FEM-basierte Nachweisführung einer Brettsperrholzwand in unterschiedlichen Modellierungstiefen

Abstract

Brettsperrholz (BSP) ist ein nachhaltiges Baumaterial und gewinnt im Hochbau zunehmend an Bedeutung. Vorgaben der EU sowie der allgegenwärtige Wunsch nach nachhaltigen Baumethodenverstärken den Trend hin zum vermehrten Einsatz des Holzbaus gegenüber dem klassischen Massivbau. Daher ist es umso wichtiger, das Grundwissen über den Holzbau und insbesondere über Brettsperrholz im Ingenieurbüroalltag zu fördern.Für eine qualitative Erfassung des aktuellen Wissensstandes über Brettsperrholz und damit einhergehende Problemstellungen wurden im Vorfeld dieser Arbeit sechs Interviews mit TragwerksplanerInnen mit langjähriger Erfahrung im Bauwesen und der Tragwerksplanung eines klassischen österreichischen Ziviltechniker-Tragwerksplanungsbüros geführt. Diese Umfrage stellte eine gedankliche Stütze für die Erarbeitung einer FEM-basierten Nachweisführung einer Brettsperrholzwand in unterschiedlichen Modellierungstiefen dar.Ein Mangel an tiefgehendem Grundverständnis für Brettsperrholz führt im klassisch massiv bauorientierten Ingenieurbüroalltag häufig zu einer ineffizienten Materialnutzung und zu ökonomischen Nachteilen im Einsatz von Holz als Baumaterial. Diese Arbeit soll dazu beitragen,das Grundverständnis für Brettsperrholz im Einsatz als Wandbaustoff und dessen Modellbildung und Bewertung mit FE-Software zu fördern.Es werden insgesamt drei Modellierungstiefen für zwei Ausführungsvarianten einer typischen Brettsperrholzwand mit einer Fenster- und Türöffnung und realistischen Belastungsansätzen unter Verwendung kommerzieller FE-Software detailliert vorgestellt. Die Hauptunterschiede der Modelle sind die Berücksichtigung von Verbindungsmittelsteifigkeiten und die Segmentierung der Wand. Basis für diese Modelle bilden die manuellen nach klassischer Laminattheorie ermittelten Steifigkeiten, welche in den FE-Modellen mit 2D orthotropen Flächenelementen Eingang finden.Gezeigt werden auch Bewertungsempfehlungen typisch problematischer Bereiche wie Tür- oder Fensteröffnungen, die Wahl der Elementteilung und die Berücksichtigung von Verbindungsmittelsteifigkeiten.Die unterschiedliche Wahl der Berechnungstheorie nach Theorie I. Ordnung undnach Theorie II. Ordnung zeigt zwei Möglichkeiten der Stabilitätsbemessung.Aus dem Vergleich der unterschiedlichen FE-Modelle hat sich gezeigt, dass abhängig von derjeweiligen Fragestellung gewisse Modellierungstiefen notwendig sind. Die Flächenschnittgrößenreagieren in diesem Beispiel deutlich weniger sensibel auf unterschiedliche Modelländerungen,als etwa die horizontalen Verformungen. Diese Erkenntnisse werden am Schluss der Arbeit präsentiert.

Cross-laminated timber (CLT) is a sustainable building material and is becoming increasingly important in modern construction. EU regulations as well as the general demand for sustainable building methods strengthen the trend towards timber construction compared to traditional concrete structures. It is therefore important to promote basic knowledge about timber construction,and especially CLT, in everyday engineering practice.To evaluate the current level of knowledge about CLT and related challenges, six interviews were conducted with structural engineers with long experience in Austrian civil engineering offices. The survey served as a basis for developing an FEM-based verification method for a CLTwall using different levels of modeling detail.A lack of fundamental understanding of CLT often leads, in offices focused on traditional concrete construction, to inefficient material use and economic disadvantages when timber is applied. This work aims to improve the understanding of CLT as a wall material and its modeling and assessment using FE software.Three different levels of modeling are presented for two typical CLT wall types with window and door openings and realistic load cases, analyzed with commercial FE software. The main differences between the models concern the inclusion of fastener stiffness and the segmentation of the wall. The models are based on stiffness values calculated manually with classical laminate theory, which are then implemented in the FE models using 2D orthotropic surface elements.Recommendations are also given for typical problem areas such as window and door openings,mesh division, and the consideration of fastener stiffness. Furthermore, the use of first-order and second-order theory shows two possible approaches for stability design.The comparison of the FE models shows that the required level of modeling detail depends on the design question. In this case, internal forces are less sensitive to modeling changes than horizontal deformations. These findings are summarized at the end of the work.