Mit Schrauben fügen und bewehren – Langzeitversuche an biegesteifen Rahmenecken im Außenklima

Abstract

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...

Reinforcement of Timber Structures Versus Climate Impact

“…[17], [18]. There are first experiences available for reinforced beams under varying dynamic climate, [9], [6], [19], [20]. Sjödin [20] confirms an indeed reduced load-bearing capacity of steel-timber dowel joints loaded parallel to the grain under initial drying exposure.…”

“…Likewise, the increasing influence of end-grain moisture transport was not considered. Trautz [6] measured the deformations of self-tapping screws as connectors and reinforcements on rigid frame corners in exterior climatic to evaluate the creep of the screws and the connections. The results for the specimens with a high degree of utilization also show a decrease of load-bearing capacity after an exterior exposure of 2 years.…”

“…The performance of structural timber members can be enhanced by mechanical reinforcements e.g., in the form of bonded in rods, self-drilling fully threaded screws or threaded rods. Reinforcements of connections or timber members become necessary by restricted cross-sectional geometry or if e.g., curved, notched, or members with holes are used, as shown among others in [1], [2], [3], [4], [5], [6].…”

Strengthening of timber structures with glued-in rods

“…The significant impact of crack formation on shear resistance and the desire to prevent the spread of already existing cracks encourages the strengthening of beams. From numerical and experimental studies on shear reinforcement by means of GiR or self-tapping screws [13][14][15][16][17][18] it can be concluded that GiR (and self-tapping screws) set under an angle of 45° with respect to the beam axis provide an efficient mean of increasing the shear strength of beams. Beams strengthened in shear will reach higher load bearing capacities in bending since early shear failures are prevented.…”