DIBt ZP 52 - 5 - 13 - 13.181 1319 / 09

Robustheit durch duktile Anschlüsse im Holzbau

DIBt ZP 52 - 5 - 13 - 13.181 1319 / 09

Robustheit gegenüber außergewöhnlichen Einwirkungen ist eine Forderung an Tragwerke, die immer mehr an Bedeutung gewinnt.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Auslegung von duktilen Anschlüssen, um einem sicherheitsgefährdenden, spröden Anschlussversagen entgegen zu wirken. Des Weiteren wird die Anschlussduktilität im Hinblick auf die Robustheit eines Tragwerkes am Beispiel einer seismischen Belastung bewertet. Duktile Anschlüsse entziehen sich durch Verformungen einer weiteren Belastung. Dadurch sind derartige Systeme in der Lage durch Schnittgrößenumlagerung außergewöhnliche Belastungen zu kompensieren.

Um Kenntnisse über die Verformbarkeit von Verbindungsmitteln zu erhalten, sind verschiedene Verbindungsmittel hinsichtlich ihres duktilen Verhaltes untersucht worden. Hierbei zeigte sich, dass neben stiftförmigen Verbindungsmitteln auch Dübel besonderer Bauart über eine beachtliche Verformbarkeit verfügen. Aufgrund der Bestimmungen nach DIN EN 26891 wurden die Versuche jedoch bei einer Verformung von 15 mm abgebrochen, sodass die ermittelte Kenngröße nicht das gesamte Verformungsvermögen widerspiegelt.

Im Rahmen eines weiteren Forschungsvorhabens wurden Stabdübelanschlüsse entworfen und hinsichtlich ihres plastischen Verhaltens ausgewertet. Dabei wurde der Stabdübeldurchmesser sowie die Anordnung der Verbindungsmittel variiert. Die Versuchsergebnisse zeigten ein ausgeprägtes Verformungsverhalten. Basierend auf den vorangegangenen Untersuchungen wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens, quasi-statisch, zyklische Verbindungen geprüft, um duktile Anschlüsse unter einer seismischen Belastung bewerten zu können. Es zeigte sich, dass derartige Verbindungen neben einer ausgeprägten statischen Verformbarkeit ebenfalls über eine beachtliche Verformbarkeit unter einer zyklischen Beanspruchung verfügen.

Holz als natürlicher Werkstoff besitzt streuende Materialeigenschaften, die das Trag- und Verformungsverhalten beeinflussen. Neben dem Einfluss des streuenden E-Moduls auf die Trägerendrotationen wurde ein erster Faktor bestimmt, der sicherstellt, dass sich ein duktiles Anschlussverhalten vor einem spröden Materialversagen einstellt. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die erforderlichen Anschlussrotationen um ca. 10% gegenüber der Annahme eines homogenen Materials erhöht werden müssen. Um ein duktiles Anschlussverhalten sicherzustellen, wurde ein Faktor von 0,58 bzw. 0,69 ermittelt. Dieser gibt an, dass die Tragfähigkeit des Anschlusses maximal 58% der Bauteiltragfähigkeit betragen sollte.

Um derartige Anschlüsse der Praxis zugänglich zu machen, konnte basierend auf der Komponentenmethode ein Bemessungsmodell entwickelt werden, das das im Versuch beobachtete Momenten-Rotationsverhalten mit einer guten Übereinstimmung abbildet. Dabei wurden die einzelnen Tragkomponenten als Federn modelliert, und im Modellansatz zusammengefügt. Dabei stellte sich heraus, dass der Einfluss des inneren Hebelarms von großer Bedeutung ist. Im Bereich der Druckzone sind daher weitere Untersuchungen zur Spanungsverteilung nötig.

Basierend auf dem entwickelten Modell und unter Berücksichtigung der Ergebnisse der quasi-statischen Versuche konnte die ausreichende Rotationsfähigkeit anhand einer seismischen Untersuchung überprüft werden. Dabei wurden unter Verwendung einer nummerischen Berechnung die Verhaltensbeiwerte q für verschiedene Erdbebenszenarien ermittelt. Der Verhaltensbeiwert berücksichtigt dabei das dissipative Verhalten der Konstruktion, das durch die plastischen Verformungen sowie die Energiedissipation der mechanischen Verbindungsmittel hervorgerufen wird. Die ermittelten Verhaltensbeiwerte bestätigen die in der Norm (DIN EN 1998-1/NA) angegebenen Werte. Dies bedeutet, dass derartige Anschlüsse über ein ausgesprochen plastisches Verhalten verfügen.

Um Verbindungsmittel hinsichtlich ihres duktilen Verhaltens einordnen zu können, sind weitere Untersuchungen nötig, die bis zum tatsächlichen Versagen des Verbindungsmittels durchgeführt werden. Des Weiteren sind Untersuchungen zur Druckzonenkomponente erforderlich.

Institut für Konstruktion und Entwurf, Universität Stuttgart
Leiterin der Forschungsstelle:
Prof. Dr.-Ing. U. Kuhlmann

Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Frank Brühl

Wir danken dem Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) für die Förderung dieses Forschungsprojekts.

von April 2009 bis September 2010