Trag- und Verformungsverhalten genagelter Brettstapelelemente unter Querlast [online]

Kurzfassung

Brettstapelelemente bestehen aus hochkant nebeneinander
gestellten, fortlaufend miteinander vernagelten
Massivholzbrettern (Lamellen). Die Lamellen können im
Brettstapelelement gestoßen werden, da die Länge der Lamellen
üblicherweise nicht mit der Länge der Brettstapelelemente
übereinstimmt. Durch dieses Herstellungsprinzip können beliebig
lange und beliebig breite, flächige Bauteile hergestellt werden,
die diskontinuierliche Steifigkeitseigenschaften sowohl in
Spannrichtung der Elemente als auch quer zur Spannrichtung
aufweisen.
Brettstapelelemente werden seit einigen Jahren vermehrt im
Holzhausbau als Wand­ oder Deckenelemente verendet. Derzeit gibt
es noch keine anerkannten technischen Regeln für die Bemessung
von Brettstapelelementen. Ziel dieser Arbeit war es,
Gleichungen zur Bestimmung der Tragfähigkeit und der
Gebrauchstauglichkeit von Brettstapelelementen unter
Plattenbeanspruchung zu bestimmen. Diese Gleichungen wurden über
Simulationsergebnisse bestimmt. Bei den Simulationen der
Brettstapelelemente wurden die Streuungen der
Steifigkeitseigenschaften der Lamellen sowohl innerhalb der
Lamellen als auch zwischen den Lamellen berücksichtigt. ... mehrDie
Streuungen der Werte der Parameter zur Beschreibung einer Last­
Verschiebungs­Kurve einer zweischnittigen
Holz­Holz­Nagelverbindung wurden in realistischen Bereichen
sowohl innerhalb einer
LastVerschiebungsKurve
als auch der Last­Verschiebungs­Kurven untereinander
berücksichtigt. Die Simulationsergebnisse wurden durch Versuche
bestätigt.
Zu Beginn der Forschungsarbeiten wurde untersucht, ob durch eine
verstärkte Stoßnagelung die wirksame Biegesteifigkeit von
Brettstapelelementen in Spannrichtung signifikant erhöht werden
kann. Durch einen Berechnungsansatz und durch Versuche wurde
gezeigt, dass mit einer verstärkten Stoßnagelung die wirksame
Biegesteifigkeit in Spannrichtung nicht wesentlich erhöht werden
kann. Andere Verstärkungsmaßnahmen der Lamellenstöße waren nicht
praxisrelevant und wurden deswegen verworfen.
Die Simulationen wurden unter Berücksichtigung der streuenden
Steifigkeitseigenschaften der Lamellen und des streuenden
nichtlinearen LastVerschiebungs­Verhaltens von genagelten
Holz­Holz­Verbindungen durchgeführt.
Die Festigkeits­ und Steifigkeitseigenschaften der Lamellen
wurden auf der Grundlage von Untersuchungen von Lamellen für
Brettschichtholzträger simuliert. Hierzu wurden die Lamellen mit
einer Länge von l = 4,5 m in 30 Segmente unterteilt und den
Segmenten wurden über Regressionsgleichungen autokorrelierte
Material­eigenschaften zugewiesen.
Die Beträge der Parameter zur Beschreibung einer
Last­Verschiebungs­Kurve einer genagelten Holz­Holz­Verbindung
und deren statistische Verteilungen wurden durch Versuche
ermittelt. Die Lamellen der Prüfkörper für die Versuche wurden mit
unterschiedlichen Nagelgrößen kraftschlüssig verbunden.
Weiterhin wurde nach der Beanspruchungsrichtung der Lamellen
durch den Nagel (parallel oder rechtwinklig zur Faser)
unterschieden. Die Nagelverbindungen, die parallel zur
Faserrichtung beansprucht waren, zeigten signifikant höhere
Anfangs­Steifigkeitseigenschaften als die rechtwinklig zur Faser
beanspruchten Nagelverbindungen. Das streuende
nichtlineare Last­Verschiebungs­Verhalten der Nagelverbindungen
wurde in das Simulationsmodell aufgenommen.
Bei den Simulationen wurden die Geometrie der
Brettstapelelemente (Breite/Höhe), die Nagelabstände, die
Nageldurchmesser, die Stoßanordnungen (ungestoßene,
wechselseitig, wandernd und zufällig gestoßene Lamellen) sowie
die Belastung durch eine zentrische Einzellast und durch eine
gleichförmige Flächenlast variiert.
Aus den Simulationsergebnissen wurden Näherungsgleichungen zur
Berechnung der Biegerandspannungen der Lamellen, der elastischen
Verformung der Brettstapelelemente und der Beanspruchung der
Nägel auf Abscheren abgeleitet.
Um die Simulationen und die daraus abgeleiteten Gleichungen zu
bestätigen, wurden 43 Prüfkörper entworfen und geprüft. Hierfür
wurden von insgesamt 936 Lamellen die mittleren
Elastizitätsmoduln, die mittleren Rohdichten sowie die maximalen
Ästigkeiten bestimmt. Der Vergleich der gemessenen mittleren
Materialeigenschaften mit simulierten mittleren
Materialeigenschaften zeigte, dass die Simulation der Lamellen
realitätsnahe Ergebnisse lieferte.
Beim Entwurf der Prüfkörper wurden die o.g. Einflussparameter
auf die Beanspruchungen der Brettstapelelemente
mitberücksichtigt. Alle Prüfkörper wurden im Vorfeld simuliert,
um die Traglasten und die Verformungen abschätzen zu können.
Die Versuchsergebnisse, die Ergebnisse der Simulationen und die
Ergebnisse der Gleichungen zeigten eine sehr gute Übereinstimmung.
Die aus den Simulationsergebnissen abgeleiteten Gleichungen
wurden zu praxisgerechten, vereinfachten Bemessungsgleichungen
zusammengefasst, mit denen eine schnelle und einfache Bemessung
von Brettstapelelementen unter Plattenbeanspruchung möglich ist.

Abstract

Nail­laminated timber is used as plane structural components
made of single, edgewise oriented lamellas. These lamellas are
mechanically jointed by nails.
Because of the usually different length of the lamellas and the
nail­laminated timber elements (NLTE), the lamellas usually are
butt jointed. Thus, any required length or width of NLTEs can be
produced. The aim of this PhD­ thesis was to derive design
equations for the bending stiffness and the bending stresses of
the lamellas as well as for the action effects of the nails.
These design equations should be valid for NLTEs loaded
perpendicular to their plane. It would have been quite expensive
to obtain the design equations by performing a large number of
tests. For this reason the tests were simulated on the computer.
The simulations were conducted on the basis of realistic
stiffness values of the lamellas and the nailed connections
taking into account the variability of the stiffness­values
within and between members. The design equations were confirmed
by test results.
First, the influence of a reinforced butt joint nailing was
studied. Tests and calculations showed no significant
improvement of the effective bending stiffness of NLTEs.
Further reinforcement measures were of no practical use, thus
being abolished.
Simulations considering realistic stiffness values and their
statistical distribution provide realistic results. So,
thousands of NLTEs can be simulated and the results can
be evaluated. The design equations that were derived in this way
show a high statistical reliability.
The strength and stiffness properties of the lamellas were
simulated on the basis of investigations of lamellas used in
glued laminated timber. A virtual lamella (l = 4.5 m)
is subdivided into 30 segments. The values of modulus of
elasticicty (MOE), the knot­ area­ratio (KAR), and the density
are assigned to each single segment.
The parameters describing a load­deformation curve of a nailed
timber­to­timber
joint and their statistical distribution were determined by
tests. There were four different test series for four nail
diameters. The four test series were subdivided into tests
loaded parallel to and perpendicular to the grain, respectively.
The test specimens loaded parallel to the grain showed
significantly higher stiffness values compared to a load
arrangement perpendicular to the grain.
A grid was chosen as the mechanical model of the NLTE. The
girders in longitudinal direction represent the lamellas. The
transversal direction was simulated by non­linear springs
representing the nails. For the simulations, the parameters l/h
(span/height of the element), the nail diameter, the nail
spacing, and the type of loading (centric single load and
uniformly distributed load) were varied. Four different
alternatives of butt joint patterns were simulated (no butt
joints, alternating, moving and randomly distributed butt
joints). The simulation parameters were taken into account for
deriving the design equations for the effective bending
stiffness of NLTEs, for the bending stresses of the lamellas,
and for the action effects of the nails.
A total of 43 tests was conducted to validate the results of the
simulations. Therefore the material properties of 936 lamellas
were measured, e.g. modulus of elasticity, the density and the
knot­area­ratio. The measured material properties were compared
with the simulated material properties and showed good agreement.
The specimens were designed according to the simulation
parameters. The tests were simulated beforehand to determine the
ultimate loads and the corresponding deformations. The results
of the tests conformed the simulation results and the results
of the design equations.