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Die
Erfindung betrifft einen Fachwerkträger einschließlich
eines unterspannten Trägers nach dem Oberbegriff des Anspruches
1 sowie ein zugehöriges Verfahren zur Herstellung eines
derartigen Fachwerkträgers nach dem Oberbegriff des Anspruches
18.
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Knotenverbindungen
von Fachwerken stellen insbesondere im Holzbau ein Problem dar,
da die Kräfte der am Knoten angreifenden Stäbe über
entsprechende Verbindungselemente und Verbindungsmittel umgelenkt
werden müssen. Die Realisierung dieser Verbindungen, insbesondere
die Anbindung zugbeanspruchter Stäbe, ist aufgrund der
starken Anisotropie und den teils ineffizienten Verbindungstechniken
schwierig und mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden.
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Nach
dem Stand der Technik sind Stab-Dübel-Verbindungen mit
einem oder mehreren ins Holz eingeschlitzten Stahlblechen bekannt.
Auf Grund der einzuhaltenden Verbindungs mittelabstände
sowie der effektiv wirkenden Anzahl von Verbindungsmitteln ergeben
sich häufig sehr massive Anschlussbereiche. Hinzu kommt
es zur Beanspruchung des Holzes senkrecht oder im Winkel zur Faser
infolge der in verschiedene Richtungen wirkenden Dübelkräfte. Die
Folge sind Verbindungen mit mäßiger Traglast und
Steifigkeit und möglichen spröden Versagensformen.
Ein weiteres Problem der Verbindungen besteht darin, dass alle metallischen
Teile auf Grund möglicher Brandschutzforderungen besonders
geschützt werden müssen. Hinzu kommt die aufwändige
Fertigung der Anschlüsse und die Kosten für die vorzubohrenden
Knotenbleche.
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Ähnliches
gilt für Dübel besonderer Bauart (wie z. B. Einlass-
oder Einpressdübel), die insbesondere massive Stäbe
und Anschlussbereiche erfordern. Bei diesen Lösungen werden
die Gurte häufig zweiteilig ausgeführt, um die
Dübel in die Scherfugen einlegen zu können.
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Sogenannte
Zimmermannsverbindungen genügen meist nicht den Ansprüchen
in Bezug auf Traglast, da die Kräfte der Druckstreben im
Winkel zur Faser der Gurte abgesetzt werden. Dies führt
zu deutlich niedrigeren Traglasten bzw. zu einer Minderung des Wirkungsgrades.
Problematisch ist jedoch die Passgenauigkeit dieses Verbindungstyps,
so dass stets mit relativ großen Tragwerksverformungen zu
rechnen ist.
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Bekannt
sind auch Lösungen von Stabwerken mit primär auf
Druck beanspruchten Stäben. Dabei werden beispielsweise
die Stäbe auf herkömmliche Weise über
Stabdübel und räumliche Knotenbleche miteinander
verbunden und die Bereiche zwischen den Stirnseiten der Stabenden
inklusive Knoten bleche und zusätzlicher Rissbewehrung mit
Vergussmörtel ausgegossen. Diese leistungsfähigen Anschlüsse
für Stabwerke erfordern das Einschalen der Knotenbereiche.
Der Beton schützt den Stahl gegen Korrosion und füllt
trotz schwieriger Geometrie den Zwischenraum zwischen den Holzstabenden
absolut formschlüssig aus.
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Im
Holz-Beton-Verbundbau werden zur Schubkraftübertragung
zwischen der Betonplatte und den Biegeträgern aus Holz
häufig schräg ins Holz eingedrehte Schrauben (vorzugsweise
im Winkel von 45°) verwendet. Bekannt sind auch Lösungen mit
gegossenen Betonnocken inklusive Stahlbewehrung.
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So
ist beispielsweise ein verbindender Körper für
den Holzbau aus der
DE
36 34 039 A1 bekannt geworden. Zur Kraftübertragung
von einem Holzbalken beispielsweise auf ein metallisches Bauteil
wird eine Axialbohrung von der Stirnseite des Holzbalkens in den
Holzbalken eingetrieben und darin ein Kraftübertragungselement
eingeschoben, welches axial beabstandete Abschlussplatten aufweist, zwischen
denen Kraftübertragungsstäbe verlaufen. Ferner
werden quer zur Axialrichtung des Holzbalkens Stahldübel
eingetrieben, die den Raum auch zwischen den Kraftübertragungsstäben
durchdringen. Anschließend wird der gesamte Raum mit einem
Vergussmittel ausgegossen. Eine Knotenverbindung selbst ist hieraus
nicht zu entnehmen.
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Ein
Vorschlag für eine Verbindung lastführender Holz-
und Metallelemente ist beispielsweise auch aus der
DE 102 15 795 A1 bekannt
geworden. Die Holz- und Metallteile werden dabei miteinander in einem Überlappungsbereich
mittels Kleber vergossen und zwar an einander eng benachbart ge genüberliegenden
und parallel zu einer Hauptlastrichtung sich erstreckenden Holz-
und Metallflächen.
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Eine
Knotenverbindung ist beispielsweise aus der
EP 1 002 164 B1 zu entnehmen.
Es wird hier vorgeschlagen, einen Gewindestab in eine Axialbohrung über
die Stirnseite eines Holzbalkens einzudrehen und mit einer zusätzlich
vorgesehenen Fixiereinrichtung zu sichern, wobei das Gewindeglied
mit einem Kleber in der Bohrung zusätzlich befestigt ist. Das
am Rohrglied über dem Holzbalken axial überstehende
Verbindungselement besteht aus Metall und kann beispielsweise an
einem sichtbaren kugelförmigen Kernanschlussstück
angeschlossen werden, um hier zentral die Kräfte an dem
so gebildeten Knotenpunkt zu übertragen.
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Gemäß der
DE 20 2008 004 380
U1 wird vorgeschlagen, an einem Knotenpunkt einen Metallkasten
zu verwenden, der Öffnungen aufweist, an denen die zu verbindenden
Zapfenenden eingeschoben werden können. Zusätzlich
sind in dem kastenförmigen Gehäuse Spann- und
Fixierelemente vorgesehen, um die Enden zu verklemmen. Schließlich
wird über eine separate in dem kastenförmigen
Gehäuse vorgesehenen Öffnung Vergussmaterial eingegossen,
um den verbleibenden Freiraum zu vergießen.
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Auch
gemäß der
DE
25 05 049 A1 wird eine vergleichbare Konstruktion vorgeschlagen,
bei welcher ein metallisches Gehäuse verwendet wird, in welchem
Bohrungen eingebracht sind, um hier die Enden der zu verbindenden
Holzbohrteile (Pfosten) einzuführen. Schließlich
wird der verbleibende Freiraum in dem metallischen Gehäuse
mittels einer aushärtbaren Vergussmasse ausgegossen.
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Schließlich
wird auch noch auf die Vorveröffentlichung
DD 55 868 verwiesen, die ebenfalls eine Knotenverbindung
für Rohrstabanschlüsse zeigt. Hier wird eine aus
gegossenem oder gepresstem, vorzugsweise nicht metallischem Material
bestehende schalen- oder kugelförmige Knotenverbindung vorgeschlagen,
in die Hülsenteile eingeschraubt oder eingepresst werden.
Dort können dann Rohrstäbe direkt oder Gewindebolzen
an die kugelförmige Knotenverbindung angeschlossen werden.
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Vorstehend
genannte Konstruktionen weisen aber allesamt eine Reihe von Nachteilen
auf.
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Demgegenüber
ist es Aufgabe der Erfindung, eine leistungsfähigere Verbindung
für Fachwerkträger und unterspannter Träger
aus Vollholz, Furnierschichtholz oder Brettschichtholz oder dergleichen
auf Basis von gegossenen Druckknoten zu schaffen, die auch in wirtschaftlicher
Hinsicht kostengünstig realisierbar sind. Dabei soll die
erfindungsgemäße Lösung vorzugsweise
auch Varianten umfassen, bei denen die entsprechenden Einzelelemente herstellerseitig
komplett vorgefertigt sein können, um diese vorgefertigten
Einzelteile dann auf einer Baustelle zu Fachwerkträgern
zusammenzufügen und anschließend durch den Verguss
der Knoten zu fixieren, um letztlich den Transport zu erleichtern
und die Baukosten zu verringern.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich
der Knotenverbindung entsprechend den im Anspruch 1 und bezüglich
des Herstellverfahrens entsprechend den im Anspruch 18 angegebenen
Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass in die Gurte
der Fachwerkträger Ausnehmungen eingearbeitet werden, in
die die anzuschließenden Zug- und Druckstäbe eingreifen,
wobei diese Ausnehmungen anschließend mit Vergussmörtel
ausgegossen werden. Nach dem Aushärten des Vergussmaterials
ist der Vergussknoten in der Lage, die Kräfte des anzuschließenden
Druckstabes sowie des Gurtes über Kontaktflächenpressung
zu übertragen, wobei die Kräfte der anzuschließenden Zugglieder über
Ankerelemente rückverankert werden und somit ebenfalls
Druckkräfte in den Knoten eingeleitet werden, so dass dieser
in einen mehraxialen Druckspannungszustand gesetzt wird und sich am
Fachwerkknoten ein Kräftegleichgewicht einstellt.
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Die
Wirkungsweise des vorgestellten Systems beruht vorzugsweise auf
der Annahme, dass die von der Druckstrebe eingeleitete Normalkraft
faserparallel auf den gegossenen Knoten abgesetzt wird. Diese Kraft
wird vom Ankerelement des Zugstabes so umgelenkt, dass die resultierende
Kraft faserparallel über Kontaktflächenpressung
in den Gurt eingeleitet wird.
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Im
Rahmen der Erfindung können verschiedene Materialen und
Verbindungstypen angewendet werden. Dabei kommen auch unterschiedliche
Anordnungen in Betracht. Dabei wird angemerkt, dass der Werkstoff
Holz aufgrund seiner Anisotropie nur bei faserparalleler Beanspruchung
in der Lage ist, entsprechend hohe Zug- und Druckkräfte
zu übertragen. Stahl eignet sich insbesondere zur Übertragung von
Zugkräften. Beton bzw. Vergussmörtel weist im Wesentlichen
nur unter Druckbeanspruchung hervorragende Festigkeitseigenschaften
auf. Die Kombination der Verbindungstypen: klassischer Stirnversatz, gegossene
Betonnocken und Verankerung von Zuggliedern aus Stahl im Beton resultiert
in einem Knotensystem für Fachwerkträger aus Holz
mit hoher Traglast, Steifigkeit und Passgenauigkeit.
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Durch
den material- und beanspruchungsgerechten Einsatz der Werkstoffe
entsteht eine Knotenverbindung mit hohem Wirkungsgrad, sehr guter Ästhetik
und hohem Brandwiderstand bei gleichzeitiger Minimierung des Stahlanteils
in der Verbindung. Die hohe Traglast der Verbindung wird auf Grund
der faserparallelen Druckbeanspruchung der Stäbe erzielt. Die
hohe Steifigkeit der Verbindung ist Folge des passgenauen Formschlusses
der Stabelemente und des Vergussknotens.
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Das
Verbindungskonzept ist auf verschiedenen Ebenen oder räumlichen
Fachwerksystemen (Parallelfachwerk, Fachwerk mit angehobener Traufe)
mit Druck- und Zugdiagonalen als auch für unterspannte
Träger anwendbar. Im Fall eines parallelgurtigen Fachwerks
mit geneigten Druckdiagonalen sind die Zugstäbe vorzugsweise
im Winkel von 90° zum Gurt angeordnet. Umgekehrt gilt dies
für Fachwerke und unterspannte Träger mit geneigten
Zugdiagonalen. In diesen Fällen sind die Druckstäbe
vorzugsweise im Winkel von 90° zum Gurt angeordnet. Die
in die Gurte eingreifenden Zapfen der vertikalen Druckstreben sind
bevorzugt schräg angeschnitten, so dass sich beim Verguss
der Knoten keine Lufteinschlüsse bilden. Der Neigungswinkel
der Diagonalen liegt je nach statischen Erfordernissen bzw. gegebenen Randbedingungen
i. d. R. zwischen 30° und 60°.
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Die
Druckstreben werden von der Ausnehmung im Gurt seitlich geführt
und mittels zusätzlicher Verbindungsmittel in ihrer Lage
gesichert. Die Enden der Druckstreben können verjüngt
sein, so dass nur die schmalen Zapfen in den Gurt eingreifen. Im
Falle einer möglichen Lastumkehrung, d. h. bei Zugbeanspruchung,
sind zusätzlich stirnseitig eingeleimte Gewindestangen
(ähnlich einem Zugstab) oder aber schräg eingedrehte
Schrauben zu verwenden.
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Die
Zug- und Druckstäbe können aus unterschiedlichsten
Materialien bestehen und unterschiedlichsten Formen aufweisen. Auch
die Ankerelemente können unterschiedlich bezüglich
ihrer geometrischen Größe und Formgebung, ihrer
maximalen Zugkraft-Aufnahme etc. gestaltet sein.
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Auch
die erwähnten auszugießenden Ausnehmungen im Gurt
könnten unterschiedlich gestaltet sein, beispielsweise
zylindrisch, quaderförmig etc.
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Zur
Lagesicherung der Vergussknoten können ebenfalls unterschiedliche
Maßnahmen ergriffen werden, beispielsweise schräg
ins Holz eingedrehte Schrauben. Ebenso können die Seitenflächen
der Ausnehmungen mit Profilierungen versehen sein. Grundsätzliche
Ein- oder Beschränkungen gibt es auch hier nicht.
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Als
Vergussmassen kommen im Rahmen der Erfindung ebenfalls unterschiedlichste
Materialien in Betracht. Bevorzugt werden besonders hochwertige,
schwindfreie Vergussbetone, zementgebundene Vergussmörtel
oder Kunstharzvergussmörtel verwendet.
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Die
Besonderheit der Erfindung besteht also in der kraft gerechten Anordnung
von Verbindungselementen eines Fachwerkknotens. Gemäß der
Erfindung ist es dabei möglich, Zugstäbe rückverankert und
Druckstäbe des Fachwerksschubsteif an dessen Gurte anzubinden.
Dafür werden in die Gurte die erwähnten Ausnehmungen
eingebracht, in die die anzubindenden Streben eingeschoben werden.
Der verbleibende Hohlraum der Ausnehmung wird im Anschluss mit Vergussmörtel
ausgegossen. Dieser Vergussmörtel härtet zu einem
druckfesten Knotenelement aus. Die Kräfte der Druckstreben
und Gurte werden dabei über Kontaktflächenpressung
in die Vergussknoten übertragen. Ferner werden die Kräfte der
Zugstäbe über Zuganker aus Stahl (die den Vergussknoten
durchdringen) mit an den Enden der Zugstäbe befestigten
Ankerelementen auf den Vergussknoten übertragen. Die Zugkräfte
werden also über die rückwärtig, an den
Zugstäben vorgesehenen Anker in den Knoten eingeleitet,
ohne dabei mit einem weiteren Stahlteil verbunden zu werden. Infolge
des Kräftegleichgewichtes stellt sich ein stabiler mehraxialer
Druckspannungszustand im Knoten ein. Das Einschalen der Knoten entfällt,
da der Vergussmörtel in vorbereitete Ausnehmungen im Gurt
eingebracht wird.
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Die
Fertigung der Fachwerkträger erfolgt je nach Trägergeometrie
im Werk oder auf der Baustelle. Die vorgefertigten Einzelelemente
werden zu einem Fachwerkträger liegend oder auch stehend
zusammengesetzt bzw. montiert. Danach werden zuerst die Ausnehmungen
des Ober- oder aber des Untergurtes mit Vergussmörtel ausgegossen.
Nach dem Aushärten des Vergusses wird der Träger
gedreht, so dass der andere Gurt vergossen werden kann.
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Die
Vorteile der beschriebenen Erfindung liegen vor allem in der Erzielung
einer hohen Festigkeit bzw. Traglast der Anschlüsse. Der
hohe Wirkungsgrad wird dadurch erzielt, dass bei Verwendung von Holz,
die Spannungen ins Holz nur faserparallel eingeleitet werden. Aufgrund
des Vergusses des Knotens mit schwindfreiem Vergussmörtel
entsteht eine formschlüssige, schlupffreie Verbindung von
sehr hoher Passgenauigkeit. Dies hat zur Folge, dass die Verbindung
eine sehr hohe Steifigkeit aufweist, die zu minimalen Verformungen
bzw. Durchbiegung des Fachwerks führen. Die Verbindung
ist einfach und schnell zu fertigen, da bis auf das Einbringen der Ausnehmungen
in den Gurten nur wenige Vorarbeiten notwendig sind.
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Wenn
Zugstäbe mit ins Holz eingeleimten Gewindestangen verwendet
werden, sind zudem keine metallischen Verbindungsmittel zu erkennen. Auch
die Fugen sind kaum sichtbar. Diese Knotenlösung zeichnet
sich durch die sehr gute Ästhetik sowie einen hohen Brandwiderstand
aus. Alle metallischen Teile der Verankerung sind durch den Vergussmörtel und/oder
das Holz gegen Korrosion geschützt.
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Eine
Vordimensionierung bzw. Optimierung des Tragwerks ist einfach möglich,
da nur einfache Bemessungsansätze genügen. Das
Fachwerk bzw. dessen Knoten sollte auf Druckversagen der Streben bemessen
werden, um ein duktiles Versagen der Konstruktion zu ermöglichen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher
erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:
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1:
in schematischer auszugsweiser Seitendarstellung ein Fachwerk mit
geneigten Druckdiagonalen und vertikalen Zugstreben;
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2:
eine schematische auszugsweise Darstellung eines unterspannten Trägers
mit geneigten Zugdiagonalen und vertikalen Druckstreben;
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3a:
eine Seitendarstellung teilweise im Schnitt bezüglich eines
Fachwerkknotens mit geneigt verlaufender Druckdiagonale und vertikaler
Zugstrebe unter Verwendung einer Gewindestange;
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3b:
einen Grundriss auf das Ausführungsbeispiel gemäß 3a;
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4:
eine zu 3 ähnliche Darstellung
eines leicht abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Fachwerkknotens
unter Verwendung einer vertikalen Zugstrebe aus Holz mit einer eingeleimten
Gewindestange;
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5:
ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbeispiel ähnlich
zu 3a und 4 bezüglich eines Fachwerkknotens
(teilweise im Schnitt) mit einer geneigten Druckdiagonale inklusive
einer Schraube zur Lagesicherung des Vergussknotens sowie einer
zusätzlichen in die Druckdiagonale eingedrehten Gewindestange
zur Lagesicherung der Druckstrebe;
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6a:
ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel in Seitendarstellung,
teilweise im Schnitt, bezüglich eines Fachwerkknotens mit
geneigter Zugdiagonale mit einer Schraube zur Lagesicherung des
Vergussknotens;
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6b:
einen Grundriss auf das Ausführungsbeispiel nach 6a;
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7a:
ein zu 6a und 6b abgewandeltes
Ausführungsbeispiel in schematischer teilweise geschnittener
Seitendarstellung bezüglich eines Vergussknotens, der sich über
die gesamte Gurthöhe erstreckt, und zwar mittels einer
oder mehrerer Schrauben zur Lagesicherung des Knotens und mit zumindest
einer oder mehrerer Schrauben zur Lagesicherung der vertikalen Druckstrebe;
und
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7b:
einen Grundriss auf das Ausführungsbeispiel gemäß 7a.
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Nachfolgend
wird anhand von 1 und 2 auf Grundbeispiele
eingegangen, bei welchen eine erfindungsgemäße
Knotenverbindung realisiert werden kann.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist
schematisch ein Fachwerk 1 dargestellt, welches unter anderem
einen Obergurt 3 und einen im Abstand dazu tiefer liegend
angeordneten Untergurt 5 umfasst. Ober- und Untergurt 3, 5 sind
in der Regel parallel zueinander angeordnet.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ober- und der Untergurt 3, 5 über
diagonal verlaufende, also beispielsweise in einem Winkel von 20° bis
70° und vorzugsweise 30° bis 50°, im
gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Winkel α um
knapp 40° gegenüber der in horizontaler Ebene
verlaufenden Druckstreben 7, angeordnet, wobei in einem
jeweiligen Druckknoten 9, also an den Verankerungs- und Abstützstellen
der Druckstrebe 7 an dem Ober- bzw. Untergurt 3, 5 zusätzlich
noch vertikal verlaufende Zugstreben 11 in dem gleichen
Druckknoten 5 verankert sind.
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Bei
der Variante gemäß 2 ist ein
unterspannter Träger 1, d. h. eine unterspannte
Tragkonstruktion 1' gezeigt, und zwar ebenfalls wieder
mit einem Obergurt 3 und einem im Abstand dazu darunter befindlichen
Untergurt 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind
nunmehr die Druckstreben 7 vertikal verlaufend ausgerichtet,
also senkrecht zum Ober- bzw. Untergurt 3, 5,
wohingegen die Zugstreben 11 in dem erwähnten
Winkel α schräg zur Horizontalebene verlaufend
vorgesehen sind, d. h. in einem Winkel α zum Ober- bzw.
Untergurt.
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Die
in 1 quer, d. h. senkrecht zum Ober- und Untergurt,
verlaufende Zugstrebe 11, die bei der Variante gemäß 5 im
Winkel α dazu ausgerichtet verläuft, kann beispielsweise
aus einer Gewindestange, einem Rundstahl, Flachstahl, aus Holz mit
eingeleimter Gewindestange etc. bestehen.
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Die
in 1 und 2 erwähnte Druckstrebe 7 (im
gezeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise aus Holz) kann
aus einem Kant- oder Rundholz gebildet sein.
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Nachfolgend
wird auf die weiteren Figuren eingegangen, um die Ausbildung der
erfindungsgemäßen Druckknotenverbindungen in Größe
und Detail zu erläutern.
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Anhand
von 3a ist in Seitenansicht teilweise im Schnitt ein
Obergurt 3 mit einem Druckknoten 9 gezeigt, der
nachfolgend in diesem Ausführungsbeispiel teilweise auch
als Fachwerk- und/oder Vergussknoten 9 bezeichnet wird.
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Dieses
Ausführungsbeispiel entspricht vom Grundsatz her jener
Darstellung nach 1.
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Wie
bereits erwähnt, besteht die Zugstrebe 11 entweder
aus einem durchlaufenden Rundstahl oder einer Gewindestange, die
auch mit Spannschlössern zum Nachspannen der Strebe versehen sein
kann. Möglich sind aber auch Zugstreben aus Holz mit an
den Stabenden angeleimten Gewindestangen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
nach 3a und 3b wird
als Zugstrebe 11 eine Gewindestange 11a verwendet,
die im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zum Obergurt 3 verläuft. Am
oben liegenden Ende ist auf der Gewindestange mittels Verbindungsmitteln 15,
im gezeigten Ausführungsbeispiel in Form von Muttern 15',
ein beispielsweise scheibenförmiges Ankerelement 17 gesichert, indem
dieses Ankerelement 17 mit seiner in dem Ankerelement eingebrachten
Bohrung auf den Gewindestab 11a aufgeschoben und beidseits
durch jeweils eine der erwähnten Muttern 15' im
Endbereich des Gewindestabes festgehalten und gesichert ist. Diese
Ankerelemente 17 können beispielsweise aus runden
oder rechteckigen, allgemein n-polygonalen oder sonst wie geformten
Ankerplatten oder Ankerwinkeln oder dergleichen bestehen und an
die Gewindestange angeschraubt oder angeschweißt sein etc.
Die Ankerelemente sind notwendig, da die Verankerungslänge
der Zugstrebe aufgrund der begrenzten Knotengeometrie unzureichend
ist.
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Die
Geometrie der Ankerelemente 17 ist abhängig von
der Größe der zu übertragenden Zugkraft sowie
von der Neigung der Zugstrebe relativ zum Gurt. Die Geometrie der
Ankerelemente hat maßgebenden Einfluss auf die Geometrie
der Ausnehmung A im Gurt.
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Aus
den 3a und 3b ist
also zu ersehen, dass in dem betreffenden Gurt, hier in dem betreffenden
Obergurt 3, in das Material des Obergurtes 3 eine
Ausnehmung A eingearbeitet wird, die sowohl zu den beiden gegenüberliegenden
Längsseiten 3a (die im gezeigten Ausführungsbeispiel
horizontal ausgerichtet sind) als auch zur Ober- oder Außenseite 3b verschlossen
ist, Mit anderen Worten ist die Ausnehmung A so geformt, dass sie
eine Einführöffnung E zu der Ausnehmung nur auf
der Unterseite 3c des Obergurtes aufweist.
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Ferner
ist in 3a sowohl für den Obergurt 3 als
auch beispielsweise für die Druckstrebe 7 die
jeweilige Längsrichtung 10 der Holzfasern der
Holzstreben eingezeichnet. Mit anderen Worten ist die jeweilige
Holzstrebe, z. B. der Obergurt, der Untergurt, die Druckstrebe etc.,
mit ihrer Längsrichtung 10 jeweils faserparallel,
das heißt zumindest näherungsweise parallel zu
den Holzfasern 10 ausgerichtet.
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Die
Ausnehmungen A im Ober- wie aber auch im Untergurt (in 3a und 3b ist
jeweils nur der Obergurt gezeigt) können wiederum weitgehend
beliebige Formen aufweisen, also insbesondere zylindrisch, quaderförmig
etc. sein. Die jeweilige Ausnehmung A ist auf der Seite der eingreifenden
Diagonal-Abstützung (also auf der Anschlussseite 3c) mit
einer in das Holz eingearbeitete Abschrägung A1 versehen,
so dass die betreffende Druckstrebe 7 oder bei entsprechend
anderen Konstruktionen (z. B. wie in 2 gezeigt)
die Zugstrebe 11 mit ihrem Ende in die Ausnehmung A eingelegt
werden kann. Die erwähnte Tiefe T der Ausnehmung A kann
je nach Anwendungsfall ein Teil der gesamten Gurthöhe H
oder nur eine Teilhöhe bezüglich der vollen Gurthöhe
betragen.
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Die
Abmessungen der Ausnehmung A richten sich nach den statischen Erfordernissen.
Beispielsweise kann es im Auflagebereich eines Fachwerkträgers
notwendig sein, die Ausnehmung A über die gesamte Gurthöhe
einzubringen. Dies hat den Vorteil, dass die Auflagekräfte
direkt an den Vergussknoten und nicht indirekt über das
Holz in den Knoten eingeleitet werden müssen. Dies hat
zwar eine große Querschnittsschwächung des Gurtes
zur Folge, dessen Normalkraft jedoch im Auflagebereich vergleichsweise
gering ist. Im mittleren Bereich des Trägers mit den hohen
Normalkräften in den Gurten sind die Querschnittsschwächungen
jedoch wesentlich geringer, da die Druckstreben in diesem Bereich
vergleichsweise gering beansprucht werden und deshalb kleinere Querschnitte
aufweisen.
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Wie
sich insbesondere auch aus der Draufsicht gemäß 3b ergibt,
ist die Breite B der Ausnehmung A kleiner als die Breite des Ober-
oder Untergurt, der Druck- oder Zugstreben etc., so dass jeweils
seitlich zu der Ausnehmung A auch ein verbleibender Materialabschnitt
M verbleibt. In optischer Hinsicht ergibt sich dadurch ein Bild
bei Seitenbetrachtung, als ob der Obergurt bzw. der Untergurt völlig
ungeschwächt durchläuft, da die Seitenbegrenzungswände 3a keine
Ausnehmungen aufweisen. Dabei ist die Ausnehmung A bevorzugt so
in den jeweiligen Ober- oder Unter gurt eingearbeitet, dass die Ausnehmung
A symmetrisch zur Gesamtbreite des Ober- oder Untergurtes zu liegen
kommt, beide verbleibenden Seitewandabschnitte M eine in etwa gleiche
Dicke aufweisen.
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Mit
einer entsprechend den 3a und 3b vorbereiteten
Ausnehmung A kann nunmehr der Endbereich 19, d. h. im gezeigten
Ausführungsbeispiel der Zapfen 19 der Druckstrebe 7 mit
seiner Druck-Kontaktfläche 21, im gezeigten Ausführungsbeispiel
also in Form seiner Stirnfläche 19' in die Ausnehmung
A eingefügt werden, und zwar so, dass an der geneigt verlaufenden
Stirnfläche 19' vorbei die senkrecht zum Obergurt 3 verlaufende
Zugstrebe 11 mit ihrer Druck- und Kontaktfläche
im Bodenbereich der Ausnehmung ebenfalls eingelegt werden kann, so
dass das Ankerelement 17 mit seiner Kontaktfläche 17' an
dem Bodenbereich A2 der Ausnehmung A anliegt. Oberhalb des Ankerelementes 17 ist
dazu noch eine geringfügig weitere Ausnehmungserweiterung
in den Obergurt mit einzuarbeiten, um hier Raum zu schaffen, damit
das oben liegende Gewindeende 11b zusammen mit dem dort
vorgesehenen Verbindungsmittel 15 in Form der Mutter 15' in
diesem zusätzlichen im Holz eingearbeiteten Aufnahmeraum
zu liegen kommt.
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Durch
die spezifische Form der Ausnehmung A wird dabei im gezeigten Ausführungsbeispiel parallel
zur Gewindestange 11 verlaufend eine Druck-Kontaktfläche 22 zwischen
dem Gurt und den in die Ausnehmung A zu erstellenden Druck- und/oder
Vergussknoten 9 gebildet.
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In
die so vorbereitete Ausnehmung A und die entsprechend justierte
Druckstrebe 7 sowie Zugstrebe 11 wird dann die
Ausnehmung A mit Vergussmaterial unter Bildung des erwähn ten
Druck- und/oder Vergussknotens 9 ausgegossen. Während
oder vor der Aushärtung oder auch kurz nach dem Ausgießen können
Bewehrungsmittel wie Stahlstäbe, Stahldrahtfasern, Glasfasern
oder und/oder Kohlenstofffasern oder dergleichen in das Vergussmaterial
gegeben werden.
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Als
Vergussmassen werden hochwertige, schwindfreie Vergussbetone, zementgebundene
Vergussmörtel oder Kunstharzvergussmörtel verwendet. Die
Vergussmörtel sind hochfließfähig und
können zusätzlich mit Stahlstäben, Stahldrahtfasern,
Glasfaser, Kohlenstofffasern, o. ä. bewehrt sein. Kunstharzmörtel
haben neben der hohen Festigkeit den Vorteil, dass diese einen guten
Haftverbund mit dem Holz eingehen, schnell und ohne Abgabe von Wasser
aushärten. Zudem sind diese in der Lage, auch Zugspannungen
zu übertragen. Zementgebundene Vergussmörtel sind
durch deren hohen Brandwiderstand und den guten mechanischen Eigenschaften
bei Druckbeanspruchung gekennzeichnet. Aufgrund der Wasserabgabe
während des Abbindeprozesses ist es vorteilhaft, die Holzoberfläche
der auszugießenden Ausnehmung mit einem wasserundurchlässigen
Anstrich zu versehen.
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Die
erwähnte Gewindestange 11 dient also in dem erläuterten
Ausführungsbeispiel gleichzeitig auch als Zuganker 111.
An dem Ankerelement 17 ist dabei eine entsprechende Druck-
und/oder Kontaktfläche 121 gegenüberliegend
zum Boden A2 der Ausnehmung A gebildet, und zwar auf der Seite,
auf der die Ankerplatte mit dem Vergussmaterial des Vergussknotens 9 in
Kontakt steht.
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Die
Ausbildung des Druck- und Gussknotens 9 ist im Bereich
des Untergurtes entsprechend.
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Anhand
von 4 ist nur eine geringfügige Abweichung
gegenüber 3a dergestalt eingezeichnet,
als die Gewindestange 11a nicht durchgängig ist,
sondern die Zugstrebe letztlich aus Holz, beispielsweise einem Holzbalken
besteht, in welche eine Gewindestange 11a zumindest über
eine axiale Teillänge jeweils benachbart zur Ober- wie
aber auch zu dem nicht näher gezeigten Untergurt 3, 5 eingedreht
und eingeleimt ist.
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Anhand
von 5 ist eine weitere Abwandlung gegenüber 3a und 3b dargestellt.
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Aus
der Darstellung gemäß 5 ist zu
ersehen, dass zur Lagesicherung des Druck- und Vergussknotens 9 schräg
im Holz sitzende Formschlusselemente 26 verankert sein
können. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden
schräg ins Holz eingedrehte Schrauben 25, 27 verwendet.
Möglich ist aber ebenso, gleichwirkende oder ähnlich
wirkende Maßnahmen vorzusehen, beispielsweise in die Seitenflächen
im Bereich der Ausnehmung A Profilierungen einzuarbeiten, beispielsweise
zusätzliche Kerven, in welche der Vergussmörtel
mit einfließt und nach dem Aushärten einen formschlüssigen
Verbund mit dem Ober- oder Untergurt bildet.
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Bei
der Variante gemäß 5 sind diese
der Lagesicherung des Druck- oder Vergussknotens 9 dienenden
Formschlusselemente 26, hier in Form der erwähnten
Schrauben 25 gezeigt, die nachfolgend also auch als Sicherungsschrauben 25 bezeichnet
werden. Durch diese Maßnahme wird durch das Aushärten
der Vergussmasse letztlich jedenfalls eine formschlüssige
Verbindung zwischen den Druckknoten 9 und Ober- bzw. Untergurt 3, 5 erzielt. Dazu
ist die erwähnte eine oder die gegebenenfalls pro Ausnehmung
A vor gesehenen mehreren Sicherungsschrauben 25 in das Material
des Obergurtes bzw. des Untergurtes im Bereich der Ausnehmung A so
eingedreht, dass der Formschlussabschnitt hier in Form des Schraubenkopfes
mit einem Teil des Schraubenschaftes noch im Bereich der Ausnehmung
A endet, also beim Ausgießen mit dem Vergussmaterial mit
umgossen wird und dadurch eine feste formschlüssige Verbindung
mit dem Teil des Schraubenkopfes und des Schraubenschaftes eingeht,
der über das Material des Ober- bzw. Untergurtes in den
Ausnehmungsraum A hineinragt.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei das Formschlusselement 26 hier
in Form der Schraube die Druck- und Kontaktfläche 22 durchsetzend
im Obergurt 3 verankert, hier eingedreht, welche in der Ausnehmung
A gegenüber der Druck- und Kontaktfläche 21 liegt,
die an der Stirnfläche 19' des in die Ausnehmung
A eingesetzten Zapfenendes 19 ausgebildet ist. Die erwähnte
Druck- und Kontaktfläche 22 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
senkrecht oder zumindest näherungsweise senkrecht zur Längserstreckungsrichtung
des Obergurtes verlaufend ausgebildet. Diese Ausrichtung kann aber
um beispielsweise bis zu 30°, vorzugsweise weniger als 20° und
insbesondere weniger als 10°, 8°, 6°,
4°, 2° oder weniger als 1° von der Senkrechten
zur axialen Längsrichtung des Obergurtes abweichen (entsprechendes
gilt für die Knotenausbildung im Untergurt).
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Bei
der gezeigten Variante ist auch noch zur Erzielung der Lagesicherung
der Druckdiagonale, d. h. der Druckstrebe 7, eine über
die Stirnseite 21, also über die Druck- und Kontaktfläche 21 der
Druckstrebe 7 in die Ausnehmung A überstehende
Sicherungsschraube 27 (also als weiteres Formschlusselement 26)
eingeschraubt, um auch hier eine formschlüssige Verbindung
zwischen Druck- bzw. Vergussknoten 9 und der Druckstrebe 7 zu
gewährleisten. Anstelle der Schrauben können beispielsweise
auch in die Druck- und/oder Zugstrebe eingeleimte Gewindestangen zur
Lagesicherung verwendet werden, die mit einem Ende in den Aufnahmeraum
A hineinragen. Auch anders geartete, mit den Ober- und Untergurt
bzw. der aus Holz bestehenden Druckstrebe 7 fest eingearbeitete
Formschlusselemente 26 können verwendet werden,
die in den Aufnahmeraum A hineinragen und beim Ausgießen
mit dem Vergussmaterial formschlüssig umschlossen werden.
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Bei
der Variante gemäß 6a und 6b ist
nunmehr eine entsprechende Konstruktion für einen Untergurt 5 dargestellt.
Die Ausnehmung A im Untergurt ist hier kubisch gestaltet, wobei
eine Ankereinrichtung 17 verwendet wird, die im gezeigten Ausführungsbeispiel
zwei senkrecht zueinander liegende Ankerabschnitte 17a und 17b umfasst.
Dies ermöglicht, dass das so gebildete Ankerelement 17 im
Eckbereich zwischen dem Boden A1 und der einen Seitenwand A3 der
Ausnehmung A anliegen kann. Der mittlere Bereich des Ankerelementes,
der von der Gewindestange durchsetzt wird, verläuft im Wesentlichen
senkrecht zur Gewindestange, also senkrecht zur Zugstrebe 11,
so dass die am Gewindestangenende vorgesehene Mutter 15' in
dem Eckbereich der Ausnehmung A zwischen Ausnehmungsboden A2 und
Ausnehmungsseitenwand A3 ausreichend Raum bietet, um hier untergebracht
zu werden.
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Darüber
hinaus ist die Druck- und Kontaktfläche 21 am
stirnseitigen Endbereich 19, also am Zapfen 19 der
Druckstrebe 7 leicht schräg verlaufend ausgebildet,
reicht also auf der der Gewindestange entfernt liegenden Seite tiefer
in die Ausnehmung A als an der der Gewindestange 11 zugewandt
liegenden Seite. Dies verbessert auch den Ausgießvorgang
der Ausnehmung A, da hierdurch sichergestellt werden kann, dass
sich keine Hohlräume in der Ausnehmung A bilden, die durch
das Vergussmaterial nicht ausgegossen werden. Ganz allgemein kann das
Zapfenende 19 gegenüber der Druckstrebe 7 verjüngt
ausgebildet sein, so dass nur das verjüngte Ende in die
Ausnehmung A eingreift. Dies ist beispielsweise auch aus den Grundriss-Darstellungen gemäß 3b,
gemäß 6b und
der nachfolgend noch erörterten Ausführungsform
gemäß 7b zu ersehen.
Denn dort ist der neben der Ausnehmung A, wo die Knotenverbindung 9 gebildet
wird, zu den Seitenflächen 3a des Obergurts oder
zu den Seitenflächen 5a des Untergurts ein verbleibender
Materialabschnitt M gebildet. Das Zapfenende 19 muss auf
die Breite B der Ausnehmung A abgestimmt sein, wobei beispielsweise
die Druckstrebe 7 außerhalb des in die Ausnehmung
A eingreifenden Zapfenendes 19 dann mit größerer
Breite ausgebildet ist, so dass Seitenabschnitte 7' des
Druckknotens 9 auf der Anschlussseite 3c (beim
Obergurt 3) bzw. 5c (beim Untergurt 5)
aufliegt.
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Anhand
der 7a und 7b ist
eine weitere Abwandlung gezeigt, bei der wiederum eine zusätzliche
Sicherungsschraube 27 für die Druckstrebe 7 verwendet
wird, die über deren Stirnseite 19', also deren
Druck- und Kontaktfläche 21 in die Druckstrebe 7 eingedreht
ist.
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Darüber
hinaus ist hier in Seitenansicht ein eher winkelförmiges
Ankerelement 17 verwendet worden, dessen beide Winkelabschnitte 17a, 17b an die
Formgebung des Ausnehmungsboden oder der Ausnehmungsseitenwand A2,
A3 angepasst (im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht
zueinander stehend) und die über eine quer verlaufende
Verbindungsstrebe 17c miteinander verbunden sind. Bei dieser
Variante ist die Ausnehmung A so groß gestaltet, dass sie
den Untergurt von oben nach unten voll durchsetzt. Während
des Ausgießens muss also die Unterseite, also die Öffnung
E1 der Ausnehmung A, die gegenüber zur Einführöffnung
E und damit zur Anschlussseite der Druck- und Zugstrebe 7, 11 liegt, durch
Unterlegung eines Verschalungsbrettes abgeschlossen werden, wenn
der Vergussvorgang in der geschilderten Ausrichtung von oben her,
also gemäß Ausgussrichtung R vorgenommen wird.
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Aus
dem geschilderten Aufbau sowie dem erläuterten Herstellungsvorgang
ist also zu ersehen, dass mit den geschilderten Maßnahmen
eine hohe Kräfte aufnehmende und vergleichsweise einfach herzustellende
Knotenverbindung 9 für Stabanschlüsse
insbesondere für ebene und räumliche Fachwerke 1 sowie
unterspannte Träger 1' aus Holz geschaffen werden
kann. Die Kraftübertragung zwischen Zug- und Druckstreben
sowie den Gurten erfolgt über gegossene Knoten. Dazu werden
in die Gurte Ausnehmungen A eingearbeitet, in die die anzuschließenden
Zug- und Druckstäbe eingreifen. Diese Ausnehmungen A werden
anschließend mit einem Vergussmittel ausgegossen, so dass
der Vergussmörtel zu einem Druckknoten aushärten
kann. Insbesondere durch den Formschluss zwischen den Stabelementen
und den Vergussknoten und insbesondere den dazu vorzugsweise zusätzlich
vorgesehenen formschlüssigen Verbindungen, beispielsweise
unter Verwendung von Sicherungsschrauben, Profilierungen etc. ist
das System in der Lage, die Normalkräfte der zu verbindenden
Stäbe zu übertragen und somit die Gurte nahezu
schubsteif aneinander zu koppeln.
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Die
Zugstäbe bestehen entweder aus durchlaufenden Rundstählen
oder Gewindestangen, die mit Spannschlössern zum Nachspannen
der Stäbe versehen sein können. Möglich
sind auch Zugstäbe aus Holz mit an den Stabenden eingeleimten
Gewindestangen. An den Enden dieser Zuganker sind Ankerelemente
(wie z. B. runde oder recheckige Ankerplatten, Ankerwinkel o. Ä.)
angeschraubt oder angeschweißt. Die Ankerelemente sind
notwendig, da die Verankerungslänge der Zugstäbe
aufgrund der begrenzten Knotengeometrie unzureichend ist.
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Die
Geometrie der Ankerelemente 17 ist abhängig von
der Größe der zu übertragenden Zugkraft sowie
der Neigung der Zugstrebe zum Gurt. Die Geometrie der Ankerelemente
hat maßgebenden Einfluss auf die Geometrie der Ausnehmungen
im Gurt. Um sicherzustellen, dass der Vergussmörtel die
Ankerelemente vollständig umschließt, ist die
Grundfläche A2 der Ausnehmung A stets größer
als die Grundfläche der Ankerelemente 17.
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Die
Ausnehmungen A im Gurt können zylindrisch, quaderförmig
etc. sein und sind auf der Seite der eingreifenden Diagonale so
ausgearbeitet (A1), dass die Diagonalen eingelegt werden können.
An der Gegenseite der Ausnehmung werden die Druckkräfte
der Vergussknotens in den Gurt über die Druck- und/oder
Kontaktfläche 22 eingeleitet. Die Tiefe der Ausnehmung
kann je nach Anwendung ein Teil der Gurthöhe oder aber
die volle Gurthöhe betragen.
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Die
Abmessungen der Ausnehmungen A richten sich nach den statischen
Erfordernissen. Beispielweise kann es im Auflagebreich des Fachwerkträgers
notwendig werden, die Ausnehmung über die gesamte Gurthöhe
einzubringen. Dies hat den Vorteil, dass die Auflagerkräfte
direkt in den Vergussknoten und nicht direkt über das Holz
in den Knoten eingeleitet werden. Dies hat zwar eine große
Querschnittschwächung des Gurtes zur Folge, dessen Normalkraft
ist jedoch im Auflagerbereich vergleichsweise gering. Im mittleren
Bereich des Trägers mit hohen Normalkräften in
den Gurten sind die Querschnittschwächungen jedoch wesentlich
geringer, da die Druckstreben in diesem Bereich vergleichsweise gering
beansprucht werden.
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Zur
Lagesicherung des Vergussknotens können schräg
ins Holz eingedrehte Schrauben verwendet werden und/oder die Seitenflächen
der Ausnehmung können Profilierungen etc., wie z. B. zusätzliche
Kerven aufweisen, in welche der Vergussmörtel einfließt
und nach dem Aushärten einen formschlüssigen Verbund
bildet.
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Aus
dem Geschilderten ergibt sich, dass die Erfindung eine Knotenverbindung
für Stabanschlüsse insbesondere für ebene
und räumliche Fachwerke sowie unterspannte Träger
aus Holz betrifft. Dabei kann die Kraftübertragung zwischen
Zug- und Druckstreben sowie den Gurten über gegossene Knoten erfolgen.
Dazu werden in die Gurte Ausnehmungen eingearbeitet, in die die
anzuschließende Zug- und Druckstäbe eingreifen.
Diese Ausnehmungen werden anschließend mit einem Vergussmörtel
ausgegossen, so dass der Vergussknoten zu einem Druckknoten aushärtet.
Durch den Formschluss zwischen Stabelementen und Vergussknoten ist
dieses System in der Lage, die Normalkräfte der zu verbindenden
Stäbe zu übertragen und somit die Gurte nahezu schubsteif
aneinander zu koppeln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3634039
A1 [0008]
- - DE 10215795 A1 [0009]
- - EP 1002164 B1 [0010]
- - DE 202008004380 U1 [0011]
- - DE 2505049 A1 [0012]
- - DD 55868 [0013]