Historische Holzverbindungen - Untersuchung des Trag- und Lastverformungsverhaltens von historischen Holzverbindungen und Erstellung eines Leitfadens für die Baupraxis. Müller, A., Vogel, M., Lang, S., & Sauser, F. Technical Report 74FE-F.006967-FB-02, Berner Fachhochschule Institut für Holzbau Tragwerke u. Architektur, Bern, November, 2016.
Historische Holzverbindungen - Untersuchung des Trag- und Lastverformungsverhaltens von historischen Holzverbindungen und Erstellung eines Leitfadens für die Baupraxis [pdf]Paper  abstract   bibtex   
In der vorliegenden Arbeit wurde das Tragund Verformungsverhalten von zimmermannsmässigen Holzverbindungen, wie sie in historischen Holzbauten vorkommen, untersucht. Dazu wurden zu den häufigsten Verbindungsarten die existierenden Literaturquellen ausgewertet. Die darin angegebenen Analysen und Bemessungsmodelle wurden verglichen und die relevanten Inhalte herausgearbeitet. Zusätzlich wurden eigene Versuche zu schrägen Zapfenverbindungen durchgeführt, um in der Literatur nicht abgedeckte Faktoren neu zu erfassen. Holznägel kommen in historischen Knoten in ein- und zweischnittigen Verbindungen vor. Die meist aus Eichenholz gefertigten und in Nadelholz eingelassenen Holznägel weisen in der Regel einen achteckigen Querschnitt und einen Durchmesser zwischen ca. 20 und 30mm auf. Am häufigsten findet man Holznägel mit Durchmessern im Bereich um 24mm (ca. 1‘‘). Auf der Grundlage von umfangreichen Versuchsreihen wurden Modelle zur Tragfähigkeitsbestimmung von Holznägeln ermittelt, welche deren Trag- und Verformungsverhalten sehr gut abbilden. Die Tragfähigkeit von Längsverbindungen ist hauptsächlich abhängig geometrischen Gegebenheiten und die daraus resultierenden Versagensarten. Die heutigen Ansätze für die Bemessung können somit meist relativ einfach auch für historische Verbindungen angewendet werden. Für die Berechnung der Steifigkeit stehen Untersuchungsergebnisse und die daraus entstandenen Gleichungen zur Verfügung. Für Druckanschlüsse mit Belastung quer zur Holzfaser haben FEM-Modellierungen ergeben, dass die Tragfähigkeit massgebend von den Stababmessungen abhängt. Grössere Gurthöhen führen ebenso zu einer geringeren Steifigkeit wie eine geringe Höhe des quer zur Faser aufliegenden Stabes. Biegebalken weisen eine höhere Steifigkeit auf als kontinuierlich gelagerte Schwellen. Für die Bemessung eines Druckanschlusses finden die Modelle der aktuell gültigen Normen Anwendung. Die Tragfähigkeit von Versatzverbindungen ist hauptsächlich abhängig von der Versatztiefe, der Vorholzlänge und des Strebenquerschnittes. Die Versatztyp (Stirnversatz, Fersenversatz, doppelter Versatz,…) beeinfluss hauptsächlich die Fläche auf denen die Kräfte einwirken. Somit können für die Bemessung die heutigen geltenden Ansätze relativ einfach auch für historische Verbindung angewendet werden. Die Literatur liefert ebenfalls brauchbare Ansätze für die Steifigkeit. Die Tragfähigkeit von liegenden Zapfen ist in erster Linie vom Zapfenquerschnitt sowie von der Höhenlage des Zapfens am Balken abhängig. Untenliegende Zapfen weisen höhere Tragwiderstände auf als mittig angeordnete Zapfen. Eine Reduktion der Zapfenhöhe führt zu einer überproportionalen Reduktion der Traglast. Beim schrägen Zapfen tritt das Versagen durch Überschreiten der Druckfestigkeit der Zapfenstirn, der Auflagerfläche am Gurt oder durch das Abscheren der mittleren Zapfenlamelle (Rollschubversagen) ein. Der Anschlusswinkel hat insgesamt nur einen geringfügigen Einfluss auf Tragfähigkeit und Steifigkeit der Verbindung. Am meisten wird die Tragfähigkeit von der Grösse der Kontaktflächen beeinflusst. Die Tragfähigkeit von Blattverbindungen wird von der Gurthöhe, der Kerbtiefe des Blattes, dem Vorhandensein eines Holznagels sowie dessen Durchmesser und von der Qualität des Holzes, aus welchem die Blattverbindung besteht beeinflusst. Unter Zugbelastung wird das Schwalbenschwanzblatt aus der Sasse herausgezogen, wobei es zu grossen Verschiebungen kommen kann. Der Bruch tritt durch Querzugversagen des Hauptbalkens infolge von Querzug ein. Ein existierendes Bemessungsmodell zeigt für einen Teil der Versuche sehr gute Übereinstimmungen, führt im Vergleich mit weiteren existierenden Versuchsreihen teils aber zu einer starken Überschätzung der Anschlüsse. Historische Bauteile aus Eisen oder Stahl weisen ähnliche Materialfestigkeiten wie moderne Stähle auf, streuen dabei jedoch sehr stark. Die Bruchdehnung moderner Stähle wird meist nicht erreicht. Zur Berechnung von Bauteilen aus Eisen oder altem Stahl sind reduzierte Materialeigenschaften anzusetzen. Für historische eiserne Bolzen und Nägel können reduzierte Bemessungstragfähigkeit in Anlehnung an die aktuellen Normen angesetzt werden.
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Holzverbindungen, wie sie
in historischen Holzbauten vorkommen, untersucht.
Dazu wurden zu den häufigsten
Verbindungsarten die existierenden Literaturquellen
ausgewertet. Die darin angegebenen
Analysen und Bemessungsmodelle wurden
verglichen und die relevanten Inhalte
herausgearbeitet. Zusätzlich wurden eigene
Versuche zu schrägen Zapfenverbindungen
durchgeführt, um in der Literatur nicht abgedeckte
Faktoren neu zu erfassen.
Holznägel kommen in historischen Knoten in
ein- und zweischnittigen Verbindungen vor.
Die meist aus Eichenholz gefertigten und in
Nadelholz eingelassenen Holznägel weisen in
der Regel einen achteckigen Querschnitt und
einen Durchmesser zwischen ca. 20 und 30mm
auf. Am häufigsten findet man Holznägel mit
Durchmessern im Bereich um 24mm (ca. 1‘‘).
Auf der Grundlage von umfangreichen Versuchsreihen
wurden Modelle zur Tragfähigkeitsbestimmung
von Holznägeln ermittelt,
welche deren Trag- und Verformungsverhalten
sehr gut abbilden.
Die Tragfähigkeit von Längsverbindungen ist
hauptsächlich abhängig geometrischen Gegebenheiten
und die daraus resultierenden Versagensarten.
Die heutigen Ansätze für die Bemessung
können somit meist relativ einfach
auch für historische Verbindungen angewendet
werden. Für die Berechnung der Steifigkeit
stehen Untersuchungsergebnisse und die daraus
entstandenen Gleichungen zur Verfügung.
Für Druckanschlüsse mit Belastung quer zur
Holzfaser haben FEM-Modellierungen ergeben,
dass die Tragfähigkeit massgebend von den
Stababmessungen abhängt. Grössere Gurthöhen
führen ebenso zu einer geringeren Steifigkeit
wie eine geringe Höhe des quer zur Faser
aufliegenden Stabes. Biegebalken weisen eine
höhere Steifigkeit auf als kontinuierlich gelagerte
Schwellen. Für die Bemessung eines
Druckanschlusses finden die Modelle der aktuell
gültigen Normen Anwendung.
Die Tragfähigkeit von Versatzverbindungen ist
hauptsächlich abhängig von der Versatztiefe,
der Vorholzlänge und des Strebenquerschnittes.
Die Versatztyp (Stirnversatz, Fersenversatz,
doppelter Versatz,…) beeinfluss hauptsächlich
die Fläche auf denen die Kräfte einwirken.
Somit können für die Bemessung die
heutigen geltenden Ansätze relativ einfach
auch für historische Verbindung angewendet
werden. Die Literatur liefert ebenfalls brauchbare
Ansätze für die Steifigkeit.
Die Tragfähigkeit von liegenden Zapfen ist in
erster Linie vom Zapfenquerschnitt sowie von
der Höhenlage des Zapfens am Balken abhängig.
Untenliegende Zapfen weisen höhere
Tragwiderstände auf als mittig angeordnete
Zapfen. Eine Reduktion der Zapfenhöhe führt
zu einer überproportionalen Reduktion der
Traglast. Beim schrägen Zapfen tritt das Versagen
durch Überschreiten der Druckfestigkeit
der Zapfenstirn, der Auflagerfläche am Gurt
oder durch das Abscheren der mittleren Zapfenlamelle
(Rollschubversagen) ein. Der Anschlusswinkel
hat insgesamt nur einen geringfügigen
Einfluss auf Tragfähigkeit und Steifigkeit
der Verbindung. Am meisten wird die
Tragfähigkeit von der Grösse der Kontaktflächen
beeinflusst.
Die Tragfähigkeit von Blattverbindungen wird
von der Gurthöhe, der Kerbtiefe des Blattes,
dem Vorhandensein eines Holznagels sowie
dessen Durchmesser und von der Qualität des
Holzes, aus welchem die Blattverbindung besteht
beeinflusst. Unter Zugbelastung wird das
Schwalbenschwanzblatt aus der Sasse herausgezogen,
wobei es zu grossen Verschiebungen
kommen kann. Der Bruch tritt durch Querzugversagen
des Hauptbalkens infolge von Querzug
ein. Ein existierendes Bemessungsmodell
zeigt für einen Teil der Versuche sehr gute
Übereinstimmungen, führt im Vergleich mit
weiteren existierenden Versuchsreihen teils
aber zu einer starken Überschätzung der Anschlüsse.
Historische Bauteile aus Eisen oder Stahl weisen
ähnliche Materialfestigkeiten wie moderne
Stähle auf, streuen dabei jedoch sehr stark. Die
Bruchdehnung moderner Stähle wird meist
nicht erreicht. Zur Berechnung von Bauteilen
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