Steckverbindungssystem für Holz-Holz-Verbindungen

Abstract

Der STEXON-Steckverbinder ist ein Verbindungssystem für Holzbauelemente, das eine schnelle und unkomplizierte Montage von Wand-, Decken- oder Dachkomponenten ermöglicht. Es erlaubt die Präzision der Planung und der Elementvorfertigung im Werk auch auf die Baustelle zu bringen. Dabei besteht das System aus einer Muffe mit Klemmbacken in einem Bauteil und einem stiftförmigen Verbindungsmittel mit metrischem Gewinde in der Unterkonstruktion. Auf der Baustelle reicht es die Gewindeschraube in den Verbinder zu stecken, schon greift der Klemmmechanismus und die Verbindung ist kraftschlüssig. Das STEXON-System kann sowohl für Holz Holz-, als auch für Holz-Beton- und Holz-Stahl-Verbindungen eingesetzt werden. Die vorliegende Arbeit beschränkt sich allerdings auf Verbindungen zwischen Bauteilen aus Holz. Ein Zuwachs der Einsatzmöglichkeiten des Systems wird angestrebt, sei es in neuen Baustoffen als auch unter höheren Lasten. Es stellte sich deswegen die Frage, wie das System verstärkt werden kann und welche Besserungen eine Erhöhung der Verbinderabmessungen mit sich bringen würde. Von den Weiterentwicklungen des STEXON-Verbinders sowie vom Einsatz in davor noch nicht getesteten Holzprodukten wurden Laborprüfungen absolviert, mit dem Ziel, die erreichbaren Tragfähigkeiten festzustellen. Um die Verwendung der Testresultate in der Praxis zu erleichtern, wurde zusätzlich untersucht, mit welchen Rechenmodellen die Versuchsergebnisse beschreibbar sind. Als erste Möglichkeit, um höhere Tragfähigkeitswerte zu erreichen, bot sich die Erhöhung des Durchmessers des Verbinders an. Da die Version mit 40 mm Durchmesser in der Vergangenheit schon mehrfach getestet wurde, wurden der Durchmesser auf 45 mm erhöht und verschiedene Prüfungen mit dem STEXON S45-M12 durchgeführt. Als Zweites wurde die Länge des Verbinders erhöht, um somit eine verlängerte Version mit einer Gesamtlänge von 111 mm zu testen. Zusätzlich wurde versucht die Tragfähigkeit der gesamten Verbindung bei Scherkräften zu steigern, indem eine spezielle Höhenmutter im Konus zwischen dem Führungskanal für die Gewindestange und der Holzoberfläche eingesetzt wurde, um die freie Gewindelänge zu verkürzen. Des Weiteren wurde auch die Verwendung des Verbinders in mehreren Produkten aus Furnierschichtholz und in Starkholzelementen erprobt. Die geplanten Versuche wurden im Labor des Instituts für Holzbau und Holztechnologie der TU Graz durchgeführt. Aus den erhaltenen Ergebnissen konnten die charakteristischen Tragfähigkeiten ermittelt werden und diese an eine Referenzdichte für das jeweilige Holzprodukt angepasst werden. Diese Werte wurden anschließend mit den Resultaten von verschiedenen Rechenmodellen, darunter ÖNORMEN und die Anpassung der Tragfähigkeiten von anderen Verbinderdimensionen, verglichen. Aus den Versuchen konnte als Ergebnis eine Erhöhung der Ausziehtragfähigkeiten im Vollholz durch die Durchmessererhöhung auf 45 mm festgestellt werden. In der Schmalseite von Brettsperrholz ähnelten die Ergebnisse denen des S40-M12. Die Prüfungen des S40-M12 in Starkholzplatten und in Furnierschichtholz ergaben zum Teil höhere Werte als vergangene Versuche im Vollholz, zum Teil wurden sie aber durch Ausreißer beeinträchtigt. Die Erhöhung der Schubtragfähigkeit bei Verwendung einer Mutter in der Gewindeschraube konnte durch die Abscherversuche aufgezeigt werden. Der verlängerte STEXON-Verbinder bereitete Schwierigkeiten, sowohl bei der Vorbereitung der Prüfkörper als auch während der Versuche, und führte schlussendlich zu einem Abbruch dieser. Aber dank dieser Begebenheit konnten wichtige Impulse für potenzielle Verbesserungen des Produktes gewonnen werden. Die Vergleiche mit unterschiedlichen Rechenmodellen zeigten, dass eine reine Berechnung des Verbinders nach ÖNORM B 1995-1-1 konservativere Werte ergibt als aus den Laborprüfungen hervorgegangen ist. Allerdings konnten durch Verwendung vom Entwurf ÖNORM EN 1995-1-1 zum Teil bessere Ergebnisse erhalten werden als durch ihre Vorversion vom 15.08.2023. Darüber hinaus ist auch schon ein Ansatz für zukünftige Versuche geschaffen worden.

The STEXON connector is a connection system for timber structural elements, which facilitates the fast and simple assembly of wall, ceiling or roof components. It brings the precision of the planning and prefabrication of elements in the factory to the construction site. The system consists of two components: a connector with clamping jaws in one element and a dowel type fastener with a metric thread in the substructure. On the construction site, it offers immediate load-bearing capability upon insertion of bolt into the connector to activate the clamping mechanism. The STEXON system can be used for wood to wood, wood to concrete and wood to steel connections. This study only focuses on connections between wood components. This study will investigate the potential expansion of the system's applications, both for new construction materials and under higher loads. Therefore, the question is “How can the system’s load carrying capacity be strengthened and what are the potential improvements of increasing the dimensions of the connector?”. Laboratory tests were conducted on the further developments of the STEXON connector, as well as on its application in previously untested wood products, with the aim of determining the achievable load carrying capacities. In order to practically implement the experiments’ outcomes, it was crucial to know which calculation models could describe the test results. The first option for achieving higher load carrying capacity values was to increase the diameter of the connector. As the version with a diameter of 40 mm had already been tested, the diameter was increased to 45 mm and various tests were conducted using the STEXON S45-M12 variant. As a second approach, the length of the connector was increased in order to test an extended version with a total length of 111 mm. Additionally, an attempt was made to increase the load carrying capacity of the entire connection under shear forces by inserting a nut in the cone between the guide channel for the threaded rod and the timber surface, in order to shorten the free length of the dowel type fastener. Furthermore, the use of the connector was tested in several products made of laminated veneer lumber and in strong timber elements. The planned tests were conducted at the laboratory of the Institute of Timber Engineering and Wood Technology at Graz University of Technology. From the obtained results, characteristic strengths could be determined and adjusted to a reference density for the respective wood product. These values were then compared with the results of various computational methods, including ÖNORM standards and the adaptation of the strengths of connectors with other dimensions to the used one. The experiments showed that incrementing the diameter to 45 mm caused an increase in the withdrawal capacity in solid timber. In the narrow side of cross laminated timber, the results were similar to those of the S40-M12. The experiments with the S40-M12 in solid wood panels and laminated veneer lumber provided in some cases higher values than previous tests in strong timber elements. However, in other cases, they were affected by outliers. The increase of shear strength when using a nut in the threaded screw was demonstrated by the shear tests. The extended version of the STEXON connector caused difficulties, both in the preparation of the test specimens and during the experiments, ultimately leading to their cancellation. However, this event provided important insights for potential improvements of this product. The comparisons with different calculation models showed that a pure calculation of the connector according to ÖNORM B 1995-1-1 results in more conservative values than those obtained from the laboratory tests. However, by using the draft of ÖNORM EN 1995-1-1 it was possible to achieve partly better results than with the version of 2023-08-15. Furthermore, an approach for future experiments has already been created.