Auswertung und Interpretation von Versuchsergebnissen an biegesteifen Anschlüssen mit Holz-Stahl Hybridträgern

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit einem Forschungsprojekt, welches vom Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung im Rahmen eines -Sparking Science Projektes- finanziert wird, und seit 2012 vom Institut für Tragwerksplanung und Ingenieurholzbau an der TU Wien bearbeitet wird. Anhand neu entworfener Holz-Stahl Hybridquerschnitte soll eine leichte, schnell montierbare und umweltverträgliche Struktur entwickelt werden, welche in der Skelettbauweise eine Alternative zum Stahlbeton oder zum reinen Stahlbau bieten kann. Aber nicht nur der Neubau, sondern auch die Sanierungen oder Erweiterung von bestehenden Gebäuden könnten, unter anderem aufgrund ihrer geringen Bauteilhöhen, ideale Einsatzbereiche dieser Querschnitte sein. Auch das Zeitalter des erhöhten ökologischen Bewusstseins, welches die Wahl von Werkstoffen mit geringen CO2 Fußabdrücken mit sich bring, liefert eine optimale Gegebenheit für diese Holz-Stahl Mischbauweise im urbanen Raum. Die Hybrid-Querschnitte bestehen aus zwei symmetrischen Brettschicht- oder Brettsperrholz Elementen und zwei abgekanteten U-Profilen, welche Rücken an Rücken einen zusammengesetzten I-Querschnitt ergeben. Die Flansche der U-Profile passen genau in die vorbereiteten Nuten der Holzquerschnitte. Alle Teilquerschnitte werden ohne Herstellung eines horizontalen Schubverbundes mit vier Gewindestangen verschraubt. Um einen statisch möglichst äquivalenten Nutzen der beiden Baustoffe du erzielen, werden die Teilquerschnitte mit annähernd identischen Biegesteifigkeiten dimensioniert. In dieser Arbeit werden die Versuche an diesen Querschnitten ausgewertet und interpretiert. Zu Beginn wird das System des Hybridträgers allgemein, sowie seine Leistungsfähigkeit als Einfeldträger beschrieben, welche allgemein als sehr gut bezeichnet werden kann. Anschließend wird auf den Entwurf und auf die Versuchsdurchführung der biegesteifen beziehungsweise teilbiegesteifen Anschlüsse eingegangen. Die aus den Versuchen erhaltenen Nachgiebigkeiten der Anschlüsse werden anhand von Federmodellen simuliert und an den biegesteifen Knoten eines modellierten Skelettbaus angesetzt. Eine Parameterstudie, in der die Spannweiten und die Abstände der Rahmen zueinander variiert werden, zeigt, bei einer teilweise vereinfachten Lastaufstellung nach den in Österreich gültigen Normen für einen exemplarischen Standort -Wien-, recht zufriedenstellende Ergebnisse. Diese können als solide Basis für die Weiterentwicklung dieses Systems angesehen werden.

This thesis deals with a -Sparking Science- research project, which has been funded by the Federal Ministry of Science and Research and carried out by the Institute for Structural Design and Timber Engineering at the Vienna University of Technology since 2012. A new design employing a wood-steel hybrid cross section has been developed with the goal of offering a lightweight, easy to mount and ecological alternative to the standard multi-storey frame constructions made of steel or reinforced concrete. These beams, with a small structural depth, could be very interesting not only in new constructions, but also in the renovation of existing buildings. Moreover, in times of increasing ecological awareness the choice of building materials with a smaller CO2 footprint will become more important, which could help to establish this system as a construction method for multi-storey buildings in urban areas. The hybrid cross sections consist of two symmetrical glued laminated timber beams and two symmetrical U-profiles made of folded steel plates. The flanges of these steel components fit directly into pre-cut groves in the timber beams and they are all then screwed together with four threaded rods. Since there is no shear bond between the single components, it is crucial to design the partial cross sections with a similar bending stiffness in order to achieve a statically equivalent utilisation of the materials. After the principles of the tested hybrid beams are shown, the experimental assembly and the very satisfying results of the single span tests are briefly presented. It is then explained how these beams are used to design and execute tests on rigid or semi-rigid joints. The loss of stiffness found during the tests is transformed into a spring model that is then integrated into the multi-storey calculation. A parametric study in which the spans and spacings of the frames are varied show quite promising results for somewhat simplified loading conditions in accordance with existing standards for an exemplary location -Vienna-. The results can be seen as a solid basis for the further development of this system.