Development of a calculation for roofslabs made of large-format roof elements

Abstract

Die zur Zeit gültigen Normen gehen beim Nachweis von Dachscheiben aus Holztafelkonstruktionen als Aussteifungselement von Abmessungen eines Kleingebäudes aus. Diese darin beschriebenen Randbedingungen, welche von vor der Zeit der Holznormenentstehung untersuchten Kleinelementversuchskörpern abgeleitet wurden, stellen den heute berechnenden Ingenieur vor große Probleme, da fast jede Abmessung eines Industriehallendaches diese Randbedingungen nicht erfüllen kann. Ziel dieser Arbeit war es nun, ein Bemessungsverfahren für solche großformatigen Holztafeldachelemente, welche in weiterer Folge zu Gesamtdachscheiben verbunden werden, zu entwickeln. Die Vorgangsweise wurde so gewählt, dass zu Beginn die Einzelklammer, welche die Schubverbindung zwischen Rippe und Beplankung darstellt, getestet und ausgewertet wurde. Anschließend wurden Einzelaspekte der Schubfeldtheorie an Kleinstversuchskörpern veranschaulicht. Mit diesen Erkenntnissen wurden Mittel- bzw. Großversuchskörper in unterschiedlichsten Ausführungsvarianten gebaut, getestet und ausgewertet. Durch die Ermittlung von ertragbaren Schubflüssen und Schubmoduln aus parallel zur Elementprüfung durchgeführten FEM- Modellierungen konnten Ersatzschubmoduln für zukünftige praxisgerechte Holzdachscheibenberechnungen gewonnen werden. Eine exakte Verformungsberechnung, nun auch bereichsweise mit unterschiedlichen Steifigkeitseigenschaften innerhalb von Dachscheiben, ist ab sofort möglich. Etliche Erkenntnisse, welche aus der Arbeit gewonnen werden konnten, wie etwa die kontinuierliche Lasteinleitung in Randrippen, die einen häufigen Anwendungsfall in der Praxis darstellt, werden gezeigt. Die statische Nachweisführung wird mit Hilfe erstellter Praxisvorlagen ermöglicht und erleichtert. Optimierungspotentiale, welche bei den Versuchsabläufen erkannt wurden, wie etwa eine konzentrierte Klammerung am freien Plattenrand, wurden genutzt, weiterverfolgt und neue Standardvarianten beim Holzelementebau entwickelt. Im letzten Teil der Grundlagen werden Spezialthemen, wie das Stabilitätsverhalten der Beplankung, das Erdbebenverhalten von Holztafelelementen, Bruchmechanik am Beispiel der konzentrierten Klammerung und Brandschutznachweise für flächige Scheibenausbildungen angesprochen.

Current industry standards on the structural proof of roof panels are based on the dimensions of small buildings. The boundary conditions therein were derived before the age of standard of small element test specimens. The inadequacy of these boundary conditions renders static calculations difficult, because almost no dimension of an industrial building's roof can fulfill the constraints. The focus of this work was to develop a calculation method for such large - format roof elements which are subsequently connected to complete roof slabs. A bottom-up approach was pursued. In a first step, single staples, representing the connections between the purlin and planking, were tested and evaluated. Then individual aspects of the shear field theory were parametrized on micro test specimens. Utilizing these findings, medium- and large test specimens in various embodiments were built, tested and evaluated. The experimental work was accompanied by finite element simulations. Tolerable shear flows and shear moduli were determined by test element FEM modeling. Spare shear moduli for future practical slabs calculations could be obtained. Thus exact calculation of deformations is possible even for regions with different stiffness properties within roof panels. A number of findings that could be obtained, such as the continuous load introduction on edge purlins, which is a frequent application in practice, are shown. Templates developed within this work enable or considerably improve the static verification. Optimization potentials, which were detected in the experimental procedures, such as a concentrated bracketing at the free edge of the plate were used to pursue and develop new standard patterns in prefabrication. In the last part of the work selected specific topics are discussed, such as the stability behavior of the planking, the seismic behavior of wood panel elements, fracture mechanics illustrated by the behavior of concentrated bracketing and fire protection design for flat plate configurations.