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Technisches
Gebiet
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Das Holz ist im Bauwesen ein sehr
häufig verwendeter
Baustoff, mit dem es möglich
ist, eine ganze Reihe von tragenden Systemen zu erstellen, die spezifische
mechanischen Eigenschaften haben und Belastungen jedweder Art und
Weise tragen.
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Die verschiedenen tragenden Systeme
aus Holz sind Pfosten und Balken, triangulierte Systeme, Gelenksysteme,
Säulen,
Balkenroste, deren Schalen und Elemente wie Bretter funktionieren.
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Von all diesen Bauweisen ist die
triangulierte Bauweise die gebräuchlichste,
weil sie die Übernahme
von bedeutenden Lasten bei einer sehr einfachen Bauweise ermöglicht.
Zur Information sei gesagt, dass das triangulierte System den Ursprung
der Fachwerksysteme darstellt, die in Europa verwendet und seit
dem 12. Jahrhundert entwickelt und noch in den heutigen Tagen verwendet
werden.
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Die Systeme mit dreieckförmig angeordneten
Strukturen werden in zwei große
Familien eingeteilt, wie es schematisch in den beigefügten 1 bis 6 veranschaulicht ist.
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Das erste System, benannt "System
mit parallelem Fachwerk" (mit parallelen Gurten), dargestellt in
den 1 bis 3, wird bei Tragwerken oder
bei horizontalen Deckensystemen verwendet.
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Ein solches System besteht aus:
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- – einem
Verbindungsbalken oder einem Obergurt (1),
- – einem
Verbindungsbalken oder einem Untergurt (2),
- – Pfosten
(3) und eventuell Stützen
(M),
- mStreben (4).
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Die so entstandene Einheit liegt
auf wenigstens zwei Auflagern (5) auf. Um die Lasten zu
mindern, werden im Inneren des Systems Auflager hinzugefügt, was
aber nicht immer möglich
ist.
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Die triangulierten Systeme, wie in
den 4 bis 6 dargestellt, werden im
allgemeinen zur Herstellung von Dachgebälken verwendet und ermöglichen, diesen
eine Schräge
zu verleihen.
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Die Bestandteile, welche ein derartiges
System bilden, sind einer oder zwei Sparren (6), ein Spannbalken
(7), Streben (8) und eventuell eine oder mehrere
Stützen
(9).
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Derartige Einheiten liegen auf Auflagern
(5) auf, die an jedem Ende des Spannbalkens angeordnet
sind.
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Die Erfindung betrifft dieses technische
Gebiet und speziell die Herstellung eines neuen Tragsystems sowohl
mit parallelem Fachwerk (parallelen Gurten) als auch mit Gurten
in Dreieckform, das bessere mechanische Eigenschaften aufweist,
wobei eine Senkung der Herstellungskosten erfolgt, und welches leicht
anpassbar in bezug auf die gewünschten
Eigenschaften für
jede Art der Anwendung (Belastung, Dimensionen des Systems) ist.
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Stand der Technik
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Eines der Hauptprobleme, die sich
im Rahmen der Herstellung der Systeme mit parallelen Gurten als
auch des triangulierten Systems stellen, ist das Aufnehmen des maximalen
Belastungsflusses, der sich im Bereich der Auflager befindet und
maximale Spannungen und Kompressionen in den Balken entwickelt,
welche durch verschiedene Elemente, die die Lasten auf das Auflager übertragen,
mit dem ersten Knoten verbunden sind.
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Gewöhnlich wird der erste Knoten
bei Dachgebälken,
Verbindungen, Spannbalken (7), Sparren (6) und
Streben (8) aus Elementen aus massivem Holz oder aus geleimten
Schichtholz, je nach benötigtem
Querschnitt hergestellt und der Knoten wird mittels Metallverbindungen
bei Systemen mit großer Steifigkeit
realisiert, oder einfach geleimt für Deckensysteme mit kleiner
Steifigkeit.
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Es wurden zahlreiche Vorschläge gemacht betreffend
die Art des Ausbaus der Systeme mit dreieckförmig angeordneten Strukturen
mit parallelem oder dreieckförmig
angeordnetem Fachwerk.
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Unter diesen Lösungen kann man jene aus dem
Dokument US-4,891,927 aufführen,
welches eine Verstärkung
der Triangulationsknoten mittels eines inneren Verbindungsstucks
aus Metall vorschlägt,
mit Nägeln
oder Klammern, die sich in den zweischichtigen Gurten festkrallen.
Eine derartige Lösung
ist sehr kostspielig, da sie eine kraftschlüssige werksseitige Montage
des Knotens erfordert, was die Möglichkeit
einer fachgerechten Montage vor Ort ausschließt, die je nach Art der gewünschten
Ausführung
sehr leicht angepasst werden könnte.
Andererseits ist diese Lösung
nicht zur Gänze
zufriedenstellend, weil die Kraft des Knotens von dem Holzquerschnitt
abhängig
ist.
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Das Dokument
DE 39 10 027 schlägt eine Lösung mit Verbindungsbalken
aus zwei Schichten und einem System zur Dreiecksbildung mit Streben aus
Brettern oder Verbundmaterialien, die im Kern angeordnet sind, vor.
Eine derartige Lösung
ermöglicht
jedoch nicht die Verstärkung
der am stärksten beanspruchten
Knoten.
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Ferner wurde zur Reduzierung Herstellungskosten
der Systeme mit dreieckförmig
angeordneten Strukturen seit langem vorgeschlagen, wie es aus dem
Dokument
US 2,886,857 hervorgeht,
die Balken, die ein derartiges System bilden, nicht aus massivem
Holz mit großem
Querschnitt oder aus relativ teuer geleimtem Holz herzustellen,
sondern aus Strukturen, die aus Brettern bestehen, welche mittels Nägeln untereinander
verbunden sind, um die wichtigeren Querschnitte ausgehend von Holz
mit kleinem Querschnitt, also kostengünstigerem Holz, herzustellen.
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Eine derartige Struktur aus zusammengenagelten
Brettern ermöglicht
eine Kostensenkung und die Herstellung eines bedeutenden Querschnittes ohne
die Nachteile des massiven Holzes wie Verformungen und Rissbildungen.
Ferner ist bei Brettern mit kleiner Dicke, zum Beispiel in der Größenordnung 30 bis
50 mm, ein künstliches
Trocknen unter klassischen Bedingungen möglich. Zusätzlich gibt es keine Verformingen
des Gesamtquerschnittes mehr, da das Holz getrocknet zusammengenagelt
wurde.
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Die in dem vorgenannten Patent beschriebene
Lösung
weist trotzdem einige Mängel
auf, was die Verstärkung
der Knoten anbelangt und kann nicht problemlos bei den beiden großen Familien
von Systemen mit dreieckförmig
angeordneten Strukturen mit parallelem und mit dreieckförmigem Fachwerk angewandt
werden. Zunächst
verfügt
diese Lösung in
der mittleren Schicht über
Bretter, welche zwischen die Bretter der anderen Gurte genagelt
sind. Diese Nagelung neigt dazu, das mittlere Brett reißen zu lassen,
da der Abstand zu der zur Maserung parallelen belasteten Kante zu
klein ist. Dieser mittlere Kern aus Brettern bietet schlechte Ergebnisse
im Bereich seines Zusammenbaus.
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Weiterhin ermöglicht das Vorhandensein einer
Bretterfolge im mittleren Kern zwar, Steifigkeit zu schaffen, indem
die äußeren Gurte
beabstandet werden, jedoch kann dieser in Längsrichtung unterbrochene Kern
aus Brettern weder das Biegemoment noch die lokale Scherkraft aufnehmen,
die von den beiden inneren Balken, zum Beispiel der komprimierten
Strebe und der auf Zug beanspruchten Stütze, erzeugt wird. Also wird
der Knoten nicht verstärkt
in Bezug auf die Biegung und die lokale Scherung, die wichtige mechanische
Komponenten des Knotensystems sind.
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Folglich muss der Zentralkern den
ganzen Raum zwischen den äußeren Gurten
ausfüllen,
da er Steifigkeit nur in Richtung einer Achsrichtung, nämlich in
seiner Längsachse,
hat. Dieser Kern bildet also eine globale Zone zwischen den äußeren Gurten
und ermöglicht
keine für
einen einzelnen Verbindungsknoten ausgelegte lokale Verstärkung. Er
ermöglicht keine
Knotenoptimierung, weder ergebnismäßig (Bruchgefahr während des
Zusammennagelns) und auch keine Materialeinsparung (gefüllte Zone
verglichen mit der lokalen Zone).
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Aus den Dokumenten CH-467 402 und FR-2.203.128
ist ein dreieckförmiges
Fachwerkgebälk
bekannt, der massive Balken (Sparren, Spannbalken und Streben) sowie
ein Verstärkungselement in
Form einer Sperrholz- oder Aluminiumplatte enthält, das sich im Bereich der
Verbindungszonen befindet.
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Laut Dokument FR-1.541.776 ist ein
System dreieckförmig
angeordneter Strukturen aus Holz mit Gurten in Dreieckform für die Herstellung
von Gebälken
bekannt, welches aus Balken besteht, die ausgehend von drei Einzelplatten
hergestellt sind, nämlich einer
zentralen und zwei seitlichen, die aneinander geleimt sind, wobei
die Einzelplatten, die jeden Balken bilden, die gleiche Dicke haben
können.
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Darstellung der Erfindung
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Nun wurde herausgefunden und dies
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass es möglich war,
strukturelle Systeme sowohl mit parallelem als auch mit dreieckförmig angeordnetem
Fachwerk (d. h. Gurtanordnung) herzustellen, wie in den 1 bis 6 dargestellt, deren verschiedene Elemente – Verbindungsbalken
(Gurte), Streben, Pfosten, Spannbalken, Stützen, Sparren – die im
folgenden durch den Sammelbegriff "Balken" benannt werden, auf einfache
Weise das Verstärken
der Verbindungsknoten zwischen diesen Elementen ermöglichen,
wobei jeder der Balken aus miteinander zusammengenagelten Brettern
besteht, um bedeutendere Querschnitte zu bilden.
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Im allgemeinen besteht ein System
mit dreieckförmig
angeordneten Strukturen aus Holz, mit parallelem oder dreieckförmigem Fachwerk
(parallele Gurte oder dreieckförmige
Gurte) für
die Herstellung von Gebälken,
Tragwerken und Decken aus Balken, welche zwischeneinander Anschlusszonen
bilden und aus wenigstens drei Brettern hergestellt sind, nämlich einem
zentralen Brett, das den Kern bildet, und mindestens zwei Seitenbrettern,
wobei alle Bretter die gleiche Dicke haben und miteinander durch Nägel verbunden
sind.
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Gemäß der Erfindung ist das System
dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Brett derart gegenüber den
Enden der Seitenbretter versetzt ist, dass in diesem Bereich Ausklinkungen
gebildet werden, welche im Bereich der Anschlusszonen zwischen den
Balken eine im Kern angeordnete Versteifungsplatte aufnehmen, wobei
die Schnittflächen
der Versteifungsplatte den Seitenflächen der beiden Seitenbretter
im Bereich jeder Anschlusszone entsprechen und die genannte Versteifungsplatte
aus lamelliertem Holz (Schichtholz wie Multiplex) oder Sperrholz
besteht.
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Eine derartige Lösung ermöglicht das Aufnehmen von bedeutenden
Lasten, wobei die in dem Bereich der Verbindungszonen (Knoten) zwischengefügten Platten
die Vernagelungs-Zonen vergrößern.
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Ferner ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung ebenfalls
die Verringerung der Biegemomente in der Verbindung, da die Versteifung
selbst die Biegung aufnimmt, unter Berücksichtigung, dass die plattenförmige Verstärkung eine
große
Steifigkeit aufweist, weil sie in beide Richtungen ihrer Ebene wirkt.
Eine derartige Verstärkung
ermöglicht
die Aufnahme der Scherspannungen der inneren Balken, wie zum Beispiel
die Scherung zwischen einer komprimierten Strebe und dem auf Zug
beanspruchten Balken, im Bereich des Knotens, wobei der Außenbalken
in gleicher Weise mechanisch entlastet wird.
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Diese Versteifung kann mehr oder
weniger isotrop sein in Abhängigkeit
von den aufzunehmenden Lasten.
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Wie schon vorher erwähnt, werden
die Balken, die das erfindungsgemäße System bilden, aus wenigstens
drei Schichten gebildet, wobei die Versteifungen folglich im Bereich
der zentralen Schicht angeordnet sind, was eine doppelte Scherung
der durchgehenden Nägel
in bezug auf die Verstärkung ermöglicht,
die an der Außenseite
des Systems angebracht ist, wie das häufig der Fall ist.
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Entsprechend einer aus der nachfolgenden Beschreibung
hervorgehenden Ausführungsform, insbesondere
im Falle eines Systems mit parallelen Gurten, bestehen die beiden
Pfosten an den Enden in gleicher Weise aus drei Schichten, die untereinander
zusammengenagelt sind, wobei die zentrale Schicht nicht aus einem
Brett, sondern aus einem Strukturelement aus lamelliertem Holz (wie
Multiplex-Schichtholz) besteht, welche an den Enden die zwei Seitenbretter überragt,
sowie zum Inneren der Struktur, mit dem Zweck, Zapfen für die Aufnahme
in den Ausklinkungen der anderen Balken des Systems zu bilden.
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Außer den Balken aus drei Einzelschichten kann
in Betracht gezogen werden, Balken auch aus fünf oder mehr Schichten herzustellen,
wobei die Verstär kung
entweder nur in einer zentrale Position oder verdoppelt und in den
Schichten 2 und 4 angeordnet sein kann.
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Anders ausgedrückt kennzeichnet sich in einem
solchen Fall das erfindungsgemäße Struktursystem
dadurch, dass die Anzahl der Bretter, die jede Schicht zusammensetzt,
ungerade und größer als drei
ist, zum Beispiel fünf,
ist, wobei sich eine Verstärkung
im Bereich jedes Knotens in den geradzahligen Schichten befindet.
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Die Rippen oder Versteifungsbretter
sind wenigstens in dem Bereich der Auflagezonen angeordnet, wo die
Lasten am größten sind.
Wenn eventuell die inneren Lasten in den Stützen und Streben nicht so groß sind,
kann das triangulierte System konventionell durch einen einfachen
Zusammenbau der Art Zapfen/Nut verwirklicht werden, wobei der Zapfen durch
das Versetzen des zentralen Brettes nach außen und die Nut durch den Zwischenraum
zwischen zwei Einzelbrettern, die das Zentralbrett darstellen, gebildet
sind.
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Es ist vorteilhaft, diese Zonen in
gleicher Weise durch das Einsetzen einer Versteifungsplatte in diesem
Bereich zu verstärken,
wodurch die direkte Absorption der Scherung zwischen der komprimierten
Strebe und dem zugbeanspruchten Pfosten oder umgekehrt direkt ermöglicht wird.
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In dem Bereich der Verbindungszonen
ist die Versteifung oder Rippe auf ihrem ganzen Umfang an den anderen
Balken (Spannbalken, Sparren, Stützen oder
Streben) durch einfache Nagelung befestigt, was die wirtschaftlichste
Lösung
darstellt und den Vorteil aufweist, halbsteif zu sein und damit
der Brettereinheit eine Beanspruchung nach der Verformung der Randverbindungen
zu ermöglichen.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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Die Erfindung und die erbrachten
Vorteile werden besser verständlich
anhand der nachfolgenden Beschreibung, die in den beigefügten schematischen
Zeichnungen veranschaulicht ist, in denen
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1 bis 3 und 4 bis 6, wie vorher erwähnt, die allgemeine Struktur
einerseits der erfindungsgemäß herstellbaren
Systeme mit parallelem Fachwerk (parallelen Gurten) und andererseits
der Systeme mit dreieckförmig
angeordnetem Fachwerk (dreieckig angeordnete Gurte) veranschaulichen;
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7 eine
schematische Ansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Systems mit
parallelem Fachwerk ist;
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8 eine
Explosionsdarstellung der Einzelbestandteile der in 7 eingekreisten Zone ist, die die Herstellung
der Verbindungsknoten im Bereich der Auflager aufzeigt;
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9 eine
schematische Perspektivansicht darstellt, die ein durch Zusammennageln
der verschiedenen Elemente miteinander hergestelltes erfindungsgemäßes Gebälk zeigt;
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10 eine
Explosionsdarstellung der Einzelbestandteile zur Herstellung von
Knoten im Bereich des äußeren Auflagers
und der zentralen Stütze mit
dem Spannbalken und der Strebe des Gebälks ist.
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Verwirklichung
der Erfindung
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Um diese Strukturen zu verwirklichen,
werden als Einzelbretter, die in die Herstellung jedes Balkens eingehen,
massive Bretter, die im Querschnitt im allgemeinen von 10 bis 30
cm Breite und von 3 bis 8 cm Dicke betragen, verwendet.
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Um Strukturen mit einer sehr großen Festigkeit
zu erhalten, können
einzelne Bretter mit bedeutenderen Querschnitten zusammengesetzt
sein.
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Die Länge der genannten Bretter kann
variabel sein in Abhängigkeit
von den herzustellenden Systemen und liegt zum Beispiel zwischen
4 und 8 m.
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Die folgenden konkreten Ausführungsformen ermöglichen
ein besseres Verständnis
der Erfindung.
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Herstellung
eines Systems mit parallelem Fachwerk
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Ein derartiges System wird in 1 dargestellt.
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Um ein erfindungsgemäßes System
herzustellen, wie es in den 7 und 8 veranschaulicht ist, haben die Balken,
die das System bilden, und zwar der Obergurt 1 und der
Untergurt 2, die Pfosten 3, die Streben 4 und
die Zwischenstützen
M, folgende Struktur.
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Was die Gurte 1 und 2 sowie
die Streben 4 und die Stutzen M (Stützen nicht dargestellt in 8) betrifft, besteht jeder
Balken aus drei Einzelbrettern 10, 11, 12.
Das mittlere Brett 10 ist in bezug auf die Enden der Seitenbretter 11, 12 versetzt,
in vorliegendem Fall um eine Strecke von etwa 50 cm, wodurch ermöglicht wird,
an jedem Ende eine Ausnehmung anzuordnen, die eine Ausklinkung 13 bildet.
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Die Streben 4 sind in gleicher
Weise ausgehend von drei Brettern gebildet und enthalten ebenfalls
an ihren Enden eine Ausklinkung.
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Die Zwischenstützen M sind in gleicher Weise
ausgebildet.
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Der Pfosten 3 besteht aus
zwei äußeren Brettern 14,
zwischen denen über
seine gesamte Länge
ein drittes Brett 15 eingefügt ist, um eine plattenartige
Versteifung im Kern zu bilden, die aus einer 4 cm dicken Strukturplatte
aus Mikroschichten (wie Multiplex-Schichtholz) besteht, wobei die
Außenbretter 14 ebenfalls
eine Dicke von 4 cm aufweisen.
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Diese Platte 15 ragt an
jedem Ende über
die Seitenbretter 14, 15 hinaus und bildet einen
Zapfen von 20 cm Höhe
entsprechend der Breite der Bretter 10, 11, 12,
welche die Gurte bilden, und von 50 cm Länge entsprechend der Länge der
Ausklinkung 13 an den Enden der Balken, die die Gurte bilden.
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Die Verbindung der einzelnen Elemente
miteinander erfolgt durch Zusammennageln.
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Wenn in dem dargestellten Beispiel
die Versteifungsplatte 15 sich über die ganze Oberfläche des
Systems an jedem Ende im Bereich der Auflager 5 erstreckt,
könnte
eventuell in Betracht gezogen werden, die Versteifungsplatten nur
an jedem der Enden anzuordnen, so dass der mittlere Teil des Pfostens
3 aus
einem Zusatzbrett gebildet wird, das zu den Enden der Seitenbretter
nach innen versetzt ist.
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Was die Knoten 17 anbelangt,
die in dem Bereich der inneren Anschlusszonen gebildet werden, an
Gurten, Stützen,
Streben, wird die Verbindung in gleicher Weise hergestellt, indem
Zusatzbretter in dem Bereich der Anschlusszonen eingefügt werden.
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Jedes dieser Elemente enthält also
eine Ausklinkung im Bereich der Anschlusszone, die dazu bestimmt
ist, das Verstärkungselement
aufzunehmen.
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Eventuell könnte die Montage auch ohne Versteifungselemente
durchgeführt
werden, und die Enden der Stützen
M und Streben 4 hätten
die Form eines Zapfens, bestehend aus der Versetzung des zentralen
Brettes nach außen,
während
die Verbindungsbalken oder Gurte 1, 2 auf ihrer
Länge Ausklinkungen
aufweisen, die erhalten werden, indem das Innenbrett 10 durch
Einzelbretter gebildet wird, die voneinander entsprechend der Länge des
Zapfens an den Enden beabstandet sind.
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Herstellung
eines Gebälkes
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform wird
durch die 9 und 10 gezeigt und entspricht einer
allgemeinen Struktur nach 4,
wobei man sie selbstverständlich
in gleicher Weise wie die Strukturen der durch die 5 und 6 gezeigten
Art herstellen kann.
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Diese Struktur wird ausgehend von
Brettern mit einem Querschnitt von 20 cm × 4 cm hergestellt.
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In diesem Beispiel enthält die Gesamtheit der
Anschlusszonen zwischen Sparren 6, Spannbalken 7,
Streben 8 und Stützen 9 Versteifungsplatten, die
durch dasselbe Bezugszeichen 20 bezeichnet sind.
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Wie weiter oben angeführt, bestehen
alle Balken, die ein derartiges System bilden, aus drei Einzelbrettern 21, 22, 23,
die untereinander zusammengenagelt sind. Das zentrale Brett 21 ist
an den Enden rückversetzt
in bezug auf die Enden der Seitenbretter, um in diesem Bereich eine
Ausklinkung 24 zu bilden, die imstande ist, das Verstärkungselement aufzunehmen.
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Im Bereich der Verbindung zwischen
den Enden des Spannbalkens 7 und Sparren 6 ist
der Versteifungseinsatz 20 dreieckförmig, mit einer Grundlinie
von 700 mm Länge
und einer Höhe
von 400 mm.
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Im Bereich des Knotens, gebildet
von den Streben 8, den Stützen 9 und dem Spannbalken 7, sind
Ausklinkungen an jedem der Enden der Streben 8 und Stützen 9 vorgesehen,
und zwar durch Versetzung der Innenschicht in Bezug auf die Enden
der Seitenbretter, wobei die Ausklinkung in dem Spannbalken 7 durch
die Bildung des zentralen Brettes aus Einzelbrettern erhalten wird,
die voneinander beabstandet sind.
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Wie zuvor geschieht die Verbindung
zwischen den verschiedenen Bauteilen durch Zusammennageln und durch
Versteifungen 20 der Knoten, deren Verbindung, ausgehend
von einer Platte, hergestellt ist, die aus einem Strukturelement
aus dünnem
Schichtholz mit einer Dicke von 4 cm besteht.
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Derartige Systeme mit dreieckförmig angeordneten
Strukturen weisen zahlreiche Vorteile in Bezug auf vorherige Lösungen auf
und zwar
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- – die
Möglichkeit
der Herstellung vor Ort,
- – die
Möglichkeit
der Zusammensetzung eines bedeutenden Querschnittes auf sehr wirtschaftliche
Weise,
- – die
Möglichkeit,
Material (Platte) nur einzusetzen, um die notwendige Vernagelung
und die Übernahme
des lokalen Biegemomentes sowie der Scherung der inneren Balken
zu ermöglichen, die
in den Knoten gelangen, zum Beispiel von einer komprimierten Strebe
und einem auf Zug beanspruchten Balken oder umgekehrt.
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Ferner ermöglicht der Umstand, eine derartige
Struktur, ausgehend von zusammengenagelten Brettern, welche die
verschiedenen Balken des Systems bilden, herzustellen, Zapfen und
Ausklinkungen durch einfaches Versetzen einer Schicht zu den anderen
zu bilden.
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Außerdem ermöglichen die Versteifungen im Kern
eines jeden Balkens die Vergrößerung der
Fläche
der Vernagelungszonen, welche die Struktur verstärken. Eine derartige zwischengefügte Platte übernimmt
ebenfalls die Biegemomente in dem Gelenk auf die Gurte im Falle
eines Systems mit parallelen oder dreieckförmig angeordneten Gurten, da
die Versteifung selbst die Biegung absorbiert. Sie absorbiert so
ebenfalls die Scherung zwischen den inneren Balken, die in den Knoten
gelangen und entlastet mechanisch den äußeren Balken.