DE3923471A1

DE3923471A1 - Holzverbindungstechnik mittels lamellen

Info

Publication number: DE3923471A1
Application number: DE19893923471
Authority: DE
Inventors: Martin Trautz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-07-15
Filing date: 1989-07-15
Publication date: 1991-01-24

Description

Vorbemerkung

Seit Jahrhunderten haben sich Holzverbindungsmittel aus Metall wie Nägel, Schrauben, Bolzen, später auch Dübel bewährt und heute noch sichern diese Techniken dem Holzbau seinen festen Platz in der Reihe der Baumaterialien. Dennoch schließen diese konventionellen Verbindungstechniken Nachteile ein, besonders in Bezug auf die Ausnutzung des Materials. So bringen Dübel, Bolzen, aber auch Zimmermannsverbindungen, um überhaupt wirksam eine Verzahnung der zu verbindenden Teile zu gewährleisten, nicht unbeträchtliche Querschnittsschwächungen mit sich. Für einen auf diese Weise angeschlossenen Stab oder so verbundenen Balken werden i.a. die Spannungen im Anschlußbereich maßgebend, im restlichen Tragelement wird der Querschnitt nicht voll ausgenutzt.

Prinzip der Technik Wirkungsprinzip der bisherigen Techniken

Wenn man die Wirkungsweise eines Dübels, Bolzens oder Nagels untersucht, stellt man fest, daß die Kraftübertragung innerhalb des Holzes nicht auf dem direkten Weg erfolgt, sondern immer über Längspressung der Fasern (Wirkung der Kräfte in Faserrichtung vorausgesetzt,) eingeleitet und über Scherbeanspruchung auf den Restquerschnitt verteilt wird.

Da Holz, (vor allem europäisches) nur gering durch Scherkräfte parallel zur Faser belastet werden kann, muß die Schubübertragungsfläche entsprechend groß sein, wenn zu τ_II eingehalten werden soll. Neben den erwähnten Querschnittsschwächungen macht insbesondere diese Tatsache, die sich in Form von Vorholzlängen und einzuhaltenden Minimalabständen bei Dübel- und Bolzenverbindungen auf die Praxis auswirkt, die Fügungstechnik im Holzbau schwierig. Die statisch und konstruktiv sinnvolle Knotenkonzentration im Schnittpunkt der Stabachsen und die Vermeidung von Anschlußexzentrizitäten ist oft umständlich oder gar nicht zu verwirklichen.

Außerdem besitzen herkömmliche Knotenausbildungen praktisch immer eine Anschlußsteifigkeit, die teils unerwünscht sein kann und die wegen des Schlupfes der Verbindungsmittel und der Anisotropie des Holzes nicht genau ermittelt, höchstens abgeschätzt werden kann. Diese Unbestimmbarkeit kann sich insbesondere bei planmäßig statisch unbestimmten Systemen negativ auswirken.

Wirkungsweise der Lamellentechnik

Die Lamellentechnik basiert auf dem Gedanken die Last direkt in das Holz beziehungsweise aus dem Holz zu leiten und zwar über Scherbeanspruchung mit Hilfe eines Klebemediums wie z. B. Leim. Dazu kann man sich vorstellen, daß in Faserlängsrichtung am Ende eines Stabes parallele Schnitte eingebracht werden, in die Platten aus Metall, vorzugsweise Stahl, aber auch anderen, festeren Materialien als Holz eingeleimt werden, so daß ein Verbundwerkstoff im Bereich der Kraftübertragung entsteht.

Wegen der höheren Festigkeit des Stahls kann der Querschnitt der Lamellen im Vergleich zum Holz sehr dünn sein, wodurch das Trägermaterial sehr wenig geschwächt wird und die mittlere Nettoquerschnittsfläche A_H,netto kaum unter der des vollen Querschnittes liegt (ca. 5% weniger). Die unterschiedliche Belastung der Materialien in den Bereichen der Kraftein- und ausleitung im Verbundbereich, wo die gesamte Kraft zuerst im einen, dann im anderen Material wirkt führt zu Differenzdehnungen, die das Klebemedium durch sehr hohe, deshalb uneffektive, plastische Verformungen kompensieren muß. Es wird damit notwendig in den Abschnitten des Kraftübertragungsbereiches wo in beiden Materialien unterschiedliche Kräfte wirken, die Dehnungsverhältnisse zwischen Holz und Stahl aneinander anzugleichen, um möglichst keine Differenzdehnungen im Kraftübertragungsbereich zu erzeugen. Der Dickenverlauf muß, wenn strenge Dehnungsähnlichkeit verlangt ist, einer hyperbolischen Kurve folgen, deren Gleichung lautet:

mit

A_St,x Stahlquerschnittsfläche der Lamelle bei ′x′
k Verhältnisfaktor der Elastizitätsmoduli von Holz und Lamellenmaterial
A_H,netto Nettoquerschnittsfläche des Holzes
l Gesamtläge des Kraftübertragungsbereiches
x beliebige Stelle im Kraftübertragungsbereich (von links gesehen)

Wenn für die Fläche A_St,x außerdem gilt:

A_St,x = b_St,x · d_St,x

Stahlfläche = Breite · Dicke (Höhe), verhält sich die Dicke D_St,x proportional zu A_St,x bei vorausgesetzter konstanter Lamellenbreite b_St,x = const. Aus herstellungstechnischen Gründen oder nach Berücksichtigen der Eigenschaften des Klebemediums kann eine vereinfachte oder andersartige Kurve ausreichend oder besser sein, z. B. ein linearer (Dreiecksverlauf) Verlauf. Weil, wie schon erwähnt, am Anfang der Kraftübertragung das Holz maximal belastet und damit gedehnt ist, der Stahl hingegen dort völlig ohne Last ist, treten dort Differenzdehnungen auf, die es theoretisch verlangen, die Lamellendicke Null werden zu lassen, um Dehungsgleichheit zu erzeugen. Am Ende der Kraftübertragungslänge müßte hingegen die Lamelle unendlich dick sein, um derselben Bedingung zu genügen. Da diese theoretischen Forderungen praktisch nicht erfüllt werden können, gliedert sich der Dickenverlauf in drei Teile (siehe Fig. 3), zwei Vordehnbereiche am Anfang (1) und Ende (3) der Kraftübertragungslänge und den dazwischenliegenden dehnungsangepaßten Kraftübertragungsbereich (2). Die Vordehnbereiche mit konstanter oder ebenfalls variierender Minimal- bzw. Maximaldicke, welche von den Herstellungsmöglichkeiten abhängig ist, müssen so lang sein, daß sie eine ausreichende Klebefläche bieten, über die das Klebemedium, im Anfangsbereich der Kraftübertragung, genügend Kraft zur Vordehnung des Stahls in die Lamelle einleiten kann. Damit werden die Dehnungsverhältnisse am (fließenden) Übergang des Vordehnbereichs an jene des dehnungsangepaßten Mittelbereichs angeglichen. Im Endbereich muß ebenfalls genügend Klebefläche vorhanden sein, um im umgekehrten Sinn das Holz gegenüber dem Stahl vordehnen zu können. In den Vordehnbereichen wird also planmäßig eine Vorverformung über geringe plastische Verformungen des Klebemediums zur Adaption an die Dehnungsverhältnisse im Kraftübertragungsbereich eingeleitet. Deshalb können in diesen Bereichen durch Wahl von Klebstoffen unterschiedlicher Eigenschaften optimale Kraftübertragungseigenschaften herbeigeführt werden. Eine derartige Leimverbindung ist wegen der direkten Lasteinleitung über Scherkräfte, für die ein zulässiger Wert angegeben werden kann und wegen der klar zu ermittelnden Verbindungsflächen bei Kenntnis der Spannungs-Dehnungs-Linie des Verbindungsmediums rechnerisch erfaßbar und ohne objektgebundene Versuche vorbestimmbar.

Es bedeuten in Fig. 3

1 Anfangsbereich der Kraftübertragungslänge (im Holzstab);
Vordehnbereich minimaler Lamellenstärke (z. B. 0,1 mm);
Kraftübertragung über plastische Verformung.
2 Kraftübertragungsbereich in der Kraftübertragungslänge;
Lamellendicke variiert nach einer hyperbolischen oder sonst geeigneten Kurve;
Kraftübertragung über kraftabhängige Verformung.
3 Endbereich der Kraftübertragungslänge (am Stabende);
Vordehnbereich maximaler Lamellenstärke (z. B. 5,0 mm);
Kraftübertragung über plastische Verformung.

Konstruktive Umsetzung

Es bedueten in den Zeichnungen Fig. 1 und Fig. 2:

1a Einzelbrett in liegender Schichtung
1a Einzelbrett in stehender Schichtung (im Verbindungsbereich verdichtet)
2a Lamelle, schmal, < 0,5
2b Lamelle, breit, mit Längsschlitzung 1,0
3 Verstärkungsplatte (z. B. durch Punktschweißung mit der Lamelle verbunden)
4 Ausfräsung
5 Verbindungs- bzw. Knotenbolzen
6 Isolierplatte aus Holz- oder Kunststoff, (Temperatursperre)
7 Anschlußplatte
3 eingeleimte Holzplatte zur Querkraftübertragung (mit quer zum Trägerholz verlaufender Faserrichtung)

Die Erfindung sieht vor, daß bei Holzleimstäben mit Einzelbrettern in liegender Schichtung (1a), sowie bei Holzleimbindern mit Einzelbrettern in stehender Schichtung (1b) die Lamellen (2a, 2b) mit vorher beschriebenem Dickenverlauf (vergl. Fig. 3) im Anschlußbereich an den Bolzen (5) mit einer Verstärkungsplatte (3) beispielsweise durch Punktschweißung verbunden werden, um dort den Lochleibungsdruck zu reduzieren. Bei einem Anschluß mit zusätzlichen Anschlußplatten (7), die aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, wie in Fig. 1 dargestellt, sollen diese durch zwischengelegte Isolierplatten aus Holz oder Kunststoff (6) thermisch abgekoppelt werden, um Differenzdehnungen aus unterschiedlichen Wärmeleiteigenschaften von Holz und Stahl zu vermeiden und die brandschutztechnischen Eigenschaften zu verbessern. Die Herstellung erfolgt so, daß die Lamellen zusammen mit den Brettern des Leimholzes verleimt und verpreßt werden, wobei die Verstärkungsplatte (3) in die Ausfräsung (4) eingelassen wird, damit der Stab im Anschlußbereich seine Form beibehält und sich nicht aufwirft. Die Lamelle selbst, mit ca. 5-8 mm Maximaldicke, drückt sich im Holz wegen dessen starker Querverformbarkeit ab, wobei die maximale Lamellendicke nicht mehr als 10% der Dicke des Holzes sein soll, in das sie eingelassen ist. Dies gewählt eine optimale Formschlüssigkeit zwischen den zu verbindenden Komponenten.

Während bei Stäben, die einen nahezu quadratischen Querschnitt haben die Lamellen schmal (2a) im Vergleich zur Länge sind, müssen bei rechteckigen Querschnitten wie in Fig. 2, mit relativ breiten Lamellen (2b), diese in Längsrichtung zusätzlich geschlitzt werden, um Schwindverformungen des Holzes besser mitmachen zu können und ein Ablösen der Leimflächen zu verhindern. Bei Querkraftübertragung, die parallel zur Ebene der Lamellen erfolgt, wie sie bei einem Querschnitt, wie in Fig. 2 dargestellt, möglich ist, übernimmt die Verstärkungsplatte (3) eine Doppelfunktion: sie verringert den Lochleibungsdruck am Bolzen (5) und überträgt die Querkraft über zusätzlich in die Fräsung (4) eingeleimte Holzplatten (8), deren Faserrichtung quer zu der des Trägerholzes verläuft und so wie eine örtliche Sperrung funktioniert. Eine solche Doppelfunktion könnte auch die Verstärkungsplatte des Endanschlusses aus Fig. 1 übernehmen. Diese müßte dann senkrecht zur Wirkungsrichtung der einwirkenden Querkraft schmäler sein, so daß die Holzplatten, die die Kraftübertragung übernehmen, in ähnlicher Weise wie bei Fig. 2 (8) eingesetzt werden können.

Claims

1. Verbindungstechnik zur Übertragung von Zug-Druckkräften, Querkräften und Biegemomenten an Stab- und Balkenenden oder Zwischenknoten, die dadurch gekennzeichnet ist, daß speziell geformte, dehnungsangepaßte Lamellen aus Metall oder aus anderen Materialien, die fester als Holz sind, vorzugsweise aber aus Stahl, mit Hilfe eines Klebemediums (z. B. Leim) zwischen die einzelnen Holzbretter eines Brettschichtholzquerschnittes in mehreren Lagen bei der Herstellung des Bauteiles eingeleimt werden.

2. Die nach Anspruch 1 zur Anwendung kommenden Lamellen sind so gekennzeichnet, daß sie sich in drei Bereiche gliedern, nämlich zwei Vordehnbereiche im Anfangs- und Endbereich der Krafteinleitung und den dehnungsangepaßten Kraftübertragungsbereich. Die Vordehnbereiche unterscheiden sich vom Kraftübertragungsbereich dadurch, daß dort planmäßig über geringe, plastische Verformbarkeit Vordehnkräfte in die Lamelle eingeleitet werden. Im Kraftübertragungsbereich herrscht Dehnungsgleichheit, die praktisch keiner plastischen Verformbarkeit bedarf.

3. Der Kraftübertragungsbereich nach Anspruch 2 ist dadurch gekennzeichnet, daß er, wenn strenge Dehnungsgleichheit gefordert wird, einen hyperbolischen Dickenverlauf aufweisen muß, bei weniger streng geforderter Dehnungsähnlichkeit, einen dreieckigen, oder nach einer sonstigen Näherungskurve ermittelten Dickenverlauf haben kann.

4. Die Kraftübertragung der Lamellen auf den Bolzen ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstärkungsplatte mit der Lamelle beispielsweise durch Punktschweißung verbunden ist, um den Lochleibungsdruck am Bolzen auf das zulässige Maß zu reduzieren.

5. Die Verstärkungsplatte nach Anspruch 4 übernimmt bei Konstruktionsformen wie in Fig. 2 dargestellt eine Doppelfunktion, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie neben der Verstärkungsfunktion bezüglich des Lochleibungsdruckes zusammen mit den in die Fräsung eingeleimten Holzplatten die Querkraftübertragung von Holz auf den Bolzen und umgekehrt übernimmt. Die Faserrichtung des Holzes der Holzplatten muß quer zur Faserrichtung des Holzes des Tragelementes verlaufen.

6. Die Verbindungstechnik nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenfassung der einzelnen Lamellenkräfte von Bolzen übernommen wird, deren Anzahl sich neben den gewählten Bolzendurchmessern vor allem danach richtet, ob eine gelenkige oder biegesteife Verbindung zwischen den verbundenen Bauteilen vorgesehen ist.

7. Die Verbindungstechnik nach Anspruch 1 ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Grundtypen aus Fig. 1 und Fig. 2 auch dahingehend kombiniert werden können, daß ersterer als vorwiegend für Normalkräfte vorgesehener Typus durch entsprechende Ausbildung der Verstärkungsplatten (Verkleinerung) und dem Einbau von Holzplatten wie bei Typus aus Fig. 2 zu einem normalkraft- und querkraft- bzw. momentenbelastbaren Anschluß werden kann. Der Typus aus Fig. 2 kann sinngemäß durch Verzicht auf die Holzplatten zu einem vorwiegend normalkraftbelastbaren Zwischenknoten verändert werden.

8. Die Lamellenverbindungstechnik ist außerdem dadurch gekennzeichnet, daß eingebaute Anschlußplatten, wenn sie aus Material hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, durch Isolierplatten aus Holz oder Kunststoff thermisch von den Verstärkungsplatten und damit den Lamellen abgekoppelt werden.

9. Die Lamellen nach Anspruch 1 sind dadurch gekennzeichnet, daß diese, besonders bei breiten Ausführungen, in Längsrichtung mehrfach geschlitzt sind, um eine gewisse Verformbarkeit beim Schwinden des Holzes zu gewährleisten.