Mechanische Charakterisierung und Analyse von Brettsperrholz (BSP) unter punktförmigen Lasten

Abstract

In den vergangenen Jahrzehnten hat die Holzmassivbauweise, insbesondere durch den Einsatz von Brettsperrholz (BSP), erheblich an Bedeutung gewonnen. Während Brettsperrholzdecken in der Praxis häufig als einachsig gespannte Systeme bemessen werden, erlaubt ihr Aufbau aus kreuzweise verklebten Brettlagen eine biaxiale Tragwirkung, die auch punktförmige Lagerungen ermöglicht. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die detaillierte Charakterisierung der Trag- und Versagensmechanismen von Brettsperrholzplatten unter derartigen Punktlasten. Ein Schwerpunkt der Untersuchung liegt auf der Identifikation der mechanischen Interaktion von Platten- und Membranwirkung sowie der Definition maßgebender Bruchszenarien. Hierfür wird eine konsistente Modellierungsstrategie in der Finite-Elemente-Software Dlubal RFEM in Verbindung mit dem Zusatzmodul RF-LAMINATE entwickelt, wobei Platten- und Scheibenmodelle gegenübergestellt werden. Darüber hinaus erfolgt eine mechanische Identifikation des Spannbandeffekts sowie eine Analyse der damit verbundenen Lastumlagerungspotenziale nach dem Eintritt lokaler Versagenszustände, beispielsweise infolge von Rollschubbruch oder Biegezugversagen der Längslagen. Ergänzend zur globalen Systembetrachtung werden lokale Spannungs- und Verformungszustände der Brettsperrholzplatte analysiert. Dazu zählen die numerische Untersuchung der Querdruckausbreitung, der steifigkeitssteigernde Einfluss von Vollgewindeschrauben als Verstärkungsmethode sowie die detaillierte Querkraftverteilung in Rundschnitten im Auflagerbereich. Abschließend erfolgt eine kritische Evaluierung der neuen Bemessungsregeln für Brettsperrholz unter konzentrierten Lasten in der zweiten Generation des Eurocode 5 (EN 1995-1-1:2024}). Durch den Vergleich mit dem Bemessungskonzept nach Mestek und den in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnissen wird die Treffsicherheit der normativen Vorgaben hinsichtlich des Durchstanzverhaltens geprüft. Die Arbeit liefert damit ein fundiertes Grundverständnis von Brettsperrholzplatten unter punktuellen Lasten sowie Empfehlungen bezüglich der sicheren Anwendung der zukünftigen Normengeneration.

In recent decades, mass timber construction has gained significant importance, particularly due to the increasing use of Cross-Laminated Timber (CLT). While CLT floor systems are commonly designed as one-way spanning systems, their cross-laminated configuration enables biaxial load-bearing behaviour and thus permits point-supported systems. The focus of this thesis is the detailed characterization of the load-bearing and failure mechanisms of CLT panels subjected to such concentrated loads. A primary objective of the investigation is the identification of the mechanical interaction between plate action and membrane action, as well as the definition of governing failure scenarios. To this end, a consistent modelling strategy is developed using the finite element software Dlubal RFEM in conjunction with the add-on module RF-LAMINATE, with plate and shell modelling approaches systematically compared. In addition, the tensile membrane effect is mechanically identified, and the associated load redistribution potential following the onset of localized failure states (e.g. rolling shear failure or bending tension failure of the longitudinal layers) is analysed. In addition to the global system behaviour, local stress and deformation states of the CLT panel are examined. These include the numerical investigation of transverse compression distribution, the stiffness-enhancing influence of fully threaded screws as a reinforcement method, and the detailed shear force distribution in circular sections within the support region. Finally, a critical evaluation of the new design provisions for CLT under concentrated loads in the second generation of Eurocode 5 (EN 1995-1-1:2024+prA1:2026) is carried out. By comparing the numerical results with the Mestek design concept, the accuracy of the normative provisions with regard to punching shear behaviour is assessed. Consequently, this thesis provides well-founded recommendations for engineering practice regarding the appropriate level of modelling detail, parameter selection, and the safe application of the next generation of design standards.