Das mechanische Verhalten von Holz-Beton-Verbunddecken, untersucht mittels numerischer Simulationen

Abstract

Eingangs werden in dieser Diplomarbeit technische und rechtliche Grundlagen für Holz-Beton-Verbundkonstruktionen erläutert. Des Weiteren wird die mechanische Wirkungsweise von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen beschrieben. Darauf aufbauend werden verschiedene Bemessungskonzepte, welche man in Normen oder der Fachliteratur findet, diskutiert. Nachdem der Brandschutz und das Brandverhalten im Holzbau eine wesentliche Rolle spielen, wird auch die mechanische Wirkungsweise von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen unter Brandbeanspruchung behandelt.Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde eine neuartige Holz-Beton-Verbundkonstruktion untersucht. Dabei werden ein Brettsperrholzelement und ein Betonfertigteil getrennt voneinander im Werk vorgefertigt. Für die Schubkraftübertragung werden in das Brettsperrholzelement Kerven eingefräst und auf die Holzknaggen Kleberaupen aufgetragen. Die Verklebung des Betonfertigteils mit dem Brettsperrholzelement erfolgt anschließend ebenfalls im Werk. Sowohl der Herstellungsprozess als auch die Bauzeit können somit minimiert werden. Das mechanische Verhalten dieser innovativen Holz-Beton-Verbundkonstruktion wurde im Rahmen des Forschungsprojekts anhand von Klein- und Großversuchen untersucht. Die Belastung wurde dabei bis zum Versagen der Versuchskörper gesteigert.Basierend auf den Ergebnissen der Kleinversuche berechnete Kampitsch [2] die Bruchlast der Großversuche mit verschiedenen Bemessungsverfahren vor der Versuchsdurchführung. Die tatsächlichen Bruchlasten der Großversuche lagen schließlich um 30 bis 50 % über der vorab berechneten Bruchlast.Schwerpunkt dieser Arbeit war es, das reale Tragverhalten dieser innovativen Holz-Beton-Verbunddeckenkonstruktion mithilfe der Finiten-Elemente-Methode abzubilden. Zunächst wurde für den Großversuch schrittweise ein FE-Modell aufgebaut und immer wieder mit den Erkenntnissen und Ergebnissen der realen Versuche verglichen. Schlussendlich resultierte ein FE-Modell, welches sowohl die Steifigkeit als auch das Versagen des Großversuchs in guter Näherung abbildet.Aufbauend auf diesem FE-Modell wurde anschließend auch der Kleinversuch in der FE-Software modelliert und simuliert. Auch hier ergab sich schlussendlich ein FE-Modell, welches die realen Kleinversuche in guter Näherung abbildet. Beide FE-Modelle liefern außerdem detaillierte Erkenntnisse über das Tragverhalten der Holz-Beton-Verbundkonstruktion. So zeigte sich, dass das Lastabtragungsverhalten des Klein- und Großversuchs unterschiedlich ist. Aufgrund dessen erscheinen die Kleinversuche nicht geeignet, um als Grundlage für die Berechnung der Bruchlast der Großversuche herangezogen zu werden. Die Differenzen zwischen den Berechnungsergebnissen von Kampitsch [2] und den tatsächlichen Bruchlasten der Großversuche können somit aufgrund der Ergebnisse und Erkenntnisse der FE-Simulationen plausibel argumentiert werden.

At the beginning of this diploma thesis the technical and legal basics for timber-concrete composite slabs are explained. Furthermore, the mechanical mode of action of timber-concrete composite structures is described. Based on this, various design methods, which can be found in standards or in literature, are discussed. Since fire protection and fire behavior play an essential role in timber construction, the mechanical mode of action of timber-concrete composite structures under fire exposure is also dealt with.As part of a research project, an innovative timber-concrete composite structure was examined. For this both a cross-laminated timber and a concrete element are prefabricated separately from each other in the factories. To transmit the thrust, birdsmouths are milled into the cross-laminated timber element and adhesive is applied to the wooden cams. The precast concrete part is glued to the cross-laminated timber element in the factory. Advantage of this timber-concrete composite slab is that both the manufacturing process and the construction time can be minimized. The mechanical behavior of this innovative timber-concrete composite slab was investigated on the basis of small and large-scale tests. These tests were loaded until they failed.Based on the results of the small-scale tests, Kampitsch [2] calculated the maximum load of the large-scale tests with various design methods before the test was carried out. The large-scale tests showed, that the maximum loads were 30 to 50 % above the maximum load which was calculated in advance.The focus of this work was to map the real load-bearing behavior of this innovative timber-concrete composite slab using the finite element method. First, a FE-model of the large-scale test was built up step by step. This model was compared over and over with the findings and results of the real tests. Finally a FE-model resulted, which maps both the stiffness and the failure behavior of the large-scale test in good approximation.Based on this FE-model, the small-scale test was modeled and simulated in the FE-software. This FE-model also maps the real tests in good approximation. Both FE-models provide detailed information about the load-bearing behavior of the timber-concrete composite structure. It was shown that the load transfer behavior of the small and large-scale tests is different. Based on these findings, the small-scale tests do not appear to be suitable to be used as basis for the calculation of the maximum load of the large-scale tests. So the differences between the calculation results of Kampitsch [2] and the maximum loads of the large-scale tests can be argued based on the results of the FE-simulations.