 1 76131 Karlsruhe blass@kit.edu

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Andreas Ringhofer*, Reinhard Brandner, Gerhard Schickhofer

Entwicklung einer optimierten Schraubengeometrie für hochbeanspruchte Stahl-Holz-Verbindungen Der Beitrag behandelt die Optimierung der Geometrie von vorwiegend axial beanspruchten selbstbohrenden Holzschrauben für den Einsatz in einer Stahl-Holz-Laschenverbindung unter Zug parallel zur Faser. Mit Fokus auf den Stahlbruch werden der Kopf und Ansatzbereich des Gewindes adaptiert und die Veränderungen im Last-Verformungsverhalten anhand von Prototypen versuchstechnisch an bauteilgroßen Laschenstößen und mittels einer numerischen Modellierung verifiziert. Es zeigen sich eine gegenüber herkömmlichen Schraubentypen um 2 bis 8 % gesteigerte Tragfähigkeit, eine Verlagerung des Versagens der Schraube von der Stahlblech-Unterkante tiefer in das Holz sowie die Ausbildung eines Fließgelenks am Beginn der geschaffenen Freistrecke. Letzteres lässt einerseits eine homogenere Lastverteilung zwischen den Schrauben infolge eines erheblich gesteigerten Duktilitätspotenzials und andererseits eine Verbesserung des Tragverhaltens solcher Anschlüsse bei Langzeit- und Zugschwellbelastungen erwarten. Zudem wird ein Vorschlag für den Nettoquerschnittsnachweis für zugbeanspruchte Laschenstöße mit selbstbohrenden Holzschrauben unterbreitet.

Development of an optimized screw geometry for highstressed steel-to-timber joints This paper deals with the geometrical optimization of mainly axially loaded self-tapping screws applied in steel-to-timber joints under tension parallel to grain. Focusing on steel failure, the head geometry and the zone before the thread were adapted. Consequently, differences to standard products were verified by laboratory tests on full-scale steel-to-timber joints and also by numerical modeling. A 2 to 8 % increase of load bearing resistance, a displacement of the location of screw failure deeper into the timber member as well as the development of a plastic hinge close to the head are the essential results of this study. Especially the yield deformation leads to a more homogenous load sharing between a group of screws, caused by an increased potential of ductility, and to an enhanced bearing behavior under long term as well as pulsating tensile loadings. In addition to that a proposal for the verification of the net crosssection of tensile joints with self-tapping screws is given.

Keywords Holzschraube, selbstbohrende; Beanspruchung, axiale; StahlHolz-Laschenverbindungen; Schraubengeometrie; Nettoquerschnittsnachweis

Keywords self-tapping screws; axial loading; steel-to-timber joints; screw geometry; net cross-section verification

Rohdichte des Materials sowie die Anzahl effektiv wirksamer Verbindungsmittel nef die Tragfähigkeit einer solchen Verbindung maßgebend.

Einleitung

BLAß und BEJTKA [1, 2, 3], BLAß et. al [4] und KEVARINMÄKI [5] untersuchten die genannten Parameter für den Zuglaschenstoß, ausgeführt als Holz-Holz-Verbindung (Bild 1, rechts). Sie entwickelten u. a. ein vereinfachtes, auf dem Fachwerkprinzip basierendes Bemessungsmodell (geeignet für Winkel β ≤ 45°, gemäß ÖNORM

l ef, 2

Bild 1

*) Corresponding author: andreas.ringhofer@tugraz.at Submitted for review: 16 September 2013 Revised: 13 November 2013 Accepted for publication: 19 November 2013

l ef

l ef,

Selbstbohrende Holzschrauben werden aufgrund ihrer hohen Tragfähigkeit bei axialer Beanspruchung sowie ihrer einfachen und wirtschaftlichen Montage seit Beginn des 21. Jahrhunderts in den unterschiedlichsten Detailbereichen im modernen Ingenieurholzbau verwendet. In Form einer Laschenverbindung (Bild 1) stellen sie eine leistungsfähige Alternative zu herkömmlichen, auf Abscheren optimierten Verbindungen mit stiftförmigen Verbindungsmitteln, wie etwa Stabdübel oder Passbolzen, dar. Im Gegensatz zu diesen werden die Schrauben aufgrund der geneigten Anordnung vorwiegend axial beansprucht. Neben den in Bild 1 gezeigten Parametern, wie β als Neigungswinkel der Holzschraube relativ zur Faserrichtung der anzuschließenden Holzbauteile und lef,i als effektiv eingeschraubte Gewindelänge je Holzbauteil, beeinflussen der Nenndurchmesser d der Schraube, die

Zuglaschenstoß mit geneigt angeordneten selbstbohrenden Holzschrauben; links: Stahlblech-Holz-Verbindung; rechts: HolzHolz-Verbindung Butt joint with inclined positioned self-tapping screws; left: steel-totimber joint; right: timber-to-timber joint

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DOI: 10.1002 / bate.201300072

A. Ringhofer, R. Brandner, G. Schickhofer: Entwicklung einer optimierten Schraubengeometrie für hochbeanspruchte Stahl-Holz-Verbindungen

125

90°

Senkkopf

106 15

Ausführungsbeispiele hochleistungsfähiger Stahl-Holz-Verbindungen mit geneigt angeordneten Schrauben Examples of steel-to-timber joints with inclined positioned self-tapping screws

EN 1995-1-1 [6] bis β = 30°), mit welchem die Tragfähigkeit Rβ (entspricht Fα gemäß ÖNORM EN 1995-1-1 [6]) der geneigt angeordneten Holzschraube in einer solchen Verbindung wie folgt ermittelt werden kann: Rβ = Rax,β · (cos β + µ · sin β)

In den letzten Jahren gewannen Stahl-Holz-Verbindungen (Bild 1, links bzw. Bild 2) zunehmend an Bedeutung. Dies insofern, da hierbei das gesamte Gewinde in einem einzigen Holzbauteil situiert ist und somit das volle Leistungspotenzial der Schrauben abgerufen werden kann. KRENN und SCHICKHOFER [7] und KRENN [8] untersuchten das Tragverhalten dieser Verbindungen anhand von Laborversuchen, speziell in Hinblick auf die in Abhängigkeit der Versagensform (Herausziehen bzw. Schraubenbruch) anzusetzende Anzahl effektiv wirksamer Verbindungsmittel (nef ). Im Zuge der Bearbeitung wurde die Eignung des Bemessungsmodells nach Gl. (1) auch für Stahl-Holz-Verbindungen für β = 45° bestätigt. Bezüglich der Gruppenwirkung von Schrauben wird empfohlen, nef versagensunabhängig mit einem multiplikativen Abminderungsfaktor von 0,9 zu berücksichtigen. Gegenwärtig wird dieser Faktor in der ÖNORM EN 1995-1-1 [6] als Potenz angegeben. In [8] wurde zudem beobachtet, dass sämtliche Versuche, welche den Bruch der Schraube (Stahlbruch) zur Folge hatten, im Vergleich zum Versagen der Schrauben auf Herausziehen (Scherversagen lokal im Holz) höhere Werte für nef aufwiesen. Bruchursache war jedoch durchgehend das Abreißen des Schraubenkopfes, verursacht durch einen Scherbruch am Übergang Stahlblech-Unterkante zu Holzoberfläche. Dieses, durch geometrische Randbedingungen motivierte, infolge lokaler Spannungsspitzen resultierende Bruchverhalten ist nicht nur in Hinblick auf Dauer- und/oder Zugschwellbelastungen als kritisch einzustufen, sondern Bautechnik 91 (2014), Heft 1

b) Halbspitze

Bild 3

Versagensbereich 8

Gegenüberstellung: (a) modifizierte, (b) herkömmliche Schraubengeometrie; d = 8 mm Comparison: (a) modified, (b) standard screw geometry; d = 8 mm

(1)

Dabei ist µ der Reibbeiwert zwischen den Bauteilen und Rax,β (entspricht Fax,α gemäß ÖNORM EN 1995-1-1 [6]) die axiale Tragfähigkeit der Holzschraube, welche, neben den Materialeigenschaften der Bauteile und dem Nenndurchmesser der Schrauben, im Wesentlichen durch die Wahl der wirksamen Eindrehlänge lef,i (bei Holz-HolzVerbindung das Minimum aus lef,1 und lef,2 in Bild 1) gesteuert und durch das Stahlversagen der Schraube limitiert wird.

Freispiel

Freistrecke

Bild 2

45°

8 Bund 58

zeigt zudem ein Optimierungspotenzial der Verbindungslösung auf. Ein erster Lösungsansatz in Form einer modifizierten Schraubengeometrie, welche diese Versagensform vermeiden bzw. das von der Ausbildung des Anschlusses unabhängige Stahlversagen der Schraube erreichen soll, ist in [9] vorgestellt. Er bildet die Grundlage für die in weiterer Folge in Zusammenarbeit mit der Fa. Schmid Schrauben Hainfeld GmbH umgesetzten Entwicklungen, welche im Rahmen dieses Aufsatzes vorgestellt sowie versuchstechnisch und numerisch verifiziert werden. Im Zuge der Prüfungen wurde zudem eine für diese Verbindungslösung charakteristische Ausbildung der Bruchflächen infolge Zugversagen im Nettoquerschnitt des Holz-Prüfkörpers beobachtet. Aufbauend darauf erfolgt die Formulierung eines Nettoquerschnittsnachweises, welcher ebenfalls als Teil dieses Aufsatzes präsentiert wird.

Die neue Schraubengeometrie im Detail

Da Stahl-Holz-Zuglaschenstöße heutzutage zumeist mit Senkkopf-Vollgewindeschrauben mit Nenndurchmessern (Außendurchmesser des Gewindes) von 8 bis 12 mm ausgebildet werden, stellen diese die Vergleichsgrundlage der in Bild 3 gezeigten modifizierten Ausbildung des Schraubenkopfes dar. Die Modifizierung beinhaltet (i) eine Verstärkung des Senkkopfes (als „Bund“ bezeichnet) im Nenndurchmesser der Schraube sowie (ii) eine gewindelose Freistrecke mit einem Durchmesser von rund 10 % über dem Kerndurchmesser der Schraube. Unter einem Winkel β von 45° in der Stahllasche platziert (siehe Anschlussdetail in Bild 3), ermöglicht die Senkkopfverstärkung eine Zentrierung der Schraube im Bohrloch des Stahlblechs, während die Freistrecke eine horizontale Verformungskapazität der Schraube bis zum Kontakt dieser mit der Wandung des Bohrloches an der Unterkante des Stahlblechs zulässt, welcher bei herkömmlichen Produkten letztendlich zum Scherversagen des Querschnitts

Prototyp 4x2|2x4

F /2 Standardschraube 2x4|4x2 Bild 4

F /2

45°

200

Stahllaschen

1.000 mm

F /2

Standardschraube 2x4|4x2

Probekörper BSH 200/200/1000 mm

Prototyp 4x2|2x4

links: Prüfkonfiguration und Einteilung der Schrauben; rechts: Prüfaufbau mit Gelenkkette; nach [8] left: Test configuration and arrangement of screws; right: Test setup with linked joints; according to [8]

(Kopfabreißen) an dieser Stelle führt. Die Länge dieser Freistrecke (lF) wird im Prinzip von den jeweiligen geometrischen Randbedingungen (Stärke der Stahllasche) vorgegeben. Auf Basis der Ergebnisse in [9] sollte diese jedoch mindestens so lang sein, dass das daran anschließende Schraubengewinde im Bauteil erst ab einer Länge von rund 2 d, gemessen von der Holzoberfläche beginnt. Zudem soll gewährleistet werden, dass die verbleibende Gewindelänge lG bei vorgegebener Gesamtlänge der Schraube lS zum Stahlversagen führt.

Prüftechnische Verifizierung

3.1

Überblick

Um die in Abschn. 2 erläuterten Vorteile der modifizierten Schraubengeometrie (in weiterer Folge als Prototyp bezeichnet) gegenüber den herkömmlichen Produkten quantitativ zu erfassen, wurde eine Reihe von Zugprüfungen an Stahl-Holz-Laschenstößen in Bauteilgröße durchgeführt. Die hierfür verwendete Prüfkonfiguration (Bild 4) sowie die Brettschichtholz-Probekörper (14 Stück; GL28h, ρmean = 455 kg/m3) stammten aus einem an der TU Graz in den Jahren 2008 bis 2010 durchgeführten Forschungsprojekt [8]. Im Rahmen der Prüfungen wurde ein zentrisch situierter Probekörper mit vier außen liegenden Stahllaschen bestückt, welche anfangs mit einer Gruppe aus acht

Tab. 1

Schrauben (∅ 8 mm, 4 Reihen und 2 Spalten bzw. umgekehrt) unterschiedlicher Produkte (Prototyp mit lS = 248 mm oder herkömmliche Modelle mit lS = 200, 220 und 260 mm) versehen waren. Somit wurden je Probekörper vier Anschlussknoten über eine Gelenkkette simultan auf Zug beansprucht (Bild 4). Somit wurde sichergestellt, dass jede Lasche, unabhängig von der Steifigkeit des jeweiligen Anschlusses, mit der halben Prüflast beaufschlagt wurde. Bei den Versuchen kam es durchwegs zu einem sukzessiven Versagen der Schraubengruppen durch Stahlbruch und dadurch bedingten zwischenzeitlichen Unterbrechungen in der Prüfdurchführung. Nach jedem Teilversagen wurden die betroffenen Laschen durch eine erhöhte Anzahl an Schrauben verstärkt. Dieser Vorgang wurde durchgeführt, bis jede initial bestückte Lasche versagte. Eventuelle Tragfähigkeitsminderungen an den noch intakten Verbindungsmitteln infolge des impulsartigen Versagens konnten nicht nachgewiesen werden. Ein Vergleich der mittleren Tragfähigkeiten, gruppiert nach der Anzahl der bereits beaufschlagten Beanspruchungszyklen, zeigt keinen signifikanten Einfluss. Eine Vorschädigung kann somit nicht nachgewiesen werden. Eine Begründung dafür wird in der verwendeten Prüfkonfiguration, einem statisch bestimmten System, gesehen. Zudem wurde die axiale Zugtragfähigkeit Rt,u der Einzelschrauben nach ÖNORM EN 14592 [10] bestimmt. Die Anzahl der Versuche je Produkt wurde, aufgrund der erwarteten geringen Streuungen, auf sechs Stück reduziert.

Wesentliche Kenngrößen der verwendeten Schrauben Main parameters of the used screws

Produkt

Prototyp

Stardrive 8,0 × 200 [11]

Rapid 8,0 × 220 [11]

Rapid 8,0 × 260 [11]

Schraubenlänge lS [mm]

248

200

220

260

Gewindelänge lG [mm]

210

192

212

252

Nenndurchmesser d [mm]

8,0

Stahlzugtragfähigkeit der Schraube Rt,u,mean [kN]

29,3

26,8*

31,7

27,1

CoV(Rt,u) [%]

0,24

1,65*

0,58

0,45

* Werte entstammen [8].

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

AUFSATZ ARTICLE

A. Ringhofer, R. Brandner, G. Schickhofer: Development of an optimized screw geometry for high-stressed steel-to-timber joints

A. Ringhofer, R. Brandner, G. Schickhofer: Entwicklung einer optimierten Schraubengeometrie für hochbeanspruchte Stahl-Holz-Verbindungen Tab. 2

Statistiken von Fmax,S basierend auf rcMLE und Verhältnisse inkl. Gewichtung nach Rt,u,mean nach Tab. 1 Statistics of Fmax,S based on rcMLE and ratios including weighting with Rt,u,mean according to Tab. 1

Produkt

Prototyp

Stardrive 8,0 × 200 [11]

Rapid 8,0 × 220 [11]

Rapid 8,0 × 260 [11]

Anzahl Versagen [–]

Anzahl Beobachtungen [–]

Fmax,S,mean [kN]

32,6

28,8

32,8

29,5

CoV(Fmax,S) [%]

7,4 %

4,9 %

8,1 %

7,1 %

Verhältnis Prototyp zu Schraubentyp (Mittelwerte)

100 %

113,3 %

99,5 %

110,8 %

Verhältnis Prototyp zu Schraubentyp, gewichtet nach Rt,u,mean (Mittelwerte)

100 %

103,4 %

107,5 %

102,2 %

Tab. 1 enthält die wesentlichen Kenngrößen der verwendeten Schrauben der Fa. Schmid Hainfeld GmbH.

3.2

Auswertung und Gegenüberstellung

Insgesamt wurden an zwölf Probekörpern jeweils vier Laschen mit initial je acht Schrauben gezielt auf Stahlversagen der Schrauben geprüft. Die Auswertung der Daten basiert auf den Bruchfestigkeiten je Schraube (Fmax,S), ermittelt durch Division der Bruchkraft Fmax durch die Anzahl der Laschen (zwei) und durch die Anzahl der Schrauben je Lasche (acht). Das in Abschn. 3.1 dargelegte sukzessive Versagen von ein oder zwei Laschen gleichzeitig bedeutet, dass die verbleibenden, initial und damit nicht verstärkten Laschen zum Prüfzeitpunkt zumindest eine Tragfähigkeit gleich oder höher der beobachteten Bruchkräfte aufweisen. Die Daten sind rechts zensiert; die beobachteten Kräfte an den intakten Laschen entsprechen unteren Schätzern ihrer wahren Tragfähigkeiten. Dieser Umstand kann mithilfe der Maximum-LikelihoodMethode für rechts-zensierte Daten (rcMLE) in der statistischen Auswertung berücksichtigt werden. Unter der Annahme lognormalverteilter Prüfkräfte X = Fmax,S,i ∼ 2pLND (x|θ) wurden die Parameter θ = (µy, σy) mit Y = ln(X) normalverteilt der jeweiligen Lognormalverteilung FX(x|θ) durch Maximierung der log-LikelihoodFunktion

( )

( )

  ln  L θ x  = max ln  L   i  θ   n  d L θ xi = ∏ fX xi θ i i i =1

( )

θx i

(2)

, mit

( )

⋅ 1 − FX xi θ    i

1− di

mit di = 1 „Lasche versagt“ und di = 0 „Lasche intakt“ geschätzt. Von insgesamt 48 Laschen wurden 46 Versagen in der Auswertung berücksichtigt; in einem Fall kam es zu einem vorzeitigen Versagen der bereits verstärkten Lasche, in einem weiteren Fall wurde eine Schraube des Typs 8 × 240 mm eingesetzt. Aufgrund des sukzessiven 34

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Ausfalls von Laschen konnten insgesamt 96 Beobachtungen in die Auswertung einfließen. Tab. 2 gibt einen Überblick über die Ergebnisse. Dargelegt wird die Anzahl an Versagen und getätigten Beobachtungen je Schraubentyp. Auf Basis der durchgeführten Likelihood-Schätzung für rechts-zensierte Daten sind zudem der Mittelwert Fmax,S,mean und der Variationskoeffizient CoV(Fmax,S) der durchschnittlichen Bruchlast je Schraube für die einzelnen Schraubentypen angeführt. Für eine relative Betrachtung der Tragfähigkeit des Schraubenprototyps wurde ihr Mittelwert auf jene Mittelwerte der anderen Schraubentypen bezogen. Unter Anbetracht der unterschiedlichen Stahlzugtragfähigkeiten der Einzelschrauben auf Zug (siehe Tab. 1) wurde, zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse aus rcMLE, eine Gewichtung der Bruchkräfte je Schraube vorgenommen (siehe Tab. 2). Dies wurde durch Division der zuvor ermittelten Relativwerte aus dem Mittelwertvergleich der Tragfähigkeiten durch die auf die mittlere Stahlzugtragfähigkeit des Prototyps bezogenen mittleren Stahlzugtragfähigkeiten der anderen Schraubentypen bewerkstelligt. Dieser Auswertung folgend kann auf dem Niveau des Mittelwertes und vergleichend zu den geprüften Schraubentypen eine Steigerung der Tragfähigkeit des Prototyps betreffend Stahlbruch zwischen 2 und 8 % erwartet werden. Beim Prototyp wurden zudem ein im Vergleich zu den herkömmlichen Schraubentypen deutlich differenzierbares Versagensverhalten sowie eine Verlagerung des Versagensortes beobachtet (Bild 5). Während herkömmliche Schrauben ein nahezu sprödes Versagen im Bereich des Überganges Stahlblech-Holz aufwiesen, zeigte sich beim Prototyp zum einen ein erhebliches plastisches Verformungspotenzial im Bereich der Freistrecke und zum anderen nunmehr ein Versagen im Holzbauteil. Beiden gemein ist das Versagen im Bereich des Gewindeansatzes. Aufgrund der ausgeprägten plastischen Verformbarkeit des Prototyps (plastische Verformung bei Fließgelenkbildung, ∆pl,mean,exp = 2,9 mm, nach erfolgtem Experiment an fünf Stichproben mithilfe eines bildgebenden Verfahrens bestimmt; Bild 5) ist, gegenüber herkömmlichen Schrauben, eine Verbindung mit verbessertem Lastausgleich zu erwarten.

und Holz mit µ = 0,30 angenommen. Die Belastung wurde als horizontale Einzelkraft mittig an der rechten Außenkante des Stahlblechs (siehe Spannungskonzentration in Bild 6) aufgebracht und schrittweise bis zum Erreichen der Traglast erhöht. Bild 5

Stahlversagen der Schrauben – links: herkömmlicher Schraubentyp; rechts: Prototyp mit plastischem Gelenk Steel fractures of screws – left: common type of screw; right: prototype with plastic hinge

Gegenüberstellung anhand eines numerischen Modells

Die numerische Überprüfung der in Abschn. 3 experimentell festgestellten Unterschiede des Trag- und Bruchverhaltens der untersuchten Produkte erfolgte anhand eines zweidimensionalen Modells der im Stahlblech (S 355, a × b × t = 55 × 40 × 15 mm3) situierten Einzelschraube (Prototyp vs. herkömmliche Geometrie) mithilfe der FE-Softwareapplikation RFEM 5®. Hierfür wurden den Schrauben ein bilineares Materialverhalten mit Bruchkriterium im Gewindebereich und Fließkriterium in der Freistrecke auf Basis der Vergleichsspannungen σv,max zugewiesen. Die diesbezüglich erforderlichen Parameter entstammten aus Laboruntersuchungen für [12] und ergeben sich zu fy,mean = 1 200 N/mm2, fu,mean = 1 400 N/mm2, E = 205 000 N/mm2, Ep = 9 300 N/mm2 und εu = 0,027. Hierbei sind fy,mean und fu,mean die Mittelwerte der Streckgrenze und Zugfestigkeit, E und Ep der elastische und plastische E-Modul und εu die Bruchdehnung. Der Kontakt der Schraube bzw. des Stahlblechs mit dem Holzbauteil wurde mit elastischen Bettungsfedern simuliert. Hierfür wurden die Steifigkeiten mit Cx =

Kser (0, 22 + 0, 014 ⋅ d ) ⋅ ρmean ⋅ p; cz = ; lef 1,17 ⋅ sin 2 β + cos2 β

cv =

A90 ⋅ E90 b/2

(3)

mit Cx als Federsteifigkeit pro Gewindegang in Achsrichtung der Schraube, Kser als axiale Steifigkeit der Schraube unter dieser Beanspruchungssituation, p als Ganghöhe des Gewindes, cz als Bettungsfeder der Schraube im Holz normal zur Achsrichtung (nach [13]), cv als Bettungsfeder und A90 als Kontaktfläche des Stahlblechs sowie E90 als E-Modul des Holzes quer zur Faserrichtung festgelegt (Tab. 3). Zudem wurde die Reibung zwischen Stahlblech Tab. 3

Die mit diesen Modellkenndaten ermittelten Traglasten der Schrauben ergaben 27,5 kN für den Prototyp und 25,0 kN für die herkömmliche Schraubengeometrie (Stahlfestigkeiten wurden nicht variiert). Somit liegen sie geringfügig unter den experimentell ermittelten Resultaten, weisen jedoch mit rund 10 % ein ähnliches relatives Verhältnis Prototyp/Standardschraube auf. Bei Erreichen der Traglast des Prototyps liegt die numerisch ermittelte plastische Verformung ∆pl,num mit rund 2,50 mm im Bereich der experimentell beobachteten, was die Annahme des Fließkriteriums in der Freistrecke bestätigt. Zudem konnte festgestellt werden, dass, sowohl bei der numerischen als auch bei der experimentellen Verifizierung, kein Kontakt zwischen der verformten Freistrecke und der Unterkante des Stahlblechs entsteht. Bild 6 stellt den Verlauf der Vergleichsspannungen an beiden Geometrien dar. Die hier gezeigten Spannungsspitzen (Freistrecke und Gewindeansatz bei Prototyp; Gewindebereich an der Stahlblechunterkante bei Standardprodukt) stimmen mit den experimentell festgestellten Versagenspunkten überein.

Nettoquerschnittsnachweis für zugbeanspruchte Laschenverbindungen mit geneigt angeordneten Schrauben

Im Rahmen der in Abschn. 3 erläuterten Prüfserie wurden zusätzlich zwei Probekörper mit 20 Schrauben 8 × 240 pro Lasche bestückt, um gezielt ein Nettoquerschnittsversagen des Holzbauteils herbeizuführen. Wie in Bild 7 beispielhaft gezeigt, war bei diesen Prüfungen eine ausgehend von den Schrauben im Winkel β zur Holzfaserrichtung geneigte Ausbildung der Bruchflächen infolge der durch die Schrauben durchtrennten Fasern festzustellen. Hierbei kam es zu einem Nettoquerschnittsversagen des Holzbauteils an der Stelle der letzten Schraubenreihe, somit in jenem Querschnittsbereich, der bereits die volle Zugbeanspruchung erfährt. Dieses Versagen gilt als charakteristisch für eine auf Zug beanspruchte Verbindung mit geneigt angeordneten Schrauben; ihre Berücksichtigung in der Nachweisführung ist jedoch nicht normativ geregelt. Es wird vorge-

Im Rahmen der FE-Berechnung verwendete Federkennwerte Used spring parameters for FE analysis

Eingangsparameter

Federkennwerte

Kser* [N/mm]

lef [mm]

p [mm]

d [mm]

ρmean [kg/m3]

β [°]

A90 [mm2]

E90 [N/mm2]

b [mm]

Cx [N/mm]

cz [N/mm2]

cv [N/mm2]

16 000

240

4,0

8,0

460

45°

2 200

550

200

270

140

12 100

* Wert in Anlehnung an [14].

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

AUFSATZ ARTICLE

A. Ringhofer, R. Brandner, G. Schickhofer: Development of an optimized screw geometry for high-stressed steel-to-timber joints

A. Ringhofer, R. Brandner, G. Schickhofer: Entwicklung einer optimierten Schraubengeometrie für hochbeanspruchte Stahl-Holz-Verbindungen

Bild 6

Verlauf der Vergleichsspannungen im FE-Modell; links: Prototyp; rechts: Standardschraube Effective stress distribution in the FE-model: left: prototype; right: standard screw

2m · AS

k · AQ lef · sin ß

200

Schraube 8/200 mm lef = 185 mm

Abrutto 40000 mm² 100% Bild 8

Bild 7

Charakteristische Bruchflächenausbildung bei Nettoquerschnittsversagen des Holzbauteils Characteristic fracture surface due to net cross-section failure

schlagen, den für den Normalspannungsnachweis erforderlichen Nettoquerschnitt der Holzbauteile eines solchen Anschlusses als Anetto,neu = Abrutto − 2 ⋅ m ⋅ AS

(4)

= b ⋅ h − 2 ⋅ m ⋅ d ⋅ lef ⋅ sin β zu definieren, mit b und h als Querschnittsabmessungen des Bauteils, AS als die in die Schnittebene projizierte Außenfläche der Schraube und m als die Anzahl der Schraubenreihen je Lasche. Dieser Vorschlag unterscheidet sich erheblich von der heutzutage üblichen Vorgehensweise [15], die Nettoquerschnittsfläche durch alleinige Berücksichtigung aller, im Nettoquerschnitt liegenden Nennquerschnittsflächen der Schrauben zu bestimmen, siehe Anetto,alt = Abrutto − k ⋅ AQ = b ⋅ h − k ⋅

d2 ⋅ π 4 sin β

33700 mm² 84%

Nettoquerschnitt: Gegenüberstellung der Regelungen „alt“ und „neu“ Net cross-section: Comparison of definitions “old” and “new”

Aktuelle Untersuchungen betreffend den Einfluss eines infolge von Verbindungsmitteln lokal geschwächten Querschnitts auf die (Rest-)Tragfähigkeit in Zug und Druck parallel zur Faser werden auch in [16, 17] diskutiert. Abweichend zu den hier vorgestellten Prüfungen wurde dort die Last in das Holzbauteil nicht über die Verbindungsmittel, sondern direkt an den Enden des Prüfkörpers im Bereich des ungeschwächten Querschnitts eingebracht, was einen Vergleich der Ergebnisse daher nur bedingt zulässt. Zudem ist ein explizierter Vorschlag zur Regelung des Nettoquerschnittsnachweises, speziell für die hier untersuchte Zuglaschenverbindung mit selbstbohrenden Vollgewindeschrauben in [16, 17] nicht gegeben.

(5)

mit k als Anzahl der vom Schnitt erfassten Schrauben sowie AQ als Nennquerschnittsfläche und d als Nenndurchmesser der Schraube. Anhand der in Bild 1 gezeigBautechnik 91 (2014), Heft 1

Anetto,neu

ten Laschenverbindung mit drei Schraubenreihen stellt Bild 8 die unterschiedlichen Definitionen der Nettoquerschnittsflächen gemäß Gl. (4) und Gl. (5) gegenüber. Unter Anwendung von Gl. (4) ergibt sich eine Reduktion der Bruttoquerschnittsfläche um 16 %, wohingegen jene zufolge Gl. (5) vernachlässigbar wäre.

Anetto,alt 39100 mm² 98%

Resümee und Ausblick

Es wurden die Grundlagen des Tragverhaltens von hochbeanspruchten Stahl-Holz-Laschenverbindungen mit ge-

neigt angeordneten Schrauben dargelegt, welche die Gestaltung der gezeigten modifizierten Schraubengeometrie beeinflussten. Diese beinhaltet im Wesentlichen eine bundartige Kopfverstärkung mit dem Gewindeaußendurchmesser der Schraube sowie eine rund 30 mm lange Freistrecke zwischen Schraubenkopf und Gewindeansatz. Dadurch wird der bei herkömmlichen Modellen zum Schraubenbruch führende Kontakt des Gewindes mit der Bohrlochwandung an der Stahlblech-Unterkante vermieden, was auf Basis experimenteller und numerischer Untersuchungen zu einer Traglaststeigerung des Anschlusses von rund 2–8 % führt. Zudem konnte bei der neuen Schraubengeometrie die Bildung eines Fließgelenks am Beginn der Freistrecke beobachtet werden, welche auf ein erhöhtes Potenzial an Duktilität und einen damit verbundenen, homogeneren

Lastausgleich aller Schrauben einer Lasche hinweist. Die Auswirkungen dieses Effektes auf die anzusetzende Zahl an effektiv wirksamen Verbindungsmitteln sowie das zu erwartende günstige Tragverhalten bei Langzeit- und Zugschwellbeanspruchungen, im Vergleich zu gegenwärtig eingesetzten Senkkopf-Vollgewindeschrauben, bilden die Grundlage für weitere Forschungsarbeiten. Abschließend sei noch auf den hier vorgestellten Vorschlag zur Regelung der Nettoquerschnittsfläche der Holzbauteile einer solchen zugbeanspruchten Verbindung hingewiesen, welcher – im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen – die beobachtete signifikante Schwächung des Querschnitts zufolge der Verschraubung berücksichtigt. Aufgrund der geringen Anzahl an zugrunde gelegten Prüfungen wird empfohlen, diesen noch mit weiteren Untersuchungen zu validieren.

Literatur [1] BLASS, H. J.; BEJTKA, I.: Screws with continuous threads in timber connections. RILEM. Proceedings PRO 22, Stuttgart, Deutschland, S. 193–201. [2] BLASS, H. J.; BEJTKA, I.: Joints with Inclined Screws. CIBW18. Paper 35-7-5, Kyoto, Japan. [3] BLASS, H. J.; BEJTKA, I.: Verbindungen mit geneigt angeordneten Schrauben. Bauen mit Holz, Ausgabe Oktober 2003, S. 28–36. [4] BLASS, H. J.; BEJTKA, I.; UIBEL, T.: Tragfähigkeit von Verbindungen mit selbstbohrenden Holzschrauben mit Vollgewinde. Karlsruher Berichte zum Ingenieurholzbau – Band 4, Universitätsverlag Karlsruhe, 2006. [5] KEVARINMÄKI, A.: Joints with Inclined Screws. CIB-W18. Paper 35-7-4, Kyoto, Japan. [6] ÖNORM EN 1995-1-1:2009. Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten – Teil 1-1: Allgemeines – Allgemeine Regeln und Regeln für den Hochbau. [7] KRENN, H.; SCHICKHOFER, G.: Joints with Inclined Screws and Steel Plates as Outer Members. CIB-W18, Paper 42-7-2, Dübendorf, Schweiz. [8] KRENN, H.: Selbstbohrende Holzschrauben in hoch beanspruchten Bereichen. Forschungsbericht, holz.bau forschungs gmbh, Graz, Österreich, 2009. [9] P IRNBACHER, G.; BRANDNER, R.; SCHICKHOFER, G.: Base Parameters of Self-Tapping Screws. CIB-W18, Paper 42-7-1, Dübendorf, Schweiz. [10] ÖNORM EN 14592:2012: Holzbauwerke – Stiftförmige Verbindungsmittel – Anforderungen. [11] Deutsches Institut für Bautechnik: Allgemeine Bauaufsichtliche Zulassung Z-9.1-509 – Holzbauschrauben Star Drive Vollgewinde, Star Drive 2-Gewinde, Star Drive, Rapid, Rapid Perfekt und Rapid Komprex für die Befestigung von Dämmsystemen. Berlin, Deutschland, 2006. [12] Österreichisches Institut für Bautechnik: Europäisch technische Zulassung ETA-12/0373 Schmid Schrauben RAPID®, STARDRIVE und SP. Wien, Österreich, 2012. [13] BEJTKA, I.: Verstärkung von Bauteilen aus Holz mit Vollgewindeschrauben. Karlsruher Berichte zum Ingenieurholzbau – Band 2, Universitätsverlag Karlsruhe, 2005.

[14] GAICH, A.; RINGHOFER, A.; WALLNER, R.: Ausziehwiderstand selbstbohrender Holzschrauben in Abhängigkeit der Eindrehlänge. Bakkalaureatsarbeit, Technische Universität Graz, 2008. [15] COLLING, F.: Holzbau – Grundlagen der Bemessung nach EC 5. Springer Vieweg, 3. Auflage 2012, ISBN 978-3-83481789-1, S. 285. [16] ENDERS-COMBERG, M.; BLASS, H. J.: Influence of Fasteners in the Compression Area of Timber Members. CIB-W18, Paper 46-7-8, Vancouver, Kanada. [17] BLASS, H. J.; ENDERS-COMBERG, M.: Fachwerkträger für den industriellen Holzbau. Karlsruher Berichte zum Ingenieurholzbau – Band 22, Universitätsverlag Karlsruhe, 2012.

Autoren Dipl.-Ing. Andreas Ringhofer Institut für Holzbau und Holztechnologie Technische Universität Graz Inffeldgasse 24 8010 Graz andreas.ringhofer@tugraz.at

Dipl.-Ing. (FH) Dr. techn. Reinhard Brandner Institut für Holzbau und Holztechnologie Technische Universität Graz holz.bau forschungs gmbh Inffeldgasse 24 8010 Graz reinhard.brandner@tugraz.at Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Gerhard Schickhofer Institut für Holzbau und Holztechnologie Technische Universität Graz Inffeldgasse 24 8010 Graz gerhard.schickhofer@tugraz.at

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

AUFSATZ ARTICLE

A. Ringhofer, R. Brandner, G. Schickhofer: Development of an optimized screw geometry for high-stressed steel-to-timber joints

DOI: 10.1002 / bate.201300077

AUFSATZ

Christoph Koj*, Martin Trautz

Mit Schrauben fügen und bewehren – Langzeitversuche an biegesteifen Rahmenecken im Außenklima Seit 2006 werden am Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen (Trako) Fügungen und Verstärkungen von Holzbauelementen mit als Bewehrung angeordneten selbstbohrenden Vollgewindeschrauben entwickelt. Sehr positive Ergebnisse wurden in Versuchen mit biegesteifen Rahmenecken für positive und negative Biegemomente erzielt, die im Kurzzeitversuch Bruchlasten von über 80 % der reinen Querschnittstragfähigkeit erreichten. Die hohe Tragfähigkeit bedingt dabei eine entsprechend hohe Auslastung sowohl des Holzquerschnitts als auch des Verbundes zwischen Vollgewindeschrauben und Holz. Vor allem zum Kriech- und Ermüdungsverhalten des Schraubenverbundes unter Langzeitbelastung und Klimawechseln liegen bisher kaum Forschungsergebnisse vor. Daher wurde in einem eigenen Forschungsprojekt das Tragverhalten der Rahmenecken unter Dauerlast im Außenklima der Nutzungsklasse 2 untersucht. In einem überdachten Versuchsstand wurden Rahmenecken mit zwei hinsichtlich der Tragfähigkeit und Querschnittsauslastung unterschiedlichen Schraubenkonfigurationen über eine Dauer von zwei Jahren belastet. Dabei wurden die zeitabhängigen Verformungen gemessen, um das Kriechverhalten der Verbindung zu beurteilen. Im Anschluss an die Langzeitbelastung wurde die Resttragfähigkeit der Rahmenecken im Bruchversuch ermittelt. Die Größe der Kriechverformung und des Tragfähigkeitsverlustes waren abhängig vom Belastungsniveau und dem Ausnutzungsgrad des Holzquerschnitts. Während bei den hoch ausgelasteten Eckverbindungen eine merkliche Reduktion der Bruchlasten zu beobachten war, erreichten die gering belasteten Ecken nahezu die gleiche Tragfähigkeit wie im Kurzzeitversuch.

Self-tapping screws as connectors and reinforcements – longterm tests on rigid frame corners in exterior climatic conditions Since 2006 the Chair for Structures and Structural Design at RWTH Aachen University has been developing connections and reinforcements for structural timber elements using fully threaded self-tapping screws. Rigid frame corners made of glued-laminated timber which were joined with these screws performed exceptionally well in short-term load tests reaching more than 80 % of the load bearing capacity of the beam section itself. The high load bearing capacity of the connection implies a high degree of capacity utilisation both for the bond between screws and timber and the timber section. Regarding creep and fatigue of the bond between fully-treaded screws and timber barely any research has been conducted so far. Thus in the actual research project the structural behaviour of the rigid frame corners was examined under long-term load in exterior climatic conditions (service class 2). A test rig was set up with two types of rigid frame corners differing in the layout of the screw connection and the load bearing capacity. For a period of two years the corners were monitored under continuous and varying loads. The deformations were measured to evaluate the creep of the screws and the connections. Subsequent to the long-term loading the residual strength of the test specimens was determined in breaking tests. The level of creep deformations and the reduction of the load bearing capacity depended on the degree of capacity utilisation of the connections and the timber section. For the specimens with a high degree of utilisation a decrease of load bearing capacity was observed while the ones with a lower degree of utilisation reached almost the same ultimate loads as with short-term loading.

Keywords Holzbau; Vollgewindeschrauben; Rahmenecken, biegesteife; Langzeitbelastung

Keywords timber construction; self-tapping screws; rigid frame corners; long-term load

fen Rahmenecken und deren Fügung kommt deshalb eine besondere Bedeutung zu, da ihre Steifigkeit und Tragfähigkeit maßgeblich die Dimension der Holzquerschnitte bestimmt. Das Streben nach schlanken und effizienten Tragwerken erfordert daher Eckverbindungen, deren Tragfähigkeit möglichst nahe an der Querschnittstragfähigkeit des Brettschichtholzes liegt. Weiterhin sollte eine einfache Fügung der Verbindung auf der Baustelle möglich sein, da bei einer Herstellung der Rahmenecken im Werk die möglichen Bauteildimensionen durch die maximalen Transportabmessungen stark eingeschränkt werden.

Einleitung

Rahmentragwerke ermöglichen es, große Stützweiten effizient zu überspannen. Im Ingenieurholzbau bewirken die mechanischen Verbindungen mit ihrer deutlich reduzierten Tragfähigkeit und ihrem Schlupf eine Verschlechterung der Rahmenwirkung. Der Ausbildung der biegestei*) Corresponding author: koj@trako.arch.rwth-aachen.de Submitted for review: 03 October 2013 Revised: 14 November 2013 Accepted for publication: 19 November 2013

Die Fügung mittels Universalkeilzinkenstoß (siehe auch [1]) erreicht bei Einsatz eines Zwischenstücks zwar hohe Tragfähigkeiten für negative Biegemomente, kann aber ohne zusätzliche Verstärkungsmaßnahmen nur sehr geringe positive Momente übertragen. Die Herstellung auf der Baustelle ist nur mit erhöhtem Aufwand möglich, da zum Verleimen sowohl kontrollierte klimatische Bedingungen sichergestellt werden müssen als auch leistungsfähige mobile Pressen zum Aufbringen des benötigten Anpressdrucks erforderlich sind. Die Herstellung im Werk ist aufgrund der Transportabmessungen nur für kleinere Rahmentragwerke möglich. Der Anschluss mit einem oder mehreren Stabdübelkreisen ist für positive wie negative Momentenbelastung gleich gut tragfähig und zur Baustellenmontage geeignet. Allerdings bedingt dieser Anschlusstyp eine Ausführung als Zangenkonstruktion. Da Stiel und Riegel orthogonal zueinander stehen, führt das unterschiedliche Quell- und Schwindverhalten des Holzes längs und quer zur Faserrichtung besonders bei hohen Querschnitten und wechselnder Holzfeuchte zu Zwängungen, die die Tragfähigkeit der Verbindung reduzieren und zusätzliche Verstärkungen zur Vermeidung von Spaltversagen erfordern. Es wurden daher im Laufe der Zeit immer wieder neue Verbindungen für biegesteife Rahmenecken entwickelt, die eine höhere Tragfähigkeit und eine einfache Montage ermöglichen sollten. Dabei kamen meist stählerne Verbindungskonstruktionen zum Einsatz, die einen stahlbaumäßigen geschraubten oder geschweißten Anschluss erlauben und über eingeschlitzte Bleche oder eingeklebte Gewindestangen im Holz verankert sind. Beispiele sind unter anderem in [2, 3 und 4] dargestellt. Obwohl diese Verbindungen sehr leistungsfähig sind, ist ein deutlicher Mehraufwand für die Herstellung der Stahleinbauteile und ihre Verankerung im Holzquerschnitt erforderlich. Bei frei liegenden Stahlverbindungen besitzen die Rahmenecken meist keinen Feuerwiderstand, sodass bei Brandbeanspruchung zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich sind. Am Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen (Trako) wurden im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte biegesteife Rahmenecken entwickelt, die mit selbstbohrenden Vollgewindeschrauben (VGS) gefügt werden können. Die seit 2006 in Kooperation mit dem Institut für Bauforschung Aachen (ibac) und mit Unterstützung der Firma SPAX® International GmbH durchgeführten Projekte zur Verstärkung und Fügung von Brettschichtholzbauteilen basieren auf dem Konzept, selbstbohrende Vollgewindeschrauben nach Art einer Bewehrung im Holz einzusetzen. Die Nutzung der Vollgewindeschrauben als Bewehrungselemente wird durch ihre besonderen Eigenschaften ermöglicht: Das über die gesamte Schraubenlänge durchgehende Gewinde gewährleistet einen kontinuierlichen Verbund mit dem Holz, bei großen verfügbaren Längen bis 1 500 mm. Durch eine Vergütung im Herstellungsprozess werden hohe Stahlfestigkeiten um 1 000 N/mm2 erreicht,

die auch bei kleinen Kernquerschnitten die Übertragung großer Zugkräfte ermöglichen (siehe auch [5, 6, 7]). Darüber hinaus kann durch die spezielle Bohrspitze die Verarbeitung auch bei größeren Durchmessern bis 14 mm ohne Vorbohren erfolgen. Die Schrauben können durch ihre gegenüber dem umgebenden Holz höhere Festigkeit und Steifigkeit vergleichbar einer Bewehrung im Stahlbetonbau zur Übertragung von inneren Kräften im Holzquerschnitt eingesetzt werden. Abweichend vom Stahlbetonbau ergeben sich aufgrund der Anisotropie des natürlichen Werkstoffs Holz jedoch bevorzugte Richtungen zur Anordnung der Bewehrung. Während das Holz parallel zur Faserrichtung eine hohe Zug- und Druckfestigkeit sowie Längssteifigkeit besitzt, wird orthogonal zur Faser nur ein Bruchteil dieser Werte erreicht. Die Vollgewindeschrauben dienen also vor allem zur Verstärkung und Versteifung der Holzquerschnitte bei Querzug-, Querdruck- und Schubbeanspruchung. Bei Bauteilanschlüssen übertragen die Schrauben vorzugsweise axiale Zug- oder Druckkräfte zur Ausnutzung der hohen Stahlfestigkeit, während eine Querbelastung durch den geringen Kernquerschnitt weniger günstig ist. Die geometrische Anordnung und Dimensionierung der Schrauben im Verstärkungsdetail oder Anschlusspunkt kann, auch hier in Anlehnung an den Stahlbetonbau, mithilfe von Stabwerkmodellen erfolgen. Dabei wird der Kraftfluss im Bauteil oder in der Verbindung über ein Stabwerk modelliert. Die einzelnen Stabkräfte werden dann entweder dem Holzquerschnitt oder den als Bewehrung eingebrachten Vollgewindeschrauben zugewiesen. Der innere Kraftfluss kann dabei durch eine gegenüber dem Holz entsprechend steife Schraubenbewehrung auch gezielt kanalisiert und beeinflusst werden.

Mit Vollgewindeschrauben gefügte biegesteife Rahmenecken im Kurzzeitversuch

Zur Fügung von biegesteifen Rahmenecken mit selbstbohrenden Vollgewindeschrauben wurden am Lehrstuhl für Tragkonstruktionen seit 2006 drei Forschungsprojekte mit Unterstützung der SPAX® International GmbH durchgeführt. In den ersten beiden Projekten, ‚MSB 1’ [8] und ‚MSB 2’ [9], wurden stumpf auf Gehrung gestoßene Rahmenecken mit unterschiedlichen Bewehrungskonfigurationen für positives und negatives Biegemoment entwickelt und im Kurzzeitversuch die Tragfähigkeit ermittelt. Die Schraubenanordnungen basierten prinzipiell auf den in Bild 1 dargestellten Stabwerkmodellen. Im ersten Projekt (‚MSB 1’) wurde für positives wie für negatives Biegemoment eine ähnliche Konfiguration mit jeweils umgekehrtem Vorzeichen der Stabkräfte genutzt. An der Innenecke übertrugen vorgebohrte Gewindestangen mit Normgewinde nach DIN 7998 (1975-02) und 16 mm Durchmesser die diagonalen Zugbzw. Druckkräfte, während an der Außenecke die Kraftübertragung durch gekreuzte Vollgewindeschrauben mit 8 mm Durchmesser erfolgte (Bild 1, links und rechts). Bei positiver Momentenbelastung waren darüber hinaus gehrungsparallele Schrauben zur Aufnahme der QuerBautechnik 91 (2014), Heft 1

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C. Koj, M. Trautz: Self-tapping screws as connectors and reinforcements – long-term tests on rigid frame corners in exterior climatic conditions

(Quelle: Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen)

C. Koj, M. Trautz: Mit Schrauben fügen und bewehren – Langzeitversuche an biegesteifen Rahmenecken im Außenklima

Bild 1

Einfache Stabwerkmodelle zur Auslegung der Schraubenkonfiguration für positives und negatives Biegemoment Simple strut-and-tie models for the layout of the screw configuration for positive and negative bending moment

zugkräfte zwischen Innen- und Außenseite angeordnet. Es kamen Brettschichtholzquerschnitte der Festigkeitsklasse GL 24 h mit einem Querschnitt von 14 cm/36 cm zum Einsatz, die zu L-förmigen Probekörpern zusammengefügt wurden. Für positives wie negatives Moment wurden im ersten Projekt (‚MSB 1’) jeweils drei, im zweiten Projekt (‚MSB 2’) jeweils vier Rahmenecken geprüft. Im Versuch erfolgte der Bruch bei den mit negativem Biegemoment belasteten Ecken durch Stahlversagen der außen liegenden Zugschrauben. Bedingt durch die gleichmäßige Stahlfestigkeit trat nur eine sehr geringe Streuung der Bruchlasten auf, sodass der 5 %-Quantilwert mit 41,67 kN nur wenig unter dem Mittelwert von 42,73 kN lag. Bei positiver Momentenbelastung kam es zu einem vorzeitigen Bruch der gehrungsparallelen Zugschrauben und darauf folgend zu einem sukzessiven Querzugversagen des Holzes im Gehrungsbereich, da die gehrungsparallele Kraftkomponente in der Fuge nicht wie erwartet an der Innenecke durch eine Dübelwirkung der Gewindestangen übertragen wurde, sondern sich in den Bereich des Druckkontakts an der Außenecke verlagerte. Die mittlere Bruchlast war mit 27,35 kN deutlich geringer als bei negativem Biegemoment. Daher wurde im folgenden Projekt ‚MSB 2’ eine geänderte Schraubenanordnung auf Basis des Stabwerkmodells in Bild 1, Mitte erprobt, bei der die Zugkräfte an der Rahmeninnenecke durch gekreuzte, faserparallel angeordnete Vollgewindeschrauben übertragen wurden. Die gekreuzten Schrauben wurden fächerförmig über die Gehrungsfuge aufgespreizt, sodass

Tab. 1

eine dichte ‚Vernadelung’ des querzuggefährdeten Querschnittsbereichs entstand, die im Bruchversuch effektiv ein Querzugversagen des Holzes verhinderte. Der Bruch erfolgte erwartungsgemäß durch Stahlzugversagen der vertikalen Zugschrauben an der Innenecke. Gegenüber dem ersten Projekt konnte eine Steigerung der mittleren Bruchlast um über 70 % auf 46,97 kN erzielt werden. Auch für das negative Biegemoment konnte im zweiten Projekt die Tragfähigkeit der Rahmenecken deutlich erhöht werden. Durch Verdoppelung der Anzahl der Verbindungsmittel, bei sonst gleicher Grundkonfiguration, wurde mit einer mittleren Bruchlast von 64,08 kN der Wert aus dem ersten Projekt um knapp 50 % übertroffen. Das Versagen trat bei drei von vier Rahmenecken durch Biegezugbruch des Holzes im vertikalen Schenkel des Probekörpers auf. Nur bei einer Probe erfolgte das für die verstärkte Schraubenkonfiguration rechnerisch zu erwartende Verbundversagen der außen liegenden Zugschrauben. Die verwendeten Vollgewindeschrauben besaßen im Kurzzeitversuch somit einen deutlich besseren Verbund und höhere Ausziehfestigkeiten als die rechnerischen Werte der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung. Im Hinblick auf die hohe Querschnittsauslastung der Verbindung – hier gut 87 % der reinen Biegetragfähigkeit des verwendeten Brettschichtholzquerschnitts – sollte daher im Folgenden das Trag- und Verformungsverhalten der biegesteifen Rahmenecken mit denselben Schraubenkonfigurationen unter Langzeitbelastung und wechselnden klimatischen Beanspruchungen untersucht werden. Die Ergebnisse der Kurzzeitversuche sind in Tab. 1 zusammengefasst.

Vergleich der 5 %-Quantilwerte der Bruchlasten der mit Vollgewindeschrauben gefügten biegesteifen Rahmenecken Comparison of the 5 %-quantile values of ultimate loads of the rigid frame corners joined with self-tapping screws

Verbindungstyp

negatives Biegemoment Kraft F äquiv. M

positives Biegemoment Kraft F äquiv. M

Rahmenecken ‚MSB 1’

5 %-Quantil

41,67 kN

61,6 %

44,59 kNm

19,36 kN

30,9 %

20,71 kNm

Rahmenecken ‚MSB 2’

5 %-Quantil

59,04 kN

87,3 %

63,18 kNm

43,60 kN

69,5 %

46,65 kNm

reiner BSH-Querschnitt

char. Wert

67,62 kN

100,0 %

72,35 kNm

62,71 kN

100,0 %

67,10 kNm

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

(Quelle: Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen)

AUFSATZ ARTICLE

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Bild 2

Schraubenkonfigurationen der biegesteifen Rahmenecken im Langzeitversuch Screw configurations of rigid frame corners for long-term test

Langzeitversuche an biegesteifen Rahmenecken im Außenklima

Im aktuellen, dritten Forschungsprojekt ‚MSB 3’ wurden biegesteife Rahmenecken für negative Biegemomente unter den Klimabedingungen der Nutzungsklasse 2 über einen Zeitraum von zwei Jahren mit einer dem Bemessungswert der Tragfähigkeit entsprechenden Kraft belastet und anschließend im Bruchversuch die Resttragfähigkeit ermittelt. Die Schraubenkonfigurationen entsprachen im Wesentlichen denen der Vorgängerprojekte und sind in Bild 2 dargestellt. Der Typ 1a gleicht der Konfiguration aus dem ersten Projekt (‚MSB 1’), wobei die Gewindestange an der Innenecke durch vier Vollgewindeschrauben mit 10 mm Durchmesser ersetzt wurden, sodass das aufwändige Vorbohren der Gewindestange entfallen konnte und die Montage der Verbindung deutlich vereinfacht wurde. Bei den Typen 1b und 1c entfielen die fachwerkartige Schraubenbewehrung in den Schenkeln sowie die Querbewehrung. Typ 2 wurde aus dem zweiten Projekt (‚MSB 2’) übernommen. Die beiden an der Innenecke angeordneten Gewindestangen wurden verkürzt, um den vertikalen Schenkel der Probekörper nicht durch eine Bohrung zu schwächen. Pro Typ wurden vier Rahmenecken hergestellt. Je zwei Rahmenecken wurden zu einem Dreigelenkrahmen zusammengefasst und mit einer mittigen Einzellast belastet (siehe Bild 3 und Bild 5). Die Kraft wurde dabei über eine in der Bodenplatte des Versuchsstands verankerte Federkonstruktion mit jeweils zwei zwischen Stahlplatten angeordneten Druckfedern und Zugstangen erzeugt, da anderenfalls Beton- oder Stahlgewichte mit einer Gesamtmasse von über 20 t bzw. entsprechend aufwändige Hebelmechanismen erforderlich gewesen wären. Die Federsteifigkeiten wurden möglichst klein gehalten,

sodass auch bei einer Kriechverformung der Versuchskörper nur ein geringer Abfall der Last auftrat. Abhängig von der gemessenen Verformung in Rahmenmitte wurden die Federkräfte regelmäßig kontrolliert und durch Nachspannen mittels Hydraulikkolben und Kraftmessdose auf den Sollwert korrigiert (siehe Bild 5). Die Belastung der Rahmen entsprach dem Bemessungswert ihrer rechnerischen Tragfähigkeiten auf Basis der DIN 1052 (2008-12) und der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung der Vollgewindeschrauben für die KLED lang. Bei den Rahmen der Typen 1a und 1b wurde die Belastung für kürzere Zeitabschnitte bis auf den Bemessungswert für die KLED kurz erhöht. Die real über die gesamte Bauwerklebensdauer verteilt auftretenden nicht-ständigen Lasten wurden dabei innerhalb der Versuchsdauer von zwei Jahren akkumuliert. Tab. 2 gibt einen Überblick über Ausbildung und Belastung der einzelnen Rahmentypen. Die Rahmen waren in einem überdachten, durchlüfteten Versuchsstand auf dem Gelände der Architekturfakultät der RWTH Aachen aufgestellt. Während der Langzeitbelastung von Februar 2010 bis Februar 2012 wurden die Temperatur und die relative Luftfeuchte im Versuchsstand aufgezeichnet (Tagesmittelwerte siehe Bild 4) und zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten der Stationen Aachen bzw. Aachen-Orsbach des Deutschen Wetterdienstes. Die Messwerte umfassten einen Bereich von –9,2 °C bis 36,2 °C und 19 % bis 96 % relative Luftfeuchte. An den Probekörpern wurden die Verformung in Rahmenmitte, die Verformungen der Gehrungsfuge sowie die Holzfeuchte gemessen. Zum Kriechen von Holz und Holzwerkstoffen unter Langzeitbelastung und wechselnden klimatischen Randbedingungen (s. [10, 11, 12, 13]) sowie zum Einfluss der Belastungsdauer und -intensität auf die Tragfähigkeit von Bautechnik 91 (2014), Heft 1

(Quelle: Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen)

C. Koj, M. Trautz: Mit Schrauben fügen und bewehren – Langzeitversuche an biegesteifen Rahmenecken im Außenklima

Versuchsaufbau mit Dreigelenkrahmen für die Langzeitversuche Test setup with three-hinged frame for long-term testing

Bild 4

Tagesmittelwerte der Temperatur (rot) und der relativen Luftfeuchte (blau) im Versuchsstand während der Langzeitversuche Daily mean values of temperature (red) and relative humidity (blue) inside the test rig during the long-term tests

(Quelle: Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen)

Bild 3

In Bild 6 sind die Mittelwerte der Kriechverformungen aller vier Rahmentypen in Rahmenmitte während der zweijährigen Belastungsphase dargestellt. Die höher ausgelasteten Rahmen des Typs 2 wiesen zum Ende der Langzeitversuche mit knapp 5 cm ungefähr doppelt so große Kriechverformungen auf wie die geringer belasteten Typen 1a-c. Insbesondere im zweiten Jahr war beim Typ 2 noch eine deutliche Zunahme der Kriechverformungen zu beobachten, während die Typen 1a-c nur noch geringe Veränderungen aufwiesen. Die Kriechfaktoren ϕ(t) lagen nach zwei Jahren zwischen 2,9 (Typ 1a) und 3,5 (Typ 2) und damit deutlich über dem Endkriechfaktor von 1,8 nach DIN 1052 (2008-12) bzw. EC 5 für Brettschichtholz in Nutzungsklasse 2. Die gemessenen Kriechverformungen stellen, bedingt durch die akkumulierte Belastung auf Bemessungslastniveau, Extremwerte dar. Es ergeben sich im Versuch Ausnutzungsgrade, d. h. 42

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

(Quelle: Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen)

Holzbauteilen (s. [14, 15]) wurden bereits zahlreiche Untersuchungen durchgeführt. Zum Kriechverhalten von Vollgewindeschrauben liegen dagegen noch keine detaillierten Erkenntnisse vor (für andere Verbindungsmittel s. [16]).

Bild 5

Langzeitversuche: Aufbringen der Belastung mittels Federkonstruktion und Blick in den Versuchsstand Long-term tests: applying the load with a spring device and view of the test rig

Verhältnisse von Dauerlast zu Kurzzeitbruchlast, von 40 % bis 55 % (siehe Tab. 2), die im Bereich der Lineari-

(Quelle: Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen)

Bild 6

Gemittelte Kriechverformungen in Rahmenmitte über die Dauer der Langzeitversuche Mean creep deformations in the centre of the frames over the duration of the long-term tests

Die Kriechkurven zeigten für ein natürliches Außenklima typische Verläufe mit jahreszeitlichen Schwankungen. Eine Erhöhung der Belastung durch die planmäßig aufgebrachten, temporär höheren Lastniveaus (bei Typ 1a und 1b), aber auch durch Nachspannen der Belastungsfedern, führte zu einem kurzzeitig erhöhten Kriechen sowohl im Holzquerschnitt als auch in den Verbindungen. Eine Zunahme der Kriechverformungen trat auch bei stärkeren Änderungen der Holzfeuchte auf und deckt sich mit den Beobachtungen anderer Langzeitversuche (s. [13]). Betrachtet man die Typen 1b und 1c mit gleicher Schraubenkonfiguration, so zeigt Typ 1b infolge der zeitweise höheren Last auch größere Kriechverformungen. Der ebenfalls zeitweise höher belastete Typ 1a weist dagegen geringere Kriechverformungen auf, was offenbar auf die fachwerkartige Schraubenbewehrung im Rahmenstiel und -riegel sowie die Anordnung einer Querbewehrung im Eckbereich zurückzuführen ist. Die im Anschluss an die Langzeitbelastung durchgeführten Bruchversuche verdeutlichen ebenfalls die Abhängigkeit der Resttragfähigkeit von der Schraubenkonfiguration und dem Ausnutzungsgrad des Holzquerschnitts bzw. der Verbindung (siehe Tab. 2). Während die nur im Eckbereich verschraubten Typen 1b und 1c gegenüber dem Kurzzeitversuch eine etwa 8 % geringere Resttragfähig-

(Quelle: Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen)

tätsgrenze des Kriechens liegen. Unter Gebrauchslasten sind wesentlich geringere Kriechfaktoren zu erwarten. Die Verformungen der Eckverbindungen machten etwa die Hälfte der in Rahmenmitte gemessenen Gesamtverformung aus. Bei den Typen 1a-c war im Wesentlichen ein Kriechen des Verbundes der zugbelasteten Vollgewindeschrauben zu beobachten, während beim Typ 2 auch ein Kriechen des Verbundes der druckbelasteten Gewindestangen und des umgebenden Holzquerschnitts auftrat. Hier sind weitere Untersuchungen geplant, um das Verbundkriechen der Vollgewindeschrauben genauer zu erfassen.

Bild 7

Versuchsaufbau Bruchversuche mit negativem Moment Test setup for breaking tests with negative moment

keit besaßen, erreichte der zusätzlich mit Querbewehrung und Schraubenfachwerk bewehrte Typ 1a die gleiche mittlere Bruchlast wie im Kurzzeitversuch. Bei den Rahmenecken der Typen 1a-c erfolgte der Bruch durch Stahlversagen der außen liegenden Zugschrauben. Die höher ausgelasteten Rahmenecken des Typs 2 versagten dagegen im Unterschied zu den Kurzzeitversuchen allesamt durch Verbundversagen und Herausziehen der äußersten Zugschrauben. Durch die Langzeitbelastung war offenbar eine Alterung bzw. Schädigung des Verbundes zwischen Schrauben und Holz aufgetreten, die den Ausziehwiderstand erkennbar reduzierte. Die Bruchlasten erBautechnik 91 (2014), Heft 1

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Bild 8

Schraubenbruch bei Rahmen Typ 1 Screw rupture on frame corners type 1

Bild 9

reichten noch 82,5 % der Werte aus den Kurzzeitversuchen. Ein weiterer Grund für die geringere Bruchlast war die während der Langzeitbelastung erfolgte Kriechverformung an der Innenecke, wodurch der innere Hebelarm zwischen Zug- und Druckkräften in der Gehrungsfuge reduziert und dementsprechend diese Kräfte vergrößert wurden. Die ermittelten Resttragfähigkeiten bieten eine gute Abschätzung der Dauerfestigkeiten der biegesteifen Rahmenecken, da durch das gewählte Belastungsniveau ein Großteil der während der üblichen Lebensdauer eines Bauwerks auftretenden Lasten und zugehörigen Schädigungsvorgänge in den Verbindungen bereits während der Versuchslaufzeit vorweggenommen wurde.

Zusammenfassung und Ausblick

Mit selbstbohrenden Vollgewindeschrauben lassen sich leistungsfähige und einfach zu fügende Verbindungen im Ingenieurholzbau herstellen. Am Lehrstuhl für Tragkon-

Tab. 2

Verbundversagen bei Rahmen Typ 2 Bond failure on frame corners type 2

struktionen wurden biegesteife Rahmenecken für positive und negative Biegemomente entwickelt, die als ebener Gehrungsstoß mit Vollgewindeschrauben und Gewindestangen gefügt werden. Im Kurzzeitversuch erreichten die geschraubten Eckverbindungen hohe Bruchlasten, die deutlich über den rechnerischen Tragfähigkeiten konventioneller Fügungen mit Keilzinkenstoß oder Stabdübelkranz lagen. Die Leistungsfähigkeit der Rahmenecken unter Dauerlast konnte durch Langzeitversuche im Außenklima der Nutzungsklasse 2 über einen Zeitraum von zwei Jahren mit anschließender Ermittlung der Resttragfähigkeiten verifiziert werden. Die Abnahme der Tragfähigkeit bezogen auf die Kurzzeitversuche lag zwischen 0 % und 17,5 % in Abhängigkeit vom Ausnutzungsgrad des Holzquerschnitts und der gewählten Schraubenkonfiguration. Aufgrund des relativ hoch angesetzten Belastungsniveaus traten während der Langzeitversuche Kriechverformungen auf, die über den Rechenwerten der aktuellen Holzbaunormung liegen. Besonders zum Kriechverhalten der eingesetzten Vollgewindeschrauben und Gewindestangen sind weitergehende Untersuchungen sinnvoll, um ihr Langzeitverhalten beim Einsatz als

Konfiguration und Belastung der biegesteifen Rahmenecken im Langzeitversuch sowie Vergleich der Bruchlasten Configuration and load type of the rigid frame corners in long-term testing and comparison of the breaking loads

Typ 1a

Typ 1b

Typ 1c

Typ 2

Zugschrauben

2×4∅8

2×8∅8

FW- und Querbewehrung

Nein

Dauerlast Fperm

Veränderlich

Konstant

Verhältnis Fperm / Fu,kurz

39,7 – 51,0 %

39,7 %

54,6 %

mittlere Bruchlast Kurzzeit Fu,kurz

42,73 kN

64,08 kN

mittlere Bruchlast Langzeit Fu,lang

42,68 kN

39,30 kN

39,70 kN

52,88 kN

Verhältnis Fu,kurz / Fu,lang

~100 %

92,0 %

92,9 %

82,5 %

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

hochbelastete Verbindungs- und Verstärkungselemente rechnerisch genauer zu erfassen. Die entwickelten Rahmenecken zeigen das hohe Potenzial der Fügetechnik mit selbstbohrenden Vollgewinde-

schrauben und Gewindestangen, dem Ingenieurholzbau durch effiziente und einfach herzustellende Verbindungen und schlanke Tragwerke ein größeres Anwendungsfeld zu erschließen.

Literatur [1] WIEGAND, T.: Entwicklung eines Rechenverfahrens für keilgezinkte Rahmenecken und Biegeträger ohne und mit Zwischenstück aus Brettschichtholz oder Holzwerkstoffplatten. Dissertation, Fachbereich Bauingenieurwesen der Bergischen Universität Wuppertal, 2003. [2] AICHER, S.: Geklebte Vollstöße großformatiger Brettschichtholzträger. 17. Internationales Holzbau-Forum (IHF 2011), Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2011. [3] LIPPERT, P.: Rahmenecken aus Holz mit eingeklebten Gewindestangen. Dissertation, Institut für Konstruktion und Entwurf der Universität Stuttgart, 2002. [4] BATHON, L.; et al.: Holz-Stahl-Klebeverbindungen mit Flachkörpern – Entwicklungen und Anwendungen. 15. Internationales Holzbau-Forum (IHF 2009), Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2009. [5] BLASS, H. J.; et al.: Tragfähigkeit von Verbindungen mit selbstbohrenden Holzschrauben mit Vollgewinde. Band 4 der Karlsruher Berichte zum Ingenieurholzbau, Karlsruhe: Universitätsverlag Karlsruhe, 2006. [6] F RESE, M.; et al.: Modelle für die Berechnung der Ausziehtragfähigkeit von selbstbohrenden Holzschrauben. European Journal of Wood and Wood Products 68 (2010), H. 4, S. 373–384. [7] P IRNBACHER, G.; SCHICKHOFER, G.: Base Parameters of self-tapping screws. Proceedings of CIB-W18, Dübendorf, Schweiz, 2009, S. 42-7-1. [8] TRAUTZ, M.; KOJ, C.: Mit Schrauben Bewehren. Bautechnik 85 (2008), H. 3, S. 190–196. [9] TRAUTZ, M.; KOJ, C.: Mit Schrauben Bewehren – Neue Ergebnisse. Bautechnik 86 (2009), H. 4, S. 228–238. [10] GRESSEL, P.: Kriechen von Holz und Holzwerkstoffen. Bauen mit Holz 86 (1984), S. 216–223. [11] LIU, T.: Creep of wood under a large span of loads in constant and varying environments. Part 1: Experimental observations and analysis. Holz als Roh- und Werkstoff 51 (1993), S. 400–405. [12] MORLIER, P. (Hg.): Creep in Timber Structures: Report of RILEM Technical Committee 112-TSC. London: E & FN Spon, 1994.

[13] MOORKAMP, W.: Zum Kriechverhalten hölzerner Biegeträger und Druckstäbe im Wechselklima. Fortschritt-Berichte VDI Reihe 4 Nr. 185, Düsseldorf: VDI Verlag, 2002. [14] BETHE, E.: Festigkeitseigenschaften von Bauholz bei Lagerung im Wechselklima unter gleichzeitiger mechanischer Belastung. Holz als Roh- und Werkstoff 27 (1969), S. 291– 303. [15] HANHIJÄRVI, A.; et al.: Duration of load behaviour of different sized straight timber beams subjected to bending in variable climate. Holz als Roh- und Werkstoff 56 (1998), S. 285–293. [16] REYER, E.; BRETLÄNDER, T.: Deformationsverhalten mechanischer Holzverbindungen unter Langzeitbelastung mit unterschiedlichen Holzausgangsfeuchten. Schriftenreihe des Lehrstuhls für Baukonstruktionen, Ingenieurholzbau und Bauphysik der Ruhr-Universität Bochum, Band 12, Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 1995.

Autoren Univ.-Prof Dr.-Ing. Martin Trautz Dipl.-Ing. Christoph Koj Lehrstuhl für Tragkonstruktionen RWTH Aachen Schinkelstraße 1 52062 Aachen trautz@trako.arch.rwth-aachen.de Projektbeteiligte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Raupach Dipl.-Ing. Günther Rößler Institut für Bauforschung der RWTH Aachen Schinkelstraße 3 52062 Aachen Dipl.-Ing. Micha Hochstrate SPAX® International GmbH & Co. KG Kölner Straße 71–77 58256 Ennepetal

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

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C. Koj, M. Trautz: Self-tapping screws as connectors and reinforcements – long-term tests on rigid frame corners in exterior climatic conditions

DOI: 10.1002 / bate.201300076

Jörg Wehsener, Tom-Egmont Werner, Andreas Heiduschke, Jens Hartig, Peer Haller

BERICHT

Glasfaserverstärkte Holzrohre für Kleinwindkraftanlagen In diesem Bericht werden Kleinwindkraftanlagen mit Schäften aus Holzrohren und einer äußeren Bewehrung aus glasfaserverstärktem Kunststoff vorgestellt. Zum Antrieb der Generatoren kommen jeweils sich um die Vertikalachse drehende Darrieus-Rotoren zum Einsatz. Das erste Ausführungsbeispiel besitzt einen konischen Schaft aus verleimten Vollholzsegmenten mit einer Höhe von 7,7 m. An diesem Anlagentyp experimentell gewonnene Daten zum Schwingverhalten werden kurz vorgestellt. Als zweites Ausführungsbeispiel wird eine Windkraftanlage mit einem Schaft, bestehend aus einem Bündel von drei Formholzrohren, die über Stahlschellen verbunden sind, beschrieben. Die Höhe des Rohrbündels beträgt 9 m. Beide Anlagentypen ließen sich durch das geringe Eigengewicht des Schafts leicht montieren und verrichten seit ihrer Montage zuverlässig ihren Dienst. Vorteilhaft für die Lebensdauer der Anlagen sind der Witterungsschutz des Holzes durch die äußere Faserbewehrung und die hohe Schwingfestigkeit. Die gute Materialdämpfung des Holzes reduziert gegenüber vergleichbaren Konstruktionen aus Stahl die Geräuschentwicklung und die Ermüdung durch starke Schwingungen in den aufgesetzten Maschinenteilen.

Glass fiber reinforced wooden tubes for small-sized wind power plants In this report, small-sized wind power plants with towers of wooden tubes and an outer reinforcement of glass fiber reinforced plastic are presented. The power for the generator is produced by vertical axis Darrieus rotors. The first example of application has a shaft of glued laminated solid wood segments. The height is 7.7 m. Experimentally determined data on the vibration behavior of this construction is briefly presented. As a second example of application, a wind power plant with a shaft consisting of a bundle of three moulded wooden tubes, which are connected by steel clamps, are described. The height of the bundle of tubes is 9 m. Both constructions could be assembled easily because of the low deadweight of the shaft and are reliably in service since. The outer coating with fiber reinforced plastic and the high vibration resistance are advantageous for the endurance of the facility. The good material damping of the wood reduces the noise emission and the fatigue of the machine parts due to heavy vibrations compared to similar constructions made of steel.

Keywords Windkraftanlage; Holz; Formholz; Holzrohr; Kunststoff, faserverstärkter; Darrieus-Rotor; Dynamik

Keywords wind power plant; timber; molded wood; wooden tube; fibre reinforced plastic; Darrieus rotor; dynamics

gestellt werden. Neben großen Windkraftanlagen von mehr als 100 m Höhe im On- und Off-Shore-Bereich können auch kleine, dezentrale WKA einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung gerade in abgelegenen Gebieten liefern. Für den letztgenannten Bereich hat das Institut für Stahl- und Holzbau der TU Dresden in den vergangenen Jahren in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Wirtschaft neuartige Entwicklungen hervorgebracht, die in diesem Bericht zusammengefasst werden.

Einleitung

Über viele Jahrhunderte war Holz das Baumaterial zur Nutzung von Windenergie [1], wie sich am Beispiel historischer Windmühlen leicht belegen lässt. Im Zuge der Energiewende und der Forderung nach Nachhaltigkeit wird der energetischen Nutzung der Windenergie politisch ein großer Stellenwert eingeräumt. Im Sinne von Nachhaltigkeit ist Holz der Baustoff schlechthin. Zudem weist er einige vorteilhafte Eigenschaften auf, wie hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit, geringe elektrische Leitfähigkeit, hohe Dauerschwingfestigkeit und gute Materialdämpfung, die sich schonend auf die energieerzeugenden Rotoren und Generatoren auswirken sowie Geräuschemissionen in der Umwelt verringern. Diese Vorzüge spiegeln sich derzeit jedoch nur in sehr geringem Umfang bei der Erstellung von Windkraftanlagen (WKA) wider, die, abgesehen vom Prototypen des sog. Timbertowers [2], hauptsächlich aus Stahl und Beton her46

Ein Beispiel ist eine WKA mit einem konischen, aus einzelnen Segmenten verleimten, faserverstärkten Holzrohr als Mast (7,7 m Höhe), der einen Vertikalrotor trägt und seit 2010 im Dienst ist. Des Weiteren wird eine zu Beginn des Jahres 2013 fertiggestellte WKA mit einer Gesamthöhe von ca. 15 m vorgestellt, in die ein Bündel von drei Formholzrohren mit einer Länge von 9 m integriert ist. Die Formholztechnologie, die die Biegeumformung ebener Platten zu Hohlprofilen ermöglicht, wurde bereits in [3] vorgestellt.

Ausgeführte Windkraftanlagen

2.1

Allgemeines

Für Klein-WKA kommen aufgrund des guten Erscheinungsbilds und eines relativ geringen Platzbedarfs häufig vertikale Darrieus-Rotoren zum Einsatz. Verglichen mit horizontalen Rotoren erfahren diese jedoch stärkere Beanspruchungen durch wechselnde Windrichtungen, sodass sowohl der Mast als auch der Rotor und Stromerzeuger durch Schwingungen belastet werden. Es ist bekannt, dass Holz eine im Vergleich zu Stahl höhere Materialdämpfung, geringere Kerbempfindlichkeit, höhere Dauerschwingfestigkeit und im Ergebnis geringere Materialermüdung besitzt, was sich positiv auf die Lebensdauer der Bauteile auswirkt. Es ist daher folgerichtig, neben den positiven ökologischen Aspekten, unter technischen Gesichtspunkten zumindest Masten aus Holz weiterzuentwickeln. Dabei erweisen sich Hohlprofile als vorteilhaft, da sie einerseits gegenüber Vollquerschnitten materialeffizienter hinsichtlich des Lastfalls Biegung durch Wind sind und andererseits im Inneren Raum für die elektrischen Installationen bieten. Zwei Varianten zur Herstellung von Holzmasten für WKA mit Hohlquerschnitten werden im Folgenden vorgestellt.

2.2

Windkraftanlage mit Mast aus verleimten Segmenten

Bild 1

Windkraftanlage mit segmentverleimtem Holzmast; aus [4] Wind power plant with timber pole of glued laminated segments; from [4]

2.2.1 Beschreibung der Konstruktion Der Prototyp der ersten vorgestellten Variante wurde in den Jahren 2008 bis 2009 auf einem Testfeld in Cuxhaven aufgestellt und betrieben (Bild 1). Seit 2010 steht diese WKA auf einem Privatgelände in Wremen [4]. Eine nahezu baugleiche WKA wurde 2010 auf einem Firmengelände in Chemnitz nahe der Bundesautobahn 72 an der Anschlussstelle Chemnitz-Süd aufgestellt. Der Mast hat einen Ringquerschnitt, der aus zwölf Segmenten zusammengesetzt ist und eine Wandstärke von 8 cm aufweist. Die aus Brettschichtholz gefrästen Segmente haben einen trapezförmigen Querschnitt und verjüngen sich mit 1,7° zur Vertikalrichtung. Die Lagesicherung der Segmente erfolgt durch Nut-Feder-Verbindungen. Für die Verleimung, bei der die Form temporär durch Spanngurte gesichert wurde (Bild 2a), wurde ein Resorzinharz verwendet. Der Außendurchmesser des Rohres beträgt am Fußpunkt 69 cm und am Kopfpunkt 23 cm. Die Höhe des Mastes ist 7,7 m. Um den Mast zu verstärken und eine ausreichende Dauerhaftigkeit des Holzes unter freier Bewitterung bei Wahrung der Holzsichtigkeit sicherzustellen, wurde der Holzmast durch Glasfaserkunststoff (GFK) mit Epoxidharzmatrix umlaufend laminiert und mit einem UV-beständigen Schutzlack versehen. Es wurden zwei bidirektionale Gewebe mit einem Flächengewicht von 610 g/m2 und ein Kurzfaservlies mit einem Flächengewicht von

225 g/m2 verwendet. Die Gewebe wurden mit einer ±45°Orientierung, bezogen auf die Achse des Mastes, angeordnet, um die geringe Schub- und Torsionssteifigkeit des Holzes zu kompensieren. Der Faservolumengehalt beträgt ca. 30 %. Aufgrund der Schutzfunktion der Bewehrungsschicht kann der Mast in die Nutzungsklasse 2 nach [5] eingestuft werden. Im Fuß- und Kopfbereich des Mastes müssen Biege- und Torsionsmomente sowie Schubkräfte in Kombination mit Normalkräften übertragen werden können. Der Maschinenteil der Anlage wurde am Mastkopf durch ein aufgeschobenes Stahlrohr (∅ 244,5 × 5 mm) mit aufgeschweißter Kopfplatte und 45 Schrauben 8 × 60 mm befestigt. Am Fußpunkt wurde der Mast durch zwölf parallel zur Holzfaserrichtung eingeklebte Gewindestangen (Bild 2b) mit einer Fußplatte aus Stahl verschraubt, die auch der Verbindung mit dem Stahlbetonfundament dient. Zusätzlich wurde auf die Fußplatte ein Stahlrohr geschweißt, welches weitere Möglichkeiten zur Verschraubung bietet. Bei der WKA in Chemnitz wurde ausschließlich diese Variante zur Kraftübertragung genutzt, während die eingeklebten Gewindestangen entfielen. Die mechanischen Verbindungsmittel werden lediglich zur Zugkraftübertragung herangezogen. Druckkräfte werden über Kontakt zwischen Stahl und Holz übertragen. Das Stahlrohr nimmt die Schubkräfte aus Querkraft auf und überträgt sie in das Fundament. Bautechnik 91 (2014), Heft 1

BERICHT REPORT

J. Wehsener, T.-E. Werner, A. Heiduschke, J. Hartig, P. Haller: Glass fiber reinforced wooden tubes for small-sized wind power plants

J. Wehsener, T.-E. Werner, A. Heiduschke, J. Hartig, P. Haller: Glasfaserverstärkte Holzrohre für Kleinwindkraftanlagen

Herstellung des segmentverleimten Mastes bei HESS Timber in Kleinheubach; a) Verleimung der Segmente, b) Eingeleimte Gewindestangen und Harzimprägnierung am Fußpunkt; aus [4] Manufacturing of the pole with glued laminated segments; a) Glueing of the segments, b) Glued-in thread rods and resin impregnation at the base; from [4]

Die Masse des Rotors beträgt 140 kg, die des Mastes einschließlich der Endplatten etwa 380 kg. Das geringe Gewicht erleichtert Transport und Montage. Der Rotor hat eine Höhe und einen Durchmesser von 1,9 m und erzeugt eine Leistung von 1 kW.

2.2.2 Experimentelle Untersuchungen Das dynamische Verhalten der WKA wurde in verschiedenen Tests untersucht. Beispielhaft wird im Folgenden das Verhalten im Anfahrts-, Arbeits- und Abbremsbereich gezeigt. Weitere Untersuchungen sind in [4] aufgeführt. Die Systemantwort des Mastes wurde mit einem biaxialen Beschleunigungsaufnehmer aufgezeichnet, der sich 0,3 m unter dem Rotor befand. Zunächst wurde die Anlage lastfrei hochgefahren und nach Erreichen einer Drehzahl von ca. 240 U/min für ca. eine Minute betrieben. Anschließend wurde die Anlage bis zum Stillstand abgebremst und das Ausschwingen der Konstruktion erfasst. Das Beschleunigungs-Zeit-Diagramm für die beiden Sensorrichtungen in der horizontalen Ebene ist in Bild 3 zu erkennen. Es ist zu sehen, dass beim Hochfahren der Resonanzbereich des Rotors durchlaufen wird. Aus der Integration der Beschleunigungen ergibt sich eine tolerierbare maximale Auslenkung des Mastes von ca. 5 mm. Im Arbeitsbereich sind die Beschleunigungsamplituden und damit auch die Auslenkungen klein. Beim Abbremsen steigen sie wieder, bleiben jedoch wesentlich unter dem Niveau beim Anfahren. Um Resonanz zu vermeiden, sollte die erste Eigenfrequenz des Systems etwa 10 % über der max. Erregerfrequenz von 5 Hz, also bei 5,5 Hz liegen. In diese Betrachtung müssen auch die Anregungsfrequenzen der Rotorblätter usw. einbezogen werden, die im vorliegenden Fall geringer waren. Das bedeutet, dass beim Hochfahren der 48

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Arbeitsbereich 150 - 240 u/min (2,5 - 4 Hz)

Anfahren Resonanz 100 u/min (1,7 Hz)

Beschleunigung [m/s²]

Bild 2

Abbremsen

4 2 0 -2 Beschleunigung x-Richtung

-4

Beschleunigung y-Richtung -6

Bild 3

30 Zeit [s]

Dynamisches Verhalten der Windkraftanlage mit segmentverleimtem Holzmast; aus [4] Dynamic behaviour of the wind power plant with timber pole of glued laminated segments; from [4]

Anlage die erste Eigenfrequenz möglichst schnell durchfahren werden muss. Die Erregerfrequenzen im Arbeitsbereich müssen dann so eingestellt werden, dass keine Resonanz auftritt. Man spricht auch von einer Soft/StiffAuslegung der Anlage.

2.3

Windkraftanlage mit Mast aus Formholzrohrbündel

Das zweite Anwendungsbeispiel ist eine Windkraftanlage mit einem Schaft aus einem Bündel von Formholzrohren (Bild 4). Die Anlage befindet sich auf einem Firmengelände an der sächsischen Staatsstraße S 242 zwischen Cossen und Burgstädt. Das Verfahren zur Herstellung und mechanische Eigenschaften von Formholzrohren mit und ohne äußere Faserverstärkung wurden bereits in [3] beschrieben. Kurz zusammengefasst ist die Formholztechnologie ein Bie-

geumformungsverfahren, bei dem plastische Verformungsreserven von zuvor quer zur Faser verdichtetem Holz genutzt werden. Damit ist es möglich, aus verdichteten Massivholzplatten Hohlquerschnitte wie z. B. Rohre zu fertigen. Diese weisen bei gleichem Materialeinsatz ein größeres Flächenträgheitsmoment als entsprechende Vollquerschnitte auf. Der Schaft der Windkraftanlage hat eine Höhe von 9 m und ist auf einem Stahlfuß befestigt, sodass sich eine Rotorhöhe von ca. 15 m ergibt. Das statisch notwendige Trägheitsmoment für den Lastfall Wind konnte mit den derzeit maximal aus Formholz verfügbaren Rohrdurchmessern von 30 cm nicht erreicht werden. Daher wurden drei Rohre zu einem Bündel zusammengefasst. Die Rohre haben einen Durchmesser von 30 cm bei einer Wandstärke von 2 cm. Ein jedes ist aus sechs Teilstücken von 1,5 m Länge zusammengesetzt und an den Längsstößen mit einem 3 cm dicken, innen liegenden glasfaserbewehrten Holzring der Länge 40 cm verstärkt. Auf der Außenseite sind die Rohre ebenfalls mit einer glasfaserbewehrten Kunststoffschicht aus Polyesterharz verstärkt. Die Verstärkung besteht aus einem gewickelten Glasfasergewebe mit 0°/90°-Orientierung und einem Flächengewicht von 1 000 g/m_ sowie einem Kurzfaservlies. Als Witterungsschutz wurden ein Topcoat und ein Farbanstrich aufgebracht. Die Bewehrung ist über jeweils zwei Rohrstücke durchgehend und hat aus mechanischer Sicht die Aufgabe der Übertragung der Zugkräfte aus Biegung und der Torsionskräfte am Stoß. Die Druckkräfte werden am Stoß durch Kontakt übertragen, die Querkräfte durch die innen liegenden Verstärkungsringe. In den Drittelspunkten sind die Rohrstücke durch Stahlschellen gekoppelt und geklemmt (Bild 5a). Die dauerhafte Verbindung zwischen Stahl und Holz erfolgt durch vorgebohrte Schrauben mit einem Durchmesser von 5 mm. Die Stahlschellen übertragen die durch Biegung verursachten Zugkräfte am Stoß. Zusätzlich leisten sie dort einen Beitrag zur Abtragung von Druck, Querkraft und Torsion. Des Weiteren übertragen die Schellen Schubkräfte zwischen den Rohren und sorgen damit für eine Vergrößerung des Flächenträgheitsmoments des Bündels gegenüber den drei einzelnen Rohren. Da die tatsächliche Schubsteifigkeit jedoch schwer abzuschätzen ist, wurde diese auf der sicheren Seite liegend bei der Bemessung nicht berücksichtigt. Am Kopfpunkt ist eine weitere Stahlschelle angebracht, die zudem die Grundplatte für die Befestigung des Rotors trägt und Schubkräfte zwischen den Rohren überträgt. Der verwendete Generator mit Darrieus-Rotor hat eine Leistung von 1 kW. Dem gewählten Verbindungskonzept folgend sind die Rohre am Fußpunkt in Stahlhülsen eingelassen, die mit der Stahlunterkonstruktion verbunden sind (Bild 5b). Die Verbindung der Rohre mit den Hülsen erfolgt wieder durch Verschraubung und Klemmung.

Bild 4

Windkraftanlage mit Formholzrohrbündel Wind power plant with a bundle of moulded wooden tubes

Weitere Details zu dieser Windkraftanlage sind in [6] veröffentlicht. Dynamische Untersuchungen an dieser WKA sind ebenfalls vorgesehen, stehen jedoch noch aus. Eine Revisionsprüfung nach zehn Monaten ergab keinerlei sichtbare Schäden an der Konstruktion.

Zusammenfassung

Die vorgestellten Windkraftanlagen sind wichtige Schritte für die breitere Verwendung von Holz im Allgemeinen und Formholz im Besonderen in hochbeanspruchten technischen Tragwerken. Für das Formholz ist es sogar die erste praktische Anwendung im technischen Bereich. Abgesehen von den ökologischen Vorzügen spielt Holz seine Vorteile gegenüber den Baustoffen Beton und Stahl vielfach aus. So erleichtert das geringe Eigengewicht der Konstruktion den Transport und die Montage und verursacht geringere Lasten in nachgeordneten Bauteilen. Auch die dynamischen Eigenschaften prädestinieren Holz für die Verwendung in Windkraftanlagen. Es besitzt eine hohe Dauerschwingfestigkeit und die gute Materialdämpfung ist insbesondere vorteilhaft für die angeschlossenen Generatoren und Rotoren, die dadurch geringeren Belastungen ausgesetzt sind, und für geringe Geräuschemissionen der Anlagen. Die größten Schwächen des Holzes, die geringe Dauerhaftigkeit bei direkter Bewitterung und die geringen Festigkeiten bei Querzug- und Torsionsbelastung, können wirkungsvoll durch eine vergleichsweise geringe Faserbewehrung kompensiert werden. In diesem Sinne ist die Faserverstärkung bereits multifunktional; sie verstärkt und schützt. Der Funktionsumfang kann mit der Integration Bautechnik 91 (2014), Heft 1

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J. Wehsener, T.-E. Werner, A. Heiduschke, J. Hartig, P. Haller: Glass fiber reinforced wooden tubes for small-sized wind power plants

J. Wehsener, T.-E. Werner, A. Heiduschke, J. Hartig, P. Haller: Glasfaserverstärkte Holzrohre für Kleinwindkraftanlagen

Bild 5

Details der Windkraftanlage mit Formholzrohrbündel; a) Verbindungsschelle (unverschraubt); b) Stahlhülse am Fußpunkt Details of the wind power plant with a bundle of moulded wooden tubes; a) Connection clamp (not screwed), b) Steel bush at the base

von Sensorfasern für ein Structural-Health-Monitoring weiter gesteigert werden. Dies ist jedoch noch Gegenstand der Forschung. Es gilt daher nun, die Weiterentwicklung voranzutreiben. Hinsichtlich der Formholztechnologie betrifft dies besonders die Vergrößerung der produzierbaren Querschnitte und Längen. Neben einfachen stabförmigen Masten bieten sich die stabförmigen Rohre auch für die Herstellung von Gittermasten an, mit denen wohl wesentlich größere Höhen erreicht werden können. Dafür sind Verbindungen zu entwickeln.

Literatur [1] GASCH, R.; TWELE, R.: Windkraftanlagen – Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb. 7. Aufl., Wiesbaden: Vieweg + Teubner, 2011. [2] KRAWCZYK, N.: Timbertower erklimmt sein Ziel – Erste Windkraftanlage mit Holzturm hatte langwierige Umsetzungsphase. Holzzentralblatt (2013), H. 42, S. 1 072. [3] HALLER, P.; P UTZGER, R.; WEHSENER, J.; HARTIG, J.: Formholzrohre – Stand der Forschung und Anwendungen. Bautechnik 90 (2013), H. 1, S. 34-41. [4] HALLER, P.; et al.: Hochleistungsholztragwerke – HHT – Entwicklung von hochbelastbaren Verbundbauweisen im Holzbau mit faserverstärkten Kunststoffen, technischen Textilien und Formpressholz: Abschlussbericht zum BMBFForschungsvorhaben 0330722A-C. Dresden: Institut für Stahl- und Holzbau, Technische Universität Dresden u.a., 2011. [5] Deutsches Institut für Normung e.V.: DIN EN 1995:201012 – Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten. Berlin: Beuth Verlag, 2010. [6] WEHSENER, J.; WERNER, T.-E.; HARTIG, J.; HALLER, P.: Advancements for the structural application of fiber-reinforced moulded wooden tubes. In: Aicher, S.; Reinhardt, H.W.; Garrecht, H.: Tagungsband zur “RILEM Conference Materials and Joints in Timber Structures – Recent Advancement of Technology”, 2013 (zur Veröffentlichung angenommen).

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Dank

Die Autoren bedanken sich bei den Fördermittelgebern, u. a. dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF-Forschungsvorhaben 0330722A-C) und dem Bundesministerium für Wirtschaft (BMWi-Forschungsvorhaben KF2132401WZ8) für die Finanzierung der vorgestellten Untersuchungen. Des Weiteren gilt der Dank den Partnern aus der Industrie, insbesondere der Hess Timber GmbH & Co. KG Kleinheubach und der STM Montage GmbH Lunzenau für Ihre Unterstützung.

Autoren Dipl.-Ing. Jörg Wehsener Technische Universität Dresden Institut für Stahl- und Holzbau 01062 Dresden jörg.wehsener@tu-dresden.de

Dipl.-Ing. Tom-Egmont Werner STM Montage GmbH Cossener Str. 2 09238 Lunzenau STM-Montage@t-online.de Dr.-Ing. Andreas Heiduschke HESS Timber GmbH & Co. KG Am Hundsrück 2 63924 Kleinheubach andreas.heiduschke@hess-timber.com Dr.-Ing. Jens Hartig Technische Universität Dresden Institut für Stahl- und Holzbau 01062 Dresden jens.hartig@tu-dresden.de Prof. Dr.-Ing. Peer Haller Technische Universität Dresden Institut für Stahl- und Holzbau 01062 Dresden peer.haller@tu-dresden.de

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BERICHT

Wolfram Kübler

Das neue Elefantenhaus im Zoo Zürich Integriert in einen Landschaftspark soll das neue Elefantenhaus im Zoo Zürich nicht als technischer Zweckbau erscheinen. Das Schalentragwerk wurde mittels statischer Formfindung entwickelt. Die Holzkonstruktion besteht aus mehrlagigem Aufbau, damit die Materialeigenschaften Anisotropie sowie Festigkeits- und Steifigkeitsverhalten in Abhängigkeit vom Kraftfaserwinkel egalisiert werden und eine duktile und robuste Konstruktion entsteht. Obwohl die 271 geometrisch völlig unterschiedlichen und spitzwinkligen Oblichter mit bis zu 40 m2 Größe keine Regelmäßigkeit vermuten lassen, kann die Konstruktion auf zwei Regelschnitte reduziert werden.

The new elephant house at Zoo Zurich Integrated into a landscape park the new elephant house at the zoo in Zurich should not appear as a technical and functional building. The shell structure was developed by means of static form-finding. The timber structure consists of a multilayer composite structure, so that the material properties, anisotropy, strength and stiffness-solubility behavior are leveled independent from the strength-fiber angle and a ductile and sturdy construction is developed. Although the 271 geometrically completely different and acute-angled skylights with up to 40 m2 size suggest any regularity, the construction can be reduced to two control sections.

Keywords Formfindung; Verbund, nachgiebiger; Schalentragwerk; Ingenieurholzbau

Keywords form-finding; yielding composite construction; shell structure; structural engineering with timber

lingt, wurde 2008 ein internationaler Planungswettbewerb ausgeschrieben, um eine Anlage zu schaffen, die die Bedürfnisse der Elefanten in den Vordergrund stellt und in der ihnen ihre artspezifischen Verhaltensweisen ermöglicht werden.

Nutzungsanforderungen

Im Rahmen eines offenen internationalen Architekturwettbewerbs wurden über 50 Projekte eingereicht. Die Vorgaben für die Elefantenhaltung umfassten im klima-

Foto: Lorenz Engster Landschaftsarchitekten

Elefanten sind in der Wildnis durch uns Menschen stark bedroht. Mit dem neuen Kaeng Krachan Elefantenpark will sich der Zoo Zürich [1] für ihre Erhaltung einsetzen, indem er seine Besucher für die Elefanten begeistert, sie für den Schutz in der Wildnis sensibilisiert und so mithilft, dass die Elefanten langfristig die Wälder Thailands durchstreifen können. Damit diese Sensibilisierung ge-

Bild 1

Überblick Overview

BERICHT REPORT

DOI: 10.1002 / bate.201430028

Foto: Walt + Galmarini

W. Kübler: Das neue Elefantenhaus im Zoo Zürich

Bild 2

Außenanlage mit Halle im Hintergrund Outdoor facilities with hall in background

tisch bedingt großen Innenbereich zwei landschaftlich gestaltete Anlagen für Kühe sowie – für die Besucher nicht einsehbar – zwei Anlagen für Bullen, eine Quarantänestation und je einen Managementbereich für Kühe und Bullen. Ein Badebecken mit einer 2.5 × 7 m2 großen Acrylscheibe soll dem Besucher zudem einen Unterwassereinblick ermöglichen. Im Außenbereich waren drei Anlagen vorgegeben.

Bild 3

Die Haltung der Elefanten ist mit den neuen Stallungen im protected contact (Pfleger arbeiten nur getrennt durch Sicherheitsvorkehrungen mit Elefanten) möglich. Die Tiere sollen selbst zwischen Innen- und Außenanlagen wechseln können, was das Entdecken der Tiere in der weitläufigen Anlage noch spannender werden lässt.

3 Die neue Anlage ist für ein bis zwei Bullen und vier adulte Weibchen mit ihrem Nachwuchs konzipiert. Soweit möglich, sollen die Tiere frei wählen können, ob sie sich auf der Innen- oder Außenanlage aufhalten möchten. Bei allen größeren Neubauprojekten versucht der Zoo Zürich, eine Verbindung der ex-situ-Haltung im Zoo mit einem in-situ-Projekt im Verbreitungsgebiet der betreffenden Art herzustellen. Bei den asiatischen Elefanten wurde eine Partnerschaft mit einem von der Wildlife Conservation Society (WCS) betreuten Projekt im thailändischen Nationalpark Kaeng Krachan eingegangen. Im Mai 2011 fand der Spatenstich für den Kaeng Krachan Elefantenpark statt. Der Bezugstermin ist für Anfang 2014, die Eröffnung für Frühjahr 2014 vorgesehen.

Konzept der Anlage

Die Gesamtkonzeption von Landschaft und Architektur baut wesentlich auf dem Wechselspiel von Licht und Schatten auf. Beim Durchwandern des Waldstückes wird an bestimmten Stellen von Haupt- und Nebenwegen aus der Blick auf die Außengehege und die Dachschale des Hauses freigegeben. Die Betrachter stehen jeweils im dichten Schatten von Gehölzen und blicken auf die sonnige Lichtung, die als ausgetrocknetes Flussbett gestaltet wurde. Die Abfolge von Vegetationsthemen in Anlehnung an thailändische Vegetationsbilder setzt sich im Innern des Elefantenhauses fort und soll den Besucher die Grenzen zwischen Außen und Innen vergessen lassen. 52

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Innenanlage am Entstehen Indoor facilities under construction

Gelochte Freiformschale als Blätterdach

Das Dach duckt sich als flache, freigeformte Holzschale in die Landschaft und nimmt sich auf diese Weise dezent zurück. Es wirkt nicht als geschlossene Oberfläche, sondern löst sich auf in eine netzartig transparente Struktur, die in ihrer organischen Gestalt Bezüge zum umgebenden Wald herstellt. Erst im Innenraum entfaltet die Konstruktion ihre volle Wirkung: Wie durch ein Blätterdach wird das Licht durch die filigrane Dachstruktur gefiltert. Die Dachstruktur überspannt die Landschaft des Innengeheges, um das der abwechslungsreiche Besucherweg herumführt und nimmt die Besucherlodge, die Arena sowie die Stallungen auf.

Anforderungen an das Tragwerk

Nachfolgende Anforderungen wurden durch die Nutzung oder funktional an das Tragwerk gestellt: − Naturalistische Erscheinung und Integration des Daches in den Landschaftspark für Elefanten, − Flächige Untersicht mit unauffälligem Fugenbild für unbeeinträchtigte Wirkung des Öffnungsbildes (tragende Untersicht), − Nicht sichtbare Leitungsführung und damit Integration von Leitungen für Luftkissen, RWA, Pflanzenberegnung und UV-Leuchten, Sensoren, etc. mit flexibler Nachrüstbarkeit, − Für Pflanzen und Tiere ausreichender Tages- und UVLichteinfall (ca. 30–35% Öffnungen), − Verwendung von Holz aus Überlegungen der räumlichen Wirkung auf die Besucher und einer Analogie zum Blätterdach sowie wegen des geringeren Eigenge-

Foto: Walt + Galmarini

Randbedingungen für die Lastabtragung aus der Nutzung Boundary conditions for load bearing out of use

Bild 5

Gebäudeschnitt mit geologischen Schichten Building section with geological layers

Foto: Walt + Galmarini

Bild 4

wichtes im Vergleich beispielsweise zu einer Betonschale, − Wärmedämmung, bauphysikalisch robuster Aufbau, zuverlässige Wasserdichtigkeit. Wesentliche statische Anforderungen infolge der − stark variablen geologischen Verhältnisse (Fels bzw. Gehängelehm), − geometrischen Singularitäten im Kraftfluss infolge des Öffnungsbildes, − unregelmäßigen Randauflagerung des Dachrandes wurde ein duktiles und robustes Tragverhalten mit Systemreserven angestrebt. In Wechselwirkung mit der architektonischen Organisation der Nutzung und der daraus logischen Ausbildung der Glasfassade ergaben sich die für das Tragwerk zu berücksichtigenden Randbedingungen wie beispielsweise die Anordnung der vertikal abtragenden Elemente. Dabei wurde darauf geachtet, möglichst nur ohnehin erforderliche Bauteile zu verwenden wie beispielsweise die runde Außenwand des Managementbereichs als lineares Auflager. In den unterirdisch verlaufenden Medienkanal wurden Regenwasserzisternen integriert und als lokale „Dachwiderlager“ aus-

gebildet. Diese lokalen Bereiche sind in einzelne auskragende Pfeiler aufgelöst, die sich in das organisch gleichmäßig wandelnde Prinzip der Fassadenstützen eingliedern.

Schalenkonstruktion, globales Tragwerk und Widerlager

Das Projektareal liegt an einem Hang, weshalb sich das Gebäude mit seinem Untergeschoss hangseitig eingräbt und die Bodenplatte der Technikzentrale im Untergeschoss im Fels liegt, während talseitig die lokalen Widerlagerbereiche teilweise gar keinen Aushub erfordern und auf wenig tragfähigen und setzungsempfindlichen Schichten stehen. Der geometrische Verlauf des Schalenrandes definiert sich aus den „Anprall- und Angriffshöhen“ durch die Elefanten, den Sichtbezügen zwischen Innenund Außenbereichen für die Besucher, sowie der Durchfahrtshöhen von Toren. Für die eigentliche Schale als elementares Bauteil der Dachkonstruktion wurden nach einem eingehenden Variantenvergleich von in Frage kommenden Bauweisen folgende Prinzipien formuliert: Bautechnik 91 (2014), Heft 1

BERICHT REPORT

W. Kübler: The new elephant house at Zoo Zurich

Foto: Walt + Galmarini

W. Kübler: Das neue Elefantenhaus im Zoo Zürich

Bild 6

Ringbalken mit 9 bis zu 120 m langen Vorspannkabeln Ringbeam with 9 up to 120 m long tension cabels

− Einfache Herstellung mit ebenen oder geraden Standardprodukten, das Biegen in die Form erfolgt vor Ort auf der Baustelle. − Duktile und robuste Verbindungen und Knoten werden flächig über die ganze Schale eingesetzt: Schlanke stiftförmige Verbindungsmittel im Versagensmodus 3, also Ausbildung von plastischen Fließgelenken und damit Unabhängigkeit vom Holz sichergestellt. − Planmäßige Querzugbeanspruchungen (bei gekrümmt verklebten Bauteilen aus der Krümmung, Queranschlüsse, Durchbrüche, Schwinden, etc.) soll möglichst gar nicht auftreten. − Konstruktion soll sowohl mittels Handrechnung als auch im statischen FEM-Modell einfach und ohne nichtlineare Materialeffekte zuverlässig abgebildet werden können. − Keine Sonderfälle und Ausnahmen bei Anschlüssen und Knoten. − Mehrschichtiges und nachgiebig verbundenes Material soll auf Druck und Zug nahezu identische Eigenschaften haben und auch für Membranschub duktiles (Bruch-)Verhalten aufweisen und dadurch bei Singularitäten – sprich spitzen Ecken – der Oblichter – nicht aufreißen. − Ringbalken soll mit Vorspannung und Steifigkeit dafür sorgen, dass sich nicht nur wenige Bögen zwischen Widerlagern ausbilden, sondern gleichmäßig und relativ gering beanspruchter Schalenzustand über das ganze Dach mit Umlagerungspotenzial einstellt um die gewünschte Robustheit/Redundanz zu erreichen. − Widerlager stützen die Schale horizontal, können sich aber bei außergewöhnlichem Ereignis (Ankerausfall) verschieben und so den Ringbalken im Extremfall als Zugband aktivieren.

Bild 7

sowie als aussergewöhnliches Gefährdungsbild den Endzustand mit offenem Tor, das eigentlich ab einer definierten Windgeschwindigkeit planmäßig geschlossen werden muss.

6.2

(Besondere) Einwirkungen

6.1

Windkanal

Die für die statische Analyse notwendigen Windlasten wurden an einem physischen Modell im Windkanal ermittelt. Die Untersuchung beinhaltet auch Bauzustände 54

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Schneeverfrachtungen

Für die Bemessung des Schalentragwerkes massgebende asymmetrische Schneeverfrachtungen wurden ebenfalls am Modell im Windkanal ermittelt. Diese Einwirkungen sind für Stabilitätsuntersuchungen und Biegebemessung der Schale relevant.

6.3

Auftrieb

Im Projektareal des Parks ist mit einem Hangwasserspiegel auf Oberkante Terrain zu rechnen. Die Untergeschosse wurden deshalb mit Sperrriegeln und Dränageleitungen unter den Bodenplatten versehen. Bei den lokalen Widerlagerbereichen ist die Wirkung des Auftriebs zu berücksichtigen

6.4

Ankerausfall

Um die horizontalen Schubkräfte der Schale an den Tiefbereichen abzutragen, sind die talseitig angeordneten Widerlager mit vorgespannten Litzenankern in Fels zurückgebunden. Über die Lebensdauer des Gebäudes ist ein Ausfall denkbar und in der Sensitivitätsanalyse berücksichtigt.

6.5 6

Einwirkung Elefant Action elephant

Variable Steifigkeiten Ringbalken

Die effektive Biege- und Torsionssteifigkeit des Schalenrandes beeinflußt das Tragverhalten maßgeblich. Als unterer Grenzwert mit kleiner Steifigkeit kann sich keine Schalentragwirkung einstellen und es bilden sich lediglich Bögen zwischen den Widerlagern aus. Als oberer Grenzwert des vorgespannten und im Zustand I verblei-

Ebenes Lochbild Flat opening pattern

benden Betonbands, kann die Schalentragwirkung aktiviert werden, um die Robustheit zu erhöhen und Systemreserven zu mobilisieren.

6.6

Elefant

Die Anpralllast eines Elefanten wird mit dem zweifachen des Gewichts, die Zugkraft mit seinem Gewicht angenommen. Elefantenkühe können ca. 4 t, Bullen bis zu 6 t wiegen.

Formfindung

Für die statische Formfindung dient ein ebenes Lochbild mit einem Öffnungsanteil von ca. 30 % als Grundlage. Die eigentliche Formfindung, im Sinne einer elastischen Deformation in negativer Eigengewichtsrichtung, ist in diesem Fall als iterativer Prozess zu verstehen: Neben einschränkender maximaler Gebäudehöhe waren vor allem die für die Fassadenplanung zu berücksichtigenden Verformungen der Bogenbereiche zwischen den lokalen Widerlager mit auskragenden Pfeilern bestimmend. Durch Annäherung dieser Verläufe an die Stützbzw. Kettenlinien konnten die Verformungen wesentlich beeinflusst und minimiert werden. Sinn der Formfindung ist es, für ein dominierendes Gefährdungsbild ein Schalentragwerk mit nahezu biegefreien Beanspruchungszustand einzustellen.

Foto: Walt + Galmarini

Bild 8

Bild 9

Masterform für Geometriedefinition und -parametrisierung Masterform for CAD and parameterization

Gewünscht war vom Architekten eine flächige Untersicht – immerhin sind 65 % der Oberfläche des Daches geschlossen. Überlegungen zu einem Stabwerk mit geschlossener vollflächiger nichttragender Verkleidung in herkömmlicher Bauweise führen nicht zu einem befriedigenden Fugenbild. Die Untersicht sollte kein „Flickenteppich“ werden. − Schalentragwirkung durch Verwendung von großformatigen Plattenstreifen (bis zu 3.4 × 12 m2), die Abwicklungen werden über statischen Verebnungsprozess und dadurch Zuschnittspläne für ebene 3S-Platten möglich. – Die ebenen Platten werden dreilagig jeweils unter 60° verschwenkt übereinander wie ein riesiges Puzzle angeordnet, sodass jede Lage zu einem Widerlagerbereich seine Haupttragrichtung aufweist. − Unabhängigkeit der Steifigkeiten und Festigkeiten von Anisotropie und Kraft-Faserwinkel, wenn Verbindungsmittel schlank genug sind und im Versagensmodus 3 mit Fließgelenken plastisch versagen. − Duktilität und Robustheit eben durch diese schlanken stiftförmigen Verbindungsmittel. − Keine planmäßige Querzugbeanspruchung (gekrümmtes BSH, Queranschlüsse, angeschnittene Fasern, etc.). − Ebene oder gerade möglichst große Bauteile die auf der Baustelle ohne Hilfsmittel in doppelt gekrümmte Form gebogen werden können. − Möglichst wenig teuren 5-Achs-Roboterabbund. − Erforderliche Biegesteifigkeit über Fachwerkausbildung mit langen Vollgewindeschrauben als nachgiebige Verbundkonstruktion.

Holzkonstruktion

Holz ist prinzipiell als anisotroper und inhomogener Baustoff nicht naheliegend für ein echtes Schalentragwerk mit 271 Oblichtöffnungen beliebiger Geometrie. Typischerweise werden deshalb Kuppeltragwerke aus Holz als Stabwerke konstruiert. Gewählt wurde mit Mehrschichtplatten ein Werkstoff, der sich leicht bearbeiten und auf der Baustelle in die gewünschte Form bringen lässt. Warum sollte man nicht die Schalung, die es auch für eine Betonschale braucht gleich als Tragkonstruktion ausbilden?

BERICHT REPORT

W. Kübler: The new elephant house at Zoo Zurich

Bauteilversuche und Vorteile der Nachgiebigkeit

Das gewünschte Tragverhalten wurde mit einer Versuchsreihe an der EMPA in Dübendorf verifiziert und mit den Erkenntnissen das verfeinerte statische Gesamtmodell kalibriert. Das Verhalten auf Druck- und Zug ist ähnlich (bei Zug fehlt die Laststeigerung nach dem Fließbereich), die Biegesteifigkeit entspricht allerdings wegen der großen Nachgiebigkeit in den Fugen nur ca. 30 % eines vergleichbaren Querschnittes mit starrem Verbund. Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Foto: Walt + Galmarini

W. Kübler: Das neue Elefantenhaus im Zoo Zürich

Foto: Walt + Galmarini

Bild 10 Festigkeits- und Steifigkeitsverhalten von Mehrschichtplatten bei variabler Kraftfaserbeanspruchung Strength and stiffness behavior of multilayer boards at variable force fiber stress

Bild 11 Kraft-Weg-Diagramm von Druckversuch an der EMPA für einen repräsentativen Aufbau Compression test at EMPA for a representative part of the structure

Entscheidend für Stabilitätsuntersuchungen sowie die Lastweitergabe von Schicht zu Schicht in den Knotenbereichen ist die Abbildung der Federn im Gesamtmodell. Das siebenschichtige Modell wurde über Parametrisierung textbasiert so aufgebaut, dass jeder Knoten mit dem zugehörigen der nächsten Lage mit Federn gekoppelt werden konnte. Dadurch sind die im Holzbau zu berücksichtigenden Nachgiebigkeiten der Verbindungsmittel abgebildet und die reduzierte Steifigkeit bei der Schnittgrößenermittlung berücksichtigt.

Geometriedefinition, Detailstatik und Werkplanung

Bereits vor der Ausschreibung waren in das Projekt Programmierer involviert, um die Geometrie der Holzkon56

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

struktion inklusive sämtlicher Oblichtöffnungen und die Fassade nach Angabe der Ingenieure und Architekten parametrisch aufzubereiten. Folgende Vorgehensweise wurde zur Sicherstellung einer identischen Schalengeometrie vereinbart: − Grundlage für alle Prozesse war die Geometrie des statischen Formfindungsprozesses als CAD-Export des FEM-Netzes, − Dieses wurde für die parametrisierte Programmierung des Architektenmodells in Rhinozerus verwendet. − Dieses wurde wiederum als Basis für die parametrische Programmierung des siebenlagigen mit Federn nachgiebig gekoppelten verfeinerte FEM-Rechenmodell verwendet.

Foto: Walt + Galmarini Foto: Walt + Galmarini

Bild 14 Verebnete Plattenstreifen Cutting strips of timber panels

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Bild 12 Ausschnitt des siebenschichtig nachgiebigen FEM-Modells Compression test at EMPA for a representative part of the structure

Foto: Walt + Galmarini

Bild 15 Montage 3S-Platten des Schalentragwerks Placing of layer elements of shell-structure on site

Bild 13 Regelquerschnitt Main cross-section

− Sämtliche Prozesse der Bestimmung der Bauteilgeometrie und Werkplanung wurden im projizierten Grundriss entwickelt und dann in die Form des statischen Formfindungsprozesses transferiert. − Die Generierung des Zuschnittes (Verebnung) als Grundlage für die Werkplanung der 3-S-Platten erfolgte mit einem eigens entwickelten und parametrisierten

FE-Netz als statische Zwangsverformung auf eine ebene Fläche. − Der Unternehmer hat von den Planern die Zuschnitte der Platten als Zeichnung erhalten, wobei der gleiche Programmierer für den Unternehmer die Maschinenansteuerung für die Herstellung der Einzelbauteile aufbereitet. Die Bemessung von Holzwerkstoffen – hier Mehrschichtplatten aus Nadelholz – unter beliebiger Membranbeanspruchung ist derzeit nicht über Normen abgedeckt. I.d.R. werden diese Platten nur parallel, senkrecht zu ihrer Decklage oder als aussteifende Schubfelder eingesetzt bzw. bemessen. Der Interaktionsnachweis stammt aus der Literatur (bspw. [2]) und wurde um eine übersichtliche und effiziente Auswertung zu ermöglichen speziell in der verwendeten Statiksoftware programmiert.

Literatur [1] RÜBEL, A.: Elefantenpark Kaeng Krachan, Sonderheft Zoo Zürich (2013). [2] HOHL, A.: Kaeng Krachan Elefantenpark, Zoomagazin, Tr 1 (2012). [3] KREUZINGER H., SCHOLZ A.: Nachweis in Grenzzuständen der Tragfähigkeit bei Platten und Scheiben aus Holz und Holzwerkstoffen unter Spannungskombinationen, TU München (Juni 1999). [4] KÜBLER, W.: Freiformschale Elefantenpark Zoo Zürich: Statische Formfindung, Konstruktion und Realisierung,

Band II 19. Internationales Holzbau-Forum IHF 2013, forum-holzbau CH-Biel.

Autoren Dipl. Ing. (FH) Wolfram Kübler Drahtzugstrasse 18 8008 Zürich wolfram.kuebler@waltgalmarini.ch

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

BERICHT REPORT

W. Kübler: The new elephant house at Zoo Zurich

KOMMENTAR

DOI: 10.1002 / bate.201310002

Karl-Eugen Kurrer

Wissenschaft in praktischer Absicht Meilensteine der Bautechnikgeschichte

Die Tragwerkslehre als induktive bauwissenschaftliche Grundlagendisziplin 1977 erschien der erste Band von „Bauwerk – Tragwerk – Tragstruktur“ aus der Feder des Architekt OSKAR BÜTTNER und des Bauingenieurs ERHARD HAMPE (1928–1998), die beide an der damaligen Hochschule für Architektur und Bauwesen Weimar (seit 1996: Bauhaus-Universität Weimar) lehrten und forschten. Ziel der Autoren war es, das gemeinsame Anliegen des Architekturund Bauingenieurstudiums auf dem Teilgebiet der Tragwerke und Tragstrukturen herauszuarbeiten und in der Hochschullehre umzusetzen. Hier soll das erweiterte Grundkonzept von BÜTTNER und HAMPE dazu dienen, den Kommentar zum Aufsatz P OLÓNYIs [1] in zwei Richtungen zu entfalten: – Abgrenzung der Objektbereiche der Bauartwissenschaften, der konstruktionsorientierten Baustatik, der Tragwerkslehre und der Baustatik – Veranschaulichung der logischen Seite der induktiven und deduktiven Methode im Kontext dieser Disziplinen. Zum Objektbereich der konstruktionsorientierten Baustatik gehört die Gesamtheit der Tragwerke (Bild 1) wie etwa Stahlbetonschalen und Ziegelsteingewölbe. Wesentlich dabei ist, dass Tragwerke eine reale statisch-konstruktive Einheit bilden. Zum Objektbereich der Tragwerkslehre zählen neben den Tragwerken noch die Tragstrukturen, da sie nicht nur Tragwerke in ihrer materiellen Realität untersucht, sondern auch deren Modelle. Die differencia specifica von Tragwerk und Tragstruktur basiert also allgemein auf dem Unterschied von Realobjekt und Idealobjekt.

Bild 1

Begrifflich wird die Tragstruktur vom Tragwerk einerseits und dem statischen System andererseits begrenzt. Diese sandwichförmige Einbettung konstituiert die Einheit von Tragstrukturanalyse und Tragstruktursynthese, Zusammenspiel der Disziplinen und Methoden welche das Wesen der Arbeit des Tragwerksplaners ausmachen sollte und notwendige Bedingung des strukturalen Komponierens von Tragwerken ist. Während es der Baustatik als „Basiswissenschaft der Ingenieure“ [1, S. 293] um die quantitative Erfassung des Tragverhaltens von statischen Systemen geht, ist es der konstruktionsorientierten Baustatik in erster Linie um das Begreifen der Tragqualität von Tragwerken zu tun. Die konstruktionsorientierte Baustatik wirkt gleichsam als Scharnier zwischen der Baustatik und den „Bauartwissenschaften“ [1, S. 294] wie Stahlbetonbau, Stahl- und Holzbau. Demnach ist die konstruktionsorientierte Baustatik wesentlich für den Entwurf von Tragwerken und bildet die Schnittmenge der Arbeit des Architekten und des Konstruktiven Ingenieurs. © Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin. Bautechnik 91 (2014), Heft 1

KOMMENTAR

Die deduktive Methode der Baustatik Der einseitige Aufstieg vom Abstrakten zum Konkreten in der Baustatik (s. Bild 1) führt in letzter Instanz zum rechnenden Bauen. Die deduktive Methode geht von statischen Systemen aus und begreift das Bauwerk als aus statischen Systemen zusammengesetzt. STEFAN P OLÓNYI zufolge zählt die von der deduktiven Methode beherrschte STEFAN POLÓNYI gelang es erstmals, die wissenschafts- und Baustatik zur Klasse der „Wissenschaft einer erdachten erkenntnistheoretische Differenz Welt“.

Meilensteine der Bautechnikgeschichte

zwischen Tragwerkslehre und Baustatik exemplarisch So ersetzt der Rationalismus eines LEIBNIZ die philosoherauszuarbeiten. phische Frage nach der Wahrheit durch die nach der Richtigkeit. Es ist die „berechenbare Vernunft“ (SYBILLE KRÄMER) in Form des interpretationsfreien Operierens mit schriftlichen Symbolen zum Zwecke des Problemlösens, das der Infinitesimalrechnung in der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts die Rolle einer Königsdisziplin bescherte. P OLÓNYI zufolge fand das Streben der Rationalisten nach einheitlicher Theorie in der Baustatik vorerst seine Erfüllung in der Elastizitätstheorie. Bei der Applikationsphase der Baustatik (1700–1775) stand LEIBNIZ selbst Pate „nicht weil er den Naturwissenschaften, geschweige der Technik, einen Dienst erweisen wollte, sondern weil er für seine mathematische Erfindung eine Anwendung suchte“, wie P OLÓNYI 1981 treffend schrieb. In der gesamten Applikationsphase und in der Initialphase der Baustatik (1775–1825) prägte der rationalistische Imperativ LEIBNIZens das wissenschafts- und erkenntnistheoretische Selbstverständnis der werdenden Baustatik. Aus diesem Grunde entstanden die Elastizitätstheorie und die Baustatik in Kontinentaleuropa, und zwar in erster Linie in Frankreich, dem Mutterland des Rationalismus, in dem diese philosophische Richtung seit DESCARTES bis Ende des 18. Jahrhunderts eine große Rolle spielte. Aber auch in anderen kontinentaleuropäischen Ländern stieg mit dem Rationalismus der Stern der Baustatik auf. Eine solche Fundamentaltheorie stand der Baustatik in ihrer Disziplinbildungsperiode (1825–1900) in Gestalt der Elastizitätstheorie zu Gebote, die sich als wissenschaftliche Subdisziplin der mathematischen Physik im zweiten Viertel des 19. Jahrhunderts etablierte. In der Vollendungsphase der Baustatik (1875–1900) bildete sich mit der Theorie der elastischen Stabwerke die Modellwelt der ebenen statischen Systeme heraus, die über die zweite industrielle Revolution im Bauwesen (1900–1925) – deren Kern in der Durchsetzung des Stahlbetons bestand – die Baustatik beherrschte. Bild 2 gibt eine Teilmenge aus der Modellwelt der statischen Systeme an, wie sie sich in der Mitte der Konsolidierungsperiode der Baustatik (1900–1950) ausgebildet hat. Die klassische Baustatik in Gestalt der Strichstatik ermöglichte es, aus einfachen Bild 2 Modellbilder der klassischen Baustatik statischen Modellen regelgerecht komplexere statische Systeme zu synthetisieren oder umgekehrt letztere in elementare statische Modelle zu zerlegen. Am Beispiel von Hallentragwerken aus Stahlbetonfertigteilen und Stahl zeigte STEFAN P OLÓNYI, dass die Strichstatik mit ihren entmaterialisierten statischen Systemen zu Bautechnik 91 (2014), Heft 1

KOMMENTAR

K.-E. Kurrer: Wissenschaft in praktischer Absicht

einer falschen Konstruktionshaltung führt. Da ein biegesteifer Anschluss von stabartigen Bauteilen bei Stahlbetonfertigteilen sehr aufwendig ist, sollten gelenkartige Anschlüsse bevorzugt werden. Beim Übergang der Stütze in das Fundament sind biegesteife Anschlüsse durch Köcherfundamente möglich und montagetechnisch vorteilhaft. Das einfachste Rahmensystem aus Stahlbetonfertigteilen besteht daher aus zwei eingespannten Stielen mit gelenkig daran angeschlossenem Riegel (s. Bild 11 in [1, S. 294]). Das System ist einfach statisch unbestimmt. Ein solches statisches System wäre für Hallentragwerke aus Stahl völlig ungeeignet. Aus Sicht der konstruktionsorientierten Baustatik ist hier der Zweigelenkrahmen (s. Bild 12 in [1, S. 294]) ideal, lassen sich doch zum einen biegesteife Rahmenecken einfach realisieren und zum anderen die gelenkige Lagerung der Stützenfüße mit angeschweißter Fußplatte, STEFAN POLÓNYI zeigt auf, dass die die mit Ankerschrauben im Fundament befestigt sind, Strichstatik mit ihren konstruktiv befriedigend umsetzen. Auch der Zweigelenkentmaterialisierten statischen rahmen ist einfach statisch unbestimmt.

Meilensteine der Bautechnikgeschichte

KOMMENTAR

K.-E. Kurrer: Wissenschaft in praktischer Absicht

Systemen zu einer falschen Konstruktionshaltung führt.

P OLÓNYIs Beispiele lehren, dass eine Synthese von statischen Systemen aus der Modellwelt der Baustatik allein nicht hinreichend sind, um ein Tragwerk zu entwerfen. Für die Statiklehre des Bauingenieurstudiums schlussfolgert er: „Wenn aber die Studenten erst an die linear deduktive Denkart gewöhnt sind, werden sie später in der Praxis mit den komplexen induktiven Entscheidungen Schwierigkeiten haben (…). Der klassische Wissenschaftsbegriff kennt keine Alternativen. Er steht dem alternativen Denken, dem Entwerfen, entgegen“ [1, S. 294].

Die induktive Methode der Baustatik Der einseitige Abstieg vom Konkreten zum Abstrakten in der Baustatik geht vom Tragsystem des gesamten Bauwerks in seiner konkreten Erscheinungsform aus. Die induktive Methode legt also das konstruktive Gefüge des Bauwerkes zugrunde und begreift es ganzheitlich aus der Perspektive der Tragfunktion. LEONARDO DA VINCIs (1452–1519) Imperativ „Mache das Experiment!“ ist notwendige Bedingung des Modellbildungsprozesses der Tragwerkslehre und der konstruktionsorientierten Baustatik. STEFAN P OLÓNYI setzt am Ende seiner konstruktiven Kritik an der rationalistischen Baustatik den Satz: „Wir müssen uns auf Leonardos Vermächtnis besinnen“ [1, S. 295]. Den Empirismus von ROGER BACON (1214–1294), LEONARDO, F RANCIS BACON (1561–1626), THOMAS HOBBES (1588–1679) und DAVID HUME (1711–1776) analysierte STEFAN P OLÓNYI Aus seiner Kritik der deduktiven vor dem Hintergrund seiner Zielstellung, für die Baustatik Baustatik entwickelt STEFAN POLÓNYI eine zum Rationalismus alternative wissenschafts- und erGrundrisse einer induktiven Tragwerkslehre. kenntnistheoretische Grundlegung zu entwickeln Hierzu erarbeitete P OLÓNYI im Abschn. „Die Basiswissenschaften des konstruktiven Ingenieurbaues und deren geschichtliche Entwicklung“ [1, S. 289–293] die induktive Methode LEONARDOs und GALILEIs am Beispiel ihrer Beiträge zur Baustatik heraus. „Empirismus ist eine erkenntnistheoretische Lehre, nach welcher die Erkenntnis von der Erfahrung herkommt“, definiert F ERNANDO VIDONI. Mit JOHN LOCKE (1632–1702) erreichte der Empirismus seine Reife. Von LOCKE stammt auch der Minimalkonsens des Empirismus, wonach die ganze Erkenntnis mit der sinnlichen Erfahrung anfängt und es keine angeborenen Ideen im Verstand gibt. Für die historische und philosophische Entfaltung der induktiven Methode spielte das Werk WILLIAM WHEWELLs (1794–1866) eine herausragende Rolle, der nicht nur den Stammvater der Technikwissenschaften in 60

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Großbritannien – den Bauingenieur WILLIAM JOHN MACQUORN R ANKINE (1820–1872) – beeinflusste, sondern auf die Denkart der angelsächsischen Ingenieure bis weit in das letzte Jahrhundert wirkte.

Meilensteine der Bautechnikgeschichte

In Großbritannien als dem Mutterland des Empirismus hatte die Etablierung der rationalistischen Baustatik nur geringe Chancen. Dass selbst im Frankreich des 18. Jahrhunderts als dem Mutterland des Rationalismus induktive Methoden die Entwicklung der Baustatik befruchteten, zeigt die Analyse der Gewölbe mit Hilfe von Bruchmechanismen. Gleichwohl sollten im letzten Drittel des 19. Jahrhunderts auch gemauerte Gewölbe nach der Elastizitätstheorie analysiert werden und die traglasttheoretischen Ansätze in Vergessenheit geraten: Um 1900 war der Sieg der deduktiven über die induktive Methode auch in der Gewölbetheorie schon eine „beschlossene Sache“ der klassischen Baustatik.

POLÓNYIs Konstruktion der konstruktionsorientierten Baustatik Der Kern der Konstruktion der konstruktionsorientierten Baustatik durch P OLÓNYI besteht in der neuen Stahlbetonkonzeption, die er mit seinen Mitarbeitern KLAUS BOLLINGER und KLAUS PATZKOWSKY in den 1980er Jahren schuf. Die aus diesen Forschungsarbeiten gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen fasste P OLÓNYI 1996 in 10 Prinzipien zusammen [2, S. 753–754]: 1. Die Elastizitätstheorie liefert für die Berechnung und Bewehrung von Stahlbetonkonstruktionen kein adäquates Modell. 2. Das Bauteil muss komplex und nicht analytisch-synthetisch betrachtet werden. 3. Die Bewehrungsführung steuert das Tragverhalten. 4. Bewehrungsstäbe sollen in der Nähe der Betonoberfläche nicht quer zur Hauptzugspannungsrichtung eingebaut werden. 5. Die Bewehrungsrichtung soll von der Hauptzugspannungsrichtung nicht mehr als 25° abweichen. 6. Die Bewehrung ist so zu führen, dass durch sie keine Spannungen hervorgerufen werden, die ihrerseits durch zusätzliche Bewehrung aufgenommen werden müssen. 7. Die Betonzugfestigkeit ist unter bestimmten Umständen eine zuverlässige Größe, die in vielen Fällen auch genutzt werden kann. 8. Die Kraftübertragungslängen sind vom Kräfteverlauf im Tragwerk wesentlich abhängig. 9. Das Stabwerkmodellverfahren [3] in erweiterter Form ist geeignet, das Tragverhalten für die Dimensionierung ausreichend genau quantitativ zu erfassen. 10. Es sind grundsätzlich nur Formeln zu verwenden, die von einem physikalischen Modell abgeleitet wurden. Am Beispiel des Stahlbetonbalkens mit zwei ausgeklinkten Auflagern soll das Bewehren nach der neuen Stahlbetonkonzeption dargestellt werden. Nach Untersuchungen von KLAUS PATZKOWSKY [4, S. 199f] erfolgt die Lastabtragung bei Balken mit fischbauchartig hochgezogener Bewehrung wie bei einem Hängewerk (Bild 3): „Die ‚Hauptdruckstrebe‘, die von dem Betonobergurt gebildet wird, gibt die Last direkt in Die neue Stahlbetonkonzeption kann als Beispiel einer induktiven das Auflager ab. Zwischen Hauptdruckstrebe und BeTragwerkslehre gelten. wehrung wird infolge des Verbundes und der Umlenkkraft außerdem die Last kontinuierlich in die Stablängsachse eingeleitet. Führt man einen Teil der Bewehrung bis zur Ausklinkung und in der ‚toten Ecke‘ hoch, so findet eine Umlagerung der Lastabtragung nach Bild 4 statt. Das Hängewerk wird mit einem Sprengwerk überlagert. Die Druckstrebenkraft aus dem Sprengwerk wird über die vertikal hochgeführte Schlaufe hochgehängt“ [4, S. 200]. Der Vergleich der Bilder 3 und 4 zeigt auf, Bautechnik 91 (2014), Heft 1

KOMMENTAR

K.-E. Kurrer: Wissenschaft in praktischer Absicht

(Quelle: [4, S. 200])

wie die Bewehrungsführung das Tragverhalten steuert (3. Prinzip der neuen Stahlbetonkonzeption), ein Thema, das die alte Stahlbetonkonzeption nie untersuchte.

Bild 3

Dies liegt darin begründet, dass die alte Stahlbetontheorie auf der Querschnittsbetrachtung basiert, welche die Bewehrung den Beanspruchungen der einzelnen Querschnitte und nicht dem Kräftespiel des gesamten Tragwerks entsprechend anordnet [5, S. 297]. Dagegen geht die neue Stahlbetonkonzeption von der Konstruktion aus und vollzieht den Paradigmenwechsel von der Elastizitäts- zur Plastizitätstheorie konsequent – aus wissenschafts- und erkenntnistheoretischer Perspektive kann sie als Basismodell der konstruktionsorientierten Baustatik begriffen werden.

Hängewerk; Lastabtragung

Ausblick Worin besteht die hinreichende Bedingung des strukturalen Komponierens von Tragwerken? Sie besteht im „Fließgleichgewicht“ am Phasenübergang zwischen Tragstruktur und Tragwerk einerseits sowie Tragwerk und Bauwerk andererseits. Beide Phasenübergänge begrenzen die konstruktionsorientierte Baustatik zum Abstrakten und Konkreten: Sie bilden das Herzstück der Einheit von Tragstrukturanalyse und Tragstruktursynthese, welche Innovationen der konstruktionsorientierten Baustatik ermöglicht. Solche Innovationen werden dann und nur dann Wirklichkeit, wenn das offene Fluktuieren an beiden PhaÜberlagerung von Hängewerk und Sprengwerk senübergängen in Lehre und Forschung, aber auch im Entwurf, Berechnung, Konstruktion und Errichtung von Bauwerken möglich ist und die beteiligten Architekten und Bauingenieure bereit und fähig sind, diese Chance wahrzunehmen und durchzusetzen. Hierfür steht das gesamte Œuvre STEFAN P OLÓNYIs [6], das ohne Beispiel ist. (Quelle: [4, S. 200])

KOMMENTAR Meilensteine der Bautechnikgeschichte

K.-E. Kurrer: Wissenschaft in praktischer Absicht

Bild 4

Literatur [1] P OLÓNYI, ST.: Der Tragwerksingenieur und seine Wissenschaft. Bautechnik 59 (1982), H. 9, S. 289–295, hier S. 293. [2] P OLÓNYI, ST.: Die neue Stahlbetonkonzeption. Bautechnik 73 (1996), H. 11, S. 753–765. [3] SCHLAICH, J.; SCHÄFER, K.: Konstruieren im Stahlbetonbau. In: Beton-Kalender, Band II, 82. Jg., Berlin: Ernst & Sohn 1993, S. 327–486. [4] PATZKOWSKY, K.: Bewehren nach neuer Stahlbeton-Konzeption. III. Das ausgeklinkte Auflager im Stahlbetonbalken. Bautechnik 69 (1992), H. 4, S. 198–208 u. H. 7, S. 397–399. [5] K ALISZKY, S.: Die neue Stahlbeton-Konzeption und die Plastizitätstheorie. Die Bautechnik 60 (1983), H. 9, S. 297–299. [6] P OLÓNYI, ST.; WALOCHNIK, W.: Architektur und Tragwerk. Berlin: Ernst & Sohn 2003.

Autor Dr.-Ing. Karl-Eugen Kurrer, Ernst & Sohn, Rotherstraße 21, D-10245 Berlin

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Der Tragwerksingenieur und seine Wissenschaft

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Firmen und Verbände – Persönliches– Rezensionen – Nachrichten

Aus dem Inhalt Strabag AG übernimmt Straßen- und Tiefbau-Aktivitäten der Johann Kipp Bauunternehmen GmbH ........................................... 71 Insolvente Walter Bau AG: Land Berlin zahlt für Olympiastadion .... 71 DWA-Veranstaltungsprogramm 2014 erschienen............................... 72 Nachruf ....................................................................................................... 72 DBV-Regionaltagungen „Bauausführung“ 2014 ................................. 72 Veranstaltungskalender .......................................................................... 73

BAUTECHNIK aktuell 1/14

FIRMEN UND VERBÄNDE

Strabag AG übernimmt Straßen- und Tiefbau-Aktivitäten der Johann Kipp Bauunternehmen GmbH

Nach Aussage der Strabag Unternehmensleitung werde das Kipp-Team in Bremerhaven seine Arbeit als eigenständige Gruppe innerhalb der Strabag Direktion Nordwest, Bereich Weser-Ems, fortführen und künftig unter dem Markennamen „Strabag“ auftreten. Der bisherige Geschäftsführer des Unternehmens, VOLKERT J. OSTERLOH, ist ebenfalls zu Strabag gewechselt und steht der Einheit auch weiterhin vor. KLAUS HERWIG, kaufmännischer Leiter der Strabag Direktion Nordwest, betont: „Dies ist von großem Vorteil für die Konti-

(Foto: Strabag).

Die Kölner Strabag AG hat die Straßenund Tiefbau-Aktivitäten am Standort der mittelständischen Johann Kipp Bauunternehmen GmbH in Bremerhaven übernommen. Damit sichert der Baukonzern rund 30 der bisherigen Arbeitsplätze des Bremerhavener Traditionsunternehmens Kipp, das Ende Oktober Insolvenz angemeldet hatte.

nuität der Kipp-Geschäftsbeziehungen im Straßen- und Tiefbau. Alle Kundinnen und Kunden können weiterhin auf die ihnen bekannten Ansprechpartnerinnen und Ansprechpartner zählen. Zudem werden wir die bisherigen Aktivitäten durch den Einsatz einer Asphaltkolonne erweitern.

Containerterminal Bremenhaven

Damit ist die Gruppe Bremerhaven in der Lage, das gesamte Leistungsspektrum rund um den Straßen- und Tiefbau anbieten zu können.“ Für die Strabag AG bedeutet die Übernahme eine weitere Stärkung ihrer Marktposition in Norddeutschland. Über den Kaufpreis wurde Stillschweigen vereinbart.

NACHRICHTEN

Insolvente Walter Bau AG: Land Berlin zahlt für Olympiastadion Der Hauptausschuss des Senats in Berlin hat nach jahrelangen Verhandlungen einem Vergleich in Höhe von acht Mio. Euro zugestimmt. Hintergrund ist eine Klage aus dem Jahr 2007, die Insolvenzverwalter WERNER SCHNEIDER im Rahmen des Verfahrens der insolventen Walter Bau AG angestrengt hatte. Das Land Berlin hatte sich zunächst geweigert, die Forderung im Zusammenhang mit der Sanierung des Berliner Olympiastadions zu begleichen. „Wir freuen uns, dass der Hauptausschuss des Senats in Berlin nach über sechs Jahren doch auf den Vergleich ein-

gegangen ist“, sagt WERNER SCHNEIDER, Insolvenzverwalter der Walter Bau AG. „Das Ergebnis entspricht unserem Verhandlungsziel aus den ersten Vergleichsgesprächen, die wir bereits 2006 geführt haben.“ SCHNEIDER hatte am 12. September 2007 Klage gegen das Land Berlin eingereicht, da bis zu diesem Zeitpunkt alle Versuche einer außergerichtlichen Einigung gescheitert waren. In der Klage ging es vor allem um Forderungen der Walter Bau AG gegen das Land Berlin, die im Zuge der Modernisierung des Olympiastadions für die Fußballweltmeisterschaft 2006

entstanden waren. Die Kosten für das Bauprojekt waren ursprünglich mit 475 Mio. D-Mark (rund 241 Mio. Euro) veranschlagt. Das Land Berlin hatte die Pläne im Zuge des Baus allerdings mehrfach geändert, was zu erheblichen Mehrkosten und Verzögerungen führte. Trotz Insolvenz der Walter Bau AG konnte das Stadion vor Beginn der Weltmeisterschaft unter Leitung der Insolvenzverwaltung fristgerecht fertiggestellt werden. Der Senat hat jetzt dem Vergleich in Höhe von acht Mio. Euro zugestimmt, weil das Landgericht einen entsprechenden Vorschlag unterbreitet hat.

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

BAUTECHNIK aktuell V E R A N S TA LT U N G E N

FIRMEN UND VERBÄNDE

DWA-Veranstaltungsprogramm 2014 erschienen tisch nach den fachlichen Schwerpunkten Abwasserbehandlung, Arbeits- und Gesundheitsschutz, Entwässerungssysteme, Energie, Klärschlamm/Abfall und Wasserwirtschaft/Boden sowie fachübergreifend nach den Rubriken Wirtschaft/Recht/Organisation, Personalentwicklung und Internationales gegliedert.

Die knapp 100 Seiten umfassende Broschüre informiert über die Tagungen der DWA und ihrer sieben Landesverbände sowie über das umfangreiche Seminar- und Kursangebot. Sie ist thema-

Neben altbewährten Veranstaltungen wurden wieder eine Reihe neuer Seminare und Workshops in das Programm integriert. Insgesamt stehen über 200 Bildungsangebote zur Auswahl, die pro Jahr von rund 35 000 Teilnehmern wahrgenommen werden. Um durch Fortbildung erworbene Kompetenzen europaweit vergleichbar zu machen, wird die DWA im Lauf des Jahres 2014 ihre Abschlüsse mit sogenannten DQR-Niveaus kennzeichnen. Der Deutsche Qualifikationsrahmen für lebenslanges Lernen (DQR) ist ein Gütezeichen, das die Transparenz im Bildungssystem fördert und damit zur einfacheren Bewertung von Qualifikationen beiträgt.

NACHRUF

Dipl.-Ing. Georg Philipps, Lehrbeauftragter an der Universität Stuttgart Mit dem Ableben von Herrn GEORG P HILIPPS verliert der Studiengang Immobilientechnik und Immobilienwirtschaft einen fachlich kompetenten Lehrbeauftragten und Förderer. Herr GEORG P HILIPPS war nach seinem Bauingenieurstudium u. a. lange Jahre in leitender Stellung bei der Müller-Altvatter Bauunternehmung (heute BAM Deutschland AG) in Stuttgart tätig. Anschließend war er bis zu seinem Tod als ö.b.u. v. Sachverständiger für Schäden an Gebäuden sowie Baupreisermittlung und Abrechnung im Hoch- und Ingenieurbau freiberuflich tätig. Zahlreiche Veröffentlichungen belegen Herrn P HILIPPS Kompetenz. Sein Buch „Die vorsorgliche Beweissicherung”, welches erstmals 2004 erschien, gehört inzwischen zum Stan-

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

dardwerk eines jeden Bausachverständigen. Herr GEORG P HILIPPS hat den Bezug zur Lehre nie verloren und hat sein profundes Fachwissen gerne an Studierende weitergegeben. Die Vorlesung „Technische Bewertung von Immobilien” hat Herr GEORG P HILIPPS seit 2005 am von Herrn Prof. Dr.-Ing. F RITZ BERNER neu eingeführten Studiengang „Immobilientechnik und Immobilienwirtschaft” an der Universität Stuttgart bis 2012 gehalten. Wir denken an Herrn P HILIPPS in Hochachtung und Dankbarkeit. Prof. Dr.-Ing. F RITZ BERNER

Bildrechte: DBV

Ab sofort kann das Veranstaltungsprogramm 2014 der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) unter info@dwa.de oder 02242-872 333 kostenlos angefordert werden. Außerdem steht es auf www.dwa.de zum Download bereit.

DBV-Regionaltagungen „Bauausführung“ 2014

Flyer der DBV-Regionaltagungen „Bauausführung“ 2014

Den Jahresauftakt für die DBV-Tagungen bilden traditionell die Regionaltagungen. Die Tagungen in Berlin, Bochum, Frankfurt, Hamburg, München und Nürnberg stehen unter der Überschrift „Bauausführung“ und sind im Februar und März 2014 der Treffpunkt für Bauleiter, Oberbauleiter, Poliere und Technische Leiter. Hier diskutieren nicht nur die regional vertretenen Mitgliedsunternehmen mit den DBV-Bauberatern, sondern alle, die mit der Tragwerksplanung, Arbeitsvorbereitung, Betonherstellung und Bauausführung befasst sind. Termine und Orte: 11. Februar 2014 in München-Ottobrunn 25. Februar 2014 in Hamburg 27. Februar 2014 in Berlin 28. Februar 2014 in Frankfurt am Main 11. März 2014 in Bochum 13. März 2014 in Nürnberg Die Regionaltagungen finden jeweils von 9:00 bis 17:15 Uhr statt. Die Teilnahmegebühr beträgt 99 Euro für DBV-Mitglieder, 139 Euro für Nichtmitglieder. Weitere Informationen und Anmeldung bei: Kerstin Mrochen, k.mrochen@betonverein.de www.betonverein.de – Veranstaltungen

VERANSTALTUNGSKALENDER

Kongresse – Symposien – Seminare – Messen Ort und Termin

Veranstaltung

Auskünfte und Anmeldung

Esslingen 14./15. Januar 2014

9. Kolloquium – Bauen in Boden und Fels

www.tae.de/baueninbodenundfels

Hamburg 15.01.2014 Berlin 16.01.2014 Leipzig 17.01.2014 und weitere Termine

Schalungsseminare 2014 – Sicherheit – Arbeitsvorbereitung – Kalkulation – Bauleitung – Bauausführung – Einkauf

www.meva.de

Überherrn 16. Januar 2014 in Zittau 21. Januar 2014 Zschorlau 22. Januar 2014 und weitere Termine

17. Bauseminar Beton: Gestalten mit Beton – Die Bauproduktenverordnung 2013 – Aus Fehlern lernen Schalung: Produkt-Neuheiten – Aufwandswerte (Schalzeiten) für Systemschalungen – Wertigkeit von Systemschalungen – Schalungstechnische Herausforderungen im System gelöst

PASCHAL-Werk G. Maier GmbH www.paschal.de

Ostfildern 27./28. Januar 2014

Sanierung und Dichtheitsprüfung von Grundstücksentwässerungsleitungen

www.tae.de

Ostfildern 29. Januar 2014

Qualitätssicherung bei grabenlosen Kanalisierungsverfahren

www.tae.de

Berlin 30. Januar 2014

VDI-Arbeitskreis Technikgeschichte Durch statische Berechnung festzustellen – Vorbereitete Minenanlagen an Brücken

Arbeitskreis Technikgeschichte im VDI-Bezirksbereich Berlin-Brandenburg e. V. Dr.-Ing. Karl-Eugen Kurrer karl-eugen.kurrer@wiley.com

Ostfildern 30. Januar 2014

Aufmaß, Abrechnung, Vergütung, Zahlung im Bauwesen

www.tae.de

Termine: 4 Präsenzkurse (Donnerstag bis Samstag), insgesamt 66 Präsenzstunden 30.01.–01.02.2014 13.02.–15.02.2014 07.03.–08.03.2014 25.04.–26.04.2014 (Prüfung)

Fachfortbildung: Sachkundiger Planer für Betonerhaltung Aus dem Inhalt Baustoffe und Betoninstandsetzung im Lebenszyklus; Bestandsanalyse; Planung der Instandhaltung; Ausschreibung, Vergabe, Verträge, Haftung; Qualitätssicherung und Monitoring

Ansprechpartner Frau Dipl.-Ing. (FH) Silke Grün Tel.: +49 351 44072-35 s.gruen@eipos.de www.eipos.de

Ostfildern 3. und 4. Februar 2014

EnEV – Auswirkungen auf die Bausubstanz

www.tae.de

Ostfildern 3. und 4. Februar 2014

Die optimierte Baustellenabwicklung

www.tae.de

Ostfildern 5. und 6. Februar 2014

Schäden an Industrieböden

www.tae.de

Berlin 13. Februar 2014

VDI-Arbeitskreis Technikgeschichte Beten in Beton. Das „Führer-Sofortprogramm“ und der Luftschutzbunkerbau in Deutschland 1940–1945

Arbeitskreis Technikgeschichte im VDI-Bezirksbereich Berlin-Brandenburg e. V. Dr.-Ing. Karl-Eugen Kurrer karl-eugen.kurrer@wiley.com

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

VERANSTALTUNGSKALENDER

Ort und Termin

Veranstaltung

Auskünfte und Anmeldung

Hamburg-Harburg 17. – 18. Februar 2014

International Conference on Ports for Container Ships of Future Generations

www.tuhh.de

Nürnberg 19. Februar 2014

Nürnberger Fachdialog Windenergie

LGA Landesgewerbeanstalt Bayern www.lga.de

München 24.–25. Februar 2014

12. Fachtagung Baustatik-Baupraxis Die Fachtagung Baustatik-Baupraxis ist ein Präsentationsund Diskussionsforum für aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet des konstruktiven Ingenieurbaus und trägt so zum Ideentransfer zwischen Universitäten und Baupraxis bei.

Technische Universität München, Lehrstuhl für Statik www.baustatik-baupraxis.de

Braunschweig Vom Schüttgut zum Silo – Charakterisieren und Lagern von 24. und 25. Februar 2014 Pulvern und Schüttgütern

Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V. (GVT) www.gvt.org

Berlin 26. Februar 2014

Bauen mit Carbon Visionen für die Zukunft

Technische Universität Berlin www.bauen-mit-carbon.de

Berlin 4. März 2014

Messen im Bauwesen Neue Messtechnik und Anwendungsfälle

BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung http://anmeldung.bw-vdv.de

Cottbus 15. März 2014

20. Brandenburger Bauingenieurtag – Planen und bauen mit aktuellen Regelwerten

BBIT www.tu-cottbus.de

Braunschweig 20. und 21. März 2014

Tage der Holzforschung (iVTH) Emissionen aus Baustoffen und Ausstattungen für Innenräume

Essen 21. – 22. März 2014

EnOB-Symposium: Innovationen in Neubau und Sanierung – Energieeffizienz – Lebenszyklusoptimierung – Kostenreduktion

EnOB – Forschung für Energieoptimiertes Bauen www.enob.info

Graz, Österreich 25./26. März 2014

Breaking fresh ground in protecting Alpine Environments – Flood Risk Management Plans

www.interpraevent.at

Berlin 27. März 2014

VDI-Arbeitskreis Technikgeschichte Genie-Offiziere als berufliche Vorläufer des modernen Bauingenieurs

Arbeitskreis Technikgeschichte im VDI-Bezirksbereich Berlin-Brandenburg e. V. Dr.-Ing. Karl-Eugen Kurrer karl-eugen.kurrer@wiley.com

Berlin 10. April 2014

VDI-Arbeitskreis Technikgeschichte Die industriearchäologische Erforschung des Areals um das Gleisdreieck

Bezirksverein Berlin-Brandenburg e.V. Dr.-Ing. Karl-Eugen Kurrer Karl-Eugen.Kurrer@wiley.com

Aachen 9. – 12. Juni 2014

ICBEST 2014 – Building envelope systems and technologies – Call for papers: Abgabetermin 31. Juli 2013

www.icbest.de

Freiberg 26. bis 27. Juni 2014

2. Kolloquium zur Bodenverflüssigung bei Kippen des Lausitzer Braunkohlebergbaus – Auswertung und Analyse von Schadensfällen – Erkundungsmethoden auf Kippen – Bewertung, Berechnung und Modellierung – Maßnahmen zur Verhinderung von Verflüssigungen

TU Bergakademie Freiberg Institut für Bergbau und Spezialtiefbau, Professur für Erdbau und Spezialtiefbau http://bergbau.tu-freiberg.de/erdbau/ kudla.php

Berlin 33. Baugrundtagung in Verbindung mit der 10th International 23. – 26. September 2014 Conference on Geosynthetics

Bautechnik 91 (2014), Heft 1

Internationaler Verein für Technische Holzfragen e.V. www.ivth.org

Deutsche Gesellschaft für Geotechnik – DDGT www.dggt.de

Arbeiten in … Dubai „Wir hatten etwa 45 Nationen und 35 ethnische Gruppen auf dem Projekt.“ Fünf Fragen an Uwe Hinrichs, Chief Coordinator Subcontractors/Logistics, Arabtec, P.O.Box 3399, Dubai/UAE

Uwe Hinrichs, Chief Coordinator Subcontractors/Logistics, Arabtec, P.O.Box 3399, Dubai/UAE

Baustelle ist eingerichtet, Jump Schalungssystem arbeitet schon

1. Mit Ihrem ersten Einsatz in Dubai 1975 gehören Sie zu den Pionieren im Nahen Osten. Wie hat man sich das damalige Dubai und die Bausituation vorzustellen? 1975 war es gerade drei Jahre her, dass Dubai das erste Öl exportiert hatte – dementsprechend war die gesamte Infrastruktur zurück. Im Mai 1975 wurde das Interconti-Hotel eröffnet, das Sheraton war in den Fundamenten. Am Creek gab es nur eine Spundwand. Die Landseite bestand nur aus Sand bis hin zur Straße, die am Wasser entlang einspurig und natürlich ohne Parkplätze war. Leute von den Bohrinseln oder aus dem Inland pflegten mit dem Helikopter auf dem Sandstreifen zu landen und – dreckig wie sie waren – ins Interconti zum Essen zu gehen Die Versorgung war natürlich noch in den Kinderschuhen. Man konnte aber im Souk – der noch immer an der gleichen Stelle ist – alles Wesentliche kaufen, besser war es aber – und natürlich auch billiger – Dinge des täglichen Bedarfs zu importieren. Die Bautätigkeit war enorm, aber alle Baustellen waren noch mindestens dreißig Jahre in der Entwicklung zurück. Eine moderne Baustelle wie die unsere musste sich natürlich selbst versorgen. Wir haben daher praktisch alles importiert und dabei alle zur Verfügung stehenden Tricks angewendet, um die Frachtkosten so niedrig wie möglich zu halten (z.B. haben wir Kranturmsegmente zu Containern umfunktioniert). 2. Hatte das Herrscherhaus damals und 2004–11 beim Bau des Burj Khalifa irgendwie Einfluss auf das tatsächliche Baugeschehen? Sheikh Rashid bin Saeed Al-Maktoum (1912–1990) war ein bemerkenswerter Pragmatiker. Er schaffte die Grundlagen für das heutige Dubai. Sheikh Rashid war Frühaufsteher und liebte es offensichtlich, gut unterrichtet zu sein. Man sah ihn schon um sechs Uhr morgens in einem klapprigen Land-Rover in Dubai die zahlreichen Baustellen besuchen. Er nahm wohl auch direkt Einfluss, zumindest auf die von ihm finanzierten Bauvorhaben. Seine Söhne haben wohl versucht, ihrem Vater nachzukommen, was aber nicht so recht gelungen ist. Bei ihnen existierte wenig oder gar kein direkter Kontakt mehr, sie hatten sich eine Management-Ebene aufgebaut und übertrugen somit wichtige Entscheidungen auf Leute ihres Vertrauens. Damit sind sie aber am Ende gescheitert, weil Vertrauen ohne gute Kontrolle nicht funktioniert, wenn viel Geld eine tragende Rolle spielt. Direkter Einfluss auf das Baugeschehen wurde nur sporadisch ausgeübt. 3. Wie würden Sie die Entwicklung von Baustellenlogistik und -sicherheit von 1975 bis heute beschreiben und wer hat sie maßgeblich beeinflusst? Unsere Baustelle war 1975 zwangsläufig durch die Besetzung des Projekt-Managements mit einem deutschen Ingenieur und Polieren/

WISSENSWERTES ZUM BAUARBEITSMARKT DUBAI IM ÜBERBLICK – Erforderliche Papiere: Aufenthaltserlaubnis, setzt Arbeitsvertrag und gültigen Reisepass voraus Arbeitserlaubnis, setzt Arbeitsvertrag voraus – Praktische Hinweise für Einreise und Alltag: Dubai ist eine IT Stadt. All diese Dinge können daher besser im Internet abgefragt werden, oder man wendet sich an das Deutsche Generalkonsulat, das wir immer als hilfreich erlebt haben. – Offene Stellen in welchen Bereichen: Dies muss ebenfalls über die Websites der Bauunternehmen abgefragt werden, oder man schickt Bewerbungen an die großen Bauunternehmen direkt. – Gehälter: Sie sind von Firma zu Firma unterschiedlich. Es gibt keine Tarifverträge oder Gehaltsgruppen. Die Gehaltsforderungen müssen gut überlegt sein, in Dubai ist nichts umsonst, die Lebenshaltungskosten sind erheblich höher als in Europa. – Steuern: Derzeit gibt es nur wenig Steuerähnliches. Man plant aber ein Mehrwertsteuersystem, wobei wir natürlich nicht wissen, wie weit die Planungen gediehen sind. Ansonsten gibt es jede Menge „Fees“ (Auto, Aufenthalt, Gesundheit, Schule, Wasser, Elektrizität, Maut, etc.etc.), die unter dem Strich die Lebenshaltungskosten nach oben treiben. – Interessante Links: www.arabtecuae.com www.cultures.ae www.dubaitourism.ae www.definitelydubai.com www.dubaiairport.com/en/passengers/ airportguide/arrivals www.dubai.ae/en.portal

Arbeiten in … Dubai Vorarbeitern mit deutscher Logistik- und Sicherheitsphilosophie infiziert. Die anderen Baustellen kümmerten sich um diese Aspekte nur wenig, da die Preise so waren, dass man sich um die durch unzureichende Logistikkontrolle und fehlende Sicherheitsmaßnahmen entstehenden Verluste nicht kümmern musste oder wollte. Dies wurde erst anders, als Europäer das tatsächliche Management der Bauaktivitäten übernahmen. Beides – Logistik und vor allem Sicherheit – wurde zwangsläufig durch das Projekt Burj Khalifa stark beeinflusst, da die betroffenen Behörden viel bei uns auf der Baustelle waren. Sie haben sich dabei natürlich die Method Statements, Evakuierungspläne, Personalplanung etc. angesehen und für ihre eigene Zwecke umgeschrieben. Wir hatten als erstes Projekt im Baubereich ein „Crisis Management“, d.h. wir haben uns mit der Lösung von Problemen schon auseinandergesetzt, bevor sie überhaupt entstehen konnten.

Baustand 3.7.2007 Verglasungsarbeiten haben begonnen

Uwe Hinrichs + Satish Shenoy, Co-Author Saftey Awards Meeting

4. Am Burj Khalifa waren zu Spitzenzeiten 16.000 Menschen auf der Baustelle beschäftigt. Wie lief das zwischen den Kulturen und in logistischer Hinsicht ab? Wir hatten etwa 45 Nationen und 35 ethnische Gruppen auf dem Projekt. Die tatsächlich täglich gesprochenen Sprachen beliefen sich sicherlich auf etwa zwanzig. Offizielle Sprache war natürlich Englisch. Unsere Sicherheitsvorschriften standen in acht Sprachen zur Verfügung. Bei der Logistik gab es eigentlich keine Probleme, da die tatsächlichen Arbeitsvorgänge nicht unbedingt von der Sprache abhängig sind. Das normale Zusammenleben war schon manchmal kritisch, wobei ich hier keine Nationen/ethnischen Gruppen benennen möchte. Es ist uns gelungen, drohende Konflikte gar nicht erst entstehen zu lassen, was natürlich nur möglich ist, wenn man „den Puls“ der Baustelle unter Kontrolle hat. 5. Wenn Sie es noch mal zu tun hätten: Würden Sie das Abenteuer des Bauens in Dubai ohne Zögern wieder auf sich nehmen? Die Frage ist nicht so einfach zu beantworten. Ich hatte seinerzeit die Aufenthalts- und Arbeitserlaubnis, die regelmäßig – eigentlich ohne unser Dazutun – verlängert wurde, d.h. ich war Teil des Systems und hatte eigentlich wenig oder keine Wahl, es sei denn, wir hätten direkt wieder nach Europa zurück fahren wollen. Dies bedeutet nicht, dass ich diesen Job nicht mit Interesse und freiwillig übernommen habe; nur musste ich damals eine Reihe von Dingen akzeptieren, da eine Änderung der Arbeitsbedingungen große Bürokratie erfordert hätte. Aber auch bei Bedingungen wie wir sie gern hätten, würde ich nicht ohne Zögern und gründliche Überlegung ein solches Abenteuer wieder eingehen.

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Tier 23 am 7.5.2009 (720,10 m) Die Decke auf diesem Level wird vorbereitet

Prov. Baubüro steht, Baustelle wird eingerichtet Im Hintergrund Dubai/Sheikh Zayed Road

AUF EIN WORT

Die besten Zeiten in Dubai hatten wir in den 70er und 80er Jahren. Damals bekam man noch „echte“ Araber zu Gesicht, die Mittagspause war von 13:00 bis 16:00, so dass man wirklich in Ruhe essen und sich von einem hitzigen Vormittag (im Sommer leicht 45 °C im Schatten und mehr) erholen konnte. Die Verkehrssituation war erträglich, Preise und Mieten waren bezahlbar. Plastikgeld spielte noch keine Rolle, der Zahlungsverkehr wurde im Wesentlichen in bar durchgeführt. Hotels, Restaurants und Shops hatten dann schon mal so viel Bargeld, dass es tatsächlich mit Schiebkarren zu den Banken transportiert wurde. Die Araber der Generation nach Sheikh Rashid – also etwa Jahrgang 1940/45 – waren noch zugänglich, offen und verlässlich. Die jüngeren sind doch schon sehr stark von westlicher Unkultur beeinflusst, so dass Geld für alles die wesentliche Rolle spielt. Viele junge Expatriates und auch Locals sind mit dieser Entwicklung nicht fertig geworden. Sie nahmen Kredite auf und gaben das ihnen zur Verfügung stehende Geld mit vollen Händen aus, ohne an das Zurückzahlen der Kredite zu denken. Dubai platzte folglich aus allen Nähten. Die Anzahl der Expatriates nahm pro Jahr um ca. 250.000 zu. Dementsprechend entwickelten sich auch die Kosten. Um das gleiche im Einkaufswagen zu haben wie 2000, mussten wir 2005 mehr als das doppelte bezahlen. Das Paradies „Dubai“ ist nicht so paradiesisch, wie es von der Regierung dargestellt und von den Touristen wahrgenommen wird.

Turm auf voller Höhe Der letzte Kran kurz vor der Demontage, der kleine Kran ist für die Demontage

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Dr.-Ing. Dirk Jesse Chefredaktion Bautechnik Verlag Ernst & Sohn Rotherstraße 21 D-10245 Berlin Tel.: +49 (0)30 / 47031-275 Fax: +49 (0)30 / 47031-270 dirk.jesse@wiley.com

Bautechnik – Fachzeitschrift für Entwurf und Konstruktion, Berechnung und Ausführung, Brücken- und Verkehrsbau, Ingenieurhoch-, Holz-, und Mauerwerksbau, Grundbau, Wasserbau Bauwerkserhaltung und Baukultur. Verlag Wilhelm Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co.KG Rotherstraße 21, 10245 D-Berlin Tel. +49 (0)30 / 47031-200, Fax +49 (0)30 / 47031-270 info@ernst-und-sohn.de www.ernst-und-sohn.de Amtsgericht Charlottenburg HRA33115B Persönlich haftender Gesellschafter: Wiley Fachverlag GmbH, Weinheim Amtsgericht Mannheim HRB 432736 Geschäftsführer: Karin Lang, Bijan Ghawami Steuernummer: 47013 / 01644 Umsatzsteueridentifikationsnummer: DE 813496225

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Chefredakteur Dr.-Ing. Dirk Jesse Tel.: +49 (0)30 / 47031-275, Fax: +49 (0)30 / 47031-270 dirk.jesse@wiley.com

Prof. Dr.-Ing. Annette Bögle Hafencity Universität Hamburg Hebebrandstraße 1 D-22297 Hamburg Tel.: +49 (0)40 / 42827-5691 annette.boegle@hcu-hamburg.de

Project Editor Esther Schleidweiler Tel.:+49 (0)30 / 47031-267, Fax: +49 (0)30 / 47031-227 esther.schleidweiler@wiley.com Ehrenmitglieder Prof. Dr.-Ing. Fritz Gehbauer M.S. Prof. Dr.-Ing. habil. Ulrich Smoltczyk Produkte und Objekte Dr. Burkhard Talebitari Tel.: +49 (0)30 / 47031-273, Fax: +49 (0)30 / 47031-229 btalebitar@wiley.com Gesamtanzeigenleitung Verlag Ernst & Sohn Fred Doischer Anzeigenleitung Sigrid Elgner Tel.: +49 (0)30 / 47031-254, Fax:+49 (0)30 / 47031-230 sigrid.elgner@wiley.com

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Prof. Dr.-Ing. Achim Hettler Technische Universität Dortmund Lehrstuhl für Baugrund August-Schmidt-Straße 8 D-44227 Dortmund Tel.: +49 (0)231 / 7553012 achim.hettler@tu-dortmund.de

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Vorschau 2/14 Steffen Marx Entwerfen von Eisenbahnhochgeschwindigkeitsbrücken für dynamische Einwirkungen

Zum Bild Die Brücke über die Süderelbe im Zuge der A 26 wird, wenn gebaut, für das Stadtbild von Hamburg eine ähnliche Bedeutung haben wie es heute die Köhlbrandbrücke oder die Brücken über die Norderelbe haben, unverwechselbare Kennzeichen der Stadt für die Durchreisenden, Wahrzeichen von Hamburg für die Bürger der Hansestadt, Teil ihrer gebauten Umwelt und Identifikationspunkt städtischer Emotionen. In Heft 2 der Bautechnik wird ein Einblick in den Planungswettbewerb gewährt.

Ján Bluhm Der König ist tot. Lang lebe der König. Sprengabbruch der alten Sinntalbrücke bei Bad Brückenau (Deutschland) Christian Ommert Fußgängerbrücken über viel befahrene Verkehrswege Christoph von der Haar, Helmut Wolf, Peter Radl Base-Line gestützte Verformungsmessungen an einer semi-integralen Hohlkastenbrücke Henriette Pauline Friedrich, Thomas Zimmermann, Alfred Strauss, Stefan Lachinger, Simon Hoffmann, Michael Dellantonio Entwicklung verschleißarmer Fahrbahnübergangskonstruktionen Ivan Cˇadež, Michael Mechnig Neue Verfahren zur Ermittlung der Höhe der Allgemeinen Geschäftskosten in der Angebotskalkulation Karl-Heinz Reintjes Planungswettbewerb Süderelbebrücke Moorburg – Bericht zu Durchführung und Ergebnis des Realisierungswettbewerbs Heiko Trumpf Baakenhafenbrücke Hamburg Jürg Conzett Trutg dil Flem – Sieben Fußgängerbrücken entlang des Flimser Wasserwegs

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in Bauteilen aus Brettschichtholz und Brettsperrholz

Ingenieurbau.

6/2012 Wieland Becker, Tobias Götz Konstruktive und brandschutztechnische Untersuchungen von Rippendecken in Holz-Beton-Verbundbauweise 6/2012 Karl Rautenstrauch, Martin Kästner, Markus Jahreis, Wolfram Hädicke Entwicklung eines Hochleistungsverbundträgersystems für den Ingenieurholzbau 1/2013 Jens Hartig, Peer Haller, Andreas Heiduschke Holzfachwerke mit Verbindungsknoten aus Beton (Teil 1) 1/2013 Karl Rautenstrauch, Jens Müller Tragverhalten spezieller Verbundelemente für HolzBeton-Verbundstraßenbrücken unter zyklischer

Auch als

journal erhältlich.

Impact-Faktor 2012: 0,293

Beanspruchung 1/2013 Andreas Gamper, Phillipp Dietsch, Michael Merk, Stefan Winter Gebäudeklima - Langzeitmessung zur Bestimmung der Auswirkungen auf Feuchtegradienten in Holzbauteilen 8/2013 Wolfgang Rug, Gunter Linke, Leonard Winter Untersuchungen zur Festigkeit der Klebefugen von historischem Brettschichtholz 10/2013 Wolfgang Rug, Gunter Linke Untersuchungen zur Holzkorrosion an historischem Brettschichtholz 10/2013

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Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG

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