Machbarkeitsstudie zur Tragfähigkeit, Herstellung und Ökologie eines neuen Holz-Beton-Verbunddeckensystems

Abstract

Holz-Beton-Verbunddecken sind Hybrid-Deckenelemente, bei denen der Betonquerschnitt schubfest mit dem Holzquerschnitt verbunden wird. Diese Bauweise zeichnet sich vor allem durch die hervorragende Ausnützung der Eigenschaften der jeweiligen Verbundpartner aus. Der Betonquerschnitt befindet sich im druckbeanspruchten oberen Teil der Decke, wohingegen der Holzquerschnitt im unteren Teil der Decke für die Aufnahme der Zugspannungen verantwortlich ist.Bei einer auf Biegung beanspruchten Decke treten in den äußeren Randfasern die maximalen Normalspannungen auf. Der Mittelbereich der Decke trägt kaum zum Trag- und Gebrauchsverhalten der Decke bei. Aus diesem Grund wurde in der Arbeitsgruppe für Ressourceneffizienten Hoch- und Ingenieurbau an der Universität für Bodenkultur in Wien ein neues Holz-Beton-Verbunddeckensystem entwickelt. Ziel des neuen Verbunddeckensystems ist es, den aufgrund der Spannungsverteilung geringer belasteten Mittelbereich, durch ein entsprechendes Formteil auszusparen. Dies soll langfristig zu einer ressourceneffizienteren Herstellung von Holz-Beton-Verbunddecken führen.Die vorliegende Arbeit stellt eine Machbarkeitsstudie dar, welche die maximale Tragfähigkeit,mögliche Herstellungsprozesse und Ökologische Aspekte eines neu entwickelten Verbunddeckensystems evaluiert. Der erste Teil der Arbeit widmet sich allgemein dem Tragverhalten von Holz-Beton-Verbunddecken sowie einer ausführlichen Recherche über die aktuell in der Praxis zugelassenen und ausgeführten Verbunddeckensysteme. Auf Grundlage der gewonnen Erkenntnisse wird im zweiten Teil der Arbeit das neue Holz-Beton-Verbunddeckensystem vordimensioniert.Die Deckenanalyse wurde mit drei Spannweiten zwischen fünf und neun Meter in Abhängigkeit zwei unterschiedlicher Nutzungskategorien durchgeführt. Der Schubverbund zwischen den beiden Teilquerschnitten trägt wesentlich zur Leistungsfähigkeit einer Verbunddecke bei. Bei dem neuen Deckensystem werden die Schubkräfte über Betonnocken und Einfräsungen im Holz abgetragen.Da für diese neue Verbundvariante keine Verschiebungsmodulwerte zur Verfügung standen,wurden diese vorher mit der Finite Elemente Methode ermittelt. Im Anschluss konnten die Deckenstärkendurch Tragfähigkeits- und Verformungsnachweise auf Basis des Gamma-Verfahrensvordimensioniert werden. Dazu wurde eine Parameterstudie durchgeführt, um eine Vielzahl an unterschiedlichen Deckenaufbauten zu untersuchen. Die gewonnen Ergebnisse wurden anschließend in einem Stabwerksmodell verifiziert. Zusätzlich konnten in dem Stabwerksmodell die Schubkräfte in den einzelnen Betonnocken abgelesen werden, mit denen die Nachweise imBereich der Schubkrafteinleitung durchgeführt wurden.Die Ergebnisse der numerischen Untersuchungen führten zu der Erkenntnis, dass alle untersuchtenSpannweiten mit der gleichen Beton- und Holzplattenstärke von sieben beziehungsweise zwölf Zentimeter ausgeführt werden können. Bei höheren Belastungen sowie weiter gespannten Systemen, wurde zur Erfüllung der Tragfähigkeits- und Verformungsnachweise als einzige Variable die Luftstärke zwischen den beiden Plattenquerschnitten erhöht. Aus diesem Grund kann bei größeren Deckenspannweiten ein höheres Einsparungspotential erzielt werden. Anschließend wurden die ökologischen Auswirkungen von Deckensystemen unterschiedlicher Hersteller evaluiert.Den Abschluss der Arbeit bildet eine Dokumentation von der Herstellung eines Deckenelementes sowie Empfehlungen für zukünftige Untersuchungen.

Wood-concrete-composite slabs are hybrid ceiling elements, where concrete cross-sections and wood cross sections are connected in a shear-resistant manner. This type of construction technique is well known for its excellent utilization of the properties of both composite elements. Concrete in the upper part of the slab is exposed to pressure loads, whereas the wood portion in the lower part of the ceiling with stands tensile stress.In case the ceiling is bended, maximum tension occurs in the outer edge fibers of both materials.The mid-section of the slab hardly contributes to the load-bearing and deformation behaviour.Therefore, a new wood-concrete composite ceiling system was developed in a working group for resource-efficient structural engineering at the University of Natural Resources and Life Sciences in Vienna. The idea behind the new composite ceiling is to replace parts of the mid-section,which is less exposed to stress, through molded parts. This in turn is expected to contribute to amore resource-efficient production of wood-concrete composite ceilings.The objective of this thesis is to conduct a feasibility study which will evaluate the load-bearing capacity, potential manufacturing processes and ecologic aspects of such a newly developed composite ceiling system. The first part (Basic principles and Theory - Chapter 2) of the thesis will focus on the load-bearing behavior of wood-concrete composite ceilings in general along with an extensive research on the composite ceiling systems currently approved and implemented inpractice. On the basis of the knowledge gained, the new wood-concrete composite ceiling systemis pre-dimensioned in the second part (New Wood-Concrete Composite Ceiling System - Chapter 3) of the thesis. A ceiling analysis was carried out with three spans between five and nine meters,depending on two different use cases. The shear bond between the two cross-sections contributessignificantly to the performance of a composite ceiling. With the new ceiling system, the shearforces are dissipated via concrete cams and milling in the wood. Since no displacement module values were available for this new composite variant, these were previously determined using a finite element model. Afterwards, the slab thicknesses could be pre-dimensioned by means of load-bearing capacity and deformation verification based on the gamma method. For this purpose, a parameter study was carried out to investigate a large number of different ceiling structures. The results obtained were then verified by a framework model. In addition, the shearforces in the individual concrete cams are visible in a framework model.The results of the numerical investigations led to the realization that all examined spans can be made with the same concrete and wood panel thickness of seven and twelve centimeters. At higher loads as well as more stretched systems, the only variable that was required to meet the load-bearing capacity and deformation verifications was to increase the air strength between the two plate cross-sections. For this reason, greater savings potential can be achieved with larger ceiling spans. In the third section (Ecological Evaluation - Chapter 4), ceiling systems from different manufacturers have been evaluated for their ecological impact on the environment.Finally, at the end of the thesis, the manufacturing process (Manufacturing New Wood-Concrete Composite Ceiling System - Chapter 5) of the new composite ceiling is documented along with some recommendations for future research.