Ductility in timber structures - possibilities and requirements with regard to dowel type fasteners

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der planmäßigen Berücksichtigung des duktilen Verhaltens von stiftförmigen Verbindungsmitteln in der Berechnung von Holztragwerken, mit dem Ziel plastische Gelenke im Holzbau planmäßig ausbilden zu können. Andere Werkstoffgruppen, wie beispielsweise der Stahlbau oder der Stahlbetonbau sowie der Verbundbau, haben bereits Regelwerke entwickelt, um die Vorteile des plastischen Verhaltens planmäßig zu nutzen. Die Notwendigkeit, das duktile Verhalten zuverlässig zu beschreiben und die Anwendbarkeit von Fließgelenken in Holzbau zu ermöglichen, ergibt sich direkt aus der derzeitig gültigen Bemessungsnorm im Holzbau EN 1995-1-1:2004. Diese lässt Berechnungsmethoden unter dem Ansatz der Duktilität zu. Im Hinblick auf die Umsetzung der Berücksichtigung der Duktilität sind jedoch keine ausreichenden Angaben vorhanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde anhand der Sichtung von Versuchsergebnissen aus der Literatur eine Auswertung von verschiedenen Verbindungsmitteln hinsichtlich ihres duktilen Verhaltens durchgeführt, um eine erste Datenbasis zur Einstufung der einzelnen Verbindungsmittel zu schaffen. Dabei wurden unterschiedliche Bewertungsverfahren herangezogen, um das duktile Verhalten einzuordnen. Diese wurden im Rahmen dieser Arbeit hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit beurteilt. Die Auswertung der Daten zeigt eine große Varianz der einzelnen Verbindungsmittel. Stabdübelverbindungen ohne jegliche Verstärkungsmaßnahmen können eher als spröde eingestuft werden. Verstärkte Stabdübelverbindungen zeigen hingegen ein ausgeprägtes duktiles Verhalten. Innerhalb der Auswertung der bereits durchgeführten Versuche aus der Literatur konnte festgestellt werden, dass einige Versuche nur bis zu einer Verschiebung von 15 mm entsprechend DIN EN 26891:1991-07 durchgeführt wurden. Dies führt zu einem Informationsverlust hinsichtlich der Bestimmung der Duktilität der Verbindung, da über das Verhalten nach 15 mm in diesen Fällen keine Aussagen getroffen werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher gezielt Versuche an verstärkten Stabdübelverbindungen durchgeführt. Dabei wurde sowohl die Anzahl der Stabdübel als auch ihre Anordnung variiert. Um die Duktilität und damit die Möglichkeit der Bildung von plastischen Gelenken zu untersuchen, wurden sowohl Komponentenversuche in Form von Zugversuchen als auch gesamte Trägerstöße untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass beide Versuchsserien über ein ausgeprägtes duktiles Verhalten verfügen. Versuche an Stabdübeln mit einem Durchmesser von 7 mm zeigen aufgrund der Verstärkungsmaßnahme durch selbstbohrende Holzschrauben eine Wiederverfestigung. Um das Momenten-Rotations Verhalten von Anschlüssen mit stiftförmigen Verbindungsmitteln zu erfassen, wurde eine analytische Betrachtung durchgeführt. Diese beruht auf dem Komponentenmodell, das einzelne Traganteile eines Anschlusses als Federn abbildet. Die Ergebnisse des entwickelten Modells sind mit den Versuchsergebnissen verglichen worden. Nicht nur die maximale Tragfähigkeit sondern auch die Anschlussverformung wird durch das Modell verlässlich abgebildet. Um das Modell der Praxis zugänglich zu machen, wurde ein vereinfachtes Verfahren zur Ermittlung des Momenten-Rotations Verhalten vorgestellt. Eine der wichtigsten Forderungen beim Einsatz von plastischen Gelenken im Holzbau ist, dass kein sprödes Holzversagen eintritt, bevor sich ein Fließen des Gelenkes eingestellt hat. Um dies zu gewährleisten, wurde ein Überfestigkeitsfaktor mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation ermittelt, der eine Mindesttragfähigkeit des spröden Holzelements in Anlehnung an das einwirkende Biegemoment durch den Anschluss bestimmt. Dieser Überfestigkeitsfaktor wurde dabei in Abhängigkeit der Versagenskonsequenz ermittelt, so dass dieser Überfestigkeitsfaktor der jeweiligen Anwendung angepasst werden kann. Damit Schnittgrößen durch duktile Elemente innerhalb eines Tragwerks umgelagert werden können, wurden abschließend analytische Untersuchungen zu Mindestanforderungen an die Anfangssteifigkeit von duktilen Elementen an Mehrfeldträgern durchgeführt. Der Ansatz zeigt, dass es unumgänglich ist, eine Mindeststeifigkeit des Anschlusses zu fordern, da bei einer zu geringen Steifigkeit ein Holzversagen außerhalb des Anschlussbereichs, z.B. in Feldmitte eintreten kann, bevor es zu einem Fließen des plastischen Gelenkes kommt. Die Mindeststeifigkeiten wurden dabei für ausgewählte Fälle bestimmt. Damit ist es möglich, das plastische Verhalten von Anschlüssen in Anlehnung an die Forderungen der derzeit gültigen Bemessungsnorm EN 1995-1-1:2004 zu formulieren, so dass plastische Gelenke im Holzbau und damit deren Vorteile im Hinblick auf Tragfähigkeit und Robustheit genutzt werden können.