DE102007052455A1

DE102007052455A1 - Verbindungssystem zur Schubkraftübertragung in der Holz-Beton-Verbundbauweise

Info

Publication number: DE102007052455A1
Application number: DE200710052455
Authority: DE
Inventors: Ricky Selle
Original assignee: Selle Ricky Dipl-Wirtsch Ing
Current assignee: Selle Ricky Dipl-Wirtsch Ing
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-05-20

Abstract

Die technologische Herausforderung bei der Herstellung von Bauteilen im HBV liegt in der Gestaltung der nachgiebigen Verbundfuge zwischen den einzelnen Querschnittsteilen unterschiedlicher Materialien. Die bekannten Systeme bieten hier aufwändige und daher kostenintensive Lösungen, so dass der Einsatz von HBV-Bauteilen in der Fertigung von Biegeträgern bisher wirtschaftlich nicht attraktiv ist, obwohl im Vergleich zur Massivbauweise unbestrittene Vorteile mit Blick auf reduziertes Eigengewicht und Nachhaltigkeit der verwendeten Materialien bestehen. Die vorgestellte Erfindung bietet eine wirtschaftlich interessante Alternativ bei der Herstellung von HBV-Biegeträgern. Im vorliegenden System werden an den Holz-Steg (1) eines Doppel-T-Querschnitts an den Außenseiten in regelmäßigen Abständen in Spannrichtung Holzlaschen (2) in Form von Brettern mit stiftförmigen Befestigungen bzw. mit Dübeln besonderer Bauart (3) angebracht, die eine schubfeste Verbindung mit hoher Steifigkeit und Tragfähigkeit zum Beton-Obergurt herstellen. Diese Laschen überragen den Steg betonseitig um maximal die Höhe des Betonspiegels und schließen unterseitig bündig mit dem Steg ab. Die Laschen werden werkseitig angebracht und der Steg (evtl. mit Untergurt aus Holzwerkstoffplatte (5)) kommt als Halbfertigteil auf die Baustelle. Mit der bauseitigen Betonage des Obergurts (4) entsteht der Formschluss und die Querschnittsteile sind nachgiebig verbunden. Das Verbindungssystem wird zur Herstellung von ...

Description

Einführung
Die Erfindung betrifft ein Verbindungssystem zur Schubkraftübertragung in Biegeträgern, welches im Bauwesen zur Konstruktion von Biegträgern im Holz-Beton-Verbund (HBV) eingesetzt wird. Bei HBV-Biegeträgern handelt es sich um zusammengesetzte Querschnitte, wobei eine Betonplatte als Obergurt durch geeignete Maßnahmen so mit einem hölzernen Steg verbunden wird, dass beide Querschnittsteile im Zusammenwirken die Schnittgrößen aus der äußeren Belastung aufnehmen. Der Anschluss von Untergurten, wie in dem vorliegenden System als Holzwerkstoffplatte, ist möglich.
Seit etwa 30 Jahren werden in Deutschland zunehmend Biegeträger in der Verbundbauweise konstruiert, bei denen Holz in Verbindung mit mineralischen Baustoffen eingesetzt wird. Üblicherweise wird als mineralischer Baustoff bewehrter Normalbeton verwendet, aber auch die Anwendung von Leichtbetonen, Polymerbetonen oder Estrichen wurde untersucht.
Als sinnvoll hat sich erwiesen, Holz-Beton-Verbundträger als Einfeldträger einzusetzen, wobei werkstoffgerecht das Holz in der Zugzone und der Beton in der Druckzone angeordnet werden. So ergibt sich aus der Aufnahme der Momentenbelastung eine primäre Zugbelastung des Holzes und eine primäre Druckbelastung des Betons. Aus diesen Verbundbiegeträgern werden vor allem Decken konstruiert. Vereinzelt werden auch Holz-Beton-Verbundbrücken gebaut. Allerdings spielen Brücken in der Holz-Verbundbauweise in Deutschland noch eine untergeordnete Rolle, in anderen Ländern, wie z. B. den USA, Schweiz, Österreich und Australien, hat die Entwicklung des Brückenbaus in Holz-Verbundbauweise in den letzten Jahren zugenommen ([1], [2], [3], [4], [5]).
Ein wichtiger Vorteil der Holz-Beton-Verbundbauweise liegt in der konsequenten Ausnutzung der Tragfähigkeiten der einzelnen Querschnitte. Eine reine Stahlbetondecke reißt im Grenzzustand der Tragfähigkeit zu etwa zwei Dritteln des Gesamtquerschnitts auf. Dieser gerissene Beton unterstützt nicht die Tragfähigkeit, sondern ist lediglich dazu da, die Bewehrung in ihrer Lage zu halten. In HBV-Decken wird im Vergleich zu Massivdecken diese gerissene Zugzone und die Zugbewehrung durch Holz ersetzt, wodurch die Höhe der Betonplatte verringert und das Eigengewicht der Decke erheblich reduziert wird.
Die eigentliche technologische Herausforderung in der Holz-Verbundbauweise liegt in der schubfesten Verbindung des Betons mit dem Holz. Hier wurde eine Vielzahl an Verbindungssystemen entwickelt, wovon einige über bauaufsichtliche Zulassungen verfügen und insbesondere für Sanierungen sowie teilweise auch für Neubauvorhaben geeignet sind.
Diese Verbindungssysteme reichen von herkömmlichen Verbindungsmitteln aus dem Holzbau wie beispielsweise Nägel, Nagelplatten oder Schrauben über Formschlussverbindungen wie Kerven oder Nocken bis hin zu speziell entwickelten Sonderbauteilen beispielsweise Schubverbinder oder Flachstahlschlösser.
In der Sanierung von Holzbalkendecken setzen sich HBV-Decken als geeignete Lösung für spezielle Sanierungsaufgaben zunehmend durch. So können mit der HBV-Technologie für bestehende Holzbalkendecken die Tragfähigkeit und Biegesteifigkeit erhöht, aber auch die bauphysikalischen Eigenschaften, wie Schallschutz oder Brandschutz, verbessert werden.
Nachteilig für die Marktgängigkeit des HBV wirken sich die relativ hohen Kosten für die Herstellung der Verbundfuge aus. Ein weiterer Nachteil der meisten bisher entwickelten Verbindungssysteme liegt darin, dass die montierten Verbindungsmittel wie Nägel, Schrauben oder Stahlbleche vor dem Betonieren wenig robust sind und bei normalem Betrieb auf Baustellen leicht beschädigt werden können.
HBV-Bauweise im Neubau
Im Neubau stellen HBV-Decken mit den auf dem Markt befindlichen Verbindungssystemen kaum eine Alternative zur Massivbauweise dar, was vor allem auf die wirtschaftlichen Nachteile zurückzuführen ist.
Die vergleichsweise hohen Kosten entstehen durch die aufwändige Herstellung der Verbundfuge mit zeitintensiver Montage der Verbindungsmittel und den damit verbundenen hohen Personalkosten.
Den wirtschaftlichen Nachteilen stehen allerdings einige wichtige Vorzüge gegenüber. Wie zuvor dargestellt, kann die Betonplatte der HBV-Decke im Gegensatz zur reinen Stahlbetondecke besonders schlank ausgeführt werden. Das daraus resultierende geringe Gewicht des Betons, verbunden mit dem geringen Eigengewicht des Holzes, macht Holz-Beton-Verbunddecken im Gegensatz zu Decken in der Massivbauweise leichter, wodurch auch eine Anwendung in der Leichtbauweise im allgemeinen Hochbau möglich ist. Im Vergleich zu konventionellen Holzbalkendecken werden bei geringerer Bauhöhe größere Biegesteifigkeiten erzielt.
Außerdem hat die Wahl der Konstruktionswerkstoffe einen entscheidenden Einfluss auf die im Bauwesen eine immer größere Rolle spielende Nachhaltigkeit. In der nachhaltigen Bauweise wird die Nutzung erneuerbarer Ressourcen angestrebt und diese sollten nur in dem Maße genutzt werden, wie sich der Bestand auf natürliche Weise regenerieren kann. Holz ist derzeit der einzige natürliche und nachhaltige Werkstoff, der im europäischen Bauwesen in Größenordnungen eingesetzt wird. Holz steht als nachwachsender Rohstoff in ausreichenden Mengen zur Verfügung und wird nahezu CO₂-neutral erzeugt. Darüber hinaus ist Holz ohne großen Aufwand zu verarbeiten, lässt sich gut bearbeiten und ist bei fachgerechter Ausführung ein dauerhafter Konstruktionswerkstoff.
Trotz der o. g. Vorteile der Holz-Beton-Verbundbauweise können sich im Neubaubereich nur wirtschaftlich konkurrenzfähige Systeme durchsetzen.
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Formschlussverbindung, welche hauptsächlich beim Neubau von Deckensystemen zum Einsatz kommen soll und durch die Kombination von sparsamer und sinnvoller Verwendung von Materialien mit Elementen der industriellen Vorfertigung eine wirtschaftlich attraktive Alternative zu den vorhandenen Verbindungen darstellt.
Beschreibung des vorliegenden Systems
Das vorliegende System (siehe Anlage, 1) ist ein Doppel-T-Querschnitt aus Stahlbetonplatte als Obergurt (4), Holzbalken als Steg (1) und einer Holzwerkstoffplatte als Untergurt (5). Der statisch-konstruktive Vorteil eines Biegeträgers mit Doppel-T-Querschnitt gegenüber einem mit Rechteckquerschnitt liegt in der sinnvolleren Ausnutzung der Tragfähigkeitspotentiale der Querschnittsteile.
Ober- und der Untergurt werden auf unterschiedliche Weise an den Steg angeschlossen. Der Untergurt, im vorliegenden Fall eine Holzwerkstoffplatte, beispielsweise eine OSB-Platte, wird durch stiftförmige Verbindungsmittel oder eine Klebeverbindung am Steg befestigt.
Als Lösung für die Gestaltung der Verbundfuge zwischen Obergurt und Steg werden an die Außenseiten der Holzbalken Holzlaschen (2) in regelmäßigen Abständen in Spannrichtung mit stiftförmigen Verbindungsmitteln (3) angebracht. Die Holzlaschen enden auf Seite des Untergurtes bündig mit dem Holzbalken und überragen betonseitig den Steg um maximal die Höhe des bewehrten Betonspiegels (4). Der Beton umschließt mit der Betonage die den Holzbalken überragenden Holzlaschen, wodurch der Formschluss entsteht.
Im Zwischenraum (6) zwischen Stahlbetonplatte (4) und Holzwerkstoffplatte (5) besteht Raum zur Leitungsführung von Haustechnik. Dieser wird mit geeignetem Dämmmaterial, z. B. Schüttung oder Mineralwolle, ausgefüllt.
Anwendung des vorliegenden Systems
Das System wird als Halbfertigteil auf die Baustelle geliefert, das heißt, die Laschen und der Untergurt werden bereits werkseitig an den Steg angeschlossen, was eine effektive Montage ermöglicht. Demzufolge entfällt das kostspielige Einbringen der Verbindungsmittel auf der Baustelle. Die dargestellte Verbindung ist äußerst robust, so dass beispielsweise die Holzlaschen vor der Betonage nicht durch Tritte beschädigt werden können.
Das Halbfertigteil als Platte (5) mit Überzug (1) ist für übliche Spannweiten des Hochbaus ohne Unterstützung ausreichend tragfähig für den Montagezustand. Nach dem Verlegen des Systems als Halbfertigteil erfolgt die Leitungsführung der Haustechnik und das Einbringen eines geeigneten Dämmmaterials im Zwischenraum (6). Anschließend wird die konstruktive Bewehrung verlegt und es erfolgt der Betoniervorgang, wobei die den Holzbalken überragenden Holzlaschen vom Beton umschlossen werden. Während des Betoniervorgangs ist eine zeitweilige Unterstützung des Systems erforderlich.
Tragverhalten des vorliegenden Systems
Das System wirkt als Verbundbauteil aus nachgiebig miteinander verbundenen Querschnittsteilen. Die Schnittgrößen werden von Kräftepaaren in den einzelnen Querschnittsteilen und von den Kräftepaaren des Gesamtquerschnitts aufgenommen.
Die Übertragung der Längsschubkraft zwischen Steg und Obergurt funktioniert einerseits über den Formschluss und die damit verbundene Teilflächenpressung zwischen Holzlaschen und Beton und andererseits über den Lasteintrag in den Steg über die Kräfte in den stiftförmigen Verbindungsmitteln der Laschen.
Der Längsschub in der Fuge zwischen Steg und Untergurt wird über stiftförmige Verbindungsmittel oder eine Klebeverbindung aufgenommen.
Die Querverteilung der Flächenlasten erfolgt über die konstruktiv bewehrte Betonplatte.
Bemessung des vorliegenden Systems
Die Dimensionierung der Bauteile erfolgt nach den Anforderungen an die Tragfähigkeit (z. B. Spannweite), nach den Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit (z. B. Schwingungsverhalten) und nach den bauphysikalischen Anforderungen wie Schallschutz und Brandschutz.
Die Bemessung hierzu erfolgt nach DIN 1045-1:2001-07 (Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton) und DIN 1052:2004-08 (Holzbauwerke), insbesondere Abschnitt 8.6.2: „Verbundbauteile aus nachgiebig miteinander verbundenen Querschnittsteilen".

1: Steg (Holzbalken)
2: Laschen (Holzbretter)
3: stiftförmige Verbindungsmittel
4: Obergurt (Stahlbetonplatte)
5: Untergurt (Holzwerkstoffplatte)
6: Zwischenraum (gefüllt mit Dämmmaterial)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN 1045-1:2001-07 [0026]
- DIN 1052:2004-08 [0026]

Claims

Alle Verbindungssysteme zur Schubkraftübertragung im Holz-Beton-Verbund, die im Bauwesen der Konstruktion von Biegeträgern aus zusammengesetzten Querschnitten aus Holz und einem mineralischen Baustoff in der Verbundbauweise dienen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – das System bildet eine Doppel-T-Querschnitt aus einem hölzernen Steg und einem Obergurt in Form einer bewehrten Betonplatte, in Kombination mit einem Untergurt in Form einer Holzwerkstoffplatte, – die nachgiebige Verbundfuge zwischen Steg und Obergurt wird so ausgeführt, dass in regelmäßigen Abständen Holzlaschen mit stiftförmigen Verbindungsmitteln angeschlossen werden, – die Holzlaschen schließen bündig mit dem Untergurt und überragen den Steg betonseitig um maximal die Höhe des Obergurtes – die Holzlaschen gehen mit dem Beton eine Formschlussverbindung ein.
Verbindungssysteme nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die nachgiebige Verbundfuge zwischen Steg und Obergurt wird so ausgeführt, dass in regelmäßigen Abständen Holzlaschen mit stiftförmigen Verbindungsmitteln angeschlossen werden, – die Holzlaschen schließen bündig mit dem Untergurt und überragen den Steg betonseitig um maximal die Höhe des Obergurtes – die Holzlaschen gehen mit dem Beton eine Formschlussverbindung ein.