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Die Erfindung betrifft einen Fachwerkträger einschließlich eines unterspannten Trägers sowie ein zugehöriges Verfahren zur Herstellung eines derartigen Fachwerkträgers.
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Knotenverbindungen von Fachwerken stellen insbesondere im Holzbau ein Problem dar, da die Kräfte der am Knoten angreifenden Stäbe über entsprechende Verbindungselemente und Verbindungsmittel umgelenkt werden müssen. Die Realisierung dieser Verbindungen, insbesondere die Anbindung zugbeanspruchter Stäbe, ist aufgrund der starken Anisotropie und den teils ineffizienten Verbindungstechniken schwierig und mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden.
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Nach dem Stand der Technik sind Stab-Dübel-Verbindungen mit einem oder mehreren ins Holz eingeschlitzten Stahlblechen bekannt. Auf Grund der einzuhaltenden Verbindungsmittelabstände sowie der effektiv wirkenden Anzahl von Verbindungsmitteln ergeben sich häufig sehr massive Anschlussbereiche. Hinzu kommt es zur Beanspruchung des Holzes senkrecht oder im Winkel zur Faser infolge der in verschiedene Richtungen wirkenden Dübelkräfte. Die Folge sind Verbindungen mit mäßiger Traglast und Steifigkeit und möglichen spröden Versagensformen. Ein weiteres Problem der Verbindungen besteht darin, dass alle metallischen Teile auf Grund möglicher Brandschutzforderungen besonders geschützt werden müssen. Hinzu kommt die aufwändige Fertigung der Anschlüsse und die Kosten für die vorzubohrenden Knotenbleche.
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Ähnliches gilt für Dübel besonderer Bauart (wie z. B. Einlass- oder Einpressdübel), die insbesondere massive Stäbe und Anschlussbereiche erfordern. Bei diesen Lösungen werden die Gurte häufig zweiteilig ausgeführt, um die Dübel in die Scherfugen einlegen zu können.
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Sogenannte Zimmermannsverbindungen genügen meist nicht den Ansprüchen in Bezug auf Traglast, da die Kräfte der Druckstreben im Winkel zur Faser der Gurte abgesetzt werden. Dies führt zu deutlich niedrigeren Traglasten bzw. zu einer Minderung des Wirkungsgrades. Problematisch ist jedoch die Passgenauigkeit dieses Verbindungstyps, so dass stets mit relativ großen Tragwerksverformungen zu rechnen ist.
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Bekannt sind auch Lösungen von Stabwerken mit primär auf Druck beanspruchten Stäben. Dabei werden beispielsweise die Stäbe auf herkömmliche Weise über Stabdübel und räumliche Knotenbleche miteinander verbunden und die Bereiche zwischen den Stirnseiten der Stabenden inklusive Knotenbleche und zusätzlicher Rissbewehrung mit Vergussmörtel ausgegossen. Diese leistungsfähigen Anschlüsse für Stabwerke erfordern das Einschalen der Knotenbereiche. Der Beton schützt den Stahl gegen Korrosion und füllt trotz schwieriger Geometrie den Zwischenraum zwischen den Holzstabenden absolut formschlüssig aus.
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Im Holz-Beton-Verbundbau werden zur Schubkraftübertragung zwischen der Betonplatte und den Biegeträgern aus Holz häufig schräg ins Holz eingedrehte Schrauben (vorzugsweise im Winkel von 45°) verwendet. Bekannt sind auch Lösungen mit gegossenen Betonnocken inklusive Stahlbewehrung.
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So ist beispielsweise ein verbindender Körper für den Holzbau aus der
DE 36 34 039 A1 bekannt geworden. Zur Kraftübertragung von einem Holzbalken beispielsweise auf ein metallisches Bauteil wird eine Axialbohrung von der Stirnseite des Holzbalkens in den Holzbalken eingetrieben und darin ein Kraftübertragungselement eingeschoben, welches axial beabstandete Abschlussplatten aufweist, zwischen denen Kraftübertragungsstäbe verlaufen. Ferner werden quer zur Axialrichtung des Holzbalkens Stahldübel eingetrieben, die den Raum auch zwischen den Kraftübertragungsstäben durchdringen. Anschließend wird der gesamte Raum mit einem Vergussmittel ausgegossen. Eine Knotenverbindung selbst ist hieraus nicht zu entnehmen.
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Ein Vorschlag für eine Verbindung lastführender Holz- und Metallelemente ist beispielsweise auch aus der
DE 102 15 795 A1 bekannt geworden. Die Holz- und Metallteile werden dabei miteinander in einem Überlappungsbereich mittels Kleber vergossen und zwar an einander eng benachbart gegenüberliegenden und parallel zu einer Hauptlastrichtung sich erstreckenden Holz- und Metallflächen.
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Eine Knotenverbindung ist beispielsweise aus der
EP 1 002 164 B1 zu entnehmen. Es wird hier vorgeschlagen, einen Gewindestab in eine Axialbohrung über die Stirnseite eines Holzbalkens einzudrehen und mit einer zusätzlich vorgesehenen Fixiereinrichtung zu sichern, wobei das Gewindeglied mit einem Kleber in der Bohrung zusätzlich befestigt ist. Das am Rohrglied über dem Holzbalken axial überstehende Verbindungselement besteht aus Metall und kann beispielsweise an einem sichtbaren kugelförmigen Kernanschlussstück angeschlossen werden, um hier zentral die Kräfte an dem so gebildeten Knotenpunkt zu übertragen.
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Gemäß der
DE 20 2008 004 380 U1 wird vorgeschlagen, an einem Knotenpunkt einen Metallkasten zu verwenden, der Öffnungen aufweist, an denen die zu verbindenden Zapfenenden eingeschoben werden können. Zusätzlich sind in dem kastenförmigen Gehäuse Spann- und Fixierelemente vorgesehen, um die Enden zu verklemmen. Schließlich wird über eine separate in dem kastenförmigen Gehäuse vorgesehenen Öffnung Vergussmaterial eingegossen, um den verbleibenden Freiraum zu vergießen.
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Auch gemäß der
DE 25 05 049 A1 wird eine vergleichbare Konstruktion vorgeschlagen, bei welcher ein metallisches Gehäuse verwendet wird, in welchem Bohrungen eingebracht sind, um hier die Enden der zu verbindenden Holzbohrteile (Pfosten) einzuführen. Schließlich wird der verbleibende Freiraum in dem metallischen Gehäuse mittels einer aushärtbaren Vergussmasse ausgegossen.
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Aus der
CH 371 241 A ist ferner eine Knotenpunktverbindung für Holzkonstruktionen mit einem Gurt und zu einem Zapfen miteinander verzinkten Strebenende als bekannt zu entnehmen, wobei im Obergurt eine entsprechende Ausnehmung eingearbeitet ist, wobei die im Obergurt eingearbeitete Ausnehmung bei einem Längsschnitt durch den Gurt gesehen ebene Wände aufweist, wobei der Winkel dieser einander gegenüberliegenden Stirnlochwände dem Winkel der einzuführenden Streben entspricht. Die Streben sind dabei miteinander verzahnt. Zugkräfte können bei dieser Konstruktion vom Obergurt überhaupt nicht aufgenommen werden.
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Schließlich wird auch noch auf die Vorveröffentlichung
DD 55 868 verwiesen, die ebenfalls eine Knotenverbindung für Rohrstabanschlüsse zeigt. Hier wird eine aus gegossenem oder gepresstem, vorzugsweise nicht metallischem Material bestehende schalen- oder kugelförmige Knotenverbindung vorgeschlagen, in die Hülsenteile eingeschraubt oder eingepresst werden. Dort können dann Rohrstäbe direkt oder Gewindebolzen an die kugelförmige Knotenverbindung angeschlossen werden.
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Vorstehend genannte Konstruktionen weisen aber allesamt eine Reihe von Nachteilen auf.
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Ein weiterer Fachwerkträger ist aus der
CH 673 305 A5 bekannt geworden. Gezeigt ist in dieser Vorveröffentlichung ein Obergurt eines Fachwerkträgers, der mit zwei Streben verbunden werden soll. Dabei sind in die beiden Streben an deren stirnseitigen Enden in die Strebe hineinverlaufend Axialbohrungen eingebracht, in welche entsprechende Hohlzylinderkörper eingesetzt sind. Die Hohlzylinderkörper sind an die Stirnseiten des Holzträgers angrenzend mit vorstehenden Haltelementen versehen, die über eine Axialbolzenverbindung mit einer Halteplatte verbunden sind. Die Halteplatte selbst weist zwei versetzt zueinander liegende parallel verlaufende hohlzylinderförmige Teile auf, die in entsprechende Sackbohrungen im Obergurt eingefügt werden. Die hohlzylinderförmigen Teile selbst sind mit Durchgangslöchern im Zylindermantel versehen, und werden zusammen mit Epoxidharz ausgefüllt.
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Mit anderen Worten wird die eigentliche Zug- und Druckstrebe über in diese Zug- und Druckstrebe eingearbeitete aus Metall bestehende Halteelemente unter Zwischenschaltung einer Halteplatte mit einem Obergurt verbunden, wobei sich die gesamte Befestigungseinrichtung im freien Raum zwischen Obergurt und Druck- und Zugstrebe befindet.
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Ein gattungsbildender Fachwerkträger ist aus der
US 3 813 842 A bekannt geworden. Er umfasst zumindest eine Druckstrebe und eine Zugstrebe mit einem Ober- und/oder Untergurt sowie eine zugehörige Knotenverbindung. In dem Ober- bzw. Untergurt ist eine Ausnehmung im Holz eingearbeitet, und zwar mit einer Einführöffnung auf der Anschlussseite für die Druck- und Zugstrebe. Die Ausnehmung selbst ist mit ausgehärtetem Vergussmaterial unter Bildung eines Druckknotens befüllt. Die Zugstrebe ist mit einem Zuganker in Form eines Knotenblechs mit der Druckstrebe versehen, welches sich in der Ausnehmung befindet. Der Druckstab ist dabei in der mit ausgehärtetem Vergussmaterial befüllten Ausnehmung schubsteif über das Vergussmaterial an den Ober- bzw. Untergurt angebunden und die Zugstrebe ist dabei ferner in der mit ausgehärtetem Vergussmaterial befüllten Ausnehmung rückverankert angebunden.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine leistungsfähigere Verbindung für Fachwerkträger und unterspannter Träger aus Vollholz, Furnierschichtholz oder Brettschichtholz oder dergleichen auf Basis von gegossenen Druckknoten zu schaffen, die auch in wirtschaftlicher Hinsicht kostengünstig realisierbar sind. Dabei soll die erfindungsgemäße Lösung vorzugsweise auch Varianten umfassen, bei denen die entsprechenden Einzelelemente herstellerseitig komplett vorgefertigt sein können, um diese vorgefertigten Einzelteile dann auf einer Baustelle zu Fachwerkträgern zusammenzufügen und anschließend durch den Verguss der Knoten zu fixieren, um letztlich den Transport zu erleichtern und die Baukosten zu verringern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich der Knotenverbindung entsprechend den im Anspruch 1 und bezüglich des Herstellverfahrens entsprechend den im Anspruch 18 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass in die Gurte der Fachwerkträger Ausnehmungen eingearbeitet werden, in die die anzuschließenden Zug- und Druckstäbe eingreifen, wobei diese Ausnehmungen anschließend mit Vergussmörtel ausgegossen werden. Nach dem Aushärten des Vergussmaterials ist der Vergussknoten in der Lage, die Kräfte des anzuschließenden Druckstabes sowie des Gurtes über Kontaktflächenpressung zu übertragen, wobei die Kräfte der anzuschließenden Zugglieder über Ankerelemente rückverankert werden und somit ebenfalls Druckkräfte in den Knoten eingeleitet werden, so dass dieser in einen mehraxialen Druckspannungszustand gesetzt wird und sich am Fachwerkknoten ein Kräftegleichgewicht einstellt.
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Im Rahmen der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die Kräfte innerhalb des Knotens über den Verguss übertragen werden und ein Ankerelement die Rückverankerung der Zugstrebe bewirkt.
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Die Wirkungsweise des vorgestellten Systems beruht vorzugsweise auf der Annahme, dass die von der Druckstrebe eingeleitete Normalkraft faserparallel auf den gegossenen Knoten abgesetzt wird. Diese Kraft wird vom Ankerelement des Zugstabes so umgelenkt, dass die resultierende Kraft faserparallel über Kontaktflächenpressung in den Gurt eingeleitet wird.
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Im Rahmen der Erfindung können verschiedene Materialen und Verbindungstypen angewendet werden. Dabei kommen auch unterschiedliche Anordnungen in Betracht. Dabei wird angemerkt, dass der Werkstoff Holz aufgrund seiner Anisotropie nur bei faserparalleler Beanspruchung in der Lage ist, entsprechend hohe Zug- und Druckkräfte zu übertragen. Stahl eignet sich insbesondere zur Übertragung von Zugkräften. Beton bzw. Vergussmörtel weist im Wesentlichen nur unter Druckbeanspruchung hervorragende Festigkeitseigenschaften auf. Die Kombination der Verbindungstypen: klassischer Stirnversatz, gegossene Betonnocken und Verankerung von Zuggliedern aus Stahl im Beton resultiert in einem Knotensystem für Fachwerkträger aus Holz mit hoher Traglast, Steifigkeit und Passgenauigkeit.
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Durch den material- und beanspruchungsgerechten Einsatz der Werkstoffe entsteht eine Knotenverbindung mit hohem Wirkungsgrad, sehr guter Ästhetik und hohem Brandwiderstand bei gleichzeitiger Minimierung des Stahlanteils in der Verbindung. Die hohe Traglast der Verbindung wird auf Grund der faserparallelen Druckbeanspruchung der Stäbe erzielt. Die hohe Steifigkeit der Verbindung ist Folge des passgenauen Formschlusses der Stabelemente und des Vergussknotens.
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Das Verbindungskonzept ist auf verschiedenen Ebenen oder räumlichen Fachwerksystemen (Parallelfachwerk, Fachwerk mit angehobener Traufe) mit Druck- und Zugdiagonalen als auch für unterspannte Träger anwendbar. Im Fall eines parallelgurtigen Fachwerks mit geneigten Druckdiagonalen sind die Zugstäbe vorzugsweise im Winkel von 90° zum Gurt angeordnet. Umgekehrt gilt dies für Fachwerke und unterspannte Träger mit geneigten Zugdiagonalen. In diesen Fällen sind die Druckstäbe vorzugsweise im Winkel von 90° zum Gurt angeordnet. Die in die Gurte eingreifenden Zapfen der vertikalen Druckstreben sind bevorzugt schräg angeschnitten, so dass sich beim Verguss der Knoten keine Lufteinschlüsse bilden. Der Neigungswinkel der Diagonalen liegt je nach statischen Erfordernissen bzw. gegebenen Randbedingungen i. d. R. zwischen 30° und 60°.
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Die Druckstreben werden von der Ausnehmung im Gurt seitlich geführt und mittels zusätzlicher Verbindungsmittel in ihrer Lage gesichert. Die Enden der Druckstreben können verjüngt sein, so dass nur die schmalen Zapfen in den Gurt eingreifen. Im Falle einer möglichen Lastumkehrung, d. h. bei Zugbeanspruchung, sind zusätzlich stirnseitig eingeleimte Gewindestangen (ähnlich einem Zugstab) oder aber schräg eingedrehte Schrauben zu verwenden.
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Die Zug- und Druckstäbe können aus unterschiedlichsten Materialien bestehen und unterschiedlichsten Formen aufweisen. Auch die Ankerelemente können unterschiedlich bezüglich ihrer geometrischen Größe und Formgebung, ihrer maximalen Zugkraft-Aufnahme etc. gestaltet sein.
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Auch die erwähnten auszugießenden Ausnehmungen im Gurt könnten unterschiedlich gestaltet sein, beispielsweise zylindrisch, quaderförmig etc.
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Zur Lagesicherung der Vergussknoten können ebenfalls unterschiedliche Maßnahmen ergriffen werden, beispielsweise schräg ins Holz eingedrehte Schrauben. Ebenso können die Seitenflächen der Ausnehmungen mit Profilierungen versehen sein. Grundsätzliche Ein- oder Beschränkungen gibt es auch hier nicht.
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Als Vergussmassen kommen im Rahmen der Erfindung ebenfalls unterschiedlichste Materialien in Betracht. Bevorzugt werden besonders hochwertige, schwindfreie Vergussbetone, zementgebundene Vergussmörtel oder Kunstharzvergussmörtel verwendet.
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Die Besonderheit der Erfindung besteht also in der kraftgerechten Anordnung von Verbindungselementen eines Fachwerkknotens. Gemäß der Erfindung ist es dabei möglich, Zugstäbe rückverankert und Druckstäbe des Fachwerks schubsteif an dessen Gurte anzubinden. Dafür werden in die Gurte die erwähnten Ausnehmungen eingebracht, in die die anzubindenden Streben eingeschoben werden. Der verbleibende Hohlraum der Ausnehmung wird im Anschluss mit Vergussmörtel ausgegossen. Dieser Vergussmörtel härtet zu einem druckfesten Knotenelement aus. Die Kräfte der Druckstreben und Gurte werden dabei über Kontaktflächenpressung in die Vergussknoten übertragen. Ferner werden die Kräfte der Zugstäbe über Zuganker aus Stahl (die den Vergussknoten durchdringen) mit an den Enden der Zugstäbe befestigten Ankerelementen auf den Vergussknoten übertragen. Die Zugkräfte werden also über die rückwärtig, an den Zugstäben vorgesehenen Anker in den Knoten eingeleitet, ohne dabei mit einem weiteren Stahlteil verbunden zu werden. Infolge des Kräftegleichgewichtes stellt sich ein stabiler mehraxialer Druckspannungszustand im Knoten ein. Das Einschalen der Knoten entfällt, da der Vergussmörtel in vorbereitete Ausnehmungen im Gurt eingebracht wird.
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Die Fertigung der Fachwerkträger erfolgt je nach Trägergeometrie im Werk oder auf der Baustelle. Die vorgefertigten Einzelelemente werden zu einem Fachwerkträger liegend oder auch stehend zusammengesetzt bzw. montiert. Danach werden zuerst die Ausnehmungen des Ober- oder aber des Untergurtes mit Vergussmörtel ausgegossen. Nach dem Aushärten des Vergusses wird der Träger gedreht, so dass der andere Gurt vergossen werden kann.
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Die Vorteile der beschriebenen Erfindung liegen vor allem in der Erzielung einer hohen Festigkeit bzw. Traglast der Anschlüsse. Der hohe Wirkungsgrad wird dadurch erzielt, dass bei Verwendung von Holz, die Spannungen ins Holz nur faserparallel eingeleitet werden. Aufgrund des Vergusses des Knotens mit schwindfreiem Vergussmörtel entsteht eine formschlüssige, schlupffreie Verbindung von sehr hoher Passgenauigkeit. Dies hat zur Folge, dass die Verbindung eine sehr hohe Steifigkeit aufweist, die zu minimalen Verformungen bzw. Durchbiegung des Fachwerks führen. Die Verbindung ist einfach und schnell zu fertigen, da bis auf das Einbringen der Ausnehmungen in den Gurten nur wenige Vorarbeiten notwendig sind.
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Wenn Zugstäbe mit ins Holz eingeleimten Gewindestangen verwendet werden, sind zudem keine metallischen Verbindungsmittel zu erkennen. Auch die Fugen sind kaum sichtbar. Diese Knotenlösung zeichnet sich durch die sehr gute Ästhetik sowie einen hohen Brandwiderstand aus. Alle metallischen Teile der Verankerung sind durch den Vergussmörtel und/oder das Holz gegen Korrosion geschützt.
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Eine Vordimensionierung bzw. Optimierung des Tragwerks ist einfach möglich, da nur einfache Bemessungsansätze genügen. Das Fachwerk bzw. dessen Knoten sollte auf Druckversagen der Streben bemessen werden, um ein duktiles Versagen der Konstruktion zu ermöglichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:
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1: in schematischer auszugsweiser Seitendarstellung ein Fachwerk mit geneigten Druckdiagonalen und vertikalen Zugstreben;
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2: eine schematische auszugsweise Darstellung eines unterspannten Trägers mit geneigten Zugdiagonalen und vertikalen Druckstreben;
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3a: eine Seitendarstellung teilweise im Schnitt bezüglich eines Fachwerkknotens mit geneigt verlaufender Druckdiagonale und vertikaler Zugstrebe unter Verwendung einer Gewindestange;
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3b: einen Grundriss auf das Ausführungsbeispiel gemäß 3a;
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4: eine zu 3 ähnliche Darstellung eines leicht abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Fachwerkknotens unter Verwendung einer vertikalen Zugstrebe aus Holz mit einer eingeleimten Gewindestange;
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5: ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbeispiel ähnlich zu 3a und 4 bezüglich eines Fachwerkknotens (teilweise im Schnitt) mit einer geneigten Druckdiagonale inklusive einer Schraube zur Lagesicherung des Vergussknotens sowie einer zusätzlichen in die Druckdiagonale eingedrehten Gewindestange zur Lagesicherung der Druckstrebe;
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6a: ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel in Seitendarstellung, teilweise im Schnitt, bezüglich eines Fachwerkknotens mit geneigter Zugdiagonale mit einer Schraube zur Lagesicherung des Vergussknotens;
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6b: einen Grundriss auf das Ausführungsbeispiel nach 6a;
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7a: ein zu 6a und 6b abgewandeltes Ausführungsbeispiel in schematischer teilweise geschnittener Seitendarstellung bezüglich eines Vergussknotens, der sich über die gesamte Gurthöhe erstreckt, und zwar mittels einer oder mehrerer Schrauben zur Lagesicherung des Knotens und mit zumindest einer oder mehrerer Schrauben zur Lagesicherung der vertikalen Druckstrebe; und
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7b: einen Grundriss auf das Ausführungsbeispiel gemäß 7a.
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Nachfolgend wird anhand von 1 und 2 auf Grundbeispiele eingegangen, bei welchen eine erfindungsgemäße Knotenverbindung realisiert werden kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist schematisch ein Fachwerk 1 dargestellt, welches unter anderem einen Obergurt 3 und einen im Abstand dazu tiefer liegend angeordneten Untergurt 5 umfasst. Ober- und Untergurt 3, 5 sind in der Regel parallel zueinander angeordnet.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ober- und der Untergurt 3, 5 über diagonal verlaufende, also beispielsweise in einem Winkel von 20° bis 70° und vorzugsweise 30° bis 50°, im gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Winkel α um knapp 40° gegenüber der in horizontaler Ebene verlaufenden Druckstreben 7, angeordnet, wobei in einem jeweiligen Druckknoten 9, also an den Verankerungs- und Abstützstellen der Druckstrebe 7 an dem Ober- bzw. Untergurt 3, 5 zusätzlich noch vertikal verlaufende Zugstreben 11 in dem gleichen Druckknoten 5 verankert sind.
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Bei der Variante gemäß 2 ist ein unterspannter Träger 1', d. h. eine unterspannte Tragkonstruktion 1' gezeigt, und zwar ebenfalls wieder mit einem Obergurt 3 und einem im Abstand dazu darunter befindlichen Untergurt 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind nunmehr die Druckstreben 7 vertikal verlaufend ausgerichtet, also senkrecht zum Ober- bzw. Untergurt 3, 5, wohingegen die Zugstreben 11 in dem erwähnten Winkel α schräg zur Horizontalebene verlaufend vorgesehen sind, d. h. in einem Winkel α zum Ober- bzw. Untergurt.
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Die in 1 quer, d. h. senkrecht zum Ober- und Untergurt, verlaufende Zugstrebe 11, die bei der Variante gemäß 5 im Winkel α dazu ausgerichtet verläuft, kann beispielsweise aus einer Gewindestange, einem Rundstahl, Flachstahl, aus Holz mit eingeleimter Gewindestange etc. bestehen.
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Die in 1 und 2 erwähnte Druckstrebe 7 (im gezeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise aus Holz) kann aus einem Kant- oder Rundholz gebildet sein.
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Nachfolgend wird auf die weiteren Figuren eingegangen, um die Ausbildung der erfindungsgemäßen Druckknotenverbindungen in Größe und Detail zu erläutern.
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Anhand von 3a ist in Seitenansicht teilweise im Schnitt ein Obergurt 3 mit einem Druckknoten 9 gezeigt, der nachfolgend in diesem Ausführungsbeispiel teilweise auch als Fachwerk- und/oder Vergussknoten 9 bezeichnet wird.
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Dieses Ausführungsbeispiel entspricht vom Grundsatz her jener Darstellung nach 1.
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Wie bereits erwähnt, besteht die Zugstrebe 11 entweder aus einem durchlaufenden Rundstahl oder einer Gewindestange, die auch mit Spannschlössern zum Nachspannen der Strebe versehen sein kann. Möglich sind aber auch Zugstreben aus Holz mit an den Stabenden angeleimten Gewindestangen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 3a und 3b wird als Zugstrebe 11 eine Gewindestange 11a verwendet, die im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zum Obergurt 3 verläuft. Am oben liegenden Ende ist auf der Gewindestange mittels Verbindungsmitteln 15, im gezeigten Ausführungsbeispiel in Form von Muttern 15', ein beispielsweise scheibenförmiges Ankerelement 17 gesichert, indem dieses Ankerelement 17 mit seiner in dem Ankerelement eingebrachten Bohrung auf den Gewindestab 11a aufgeschoben und beidseits durch jeweils eine der erwähnten Muttern 15' im Endbereich des Gewindestabes festgehalten und gesichert ist. Diese Ankerelemente 17 können beispielsweise aus runden oder rechteckigen, allgemein n-polygonalen oder sonst wie geformten Ankerplatten oder Ankerwinkeln oder dergleichen bestehen und an die Gewindestange angeschraubt oder angeschweißt sein etc. Die Ankerelemente sind notwendig, da die Verankerungslänge der Zugstrebe aufgrund der begrenzten Knotengeometrie unzureichend ist.
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Die Geometrie der Ankerelemente 17 ist abhängig von der Größe der zu übertragenden Zugkraft sowie von der Neigung der Zugstrebe relativ zum Gurt. Die Geometrie der Ankerelemente hat maßgebenden Einfluss auf die Geometrie der Ausnehmung A im Gurt.
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Aus den 3a und 3b ist also zu ersehen, dass in dem betreffenden Gurt, hier in dem betreffenden Obergurt 3, in das Material des Obergurtes 3 eine Ausnehmung A eingearbeitet wird, die sowohl zu den beiden gegenüberliegenden Längsseiten 3a (die im gezeigten Ausführungsbeispiel horizontal ausgerichtet sind) als auch zur Ober- oder Außenseite 3b verschlossen ist, Mit anderen Worten ist die Ausnehmung A so geformt, dass sie eine Einführöffnung E zu der Ausnehmung nur auf der Unterseite 3c des Obergurtes aufweist.
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Ferner ist in 3a sowohl für den Obergurt 3 als auch beispielsweise für die Druckstrebe 7 die jeweilige Längsrichtung 10 der Holzfasern der Holzstreben eingezeichnet. Mit anderen Worten ist die jeweilige Holzstrebe, z. B. der Obergurt, der Untergurt, die Druckstrebe etc., mit ihrer Längsrichtung 10 jeweils faserparallel, das heißt zumindest näherungsweise parallel zu den Holzfasern 10 ausgerichtet.
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Die Ausnehmungen A im Ober- wie aber auch im Untergurt (in 3a und 3b ist jeweils nur der Obergurt gezeigt) können wiederum weitgehend beliebige Formen aufweisen, also insbesondere zylindrisch, quaderförmig etc. sein. Die jeweilige Ausnehmung A ist auf der Seite der eingreifenden Diagonal-Abstützung (also auf der Anschlussseite 3c) mit einer in das Holz eingearbeitete Abschrägung A1 versehen, so dass die betreffende Druckstrebe 7 oder bei entsprechend anderen Konstruktionen (z. B. wie in 2 gezeigt) die Zugstrebe 11 mit ihrem Ende in die Ausnehmung A eingelegt werden kann. Die erwähnte Tiefe T der Ausnehmung A kann je nach Anwendungsfall ein Teil der gesamten Gurthöhe H oder nur eine Teilhöhe bezüglich der vollen Gurthöhe betragen.
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Die Abmessungen der Ausnehmung A richten sich nach den statischen Erfordernissen. Beispielsweise kann es im Auflagebereich eines Fachwerkträgers notwendig sein, die Ausnehmung A über die gesamte Gurthöhe einzubringen. Dies hat den Vorteil, dass die Auflagekräfte direkt an den Vergussknoten und nicht indirekt über das Holz in den Knoten eingeleitet werden müssen. Dies hat zwar eine große Querschnittsschwächung des Gurtes zur Folge, dessen Normalkraft jedoch im Auflagebereich vergleichsweise gering ist. Im mittleren Bereich des Trägers mit den hohen Normalkräften in den Gurten sind die Querschnittsschwächungen jedoch wesentlich geringer, da die Druckstreben in diesem Bereich vergleichsweise gering beansprucht werden und deshalb kleinere Querschnitte aufweisen.
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Wie sich insbesondere auch aus der Draufsicht gemäß 3b ergibt, ist die Breite B der Ausnehmung A kleiner als die Breite des Ober- oder Untergurt, der Druck- oder Zugstreben etc., so dass jeweils seitlich zu der Ausnehmung A auch ein verbleibender Materialabschnitt M verbleibt. In optischer Hinsicht ergibt sich dadurch ein Bild bei Seitenbetrachtung, als ob der Obergurt bzw. der Untergurt völlig ungeschwächt durchläuft, da die Seitenbegrenzungswände 3a keine Ausnehmungen aufweisen. Dabei ist die Ausnehmung A bevorzugt so in den jeweiligen Ober- oder Untergurt eingearbeitet, dass die Ausnehmung A symmetrisch zur Gesamtbreite des Ober- oder Untergurtes zu liegen kommt, beide verbleibenden Seitewandabschnitte M eine in etwa gleiche Dicke aufweisen.
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Mit einer entsprechend den 3a und 3b vorbereiteten Ausnehmung A kann nunmehr der Endbereich 19, d. h. im gezeigten Ausführungsbeispiel der Zapfen 19 der Druckstrebe 7 mit seiner Druck-Kontaktfläche 21, im gezeigten Ausführungsbeispiel also in Form seiner Stirnfläche 19' in die Ausnehmung A eingefügt werden, und zwar so, dass an der geneigt verlaufenden Stirnfläche 19' vorbei die senkrecht zum Obergurt 3 verlaufende Zugstrebe 11 mit ihrer Druck- und Kontaktfläche im Bodenbereich der Ausnehmung ebenfalls eingelegt werden kann, so dass das Ankerelement 17 mit seiner Kontaktfläche 17' an dem Bodenbereich A2 der Ausnehmung A anliegt. Oberhalb des Ankerelementes 17 ist dazu noch eine geringfügig weitere Ausnehmungserweiterung in den Obergurt mit einzuarbeiten, um hier Raum zu schaffen, damit das oben liegende Gewindeende 11b zusammen mit dem dort vorgesehenen Verbindungsmittel 15 in Form der Mutter 15' in diesem zusätzlichen im Holz eingearbeiteten Aufnahmeraum zu liegen kommt.
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Durch die spezifische Form der Ausnehmung A wird dabei im gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zur Gewindestange 11 verlaufend eine Druck-Kontaktfläche 22 zwischen dem Gurt und den in die Ausnehmung A zu erstellenden Druck- und/oder Vergussknoten 9 gebildet.
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In die so vorbereitete Ausnehmung A und die entsprechend justierte Druckstrebe 7 sowie Zugstrebe 11 wird dann die Ausnehmung A mit Vergussmaterial unter Bildung des erwähnten Druck- und/oder Vergussknotens 9 ausgegossen. Während oder vor der Aushärtung oder auch kurz nach dem Ausgießen können Bewehrungsmittel wie Stahlstäbe, Stahldrahtfasern, Glasfasern oder und/oder Kohlenstofffasern oder dergleichen in das Vergussmaterial gegeben werden.
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Als Vergussmassen werden hochwertige, schwindfreie Vergussbetone, zementgebundene Vergussmörtel oder Kunstharzvergussmörtel verwendet. Die Vergussmörtel sind hochfließfähig und können zusätzlich mit Stahlstäben, Stahldrahtfasern, Glasfaser, Kohlenstofffasern, o. ä. bewehrt sein. Kunstharzmörtel haben neben der hohen Festigkeit den Vorteil, dass diese einen guten Haftverbund mit dem Holz eingehen, schnell und ohne Abgabe von Wasser aushärten. Zudem sind diese in der Lage, auch Zugspannungen zu übertragen. Zementgebundene Vergussmörtel sind durch deren hohen Brandwiderstand und den guten mechanischen Eigenschaften bei Druckbeanspruchung gekennzeichnet. Aufgrund der Wasserabgabe während des Abbindeprozesses ist es vorteilhaft, die Holzoberfläche der auszugießenden Ausnehmung mit einem wasserundurchlässigen Anstrich zu versehen.
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Die erwähnte Gewindestange 11 dient also in dem erläuterten Ausführungsbeispiel gleichzeitig auch als Zuganker 111. An dem Ankerelement 17 ist dabei eine entsprechende Druck- und/oder Kontaktfläche 121 gegenüberliegend zum Boden A2 der Ausnehmung A gebildet, und zwar auf der Seite, auf der die Ankerplatte mit dem Vergussmaterial des Vergussknotens 9 in Kontakt steht.
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Die Ausbildung des Druck- und Gussknotens 9 ist im Bereich des Untergurtes entsprechend.
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Anhand von 4 ist nur eine geringfügige Abweichung gegenüber 3a dergestalt eingezeichnet, als die Gewindestange 11a nicht durchgängig ist, sondern die Zugstrebe letztlich aus Holz, beispielsweise einem Holzbalken besteht, in welche eine Gewindestange 11a zumindest über eine axiale Teillänge jeweils benachbart zur Ober- wie aber auch zu dem nicht näher gezeigten Untergurt 3, 5 eingedreht und eingeleimt ist.
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Anhand von 5 ist eine weitere Abwandlung gegenüber 3a und 3b dargestellt.
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Aus der Darstellung gemäß 5 ist zu ersehen, dass zur Lagesicherung des Druck- und Vergussknotens 9 schräg im Holz sitzende Formschlusselemente 26 verankert sein können. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden schräg ins Holz eingedrehte Schrauben 25, 27 verwendet. Möglich ist aber ebenso, gleichwirkende oder ähnlich wirkende Maßnahmen vorzusehen, beispielsweise in die Seitenflächen im Bereich der Ausnehmung A Profilierungen einzuarbeiten, beispielsweise zusätzliche Kerven, in welche der Vergussmörtel mit einfließt und nach dem Aushärten einen formschlüssigen Verbund mit dem Ober- oder Untergurt bildet.
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Bei der Variante gemäß 5 sind diese der Lagesicherung des Druck- oder Vergussknotens 9 dienenden Formschlusselemente 26, hier in Form der erwähnten Schrauben 25 gezeigt, die nachfolgend also auch als Sicherungsschrauben 25 bezeichnet werden. Durch diese Maßnahme wird durch das Aushärten der Vergussmasse letztlich jedenfalls eine formschlüssige Verbindung zwischen den Druckknoten 9 und Ober- bzw. Untergurt 3, 5 erzielt. Dazu ist die erwähnte eine oder die gegebenenfalls pro Ausnehmung A vorgesehenen mehreren Sicherungsschrauben 25 in das Material des Obergurtes bzw. des Untergurtes im Bereich der Ausnehmung A so eingedreht, dass der Formschlussabschnitt hier in Form des Schraubenkopfes mit einem Teil des Schraubenschaftes noch im Bereich der Ausnehmung A endet, also beim Ausgießen mit dem Vergussmaterial mit umgossen wird und dadurch eine feste formschlüssige Verbindung mit dem Teil des Schraubenkopfes und des Schraubenschaftes eingeht, der über das Material des Ober- bzw. Untergurtes in den Ausnehmungsraum A hineinragt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei das Formschlusselement 26 hier in Form der Schraube die Druck- und Kontaktfläche 22 durchsetzend im Obergurt 3 verankert, hier eingedreht, welche in der Ausnehmung A gegenüber der Druck- und Kontaktfläche 21 liegt, die an der Stirnfläche 19' des in die Ausnehmung A eingesetzten Zapfenendes 19 ausgebildet ist. Die erwähnte Druck- und Kontaktfläche 22 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht oder zumindest näherungsweise senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des Obergurtes verlaufend ausgebildet. Diese Ausrichtung kann aber um beispielsweise bis zu 30°, vorzugsweise weniger als 20° und insbesondere weniger als 10°, 8°, 6°, 4°, 2° oder weniger als 1° von der Senkrechten zur axialen Längsrichtung des Obergurtes abweichen (entsprechendes gilt für die Knotenausbildung im Untergurt).
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Bei der gezeigten Variante ist auch noch zur Erzielung der Lagesicherung der Druckdiagonale, d. h. der Druckstrebe 7, eine über die Stirnseite 21, also über die Druck- und Kontaktfläche 21 der Druckstrebe 7 in die Ausnehmung A überstehende Sicherungsschraube 27 (also als weiteres Formschlusselement 26) eingeschraubt, um auch hier eine formschlüssige Verbindung zwischen Druck- bzw. Vergussknoten 9 und der Druckstrebe 7 zu gewährleisten. Anstelle der Schrauben können beispielsweise auch in die Druck- und/oder Zugstrebe eingeleimte Gewindestangen zur Lagesicherung verwendet werden, die mit einem Ende in den Aufnahmeraum A hineinragen. Auch anders geartete, mit den Ober- und Untergurt bzw. der aus Holz bestehenden Druckstrebe 7 fest eingearbeitete Formschlusselemente 26 können verwendet werden, die in den Aufnahmeraum A hineinragen und beim Ausgießen mit dem Vergussmaterial formschlüssig umschlossen werden.
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Bei der Variante gemäß 6a und 6b ist nunmehr eine entsprechende Konstruktion für einen Untergurt 5 dargestellt. Die Ausnehmung A im Untergurt ist hier kubisch gestaltet, wobei eine Ankereinrichtung 17 verwendet wird, die im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei senkrecht zueinander liegende Ankerabschnitte 17a und 17b umfasst. Dies ermöglicht, dass das so gebildete Ankerelement 17 im Eckbereich zwischen dem Boden A1 und der einen Seitenwand A3 der Ausnehmung A anliegen kann. Der mittlere Bereich des Ankerelementes, der von der Gewindestange durchsetzt wird, verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Gewindestange, also senkrecht zur Zugstrebe 11, so dass die am Gewindestangenende vorgesehene Mutter 15' in dem Eckbereich der Ausnehmung A zwischen Ausnehmungsboden A2 und Ausnehmungsseitenwand A3 ausreichend Raum bietet, um hier untergebracht zu werden.
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Darüber hinaus ist die Druck- und Kontaktfläche 21 am stirnseitigen Endbereich 19, also am Zapfen 19 der Druckstrebe 7 leicht schräg verlaufend ausgebildet, reicht also auf der der Gewindestange entfernt liegenden Seite tiefer in die Ausnehmung A als an der der Gewindestange 11 zugewandt liegenden Seite. Dies verbessert auch den Ausgießvorgang der Ausnehmung A, da hierdurch sichergestellt werden kann, dass sich keine Hohlräume in der Ausnehmung A bilden, die durch das Vergussmaterial nicht ausgegossen werden. Ganz allgemein kann das Zapfenende 19 gegenüber der Druckstrebe 7 verjüngt ausgebildet sein, so dass nur das verjüngte Ende in die Ausnehmung A eingreift. Dies ist beispielsweise auch aus den Grundriss-Darstellungen gemäß 3b, gemäß 6b und der nachfolgend noch erörterten Ausführungsform gemäß 7b zu ersehen. Denn dort ist der neben der Ausnehmung A, wo die Knotenverbindung 9 gebildet wird, zu den Seitenflächen 3a des Obergurts oder zu den Seitenflächen 5a des Untergurts ein verbleibender Materialabschnitt M gebildet. Das Zapfenende 19 muss auf die Breite B der Ausnehmung A abgestimmt sein, wobei beispielsweise die Druckstrebe 7 außerhalb des in die Ausnehmung A eingreifenden Zapfenendes 19 dann mit größerer Breite ausgebildet ist, so dass Seitenabschnitte 7' des Druckknotens 9 auf der Anschlussseite 3c (beim Obergurt 3) bzw. 5c (beim Untergurt 5) aufliegt.
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Anhand der 7a und 7b ist eine weitere Abwandlung gezeigt, bei der wiederum eine zusätzliche Sicherungsschraube 27 für die Druckstrebe 7 verwendet wird, die über deren Stirnseite 19', also deren Druck- und Kontaktfläche 21 in die Druckstrebe 7 eingedreht ist.
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Darüber hinaus ist hier in Seitenansicht ein eher winkelförmiges Ankerelement 17 verwendet worden, dessen beide Winkelabschnitte 17a, 17b an die Formgebung des Ausnehmungsboden oder der Ausnehmungsseitenwand A2, A3 angepasst (im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zueinander stehend) und die über eine quer verlaufende Verbindungsstrebe 17c miteinander verbunden sind. Bei dieser Variante ist die Ausnehmung A so groß gestaltet, dass sie den Untergurt von oben nach unten voll durchsetzt. Während des Ausgießens muss also die Unterseite, also die Öffnung E1 der Ausnehmung A, die gegenüber zur Einführöffnung E und damit zur Anschlussseite der Druck- und Zugstrebe 7, 11 liegt, durch Unterlegung eines Verschalungsbrettes abgeschlossen werden, wenn der Vergussvorgang in der geschilderten Ausrichtung von oben her, also gemäß Ausgussrichtung R vorgenommen wird.
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Aus dem geschilderten Aufbau sowie dem erläuterten Herstellungsvorgang ist also zu ersehen, dass mit den geschilderten Maßnahmen eine hohe Kräfte aufnehmende und vergleichsweise einfach herzustellende Knotenverbindung 9 für Stabanschlüsse insbesondere für ebene und räumliche Fachwerke 1 sowie unterspannte Träger 1' aus Holz geschaffen werden kann. Die Kraftübertragung zwischen Zug- und Druckstreben sowie den Gurten erfolgt über gegossene Knoten. Dazu werden in die Gurte Ausnehmungen A eingearbeitet, in die die anzuschließenden Zug- und Druckstäbe eingreifen. Diese Ausnehmungen A werden anschließend mit einem Vergussmittel ausgegossen, so dass der Vergussmörtel zu einem Druckknoten aushärten kann. Insbesondere durch den Formschluss zwischen den Stabelementen und den Vergussknoten und insbesondere den dazu vorzugsweise zusätzlich vorgesehenen formschlüssigen Verbindungen, beispielsweise unter Verwendung von Sicherungsschrauben, Profilierungen etc. ist das System in der Lage, die Normalkräfte der zu verbindenden Stäbe zu übertragen und somit die Gurte nahezu schubsteif aneinander zu koppeln.
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Die Zugstäbe bestehen entweder aus durchlaufenden Rundstählen oder Gewindestangen, die mit Spannschlössern zum Nachspannen der Stäbe versehen sein können. Möglich sind auch Zugstäbe aus Holz mit an den Stabenden eingeleimten Gewindestangen. An den Enden dieser Zuganker sind Ankerelemente (wie z. B. runde oder recheckige Ankerplatten, Ankerwinkel o. Ä.) angeschraubt oder angeschweißt. Die Ankerelemente sind notwendig, da die Verankerungslänge der Zugstäbe aufgrund der begrenzten Knotengeometrie unzureichend ist.
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Die Geometrie der Ankerelemente 17 ist abhängig von der Größe der zu übertragenden Zugkraft sowie der Neigung der Zugstrebe zum Gurt. Die Geometrie der Ankerelemente hat maßgebenden Einfluss auf die Geometrie der Ausnehmungen im Gurt. Um sicherzustellen, dass der Vergussmörtel die Ankerelemente vollständig umschließt, ist die Grundfläche A2 der Ausnehmung A stets größer als die Grundfläche der Ankerelemente 17.
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Die Ausnehmungen A im Gurt können zylindrisch, quaderförmig etc. sein und sind auf der Seite der eingreifenden Diagonale so ausgearbeitet (A1), dass die Diagonalen eingelegt werden können. An der Gegenseite der Ausnehmung werden die Druckkräfte der Vergussknotens in den Gurt über die Druck- und/oder Kontaktfläche 22 eingeleitet. Die Tiefe der Ausnehmung kann je nach Anwendung ein Teil der Gurthöhe oder aber die volle Gurthöhe betragen.
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Die Abmessungen der Ausnehmungen A richten sich nach den statischen Erfordernissen. Beispielweise kann es im Auflagebreich des Fachwerkträgers notwendig werden, die Ausnehmung über die gesamte Gurthöhe einzubringen. Dies hat den Vorteil, dass die Auflagerkräfte direkt in den Vergussknoten und nicht direkt über das Holz in den Knoten eingeleitet werden. Dies hat zwar eine große Querschnittschwächung des Gurtes zur Folge, dessen Normalkraft ist jedoch im Auflagerbereich vergleichsweise gering. Im mittleren Bereich des Trägers mit hohen Normalkräften in den Gurten sind die Querschnittschwächungen jedoch wesentlich geringer, da die Druckstreben in diesem Bereich vergleichsweise gering beansprucht werden.
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Zur Lagesicherung des Vergussknotens können schräg ins Holz eingedrehte Schrauben verwendet werden und/oder die Seitenflächen der Ausnehmung können Profilierungen etc., wie z. B. zusätzliche Kerven aufweisen, in welche der Vergussmörtel einfließt und nach dem Aushärten einen formschlüssigen Verbund bildet.
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Aus dem Geschilderten ergibt sich, dass die Erfindung eine Knotenverbindung für Stabanschlüsse insbesondere für ebene und räumliche Fachwerke sowie unterspannte Träger aus Holz betrifft. Dabei kann die Kraftübertragung zwischen Zug- und Druckstreben sowie den Gurten über gegossene Knoten erfolgen. Dazu werden in die Gurte Ausnehmungen eingearbeitet, in die die anzuschließende Zug- und Druckstäbe eingreifen. Diese Ausnehmungen werden anschließend mit einem Vergussmörtel ausgegossen, so dass der Vergussknoten zu einem Druckknoten aushärtet. Durch den Formschluss zwischen Stabelementen und Vergussknoten ist dieses System in der Lage, die Normalkräfte der zu verbindenden Stäbe zu übertragen und somit die Gurte nahezu schubsteif aneinander zu koppeln.
