No abstract

Selbstbohrende Vollgewindeschrauben (VGS) sind moderne Verbindungsmittel des Holzbaus, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit und ihrer günstigen Verbundeigenschaften zunehmend als Verstärkungselemente oder als Verbindungsmittel für Fügungen von Holzbauteilen zum Einsatz kommen. Um die konstruktiven Vorzüge, die vergleichbar mit den Eigenschaften einer Bewehrung im Stahlbetonbau sind, systematisch zu nutzen, wurden Bauteile aus Brettschichtholz mit Schrauben verstärkt, deren Konfiguration u.a. mit Hilfe von Fachwerkmodellen auf den inneren Kräfteverlauf abgestimmt waren.Im Rahmen von Sondierungsversuchen an Serien gleich bewehrter Bauteile wurden die Veränderungen und Verbesserungen des Tragverhaltens der auf diese Weise verstärkten Bauteile untersucht.

Seit 2006 werden am Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen (Trako) Fügungen und Verstärkungen von Holzbauelementen mit als Bewehrung angeordneten selbstbohrenden Vollgewindeschrauben entwickelt. Sehr positive Ergebnisse wurden in Versuchen mit biegesteifen Rahmenecken für positive und negative Biegemomente erzielt, die im Kurzzeitversuch Bruchlasten von über 80 % der reinen Querschnittstragfähigkeit erreichten. Die hohe Tragfähigkeit bedingt dabei eine entsprechend hohe Auslastung sowohl des Holzquerschnitts als auch des Verbundes zwischen Vollgewindeschrauben und Holz. Vor allem zum Kriech‐ und Ermüdungsverhalten des Schraubenverbundes unter Langzeitbelastung und Klimawechseln liegen bisher kaum Forschungsergebnisse vor. Daher wurde in einem eigenen Forschungsprojekt das Tragverhalten der Rahmenecken unter Dauerlast im Außenklima der Nutzungsklasse 2 untersucht. In einem überdachten Versuchsstand wurden Rahmenecken mit zwei hinsichtlich der Tragfähigkeit und Querschnittsauslastung unterschiedlichen Schraubenkonfigurationen über eine Dauer von zwei Jahren belastet. Dabei wurden die zeitabhängigen Verformungen gemessen, um das Kriechverhalten der Verbindung zu beurteilen. Im Anschluss an die Langzeitbelastung wurde die Resttragfähigkeit der Rahmenecken im Bruchversuch ermittelt. Die Größe der Kriechverformung und des Tragfähigkeitsverlustes waren abhängig vom Belastungsniveau und dem Ausnutzungsgrad des Holzquerschnitts. Während bei den hoch ausgelasteten Eckverbindungen eine merkliche Reduktion der Bruchlasten zu beobachten war, erreichten die gering belasteten Ecken nahezu die gleiche Tragfähigkeit wie im Kurzzeitversuch. Self‐tapping screws as connectors and reinforcements – long‐term tests on rigid frame corners in exterior climatic conditions Since 2006 the Chair for Structures and Structural Design at RWTH Aachen University has been developing connections and reinforcements for structural timber elements using fully threaded self‐tapping screws. Rigid frame corners made of glued‐laminated timber which were joined with these screws performed exceptionally well in short‐term load tests reaching more than 80 % of the load bearing capacity of the beam section itself. The high load bearing capacity of the connection implies a high degree of capacity utilisation both for the bond between screws and timber and the timber section. Regarding creep and fatigue of the bond between fully‐treaded screws and timber barely any research has been conducted so far. Thus in the actual research project the structural behaviour of the rigid frame corners was examined under long‐term load in exterior climatic conditions (service class 2). A test rig was set up with two types of rigid frame corners differing in the layout of the screw connection and the load bearing capacity. For a period of two years the corners were monitored under continuous and varying loads. The deformations were measured to evaluate the creep of the screws and the connections. Subsequent to the long‐term loading the residual strength of th...

1 Hintergrund Selbstbohrende Vollgewindeschrauben (VGS) sind durch einfache Verarbeitung sowie hohe und definierte Leistungsfähigkeit gekennzeichnet und haben sich sowohl als Verbindungsmittel als auch als Verstärkungsmittel im Holzbau gegenüber konventionellen genormten Schrauben durchgesetzt. VGS sind über allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen geregelt und werden mittlerweile in Durchmessern bis zu 14 mm und Längen bis 1500 mm angeboten. Mit ihrer Bohrspitze können die Schrauben ohne Vorbohrung ins Holz eingeschraubt werden; jedoch ist bei vielen Fabrikaten auch ein Vorbohren mit dem Kerndurchmesser zulässig. Bedingt durch die anisotrope und inhomogene Materialstruktur von Holz, durch lokale Dichte-und Steifigkeitsunterschiede der Holzschichten oder der miteinander verleimten Holzlamellen, bedingt durch Wuchsunregelmäßigkeiten, durch Äste, Harzgallen (Bild 1) oder auch durch Brettstöße, Entlastungsnuten und Keilzinkverbindungen entstehen beim Einbringen der VGS ohne Vorbohrung schon bei Schraubenlängen bzw. Einbringtiefen von etwa 20 d Abweichungen der Schraubenspitze von der beim Einschrauben vorgegebenen Lage der Schraubenachse. Dieses sogenannte ‚Verlaufen', wie es Holzbauer und Zimmerleute nennen, wird da-Selbstbohrende Vollgewindeschrauben, die ohne Vorbohrung eingeschraubt werden können, haben sich neben ihrer Funktion als Befestigungsmittel im Holzbau auch als leistungsfähige Bauteilverstärkungen und als stabförmige Fügungselemente erwiesen. Für diesen Einsatz sind große Einbaulängen l eff > 20 d und sehr große Längen l > 0,6 m erforderlich, die hinsichtlich eines richtungsgenauen Einbaus Probleme verursachen. Bedingt durch die Inhomogenität des natürlichen Baustoffs Holz tritt schon beim Einschrauben von mittleren Schraubenlängen das sogenannte ‚Verlaufen' der Schrauben, d. h. die Richtungsabweichung der Schraubenspitze von der vorgehaltenen Einschraublage, ein und nimmt mit zunehmender Einschraublänge sogar überproportional zu. Während kurze Einschraublängen im Abbund problemlos mechanisch vorgebohrt werden können, ist bei größeren Einschraublängen eine exakt geradlinige Vorbohrung zur Richtungsführung der Schrauben potenziell nur durch Laserstrahlbohren zu erwarten. Der Energie-und Wärmeeintrag durch die Laserstrahlung führt zu einer thermischen Umwandlung des die Bohrung umgebenden Holzes, die eine Beeinflussung der Tragfähigkeit von darin eingeschraubten Vollgewindeschrauben mit sich bringen kann. An der RWTH Aachen wurden vom Lehrstuhl Tragkonstruktionen (trako) in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Lasertechnik (LLT) Versuche zum Bohren von Brettschichtholz mittels Laserstrahlung sowie zum Trag-und Verbundverhalten von selbstbohrenden Vollgewindeschrauben in auf diese Weise erstellten Bohrungen für kurze Bohr-und Einbindelängen (l = 6 d) durchgeführt. Die Ergebnisse unterstreichen das Entwicklungspotenzial dieses innovativen Holzbearbeitungsverfahrens für die Holzbautechnik.

No abstract