Forschungsprojekt "HOLZ-HOLZ-Verbindungen"

Projektlaufzeit 04/2012 - 03/2014

Zahlreiche historische Holzkonstruktionen wurden bereits vor Jahrhunderten errichtet und trotzten Ereignissen wie Stürmen, hohen Schneelasten und Bränden. Am Beispiel der Stadt Graz ist die Bedeutung alter Dachkonstruktionen im historischen Stadtkern zu erkennen, indem die Dachlandschaft zum "UNESCO-Weltkulturerbe" erklärt wurde. Daher ist aus der Sicht des Ingenieurs und des ausführenden Holzbau-Meisters eine Erhaltung und Instandsetzung dieser Dachtragwerke möglichst in ihrer ursprünglichen Ausführung anzustreben.

Da die Bemessung dieser Konstruktionen nicht auf den heute gebräuchlichen baustatischen Methoden beruhten, sondern aufgrund von Erfahrung, Tradition und Mut der Ausführenden errichtet wurden, können diese Tragwerke nicht mit den üblichen neuzeitlichen Berechnungsmodellen abgebildet werden. Im Zuge von Instandsetzungen, aber auch durch Umnutzungen in Form von Dachgeschossausbauten werden statische Nachweise des Dachtragwerkes erforderlich. Weil es sich dabei häufig um hochgradig statisch unbestimmte Systeme handelt, ist die Kenntnis der jeweiligen Verbindungssteifigkeiten für eine aussagekräftige und realitätsnahe Schnittkraftermittlung unumgänglich. Jedoch sind weder in der aktuellen Normung (ÖNORM EN 1995-1-1:2009) noch in der, den Autoren bekannten Literatur Angaben zur Nachweisführung der gebräuchlichen Holz-Holz-Verbindungen im Grenzzustand der Tragfähigkeit bzw. Gebrauchstauglichkeit zu entnehmen.

Das Hauptaugenmerk des Forschungsprojektes richtete sich daher auf die Bestimmung der Kenngrößen und auf Methoden der Nachweisführung der Steifigkeiten und Tragfähigkeiten von historischen Holz-Holz-Verbindungen, wie sie bis heute in bestehenden gut erhaltenen historischen Dachtragwerken anzutreffen sind. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag dabei im Speziellen bei den Weißschwänzen (einseitige Blattverbindung), der Überblattung sowie den Kämmen (Vollkamm, Halbkamm, Mittelkamm und Kreuzkamm).

In einem ersten Schritt wurde eine Grundlagenerhebung zur Thematik durchgeführt. Dabei wurden sämtliche bisherige bekannte Arbeiten, die sich mit historischen Holz-Holz-Verbindungen und Tragwerken auseinandersetzen, zusammengetragen und einer Literaturdatenbank eingegliedert. Diese umfasst mittlerweile mehr als 4700 (!) Quellen und wird auch weiterhin gepflegt werden. Arbeiten, welche sich mit der Beschreibung des Tragverhaltens von historischen Verbindungen beschäftigen, werden in diesem Kapitel zusammengefasst. Des Weiteren wurde als Referenzobjekt das Dachtragwerk der "Alten Universität" durch in-situ Messungen geometrisch erfasst. Die Resultate dienen als Grundlage einer baustatischen Analyse am Referenzobjekt in Kapitel 6. Um Berechnungsmodelle für die Tragfähigkeiten und Steifigkeiten zu bestimmen, wurden die erwähnten Verbindungen auf Basis gängiger Geometrien im Maßstab 1:1 nachgebaut und zerstörenden Prüfungen im Labor unterzogen. Weiter konnten historische Halbkämme aus abgetragenen Dachtragwerken beschafft und geprüft werden. Insgesamt wurden im Rahmen dieses Projektes 129 (!) Prüfkörper hergestellt und im Labor geprüft. Die Erstellung einer geeigneten Prüfkonfiguration und die Durchführung der Prüfungen werden in Kapitel 3 dokumentiert.

Aufbauend auf den gewonnenen Ergebnissen wurde in Kapitel 4 eine Finite Elemente-Modellierung durchgeführt, um die Einflüsse verschiedener Verbindungsgeometrien auf die Steifigkeit und Tragfähigkeit der geprüften Verbindungen zu erfassen.

In Kapitel 5 werden die entwickelten Berechnungsmodelle auf Basis der Ergebnisse zufolge der Prüfungen im Labor und der FE-Berechnungen vorgestellt.

Anschließend wurden in Kapitel 6 die in dieser Arbeit entwickelten Berechnungsmodelle und jene aus der Literaturrecherche in einer baustatischen Analyse am Referenztragwerk angewendet. Dabei wurden mehrere Modelle aufgestellt, um den Einfluss der Steifigkeiten der Verbindungen auf die Schnittkräfte der Tragstruktur bzw. der Bauteile erfassen zu können.

Im Zuge der Projektbearbeitung wurden im Kapitel 7 auch "moderne" CNC-gefertigte Holz-Holz-Verbindungen in Form von Schwalbenschwanzzapfen untersucht. Diese Verbindungen dienen der Fügung von Haupt- mit Nebenträgern. Im Vorfeld wurden zwei möglichen Geometrien der Verbindung zerstörenden Prüfungen im Labor unterzogen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde eine mögliche Optimierung dieser Verbindungen durch eine FE-Berechnung durchgeführt.

Literaturrecherche

Diese lag dank des Forschungsvorhabens "D(N)achhaltigkeit Graz" bereits in umfangreicher Form vor und konnte im Laufe der Projektbearbeitung auf über 4700 Quellen ausgeweitet werden.

Erfassung typischer Verbindungsausbildungen und -geometrien

Hierzu bestand aus dem Forschungsprojekt "D(N)achhaltigkeit Graz" der Zugang zu zahlreichen Dachstühlen in der Altstadt von Graz. Als Referenztragwerk wurde das Dachtragwerk der "Alten Universität Graz" gewählt, da dieses ein in Graz typischerweise angewandtes Dachtragwerk darstellt, sich dieses im hohen Maße noch im Originalzustand befindet und weiter auch eine sehr gute Zugänglichkeit besteht.

Beanspruchungen der Verbindungen

Mit Hilfe einer baustatischen Analyse (unter Zugrundelegung von ersten Annahmen zum mechanischen Verhalten der Verbindungen) wurden die Beanspruchungen auf die ausgewählten Verbindungen bestimmt. Dies ist wichtig, um in den Prüfungen realitätsnahe Beanspruchungsinteraktionen aufbringen zu können. Die Abmessungen und Querschnitte von zehn repräsentativen Dachtragwerken in der Altstadt von Graz waren dank dem Forschungsvorhaben "D(N)achhaltigkeit Graz" bereits vorhanden.

Im Rahmen der FE-Modellbildung wurden die untersuchten Verbindungen als Solid-Elemente unter Zugrundelegung eines nichtlinearen, anisotropen technischen Materialmodells für Holz abgebildet. Ziel der Modellierung war es, die Prüfergebnisse exakt abzubilden. Dies konnte mit den angewandten FE-Analysen grundsätzlich sehr gut realisiert werden. Dabei stellte sich heraus, dass z. B. Reibbeiwerte und eventuell vorhandene Imperfektionen einen sehr großen Einfluss auf die ermittelten Federsteifigkeiten haben. Der Kenntnis dieser Parameter sollte daher bei zukünftigen Prüfdurchführungen besonderer Augenmerk gewidmet werden, denn nur wenn möglichst viele dieser Unbekannten, in richtiger Größenordnung, in der FE-Analyse berücksichtigt werden, liefern diese Berechnungen mit den Prüfergebnissen vergleichbare Ergebnisse.

Aus "neuem" Holz wurden typische Verbindungen im Maßstab 1:1 nachgebaut und im Labor zerstörenden Prüfungen, unter den im Tragwerk zu erwartenden Beanspruchungsinteraktionen, unterzogen. Die Anzahl der Prüfserien war nach den Erfordernissen der statistischen Auswertbarkeit gewählt. Untersucht wurde neben drei verschiedenen Neigungswinkeln auch der Einfluss eines vorhandenen Holznagels auf das Tragverhalten der unterschiedlichen Verbindungen. Zum Vergleich wurden aus abgebrochenen Tragwerken stammende Verbindungen geprüft. Es zeigte sich dabei für die Weißschwanzverbindung, dass durch einen Holznagel eine deutliche Erhöhung der Steifigkeit, jedoch keine Erhöhung der Tragfähigkeit erreicht wird. Weiter konnte der Einfluss des Neigungswinkels auf die Tragfähigkeit der Verbindung nachgewiesen werden. Bei den Kammverbindungen konnte festgestellt werden, dass die Quervorspannkraft einen wesentlichen Einfluss der auf die Steifigkeit besitzt. Eine Erhöhung der Bruchlast konnte hier jedoch nicht festgestellt werden.

Auf Basis der Erkenntnisse der FE-Modelle und Prüfungen im Labor, wurden möglichst einfache, allgemein gültige Bemessungsmodelle für die einzelnen Verbindungen entwickelt. Weiters wurden Angaben zur Bestimmung der Nachgiebigkeiten und Exzentrizitäten der untersuchten Verbindungen gemacht. Die erstellten statischen Analysen historischer Dachstühle wurden mit den Ergebnissen des mechanischen Verhaltens der untersuchten Verbindungen verfeinert und eine statische "Muster"- Analyse für typische Dachstühle (z. B. Kehlbalkendach mit liegendem Stuhl) erstellt.

Dank moderner CNC-Technologie sind selbst aufwendige Verbindungsgeometrien rasch und wirtschaftlich herstellbar. Daher ist eine neuerliche Verwendung im modernen Holzbau möglich. Anhand eines typischen Dachstuhls wurde die mögliche, der modernen Technik angepasste, Anwendung dieser Holz-Holz-Verbindung dargestellt und für einen Hauptträger - Nebenträger Anschluss optimiert.

Einen wesentlichen Teil des Projektes stellt der Transfer der erarbeiteten Erkenntnisse hin zu den Holzbau-Meistern und Ingenieuren dar. Dieser wurde in folgender Form umgesetzt:

• Erarbeitung eines Forschungsberichtes
• Beiträge in anerkannten Fachzeitschriften
• Teilnahme an Konferenzen
• Vortragstätigkeit für Holzbau-Meister
• Tagung am Ende des Forschungsvorhabens