Spaltversagen von Holz in Verbindungen PDF
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Universität Karlsruhe (TH) Karlsruher Berichte zum Ingenieurholzbau Lehrstuhl für Ingenieurholzbau 12 und Baukonstruktionen H. J. Blaß T. Uibel Im Holzbau haben sich selbstbohrende Holzschrauben als wirtschaftliche Möglichkeit zur Herstellung von Anschlüssen etabliert. Häufig werden sie auch zur Befestigung von Verbindern eingesetzt. Aufgrund ihrer speziellen Spaltversagen von Holz Gestaltung können diese Schrauben mit geringen Abständen untereinan- der und zu den Bauteilrändern angeordnet werden. Hierbei soll durch die in Verbindungen Einhaltung von Mindestabständen und Mindestholzdicken ein Versagen des Holzbauteils durch Aufspalten oder Rissbildung verhindert werden. Die Ein Rechenmodell für die Rissbildung allgemeingültige Festlegung dieser Randbedingungen ist aufgrund der un- terschiedlichen Gestaltung der Schrauben nicht möglich, so dass für jeden beim Eindrehen von Holzschrauben Schraubentyp umfangreiche Versuche notwendig sind. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde ein Rechenmodell auf Grund- lage der Methode der finiten Elemente entwickelt, das es erlaubt, die Riss- bildung von Holz beim Eindrehen von Schrauben abzuschätzen. Hierbei werden sowohl geometrische Einflüsse als auch materialspezifische Ein- flüsse auf das Spaltverhalten berücksichtigt. Zur Erfassung verbindungs- mittelspezifischer Einflüsse auf die Rissbildung im Holz wurde eine Prüf- methode entwickelt, mit der Kräfte ermittelt werden, die beim Einschrauben auf das Bauteil wirken. Die Prüfmethode erlaubt auch eine direkte Beurtei- lung des Spaltverhaltens für eine Schraube durch Vergleichsversuche mit Referenzschrauben. Durch Einschraubversuche, bei denen die Rissflächen durch Einfärben visualisiert wurden, konnte das Rechenmodell kalibriert und erfolgreich verifiziert werden. Somit ermöglicht die entwickelte Berechnungsmethode eine realistische Abschätzung der erforderlichen Mindestholzdicken und Mindestabstände für unterschiedliche Schraubentypen. ISSN: 1860-093X ISBN: 978-3-86644-312-9 www.uvka.de universitätsverlag karlsruhe H. J. Blaß, T. Uibel Spaltversagen von Holz in Verbindungen Ein Rechenmodell für die Rissbildung beim Eindrehen von Holzschrauben Titelbild: Rissbildung und Aufspalten bei einem Holzbauteil Band 12 der Reihe Karlsruher Berichte zum Ingenieurholzbau Herausgeber Universität Karlsruhe (TH) Lehrstuhl für Ingenieurholzbau und Baukonstruktionen Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. J. Blaß Spaltversagen von Holz in Verbindungen Ein Rechenmodell für die Rissbildung beim Eindrehen von Holzschrauben Die Arbeiten wurden gefördert aus Mitteln des Deutschen Instituts für Bautechnik. von H. J. Blaß T. Uibel Lehrstuhl für Ingenieurholzbau und Baukonstruktionen Universität Karlsruhe (TH) Impressum Universitätsverlag Karlsruhe c/o Universitätsbibliothek Straße am Forum 2 D-76131 Karlsruhe www.uvka.de Dieses Werk ist unter folgender Creative Commons-Lizenz lizenziert: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/de/ Universitätsverlag Karlsruhe 2009 Print on Demand ISSN: 1860-093X ISBN: 978-3-86644-312-9 V Vorwort Selbstbohrende Holzschrauben haben sich in den letzten Jahren als wirtschaftliche Möglichkeit zur Herstellung von Anschlüssen im Holzbau etabliert und zudem neue Verbindungsarten ermöglicht. Eine häufige Verwendung finden sie auch zur Befesti- gung von Verbindern aus Stahl oder Aluminium. Des Weiteren werden selbstbohren- de Holzschrauben mit Vollgewinde zur Verstärkung von Bauteilen in Bereichen von Querdruck- oder Querzugbeanspruchungen verwendet. Diese Anwendungen erfor- dern geringe Abstände der Verbindungsmittel untereinander und zu den Bauteilrän- dern. Selbstbohrende Holzschrauben werden u. a. mit besonderen Bohrspitzen, Fräsrippen sowie speziellen Schraubenköpfen hergestellt. Hierdurch kann ein Versa- gen des Holzes durch Aufspalten während des Einschraubens verhindert werden, so dass geringe Abstände realisierbar sind. Die erforderlichen Mindestabstände und Mindestholzdicken müssen allerdings für jeden Schraubentyp durch aufwändige Ein- schraubversuche bestimmt werden. Eine Übertragung der Ergebnisse von Ein- schraubversuchen auf andere Schraubentypen oder Schraubendurchmesser ist auf- grund abweichender Schraubengeometrien nicht möglich. Im Holzbau werden Tragwerke häufig aus Systemen mit Haupt- und Nebenträgern gebildet. Für die Anschlüsse von Nebenträgern an Hauptträger steht eine Vielzahl unterschiedlicher Verbinder zur Verfügung, die u. a. auch mit selbstbohrenden Holz- schrauben befestigt werden. Die Bemessung der Verbinder wird i. d. R. in allgemei- nen bauaufsichtlichen Zulassungen geregelt. Die erforderlichen Bemessungsmetho- den wurden in der Mehrzahl auf Grundlage umfangreicher Versuche an Haupt- Nebenträger-Verbindungen abgeleitet. Die Berechnungsmodelle für ein Produkt sind aufgrund geometrischer und struktureller Unterschiede zumeist nicht auf andere oder modifizierte Produkte übertragbar. Durch eine rechnerische Ermittlung der Tragfähig- keit dieser Verbinder unter Berücksichtigung der zu erwartenden Versagensformen kann der Versuchsaufwand erheblich reduziert werden. Viele mögliche Versagensar- ten, die bei Haupt-Nebenträgerverbindungen auftreten können, lassen sich bereits heute rechnerisch erfassen. Dieses gilt jedoch nicht für ein Versagen des Holzes durch Aufspalten aufgrund von zu geringen Verbindungsmittelabständen, die bei sol- chen Anschlüssen durchaus üblich sind. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden Grundlagen zur Ermittlung mögli- cher Mindestabstände und Mindestholzdicken für Holzschrauben auf Basis weniger Versuche sowie numerischer Berechnungen erarbeitet. Hierdurch lässt sich der Auf- wand von Versuchen zur Festlegung dieser Randbedingungen deutlich reduzieren. Durch die rechnerische Ermittlung des Spaltverhaltens des Holzes beim Einbringen VI von Verbindungsmitteln wird außerdem eine Möglichkeit eröffnet, das Versagen von Haupt-Nebenträgerverbindungen rechnerisch zu erfassen. In dem vorliegenden ersten Teil des Forschungsvorhabens wurde ein allgemeines numerisches Modell entwickelt, mit dem das Spaltverhalten berechnet werden kann. In Folgeprojekten ist die Verbesserung, Erweiterung und Absicherung des Berech- nungsmodells beabsichtigt. Das Forschungsvorhaben wurde aus Mitteln des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) gefördert. Die Schrauben für die Versuche wurden von den Herstellern kosten- frei zur Verfügung gestellt. Die Planung der Untersuchungen, die Betreuung der Versuche und deren Auswer- tung sowie die Erstellung des Forschungsberichtes erfolgten durch Herrn Dipl.-Ing. T. Uibel. Für die Herstellung der Versuchskörper und der Versuchsvorrichtungen wa- ren die Herren A. Klein, M. Deeg, M. Huber, G. Kranz und M. Scheid verantwortlich. Bei der Versuchsdurchführung haben Herr Dipl.-Ing. M. Mayer und die wissenschaft- lichen Hilfskräfte des Lehrstuhls für Ingenieurholzbau und Baukonstruktionen tatkräf- tig mitgewirkt. Allen Beteiligten ist für die Mitarbeit zu danken. Hans Joachim Blaß VII Inhalt 1 Einleitung............................................................................................................1 2 Bestehende Untersuchungen zum Spaltverhalten .............................................3 3 Grundlagen zur Modellierung des Spaltverhaltens.............................................9 3.1 Ziele der Untersuchungen und Vorgehensweise.......................................9 3.2 Sondierung der Einflussfaktoren auf das Spaltverhalten..........................10 3.3 Vorüberlegungen zur Entwicklung des Rechenmodells...........................13 4 Einschraubversuche zur Ermittlung von Spaltkräften.......................................15 4.1 Versuchseinrichtung ................................................................................15 4.2 Experimentelle Ermittlung der Spaltkräfte beim Einschrauben ................20 4.3 Direkte Beurteilung des Spaltverhaltens beim Einschrauben...................25 4.4 Schraubenspezifische Ersatzlasten für Rissflächenberechnungen..........31 4.5 Weiterentwicklung der Prüfmethode........................................................43 5 Modell zur Ermittlung von Rissflächen und Verifizierung..................................45 5.1 Numerische Rissflächenermittlung...........................................................45 5.1.1 Modell..........................................................................................45 5.1.2 Bestimmung der Eigenschaften der Querzug-Federelemente.....48 5.1.3 Berechnung des Rissfortschritts beim Einschrauben..................60 5.2 Experimentelle Rissflächenermittlung......................................................61 5.3 Kalibrierung und Verifizierung der numerischen Rissberechnung............77 6 Zusammenfassung...........................................................................................88 7 Literatur............................................................................................................90 8 Zitierte Normen.................................................................................................92 9 Anhang.............................................................................................................93 9.1 Anhang zu Abschnitt 4.2..........................................................................93 9.2 Anhang zu Abschnitt 4.4........................................................................129 9.3 Anhang zu Abschnitt 5.1.2.....................................................................145 9.4 Anhang zu Abschnitt 5.2........................................................................146 VIII 9.5 Anhang zu Abschnitt 5.3.........................................................................170
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