Momentenverbinder für Holzrahmenkonstruktionen – Experimentelle Untersuchungen

 

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1 Einleitung

Die Bestimmung des Tragverhaltens von momentübertragenden Verbindungen ist sehr wichtig für die erdbebensichere Bemessung von Gebäuden. [1]. Die Steifigkeit und Dämpfungseigenschaften der Verbindungen beeinflussen im Wesentlichen die Gesamtsteifigkeit und Dämpfung einer Holzrahmenkonstruktion. [2]. Das Verhalten von verschiedenen zweidimensionalen Balken-Stützen-Verbindungen (BSV) für biegesteife Rahmenkonstruktionen wurde in den letzten Jahrzehnten bereits ausführlich untersucht. Buchanan und Fairweather [3] beschreiben Möglichkeiten verschiedener Holzverbindungen für biegesteife Rahmenecken und schlussfolgern, dass diese als aussteifende Systeme gegenüber horizontaler Lasten genutzt werden können. Nachteil von Rahmenkonstruktionen ist jedoch die geringe Steifigkeit gegenüber horizontaler Lasten [4]. Der schwächste Bereich ist dabei die BSV. Bereits kleine Verdrehungen verursachen relativ große horizontale Verformungen und damit Geschossverschiebungen. Die Analyse von Rahmenkonstruktionen zeigt, dass bis zu 90 Prozent der horizontalen Verformungen auf Verdrehungen in den Verbindungen zurückzuführen sind [5]. Die Begrenzung der Geschossverschiebung ist jedoch ein wesentliches Bemessungskriterium für den Entwurf erdbebensicherer Gebäude [6]. Eine weitere Herausforderung ist die große Kraftkonzentration am Anschlusspunkt zwischen Balken und Stütze. Es ist nur wenig Platz vorhanden um gleichzeitig Biegesteifigkeit, Duktilität und Energiedissipation sicherzustellen. Heiduschke [4] hat gezeigt, dass die Rotation in der Verbindung durch verdichtete und glasfaserverstärkte BSV reduziert werden konnte. Leijten et al. [7] untersuchte BSV mit verdichtetem Furnierholz und Streckmetallrohren. Im Vergleich zu klassischen Stabdübel-Holzverbindungen zeigte die Hysterese geringe Lochleibung und eine sehr große Energiedissipation. Palermo et al. [8] testete hybride BSV aus Furnierschichtholz mit eingeklebten Gewindestäben zur Energiedissipation und vorgespannten Kabeln zur Selbstausrichtung der Verbindung. Palermo stellte dabei eine große Duktilität ohne Verschlechterung der Steifigkeit und Festigkeit fest. Die beschriebenen Untersuchungen konzentrierten sich jedoch wesentlich auf zweidimensionale Anschlüsse, ohne einen dreidimensionalen Anschluss zu berücksichtigen.

Die folgenden experimentellen Untersuchungen beschäftigen sich mit der Entwicklung neuartiger momentübertragender Verbindungen für dreidimensionale Holzrahmenkonstruktionen ohne zusätzliche aussteifende Elemente. Die Darstellung nach Colson et al. [9] zeigt verschiedene Möglichkeiten der Moment-Rotations-Verläufe von BSV. Ziel der Untersuchungen ist es, entsprechend des mittleren Verlaufs:

• eine dreidimensionale Verbindung zu konzipieren,
• mit einer hohen Steifigkeit und Momententragfähigkeit,
• sowie einem möglichst duktilen Verhalten ohne Sprödbruchversagen.

2 Material und Methoden

Vier verschiedene Probekörper wurden am ITAM (Institut für Technische und Angewandte Mechanik) in Prag untersucht. Die Probekörper unterscheiden sich in der Art der Verbindung. Der Versuchsaufbau und das Versuchsprogramm sind für alle Probekörper gleich. Die vier Probekörper A bis D bestehen aus einem zweidimensionalen (2D) Versuchsaufbau. Die BSV besteht aus zwei Balken mit den Abmessungen von 12 cm x 36 cm x 150 cm und einer Stütze mit einem Querschnitt 22 cm x 22 cm und einer Länge von 120 cm. Die Balken sind mittig an die Stütze angeschlossen. Balken und Stützen aller Probekörper wurden aus Konstruktionsvollholz mit der Festigkeitsklasse C 24 entsprechend DIN EN 1995–1–1 [11] hergestellt. Trotz der 2D-Versuchsanordnung wurde die Problematik des dreidimensionalen Anschlusses berücksichtigt. Es wurden alle notwendigen Öffnungen und Querschnittsschwächungen sowie eine asymmetrische Anordnung vorgesehen, welche die Platzierung zweier zusätzlicher Balken senkrecht zur Versuchsanordnung ermöglicht. Die Probekörper wurden liegend und auf Kugeln gelagert getestet. Bild 2 zeigt schematisch den Versuchsaufbau. Die Balken sind an den freien Enden über ein Rollenlager gehalten. Dies ermöglicht eine freie Bewegung in x-Richtung und eine Einspannung in y-Richtung, wodurch die Geschossverschiebung im Gebäude berücksichtigt wird. Die Stütze ist an einem Ende über einen Stahlstift gelenkig gelagert und am gegenüberliegenden Ende an einem hydraulischen Antrieb befestigt. Über den Antrieb wird eine zyklische Belastung in die Stütze eingeleitet. Das Versuchsprogramm besteht aus insgesamt 14 verschiedenen Amplituden (2–4–6–8–12–16–24–32–48–64–80– 96–112–120 mm) mit jeweils drei Wiederholungen pro Amplitude, um die Degradierung des Systems zu berücksichtigen. Die Versuche sind weggesteuert und die Frequenz beträgt jeweils 0,05 Hz für Probekörper A und B, sowie 0,10 Hz für Probekörper C und D. Während der Versuche wird über sechs Potentiometer und eine Kraftmessdose das Verhalten der BSV aufgenommen. Die Anordnung von Kraftmessdose und Potentiometer ist in Bild 2 dargestellt. Potentiometer 01 bis 04 messen die Relativverschiebung zwischen Balken und Stütze. Potentiometer 05 zeichnet die Verschiebung am Krafteinleitungspunkt an der Stütze auf und Potentiometer 06 die Verschiebung der Balken entlang ihrer Achse. Zusätzlich wurden alle Versuche mit zwei Videokameras dokumentiert.

Der vollständige Beitrag ist erschienen in:
Bauingenieur 12.2015, Seite 575-582

Literatur

[1] Blass, H., et al.: Timber structures in seismic regions RILEM State-of-the-art Report. In: Materials and Structures Vol. 27 (1994), Iss. 3, pp. 157–184.

[2] Kasal, B., et al.: Seismic performance of laminated timber frames with fiber – reinforced joints. In: Earthquake engineering & structural dynamics Vol. 33 (2004), Iss. 5, pp. 633–646.

[3] Buchanan, A.; Fairweather, R.: Seismic design of glulam structures. In: Bulletin of the New Zealand national society for earthquake engineering Vol. 26 (1993), Iss. 4, p. 415–436.

[4] Heiduschke, A.: Seismic behavior of moment-resisting timber frames with densified and textile reinforced connections. Technische Universität Dresden, Fakultät Bauingenieurwesen, 2006.

[5] Frenette, C.; Foschi, R.; Prion, H.: Dynamic behaviour of timber frame with dowel type connections, 1996.

[6] DIN Deutsches Institut für Normungen e.V. DIN EN 1998–1:2010–12, Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben – Teil 1: Grundlagen, Erdbebeneinwirkungen und Regeln für Hochbauten. Ausgabe Dezember 2010.

[7] Leijten, A., et al.: Reversed-cyclic behavior of a novel heavy timber tube connection. In: Journal of Structural Engineering, Vol. 132 (2006), Iss. 8, pp. 1314-1319.

[8] Palermo, A., et al.: Seismic design of multi-storey buildings using laminated veneer lumber (LVL), 2005.

[9] Colson, A., et al.: Control of the semi-rigid behaviour of civil engineering structural connections, Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg, 1999.

[10] DIN Deutsches Institut für Normungen e.V. DIN EN 12512: 2001 + A1 : 2005, Holzbauwerke – Prüfverfahren – Zyklische Prüfungen von Anschlüssen mit mechanischen Verbindungsmitteln. Ausgabe Dezember 2005.

[11] DIN Deutsches Institut für Normungen e.V. DIN EN 1995–1–1, Bemessung und Konstruktion von Holzbauten. Ausgabe Dezember 2010.