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Holz-Metall-Verbundträger
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Holz-Metall-Verbundträger, bei
welchem ein Mittelteil aus Metall und zwei Seitenteile aus Holz zu einem einheitlichen
Biegeträger verbunden sind.
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Im Bauwesen sind echte Verbundträger aus Holz und Metall bisher unbekannt.
Unter einem echten Verbundträger wird hier ein aus mehreren über die ganze Trägerlänge
reichenden Einzelteilen zusammengesetzter Träger verstanden, bei welchem die Metallteile
und die Holzteile in gleicher Weise zur einheitlichen Tragfähigkeit des Biege trägers
beitragen.
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Ein Holz-Metall-Verbundträger vereinigt die höhere Tragfähigkeit eines
Metallträgers mit den bauphysikalischen Vorteilen eines Holzträgers, insbesondere
der besseren Wärmedämmung und der höheren Feuerbeständigkeit. Im Holzbau und insbesondere
im Holz-Fertighausbau läßt sich der neue Verbundträger überall dort verwenden, wo
für einen Biegeträger aus Vollholz oder Brettschichtholz mit dem
statisch
erforderlichen Querschnitt nicht genügend Platz zur Verfügung steht.
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Dieses Problem stellt sich z.B. bei Fensterstürzen im Fertighausbau,
da die Balkenbreite durch die Wanddicke und die Balkenhöhe durch die einheitliche
Sturzhöhe begrenzt sind. Hier verwandte man bisher Doppel-T-Träger aus Stahl oder
Stahl-Winkel-Träger, die mit Kantholz ausgefüttert und mit Holz oder Brandschutzplatten
umkleidet werden. Es handelt silch um aufwendige Konstruktionen. Das Kantholz ist
mit dem Doppel-T-Träger bzw. dem Stahlwinkel nicht zu einem einheitlichen Träger
verbunden. Die Last wird allein über die Stahlteile abgetragen. Das aufgefütterte
Holz dient lediglich als Brandschutz und Wärmedämmung. Solche Stürze bedingen eine
komplizierte Anschlußtechnik an die flankierenden Konstruktionsteile.
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Es ist auch schon bekannt, Holzträger mit Stahlprofilen (meist C-Eisen)
zu verstärken, die mit Bolzen seitlich aufgeschraubt werden. Es handelt sich um
eine wenig vorteilhafte behelfsmäßige Technik, die man nur bei Umbauten und Erweiterungen
bestehender Holz-Tragwerke anwendet. Der Holz-Träger und das Stahlprofil sind nur
in Abständen durch die Bolzen miteinander verbunden; hier können Spitzenbelastungen
auftreten, während gleichzeitig der Holzbalken durch die Bohrung geschwächt ist.
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Es fehlt eine gleichmäßige, wechselseitige Lasteinleitung von Holz
und Stahl überall auf der ganzen
Balkenlänge, und insbesondere über
dem Auflager.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Holz-Metall-Verbundträger zur
Verfügung zu stellen, der höhere Belastungen aufnehmen kann, als ein Vollholz- oder
Brettschichtholz-Biegeträger mit gleichen äußeren Abmessungen und der bauphysikalisch
- Vermeidung von Kältebrücken und Feuerwiderstandsfähigkeit -sowie hinsichtlich
der Anschlußtechnik an die flankierenden Konstruktionsteile einem reinen Holz-Biegeträger
gleichwertig ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen aus einem Metall-Mittelteil und
zwei Holz-Seitenteilen zusammengesetzten Holz-Metall-Verbundträger, bei welchem
aus dem Metall-Mittelteil mindestens je zwei längsverlaufende biegesteife Rippen
seitlich auskragen, die in Längsschlitze an den dem Metall-Mittelteil zugewandten
Seiten für Holz-Seitenteile eingebettet sind und in den Holz-Seitenteilen durch
stiftförmige, mechanische Verbindungsmittel verankert sind.
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Für ein gemeinsames Tragverhalten ist die gleiche Durchbiegung des
Metallteiles und der Holzteile erforderlich. Dafür wird bei diesem neuen Holz-Metall-Verbundträger
die Last von den Holz-Seitenteilen in den Metall-Mittelteil über die ganze Trägerlänge
gleichmäßig eingeleitet. Das geschieht vorzugsweise über die zur Trägermitte hin
gekehrten Anlageflächen zwischen den biegesteifen Rippen und den Wänden der Schlitze
in den Holz-Seitenteilen. Durch den symmetrischen Aufbau zur horizontalen Mittelachse
wird das Lasteinleitungsproblem
einmal für die Belastung und zum
anderen für die Auflagerreaktion gelöst.
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Die in den Rippen verankerten stiftförmigen Verbindungsmittel halten
das Metall-Mittelteil und die Holz-Seitenteile zusammen und nehmen gleichzeitig
die seitlichen Zugkräfte auf, die aus der exzentrischen Krafteinleitung von den
Holz-Seitenteilen in die biegesteifen Rippen entstehen. Als stiftförmige, mechanische
Verbindungsmittel können Stifte, Nägel, Schrauben, Bolzen und alle anderen gleichwertigen
Verbindungsmittel verwendet werden.
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Die Rippenpaare sind außermittig im oberen und unteren Bereich des
Biegeträgers angeordnet, damit die Holz-Seitenteile in der Trägermitte im Bereich
der größten Schubspannungen nicht geschwächt werden.
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Durch die vorgeschlagene Verbindung zwischen Metall-Mittelteil und
Holz-Seitenteilen wird eine gute Schub-Verbundwirkung für eine Belastung in allen
Hauptachsen des Trägers erreicht.
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Für das Metall-Mittelteil kann z.B. Eisen oder Stahl verwendet werden.
Besondere Vorteile weist ein Mittelteil aus Aluminium auf. Aluminium hat den siebenfachen
Elastizitätsmodul wie Vollholz und ist daher für gleiches Trag- und Durchbiegungsverhalten
wie die mit tragenden Holzteile besser geeignet als Stahl mit dem einundzwanzigfachen
Elastizitätsmodul.
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Beispielsrechnungen haben ergeben, daß man mit einem relativ dünnen
Aluminium-Mittelteil und zwei relativ breiten Holz-Seitenteilen eine hinsichtlich
Durchbiegung, Biegespannung und Schubspannung um 100 % erhöhte Belastbarkeit im
Vergleich mit einem Vollholzträger erzielt.
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Der Holz-Aluminium-Verbunträger ist technisch einem Vollholz-Balken
gleichwertig. Da der in das Holz eingebettete, relativ dünne und weiche Aluminium-Mittelteil
mit modernen Holz-Bearbeitungswerkzeugen - Bohrern, Sägen etc. - bearbeitet werden
kann, läßt sich der Holz-Aluminium-Verbundträger genauso wie ein reiner Holzträger
bearbeiten, verarbeiten und an andere Konstruktionsteile anschließen. Das vollständig
in das Holz eingebettete Aluminium-Milttelteil bildet keine unerwünschten Wärmebrücken
von einer Balkenseite zur anderen; aus demselben Grunde besitzt der Träger auch
eine gute Feuerbeständigkeit.
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Der neue Verbundträger ist kostengünstig herzustellen. Das Metall
und insbesondere das Aluminium-Mittelteil können stranggepreßt werden; die Holz-Seitenteile
können mit ihrem durchgehend gleichen Profil gefräst werden. Die abschließende Verbindung
des Mittelteils mit den Seitenteilen kann maschinell geschehen.
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Damit die äußeren Holzteile über bzw. unter den biegesteifen Rippen
nicht abplatzen, muß nach Möglichkeit verhindert werden, daß bei der Krafteinleitung
oder
beim Schwinden des Holzes ein zu starker Druckkontakt zwischen den Rippen und den
von der Trägermitte abgekehrten Schlitzwänden entsteht. Deshalb sind die Schlitze
vorzugsweise breiter als die biegesteifen Rippen und wird ihr Abstand so dimensioniert,
daß die Rippen an der der Trägermitte zugekehrten Schlitzwand mit Druckkontakt anliegen.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung befindet sich an dem Metall-Mittelteil
biegeweiche Laschen, die ebenfalls in die Holz-Seitenteile eingebettet sind und
weiter als die biegesteifen Rippen auskragen. Hier werden die stiftförmigen, mechanischen
Verbindungsmittel in den biegeweichen Laschen verankert.
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Bei dieser Ausbildungsform werden die Funktionen der Last einleitung
einerseits und der Abtragung der seitlichen Zugkräfte andererseits gezielt auf die
biegesteifen Rippen und die biegeweichen Laschen aufgeteilt.
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Die Lasteinleitung aus den Holz-Seitenteilen in den Metall-Mittelteil
geschieht nur über die biegesteifen Rippen. Diese können auf das für die Lasteinleitung
erforderliche Maß verkürzt werden.
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Dadurch wird Material eingespart und außerdem die Gefahr vermindert,
daß über den biegesteifen Rippen bei Last einleitung oder beim Schwinden Spaltkräfte
entstehen.
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Die biegeweichen Laschen nehmen nur die seitlichen Zugkräfte auf und
kragen soweit aus, wie für eine zweischnittige Stiftverbindung vorgeschrieben ist.
Schwindbewegungen des Holzes können sie folgen, ohne daß dadurch, trotz der weiten
Auskragung, ein unkontrollierter Kraftfluß und Abspaltkräfte entstehen.
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Die biegeweichen Laschen können entweder aus den biegesteifen Rippen
oder unmittelbar aus dem Metall-Mittelteil auskragen. Sie können als dünne Lamellen
ausgebildet sein oder auch als Platten, die den Einbettungsschlitz beidseitig ausfüllen
und mit dem Metall-Mittelteil bzw. den biegesteifen Rippen über einen biegeweichen
Steg verbunden sind.
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Hier werden die Schwindbewegungen des Holzes über den biegeweichen
Steg aufgefangen, ohne daß unkontrollierter Kraftfluß entsteht. Da die Platten den
Einbettungsschlitz beidseitig voll ausfüllen, braucht nur eine Schlitzbreite in
das Holz gefräst zu werden. Durch den Verbindungsstift wird der außerhalb liegende
Holzteil fest mit der Platte und dem innerhalb liegenden Holzteil verbunden und
so eine Abspaltgefahr weiter vermindert.
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Das Metall-Mittelteil kann im oberen und unteren Randbereich verstärkt
werden, wobei die Rippen und/oder Laschen aus den verstärkten Randbereichen
auskragen.
Das verbessert das Tragverhaltendes Metall-Mittelteiles bei gleichzeitiger Material-und
Gewichtseinsparung. Die biegesteifen Rippen steifen zusammen mit den verstärkten
Randbereichen die mittlere Stegplatte gegen Kippen und Beulen aus.
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Im unteren Randbereich kann der Metall-Mittelteil zu einem Fuß verbreitert
sein.
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Zur weiteren Verbesserung der Feuerbeständigkeit kann der Träger auf
der Oberseite und/oder Unterseite mit Holz oder einer anderen Brandschutzplatte
abgedeckt werden.
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Die Trägerenden können an der unteren Seite mit einer metallenen,
über die gesamte Trägerbreite reichenden Auflagerplatte versehen werden, durch welche
die Last gleichmäßig über die ganze Trägerbreite verteilt wird. Da in diesem Fall
die Einleitung der Auflagerreaktion über die Metallplatte erfolgt,ist es möglich,
den Holz-Metall-Verbundträger nur für die obere Last einleitung zu gestalten und
zur horizontalen Mittelachse asymmetrisch auszubilden. Dabei wird unten die biegesteife
Rippe und oben die biegeweiche Lamelle vorgesehen.
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Im folgenden wird der neue Holz-Metall-Verbundträger für einige Ausführungsbeispiele
mit Aluminium-Mittelteil anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche
den Träger bzw. bestimmte Einzelheiten im Querschnitt zeigen:
Figur
1 zeigt eine einfache Ausführungsform des neuen Holz-Aluminium-Verbundträgers gemäß
Ansprüchen 1 und 2.
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Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des Holz-Aluminium-Verbundträgers
mit Lamellen als Zuglaschen gemäß Ansprüchen 1, 3, 4 und 6.
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Figuren 3, 4 und 5 zeigen verschiedene Ausbildungen der Zuglaschen
gemäß Ansprüchen 5 und 7.
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Figur 6 zeigt den gemäß Anspruch 9 verbreiterten unteren Rand des
Aluminium-Mittelteils.
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Figur 7 zeigt eine weitere Ausbildung des Holz-Aluminium-Verbundträgers
gemäß Ansprüchen 1, 2, 5, 7 und 10.
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Figuren 8 und 9zeigen einen Holz-Aluminium-Verbundträger mit Auflagerplatte
am Trägerende gemäß Ansprüchen 13 und 14.
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In Figur 1 erkennt man den Aluminium-Mittelteil (1) und die beiden
Holz-Seitenteile (2). Der Aluminium-Mittelteil besitzt zwei Paare von biegesteifen
Rippen (3). Diese sind in die Schlitze (4) der Holz-Seitenteile (2) eingebettet
und dort mit den gestrichelt gezeichneten Stiften (5) verankert. Die biegesteifen
Rippen (3) müssen soweit auskragen, daß für die zweischnittige Stiftverbindung der
vorgeschriebene, Randabstand eingehalten wird. Die Schlitze (4) sind breiter als
die
biegesteifen Rippen (3). Die Rippen liegen an der der Trägermitte
zugekehrten Schlitzwand mit Druckkontakt an.
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Belastet man den Träger von oben mit einer Last (F), dann wird - unter
Annahme einer gleichmäßigen Flächenpressung - in das Aluminium-Mitteilteil unmittelbar
die Kraft (FA) eingeleitet und in die Holz-Seitenteile die Kräfte (FH). Diese Kräfte
verhalten sich zueinander wie die oberen Oberflächen des Aluminium-Mittelteiles
und der Holz-Seitenteile. Die wesentlich größeren Lastanteile (H müssen teilweise
in das tragfähigere Aluminium-Mittelteil über die Pressung (<D) der biegesteifen
Rippen eingeleitet und von diesem abgetragen werden.
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Diese Krafteinleitung erfolgt exzentrisch über das untere Rippenpaar.
Dadurch üben die Holz-Seitenteile beim unteren Rippenpaar eine gegen das Aluminium-Mittelteil
gerichtete Druckkraft (D) aus, während beim oberen Rippenpaar eine vom Aluminium-Mittelteil
seitlich weggerichtete Zugkraft (Z) entsteht. Diese Zugkraft wird über die in den
Rippen verankerten Stifte (5) abgetragen.
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So erhält man einen-vollwirksamen Verbund zwischen dem Aluminum-Mittelteil
und den Holz-Seitenteilen, durch welchen die Belastbarkeit des Verbundträgers hinsichtlich
Durchbiegung, Biegespannung und Schubspannung im Vergleich zu einem gleich starken
Vollholzträger um 50 - 100 % gesteigert ist.
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In Figur 2 ist ein Holz-Aluminium-Verbundträger dargestellt, aus dessen
Aluminium-Mittelteil (6) zwei Paare biegesteifer Rippen (7) und zwei Paare
von
biegeweichen Lamellen (8) auskragen. Die Lamellen (8) dienen als Zuglaschen und
sind in den Holz-Seitenteilen (10) mit den Nägeln (9) verankert. Da die biegesteifen
Rippen hier keine Zugkräfte abzutragen haben, können sie die für die Einleitung
der Auflagerkräfte erforderliche Länge verkürzt werden; das spart Material ein und
vermindert die Spaltgefahr.
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Rechts neben dem Holz-Aluminium-Verbundträger ist die Verteilung der
Schubspannung t über die Trägerhöhe gezeichnet. Diese hat Parabelform und ist in
Trägermitte am größten. Dort dürfen die Holz-Seitenteile nicht durch Schlitze für
die Einbettung von Rippen oder Zuglaschen geschwächt werden. Die zulässige Kraglänge
der Laschen und Rippen ist durch die Maße b und c bezeichnet.
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Aufgrund dieser Verteilung der Schubspannungen können näher zur Tragmitte
hin nur die kürzeren Rippen (7) angeordnet werden, und zum oberen und unteren Rand
die weiter auskragenden Lamellen (8).
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Figuren 3 bis 5 zeigen Beispiele für die biegesteifen Rippen, aus
deren Ende die biegeweichen Zuglaschen auskragen. In allen drei Fällen liegt die
biegesteife Rippe an der Wand des breiteren Einbettungsschlitzes mit einseitigem
Druckkontakt an.
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In Figuren 3 und 4 sind die biegeweichen Laschen als Lamellen (11,12)
ausgebildet.
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In Figur 5 besteht die biegeweiche Lasche aus einer Platte (14), die
über einen biegeweichen Steg (13) mit dem Ende der biegesteifen Rippe verbunden
ist. Die Ausbildungen nach Figuren 3 bis 5 haben den Vorteil, daß die Holz-Seitenteile
nur an zwei Stellen für Schlitze bearbeitet werden.
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Bei den Ausbildungen nach Figuren 4 und 5 hat der Schlitz über die
ganze Tiefe dieselbe Breite und kann deshalb in einem Fräs- oder Sägevorgang hergestellt
werden.
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Figur 6 zeigt einen verbreiterten äußeren Rand des Aluminium-Mittelteiles,
der seine Tragfähigkeit erhöht.
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Bei der Ausbildung nach Figur 7 besitzt der Aluminium-Mittelteil verstärkte
obere und untere Randbereiche (16), die über einen dünneren Steg (17) miteinander
verbunden sind. Die biegesteifen Rippen (18) kragen aus den verstärkten Randbereichen
(16) aus und sind in Schlitze (19) eingebettet, die breiter als die Rippen (18)
sind.
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Damit ist ein Spielraum für das Schwinden des Holzes geschaffen. In
diesen Schlitzen liegen die Rippen mit der der Trägermitte zugewandten Seite (20)
an der Schlitzwand an. Die Rippe (18) geht an ihrem Ende über den biegeweichen Steg
(21) in die Platte (22) über, die den Einbettungsschlitz (19) in voller Breite ausfüllt.
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Der Steg (21) und die Platte (22) bilden zusammen
die
biegeweiche Lasche. Mit dem Rillennagel (23) wird die Platte (22) im Holz-Seitenteil
verankert, wobei gleichzeitig eine zusätzliche Sicherung gegen das Abplatzen der
äußeren Bereiche der Holz-Seitenteile geschaffen wird.
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An der Unterseite ist der Träger mit einer Brandschutzbekleidung (24)
aus Holz oder Brandschutzplatte abgedeckt.
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Figuren 8 und 9 zeigen einen Holz-Aluminium-Verbundträger mit einer
Auflagerplatte (25) am Trägerende, mit welcher der Träger auf Stütze (26)'auf liegt.
Der Träger nach Figur 8 besitzt einen einfachen symmetrischen Aluminium-Mittelteil
mit zwei biegesteifen Rippen entsprechend der in Figur 1 dargestellten Ausbildung.
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Bei dem Träger nach Figur 9 ist der Aluminium-Mittelteil zur horizontalen
Mittelachse asymmetrisch ausgebildet. Er hat im unteren Bereich ein paar biegesteife
Rippen (27) und im oberen Berich ein paar biegeweiche Laschen (28). Am oberen Ende
ist der Aluminium-Mittelteil durch einen Steg (29) verstärkt.
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