Optimierung von Schnellsteckverbindungssystemen für den mehrgeschossigen Holzbau

Abstract

Aufgrund zahlreicher Vorteile des Baustoffes Holz gegenüber anderen Materialien im Bezug auf sein, im Verhältnis zur Tragfähigkeit, niedriges Gewicht, des hohen machbaren Vorfertigungsgrades sowie seiner Fähigkeit CO2 in seiner Masse einzuspeichern, gewinnt der Holzbau aktuell zunehmend an Bedeutung. Entscheidend für die Ausweitung des Einsatzgebiets des Materials, beispielsweise zur Erstellung von mehrgeschossigen Gebäuden, sind tragfähige Verbindungen, die eine präzise und zeitsparende Montage ermöglichen und so die Vorteile des Materials nutzbar machen. Das Stexon-Verbindungssystem hat Anspruch und Potenzial diese Lücke zu schließen.Die Verbindungsbestandteile, eine Steckmuffe und eine Gewindestange, können mit modernen Technologien bereits in der Vorfertigung millimetergenau positioniert werden und müssen dann bei der Montage nur noch zusammengesteckt werden. Es gilt, die, für die Bemessung verschiedener Anschlussstituationen maßgebenden Mechanismen, zu identifizieren, und rechnereisch zu erfassen.Ziel dieser Diplomarbeit war es, verschiedene Bemessungsverfahren für den Fundamentanschluss von Holzbauten mithilfe von Betonankern und Steckverbindern der Firma Stexon GmbH analytisch zu vergleichen und empirisch zu verifizieren. Ein besonderer Fokus lag dabei darauf, positiv wirkende Mechanismen wie den Seileffekt möglichst präzise zu verstehen, um sie in die Berechnungen einzubeziehen. Das untersuchte System besteht aus einem Ankergrund aus Stahlbeton, einem Betonanker, einer Höhenausgleichsschicht aus Quellmörtel, dem Stexon-Verbinder und Anbauteil aus Holz.Zunächst wurde das System gemäß Eurocode 5 als einschnittige Verbindung verschiedener Materialien mit einem stiftförmigen Verbindungsmittel und verschieblicher Zwischenschicht modelliert. Diese Berechnung basiert auf der Theorie von Johansen, erweitert durch Blaß um die Berücksichtigung einer verschieblichen Zwischenschicht. Anschließend wurde eine Berechnung nach Eurocode 2 - Teil 4 durchgeführt, wobei der Widerstand gegen Stahlversagen unter Berücksichtigung des Hebelarms ermittelt wurde.Die Berechnungsergebnisse wurden mit Versuchsergebnissen und den aufgetretenen Versagensmechanismen verglichen. Dabei fällt auf, dass der die Rechenwerte deutlich unter den Messwerten liegen. Die Diskrepanz könnte durch die Bilanzierung eines größeren Anteils des Seileffekts geschlossen werden. Alternativ wurde, basierend auf der Dissertation von Fichtner, ein empirisches Verfahren zur Berücksichtigung der Mörtelschicht vorgeschlagen.Im Kontext der Transformation unseres Wirtschaftssystems zu einer Kreislaufwirtschaft ist die sortenreine, zerstörungsfreie Trennung von Verbindungen im Bauwesen essenziell. Sie ermöglicht das unkomplizierte Auswechseln von beschädigten Bauteilen während der Nutzungsdauer aber auch die Weiterverwendung von Materialien am Ende ebenjener. In der Arbeit wird eine Modifikation des Stexon-Verbinders zu einer lösbaren Variante vorgeschlagen.

Due to the numerous advantages of wood as a building material compared to other materials in terms of its low weight in relation to its load-bearing capacity, the high degree of prefabrication that can be achieved and its ability to store CO2 in its mass, timber construction is currently becoming increasingly important. The decisive factor in expanding the material's field of application, for example in the construction of multi-storey buildings, are load-bearing connections that enable precise and time-saving assembly and therefore utilize the advantages of the material. The Stexon connection system has the claim and potential to close this gap.The connection components, a socket and a threaded rod, can be positioned with millimetre precision during prefabrication using modern technologies and then only need to be plugged together during installation. The system is suitable for a wide variety of connection situations. It is now necessary to examine the mechanisms that are decisive for the design of the various applications in detail and to record them mathematically. The aim of this diploma thesis was to analytically compare and empirically verify various design methods for the foundation connection of timber structures using concrete anchors and connectors from Stexon GmbH. A particular focus was on understanding positive mechanisms such as the rope effect as precisely as possible in order to include them in the calculations. The investigated system consists of a reinforced concrete anchor base, a concrete anchor, a height compensation layer made of swelling mortar, the Stexon connector and a timber attachment.Initially, the system was modeled according to Eurocode 5 as a single-cut connection of different materials with a dowel type fastener and sliding intermediate layer. This calculation is based on Johansen's theory, extended by Blaß to include a movable intermediate layer. A calculation was then carried out in accordance with Eurocode 2 - Part 4, whereby the resistance to steel failure was determined taking the lever arm into account.The calculation results were compared with test results and the failure mechanisms that occurred. It is noticeable that the calculated values are significantly lower than the measured values. The discrepancy could be closed by accounting for a larger proportion of the rope effect. Alternatively, based on Fichtner's dissertation, an empirical method for taking the mortar layer into account was proposed.In the context of the transformation of our economic system to a circular economy, the single-variety, non-destructive separation of compounds in the construction industry is essential. It enables the uncomplicated replacement of damaged components during their service life, but also the reuse of materials at the end of their service life. This thesis proposes a modification of the Stexon connector to create a detachable variant.