DE10254043B4

DE10254043B4 - Verbundkonstruktion hoher Tragfähigkeit

Info

Publication number: DE10254043B4
Application number: DE2002154043
Authority: DE
Inventors: Stefan Prof. Dr.-Ing. Winter
Original assignee: Universitaet Leipzig
Current assignee: WINTER, STEFAN, PROF.DR.-ING., 36341 LAUTERBAC, DE
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2022-11-21
Also published as: DE10254043A1

Abstract

Verbundkonstruktion hoher Tragfähigkeit aus Holz oder Holzwerkstoff und Beton, bei der Holz oder Holzwerkstoff und Beton flächig verbunden sind, wobei zur Herstellung des kraftschlüssigen Verbundes zwischen Holz oder Holzwerkstoff und Beton profilierte Rippen aus Holz oder Holzwerkstoff eingesetzt sind, die mit dem Holz oder Holzwerkstoff fest verbunden sind und in den Beton hineinragen, und parallel zur Haupttragrichtung des Verbundquerschnittes verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen als Profilierung einen Hinterschnitt aufweisen und als ausschließliches Mittel zur Herstellung des Holz-Beton-Verbundes dienen.

Description

Die Erfindung betrifft Holz/Beton-Verbundkonstruktionen, Holzwerkstoff/Beton-Verbundkonstruktionen sowie Holz/Holzwerkstoff/Beton-Verbundkonstruktionen mit hoher Tragfähigkeit, zu deren Herstellung Hochleistungswerkstoffe eingesetzt werden.

Die Verbundkonstruktion kann sowohl im Neubau als auch bei der Ertüchtigung bestehender Holz- bzw. Holzwerkstoffkonstruktionen als tragendes und/oder raumabschließendes Bauteil eingesetzt werden. Im Brückenbau ist ein Einsatz als tragende Fahrbahnplatte möglich. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich durch die Gewichtsersparnis gegenüber Standardkonstruktionen – ggf. noch verstärkt durch den Einsatz von Leichtbetonen – bei problematischem Baugrund, bei Aufstockungen oder Umnutzungen.

Als Komponenten für Holz-Beton-Verbundquerschnitte sind Normalbetone und die bereits länger verwendeten Massivhölzer bekannt. Für das Zusammenwirken der einzelnen Querschnittsteile und damit für das Tragverhalten des Gesamt-Verbundquerschnitts von besonderer Bedeutung sind die zu verwendenden Verbindungsmittel. Sie entscheiden über die Verbundwirkung, den Herstellungsaufwand und die Kosten der gesamten Verbundkonstruktion.

Auf dem Gebiet des Holz-Beton-Verbundbaus sind eine Vielzahl von Forschungsergebnissen, Schutzrechten und Publikationen und in der Praxis eingesetzten Verbundkonstruktionen vorhanden. Allerdings ist noch kein preiswertes, ausreichend duktiles Verbindungsmittel gefunden worden, das eine wirtschaftlich interessante und konkurrenzfähige Herstellung von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen in großer Menge erlaubt und an den Einsatz der neu entwickelten und jetzt zur Verwendung bereitstehenden Hochleistungsbetone angepasst ist.

Die Ursachen der Nachteile stellen sich wie folgt dar.

Bei schlanken, punktförmigen Verbindungsmitteln wie Schrauben, Nägeln o. ä. ergibt sich eine hohe Anzahl von Verbindungsstellen und damit ein hoher Fertigungsaufwand in situ. Der mögliche Vorfertigungsgrad ist gering, da die Verbindungsmittel zu schlank sind um den Transport mehrerer übereinandergestapelter Elemente zu ermöglichen, und es besteht die Gefahr der Beschädigung beim Einbau.

Weiterhin führen schlanke Verbindungsmittel wie Schrauben oder Nägel unter Längsschubbelastung infolge der relativ großen Verschiebungen zwischen Beton und Holz/Holzwerkstoff zu einer reduzierten Verbundwirkung. Die Tragfähigkeit des Verbundquerschnitts einschließlich der aus der Verbundwirkung resultierenden positiven Eigenschaften wird reduziert.

Bei punktförmiger Anordnung der Verbindungsmittel ergeben sich unterschiedlich große Beanspruchungen der Verbundmittel. Die bisher bekannten schlanken Verbindungsmittel sind nicht duktil genug, d.h. das vorhandene plastische Verformungsvermögen ist zu gering, um eine Kraftumlagerung auf weniger beanspruchte Bereiche zu erreichen. Es folgt ein Versagen der Verbindungsmittel in den am höchsten beanspruchten Bereichen, ohne dass die Tragfähigkeit in weniger beanspruchten Bereichen ausgeschöpft wäre. Nachfolgend versagen auch die bis dahin weniger beanspruchten Verbindungsmittel – der Verbundquerschnitt "reißt" in der Fuge auf.

In der DE 298 24 534 U1 wird ein Brettstapelelement beschrieben, zwischen dessen Lamellen Bleche oder Kanthölzer angeordnet sind, die als Stege in die Betonplatte hineinragen. Der Verbund erfolgt über "Querkraftanker", die in Aussparungen der Stege eingeschoben werden. Auch bei dieser Anordnung der Verbundmittel entsteht ein näherungsweiser starrer Verbund, der dazu führt, dass die Tragfähigkeit der Verbindungsmittel in zunächst weniger beanspruchten Bereichen durch Umlagerung der Beanspruchungen nicht ausgenutzt werden kann. Eine äquidistante Verdübelung entlang der Verbundfläche kann nicht erfolgen. Zudem führt die Anordnung der Querkraftanker in den herausstehenden parallel zur Haupttragrichtung verlaufenden Rippen zu einer Querzugbeanspruchung des Holzes und daraus resultierend zu sprödem Versagen.

Aus der DE 298 16 002 U1 ist eine Holzplattenverbunddecke bekannt, bei der der steife Verbund zwischen der Druckplatte aus Beton und dem Holzbohlen- bzw.

Holzwerkstoffplattenstreifen durch bewehrte Betonleisten oder durch Profilholzleisten, die rechtwinklig zur Deckenspannrichtung verlaufen, realisiert wird. Dabei behindern lediglich die quer zur Deckenspannrichtung verlegten Holzleisten mit Hinterschnitt die gegenseitige Verschiebung von Holz- und Betonschicht und erzwingen eine gemeinsame Tragwirkung der Querschnittsteile. Ein weiterer Nachteil dieser Verbundausführung besteht auch hier in der aus dem starren Verbund resultierenden Anordnung der Verbindungsmittel, die an den Schubkraftverlauf gekoppelt sind. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten müssen die rechtwinklig zur Spannrichtung verlaufenden Versätze mit veränderlichen Abständen angeordnet sein. Wenn die Versätze mit konstantem Abstand angeordnet werden, ist der Ausnutzungsgrad deutlich geringer.

Bei allen vorgenannten Lösungen ist zudem durch die Verwendung von ausschließlich Normalbetonen zwischen Beton- und Holzbauteil eine Feuchteschutzschicht einzubauen, was zu hohen Kosten führt und im Baustellenbetrieb wenig robust ist.

Ziel der Erfindung ist das Schaffen eines in der Herstellung wenig arbeitsintensiven und robusten, flächigen Verbundes zwischen Beton- und Holz-/Holzwerkstoffschicht, um einen Verbundquerschnitt mit verbesserter Tragfähigkeit zu erzielen sowie den Kosten- und Zeitaufwand gegenüber den bekannten Verfahren zu reduzieren. Entstehen soll eine variabel einsetzbare und leicht handhabbare Konstruktion für universelle Aufgabengebiete, die einen hohen Vorfertigungsgrad aufweist und wahlweise mit hochfesten und Normalbetonen ausgeführt werden kann.

Bei problematischem Baugrund bzw. beim Bauen im Bestand ist eine Reduzierung des Eigenlastanteils der Konstruktion sinnvoll. Die durch den Einsatz von Holz bereits erzielte Gewichtsersparnis soll durch den Einsatz hochfester bzw. Leichtbetone noch verstärkt werden.

Dafür wird ein Verbundmittel benötigt, dass ausreichend duktil ist und äquidistant angeordnet werden kann. Gleichzeitig soll eine industrielle Vorfertigung möglich sein ohne die individuelle Anpassbarkeit, die besonders beim Bauen im Bestand oder bei ungewöhnlicher Geometrie unerlässlich ist, zu beeinträchtigen. Diese genannten Merkmale sollen zu einer einfachen Handhabung auf der Baustelle sowie zu einer Rationalisierung des Bauablaufs und damit zu einer Dämpfung der Baukosten führen.

Darüber hinaus muss das Verbindungsmittel für den Einsatz aller Betonsorten geeignet sein.

Demnach hat die Erfindung die Aufgabe, einen schubsteifen Verbund zwischen dem Beton und einer Holz/Holzwerkstoffschicht zu gewährleisten. Es soll ein dauerhafter und tragfähiger flächiger Verbund zwischen Beton und Holz zuverlässig erzielt werden. Des weiteren sollen die seit neuerem zur Verfügung stehenden Hochleistungsbetone sowie neu entwickelte Massivholz- und Holzwerkstoffe mit wesentlich verbesserten mechanischen Eigenschaften geprüft und bei Erfolg eingesetzt werden. Es soll der "Reißverschlusseffekt" durch eine qualifizierte Anordnung der Verbindungsmittel entsprechend dem Kräfteverlauf oder auch mit gleichen Abständen durch ein hochduktiles Verbindungsmittel vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst.

Es wird ein Verbundquerschnitt geschaffen, der aus Holz oder Holzwerkstoff und Beton besteht, wobei letzterer Normalbeton oder Hochleistungsbeton sein kann. Zwischen der Holz- bzw. Holzwerkstoffschicht und der Betonschicht sind profilierte Rippen angeordnet, die in die Betonplatte hineinragen und mit dem Holz oder Holzwerkstoff durch Verbindungsmittel fest verbunden sind. Die Rippen bestehen aus Holz oder Holzwerkstoffen und laufen parallel zur Haupttragrichtung des Verbundquerschnittes Die Geometrie der Rippen weist als Profilierung einen Hinterschnitt auf, das heißt eine negative Flankensteigung.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die gestellte Aufgabe lösen lässt durch im Beton eingelassene profilierte Rippen, die mittels stiftförmiger Verbindungsmittel oder Verleimung kraftschlüssig mit dem Holz/Holzwerkstoff verbunden sind.

Neigung und Formgebung der Rippen, zum Beispiel konkav, konvex oder variabler Neigungswinkel, kann modifiziert, abgeändert oder ergänzt werden. Zusätzlich kann eine Endverankerung vorgesehen werden. Diese kann durch eine nur am Ende der Rippe abweichende Formgebung, durch zusätzlich quer und/oder längs eingelegten Betonstabstahl und/oder durch zusätzliche Verbundmittel wie Schrauben oder Stahlwinkel erfolgen.

Die Teile der Verbundkonstruktion können einzeln auf der Baustelle verarbeitet werden, als vorgefertigte Konstruktion oder auch als teilvorgefertigte Konstruktion mit auf einer Trägerplatte zusammengefassten Rippen angewendet werden.

Die Verbundwirkung entsteht aus dem Hinterschnitt der Rippen. Die daraus folgende Klemmwirkung zwischen Rippen und Beton führt zu einer Aktivierung der Reibungskräfte und stellt einen flächigen Verbund zwischen Beton- und Holzbauteil in Tragrichtung her. Die daraus resultierende gemeinsame Tragwirkung der Querschnittsteile als Verbundquerschnitt führt zu den bereits aufgeführten Vorteilen.

Die geometrische Form sowie die Anordnung der Rippen parallel zur Tragrichtung des Verbundquerschnitts erzwingen eine gemeinsame Längsverschiebung aller Verbindungsmittel. Neben der hohen Duktilität in der Verbundfuge ergibt sich daraus die Möglichkeit, die Verbindungsmittel in der Rippe äquidistant, also mit konstanten Abständen unabhängig vom Verlauf der Längsschubkraft anzuordnen. Gegebenenfalls wird eine zusätzliche Endverankerung erforderlich.

Die Längsschubkräfte können entweder mittels stiftförmiger Verbindungsmittel (z.B. Schrauben, Nägel o.a.) und/oder durch Klebstoff übertragen werden, die Zugkräfte rechtwinklig zur Verbundfuge werden durch stift- oder schraubenförmige Verbindungsmittel in die Holz- oder Holzwerkstoffflächen übertragen. Werden die Rippen aufgrund ihres Faserverlaufs auf Querzug beansprucht, dienen diese Verbindungsmittel zusätzlich als Querzugbewehrung.

Wenn man Schrauben verwendet kann der Kraftschluss erhöht werden, wenn diese zwei Gewinde mit unterschiedlicher Ganghöhe besitzen. Die Anordnung der stiftförmigen Verbindungsmittel ist sowohl geneigt als auch senkrecht möglich. Die genannten stiftförmigen Verbindungsmittel können auch Nägel, Anker, Dübel, Klammern, Bolzen oder dergleichen sein.

Bei der Herstellung der Verbundkonstruktion einschließlich ihrer Querschnittsteile werden ein hoher Vorfertigungsgrad und die industrielle Fertigung ermöglicht. Die Verbindungsmittel zwischen Rippen und Holz/Holzwerkstoff werden mechanisch durch die robusteren Rippen geschützt. Damit ist sowohl die Herstellung auf der Baustelle als auch die Vorfertigung und der Transport von Halbfertigteilen und Fertigteilen möglich. Halbfertigteile bestehen aus elementierten Holzbauteilen, wie z.B. Brettstapelelemente oder Furnierschichtholzplatten mit bereits aufgebrachten Rippen. Das Betonieren und ggf. das Einbringen der Bewehrung erfolgt dann bauseitig (nur bei Halbfertigteilen erforderlich). Die Fertigteile besitzen bereits einen Holz/Holzwerkstoff-Beton-Querschnitt.

Aufgrund der Elementierung und leichten Anpassbarkeit des Systems sind individuelle Lösungen möglich. Die Reduzierung der Montagezeit führt zu einer besseren Witterungsunempfindlichkeit und damit auch einer höheren Ausführungsqualität der Konstruktion. Industrielle Qualitätssicherungsverfahren werden anwendbar. Durch die Vereinfachung des Bauablaufs werden bauseitige Fehlerquellen eliminiert.

Der Planer besitzt nun die Möglichkeit, eine an den Erfordernissen ausgerichtete Konstruktion zu entwerfen. So kann z.B. bei Bedarf die Presswirkung zwischen aufgeschraubter Rippe und dem Holz- oder Holzwerkstoffbauteil durch Schrauben mit zwei Gewinden unterschiedlicher Ganghöhe verstärkt werden.

Durch eine Optimierung der Schichtdicken und deren Festigkeiten kann die Nulllinie so eingestellt werden, dass die Holzwerkstoffschicht die Zugkräfte und die Betonschicht die Druckkräfte übernimmt. Unter Umständen kann damit eine Bewehrung der Betonschicht vermieden werden.

Die Betonschicht kann aus Normalbeton oder einem Hochleistungsbeton wie Selbstverdichtendem Beton, Selbstverdichtendem Leichtbeton, Hochfestem Beton, Faserbeton oder dergleichen bestehen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Eine allgemeine perspektivische Darstellung erfolgt in 1. Der Verbundquerschnitt wird durch die schubsteife Verbindung der Betonplatte mit der Holz/Holzwerkstoffplatte hergestellt. Dabei wird die Kraftweiterleitung zwischen Betonplatte und Rippe immer durch die hinterschnittene Geometrie sichergestellt (7, 8). Variabel ist dagegen das Verbindungsmittel in der Fuge zwischen Rippe und Holz/Holzwerkstoffplatte. Infolge der hinterschnittenen Geometrie der Rippen werden Reibungskräfte aktiviert. Die daraus resultierenden Längsschub- und Querzugkräfte müssen von den Verbindungsmitteln aufgenommen werden.
Bei der anschließenden Betonierung kann das Holzelement gleichzeitig als Schalung verwendet werden.
Beispiel 1: (3)
Profitierte Rippen (2) gemäß 7 bzw. 8 werden auf einem Holzbauteil (3) wie z.B. Brettstapelelement, Furnierschichtholzplatte befestigt. Als Verbindungsmittel werden stiftförmige Verbindungsmittel (4), wie in 9 und 10 dargestellt, verwendet, die gleichzeitig die Längsschub- und Zugkräfte aufnehmen. Die Holzschichten) tragen gemeinsam mit der Betonschicht und dienen als Schalung während des Betoniervorganges.
Beispiel 2: (4)
Für die Holzschicht (3) wird Dickschichtholz verwendet, wobei die oberste Schicht rippenförmig ausgefräst wird. Alternativ kann zwischen Rippen (2) und Holz/Holzwerkstoffplatte (3) eine kraftschlüssige Klebstofffuge (5) ausgebildet sein, die die Längsschubkräfte aufnimmt. Die Zugkräfte können auch durch stiftförmige Verbindungsmittel (9, 10) aufgenommen werden, die gleichzeitig die Querzugbewehrung für das Rippenprofil bilden.
Anwendung als Verbunddecke im Hochbau oder als tragende Fahrbahnplatte im Brückenbau: (1)
Horizontale Einbaulage einer Holz-Beton-Verbundkonstruktion
Anwendung als Verbundwand: (2)
Vertikale Einbaulage des Verbundquerschnittes, der in diesem Fall einen dreischichtigen Aufbau besitzt. Die Außenflächen werden von zwei Holz- bzw. Holzwerk stoffplatten (3) mit darauf befestigten Rippen (2) gebildet. Der Zwischenraum wird hohlraumfrei mit bewehrtem oder unbewehrtem Beton (1) verfüllt.
Die zum Ausführungsbeispiel gehörenden Abbildungen zeigen:
1 perspektivische Ansichten des Verbundquerschnitts in horizontaler Einbaulage, allgemeine Darstellung (Verbindungsmittel nicht dargestellt)
2 perspektivische Ansicht des Verbundquerschnitts in vertikaler Einbaulage, allgemeine Darstellung (Verbindungsmittel nicht dargestellt)
3 Verbundquerschnitt, Beispiel 1: Rippen auf Holzschicht (z.B. Brettstapelelement, Massivholz oder Holzwerkstoffplatte) aufgeschraubt
4 Verbundquerschnitt, Beispiel 2: Rippen in oberster Lage des Dickschichtholzes ausgefräst und verleimt, stiftförmige Verbindungsmittel übertragen nur Zugkräfte
5 Längsschnitt durch Verbundquerschnitt, stiftförmige Verbindungsmittel unter 90° eingebaut
6 Längsschnitt durch Verbundquerschnitt, stiftförmige Verbindungsmittel geneigt eingebaut
7 mögliche Profilformen der Rippe
8 unterschiedliche Anordnung der Rippen: Einzelrippe oder auf einer Trägerplatte zusammengefasst (stiftförmige Verbindungsmittel in der Trägerplatte zur Aufnahme der Zugkräfte nicht dargestellt)
9 stiftförmige Verbindungsmittel (Schraubenformen)
10 stiftförmige Verbindungsmittel (Klammern, Schrauben, Nägel)

Claims

Verbundkonstruktion hoher Tragfähigkeit aus Holz oder Holzwerkstoff und Beton, bei der Holz oder Holzwerkstoff und Beton flächig verbunden sind, wobei zur Herstellung des kraftschlüssigen Verbundes zwischen Holz oder Holzwerkstoff und Beton profilierte Rippen aus Holz oder Holzwerkstoff eingesetzt sind, die mit dem Holz oder Holzwerkstoff fest verbunden sind und in den Beton hineinragen, und parallel zur Haupttragrichtung des Verbundquerschnittes verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen als Profilierung einen Hinterschnitt aufweisen und als ausschließliches Mittel zur Herstellung des Holz-Beton-Verbundes dienen.
Verbundkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen eine Endverankerung aufweisen.
Verbundkonstruktion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie Verbindungsmittel zur Verbindung der Rippen mit der flächigen Holz-oder Holzwerkstoffkonstruktion aufweist, die stiftförmig ausgebildet sind.
Verbundkonstruktion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie Verbindungsmittel zur Verbindung der Rippen mit der flächigen Holz oder Holzwerkstoffkonstruktion aufweist, die schraubenförmig ausgebildet sind und die schraubenförmige Ausgestaltung unterschiedliche Gewinde aufweist.
Verbundkonstruktion nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen mit der flächigen Holz-oder der flächigen Holzwerkstoffkonstruktion verklebt sind.
Verbundkonstruktion nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beton entweder ein Normalbeton oder ein Hochleistungsbeton ist.
Verbundkonstruktion nach einem der Anspürche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass sie vorgefertigt ist.