DE10254043A1

DE10254043A1 - Verbundkonstruktion hoher Tragfähigkeit

Info

Publication number: DE10254043A1
Application number: DE2002154043
Authority: DE
Inventors: Stefan Prof. Dr.-Ing. Winter
Original assignee: Universitaet Leipzig
Current assignee: WINTER, STEFAN, PROF.DR.-ING., 36341 LAUTERBAC, DE
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-11-21
Also published as: DE10254043B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbundkonstruktion hoher Tragfähigkeit. Es ist die Aufgabe gestellt, einen schubsteifen und wenig arbeitsintensiven Verbund zwischen Beton und Holz oder einem Holzwerkstoff herzustellen. Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Holz- oder Holzwerkstoffschicht flächig mit einer Betonschicht verbunden wird, wobei als Verbindungsmittel profilierte Rippen eingesetzt werden, die parallel zur Haupttragrichtung des Verbundquerschnitts verlaufen und einzeln oder auf einer Trägerplatte zusammengefasst angewendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft Holz/Beton-Verbundkonstruktionen, Holzwerkstoff/Beton-Verbundkonstruktionen sowie Holz/Holzwerk-stoff/Beton-Verbundkonstruktionen mit hoher Tragfähigkeit, zu deren Herstellung Hochleistungswerkstoffe eingesetzt werden.

Die Verbundkonstruktion kann sowohl im Neubau als auch bei der Ertüchtigung bestehender Holz- bzw. Holzwerkstoffkonstruktionen als tragendes und/oder raumabschließendes Bauteil eingesetzt werden. Im Brückenbau ist ein Einsatz als tragende Fahrbahnplatte möglich. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich durch die Gewichtsersparnis gegenüber Standardkonstruktionen – ggf. noch verstärkt durch den Einsatz von Leichtbetonen – bei problematischem Baugrund, bei Aufstockungen oder Umnutzungen.

Als Komponenten für Holz-Beton-Verbundquerschnitte sind Normalbetone und die bereits länger verwendeten Massivhölzer bekannt. Für das Zusammenwirken der einzelnen Querschnittsteile und damit für das Tragverhalten des Gesamt-Verbundquerschnitts von besonderer Bedeutung sind die zu verwendenden Verbindungsmittel. Sie entscheiden über die Verbundwirkung, den Herstellungsaufwand und die Kosten der gesamten Verbundkonstruktion.

Wenn also die Eigenschaften von Verbundkonstruktionen verbessert werden sollen, dann geschieht dies in erster Linie über eine Optimierung der Verbundmittel. Im Folgenden werden daher bekannte und in der Praxis angewandte Verbindungsmittel aufgeführt, um den Stand der Technik darzustellen.

Anwendungen von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen lassen sich bis in die 40-er Jahre des letzten Jahrhunderts zurückverfolgen. Erste neuere Forschungsvorhaben wurden 1984 von Godycki et al. und später von Natterer, Blaß und weiteren durchgeführt. Es wurden Scher- und Biegeversuche für Nagel- und Einschnittverbundmittel durchgeführt.

Das in der Praxis seit ca. 1996 bekannte System SFS der Fa. Stadler sieht eine Anordnung geneigter Spezialschrauben vor, die durch die Dielung in den Holzbalken eingeschraubt werden (Zulassungsnummer Z-9.1-342 und Offenlegungsschrift DE 40 29 134 A1 ). Den Schrauben werden Grenzwerte für die Übertragung der Schubkräfte aus dem Beton zugewiesen.

In der Gebrauchsmusterschrift DE 298 15 614 U1 wird eine Verbundschraube für ein Holz-Beton-Tragwerk vorgeschlagen, die zwei unterschiedliche Profilierungen aufweist. Die untere Zone enthält ein holzgängiges Gewinde, der obere Schraubenabschnitt besitzt eine schuppige Oberfläche um eine Bettung im Beton zu erreichen.

Weitere punktförmig wirkende Verbindungsmittel zur Schubkraftübertragung in Holz-Verbund-Biegeträgern werden in DE 100 39 264 A1 , DE 299 23 879 U1 und DE 695 18 396 T2 vorgestellt.

Die aus dem Stahl-Beton-Verbundbau bekannten Kopfbolzendübel werden in DE 297 06 301 U1 und EP 1 013 840 B1 für den Holz-Beton-Verbundbau vorgeschlagen.

Die ebenfalls aus dem Stahl-Beton-Verbundbau bekannten Profilbleche werden in DE 196 02 400 A1 und DE 196 40 880 A1 als Schalung für den Beton rechtwinklig zur Tragrichtung auf den Holzbalken angeordnet. Der Verbund von Holz und Beton wird durch Schrauben in der Tiefensicke, ggfs. mit einem Stahlwinkel verstärkt, erreicht.

In DE 298 24 534 U1 wird ein Brettstapelelement beschrieben, zwischen dessen Lamellen Bleche oder Kanthölzer angeordnet sind, die als Stege in die Betonplatte hineinragen. Der Verbund erfolgt nicht über einen Hinterschnitt der Stege, sondern über „Querkraftanker", die in Aussparungen der Stege eingeschoben werden.

Beispiele für formschlüssige Verbindungen mit stabförmigen Verbindern zur Aufnahme der Zugkräfte sind Betonnocken mit Stahlstift und bewehrte Betonnocken in Furnierschichtholzplatten sowie die an der ETH Lausanne zusam men mit der Firma Hilti AG, Schaan entwickelten Verbinder HILTI HBV. Bei den HILTI-Dübeln HBV handelt es sich um einen im Holz eingeklebten, nachspannbaren Befestigungsanker.

Die oben beschriebenen Verbundkonstruktionen weisen einen linien- oder punktförmigen Verbund auf. Zur Verbesserung des Tragverhaltens in der Verbundfuge wurde jedoch ebenfalls nach einem flächig wirkenden Verbundmittel gesucht. In der Offenlegungsschrift DE 197 29 058 A1 wird eine Klebeverbindung vorgeschlagen.

Die beschriebenen technischen Lösungen haben eine Reihe von Nachteilen.

Die bisher bekannten Verbundmittel für Holz-Beton-Verbundquerschnitte sind montage- und kostenintensiv sowie wenig duktil. Ein hoher Vorfertigungsgrad ist bei schlanken Verbindungsmitteln (Schrauben, Nägel, etc.) nicht möglich.

Sollen Klebeverbindungen zur Herstellung eines Flächenverbundes eingesetzt werden, können abhängig vom Klebstoff nur Betonfertigteile verwendet werden. Für das System nach DE 197 29 058 A1 kann Ortbeton verwendet werden, eine Umsetzung in die Praxis ist aus technischen bzw. betriebswirtschaftlichen Gründen bisher nicht gelungen.

Weiterhin wurden die Verbindungsmittel nur in Kombination mit Normalbetonen untersucht. Das bedeutet, dass die bisher bekannten Verbindungsmittel nicht an den Einsatz der neu entwickelten und jetzt zur Verwendung bereitstehenden Hochleistungsbetone angepasst sind.

Auf dem Gebiet des Holz-Beton-Verbundbaus sind damit eine Vielzahl von Forschungsergebnissen, Schutzrechten und Publikationen und in der Praxis eingesetzten Verbundkonstruktionen vorhanden. Allerdings ist noch kein preiswertes, ausreichend duktiles Verbindungsmittel gefunden worden, das eine wirtschaftlich interessante und konkurrenzfähige Herstellung von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen in großer Menge erlaubt.

Die Ursachen der Nachteile stellen sich wie folgt dar.

Aus der Kleinteiligkeit (System der Fa. Meierhofer SFS) ergeben sich eine hohe Anzahl von Verbindungsstellen und damit ein hoher Fertigungsaufwand in situ. Der mögliche Vorfertigungsgrad ist gering, da die Verbindungsmittel zu schlank sind um den Transport mehrerer übereinandergestapelter Elemente zu ermöglichen.

Weiterhin führen schlanke Verbindungsmittel wie Schrauben oder Nägel unter Längsschubbelastung infolge der relativ großen Verschiebungen zwischen Beton und Holz/Holzwerkstoff zu einer reduzierten Verbundwirkung. Die Tragfähigkeit des Verbundquerschnitts einschließlich der aus der Verbundwirkung resultierenden positiven Eigenschaften wird reduziert.

Bei punktförmiger Anordnung der Verbindungsmittel ergeben sich unterschiedlich große Beanspruchungen der Verbundmittel. Die bisher bekannten Verbindungsmittel sind nicht duktil genug, d.h. das vorhandene plastische Verformungsvermögen ist zu gering um eine Kraftumlagerung auf weniger beanspruchte Bereiche zu erreichen. Es folgt ein Versagen der Verbindungsmittel in den am höchsten beanspruchten Bereichen, ohne dass die Tragfähigkeit in weniger beanspruchten Bereichen ausgeschöpft wäre. Nachfolgend versagen auch die bis dahin weniger beanspruchten Verbindungsmittel – der Verbundquerschnitt „reißt" in der Fuge auf.

Die Ausführung von Betonnocken oder Einschnitt, ggf. in Verbindung mit nachspannbaren Befestigungsankern führt zu einer relativ hohen Schubsteifigkeit, erfordert jedoch gleichzeitig einen hohen Arbeitszeitaufwand und ist zur Ertüchtigung bestehender Holzkonstruktionen wenig geeignet. Sie sind zudem nicht duktil genug.

Ziel der Erfindung ist das Schaffen eines in der Herstellung wenig arbeitsintensiven, flächigen Verbundes zwischen Beton- und Holz-/Holzwerkstoffschicht, um einen Verbundquerschnitt mit verbesserter Tragfähigkeit zu erzielen sowie den Kosten- und Zeitaufwand gegenüber den bekannten Verfahren zu reduzieren. Entstehen soll eine variabel einsetzbare und leicht handhabbare Konstruktion für universelle Aufgabengebiete, die einen hohen Vorfertigungsgrad aufweist und wahlweise mit hochfesten und Normalbetonen ausgeführt werden kann.

Bei problematischem Baugrund bzw. beim Bauen im Bestand ist eine Reduzierung des Eigenlastanteils der Konstruktion sinnvoll. Die durch den Einsatz von Holz bereits erzielte Gewichtsersparnis soll durch den Einsatz hochfester bzw. Leichtbetone noch verstärkt werden.

Dafür wird ein Verbundmittel benötigt, dass ausreichend duktil ist und äquidistant angeordnet werden kann. Gleichzeitig soll eine industrielle Vorfertigung möglich sein ohne die individuelle Anpassbarkeit, die besonders beim Bauen im Bestand oder bei ungewöhnlicher Geometrie unerlässlich ist, zu beeinträchtigen. Diese genannten Merkmale sollen zu einer einfachen Handhabung auf der Baustelle sowie zu einer Rationalisierung des Bauablaufs und damit zu einer Dämpfung der Baukosten führen.

Darüber hinaus muss das Verbindungsmittel für den Einsatz aller Betonsorten geeignet sein.

Demnach hat die Erfindung die Aufgabe, einen schubsteifen Verbund zwischen dem Beton und einer Holz/Holzwerkstoffschicht zu gewährleisten. Es soll ein dauerhafter und tragfähiger flächiger Verbund zwischen Beton und Holz durch Aktivierung von Flächenreibungskräften zuverlässig erzielt werden. Des weiteren sollen die seit neuerem zur Verfügung stehenden Hochleistungsbetone sowie neu entwickelte Massivholz- und Holzwerkstoffe mit wesentlich verbesserten mechanischen Eigenschaften geprüft und bei Erfolg eingesetzt werden. Es soll der „Reißverschlusseffekt" durch eine qualifizierte Anordnung der Verbindungsmittel entsprechend dem Kräfteverlauf oder auch mit gleichen Abständen durch ein hochduktiles Verbindungsmittel vermieden werden .

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die gestellte Aufgabe lösen lässt durch im Beton eingelassene profilierte Rippen, die mittels stiftförmiger Verbindungsmittel bzw. Verleimung kraftschlüssig mit dem Holz/Holzwerkstoff verbunden sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst.

Es wird ein Verbundquerschnitt geschaffen, der aus Holz oder Holzwerkstoff und Beton besteht, wobei letzterer Normalbeton oder Hochleistungsbeton sein kann. Zwischen der Holz- bzw. Holzwerkstoffschicht und der Beton schicht sind profilierte Rippen angeordnet, die in die Betonplatte hineinragen und mit dem Holz oder Holzwerkstoff durch Verbindungsmittel fest verbunden sind. Die Rippen bestehen aus Holz oder Holzwerkstoffen und laufen parallel zur Haupttragrichtung des Verbundquerschnittes.

Die Geometrie der Rippen weist eine Profilierung auf, bevorzugt einen Hinterschnitt, das heißt eine negative Flankensteigung. Neigung und Formgebung der Rippen, zum Beispiel konkav, konvex oder variabler Neigungswinkel, kann modifiziert, abgeändert oder ergänzt werden. Zusätzlich kann eine Endverankerung vorgesehen werden. Die Rippen können einzeln oder auf einer Trägerplatte zusammengefasst angewendet werden.

Die Verbundwirkung entsteht aus dem Hinterschnitt der Rippen. Die daraus folgende Klemmwirkung führt zu einer Aktivierung der Reibungskräfte und stellt einen flächigen Verbund her. Die daraus resultierende gemeinsame Tragwirkung der Querschnittsteile als Verbundquerschnitt führt zu den bereits aufgeführten Vorteilen.

Die geometrische Form sowie die Anordnung der Rippen parallel zur Tragrichtung des Verbundquerschnitts erzwingen eine gemeinsame Längsverschiebung aller Verbindungsmittel. Neben der hohen Duktilität in der Verbundfuge ergibt sich daraus die Möglichkeit, die Verbindungsmittel äquidistant, also mit konstanten Abständen unabhängig vom Verlauf der Längsschubkraft anzuordnen. Gegebenenfalls wird eine zusätzliche Endverankerung erforderlich.

Die Längsschubkräfte können entweder mittels stiftförmiger Verbindungsmittel (z.B. Schrauben, Nägel, o.a.) oder durch Leim übertragen werden, die Zugkräfte rechtwinklig zur Verbundfuge werden durch stift- bzw. schraubenförmige Verbindungsmittel übertragen. Werden die Rippen aufgrund ihres Faserverlaufs auf Querzug beansprucht, dienen diese Verbindungsmittel zusätzlich als Querzugbewehrung.

Die in die Betonplatten eingelassenen Rippen werden mittels schraubenförmiger Verbindungsmittel und/oder in Kombination mit Leim mit dem Holz oder dem Holzwerkstoff schubfest und zugfest verbunden. Um den Kraftschluss zu erhöhen, kann die Rippe mit Schrauben angeschlossen werden, die zwei Gewinde mit unterschiedlicher Ganghöhe besitzen. Die Anordnung der stift förmigen Verbindungsmittel ist sowohl geneigt als auch senkrecht möglich. Die genannten schraubenförmigen Verbindungsmittel können auch als Stifte ausgebildet sein, zum Beispiel als Schrauben, Nägel, Anker, Dübel, Klammern, Bolzen oder dergleichen.

Bei der Herstellung der Verbundkonstruktion einschließlich ihrer Querschnittsteile werden ein hoher Vorfertigungsgrad und die industrielle Fertigung ermöglicht. Die Verbundmittel zwischen Rippen und Holz/Holzwerkstoff werden mechanisch durch die robusteren Rippen geschützt. Damit ist sowohl die Herstellung auf der Baustelle als auch die Vorfertigung und der Transport von Halbfertigteilen und Fertigteilen möglich. Halbfertigteile bestehen aus elementierten Holzbauteilen, wie. z.B. Brettstapelelemente oder Furnierschichtholzplatten mit bereits aufgebrachten Rippen. Das Betonieren und ggf. das Einbringen der Bewehrung erfolgt dann bauseitig (nur bei Halbfertigteilen erforderlich). Die Fertigteile besitzen bereits einen Holz/Holzwerkstoff-Beton-Querschnitt.

Aufgrund der Elementierung und leichten Anpassbarkeit des Systems sind individuelle Lösungen möglich. Die Reduzierung der Montagezeit führt zu einer besseren Witterungsunempfindlichkeit und damit auch einer höheren Ausführungsqualität der Konstruktion. Industrielle Qualitätssicherungsverfahren werden anwendbar. Durch die Vereinfachung des Bauablaufs werden bauseitige Fehlerquellen eliminiert.

Der Planer besitzt nun die Möglichkeit, eine an den Erfordernissen ausgerichtete Konstruktion zu entwerten. So kann z.B. bei Bedarf die Klemmwirkung durch Schrauben mit zwei Gewinden unterschiedlicher Ganghöhe verstärkt werden.

Durch eine Optimierung der Schichtdicken und deren Festigkeiten kann die Nulllinie so eingestellt werden, dass die Holzwerkstoffschicht die Zugkräfte und die Betonschicht die Druckkräfte übernimmt. Unter Umständen kann damit eine Bewehrung der Betonschicht vermieden werden.

Die Betonschicht kann aus Normalbeton oder einem Hochleistungsbeton wie Selbstverdichtendem Beton, Selbstverdichtendem Leichtbeton, Hochfestem Beton, Faserbeton oder dergleichen bestehen.

Zu beachten ist, daß der Einsatz hochfester Hochleistungsbetone zu einer Verstärkung des Reißverschlußeffektes führt.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und abbildugnen näher erläutert.

Eine allgemeine perspektivische Darstellung erfolgt in 1. Der Verbundquerschnitt wird durch die schubfeste Verbindung der Betonplatte mit der Holz/Holzwerkstoffplatte hergestellt. Dabei wird die Kraftweiterleitung zwischen Betonplatte und Rippe immer durch die hinterschnittene Geometrie sichergestellt (7, 8).. Variabel ist dagegen das Verbindungsmittel in der Fuge zwischen Rippe und Holz/Holzwerkstoffplatte. Infolge der hinterschnittenen Geometrie der Rippen werden Reibungskräfte aktiviert. Die daraus resultierenden Längsschub- und Querzugkräfte müssen von den Verbindungsmitteln aufgenommen werden.

Bei der anschließenden Betonierung wird das Holzelement gleichzeitig als Schalung verwendet.
Beispiel 1: (3)
Profilierte Rippen(2) gemäß 7 bzw. 8 werden auf einem Holzbauteil (3) wie z.B. Brettstapelelement, Furnierschichtholzplatte o.ä. befestigt. Als Verbindungsmittel werden stiftförmige Verbindungsmittel (4), wie in 9 und 10 dargestellt, verwendet, die gleichzeitig die Längsschub- und Zugkräfte aufnehmen. Die Holzschicht(en) tragen gemeinsam mit der Betonschicht und dienen als Schalung während des Betoniervorganges.
Beispiel 2: (4)
Für die Holzschicht (3) wird Dickschichtholz verwendet, wobei die oberste Schicht rippenförmig ausgefräst wird. Zwischen Rippen (2) und Holz/Holzwerkstoffplatte (3) wird eine kraftschlüssige Leimfuge (5) ausgebildet, die die Längsschubkräfte aufnimmt. Die Zugkräfte werden durch stabförmige Verbindungsmittel (9, 10) aufgenommen, die gleichzeitig die Querzugbewehrung für das Rippenprofil bilden.
Anwendung als Verbunddecke im Hochbau oder als tragende Fahrbahnplatte im Brückenbau: (1)
Horizontale Einbaulage einer Holz-Beton-Verbundkonstruktion
Anwendung als Verbundwand : (2)
Vertikale Einbaulage des Verbundquerschnittes, der in diesem Fall einen dreischichtigen Aufbau besitzt. Die Außenflächen werden von zwei Holz- bzw. Holzwerkstoffplatten (3) mit darauf befestigten Rippen(2) gebildet. Der Zwischenraum wird hohlraumfrei mit bewehrtem oder unbewehrtem Beton (1) verfüllt.
Die zum Ausführungsbeispiel gehörenden Abbildungen zeigen:
1 perspektivische Ansichten des Verbundquerschnitts in horizontaler Einbaulage, allgemeine Darstellung (Verbindungsmittel nicht dargestellt)
2 perspektivische Ansicht des Verbundquerschnitts in vertikaler Einbaulage, allgemeine Darstellung (Verbindungsmittel nicht dargestellt)
3 Verbundquerschnitt, Beispiel 1: Rippen auf Holzschicht (z.B. Brettstapelelement, Massivholz oder Holzwerkstoffplatte) aufgeschraubt
4 Verbundquerschnitt, Beispiel 2: Rippen in oberster Lage des Dickschichtholzes ausgefräst und verleimt, stiftförmige Verbindungsmittel übertragen nur Zugkräfte
5 Längsschnitt durch Verbundquerschnitt, stiftförmige Verbindungsmittel unter 90° eingebaut
6 Längsschnitt durch Verbundquerschnitt, stiftförmige Verbindungsmittel geneigt eingebaut
7 mögliche Profilformen der Rippe
8 unterschiedliche Anordnung der Rippen: Einzelrippe oder auf einer Trägerplatte zusammengefasst (stiftförmige Verbindungsmittel in der Trägerplatte zur Aufnahme der Zugkräfte nicht dargestellt)
9 stiftförmige Verbindungsmittel (Schraubenformen)
10 stiftförmige Verbindungsmittel (Klammern, Schrauben, Nägel)

Claims

Verbundkonstruktion hoher Tragfähigkeit aus Holz oder Holzwerkstoff und Beton, dadurch gekennzeichnet, dass Holz oder Holzwerkstoff und Beton flächig verbunden sind, wobei als Verbindungsmittel zwischen Holz oder Holzwerkstoff und Beton profilierte Rippen eingesetzt werden, die mit dem Holz oder Holzwerkstoff fest verbunden sind und in den Beton hineinragen, wobei die Rippen aus Holz oder Holzwerkstoff bestehen und als Profilierung einen Hinterschnitt aufweisen.
Verbundkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen, die eine negative Flankensteigung aufweisen, konkav oder konvex oder mit vorgegebenem Neigungswinkel ausgebildet sind, eine Endverankerung aufweisen können einzeln oder auf einer Trägerplatte angeordnet sind.
Verbundkonstruktion nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel zur Verbindung der Rippen an Holz oder Holzwerkstoffkonstruktionen stiftförmig ausgebildet sind, dabei auch schraubenförmig, und dass die schraubenförmige Ausgestaltung unterschiedliche Gewinde aufweist.
Verbundkonstruktion nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen an der Holz oder Holzwerkstoffkonstruktion verleimt sind.
Verbundkonstruktion nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass neben Normalbeton auch Hochleistungsbetone eingesetzt werden.
Verbundkonstruktion nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundkonstruktionen vorgefertigt sind.
Verbundkonstruktion nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen parallel zur Haupttragrichtung des Verbundquerschnittes verlaufen.