Einfach schräg verschraubt

Spezialschrauben, Teil 2
Einfach schräg verschraubt
Schräg eingebaute Vollgewindeschrauben erweisen sich als wahre
Alleskönner. Ob an Koppelpfetten, in Gitterträgern oder bei der
Sanierung alter Holzbalkendecken – die Verbinder punkten neben
dem einfachen Einbau vor allem mit ihrer hohen Tragfähigkeit.
Das Prinzip der Diagonalen
wird in der Statik z.B. beim
Fachwerk, bei Aussteifungen,
bei der aufgelösten Rahmenecke,
bei Abspannungen oder
Kopfbändern genutzt. Auch für die
Vollgewindeschraube birgt es großes
Anwendungspotenzial. Die diagonale
(schräge) Einschraubung
ist nach dem aktuellen Regelwerk
unter einem Winkel 45 Grad ≤ � ≤
90 Grad zur Faserrichtung des Holzes
zulässig. Eigene Versuche des
Autors und einige Quellen aus der
Fachliteratur halten sogar Winkel
bis 0 Grad für möglich.
Laut dem Beitrag „Systematik
der stift- oder stabförmigen Verbindungsmittel“
in der Zeitschrift
Zuschnitt 11/2003 wurden maximale
Tragfähigkeiten bei einem
Einschraubwinkel von 30 Grad gemessen.
In diesem Bereich gibt es
noch Forschungsbedarf.
Schrägschraubenverbindungen
sind im Ingenieurholzbau in folgenden
Bereichen anzutreffen:
• Anschluss von Spezial-Holzverbindern
an Hirnholz (Vollgewindeschrauben
bis 100 mm Länge)
• Koppelpfetten-Anschlüsse nach
dem Fachwerkprinzip (Zulassung
Z-9.1-472, SFS Befestiger
WT-T-8.2 x L mm)
• Anschlüsse Haupt- an Nebenträger
und Stütze an Nebenträger
(Ergänzung der üblichen Verbindungen
mit Balkenschuhen)
• nachgiebig verbundene Biegeträger,
Gitterträger (siehe XXX-
Träger auf S. 58)
56
HOLZBAU & FORSCHUNG
• Verstärkung von Deckenbalken,
Unterzügen, Pfetten, Sparren,
Bindern usw. (s. UHB-Decke)
Eine entsprechende Anordnung
der Schrauben erlaubt die Übertragung
von Normalkräften, Querkräften
und Momenten (s. Bilder S.
57). Bei den schrägen, meist unter
45 Grad eingebauten Verbindungen
sind zwei Fälle zu unterscheiden
(Kraftübertragung parallel zur
Fuge):
• parallele, einseitig geneigte Anordnung
• gekreuzte oder abwechselnd geneigte
Anordnung
Die ausschließlich parallele Einschraubung
ergibt eine Zugkomponente
in der Schraube und eine
Druckkraft im Holz senkrecht zur
Fuge, mit einer günstig wirkenden
Reibung (Haftkraft).
Eine gekreuzte Anordnung zerlegt
die Anschluss- bzw. Kopplungskraft
in eine diagonale Zug-
und Druck-Komponente in den
Schrauben (ohne Reibungskraft).
Dies ermöglicht die Überbrückung
von Hohlräumen oder nicht druckfesten
Zwischenschichten. Im Fertighausbau
sind damit Trägeranschlüsse
durch Beplankungen hindurch
möglich, was bei normalen
Blech-Holzverbindern nicht zulässig
ist. Auch die UHB-Sanierung
nutzt dieses Prinzip (UHB = Unterspannte
Holzbalkendecke).
In allen Fällen wird die übliche
Abscher- und Lochleibungsbeanspruchung
im Verbindungsbereich
durch die wesentlich effi zientere
mikado 6/2006
axiale Zug- und Druckbeanspruchung
bzw. die Kombination Abscheren/Zug/Druck
ersetzt.
Eine der ersten bauaufsichtlich
zugelassenen Anwendungen einer
Schrägverschraubung nach dem
Fachwerkprinzip war die Koppelpfettenverbindung
(Z-9.1-472). Die
Kopplungskraft wird durch 45
Grad Schraubenkreuze aus SFS
WT-T Doppelgewindeschrauben in
Zug- und Druckdiagonalen aufgeteilt
(s. hinterlegtes Bild S. 56).
UHB-Verfahren für alte
Holzdecken
Alte Holzbalkendecken sind in aller
Regel den heutigen schalltechnischen,
statischen und schwingungstechnischen
Anforderungen
nicht mehr gewachsen. Aufwendige
Sanierungsverfahren von der
Entfernung der Ausfachung bis
zum kompletten Austausch der
Tragstruktur kommen derzeit noch
zum Einsatz. Seit ca. eineinhalb
Jahren setzt sich das patentierte
UHB-Verfahren nach Prof. Berg
als Sanierungsalternative in der
Praxis durch. mikado berichtete
bereits in seiner Ausgabe 1-2/2005.
Die Hauptrolle spielen bei diesem
Verfahren schräge Vollgewindeschrauben,
die direkt unter dem
vorhandenen Putz ein Verstärkungsholz
schubfest mit dem alten
Deckenbalken verbinden. Sparschalung
und Putz bilden eine nicht
druckfeste Zwischenschicht. Aus
diesem Grund sind zum Aufl ager
SFS INTEC

hin geneigte Schrauben erforderlich,
um die Druckkomponente zu
übertragen. Es entstehen Schraubenkreuze,
mit deren Eigenschaften
(Abstand, Einschraubtiefe,
Durchmesser) der Verstärkungsgrad
sehr gut gesteuert werden
kann. Mit einer zusätzlichen Bohlenlage
quer zu den Deckenbalken
kann der Steiner‘sche Anteil der
Steifi gkeit weiter erhöht werden.
Weitere Verbesserungen sind
möglich, wenn anstatt KVH hochfestes
Furnierschichtholz (z.B. Kerto-S)
verwendet wird.
Die Vorteile im Überblick:
• Das UHB-System ermöglicht
eine höhere Tragfähigkeit, eine
Verbesserung der Schall-,
Brand-, Erschütterungs- und
Schwingungseigenschaften einer
bestehenden Holzbalkendecke
• Der Luftschallschutz erreicht
bewertete Schalldämmaße R‘ w >
60 dB. Beim Trittschallschutz
wird mit schwimmenden Estrichen
auch bei harten Fußbodenbelägen
(Fliesen, Parkett) das
erhöhte Anforderungsniveau
nach DIN 4109, Beibl. 2
(< 46 dB) erreicht
• Große vorhandene Durchbiegungen
können um bis ca. 50 %
zurückgestellt werden
• Es sind Steifi gkeitserhöhungen
von bis zu 400 % möglich
• Aufnahme höherer Nutzlasten
oder zusätzlicher Schallschutzestriche
• Eine zusätzliche Querversteifung
von unten kann die Schwingungsparameter
Frequenz, Beschleunigung
und Geschwindigkeit
günstig beeinfl ussen
• Die vorhandene Decke kann erhalten
bleiben – keine Öffnung
der Gefache
• Sanierung nur von der Unterseite
– kein Eingriff in die Nutzung
des darüber liegenden Raums
• Keine Schmutz- und Staubentwicklung
• Einfache Ausrichtung der Unterkonstruktion
bzw. Ausgleich
von Höhenunterschieden
Anschlussbeispiele mit geneigten Vollgewindeschrauben
F/2 F/2
F
Schubfl uss
mikado 6/2006
F F F
Anschlüsse zur Übertragung von Zug- und Druckkräften
F
Übertragung von Kräften parallel zur Fuge
Einsinnige Anordnung der Vollgewindeschrauben
F F
F/2 F/2
SURFTIPP: NÜTZLICHE HILFEN AUS DEM NETZ
Für Leser, die tiefer in das Thema „Einsatz von Vollgewindeschrauben“
einsteigen möchten, lohnt sich ein Blick auf folgende Internetseiten:
Produktinformationen zu Vollgewindeschrauben:
• www.spax.com
• www.sfsintec.biz
Webservices (prüffähige statische Nachweise, Infos):
• www.windimnet.de
• H.NET Holzbau
• V.NET Verbindungen
• M.NET Mauerwerk usw.
UHB-Sanierung:
• www.windimnet.de
• UHB-Decke
• www.uhb-decke-berg.de
Maschinen, Geräte:
• www.protool.de
• www.makita.de
Übertragung von Kräften parallel zur Fuge
Gekreuzte Anordnung der Vollgewindeschrauben
F
F/2
F
F/2
57
DR. HELLER NACH ZEITSCHRIFT ZUSCHNITT 11/2003“

DR. HELLER DR. HELLER
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HOLZBAU & FORSCHUNG
UHB-Verstärkung von Deckenbalken mit zusätzlicher Querversteifung
k o
k u
b 2
Konstruktionshöhen k u , k o infolge Sanierung
Vollgewindeschrauben 8, 10 oder 12 mm
• Die Planung und Ausführung ist
von jeder qualifi zierten Baufi rma
durchführbar
• Die jeweiligen Konstruktionshöhen
bzw. Tragfähigkeitssteigerungen
sind durch die Art der
Verschraubung und der Verstärkungshölzer
fl exibel anpassbar
• In Sonderfällen ist auch eine
Versteifung von oben möglich
• Wesentlich geringerer Kosten-
und Zeitaufwand gegenüber der
traditionellen Sanierung mit
Öffnung der Gefache
In vielen Fällen kann mit dem
UHB-Verfahren die historische
Bausubstanz erhalten und verbessert
werden. Auch Dachkonstruk-
h 2
h 4
h 3
z. B. Parkett
Trittschalldämmung Option
Dielung
z. B. Sand
vorh. Deckenbalken b x H 2 2
z. B. Lehmschlag
Putz (hier ohne Putzträger)
Querversteifung b 4 x h 4
UHB-Verstärkung b 3 x h 3
Bedämpfung (Mineralwolle)
Federschiene UHB-Decke
2 Lagen Gipskartonplatten
tionen, die auf der zu sanierenden
Decke aufl agern, müssen dann
nicht abgetragen werden.
Sonderfall XXX-Träger
Eine weitere Sonderanwendung
längerer Vollgewindeschrauben
liegt im Gitterträger, dem so genannten
„XXX-Träger“. Hierbei
nehmen Schraubenkreuze dessen
Schubfl uss komplett auf.
Die Ober- und Untergurte aus
KVH oder Furnierschichtholz
(Kerto-S) werden unter 45 Grad
kreuzweise verschraubt, sodass ein
extrem materialarmer Steg in
XXX-Form entsteht. Die Anwen-
mikado 6/2006
Sanierung einer
Holzbalkendecke
mit dem UHB-
Verfahren. Den
schräg eingebautenVollgewindeschrauben
kommt
eine tragende
Rolle zu
Gurtverformung an
einem XXX-Träger
durch interne
Torsionsmomente
und Knicken der
Schrauben
dungsbereiche sind ähnlich wie bei
den Leichtbau-Trägern Nail-Web
(Wellsteg), TJI bzw. FJI mit einem
Steg aus OSB-Platten.
In der Versuchsabteilung des Ingenieurbüros
Dr. Heller wurden diverse
XXX-Träger bis zum Bruch
belastet, um das Tragverhalten des
Gesamtsystems und der einzelnen
Schraubenkreuze zu untersuchen.
Clever kombiniert
Für alte Holzbalkendecken mit
großen Balkenabständen e > 1,30 m
und oft auch fl ach liegenden Querschnitten
ist die statische Ertüchtigung
mit einem sehr hohen Aufwand
verbunden.
Hierfür hat der Autor ein neuartiges
Sanierungssystem entwickelt,
das im vorhandenen Gefach einen
verdeckten XXX-Träger erzeugt.
Die Gurte des Trägers werden
durch den Lehmschlag oder die
Schlackenfüllung hindurch (ggf.
auch durch die Dielung) mit Vollgewindeschrauben
zu einem schubfesten
System verbunden.
Die Aufl agerung erfolgt durch
Abhängung an einer Querversteifung,
Einstemmen der Gurte oder
auf speziellen Balkenschuhen. Die
Halbierung des Balkenabstands
bringt die erforderliche Steifi gkeit
für die statischen und schwingungstechnischen
Anforderungen.
DR. HELLER

Die Einleitung größerer Einzellasten
oder der Ersatz vorhandener
Deckenbalken können mit diesem
Verfahren elegant gelöst werden.
Normen, Zulassungen,
Nachweise
Mit den seit einigen Jahren verfügbaren
bauaufsichtlichen Zulassungen
und der neuen DIN 1052:2004
ist erstmals ein komplexes Regelwerk
nutzbar, das die technische
Nachweisführung axial beanspruchter
Vollgewindeschrauben
mit den entsprechenden Ansätzen
auf der Seite der Einwirkungen und
Widerstände unterstützt.
Auch die Schrägeinschraubung
bis zu 45 Grad zur Holzfaserrichtung
ist geregelt. Ebenso verfügbar
sind die Mindestabstände der
Schrauben nach der Norm oder Zulassung.
Bei Sonderproblemen, wie
z.B. Knicken der Schrauben im
Holz, muss auf spezielle Quellen
zurückgegriffen werden – wie den
Bericht „Verstärkung von Bauteilen
aus Holz mit Vollgewindeschrauben“
von Dr. Bejtka, Universität
Karlsruhe.
Für die Berechnung von Verbundbauteilen
aus nachgiebig miteinander
verbundenen Querschnittsteilen
stehen nach DIN 1052:2004 folgende
zwei Verfahren zur
Verfügung:
Die UHB-
Verstärkung
zusammen mit dem
verdeckten XXX-
Träger im Modell
mikado 6/2006
DR. HELLER
• Näherungsverfahren nach Abschn.
8.6.2 (Gamma-Verfahren):
Die Steiner‘schen Anteile der
Querschnittsteile werden mit einem
Faktor Gamma abgemindert.
Hier spielt z.B. die Fugensteifi
gkeit (Verschiebungsmodul)
und das Langzeitverhalten
des Systems eine Rolle
• Verfahren mit dem Flächenmodell
nach Anhang D.3: Hierbei
wird das Tragsystem in drei Flächen
A, B und C aufgeteilt, denen
unterschiedliche Steifi gkeiten
zugeordnet werden. Die Flächen
haben die gleichen
Verformungen u, v und w:
• Fläche A: Biege-, Drill- und
Dehnsteifi gkeit der einzelnen
Schichten (Plattenwirkung)
• Fläche B: Steiner‘sche Anteile
und Schubsteifi gkeit inkl.
Nachgiebigkeit
• Fläche C: Dehn- und Schubsteifi
gkeit (Scheibenwirkung)
Bemessungs- und Nachweistools
für Vollgewindeschrauben nach
der neuen Holzbaunorm DIN 1052
sind derzeit noch dünn gesät. Nachweise
mit Variantenuntersuchungen
oder Optimierung per Handrechnung
sind wegen des aufwendigen
Formelapparats kaum machbar.
Unter www.windimnet.de fi nden
sich einige kostenlose Nachweismöglichkeiten
für Holzverbinder
inkl. Querzugsicherung mit Vollgewindeschrauben.
Einschrauben leicht gemacht
Eine technische Neuerung wie die
Vollgewindeschraube hat nur als
Systemlösung, vom Produkt über
die Planung und Nachweise bis hin
zur Ausführung, eine Chance, sich
relativ schnell bei den Fachleuten
und im Markt zu platzieren. Aus
diesem Grund gibt der Autor einige
Informationen zum praktischen
Einsatz der Schrauben.
Anreißtechnik: Bei Einzelanwendungen
(z.B. Querzug, Quer druck,
Abhängung) spielt das Thema
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HOLZBAU & FORSCHUNG
Anreißen keine Rolle. Anders verhält
es sich dann, wenn hunderte
Schrauben nach entsprechenden
Schraubenbildern eingemessen werden
müssen. Ein Beispiel ist die
UHB-Sanierung. Momentan fehlt es
noch an einer Technik, die ein
schnelles Ändern und Markieren
von x-y-Abständen auf dem Werkstück
vor Ort ermöglicht. Derzeit
nutzen die Zimmerleute vor allem
Hartholzschablonen, die das Anreißen
und Führen der Vorbohrung
gleichzeitig erledigen.
Führungstechnik: Laut den Zulassungen
Z-9.1-519 (Spax-S Vollgewindeschrauben)
und Z-9.1-472
(SFS-Befestiger WT-T-8.2 x L mm)
sind die Schrauben ohne Vorbohren
einzudrehen. Die Schraube
muss während des Eindrehens im
entsprechenden Winkel geführt
werden. Für Einzelanwendungen
wie Anschluss Haupt- an Nebenträger,
Koppelpfetten oder verdübelte
Balken bieten die Schraubenhersteller
Universallehren und
Setzgeräte an. Bei größeren Verschraubungszahlen
sind diese Geräte
jedoch nicht effektiv. In der
Praxis behilft man sich derzeit mit
den Hartholzschablonen. Mittels
dieser bringen die Zimmerleute
eine ca. 3 cm tiefe Vorbohrung ein,
welche die Schraube unter 45 oder
90 Grad führt.
Einschraubtechnik: In jedem
Fall sind Spezialmaschinen für die
Einschraubung erforderlich. Hohe
Drehmomente bei geringen Drehzahlen,
Dauereinsatz für tausende
Schrauben, geringes Gewicht,
Sanftanlauf und ergonomisches
Handling (Eindrehen nach oben,
Arbeiten auf dem Gerüst) sind einige
Kriterien, die die Maschine
erfüllen muss. Entsprechend der
ISO 5393 liegt beim Einschrauben
von Vollgewindeschrauben ein so
genannter „weicher bis mittlerer
Schraubfall“ vor. Die Drehwinkel
zum Festziehen der Schraube liegen
bei mehr als 360 Grad, also
mehr als eine Umdrehung. Unter
diesen Kriterien sind Schlagschrauber
mit kurzzeitig hohem Drehmoment
nicht geeignet. Die längeren
Vollgewindeschrauben erfordern
Drehmomente größer 35 Nm. Damit
sind auch Akkuschrauber nicht
zu empfehlen.
Hier seien zwei Maschinen erwähnt,
mit denen der Autor bei der
UHB-Sanierung und bei der Herstellung
von XXX-Trägern sehr gute
Erfahrung gesammelt hat.
• Protool DRP 20 ET FF
(„Quadrill“), 98 Nm, Bitaufnahme
in der Spindel, optional Winkelkopf
• Makita Winkelbohrmaschine
DA 6301, fl ache Bauart, günstig
für Überkopfarbeit
Die elektrische Einschraubung
von Vollgewindeschrauben reicht
als Einsatzform für einen normalen
Zimmereibetrieb aus. Bei permanenter
und massenhafter Anwendung
lohnt jedoch der Einsatz
von Drucklufttechnik.
Blick nach vorn
Gehärtete Vollgewindeschrauben
mit Durchmessern von 6 bis 12 mm
und Längen bis 600 mm werden in
Zukunft eine wesentliche Rolle im
Ingenieurholzbau spielen. Neben
effektiven neuartigen Verbindungen
sind sie vor allem geeignet, die
Schwächen des Holzes quer zur Faserrichtung
auszugleichen.
Ähnlich wie die Bewehrung im
Stahlbeton lassen sie sich als Zug-
oder Druckarmierung im Holz einsetzen.
Dabei bringt insbesondere
die schräge Verschraubung erhöhte
Verschiebungssteifi gkeiten ins
Spiel. Auch im Zusammenwirken
mit Holzverbindern aus Stahl und
Aluminium sind ökonomisch und
technisch anspruchsvolle Lösungen
möglich. Das UHB-Verfahren
lebt sogar von den positiven Eigenschaften
der Vollgewindeschraube.
Dennoch ist die Entwicklung
noch nicht vorbei. Für die Zukunft
gilt es folgende Probleme zu lösen:
mikado 6/2006
Vorbohren eines
Verstärkungsträgers
für eine
Deckensanierung
DER AUTOR
• Parameter für Einschraubung
mit Vorbohren (z.B. Anwendung
bei Harthölzern)
• Parameter für Einschraubwinkel
kleiner 45 Grad zur Faserrichtung
des Holzes
• Vollgewindeschrauben in Nutzungsklasse
3 (Korrosionsproblematik)
• differenziertere Ausziehparameter
für KVH, BSH und andere
Holzwerkstoffe
• differenziertere Defi nition der
Mindestabstände
• dynamische Beanspruchungen
• Dämpfungsverhalten nachgiebig
schräg verschraubter Strukturen
(Schwingungen, Schall)
• Software für die statischen
Nachweise
Die Literaturliste zu den beiden
Teilen des Beitrags steht zum
Download im Internet unter
www.mikado-online.de
Dr. Hanfried Heller ist Geschäftsführer
des gleichnamigen
Ingenieurbüros im thüringischen
Weimar. Arbeitsschwerpunkt
des Büros ist die Entwicklung neuartiger
ingenieurtechnischer Tools im Internet, den so genannten
Webservices.
Kontakt: ibh@windimnet.de
DR. HELLER