Experimentelle und numerische Untersuchungen zu neuartigen Schubverbindern bei Vollholz-Beton-Verbundkonstruktionen

Abstract

Diese Diplomarbeit widmet sich dem Thema der Holz-Beton-Verbundkonstruktionen (HBVKonstruktionen).Der Fokus liegt hierbei auf dem Kurzzeittragverhalten von neuartigen Schubblech- und Kerven-Verbindungsmitteln.Wie bereits vorangegangene Forschungsarbeiten zeigen, tragen die Verbindungsmittel maßgeblich zum Trag- und Verformungsverhalten von HBV-Konstruktionen bei. Diese Arbeit untersucht ein neuartiges, noch unbekanntes HBV-Verbindungssystem mit dem Ziel,Aussagen über die Tragfähigkeit und die Steifigkeit des Systems zu erlangen. Zusätzlich sollein geeignetes numerisches Modellierungskonzept erstellt werden, welches weiteren Forschungsarbeiten als Grundlage dienen kann.Das neu entwickelte System der Firma Vollholz Hybriddecken Engelhart GmbH ist eine Anlehnung an die Dippelbaumdecke. Dabei liegen die Träger aus Vollholzbalken schmalseitig aneinandergereiht. Die Träger sind an den Schmalseiten beidseitig abgefast. Dadurch bildet sich eine Ausnehmung zur Platzierung der Schubbleche. Durch die Befestigung der Schubbleche an das Holz mittels Nägeln entsteht die Konstruktion. An die Schubbleche wird die Bewehrung gebunden. Die Kerven unterscheiden sich zu konventionellen Kerven in ihrer Geometrie. Sie werden schräg in die Holzbalken eingefräst und haben eine halbrunde Forman der Schubübertragungsflanke. Zur Untersuchung des Systems kategorisiert sich diese Arbeit in drei Bereiche.Die Basis für eine fundierte Untersuchung wird zu Beginn mit dem Kapitel „State of the Art zu HBV-Konstruktionen“ geschaffen. Dabei wird auf die Materialien Holz, Beton, sowie die Verbindungsmittel eingegangen und deren Verhalten beleuchtet. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Verbundwirkung von HBV-Konstruktionen.Der zweite Bereich dieser Arbeit widmet sich den experimentellen Versuchen. Die genannten Verbindungsarten werden jeweils im Einzelnen untersucht und anschließend in ihrer Gesamtheit betrachtet. Dadurch ergeben sich die drei unterschiedlichen Versuchsreihen„Blech-B“, „Kerve-K“ und „Blech+Kerve-B+K“, an denen doppelsymmetrische Scherversuche (Push-Out Scherversuche) durchgeführt werden. Von jeder Versuchsreihe werden zwölf Probekörper untersucht. Die Versagensmodi sind dabei „Abscheren des Betons“ bei der Betonkerve, sowie „Herausziehen der Nägel“ und „Plastifizieren des Holzes“ bei der Variante Schubblech. Bei der Versuchsreihe „Blech+Kerve-B+K“ ergibt sich eine Kombination der Versagensfälle. Der Fokus liegt neben den auftretenden Versagensmechanismen auf den resultierenden Last-Verschiebungs-Zusammenhängen.Das dritte Hauptaugenmerk liegt auf den numerischen Simulationen der Strukturvarianten.Zeitgleich zu den experimentellen Untersuchungen wird das numerische Modellierungskonzept anhand nichtlinear, statischer FE-Simulation abgebildet. Wie bei den experimentellen Versuchen werden auch hier zuerst Kerve und Schubblech separat betrachtet. Anschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse zu dem kombinierten System zusammengefügt. Der Fokus liegt hier ebenfalls auf den Last-Verschiebungs-Zusammenhängen, sowie den Versagensmodi.Zum Schluss werden die Ergebnisse aus den experimentellen Versuchen denen der numerischen Simulationen gegenübergestellt und bewertet.

This diploma thesis is dedicated to the topic of timber-concrete composite (TCC). The focus is on the short-term load-bearing behaviour of the shear plates and notch fasteners.Preceded research projects have already shown that fasteners are of significant relevance in relation to the load-bearing and deformation behaviour of TCC structures. This work investigates a new, still unknown TCC connection system and obtains statements about the load-bearing capacity and stiffness. Moreover, the aim is to create a numerical modelling concept that will serve as a basis for following research in this field work.The novel construction method is based on a traditional ceiling system, so called “Dippelbaumdecke” (dowel tree ceiling) which was recently developed by the company Vollholz Hybriddecke Engelhart GmbH. The balks made of solid structural timber lie in order beam next to beam. The balks are chamfered both-way on the narrow sides. This creates arecess for placing the shear plates, which are attached to the timber by nails. There inforcements are connected to the shear plates. The novel notches differ from conventional notches in their geometry. They are milled into the timber beams at an angle and have a semicircular shape. In order to study the system, this thesis can be structured into three areas.The basis for a well-founded investigation is created first, with the chapter "State of the Arton TCC-constructions". The materials wood, concrete and the fasteners will be discussed and their behaviour will be examined. Particular focus is paid to the composite effect of TCC constructions.The second area of this work is devoted to experimental investigations. The novel connection types are examined individually and further considered as a whole. This results inthe three different test series "shear plate-B", "notch-K" and "shear plate+notch-B+K" on which push-out-tests are performed. Each test series consists of twelve specimens. The failure modes are either shearing of the concrete at the concrete notch, failure based on pulled outnails or plasticization of timber at the shear plate. In particular the test series “shearplate+notch” failed due to a combination of the failure cases described above. The results ofthe test provide load-displacement curves.The third centre of attention is on numerical simulations. Simultaneously to the experimental investigations, the numerical modelling concept were simulated by using non linear, static FEsimulation. Likewise to the experimental tests, the notch and shear plate are considered separately first. Therefore, the model applies the gained knowledge to the combined system.In like manner the focus is on the load-displacement curve.Finally, the results from the experimental tests are compared to those from the numerical simulations and evaluated.