BEMESSUNG UND KONSTRUKTION VON HOLZBAUTEN MIT AMERIKANISCHEN LAUBHÖLZERN
Inhalt Vorwort
3
Einführung
4
Ökologische Vorteile
5
Bemessung von Holzkonstruktionen in Europa
6
Festigkeitssortierung
7
Materialeigenschaften:
8
American white oak
9
American red oak
10
American white ash
11
American tulipwood
12
Bemessungsbeispiele: Bemessung eines Bauteils aus Schnittholz
13
Bemessung eines Bauteils aus Brettschichtholz
14
Bemessung einer Verbindung
15
Portcullis House, London – Fallbeispiel
16
Preisgekrönte Projekte
17
Versuchsprogramm
18
Normen und Literaturnachweis
19
Text: Andrew Lawrence und Peter Ross, Arup. Deutsche technische Bearbeitung und Übersetzung: Univ.-Prof. Dr.-ING. H.J. Blass Entwurf: Thomas Graham, Arup. Titelfoto: Portcullis House, London, UK – © Arup/Peter McKinven. Rückseitenfoto: Haberdashers’ Hall, London, UK – American Hardwood Export Council.
Vorwort Holz ist ein Material, das sich für sichtbar gelassene Konstruktionen besonders gut eignet. Der Grund hierfür liegt in seiner Natur. Diese erlaubt eine besondere architektonische Bauqualität, ist dank der CO2-Speicherung in der Holzmasse und dem geringen Primärenergieaufwand für ein Bauwerk ökologisch, wächst in ausreichender Menge nach und ist damit nachhaltig. Dabei können schwierige räumliche Entwurfsgeometrien heute mit den zur Verfügung stehenden Abbundanlagen präzise in Holz hergestellt werden. Wegen der zunehmenden Bedeutung dieser Holzeigenschaften ist die Veröffentlichung der mechanischen Werte von vier amerikanischen Laubhölzern, nämlich American white oak, American red oak, American ash und American tulipwood, durch das BRE (Building Research Establishment) ein wichtiger Beitrag für - neue ästhetische Qualitäten in der Architektur. - die Nutzung weiterer umweltverträglich gewonnener Bauhölzer (das Volumen des Waldbestandes hat sich in den letzten 50 Jahren verdoppelt!). - den Ingenieur, dem es mit den vorliegenden Werten für zulässige Spannungen als auch charakteristischen Eigenschaften nun möglich ist, diese Harthölzer nach Eurocodes 5, DIN 1052: 2004 und 1988 zu bemessen.
Der Verbrauch von Konstruktionsholz aus Laubholz der gemäßigten Zonen wird sich dadurch erhöhen. Besonders American white oak erfüllt aufgrund ihres Faserverlaufs, der hohen Rohdichte und den außergewöhnlich hohen mechanischen Eigenschaften die Anforderungen der Festigkeitsklasse D50 und der Dauerhaftigkeitsklassen 2-3. Diese Holzart ist darüber hinaus in ausreichenden Mengen verfügbar. Man kann damit besonders filigrane und elegante Strukturen realisieren, wie z.B. das weit gespannte Dach über dem Innenhof von Portcullis House, London, nach dem Entwurf von Hopkins Architects und der Statik von Arup (siehe Seite 16). Die Veröffentlichung bietet die Möglichkeit, das amerikanische Laubholz gleichermaßen für hochkomplexe, hoch beanspruchte Tragwerke aber auch kleinere einfache Konstruktionen mit architektonischem Anspruch einzusetzen.
Dipl.-Ing. Werner Dittrich PLANUNGSGESELLSCHAFT D I T T R I C H MBH München
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Einführung
American white oak
American red oak
American white ash
Die optischen Vorzüge amerikanischer Laubhölzer haben seit langem die Fantasie von Architekten angeregt, die diese Holzarten mit ihren im Trend liegenden Farben und Oberflächenstrukturen als ästhetischen Blickfang in großen und kleinen Bauvorhaben eingesetzt haben. Traditionell wurden amerikanische Laubhölzer in Europa vor allem in nicht tragenden Einsatzgebieten verwendet. Inzwischen ändert sich die Vorstellung von der Verwendung von Holz verbunden mit einem wachsenden Interesse an Laubhölzern aus gemäßigten Zonen und befügelt den Wunsch von Architekten und Ingenieuren, das Tragverhalten und die ästhetischen Qualitäten zu kombinieren. Das Fehlen genauer Festigkeits- und Steifigkeitskennwerte für die gewählte Holzart führt zu konservativen Annahmen und zur Überbemessung mit der Folge unwirtschaftlicher Konstruktionen und schlechter Ausbeute des Holzes. Im Jahr 2000 begann mit der Nutzung von Laubholz in einem viel beachteten Projekt eine Entwicklung, die zur Herausgabe dieser Broschüre mit neuen Festigkeits- und Steifigkeitskennwerten für vier wichtige amerikanische Laubholzarten führte. Das Bauvorhaben war Portcullis House, das neue Bürogebäude für die Abgeordneten des House of Commons in London, dessen Entwurf von Hopkins Architects stammt. Das Gebäude umschließt einen zentralen Innenhof mit einem großen gewölbten Glasdach, das von einer von Arup entworfenen Tragkonstruktion aus American
4
American tulipwood
white oak gestützt wird. Es ist eines der komplexesten Holzdachtragwerke in Europa. Um dieses anspruchsvolle Tragwerk ausführen zu können, wurde die Festigkeit von American white oak in umfangreichen Prüfungen durch Arup untersucht. Da das Material in den verfügbaren Sortierungen besser als die erwartete Festigkeitsklasse D50 war, konnte eine wirtschaftlichere Konstruktion ausgeführt werden. Da Kosten in hohem Maße den Tragwerksentwurf beeinflussen, ermöglichen die neuen Untersuchungsergebnisse Einsparungen bei der Verwendung von genormten Festigkeitsklassen. In Zusammenarbeit mit Arup beauftragte der American Hardwood Export Council das Building Research Establishment (BRE) im Vereinigten Königreich mit Prüfungen von vier amerikanischen Laubholzarten, einschließlich American white oak, mit dem Ziel, charakteristische Werte für die Tragwerksbemessung zu ermitteln. Die Versuche brachten teilweise überraschende Ergebnisse zu Tage und belegen, dass sämtliche vier untersuchten Holzarten das Potenzial für eine weitere Verwendung in Tragwerken besitzen. AHEC bietet daher diese Informationen allen Architekten und Tragwerksplanern in Europa an damit sie diese Holzarten verantwortlich in Tragkonstruktionen einsetzen können.
David Venables American Hardwood Export Council (AHEC)
Ökologische Vorteile Obwohl nordamerikanische Laubhölzer in zunehmend von der Sustainable Forestry Initiative (SFI) und dem Forest Stewardship Council (FSC) zertifiziert werden, sind Zertifizierungsverfahren, die das Holz zu bestimmten Wäldern zurückverfolgen können, für die Mehrzahl der nordamerikanischen Laubholzwälder nicht geeignet. Nicht die Forstwirtschaft selbst ist hier der strittige Punkt, sondern die Struktur der Forstbesitzer. Das Fehlen von Zertifikaten bedeutet keinesfalls eine fehlende Nachhaltigkeit. Im Fall der nordamerikanischen Laubholzwälder sind die Wälder selbst der lebende Beweis der Nachhaltigkeit. Die Regierung der Vereinigten Staaten verfügt über eine siebzigjährige Datenbasis, die beweist, dass die Wälder sich vorzüglich entwickeln. Zum Beispiel stieg der Laubholzvorrat in den letzten 50 Jahren um über 90 %, während die Waldfläche um 18 % zunahm. Detaillierte Informationen sind auf der Homepage des USDA Forest Service verfügbar: http://www.fs.fed.us/pl/rpa/ Etwa 73 % des Laubwaldbestandes der Vereinigten Staaten ist in Privatbesitz und häufig seit mehreren Generationen in Familienbesitz. Es gibt etwa 4 Millionen private Eigner mit einem durchschnittlichen Größe von 20 Hektar. Üblicherweise wird zu Lebzeiten eines Waldbesitzers nur ein- oder zweimal Stammholz aus dem Wald verkauft. Der Holzverkauf stellt nur einen sehr geringen Anteil am Einkommen dieser Waldbesitzer dar, so dass selbst eine wesentliche Erhöhung des Holzpreises (der gegenwärtig auch mit einer Zertifizierung jedoch nicht zu erwarten ist) keinen Anreiz für eine Zertifizierung darstellt. Das Holz aus amerikanischen Laubholzsägewerken stammt häufig von Tausenden dieser kleinen Landbesitzer, die von Jahr zu Jahr wechseln.
© Corel
Die Struktur mit meist kleinen Privatwaldbesitzern erschwert eine unabhängige Zertifizierung der Holzproduktion. Aus dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit bedeutet dies jedoch einen großen Vorteil, der eine starke Verbundenheit zwischen ländlichen Gemeinden und ihren Wäldern schafft.
5
Bemessung von Holzkonstruktionen in Europa Die Eurocodes und andere europäische Normen
Festigkeitsklassen und Eigenschaften von Holzarten
Die Veröffentlichung der Eurocodes und der zugehörigen Normen markiert die Vollendung eines 20-Jahre Programms zur Schaffung eines harmonisierten Satzes von Dokumenten mit Regeln für die Bemessung von Tragwerken aus allen wichtigen Baustoffen einschließlich Holz mit Teilsicherheitsbeiwerten. Die Grundlagen der Bemessung sind in Eurocode 0 definiert, Eurocode 1 mit seinen unterschiedlichen Teilen enthält die Einwirkungen. Eurocode 5 gibt die allgemeinen Bemessungsregeln für Holzkonstruktionen und nimmt Bezug auf andere Normen, z. B. EN 408 mit der Festlegung von Prüfverfahren und EN 384, in der die Methode zur Bestimmung charakteristischer Werte aus Versuchsergebnissen definiert ist.
In EN 338 sind Festigkeitsklassen für Holz definiert: C14 bis C50 für Schnittholz aus Nadelholz und Pappel und D30 bis D70 für Schnittholz aus Laubholz. Für jede Festigkeitsklasse existiert ein Satz von Festigkeits-, Steifigkeits- und Rohdichtekennwerten. Die Versuchsergebnisse für eine bestimmte Kombination aus Holzart, Herkunft und Sortierklasse müssen die Mindestwerte festgelegter Eigenschaften einer Festigkeitsklasse erreichen, damit das entsprechende Holz in diese Festigkeitsklasse eingeteilt werden kann.
Die wesentlichen Teile der Eurocodes sind inzwischen veröffentlicht und die zugehörigen nationalen Anhänge sollen demnächst publiziert und bauaufsichtlich eingeführt werden. Es wird eine Übergangszeit geben, in der Tragwerksplaner entweder die Eurocodes oder die nationalen Bemessungsnormen verwenden dürfen.
Nationale Bemessungsnormen Während der letzten 50 Jahre wurden in vielen europäischen Ländern nationale Bemessungsnormen für Tragwerke aus Holz und anderen üblichen Baustoffen in unterschiedlichen Nachweisformaten erarbeitet. Nationale Bemessungsnormen wie DIN 1052:1988 enthalten für übliche Holzarten zulässige Spannungen, die globale Sicherheitsbeiwerte für Einwirkungen und Widerstände beinhalten. Dagegen ist DIN 1052:2004 nach dem Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte aufgebaut, indem der globale Sicherheitsbeiwert in Teilsicherheitsbeiwerte für die Einwirkungsseite und die Baustoffseite aufgeteilt ist. In diesen Bemessungsnormen sind die Festigkeitswerte für die Baustoffe als charakteristische Werte angegeben. Aus diesem Grund enthält die vorliegende Broschüre sowohl zulässige Spannungen als auch charakteristische Festigkeitswerte.
6
Das System der Festigkeitsklassen funktioniert sehr gut für Nadelhölzer, deren Aufbau grundsätzlich sehr ähnlich ist. Laubhölzer unterscheiden sich dagegen deutlicher in ihrem Aufbau mit der Folge, dass nicht alle vier untersuchten Holzarten gut in eine Festigkeitsklasse passen. Während American white oak sämtliche Anforderungen der Festigkeitsklasse D50 erfüllt, muss American red oak trotz besserer Biegefestigkeit wegen geringerer Steifigkeits- und Rohdichtekennwerte in Festigkeitsklasse D40 eingeteilt werden. American white ash erfüllt die Anforderungen der Festigkeitsklasse D35, während American tulipwood trotz ausreichender Festigkeits- und Steifigkeitskennwerte für D40 wegen unzureichender Rohdichte in die Festigkeitsklasse C30 eingeteilt werden muss. Da Eurocode 5 und nationale Bemessungsnormen auch andere Festigkeitsprofile als diejenigen in EN 338 erlauben, wurde eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung für die vier amerikanischen Laubholzarten beantragt, die Festigkeits-, Steifigkeits- und Rohdichtekennwerte, welche den Eigenschaften dieser Holzarten besser entsprechen als die Festigkeitsklassen der EN 338.
Festigkeitssortierung American red oak
FAS
No. 1 C
Sämtliches Laubschnittholz, das aus Amerika nach Europa exportiert wird, ist auf der Basis der Sortierregeln der National Hardwood Lumber Association (NHLA) nach der Festigkeit sortiert. Die relevanten Sortierklassen sind „First and Second“ (FAS) und „Number 1 Common“ (No. 1 C). Die qualitativ höhere Sortierklasse FAS besteht aus Schnittholz mit zwischen 84 % und 100 % astreinen Oberflächen (siehe oben). Die Oberflächen der Hölzer der niedrigeren Sortierklasse No. 1 C sind zu 66 % bis 84 % astrein. Obwohl diese Oberflächenanteile bereits hohe Anforderungen darstellen, sind die Größe der Äste oder die Faserabweichung, wichtige Parameter jeder visuellen Festigkeitssortierung, nicht begrenzt. Voraussetzung für die tragende Anwendung amerikanischer Laubhölzer in Europa ist eine Festigkeitssortierung nach einer Sortiernorm, die die Anforderungen der EN 518 erfüllt. Eine harmonisierte visuelle Sortiernorm für ganz Europa besteht im Augenblick nicht, daher werden nationale Sortiernormen verwendet.
Eine der Normen für die visuelle Festigkeitssortierung von Schnittholz, welche die Anforderungen der EN 518 erfüllt, ist die BS 5756 von BSI aus Großbritannien. BS 5756 enthält Sortierregeln für die Einteilung von Laubholz in zwei Sortierklassen, TH1 und TH2. Die höhere Sortierklasse TH1 ist besser für die hier in Frage kommenden amerikanischen Laubhölzer geeignet. Die Sortierklasse TH1 wurde für die Sortierung der Prüfkörper im Rahmen der Untersuchung von BRE gewählt, da diese Sortierung in einer besseren Qualität der festigkeitssortierten Hölzer resultierte, ohne dass die Ausbeute übermäßig reduziert wird. Die zulässigen Spannungen bzw. die Festigkeits-, Steifigkeits- und Rohdichtekennwerte in dieser Broschüre beziehen sich damit auf amerikanische Laubhölzer, die nach BS 5756 neu in die Sortierklasse TH1 eingeteilt wurden. Die Ausbeuten dieser Sortierung aus den ursprünglichen Klassen FAS und No. 1 C sind in den Tabellen mit den Festigkeits-, Steifigkeits- und Rohdichtekennwerten (Tabellen 1 bis 4, Seiten 9 bis 12) angegeben.
7
Materialeigenschaften Die folgenden Seiten enthalten Kennwerte für die Bemessung von Bauteilen und Verbindungen mit den vier Holzarten zusammen mit zusätzlichen Informationen unter den folgenden Überschriften: Verfügbarkeit Folgende Maße sind im Allgemeinen verfügbar: Dicken: 19 - 100 mm Breiten: fallende Breiten 152 mm und breiter für FAS fallende Breiten 102 mm und breiter für No. 1 C Längen: fallende Längen 2,4 bis 4,9 m für FAS 1,8 bis 4,8 m für No. 1 C Anmerkungen: 1. Die Hölzer werden in den amerikanischen „Originalmaßen“ (in Zoll und Fuß) geliefert. Die metrischen Maße sind ungefähre Umrechnungsmaße. 2. Größere Bauteile können als Brettschichtholz hergestellt werden.
Aussehen und Verarbeitungseigenschaften: Informationen zum Erscheinungsbild und zu allgemeinen Eigenschaften der vier Holzarten enthält das Handbuch der amerikanischen Laubhölzer „Holzarten“, veröffentlicht durch AHEC.
Dauerhaftigkeit EN 350-2 definiert fünf „Dauerhaftigkeitsklassen“ von 1 (sehr dauerhaft) bis 5 (nicht dauerhaft). Die entsprechende Dauerhaftigkeitsklasse ist für jede Holzart für das Kernholz
8
angegeben. American white ash und American tulipwood sind nicht in EN 350-2 enthalten, entsprechende Einteilungen findet man jedoch in The Handbook of Hardwoods (BRE 1997).
Ausbeute bei der erneuten Sortierung Wie schon auf der vorigen Seite erläutert, werden amerikanische Harthölzer als NHLA-Sortierungen – FAS und No. 1 C – exportiert. Soll das Holz für tragende Zwecke eingesetzt werden, ist eine erneute Sortierung nach BS 5756, Sortierklasse TH1 erforderlich. Die Ausbeute dieser erneuten Sortierung ist für jede Holzart angegeben. Falls die Sortierung nach BS 5756 vom Holzhändler durchgeführt wird, sind diejenigen Hölzer, welche die Anforderungen an TH1 nicht erfüllen, immer noch FAS oder No. 1 C nach NHLA und können als solche weiter verkauft werden. Bei der Bestellung muss unbedingt auf eine notwendige erneute Sortierung hingewiesen werden.
Festigkeits-, Steifigkeits- und Rohdichtekenngrößen Festigkeits-, Steifigkeits- und Rohdichtekenngrößen sind für jede Holzart sowohl für die Bemessung nach dem Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte als auch mit zulässigen Beanspruchungen angegeben. Beide Nachweiskonzepte werden in den Beispielen im folgenden Abschnitt gezeigt. Wie bereits auf Seite 6 erläutert, entsprechen drei der vier Holzarten nicht in idealer Weise einem Festigkeitsprofil einer Festigkeitsklasse nach EN 338. Da jedoch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung besteht, können die aus den Versuchen resultierenden Werte für die Bemessung verwendet werden. Zum Vergleich sind die Werte der entsprechenden Festigkeitsklasse nach EN 338 neben den charakteristischen Werten der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung angegeben.
Materialeigenschaften Dauerhaftigkeitsklasse: 2 – 3 (dauerhaft bis mäßig dauerhaft nach EN 350-2)
American white oak (Quercus spp.) Tabelle 1
Ausbeute bei erneuter Sortierung in Klasse TH1: FAS – 70 %, No. 1 C: 50 %
Sortierklasse TH1 nach BS 5756 Für eine Bemessung nach DIN 1052:2004 oder nach Eurocode 5
Für eine Bemessung nach DIN 1052:1988
Charakteristische Festigkeits-, Steifigkeits- und
Zulässige Spannungen, Elastizitäts- und Schubmoduln
Rohdichtekenngrößen für American white oak
(D50)
für American white oak
Biegung N/mm2
ƒm,k
50
50
Biegung
σB N/mm
20
Zug ⎜⎜zur Faser N/mm2
ƒt,0,k
30
30
Zug ⎜⎜zur Faser
zul
σ ZII N/mm
12
Zug ⊥ zur Faser N/mm2
ƒt,90,k
0,5
0,6
Zug ⊥ zur Faser
zul
σ Z ⊥ N/mm
0,1
Druck ⎜⎜zur Faser N/mm2
ƒc,0,k
29
29
Druck ⎜⎜zur Faser
zul
σ DII N/mm
12
Druck ⊥ zur Faser N/mm2
ƒc,90,k
9,7
9,7
Druck ⊥ zur Faser
zul
σ D⊥ N/mm
4,0
Schub N/mm2
ƒv,k
3,8
4,6
Schub
τ N/mm
1,2
Elastizitätsmodul N/mm2
Ε0,mean
14000
14000
Elastizitätsmodul
Ε
II
N/mm2
14000
Elastizitätsmodul N/mm2
Ε0,05
11800
11800
Elastizitätsmodul
Ε
⊥
N/mm2
1000
Elastizitätsmodul N/mm2
Ε90,mean
1000
930
Schubmodul
Gmean
900
880
Für die Bemessung von Verbindungen mit mechanischen Verbindungsmitteln gelten die Regeln für Bauteile aus Laubholz der Gruppe B.
Rohdichte kg/m3
ρk
650
650
Rohdichte kg/m3
ρmean
780
780
Schubmodul N/mm2
zul
2
2
2
2
2
zul
2
G N/mm
2
900
9
Materialeigenschaften Dauerhaftigkeitsklasse: 4 (wenig dauerhaft nach EN 350-2)
American red oak (Quercus spp.) Tabelle 2
Ausbeute bei erneuter Sortierung in Klasse TH1: FAS – 80 %
Sortierklasse TH1 nach BS 5756 Bemessung nach DIN 1052:2004 oder nach Eurocode 5
Bemessung nach DIN 1052:1988
Charakteristische Festigkeits-, Steifigkeits- und Rohdichtekenngrößen für American red oak
für American red oak
Biegung N/mm2
ƒm,k
50
40
Biegung
σB N/mm
20
Zug ⎜⎜zur Faser N/mm2
ƒt,0,k
30
24
Zug ⎜⎜zur Faser
zul
σ ZII N/mm
12
Zug ⊥ zur Faser N/mm2
ƒt,90,k
0,5
0,6
Zug ⊥ zur Faser
zul
σ Z ⊥ N/mm
0,1
Druck ⎜⎜zur Faser N/mm2
ƒc,0,k
29
26
Druck ⎜⎜zur Faser
zul
σ DII N/mm
12
Druck ⊥ zur Faser N/mm2
ƒc,90,k
9,7
8,8
Druck ⊥ zur Faser
zul
σ D⊥ N/mm
3,5
Schub N/mm2
ƒv,k
3,8
3,8
Schub
τ N/mm
1,2
Elastizitätsmodul N/mm2
Ε0,mean
13000
11000
Elastizitätsmodul
Ε
II
N/mm2
13000
Elastizitätsmodul N/mm2
Ε0,05
10900
9400
Elastizitätsmodul
Ε
⊥
N/mm2
800
Elastizitätsmodul N/mm2
Ε90,mean
800
750
Schubmodul
G N/mm
800
Gmean
800
700
Für die Bemessung von Verbindungen mit mechanischen Verbindungsmitteln gelten die Regeln für Bauteile aus Laubholz der Gruppe B.
Rohdichte kg/m3
ρk
650
590
Rohdichte kg/m3
ρmean
780
700
Schubmodul N/mm2
10
Zulässige Spannungen, Elastizitäts- und Schubmoduln (D40)
zul
2
2
2
2
2
zul
2
2
Materialeigenschaften Dauerhaftigkeitsklasse: 5 (nicht dauerhaft nach EN 350-2)
American ash (Fraxinus spp.) Tabelle 3
Ausbeute bei erneuter Sortierung in Klasse TH1: No. 1 C: 50 %
Sortierklasse TH1 nach BS 5756 Für eine Bemessung nach DIN 1052:2004 oder nach Eurocode 5
Für eine Bemessung nach DIN 1052:1988
Charakteristische Festigkeits-, Steifigkeits- und
Zulässige Spannungen, Elastizitäts- und Schubmoduln
Rohdichtekenngrößen für American ash
(D35)
für American ash
Biegung N/mm2
ƒm,k
35
35
Biegung
σB N/mm
16
Zug ⎜⎜zur Faser N/mm2
ƒt,0,k
21
21
Zug ⎜⎜zur Faser
zul
σ ZII N/mm
10
Zug ⊥ zur Faser N/mm2
ƒt,90,k
0,5
0,6
Zug ⊥ zur Faser
zul
σ Z ⊥ N/mm
0,1
Druck ⎜⎜zur Faser N/mm2
ƒc,0,k
26
25
Druck ⎜⎜zur Faser
zul
σ DII N/mm
11
Druck ⊥ zur Faser N/mm2
ƒc,90,k
8,4
8,4
Druck ⊥ zur Faser
zul
σ D⊥ N/mm
3,5
Schub N/mm2
ƒv,k
3,4
3,4
Schub
τ N/mm
1,2
Elastizitätsmodul N/mm2
Ε0,mean
12000
10000
Elastizitätsmodul
Ε
II
N/mm2
12000
Elastizitätsmodul N/mm2
Ε0,05
10000
8700
Elastizitätsmodul
Ε
⊥
N/mm2
800
Elastizitätsmodul N/mm2
Ε90,mean
800
690
Schubmodul
G N/mm
800
Gmean
800
650
Für die Bemessung von Verbindungen mit mechanischen Verbindungsmitteln gelten die Regeln für Bauteile aus Laubholz der Gruppe B.
Rohdichte kg/m3
ρk
590
560
Rohdichte kg/m3
ρmean
700
670
Schubmodul N/mm2
zul
2
2
2
2
2
zul
2
2
11
Materialeigenschaften American tulipwood (Liriodendron tulipifera) Tabelle 4
Dauerhaftigkeitsklasse: 5 (nicht dauerhaft nach EN 350-2) Ausbeute bei erneuter Sortierung in Klasse TH1: FAS – 90 %
Sortierklasse TH1 nach BS 5756 Für eine Bemessung nach DIN 1052:2004 oder nach Eurocode 5
Für eine Bemessung nach DIN 1052:1988
Charakteristische Festigkeits-, Steifigkeits- und
Zulässige Spannungen, Elastizitäts- und Schubmoduln
Rohdichtekenngrößen für American tulipwood
für American tulipwood
Biegung N/mm2
ƒm,k
40
30
Biegung
σB N/mm
16
Zug ⎜⎜zur Faser N/mm2
ƒt,0,k
24
18
Zug ⎜⎜zur Faser
zul
σ ZII N/mm
10
Zug ⊥ zur Faser N/mm2
ƒt,90,k
0,5
0,6
Zug ⊥ zur Faser
zul
σ Z ⊥ N/mm
0,1
Druck ⎜⎜zur Faser N/mm2
ƒc,0,k
26
23
Druck ⎜⎜zur Faser
zul
σ DII N/mm
11
Druck ⊥ zur Faser N/mm2
ƒc,90,k
7,0
2,7
Druck ⊥ zur Faser
zul
σ D⊥ N/mm
2,5
Schub N/mm2
ƒv,k
3,0
3,0
Schub
τ N/mm
1,2
Elastizitätsmodul N/mm2
Ε0,mean
12000
12000
Elastizitätsmodul
Ε
II
N/mm2
12000
Elastizitätsmodul N/mm2
Ε0,05
10000
8000
Elastizitätsmodul
Ε
⊥
N/mm2
800
Elastizitätsmodul N/mm2
Ε90,mean
800
400
Schubmodul
G N/mm
700
Gmean
700
750
Für die Bemessung von Verbindungen mit mechanischen Verbindungsmitteln gelten die Regeln für Bauteile aus Laubholz der Gruppe A.
Rohdichte kg/m3
ρk
460
380
Rohdichte kg/m3
ρmean
550
460
Schubmodul N/mm2
12
(C30)
zul
2
2
2
2
2
zul
2
2
Rechenbeispiel Zwischendecke und Treppe Als Beispiel für die Anwendung der Werte in den Tabellen 1 bis 4 wird das Zwischengeschoss im neben stehenden Bild betrachtet. Alle tragenden Bauteile sind ungeschützt und es wird die Feuerwiderstandsklasse F0 angenommen. Beispielhafte Berechnungen nach Eurocode 5 und DIN 1052:1988 werden gezeigt für:
Verbindung Z Randträger Y
- Treppenwange X
4,5 m
- Randträger Y - Verbindung Z Angenommene Flächenlasten: 5,75 m
4m Treppenwange X θ = 35 º
1m
- Eigenlast = 0,3 kN/m2 (Geneigte Fläche) = 0,3/cos α = 0,37 kN/m2 (Grundfläche) - Nutzlast = 1,5 kN/m2 (Grundfläche)
Bemessung der Vollholzbauteile Betrachtet wird die Treppenwange X. Spannweite: ι = 4,5 ⋅ cos α = 4,5 ⋅ cos 35° = 3,69 m
Biegespannungsnachweis nach Eurocode 5
Nutzlasten werden in Eurocode 5 in die Klasse der Lasteinwirkungsdauer „mittel“ eingeteilt. Dies wird im Beiwert kmod berücksichtigt. Gewählt: American white oak, b x h = 38 mm x 175 mm Linienlast auf eine Treppenwange: Bemessungswert des Biegemoments: Bemessungswert der Biegespannung: Bemessungswert der Biegefestigkeit:
(1,35 ⋅ Eigenlast + 1,5 ⋅ Nutzlast) ⋅ Einzugsbreite (1,35 ⋅ 0,37 + 1,5 ⋅ 1,5) ⋅ 0,5 2 Md = 1,37 ⋅ 3,69 /8 σd = Md/W ƒm,d = ƒm,k ⋅ kmod / γΜ = 50 ⋅ 0,8/1,3
= = = =
1,37 2,33 12,0 30,8
kN/m kNm 2 N/mm 2 N/mm
In der Praxis wird meist der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit maßgebend.
Biegespannungsnachweis nach DIN 1052:1988 Gewählt: American white oak, b x h = 38 mm x 175 mm Linienlast auf eine Treppenwange:
(Eigenlast + Nutzlast) ⋅ Einzugsbreite (0,37 + 1,5) ⋅ 0,5
Biegemoment:
M
Biegespannung:
σB
Zulässige Biegespannung:
zul
= 0,94 ⋅ 3,69 2 /8
= M/W
σB
= 0,94 kN/m = 1,59 kNm = 8,2 N/mm2 = 20 N/mm2
13
Rechenbeispiel Bemessung von Bauteilen aus Brettschichtholz Betrachtet wird der Randträger Y. Amerikanische Laubhölzer werden überwiegend für Fenster und Türen verwendet. Daher sind die verfügbaren Längen auf 4,8 m (siehe Seite 8) begrenzt. Da der Randträger Y 5,75 m lang ist, wird er aus Brettschichtholz hergestellt.
Biegespannungsnachweis nach Eurocode 5 Da es noch keine baurechtlich abgesicherten charakteristischen Werte für Brettschichtholz aus Laubholz gibt, wird in Übereinstimmung mit den Ergebnissen eines kürzlich abgeschlossenen Forschungsvorhabens „Biegefestigkeit von Brettschichtholz aus Buche“ eine Biegefestigkeit von 36 N/mm2 zugrunde gelegt. Für eine Anwendung von Brettschichtholz aus amerikanischen Laubhölzern ist eine Zustimmung im Einzelfall erforderlich. Gewählt: BS-Holz aus American white oak, b x h = 100 mm x 240 mm Linienlast auf den Randträger: Bemessungswert des Biegemoments: Bemessungswert der Biegespannung: Bemessungswert der Biegefestigkeit:
(1,35 ⋅ Eigenlast + 1,5 ⋅ Nutzlast) ⋅ Einzugsbreite (1,35 ⋅ 0,30 + 1,5 ⋅ 1,5) ⋅ 2,0 2 Md = 5,31 ⋅ 5,75 /8 σd = Md/W ƒm,d = ƒm,k ⋅ kmod ⋅ kh / γΜ = 36 ⋅ 0,8 ⋅ 1,1/1,25
= = = =
5,31 21,9 22,9 25,3
kN/m kNm 2 N/mm 2 N/mm
= = = =
3,6 kN/m 14,6 kNm 2 15,2 N/mm 2 18 N/mm
In der Praxis wird meist der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit maßgebend.
Biegespannungsnachweis nach DIN 1052:1988 Es wird die zulässige Biegespannung für BS18, zul
σB
= 18 N/mm2 zugrunde gelegt.
Gewählt: BS-Holz aus American white oak, b x h = 100 mm x 240 mm Linienlast auf eine Treppenwange: Biegemoment: Biegespannung: Zulässige Biegespannung:
(Eigenlast + Nutzlast) ◊ Einzugsbreite (0,3 + 1,5) ⋅ 2,0 2 M = 3,6 ⋅ 5,75 /8 σB = M/W zul σB
Bauteile aus American white oak für Portcullis House während der Montage Rechts: Die Rundstützen wurden aus blockverleimtem Brettschichtholz hergestellt Ganz rechts: Die Druckstreben aus BS-Holz sind vorgebohrt und die Enden wurden von Hand abgeschrägt
Fotos © Kingston Craftsmen
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Rechenbeispiel Bemessung von Verbindungen Betrachtet wird die Verbindung Z des Randträgers mit dem Pfosten. In der Skizze ist eine mögliche Ausführung der Verbindung des Stahlteils mit dem Pfosten als einschnittige Stahlblech-Holz-Verbindung mit Passbolzen dargestellt.
Bemessung nach Eurocode 5 Für einschnittig beanspruchte stiftförmige Verbindungsmittel in Stahlblech-Holz-Verbindungen mit dünnen Stahlblechen, in denen die Stahlblechdicke höchstens gleich dem halben Stiftdurchmesser ist, sind zwei mögliche Versagensmechanismen zu berücksichtigen (siehe EN 1995-1-1 Bild 8.3 a und b). Die entsprechende Bemessungsgleichung lautet (siehe EN 1995-1-1 Gleichung (8.9)): (Fv,Rd) =
Hierin bedeuten (Bezüge auf EN Teilsicherheitsbeiwert Modifikationsbeiwert Fließmoment Lochleibungsfestigkeit Tragfähigkeit auf Herausziehen Zugfestigkeit Passbolzen Holzdicke Durchmesser Passbolzen
k
mod _______
γΜ
⋅ min
{
⋅ ƒ___________ h,k ⋅ t 1 ⋅ d 1,15 ⋅ 2 ⋅ M y,Rk ⋅ ƒh,k ⋅ d + 0,25 ⋅ F ax,Rk 0,40
1995-1-1): γΜ = 1,3 kmod = 0,8 M y,Rk = 0,3 ⋅ ƒu,k ⋅ d2,6 ƒh,0,k = 0,082 ⋅ (1 - 0,01 ⋅ d) Fax,Rk = (3 ⋅ ƒc,90,k) ⋅ π ⋅ (1,5 ƒu,k = 400 N/mm2 = 100 mm t1 d = 12 mm
√
⋅ ⋅
(Nationaler Anhang) (Tabelle 3.1, NKL 1, KLED mittel) (Gleichung (8.30)) ρk (Gleichung (8.32)) d)2 (8.5.2 (2), Durchmesser der Unterlegscheibe 3 ⋅ d) (Stahlgüte 4.6)
Die oben gezeigte Bemessungsgleichung enthält nur zwei Holzeigenschaften: die charakteristische Rohdichte ρk und die Druckfestigkeit rechtwinklig zur Faser ƒc,90,d. Die anderen Bemessungsgleichungen für Verbindungen mit mechanischen Verbindungsmitteln (Bolzen, Stabdübel, Nägel, Schrauben und Dübel besonderer Bauart) in Eurocode 5 enthalten entweder nur die charakteristische Rohdichte ρk oder eine Kombination von charakteristischer Rohdichte ρk und Druckfestigkeit rechtwinklig zur Faser ƒc,90,d. Die benötigten Werte der charakteristischen Rohdichte ρk und der Druckfestigkeit rechtwinklig zur Faser ƒc,90,d sind in der Tabelle 5 (rechts unten) zusammengestellt.
Zwei Passbolzen M12, Stahlgüte 4.6 mit versenktem Kopf
100
6
Stahlblech in eingefrästem Schlitz
Tabelle 5 Holzart
Charakteristische Rohdichte ρk [kg/m3]
Druckfestigkeit rechtwinklig zur Faser ƒ c,90,d [N/mm2]
American white oak
650
9,7
American red oak
650
9,7
American ash
590
8,4
American tulipwood
460
7,0
Verbindung Z
Bemessung nach DIN 1052:1988 Holzverbindungen mit mechanischen Verbindungsmitteln werden nach DIN 1052-2:1988-04 bemessen, wobei für American white oak, American red oak und American white ash die Werte für Laubholz der Gruppe B und für American tulipwood die Werte der Gruppe A gelten.
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Portcullis House, London Portcullis House befindet sich in der Bridge Street in Westminster. Das rechteckige Gebäude umschließt einen etwa 50 m x 25 m großen zentralen Innenhof mit einem Glasdach. Hopkins Architects wählten als Form des Daches eine Bogenform mit abgewalmten Enden mit einem geodätischen Raumtragwerk in Holz. Es sollte eine sehr leichte Konstruktion geschaffen werden, um die Transparenz des Daches zu optimieren. Dafür sollte wegen der Farbe und Oberflächenstruktur möglichst American white oak zum Einsatz kommen. Die Tragwerksplaner, Arup, stellten fest, dass nur unzureichende Informationen zur tragenden Verwendung von American white oak zur Verfügung standen. Eine konservative Einschätzung der Festigkeitswerte würde zu größeren Bauteilmaßen führen müssen. Aus der Literatur verfügbare Daten für kleine, fehlerfreie Proben zeigten jedoch, dass American white oak eine höhere Festigkeit als europäische Eiche aufweist, und es wurde erkennbar, dass das verfügbare Material der Sortierklasse FAS von sehr guter Qualität, mit geradem Faserverlauf und wenigen Ästen, sein würde. Arup beauftragte daher BRE mit einem Versuchsprogramm (Details siehe Seite 18). Die Ergebnisse zeigen, dass die Festigkeitsklasse D50 nach EN 338 mit dem verfügbaren Material erreicht werden kann. Die hohen Festigkeitswerte ermöglichten es, die wichtigsten Bauteile aus je zwei Brettschichthölzern aus American white oak und einem Querschnitt von 100 mm x 200 mm herzustellen. An jedem Knoten sind die Hölzer mittels Passbolzen mit Stahlblechen verbunden, die ihrerseits wiederum an Stahlkugeln, alles aus nicht rostendem Stahl, angeschlossen sind. Der horizontal angeordnete Randstreifen, der einen Zugang für die Wartung ermöglicht, wird durch Druckstreben in Zigarrenform getragen, die aus blockverleimtem Brettschichtholz gedreht wurden. Die Glasscheiben werden von einem Sekundärtragwerk aus vorgespannten Stahlstäben unterstützt.
Fotos © Arup/Peter Ross
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Preisgekrönte Projekte Rechts: Gewendelte Treppe, London, mit Handläufen aus American ash und Trittstufen aus American white oak. Hersteller: E.A. Higginson, London. HEAT Architekten. Tragwerksplaner: NRM Architekten.
Ganz rechts: Untergrundbahnhof Hounslow East, London. Die zigarrenförmigen Stützen bestehen aus American white oak. Acanthus Lawrence Architekten. Tragwerksplaner: Büro Happold.
Links: Spindeltreppe in American red oak, Cornwall, Großbritannien. Entworfen und gebaut durch Devoran Joinery, Truro, Großbritannien.
Rechts: Haberdasher’s Hall, London. Alle sichtbaren Bauteile bestehen aus American white oak. Die Diagonalen in der Decke sind die Obergurte von Fachwerkträgern mit Zugstäben aus Stahl (siehe auch Rückseite). Hopkins Architekten. Tragwerksplaner: Arup.
Ganz links: Queen’s Building, Emmanuel College Cambridge, Vereinigtes Königreich. In den Dachbindern wird American red oak verwendet. Hopkins Architekten. Tragwerksplaner: Büro Happold.
Links: Neues Zentrum für das Bow Community Centre bei der St. Paul’s Kirche, Bow in London. Bekleidung aus American tulipwood. Matthew Lloyd Architekten LLP. Tragwerksplaner: Price & Myers.
Fotos: The Wood Awards
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Versuchsprogramm Zusammenfassung des Vorgehens zur Bestimmung der Festigkeits- und Steifigkeitskennwerte Das Versuchsprogramm wurde durch BRE 2001 in Garston, Großbritannien, durchgeführt. Jede Holzart durchgeführt wurde wie folgt geprüft: - Visuelle Begutachtung einer großen Menge Holzes, um einen Überblick über die im Handel verfügbaren Qualitäten zu erhalten und um eine repräsentative Stichprobe für die Prüfkörper zu entnehmen - Prüfen der ausgesuchten Stichproben - Ableitung charakteristischer Festigkeitsund Steifigkeitskennwerte aus den Versuchsergebnissen
Begutachtung und Auswahl der Hölzer Bis zu 1000 Hölzer jeder Holzart wurden bei den großen Lieferanten begutachtet. Dies ergab einen Eindruck von der Qualität und der Eigenschaftsstreuung des verfügbaren Materials. Die Hölzer sollten möglichst nach der britischen Sortiernorm BS 5756 für Schnittholz aus Laubholz visuell nach der Festigkeit sortiert werden. Eine einheitliche visuelle Festigkeitssortierung in Europa gibt es gegenwärtig nicht. Die europäische Norm EN 518 enthält jedoch Anforderungen an die visuelle Festigkeitssortierung in der Form notwendiger Sortierparameter. BS 5756 erfüllt die Anforderungen von EN 518. Die Sortierregeln für Laubhölzer aus gemäßigten Klimazonen beschreiben zwei Sortierklassen, von denen die höhere Klasse, TH1, besser für das verfügbare Material, das allgemein eine hohe Qualität aufweist, geeignet ist. Es ist wichtig, eine Sortierklasse zu wählen, die zu möglichst hohen Festigkeits- und Steifigkeitskennwerten führt, auf der anderen Seite aber die Ausbeute nicht übermäßig reduziert. Die Ausbeute für die vier Holzarten sind in den Tabellen 1 bis 4 auf
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den Seiten 9 bis 12 angegeben. Diese Ausbeuten gelten für das gesamte erneut sortierte Material jeder Holzart und nicht nur für die Proben, die für die Versuche verwendet wurden. Während der Begutachtung des Holzes wurden Stichproben für die Versuche entnommen. Diese wurden so ausgesucht, dass sie der Grundgesamtheit entsprachen und auch Hölzer an der Sortierklassengrenze enthielten, d. h. mit Fehlern, die den größten, gerade noch erlaubten Werten nach den Sortierregeln entsprachen. Insgesamt wurden 240 Hölzer jeder Holzart entnommen.
Versuche Die Versuche wurden in Übereinstimmung mit EN 408 durchgeführt. Die 240 Prüfkörper jeder Holzart bestanden aus zwei Teilstichproben mit jeweils 120 Prüfkörpern, die sich in Herkunft und Querschnittsmaßen unterschieden. Für jeden Prüfkörper wurden die Holzfeuchte, die Biegefestigkeit, der Elastizitätsmodul und die Rohdichte bestimmt.
Ableitung der Festigkeits- und Steifigkeitskennwerte Die Versuchsergebnisse wurden nach EN 384 im Hinblick auf die Bezugshöhe bei Biegung und die Holzfeuchte korrigiert. Aus den korrigierten Werten wurden die charakteristischen Werte der Rohdichte, der Biegefestigkeit und des Elastizitätsmoduls parallel zur Faser berechnet. Die übrigen Eigenschaften, ebenfalls nach EN 384 berechnet, resultierten in einem vollständigen Festigkeitsprofil für jede Holzart. Diese Werte sind in den Tabellen 1 bis 4 dieser Broschüre enthalten. Die charakteristischen Werte werden für die Bemessung mit Teilsicherheitsbeiwerten nach Eurocode 5 oder nach DIN 1052:2004 benötigt. Solange DIN 1052:1988 noch nicht zurückgezogen ist, werden zulässige Spannungen für die Bemessung verwendet. Diese sind ebenfalls in den Tabellen 1 bis 4 enthalten.
Normen und Literaturnachweis EN 1990
Eurocode: Grundlagen der Tragwerksplanung
EN 1991
Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke
EN 1995
Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten
EN 338
Bauholz für tragende Zwecke – Festigkeitsklassen
EN 350-2
Dauerhaftigkeit von Holz und Holzprodukten - Natürliche Dauerhaftigkeit von Vollholz - Teil 2: Leitfaden für die natürliche Dauerhaftigkeit und Tränkbarkeit von ausgewählten Holzarten von besonderer Bedeutung in Europa
EN 384
Bauholz für tragende Zwecke - Bestimmung charakteristischer Werte für mechanische Eigenschaften und Rohdichte
EN 408
Holzbauwerke - Bauholz für tragende Zwecke und Brettschichtholz Bestimmung einiger physikalischer und mechanischer Eigenschaften
EN 518
Bauholz für tragende Zwecke, Sortierung - Anforderungen an Normen über visuelle Sortierung nach der Festigkeit
EN 1194
Holzbauwerke - Brettschichtholz - Festigkeitsklassen und Bestimmung charakteristischer Werte
DIN 1052
Ausgabe: 1988-04 Holzbauwerke einschließlich Änderungen A1:1996
DIN 1052
Ausgabe:2004-08 Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken - Allgemeine Bemessungsregeln und Bemessungsregeln für den Hochbau
BS 5756
British Standard - Specification for visual strength grading of hardwood = Spezifikation für die visuelle Sortierung der Festigkeit von Laubholz
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Herausgegeben vom American Hardwood Export Council © 2006 American Hardwood Export Council 3 St Michael’s Alley London EC3V 9DS United Kingdom f +44 (0)20 7626 4222 e structural@ahec.co.uk www.ahec-europe.org www.sustainablehardwoods.info
Die Hinweise und Empfehlungen in dieser Broschüre sollten von den Nutzern stets im Hinblick auf die Besonderheiten des betrachteten Falls bewertet werden. Falls notwendig, sind Spezialisten zu konsultieren. Obwohl diese Broschüre mit größtmöglicher Sorgfalt zusammengestellt wurde, wird keinerlei Haftung für etwaige Fehler im Inhalt dieser Broschüre durch Ove Arup and Partners Ltd, durch Blaß & Eberhart oder durch den American Hardwood Export Council übernommen.