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Artikel in Bauen mit Holz, 2011, Heft 5 (PDF) - Harrer Ingenieure

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Bilder: F<strong>in</strong>nforest Merk/Arup<br />

technik<br />

Gelungene Verb<strong>in</strong>dungen<br />

Ingenieurholzbau ❙ Die über 3.000 Knotenpunkte des ab Seite 8 beschriebenen Metropol-Parasol-Projekts<br />

stellten e<strong>in</strong>e ganze Reihe von <strong>Ingenieure</strong>n und Tragwerksentwicklern vor e<strong>in</strong>e spannende Aufgabe. In<br />

<strong>in</strong>tensiven Diskussionen, Studien, Vergleichsrechnungen und Versuchen näherten sich die <strong>Ingenieure</strong><br />

von Arup und F<strong>in</strong>nforest der Knotengeometrie und den def<strong>in</strong>ierten Schnittgrößen. Zur Erbr<strong>in</strong>gung der<br />

umfangreichen Bauteil- und Detailnachweise holte F<strong>in</strong>nforest Merk sich dann <strong>Harrer</strong> <strong>Ingenieure</strong> sowie<br />

apueng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g und pbb Planung + Projektsteuerung <strong>mit</strong> <strong>in</strong>s Boot.<br />

Anja Thurik, Thomas Di Risio, Matthias Gerold, Volker Schmid<br />

Bild 1: Das Tragwerk des Metropol Parasol besteht<br />

aus e<strong>in</strong>em Verb<strong>in</strong>dungssystem <strong>mit</strong> e<strong>in</strong>geklebten<br />

Zugstangen – e<strong>in</strong> modernes Anschlusskonzept<br />

<strong>mit</strong> sehr hoher Tragfähigkeit und vergleichsweise<br />

ger<strong>in</strong>gem Gewicht.<br />

38 bauen <strong>mit</strong> holz · 5.<strong>2011</strong><br />

n y<br />

n yx<br />

Ausgehend von den spezifischen Eigenschaften<br />

des Furnierschichtholzes galten<br />

für die Tragwerksplanung des Metropol<br />

Parasol folgende Parameter:<br />

– hohe Belastbarkeit; zu übertragende Kräfte<br />

von bis zu 1,0 MN, (= 100 t, charakteristisch);,<br />

- die Verb<strong>in</strong>dungen müssen möglichst<br />

leicht se<strong>in</strong>, da der Platz für die Fundamente<br />

zwischen den römischen Ru<strong>in</strong>en<br />

begrenzt und deren Tragfähigkeit li<strong>mit</strong>iert<br />

ist;<br />

– da die Geometrie jeder der gut 3000 Verb<strong>in</strong>dungen<br />

unterschiedlich ist, wie auch<br />

die zu übertragende Kraft, muss e<strong>in</strong> Verb<strong>in</strong>dungssystem<br />

entwickelt werden, das<br />

<strong>in</strong> der Art e<strong>in</strong>es Baukastens beliebig komb<strong>in</strong>ierbar<br />

ist;<br />

– Toleranzausgleich <strong>in</strong> drei Richtungen (justierbar);<br />

– Montagefreundlichkeit,<br />

– ke<strong>in</strong>e überstehenden Stahlteile (Transportfreundlichkeit);<br />

– da jede Verb<strong>in</strong>dung sichtbar bleibt, s<strong>in</strong>d<br />

die Abmessungen der Verb<strong>in</strong>dung zu<br />

m<strong>in</strong>imieren.<br />

Die Lösung war das Verb<strong>in</strong>dungssystem<br />

<strong>mit</strong> e<strong>in</strong>geklebten Zugstangen – e<strong>in</strong> modernes<br />

Anschlusskonzept <strong>mit</strong> sehr hoher Tragfähigkeit<br />

und vergleichsweise ger<strong>in</strong>gem<br />

Gewicht.<br />

Die e<strong>in</strong>zelnen Knoten wurden im Zuge der konzeptionellen<br />

Entwicklung von F<strong>in</strong>nforest Merk vorbemessen und nach der<br />

Festlegung der Festigkeitsparameter <strong>in</strong> Anschlusstypen katalogisiert.<br />

Die Bauwerksform und das vorgegebene Gesamtgewicht<br />

der Konstruktion stellen dabei die Grenzen dar. Entsprechend<br />

dem Generierungsprozess der Tragwerksgeometrie s<strong>in</strong>d alle Knotenpunkte<br />

im Grundriss rechtw<strong>in</strong>klig. In der Ansicht weisen<br />

jedoch alle Verb<strong>in</strong>dungen unterschiedliche Neigungen auf. Für<br />

die Momenten- und Normalkraftverb<strong>in</strong>dung an der Ober- und<br />

5.<strong>2011</strong> · www.bauen<strong>mit</strong>holz.de<br />

nxy<br />

n x<br />

Deckfaser<br />

a) Scheibenschnittgrößen b) Plattenschnittgrößen<br />

Bild 2: Schnittgrößendef<strong>in</strong>itionen von <strong>Holz</strong>werkstoffplatten <strong>in</strong> Abhängigkeit von der Faserrichtung<br />

m y<br />

m yx<br />

q y<br />

m x<br />

m xy<br />

Y09 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15<br />

Y16<br />

the average<br />

utilisation<br />

of these<br />

elements<br />

is 75 %<br />

140 mm<br />

90°<br />

the average<br />

utilisation<br />

of these<br />

elements<br />

is 78 %<br />

Inexactness <strong>in</strong> model<strong>in</strong>g<br />

<strong>in</strong> practice there is<br />

no bear<strong>in</strong>g exist<strong>in</strong>g !<br />

the average<br />

utilisation<br />

of these<br />

elements<br />

is 72 %<br />

140 mm<br />

90°<br />

189 mm<br />

90°<br />

the average<br />

utilisation<br />

of these<br />

elements<br />

is 77 %<br />

Unterseite des Elements entwickelte F<strong>in</strong>nforest e<strong>in</strong>e spezielle,<br />

standardisierte Gabelkopfverb<strong>in</strong>dung, die drehbar ist und auf der<br />

Baustelle schnell durch e<strong>in</strong>en Bolzen stahlbaumäßig <strong>mit</strong> dem<br />

Nachbarbauteil gekoppelt werden kann. Die Laschen s<strong>in</strong>d über<br />

e<strong>in</strong>e Verzahnung <strong>mit</strong> 3,5 mm Steigung und vorgespannten HV-<br />

Schrauben Typ 10.9 an die Grundplatte des Anschlussstahlteils<br />

angeschlossen. Die hohen Anschlusskräfte zwischen Stahlverb<strong>in</strong>dungsteil<br />

und <strong>Holz</strong> werden <strong>mit</strong> e<strong>in</strong>geklebten Gew<strong>in</strong>destangen<br />

<strong>in</strong>s <strong>Holz</strong> e<strong>in</strong>geleitet.<br />

q x<br />

utilisation scale<br />

< 10 %<br />

10 % to 20 %<br />

20 % to 30 %<br />

30 % to 40 %<br />

40 % to 50 %<br />

50 % to 60 %<br />

60 % to 70 %<br />

70 % to 80 %<br />

80 % to 90 %<br />

90 % to 100 %<br />

100 % to 110 %<br />

> 110 %<br />

189 mm<br />

109,6°<br />

Bild 3: Struktur des FEM-Rechenmodells e<strong>in</strong>er Stammscheibe (Beispiel).<br />

steel<br />

constr.<br />

39


technik<br />

My V=<br />

h<br />

positive cross-section<br />

equilibrium <strong>in</strong><br />

connected<br />

wooden part<br />

left (or ahead)<br />

Σ h = 0<br />

Σ v = 0<br />

Σ m node = M y<br />

M y<br />

Ro= h ·cosγo My·tanγo h<br />

·(-tanγ o+tanγ u)<br />

γ u<br />

γ o<br />

α<br />

M y<br />

h<br />

M y<br />

h<br />

My·tanγo h<br />

v<br />

case 1) Internal forces caused by bend<strong>in</strong>g moment My (Fx = 0 , Fz = 0)<br />

F z(=0)<br />

equilibrium <strong>in</strong><br />

cont<strong>in</strong>uous<br />

wooden part<br />

Σ h = 0<br />

Σ v = 0<br />

Σ m node = M y<br />

Die Def<strong>in</strong>ition der Versagenskriterien und die Festlegung der<br />

Imperfektionen stellte für diese Stahlbauverb<strong>in</strong>dung e<strong>in</strong>e große<br />

analytische Herausforderung dar, weil das Stabilitätsversagen nicht<br />

von vornehere<strong>in</strong> absehbar war. Zur Übertragung der Querkraft<br />

und zum Anschluss der Auskreuzungen werden pro Knoten je vier<br />

fast trägerhohe, <strong>in</strong>dividuelle Stahlw<strong>in</strong>kel vor Ort an die Kerto-<br />

Scheiben genagelt und ermöglichen so den problemlosen Toleranzausgleich.<br />

Schnittgrößen iterativ er<strong>mit</strong>telt<br />

Nachdem sämtliche Randbed<strong>in</strong>gungen für die endgültige Berechnung<br />

des Tragwerks festgelegt waren, konnte F<strong>in</strong>nforest nun e<strong>in</strong>e<br />

umfangreiche, excel-basierte Matrix aufstellen, die für jede Neigung<br />

des <strong>Holz</strong>trägers, jede mögliche <strong>Holz</strong>dicke, jeden Faserw<strong>in</strong>kel<br />

und jeden auftretenden Kraft-Faserw<strong>in</strong>kel e<strong>in</strong>en Verb<strong>in</strong>dungstyp<br />

samt dem zugehörigen Gewicht des Verb<strong>in</strong>dungsdetails def<strong>in</strong>ierte.<br />

Arup konnten das räumliche F<strong>in</strong>ite-Elemente-Modell <strong>mit</strong> ersten<br />

Werten für die Breite der <strong>Holz</strong>träger und für die Knotengewichte<br />

füttern. Sämtliche weiteren Lasten wie das Gewicht der Besucher,<br />

die Beanspruchungen aus W<strong>in</strong>d, aber auch Verkürzungen und<br />

Dehnungen der Tragwerksteile durch Temperatur- und Feuchteänderungen<br />

wurden <strong>in</strong> das Computerprogramm e<strong>in</strong>gegeben. Es<br />

h<br />

My V=<br />

h<br />

M y<br />

h<br />

My·tanγu h<br />

My Ru= h ·cosγu M y<br />

M y<br />

h<br />

M y<br />

Ro= h ·cosγo ·(-tanγ o+tanγ u)<br />

·tanγu Ru= M y<br />

h<br />

F x(=0)<br />

M y<br />

z<br />

y<br />

h ·cosγ u<br />

h<br />

My Uo= ·(tanγ<br />

h<br />

o-tanγo) GSA-node<br />

x<br />

Local axes (x,y,z) and force sign convention (F x, F z, M y) <strong>in</strong> Oasys GSA - model<br />

negative cross-section<br />

equilibrium <strong>in</strong><br />

connected<br />

wooden part<br />

right (or back)<br />

Σ h = 0<br />

Σ v = 0<br />

Σ m node = M y<br />

folgte die Er<strong>mit</strong>tlung der Schnittgrößen <strong>in</strong> den Tragwerksteilen<br />

unter Berücksichtigung der Stabilität nach Theorie II. Ordnung.<br />

Die Tragfähigkeit der <strong>Holz</strong>träger wurde nun für diese errechneten<br />

Lasten geprüft und gegebenenfalls deren Breite erhöht. Verb<strong>in</strong>dungen<br />

<strong>mit</strong> zu ger<strong>in</strong>gen Tragfähigkeiten wurden gegen größere<br />

Anschlüsse ausgetauscht. Da<strong>mit</strong> stieg das Gewicht der Konstruktion<br />

wieder an, und es musste <strong>mit</strong> diesen erhöhten Lasten nun<br />

e<strong>in</strong> neuer Berechnungsgang gestartet werden. Dank Arups teilautomatisierter<br />

Berechnungsrout<strong>in</strong>e konnten diese langwierigen<br />

iterativen Rechnungen selbstständig ablaufen.<br />

Bauteil- und Detailnachweise<br />

Die endgültige Bemessung der Querschnitte unter Berücksichtigung<br />

lokaler Parameter und E<strong>in</strong>flüsse sowie der Anschlüsse <strong>in</strong>klusive<br />

aller Anschlussstahlteile erfolgte durch F<strong>in</strong>nforest zusammen<br />

<strong>mit</strong> deren Subunternehmer <strong>Harrer</strong> <strong>Ingenieure</strong> sowie apu-eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />

und der pbb Planung + Projektsteuerung GmbH. F<strong>in</strong>nforest<br />

verknüpfte dazu die globalen Geometriedaten der Architekten<br />

von J. Mayer H. (Umriss) und der Arup-<strong>Ingenieure</strong> (statische<br />

Mittell<strong>in</strong>ie und Neigung, Knotennummern) <strong>mit</strong> Daten aus der<br />

eigenen Elementplanung (Anfangsknoten und Endknoten e<strong>in</strong>es<br />

Bauteils, Faserrichtung) und der systemimmanenten Detailgeo-<br />

40 bauen <strong>mit</strong> holz · 5.<strong>2011</strong><br />

v<br />

U u - U o<br />

Bild 4: Kraftzerlegungen für verschiedene Verb<strong>in</strong>dungstypen im Knoten (nur Moment).<br />

h<br />

z<br />

y<br />

My Uu= ·(tanγ<br />

h<br />

u-tanγu) M y<br />

V=<br />

h<br />

x<br />

M y<br />

h<br />

M y<br />

Ro= h ·cosγo F x(=0)<br />

F z(=0)<br />

M y<br />

h<br />

M y<br />

M y<br />

Ru= h ·cosγu My·tanγo h<br />

·(-tanγo+tanγu) M y<br />

Ro= h ·cosγo v<br />

My·tanγo h<br />

h<br />

My V= ·(-tanγ<br />

h<br />

o+tanγu) My·tanγu h<br />

M y<br />

h<br />

M y<br />

h<br />

γ o<br />

α<br />

γ u<br />

My·tanγu h<br />

My Ru= h ·cosγu metrie (zum Beispiel Kastenabstand vom Bauteilrand) und führte<br />

auf der Basis der von Arup gelieferten Schnittgrößen die Er<strong>mit</strong>tlung<br />

der Anschlusskräfte und die Vorwahl des Anschlusses durch.<br />

Anschließend erfolgte die Nachweisführung der Querschnitte und<br />

der Anschlüsse durch <strong>Harrer</strong> <strong>Ingenieure</strong>. Bei zu großer Ausnutzung<br />

nahm F<strong>in</strong>nforest so lange Anpassungen an der Detailgeometrie<br />

und -wahl vor, bis alle Nachweise von <strong>Harrer</strong> <strong>Ingenieure</strong> erfüllt<br />

werden konnten. Die Querkraftw<strong>in</strong>kel und Diagonalen-Anschlüsse<br />

wurden ebenfalls von <strong>Harrer</strong>-<strong>Ingenieure</strong> nach dem Konzept von<br />

F<strong>in</strong>nforest bemessen.<br />

Die Aufzweigungsbereiche – hier zweigt sich die Schale für das<br />

Restaurant <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e obere und e<strong>in</strong>e untere Hälfte auf – wurden von<br />

F<strong>in</strong>nforest zusammen <strong>mit</strong> pbb Planung + Projektsteuerung <strong>mit</strong>tels<br />

selbstentwickelter FEM-Scheibenmodelle bemessen.<br />

Besonderheiten bei der Bemessung und<br />

Nachweisführung<br />

Bemessungsgrundlagen für <strong>Holz</strong>werkstoffplatten<br />

Die <strong>in</strong> den abZvon <strong>Holz</strong>werkstoffplatten angegebenen charakteristischen<br />

Festigkeitswerte beziehen sich <strong>in</strong> der Regel auf den<br />

Gesamtquerschnitt unter e<strong>in</strong>achsiger Beanspruchung. Um diese<br />

Werte auch bei komb<strong>in</strong>ierten Spannungszuständen von Platten<br />

bzw. Scheiben verwenden zu können, s<strong>in</strong>d weitergehende Untersuchungen<br />

<strong>mit</strong> Interaktionen für gleichzeitig am selben Ort wirkende<br />

Spannungen aus mehrachsiger Beanspruchung erforderlich.<br />

Da die hierfür erforderlichen Interaktionsregeln sich nicht <strong>in</strong><br />

den gültigen Normen f<strong>in</strong>den, wurden sie von <strong>Harrer</strong> <strong>Ingenieure</strong><br />

gemäß dem Vorschlag aus e<strong>in</strong>er Arbeit an der TU München als<br />

Bemessungsregeln zugrunde gelegt [1]. Das <strong>in</strong> DIN1052:2008-12,<br />

Abs. 8.9.2 und 10.7, und auch zu EC5 im Nationalen Anhang DIN<br />

EN1995-1-1/NA:2010-12 beschriebene Nachweisverfahren hätte<br />

e<strong>in</strong>en extrem höheren Rechenaufwand bedeutet.<br />

Tragwerksmodell <strong>mit</strong> Basiswerten für die Bemessung<br />

Das räumliche F<strong>in</strong>ite-Elemente Modell von Arup lieferte die<br />

Schnittgrößen. Dabei wurden der Schirmbereich <strong>mit</strong> Stabelementen<br />

modelliert und die Stämme P1-2 und P5-6 <strong>mit</strong> ebenen Scheibenelementen.<br />

Bemessung der Stämme<br />

Die zu führenden Spannungsnachweise zu den FEM-Ergebnissen,<br />

die als FEM-Schnittgrößen ausgegeben werden, erfolgen auf der<br />

Grundlage des vorgenannten Berichts. Die hier verwendeten Interaktionsregeln<br />

lauten:<br />

σ y<br />

≤1<br />

f<br />

y<br />

und<br />

σ τ x xy<br />

+ ≤1<br />

f f<br />

x v, xy<br />

<strong>mit</strong><br />

σ y , σ x Längsspannungen <strong>in</strong> Faserrichtung und quer dazu aus<br />

Scheibenlängskräften n y , n x und Biegemomenten m y , m x<br />

τ xy Schubspannung aus Scheibenschubkraft n xy und Drillmoment<br />

m xy<br />

5.<strong>2011</strong> · www.bauen<strong>mit</strong>holz.de<br />

(1)<br />

In aufgeschlüsselter Form stellt sich dieser Nachweis folgendermaßen<br />

dar (s. a. Bild 2, Seite 39):<br />

γ ⋅n<br />

F y<br />

γ ⋅m<br />

F y<br />

2<br />

d d /6<br />

+ ≤1<br />

f ( f ) f<br />

c,0, d t,0, d m,0, flat, d<br />

und<br />

γF⋅nx γF⋅mγF⋅n x<br />

xy γF⋅mxy +<br />

2 2<br />

d d /6 d 0,3⋅<br />

d<br />

+ + ≤1<br />

f ( f ) f f<br />

c,90, edge, d t,90, edge, d m,90, flat, d v,0, edge, d<br />

<strong>mit</strong> den Bemessungswerten<br />

f , f Druck- bzw. Zugfestigkeit <strong>in</strong> Faserrichtung<br />

c,0,d t,0,d<br />

f , f Druck- bzw. Zugfestigkeit <strong>in</strong> Plattenebene recht-<br />

c,90,edge,d t,90,edge,d<br />

w<strong>in</strong>klig zur Faser<br />

f Platten-Biegefestigkeit <strong>in</strong> Faserrichtung<br />

m,0,flat,d<br />

f Platten-Biegefestigkeit rechtw<strong>in</strong>klig zur Faserrich-<br />

m,90,flat,d<br />

tung<br />

f Scheiben-Schubfestigkeit<br />

v,0,edge,d<br />

und<br />

γ Sicherheitsbeiwert<br />

F<br />

d Querschnittsdicke<br />

41


technik<br />

Schnittgrößen und Querschnittsbreiten s<strong>in</strong>d dabei pro m angesetzt.<br />

Diese Längs- und Schubspannungen haben zusammen den<br />

Größtwert <strong>in</strong> der äußeren Schicht der Platte.<br />

Von den allgeme<strong>in</strong> bis zu maximal sechs möglichen unabhängigen<br />

Spannungsvektoren im räumlichen/dreiachsigen Spannungszustand<br />

e<strong>in</strong>es Elements gehen <strong>in</strong> diesen Nachweis drei Spannungsvektoren<br />

e<strong>in</strong>. Die hier nicht weiter beachteten drei Spannungsvektoren<br />

werden <strong>in</strong> den Nachweisen der Schubspannung aus Plattenbeanspruchung,<br />

Nachweis (2), und der „Scheibenspannungen“ <strong>in</strong><br />

der Ebene, Nachweis (3), formal berücksichtigt. Im vorliegenden<br />

Fall können diese beiden Nachweise vernachlässigt werden, da im<br />

Wesentlichen Scheibenbeanspruchungen vorliegen.<br />

f<br />

τ<br />

yz<br />

v, yz<br />

Bild 5: Detailansicht Anschluss<br />

≤1<br />

σx σzτxz + + ≤1<br />

f f f<br />

Querzug/ −druck Querzug/ −druck<br />

Rollschub<br />

Alle<strong>in</strong> für Stamm P5 gab es circa 10.000 F<strong>in</strong>ite Elemente <strong>mit</strong><br />

jeweils e<strong>in</strong>em maximalen und m<strong>in</strong>imalen Wert der verschiedenen<br />

Schnittgrößen <strong>in</strong> der Mitte e<strong>in</strong>es Elements zu berücksichtigen. Für<br />

alle diese s<strong>in</strong>d beide Nachweise (1a) und (1b) zu führen und die<br />

Ergebnisse auszuwerten. Anhand von Tabellen ist dies nur sehr<br />

begrenzt möglich, so wurde e<strong>in</strong>e visuelle Darstellung der Ergebnisse<br />

gewählt, bei der Bereiche <strong>mit</strong> hohen Spannungsausnutzungen<br />

und/oder s<strong>in</strong>guläre Stellen schnell erkannt und beurteilt werden<br />

können. Da hierfür ke<strong>in</strong> kommerzielles Programm zur Verfü-<br />

(2)<br />

(3)<br />

gung steht, war die Entwicklung e<strong>in</strong>es Computer-Programms<br />

durch <strong>Harrer</strong> <strong>Ingenieure</strong> Voraussetzung zur Bewältigung der<br />

eigentlichen Aufgabe.<br />

In Bild 3 (Seite 39) ist die Stammscheibe <strong>in</strong> Achse x06 von Stamm<br />

P1 <strong>mit</strong> den Spannungsausnutzungen exemplarisch dargestellt.<br />

Um die Struktur <strong>in</strong> Microsoft Excel bildlich erzeugen zu können,<br />

s<strong>in</strong>d zunächst die Knoten-Koord<strong>in</strong>aten e<strong>in</strong>zulesen, benachbarte<br />

Knoten an Elementrändern <strong>mit</strong>e<strong>in</strong>ander zu verb<strong>in</strong>den und die L<strong>in</strong>ien<br />

anschließend grafisch auszugeben. Gleichzeitig werden diesen<br />

grafisch erzeugten Drei- und Vierecken sogenannte Zeichnungsobjekte<br />

<strong>mit</strong> Programmfunktion zugewiesen. So ist es möglich, per<br />

Mausklick schnell e<strong>in</strong>zelne Ergebnisse abzurufen, um zum Beispiel<br />

Bereiche <strong>mit</strong> hohen Ausnutzungen besser beurteilen zu können.<br />

Um e<strong>in</strong> Gesamtbild der Ausnutzungsverteilung zu erhalten, werden<br />

die e<strong>in</strong>zelnen Elemente entsprechend ihren zugehörigen prozentualen<br />

Ausnutzungswerte <strong>mit</strong> Grautönen e<strong>in</strong>er Skala gefüllt.<br />

Selbst entwickelte Software ermöglichte die benötigten<br />

Berechnungen<br />

Verb<strong>in</strong>dungselemente zwischen sich kreuzenden Stammscheiben<br />

waren modellseitig nicht separat def<strong>in</strong>iert, weshalb Schnittkräfte<br />

an diesen Schnittkanten nicht direkt ausgegeben werden<br />

konnten. Diese jedoch wurden für die Bemessung der Verb<strong>in</strong>dungen<br />

der Stammscheiben untere<strong>in</strong>ander zw<strong>in</strong>gend benötigt.<br />

Angesichts der großen Zahl von circa 80 Verb<strong>in</strong>dungsfugen je<br />

Stamm wurde auch hier das selbst entwickelte Programm verwendet.<br />

So<strong>mit</strong> erhielt man die für die Nachweise der Verb<strong>in</strong>dungs<strong>mit</strong>tel<br />

erforderlichen horizontalen Scheibenlängskräfte<br />

n x und Scheibenschubkräfte n xy angrenzender Elemente e<strong>in</strong>er<br />

betrachteten Verb<strong>in</strong>dungsfuge <strong>in</strong> gleicher Reihenfolge wie im<br />

Bauwerk. Gegebenenfalls müssen die Schnittgrößen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />

Zwischenschritt zuvor rücktransformiert werden, wenn die Faserrichtung<br />

der Stammscheibe nicht lotrecht ist.<br />

Berechnung der Schirme<br />

Die über 3.000 Schirmknoten wurden im Modell über Stabelemente<br />

zu e<strong>in</strong>em räumlichen Stabwerk verbunden, an dessen<br />

Enden die aus den verschiedenen Modellberechnungen resultierenden<br />

extremalen Schnittgrößen geliefert wurden. Jeder Knoten<br />

wird für die extremalen Schnittgrößen aus den unterschiedlichen<br />

Lastfällen bemessen. Dazu kommt e<strong>in</strong> zusätzliches Vorhaltemaß<br />

von rund 20 % für verschiedene Aspekte (zum Beispiel<br />

Zwängungen während der Montage, eventuell unerwünschte<br />

Lastumlagerungen beim Entfernen der Gerüste). Um bei der Vielzahl<br />

an Lastfallkomb<strong>in</strong>ationen <strong>in</strong> der Datenflut den Überblick zu<br />

bewahren, werden die Lasten vere<strong>in</strong>facht <strong>mit</strong> e<strong>in</strong>em e<strong>in</strong>heitlichen<br />

Teilsicherheitsbeiwert auf der Lastseite von 1,5 überlagert.<br />

Auf der Widerstandsseite wurde der k mod auf 0,8 vere<strong>in</strong>heitlicht.<br />

Die Vere<strong>in</strong>fachung auf der sicheren Seite ergibt e<strong>in</strong>e zusätzliche<br />

Reserve von 5 bis 7 %. Dank des konstruktiven <strong>Holz</strong>schutzes<br />

durch die 2–3 mm dicke Polyurethanbeschichtung kann für die<br />

<strong>Holz</strong>baubemessung die Nutzungsklasse II angesetzt werden. Der<br />

Nachweis der Extremalschnittgrößen erfolgt <strong>mit</strong> der Laste<strong>in</strong>wirkungsdauer<br />

„<strong>mit</strong>tel“.<br />

Diese Schnittgrößenergebnisse waren <strong>in</strong> Kraftkomponenten<br />

umzuwandeln, die dem realen Kraftfluss im tatsächlich ausgeführten<br />

Knoten entsprechen. Der Knoten muss so aufgelöst werden,<br />

dass alle Kraftkomponenten für die verschiedenen Verb<strong>in</strong>dungstypen<br />

im Knoten vorliegen, ohne das Kräftegleichgewicht<br />

zu verletzen. An Verb<strong>in</strong>dungstypen gibt es die durch paarweise<br />

angeordnete Normalkraftanschlüsse gebildeten Momenten-Anschlüsse,<br />

deren Aufgabe es <strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie ist, Momente über e<strong>in</strong><br />

Kräftepaar aufzunehmen, sowie ausgenagelte Blechw<strong>in</strong>kel zur<br />

Übertragung der lotrechten Komponenten aus Quer- und Längskräften<br />

e<strong>in</strong>es Stabs. Als zusätzliche Aufgabe zur eigentlichen Kraftübertragung<br />

über die Nagelung besitzen die Blechw<strong>in</strong>kel e<strong>in</strong>e<br />

aussteifende Funktion. Je nach Beanspruchung werden die W<strong>in</strong>kel<br />

auch <strong>mit</strong>tels Steifen verstärkt, um die <strong>Holz</strong>bauteile zu stabilisieren.<br />

Schließen im Knoten auch Aussteifungsdiagonalen an, so<br />

werden deren horizontale Kraftkomponenten über die Blechw<strong>in</strong>kel<br />

den durchlaufenden sowie den <strong>mit</strong> den steiferen Momenten-<br />

Anschlüssen ausgestatteten anschließenden <strong>Holz</strong>bauteilen zugewiesen.<br />

Die lotrechten Kraftkomponenten können sich nur am<br />

durchlaufenden <strong>Holz</strong>bauteil wegen des dort liegenden Systemknotens<br />

kurzschließen. Aufgrund der freien Geometrie der Struktur<br />

entstehen bei der Kräftezerlegung immer auch Nebeneffekte<br />

für die jeweils anderen Verb<strong>in</strong>dungstypen. Momenten-Anschlüsse,<br />

deren Kräftepaare konstruktionsbed<strong>in</strong>gt nicht parallel verlaufen,<br />

erzeugen immer auch zusätzliche Vertikalkräfte im Blechw<strong>in</strong>kel.<br />

Andererseits erhalten Momenten-Anschlüsse wegen ihrer<br />

größeren Steifigkeiten im Vergleich zu denen der ausgenagelten<br />

Blechw<strong>in</strong>kel auch Kraftkomponenten aus Längs- und Querkräften<br />

und ggfs. auch aus Diagonalkräften.<br />

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42 bauen <strong>mit</strong> holz · 5.<strong>2011</strong> 5.<strong>2011</strong> · www.bauen<strong>mit</strong>holz.de<br />

43<br />

Solarbefestigung


technik<br />

Bild 4 (Seite 40) zeigt exemplarisch die Kräftezerlegung ausschließlich<br />

für e<strong>in</strong> zu übertragendes Moment.<br />

Als Erschwernis kommen die beiden Varianten der bauseitigen<br />

Verankerung von Diagonalen im Knoten vor. Wurden Diagonalen<br />

überwiegend auf der bzgl. des Knotens abgewandten Seite verankert,<br />

so liegt konstruktionsbed<strong>in</strong>gt <strong>in</strong> E<strong>in</strong>zelfällen die Verankerung<br />

auf der ankommenden Seite, was zu anderen Überlagerungsregeln<br />

führt. Weil sich Diagonalen durch die unterschiedlichen<br />

<strong>Holz</strong>-Bauteildicken oftmals nicht im Kreuzungspunkt treffen,<br />

s<strong>in</strong>d zusätzliche Verschraubungen erforderlich, welche die<br />

hieraus resultierenden Exzentrizitäten ausgleichen (Bild 7).<br />

Generell mussten die e<strong>in</strong>zelnen Verb<strong>in</strong>dungstypen möglichst<br />

kle<strong>in</strong> ausfallen, um sich nicht gegenseitig zu beh<strong>in</strong>dern und um<br />

der grundsätzlich geforderten Gewichtse<strong>in</strong>sparung Rechnung zu<br />

tragen. Bei den Blechw<strong>in</strong>keln zur Querkraftübertragung reduzierte<br />

dies zudem auch ungünstige E<strong>in</strong>flüsse aus Anschlussexzentrizitäten.<br />

Auch hier war für die Iteration e<strong>in</strong>e auf Schleifen basierte<br />

Programmierung erforderlich. Normalkraft-Anschlüsse, die nur<br />

druckbeansprucht s<strong>in</strong>d, konnten <strong>mit</strong> e<strong>in</strong>er deutlich ger<strong>in</strong>geren<br />

Zahl e<strong>in</strong>geklebter Gew<strong>in</strong>destangen e<strong>in</strong>gebaut werden als zugbeanspruchte.<br />

Dies reduzierte Baukosten und Gewicht.<br />

Als zusätzliche Herausforderung zur Datenbewältigung seien<br />

noch die bereichsweise sehr hohen Beanspruchungen genannt,<br />

für die die Bauteilnachweise zu führen s<strong>in</strong>d. So gibt es im <strong>Holz</strong>tragwerk<br />

Biegemomente <strong>mit</strong> charakteristischen Werten bis zu circa<br />

2.000 kNm, wie sie eher im Brückenbau zu f<strong>in</strong>den s<strong>in</strong>d. Jeder Knoten<br />

musste h<strong>in</strong>sichtlich der Verb<strong>in</strong>dungen <strong>in</strong>dividuell untersucht<br />

Abb. 3 Kraftzerlegungen für verschiedene Verb<strong>in</strong>dungstypen und dimensioniert im Knoten werden. (nur Ke<strong>in</strong> Knoten Moment) gleicht dem anderen! ❙<br />

Literatur<br />

Als Erschwernis kommen die beiden Varianten der bauseitigen Verankerung von Diagonalen im<br />

[1] KREUZINGER, H.; SCHOLZ, A.<br />

Knoten vor. Wurden Diagonalen überwiegend auf der bzgl. des Knotens abgewandten Seite<br />

verankert, so liegt konstruktionsbed<strong>in</strong>gt <strong>in</strong> E<strong>in</strong>zelfällen die Verankerung auf der ankommenden Seite,<br />

Bild 6: Stählerne Anschlüsse und Knotenpunkte <strong>in</strong> Aichach vor dem Abtransport<br />

was <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er zu der anderen gut 100 LKW-Fuhren Überlagerungsregeln zur Baustelle führt. Weil sich Diagonalen Verlag 1999 durch die unterschiedlichen <strong>Holz</strong>-<br />

Bauteildicken oftmals nicht im Kreuzungspunkt treffen, s<strong>in</strong>d zusätzliche Verschraubungen erforderlich,<br />

welche die hieraus resultierenden Exzentrizitäten ausgleichen (s.a. Abb. 4).<br />

Nachweis <strong>in</strong> Grenzzuständen der Tragfähigkeit bei Platten und Scheiben aus<br />

<strong>Holz</strong> und <strong>Holz</strong>werkstoffen unter Spannungskomb<strong>in</strong>ationen, Fraunhofer IRB<br />

Autoren<br />

Dipl.-Ing. (FH) Anja Thurik verantwortet die Pressearbeit von<br />

F<strong>in</strong>nforest Merk, Aichach.<br />

Dipl.-Ing. Thomas Di Risio und Dipl.-Ing. Matthias Gerold arbeiten<br />

im Büro <strong>Harrer</strong>-<strong>Ingenieure</strong>, Karlsruhe.<br />

Prof. Dr.-Ing. Volker Schmid arbeitet für das weltweit tätige<br />

Ingenieurbüro Arup, Berl<strong>in</strong> und leitet am Institut für Bau<strong>in</strong>genieurwesen<br />

der TU Berl<strong>in</strong> das Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren –<br />

Verbundstrukturen.<br />

www.BAUENMITHOLZ.de<br />

Schlagwörter<br />

Bemessung, Berechnung, Tragwerksplanung, Verb<strong>in</strong>dung<br />

Abb. 4 Zusätzliche Verschraubungen von unsymmetrischen Diagonalen-Anschlüssen (Draufsicht)<br />

Bild 7: Zusätzliche Verschraubungen von<br />

unsymmetrischen Diagonalen-Anschlüssen (Draufsicht)<br />

Generell mussten die e<strong>in</strong>zelnen Verb<strong>in</strong>dungstypen möglichst kle<strong>in</strong> ausfallen, um sich nicht gegenseitig<br />

zu beh<strong>in</strong>dern und um der grundsätzlich geforderten Gewichtse<strong>in</strong>sparung Rechnung zu tragen. Bei den<br />

Blechw<strong>in</strong>keln zur Querkraftübertragung reduzierte dies zudem auch ungünstige E<strong>in</strong>flüsse aus<br />

Anschlussexzentrizitäten. Auch hier war für die Iteration e<strong>in</strong>e auf Schleifen basierte Programmierung<br />

erforderlich. Momenten-Anschlüsse, die nur druckbeansprucht s<strong>in</strong>d, konnten <strong>mit</strong> e<strong>in</strong>er deutlich<br />

44 bauen <strong>mit</strong> holz · 5.<strong>2011</strong>

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