Kreislauffähige Verbindungen im Holzbau: : FE-Modellierung vorgespannter BSP-Wände

Abstract

Die Themen nachhaltiges Bauen und kreislauffähiges Bauen gewinnen immer mehr an Relevanz. Mit über einem Drittel der globalen CO2-Emissionen und einem Anteil von 30% der Endenergienachfrage gehört der Bausektor zu einem der größten Verursachern und Verbrauchern. Dadurch spielt das Bauwesen eine große Rolle bei der Klimawende. Die Wiederverwendung (ReUse) von tragenden Bauteilen ist ein erster Schritt, um Ressourcen einzusparen und deren Wert wieder schätzen zu lernen.Im Holzbau scheitert die Wiederverwendung oft an rechtlichen Faktoren, wobei eine sortenrein trennbare und mechanisch lösbare Verbindung den ReUse begünstigt. In Starkerdbebengebieten wird derzeit an der vertikalen Vorspannung von Massivholzwänden zur Aufnahme von horizontalen Lasten geforscht. In diesen Gebieten ist die Bodenbeschleunigung bei Erdbeben bis zu dreißigmal höher als z.B. in Teilen von Österreich. Diese Arbeit bezieht sich auf Gebiete, wo die Erdbebenstärke nach der prEN 1998-1-1:2022 als sehr niedrig – niedrig eingestuft wird, wodurch die horizontalen Lasten deutlich geringer sind. Dies verschiebt den Fokus von der Steigerung der Widerstandsfähigkeit zur potenziell kreislauffähigen Verbindung. Die Anwendung in mehrgeschossigen Brettsperrholzgebäuden ist derzeit noch kaum vorfindbar, weshalb sich die Arbeit auf diese Randbedingung fokussiert. Diese Arbeit enthält Empfehlungen zur statischen Modellierung von vertikal vorgespannten Brettsperrholzwänden. Eine vertikale Vorspannung überdrückt dabei die Zugkräfte, die durch horizontale Lasten auftreten. Diese kann mit Verbindungen, welche die Schubkräfte parallel zur Fuge aufnehmen, kombiniert werden. Dazu zählen unter anderem eine Fugenausbildung mittels einer geometrischen Verzahnung. Bei dieser sorgt der Formschluss für die Aufnahme und Übertragung der Schubkräfte. Eine zweite Möglichkeit ist die Ausbildung einer ebenen Fuge und Ansetzen eines Reibwiderstands. Jener kann aufgrund der konstanten Überdrückung der Fuge angesetzt werden. Mit diesen Kombinationen können herkömmliche Verbindungsmittel reduziert bzw. substituiert werden.Derzeit fehlt es an Herangehensweisen zur statischen Modellierung von vorgespannten Brettsperrholzwänden mittels einer FEM-Software. Deshalb wurde ein Brettsperrholzgebäude der Gebäudeklasse 5 (bis 22m Fluchtniveau) ausgewählt und anhand dessen ein Modellierungsansatz erprobt. Es wird ein Ansatz zur Ermittlung der notwendigen Vorspannkraft vorgestellt und der Einfluss der Fugenkonfiguration, der Öffnungen und der Erdbebenintensität auf diese erläutert. Des Weiteren thematisiert die Arbeit die Positionierung und Abstufung der Spannglieder, sowie die Berechnung der Spannkraftverluste im Holzbau. Abschließend werden Empfehlungen für die Anwendung der vertikalen Vorspannung im mehrgeschossigen Brettsperrholzbau innerhalb Gebäudeklasse 5 getroffen.

The topics of sustainable construction and the implementation of circular design in the building sector are becoming increasingly relevant. With responsibility for over a third of global CO2-emissions and accounting for 30% of final energy demand, the construction sector is one of the largest polluters and consumers. Consequently, the construction industry plays a significant role in climate change. Reusing load-bearing components is a first step towards conserving resources and appreciating their value.However, reuse in construction often fails due to legal factors, despite the fact that a single-type, separable, and mechanically detachable connection would facilitate it. Timber construction is no exception. In areas prone to strong earthquakes, research is currently being conducted into the vertical prestressing of solid wood walls to absorb horizontal loads. In these areas, ground acceleration during earthquakes can be up to thirty times higher than in parts of Austria. Therefore, this work refers to areas where earthquake intensity is classified as very low to low according to prEN 1998-1-1:2022. The horizontal loads are significantly lower, shifting the focus from increasing resistance to developing potentially reusable connections. Such systems are currently still rarely used in multi-storey timber buildings, which is why this work focuses on this boundary condition. The study provides recommendations for the static modelling of vertically prestressed cross-laminated timber (CLT) walls in combination with a form-fitting connection or a flat joint. Vertical prestressing counteracts the tensile forces caused by horizontal loads. This can be combined with connections that absorb shear forces running parallel to the joint. Examples of these include joint design using geometric interlocking or a flat joint. In the former case, the form-fit ensures the absorption and transfer of shear forces. In the latter case, frictional resistance enables load transfer due to constant overpressure in the joint. This combination allows for a reduction or substitution of conventional fasteners.Currently, there is a lack of methods for the static modelling of prestressed CLT walls using FEM-software. For this reason, a CLT building in building class 5 (maximum escape level = 22m) was selected to test a modelling approach. This study presents a method for determining the necessary prestressing force and explains the influence of joint configuration, openings and earthquake intensity on this force. The positioning and segmentation of the tendons, as well as the calculation of tension force losses in timber construction, are also covered. Finally, recommendations are made for the application of vertical prestressing in multi-storey timber buildings within building class 5.