Zur Aussteifung mehrgeschossinger Gebäude mit Holz-Glas-Verbundelementen

Abstract

Holz-Glas-Verbund (HGV)-Konstruktionen sind eine innovative Bauweise, die – bestärkt durch das gesellschaftliche und wirtschaftliche Interesse an nachhaltigen und ressourcenschonenden Formen des Bauens – zunehmend an Bedeutung gewinnen. Für den Einsatz im tragenden und aussteifenden Bereich liegen jedoch keine ausreichenden Erkenntnisse vor, weshalb diese neuarti- gen Entwicklungen einer ingenieurtechnischen Beurteilung bedürfen. Zu Beginn wird auf bisherige Forschungsarbeiten eingegangen, auf denen diese Arbeit zum Teil basiert. Ein kurzer Überblick über die zu Grunde liegenden Berechnungsmodelle soll verständlich an das Thema heranführen. Für lastabtragende Klebeverbindungen existiert bis dato lediglich eine Richtlinie, aber keine Norm. Deshalb setzt sich dieser Abschnitt auch mit bisher zugelassenen HGV-Konstruktionen auseinander. Im Fokus stehen anschließend zwei experimentelle Großprüfkörper mit lastabtragenden Klebe- fugen. Hier liegt das vorrangige Augenmerk darauf, die Verformungsmechanismen über einen langfristigen Beobachtungszeitraum und instationären Klimabedingungen auszuwerten und zu interpretieren. Dabei werden die erzielten Ergebnisse vergleichbaren experimentellen Untersu- chungen gegenübergestellt, um die Aussagekraft der Resultate überprüfen zu können. Als Hauptbestandteil dieser Arbeit wird das Aussteifungspotential bisheriger HGV-Systeme anhand viergeschossiger ideeller Gebäude unter realer Windbeanspruchung intensiv erforscht und optimiert. Im Hinblick auf die Effizienzsteigerung und Steifigkeitserhöhung wird ebenfalls eine horizontale und vertikale kraftschlüssige Verbindung (Kopplung) zwischen den HGV-Elementen analytisch untersucht. Neben dem bisher üblicherweise eingesetzten Silikonklebstoff kommt als Alternative auch ein höherfesteres und steiferes silanterminiertes Epoxid zum Einsatz. Damit lässt sich die Steifigkeit wesentlich erhöhen. Da die Aussteifung ausschließlich HGV-Elemente in Form von HGV-Scheiben übernehmen, kann über Tragsicherheits- und Gebrauchstauglich- keitsnachweise deren Ausnutzung und Grenztragfähigkeit abgeleitet werden. Dies geschieht unter Anwendung von wissenschaftlich fundierten Festigkeiten und Materialsicherheitsbeiwerten heute verfügbarer Klebstoffe. Als Resultat der Erkenntnisse werden mehrere Bemessungsdiagramme entwickelt. Sie sollen Baubeteiligten die Auswahl der statisch notwendigen HGV-Elemente zur Gebäudeaussteifung erleichtern. Zu guter Letzt werden in einem Optimierungsverfahren diverse Adaptionen an Bauteilkomponenten schrittweise vorgenommen. Dies verdeutlicht klar die kom- plexen Zusammenhänge im Aussteifungsverhalten. Abschließend wird ein Ausblick auf die weitere Forschungsarbeit gegeben und gezeigt, welche Punkte in diesen Themengebieten offen geblieben sind und einer Klärung bedürfen.

Timber-glass-facades are innovative constructions which are getting more importance as a result of the social and economic interest in sustainable and resourceefficient buildings. However, there is insufficient knowledge available to use them in load-bearing and bracing areas. Therefore these new developments require an engineering assessment. At first there is a short excursion to previous research activities this thesis mainly based on. To introduce course of the subject a brief overview of existing computational models is given. Up to now there is only a guideline but no european standard for structural-sealant-glazing systems. Therefore the first section deals with previously approved Timber-glass composite structures. The focus will be on two experimental large-sized specimens with load-bearing adhesives. The main aspect is to evaluate and interpret the deformation mechanisms over a long-term obser- vation period and unsteady climatic conditions. The obtained results are compared with other experimental investigations from different researchers in order to check the validity of the results. The feasibility studies, performance assessments and optimization of bracing timber-glass-facades is a main component. Therefore ideal four-story buildings are exposed to horizontal wind force. To increase stiffness a horizontal and vertical connection (coupling) between the timber-glass composite elements is analyzed. In addition to the commonly used silicone adhesive a stiffer epoxy is used as an alternative. In this way it is also possible to reach higher stiffness. Timber- glass-facades should replace the stiffening walls in the following and take all the bracing function. To calculate their utilization and resistance, stress and stability analysis are required. Safety factors and strength values based on scientific knowledge are the basis for that. As a result several diagrams are developed. They allow to easily select the statically necessary timber-glass-facades and ensure sufficient bracing of the structure against horizontal loads. Last but not least various component-adaptations are carried out step by step. This illustrates the complex relationship in the stiffening behavior. Finally we will look at further research work and all the topics which have remained open in the thesis or also need clarification.