Kurzfassung
Für weitspannende Tragwerke kommen im Holzbau in der Regel stabförmige Bauteile zum Einsatz, wobei der Schlüssel zur Wirtschaftlichkeit der Konstruktionen oft in der Schlankheit dieser Holzbauteile liegt. Aufgrund von Biegeknicken und Biegedrillknicken tritt bei diesen schlanken, stabförmigen Holzbauteilen häufig ein sogenanntes Stabilitätsversagen auf. Für eine kombinierte Belastung aus Moment und axialer Druckkraft, wie sie z. B. bei unterspannten Trägern oder Rahmentragwerken auftritt, liegt das kc-km-Verfahren nach DIN EN 1995-1-1:2010+NA:2013 teils deutlich auf der sicheren Seite, was eine wirtschaftliche und konkurrenzfähige Bemessung solcher Holzbauteile erschwert. Für das kombinierte kc-km-Verfahren lagen zudem keine experimentellen Untersuchungen mit baupraktischen Querschnittsabmessungen vor, anhand derer das Bemessungsverfahren hätte verifiziert werden können.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, durch maßstabsgetreue Biegedrillknickversuche (BDK-Versuche) an Brettschichtholz-Trägern (BSH-Träger) aus Nadelholz die Datenbasis für analytische und numerische Untersuchungen zu schaffen, anhand derer das kombinierte kc-km-Verfahren für Biegedrillknicknachweise durch eine Überarbeitung der Momenten-Normalkraft-Interaktionsbeziehung wirtschaftlich optimiert werden sollte.
Es wurden 19 BDK-Versuche an BSH-Trägern mit einer Länge von 6 bis 8 m, Höhe von 72 bis 48 cm und 12 cm Breite mit reiner Momenten- und kombinierter Momenten-Normalkraft-Belastung durchgeführt. Zur Nachrechnung der BDK-Versuche wurde vorab an jedem Versuchskörper je ein elastischer Biegeversuch hochkant, flachkant und ein Torsionsversuch durchgeführt und die Biege- und Torsionssteifigkeiten der BSH-Träger ermittelt. Für die numerische Materialmodellierung wurden zudem Druckversuche parallel zur Faser an Reststücken der BSH-Lamellen der BDK-Versuchskörper durchgeführt und die Spannungs-Dehnungs-Beziehung ermittelt.
Aufbauend auf den experimentellen Ergebnissen wurde ein numerisches (FE) Modell zur Untersuchung des BDK- und BK-Verhaltens schlanker Holzbauteile unter Momenten-Normalkraft-Beanspruchung unter Berücksichtigung des geometrisch und des materiell nichtlinearen Verhaltens, streuender geometrischer und struktureller Imperfektionen und streuender Biegefestigkeiten entwickelt. Das Modell wurde umfassend verifiziert und anhand der experimentellen Ergebnisse und Werte aus der Literatur validiert. Schließlich wurden mit dem Modell umfangreiche Parameterstudien mit mehreren 10.000 Berechnungen zur Ermittlung von Ersatzimperfektionen für die BDK-Bemessung und Untersuchung der Momenten-Normalkraft-Interaktion durchgeführt.
Auf Grundlage der experimentellen und numerischen Ergebnisse wurden Vorschläge zur Überarbeitung des kc-km-Verfahrens und des Nachweises mit Schnittgrößen aus Berechnungen nach Theorie 2. Ordnungen nach DIN EN 1995-1-1:2010+NA:2013 gemacht.
Beteiligte Forschungsstellen
Universität Stuttgart
Institut für Konstruktion und Entwurf
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Janusch Töpler
Projektförderung
iVTH e.V. / AiF
Projektlaufzeit
01.01.2021 – 31.12.2023