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Einführung
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Die
Erfindung betrifft ein Verbindungssystem zur Schubkraftübertragung
in Biegeträgern, welches im Bauwesen zur Konstruktion von
Biegträgern im Holz-Beton-Verbund (HBV) eingesetzt wird.
Bei HBV-Biegeträgern handelt es sich um zusammengesetzte
Querschnitte, wobei eine Betonplatte als Obergurt durch geeignete
Maßnahmen so mit einem hölzernen Steg verbunden
wird, dass beide Querschnittsteile im Zusammenwirken die Schnittgrößen aus
der äußeren Belastung aufnehmen. Der Anschluss
von Untergurten, wie in dem vorliegenden System als Holzwerkstoffplatte,
ist möglich.
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Seit
etwa 30 Jahren werden in Deutschland zunehmend Biegeträger
in der Verbundbauweise konstruiert, bei denen Holz in Verbindung
mit mineralischen Baustoffen eingesetzt wird. Üblicherweise wird
als mineralischer Baustoff bewehrter Normalbeton verwendet, aber
auch die Anwendung von Leichtbetonen, Polymerbetonen oder Estrichen
wurde untersucht.
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Als
sinnvoll hat sich erwiesen, Holz-Beton-Verbundträger als
Einfeldträger einzusetzen, wobei werkstoffgerecht das Holz
in der Zugzone und der Beton in der Druckzone angeordnet werden.
So ergibt sich aus der Aufnahme der Momentenbelastung eine primäre
Zugbelastung des Holzes und eine primäre Druckbelastung
des Betons. Aus diesen Verbundbiegeträgern werden vor allem
Decken konstruiert. Vereinzelt werden auch Holz-Beton-Verbundbrücken
gebaut. Allerdings spielen Brücken in der Holz-Verbundbauweise
in Deutschland noch eine untergeordnete Rolle, in anderen Ländern,
wie z. B. den USA, Schweiz, Österreich und Australien,
hat die Entwicklung des Brückenbaus in Holz-Verbundbauweise
in den letzten Jahren zugenommen ([1], [2], [3], [4], [5]).
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Ein
wichtiger Vorteil der Holz-Beton-Verbundbauweise liegt in der konsequenten
Ausnutzung der Tragfähigkeiten der einzelnen Querschnitte.
Eine reine Stahlbetondecke reißt im Grenzzustand der Tragfähigkeit
zu etwa zwei Dritteln des Gesamtquerschnitts auf. Dieser gerissene
Beton unterstützt nicht die Tragfähigkeit, sondern
ist lediglich dazu da, die Bewehrung in ihrer Lage zu halten. In
HBV-Decken wird im Vergleich zu Massivdecken diese gerissene Zugzone
und die Zugbewehrung durch Holz ersetzt, wodurch die Höhe
der Betonplatte verringert und das Eigengewicht der Decke erheblich
reduziert wird.
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Die
eigentliche technologische Herausforderung in der Holz-Verbundbauweise
liegt in der schubfesten Verbindung des Betons mit dem Holz. Hier wurde
eine Vielzahl an Verbindungssystemen entwickelt, wovon einige über
bauaufsichtliche Zulassungen verfügen und insbesondere
für Sanierungen sowie teilweise auch für Neubauvorhaben
geeignet sind.
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Diese
Verbindungssysteme reichen von herkömmlichen Verbindungsmitteln
aus dem Holzbau wie beispielsweise Nägel, Nagelplatten
oder Schrauben über Formschlussverbindungen wie Kerven
oder Nocken bis hin zu speziell entwickelten Sonderbauteilen beispielsweise
Schubverbinder oder Flachstahlschlösser.
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In
der Sanierung von Holzbalkendecken setzen sich HBV-Decken als geeignete
Lösung für spezielle Sanierungsaufgaben zunehmend
durch. So können mit der HBV-Technologie für bestehende Holzbalkendecken
die Tragfähigkeit und Biegesteifigkeit erhöht,
aber auch die bauphysikalischen Eigenschaften, wie Schallschutz
oder Brandschutz, verbessert werden.
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Nachteilig
für die Marktgängigkeit des HBV wirken sich die
relativ hohen Kosten für die Herstellung der Verbundfuge
aus. Ein weiterer Nachteil der meisten bisher entwickelten Verbindungssysteme liegt
darin, dass die montierten Verbindungsmittel wie Nägel,
Schrauben oder Stahlbleche vor dem Betonieren wenig robust sind
und bei normalem Betrieb auf Baustellen leicht beschädigt
werden können.
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HBV-Bauweise im Neubau
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Im
Neubau stellen HBV-Decken mit den auf dem Markt befindlichen Verbindungssystemen
kaum eine Alternative zur Massivbauweise dar, was vor allem auf
die wirtschaftlichen Nachteile zurückzuführen ist.
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Die
vergleichsweise hohen Kosten entstehen durch die aufwändige
Herstellung der Verbundfuge mit zeitintensiver Montage der Verbindungsmittel
und den damit verbundenen hohen Personalkosten.
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Den
wirtschaftlichen Nachteilen stehen allerdings einige wichtige Vorzüge
gegenüber. Wie zuvor dargestellt, kann die Betonplatte
der HBV-Decke im Gegensatz zur reinen Stahlbetondecke besonders schlank
ausgeführt werden. Das daraus resultierende geringe Gewicht
des Betons, verbunden mit dem geringen Eigengewicht des Holzes,
macht Holz-Beton-Verbunddecken im Gegensatz zu Decken in der Massivbauweise
leichter, wodurch auch eine Anwendung in der Leichtbauweise im allgemeinen
Hochbau möglich ist. Im Vergleich zu konventionellen Holzbalkendecken
werden bei geringerer Bauhöhe größere Biegesteifigkeiten
erzielt.
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Außerdem
hat die Wahl der Konstruktionswerkstoffe einen entscheidenden Einfluss
auf die im Bauwesen eine immer größere Rolle spielende Nachhaltigkeit.
In der nachhaltigen Bauweise wird die Nutzung erneuerbarer Ressourcen
angestrebt und diese sollten nur in dem Maße genutzt werden, wie
sich der Bestand auf natürliche Weise regenerieren kann.
Holz ist derzeit der einzige natürliche und nachhaltige
Werkstoff, der im europäischen Bauwesen in Größenordnungen
eingesetzt wird. Holz steht als nachwachsender Rohstoff in ausreichenden
Mengen zur Verfügung und wird nahezu CO2-neutral
erzeugt. Darüber hinaus ist Holz ohne großen Aufwand zu
verarbeiten, lässt sich gut bearbeiten und ist bei fachgerechter
Ausführung ein dauerhafter Konstruktionswerkstoff.
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Trotz
der o. g. Vorteile der Holz-Beton-Verbundbauweise können
sich im Neubaubereich nur wirtschaftlich konkurrenzfähige
Systeme durchsetzen.
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Bei
der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Formschlussverbindung,
welche hauptsächlich beim Neubau von Deckensystemen zum Einsatz
kommen soll und durch die Kombination von sparsamer und sinnvoller
Verwendung von Materialien mit Elementen der industriellen Vorfertigung
eine wirtschaftlich attraktive Alternative zu den vorhandenen Verbindungen
darstellt.
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Beschreibung des vorliegenden Systems
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Das
vorliegende System (siehe Anlage, 1) ist ein
Doppel-T-Querschnitt aus Stahlbetonplatte als Obergurt (4),
Holzbalken als Steg (1) und einer Holzwerkstoffplatte als
Untergurt (5). Der statisch-konstruktive Vorteil eines
Biegeträgers mit Doppel-T-Querschnitt gegenüber
einem mit Rechteckquerschnitt liegt in der sinnvolleren Ausnutzung
der Tragfähigkeitspotentiale der Querschnittsteile.
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Ober-
und der Untergurt werden auf unterschiedliche Weise an den Steg
angeschlossen. Der Untergurt, im vorliegenden Fall eine Holzwerkstoffplatte,
beispielsweise eine OSB-Platte, wird durch stiftförmige
Verbindungsmittel oder eine Klebeverbindung am Steg befestigt.
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Als
Lösung für die Gestaltung der Verbundfuge zwischen
Obergurt und Steg werden an die Außenseiten der Holzbalken
Holzlaschen (2) in regelmäßigen Abständen
in Spannrichtung mit stiftförmigen Verbindungsmitteln (3)
angebracht. Die Holzlaschen enden auf Seite des Untergurtes bündig
mit dem Holzbalken und überragen betonseitig den Steg um
maximal die Höhe des bewehrten Betonspiegels (4).
Der Beton umschließt mit der Betonage die den Holzbalken überragenden
Holzlaschen, wodurch der Formschluss entsteht.
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Im
Zwischenraum (6) zwischen Stahlbetonplatte (4)
und Holzwerkstoffplatte (5) besteht Raum zur Leitungsführung
von Haustechnik. Dieser wird mit geeignetem Dämmmaterial,
z. B. Schüttung oder Mineralwolle, ausgefüllt.
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Anwendung des vorliegenden Systems
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Das
System wird als Halbfertigteil auf die Baustelle geliefert, das
heißt, die Laschen und der Untergurt werden bereits werkseitig
an den Steg angeschlossen, was eine effektive Montage ermöglicht. Demzufolge
entfällt das kostspielige Einbringen der Verbindungsmittel
auf der Baustelle. Die dargestellte Verbindung ist äußerst
robust, so dass beispielsweise die Holzlaschen vor der Betonage
nicht durch Tritte beschädigt werden können.
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Das
Halbfertigteil als Platte (5) mit Überzug (1)
ist für übliche Spannweiten des Hochbaus ohne Unterstützung
ausreichend tragfähig für den Montagezustand.
Nach dem Verlegen des Systems als Halbfertigteil erfolgt die Leitungsführung
der Haustechnik und das Einbringen eines geeigneten Dämmmaterials
im Zwischenraum (6). Anschließend wird die konstruktive
Bewehrung verlegt und es erfolgt der Betoniervorgang, wobei die
den Holzbalken überragenden Holzlaschen vom Beton umschlossen
werden. Während des Betoniervorgangs ist eine zeitweilige
Unterstützung des Systems erforderlich.
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Tragverhalten des vorliegenden Systems
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Das
System wirkt als Verbundbauteil aus nachgiebig miteinander verbundenen
Querschnittsteilen. Die Schnittgrößen werden von
Kräftepaaren in den einzelnen Querschnittsteilen und von
den Kräftepaaren des Gesamtquerschnitts aufgenommen.
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Die Übertragung
der Längsschubkraft zwischen Steg und Obergurt funktioniert
einerseits über den Formschluss und die damit verbundene
Teilflächenpressung zwischen Holzlaschen und Beton und andererseits über
den Lasteintrag in den Steg über die Kräfte in
den stiftförmigen Verbindungsmitteln der Laschen.
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Der
Längsschub in der Fuge zwischen Steg und Untergurt wird über
stiftförmige Verbindungsmittel oder eine Klebeverbindung
aufgenommen.
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Die
Querverteilung der Flächenlasten erfolgt über
die konstruktiv bewehrte Betonplatte.
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Bemessung des vorliegenden Systems
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Die
Dimensionierung der Bauteile erfolgt nach den Anforderungen an die
Tragfähigkeit (z. B. Spannweite), nach den Anforderungen
an die Gebrauchstauglichkeit (z. B. Schwingungsverhalten) und nach
den bauphysikalischen Anforderungen wie Schallschutz und Brandschutz.
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Die
Bemessung hierzu erfolgt nach DIN 1045-1:2001-07 (Tragwerke
aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton) und DIN 1052:2004-08 (Holzbauwerke),
insbesondere Abschnitt 8.6.2: „Verbundbauteile aus nachgiebig
miteinander verbundenen Querschnittsteilen".
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- 1
- Steg
(Holzbalken)
- 2
- Laschen
(Holzbretter)
- 3
- stiftförmige
Verbindungsmittel
- 4
- Obergurt
(Stahlbetonplatte)
- 5
- Untergurt
(Holzwerkstoffplatte)
- 6
- Zwischenraum
(gefüllt mit Dämmmaterial)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN 1045-1:2001-07 [0026]
- - DIN 1052:2004-08 [0026]