Zum Langzeitverhalten von Brettstapel-Beton-Verbunddecken

Abstract

Durch die Verbindung von Brettstapelelementen mit einem Aufbeton werden mehrere Vorteile gegenüber reinen Stahlbeton- oder Holzdecken erzielt. So verbessert man durch die Brettstapel-Beton-Verbunddecken im Vergleich zu einer reinen Holzdecke die Tragfähigkeit, die Steifigkeit und den Brand- und Schallschutz. Im Vergleich zu einer reinen Stahlbetondecke wird das Eigengewicht deutlich reduziert und der Anteil der regenerativen Materialien erhöht. Um diese Vorteile nutzen zu können, muß sowohl das Kurzzeit- als auch das Langzeitverhalten dieser Verbunddecken rechnerisch erfaßbar sein. Im Gegensatz zum Kurzzeitverhalten läßt sich das Langzeitverhalten aufgrund der üblichen Vernachlässigung des rheologischen Verhaltens der am Verbund beteiligten Werkstoffe nicht ausreichend genau bestimmen. So werden u.a. das Schwinden beider Werkstoffe, die Auswirkungen der Verbundtragwirkung auf die Kriechzahlen, der Einfluß des zeitlichen Ablaufs des Kriechens und die gegenseitige Beeinflussung der Materialfeuchte bisher nicht berücksichtigt. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Langzeitverhalten durch die Kombination der rheologischen Modelle des Holzes, des Betons und der Verbindungsmittel unter Berücksichtigung der Nachgiebigkeit in der Verbundfuge, der Nichtlinearität des Betons und des Last-Verformungsverhaltens der Verbindungsmittel ermittelt. Um den Berechnungsablauf zu verifizieren, werden neben den Vergleichen mit Versuchen aus der Literatur und dem Vergleich mit [Fragiacomo 2000] sowohl Messungen der Dehnungen und Verformungen von insgesamt acht Verbunddecken während der Bauphase eines Mehrfamilienhauses in Tübingen als auch zwei Langzeitversuche durchgeführt. Durch die Variation der Umgebungsbedingungen stellt sich heraus, daß das Schwinden des Betons nicht vernachlässigt werden kann. Darüber hinaus führt eine schwankende Luftfeuchte zu großen Zunahmen der mittleren Verformung, während Temperaturschwankungen die mittlere Verformung kaum beeinflussen. Hinsichtlich der maßgebenden Zeitpunkte ergibt sich, daß neben den bisher berücksichtigten Zeitpunkten t = 0 und t = 00 der Zeitpunkt t = 3 bis 7 Jahre insbesondere für den Nachweis der Tragfähigkeit der Verbunddecke maßgebend werden kann. Werden allerdings die erforderlichen Abmessungen der Verbunddecke aus Tragfähigkeits- und Gebrauchstauglichkeitsnachweis miteinander verglichen, zeigt sich, daß in den meisten Fällen insbesondere die Begrenzung der Durchbiegung der maßgebende Nachweis für die Dimensionierung der Verbunddecken darstellt. Um diese Einflüsse in der Bemessung zu berücksichtigen, wird die Berechnungsmethode von Verbundträgern mit nachgiebig zusammengesetzten Teilquerschnitten nach [DIN 1052 1988] bzw. [Eurocode 5 1994] derart erweitert, daß spannungslose Dehnungen, die z.B. durch Schwinden oder unterschiedliche Temperaturausdehnung hervorgerufen werden, erfaßt werden können. Um die Auswirkungen der Verbundtragwirkung zu bestimmen, wird eine analytische Lösung der Verbundkriechzahlen entwickelt. Als weitere Vereinfachung werden die Verbundkriechzahlen statistisch ausgewertet und Pauschalwerte angegeben, so daß eine schnelle und einfache Bemessung ermöglicht wird. Damit kann das Langzeitverhalten und insbesondere die zeitabhängige Verformung von Brettstapel-Beton-Verbunddecken erfaßt werden, so daß nun Holz in Bereichen wie z.B. Mehrfamilienhaus-, Verwaltungs- und Bürobau angewandt werden kann, die dem bisherigen Holzbau verschlossen sind.

The composite of vertically laminated timber decks (also known as board stacks) and concrete provides many advantages compared to pure concrete or pure timber decks. Compared to a pure timber slab the stiffness and the ultimate load are increased and the fire and sound insulation is provided. Compared to a pure concrete slab the dead load is reduced and the part of re-growing materials of the structure is risen. In order to benefit of these advantages, the short term as well as the long term behaviour of these composite decks have to be evaluated in design. In contrast to the short term behaviour, the long term behaviour can not suffciently be considered in design, due to the neglect of the rheological behaviour of both materials, i.e. among others the neglect of shrinkage, of the composite action on the effective creep coeffcients, of the temporal development of the creep behaviour and of the transport of water between both materials. In this study the long term behaviour of this type of composite decks is determined by a numerical analysis, based on the combination of the rheological models of timber, concrete and connection, taking into account the deformability and the non linear load-slip behaviour of the connection and the non-linearity of concrete. To verify the model, comparisons between calculated curves and tests of timber-concrete-composite structures from literature resp. comparison with results calculated with the model by [Fragiacomo 2000] were performed. In addition to this, the results gained by the developed model was compared with the de ections and strains of in total eight composite decks of vertically laminated timber decks and concrete, measured during the erection of a multiple family dwelling in Tübingen, Germany. Besides this, the model was verified with two long term test of composite slabs of vertically laminated timber decks and concrete. Parametric studies showed that varying the surrounding conditions, it becomes obvious, that shrinkage of concrete can not be neglected. Changing humidity leads to an increase of the average de ection, whereas changing temperature hardly in uences the average de ection, but the de ection within a temperature cycle. Concerning the relevant point in time for the dimensioning of this type of composite decks, it can be pointed out, that beside the up-to-now considered time t = 0 and t = 00 the point in time of t = 3-7a may become relevant especially in regard of the stresses in the timber cross section. But comparing the required dimensions of the composite slab according to the load capacity and according to the limit of de ection, it becomes obvious, that in the majority of cases, the limitation of the de ection is the most relevant verification for the composite deck. In order to take care of these in uences, the design method according to [DIN 1052 1988] and [Eurocode 5 1994] is extended to consider the inelastic strains due to shrinkage and temperature. Beside this an analytical model, describing the effective creep coeffcients of the composite structures, is developed. To simplify the design this effective creep coeffcients are statistically determined and limiting safe-side values are given, that allow for a quick and easy verification. By the results of this study the long term behaviour of composite structures of vertically laminated timber decks and concrete can be taken into account, so that the application of timber may be extended for the use in multiple family dwellings and office buildings.