Rahmenecken aus Holz mit eingeklebten Gewindestangen

Abstract

Rahmenecken mit eingeklebten Gewindestangen bieten im Vergleich zu herkömmlichen Rahmeneckverbindungen Vorteile im Hinblick auf Tragfähigkeit, Herstellung, Montage und Transport.

Zur Umsetzung dieser Vorteile wird auf der Basis existierender Verbindungen mit eingeklebten Gewindestangen ein neuer Verbindungstyp entworfen, der einfach zu erstellen und schnell zu montieren ist. Er ermöglicht eine effiziente, rationale Fertigung und Errichtung von Tragwerken, da die Rahmenelemente einzeln auf die Baustelle transportiert und dort mittels stahlbaumäßiger Verbindungen schnell zusammengefügt werden können.

Der Kraftfluß in dieser Verbindung wird untersucht und durch ein mechanisches Modell erfaßt. Für die Berechnung erforderliche Annahmen werden anhand von FE-Berechnungen festgelegt. Bauteilversuche an zwei Rahmenecken bestätigen die getroffenen Annahmen und das entwickelte mechanische Modell.

Wird die Rahmenecke ausschließlich durch schließendes Moment belastet, kann die Druckkraft durch Kontakt übertragen werden. Eine Erhöhung des Querschnittes im Eckbereich durch Anordnung einer Voute verbunden mit einer Verstärkung des Druckbereiches kann die Querschnittsausnutzung der Rahmeneckverbindung auf 100% der Momententragfähigkeit des Rahmenquerschnittes steigern.

Wird der durch eine Voute erhöhte Querschnitt durch ein öffnendes Moment belastet, erfolgt die Zugkrafteinleitung in den Querschnitt entlang des Voutenrandes, schräg zur Faser. Aus der Aufteilung der Kraft in Zug parallel und rechtwinklig der Faserrichtung resultiert unmittelbar Querzugversagen. Bei der Übertragung öffnender oder wechselnder Momente muß daher auf eine Voute verzichtet werden.

Für den Nachweis des Holzquerschnittes am Ende der Gewindestangen ist die Kenntnis der Spannungsverteilung im Holz notwendig. Diese wird auf der Basis einer Parameterstudie mit einem dreidimensionalen numerischen Modell berechnet. Zur einfachen Anwendung wird die Lastausbreitung in Abhängigkeit verschiedener geometrischer Parameter und Materialkennwerte als Winkel zur Gewindestangenachse angegeben.

Eingeklebte Gewindestangen können mit der in Arbeit befindlichen Neufassung der DIN 1052 eingesetzt werden. Ihre Verwendung wird die Optimierung bestehender wie auch die Entwicklung neuer Verbindungen ermöglichen und damit dem Holzbau weiteren Auftrieb geben.

Frame corners with glued-in steel rods have many advantages compared to conventional frame corners with respect to load bearing capacity, manufacturing, erection and transport.

In order to utilize these advantages a new type of frame corner design based on existing connections with glued-in steel rods has been developed. The new frame corner is easy to manufacture and can be rapidly erected. Framed structures can be erected efficiently, as the frame members are transported separately to the construction site, where they are easily joined by steel connections.

The load path in this connection is examined and modelled with a mechanical model. Assumptions necessary for the modelling of the connection are gained through finite element calculations. Full scale tests of two frame corners verify the assumptions made and the developed mechanical model.

If the frame corner is loaded by a closing moment only, the compression force can be transferred through contact. A heightening of the frame corner with a haunch combined with a strengthening of the compression zone may enlarge the load bearing capacity of the connection up to 100% of the moment carrying capacity of the frame members.

If the heightened cross section is loaded by an opening moment, the tensile force is introduced into the cross section parallel to the edge of the haunch, at an angle to the grain. As the tensile force is divided into forces parallel and perpendicular to the grain, loading by an opening moment results in tension failure perpendicular to the grain. Thus, if the frame corner is loaded by opening moments, a haunch has to be avoided.

To design the timber cross section at the end of the glued-in rods, the stress distribution at this point must be known. The stress distribution is calculated with a model based on a parametric study with a three-dimensional numerical model. For easy application the load distribution is expressed as an angle to the rod axis, dependent on various geometric and material parameters.

With the finalization of the new German code DIN 1052 glued-in rods may be easily used. This enables the optimization of existing connections as well as the development of new connections, contributing to the advancement of timber construction.