Zum Verbundverhalten von Vollgewindeschrauben mit großen Einbindelängen beim Einsatz als Bewehrung in Brettschichtholzbauteilen

Ayoubi, Mazen; Trautz, Martin; Raupach, Michael

doi:HT018579935

Zum Verbundverhalten von Vollgewindeschrauben mit großen Einbindelängen beim Einsatz als Bewehrung in Brettschichtholzbauteilen = Bond behaviour of self-tapping screws with continuous threads and long embedment length being used as reinforcement in glue-laminated timber elements

Ayoubi, Mazen

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Mazen Ayoubi

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangVII, 223 S., 119 S. : zahlr. Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak02

Hauptberichter/Gutachter
Trautz, Martin (Thesis advisor) ; Raupach, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-06-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-53064
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/464476/files/464476.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/464476/files/464476.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Verbund (Genormte SW) ; Verbundverhalten (Genormte SW) ; Bewehrung (Genormte SW) ; Brettschichtträger (Genormte SW) ; Lasteinleitung (Genormte SW) ; Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Architektur (frei) ; Lasteinleitungsversuche (frei) ; 3D-fotooptische Verformungsanalyse (frei) ; Vollgewindeschrauben (VGS) (frei) ; Brettschichtholzbauteile (frei) ; bond (frei) ; finite Elemente (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 720

Kurzfassung
Durch das Streben nach filigranen, schlanken Konstruktionen aus umweltfreundlichen und recyclebaren Baustoffen, gewinnen Bauteile aus Holz zunehmend an Bedeutung. Dabei stellt die Bewehrung und Fügung von Holzbauteilen mit selbstbohrenden Vollgewindeschrauben eine innovative, effektive und praktische Methode dar. Hierbei sind selbstbohrende Vollgewindeschrauben (VGS) nicht nur ein Befestigungsmittel, sondern stellen aufgrund ihrer hohen Festigkeit und ihren großen verfügbaren Längen von mehr als 1400 mm ein Basiselement für die Verstärkung und direkte Fügung von Holzbauteilen dar. Bedingt durch den hohen Anteil an Gewindefläche im Verhältnis zum Kernquerschnitt und wegen des kontinuierlichen Verbundes des Vollgewindes mit dem Holz, verfügen VGS über hervorragende Verbundeigenschaften vergleichbar mit denen einer Stahlbetonbewehrung. Auf konzeptioneller Ebene kann die Konfiguration von Schraubenbewehrungen, wie auch ihre überschlägige Berechnung und die Bemessung von Fügungen mittels VGS auf Basis von Stabwerkmodellen erfolgen. Zur Festlegung von Bewehrungsrichtlinien, sowie zur Abschätzung der anteiligen Kraftübertragung in Holz und Stahl oder zu Verankerungs- und Übergreifungslängen – kurz – zur Beschreibung des Verbundverhaltens bei großen Verbund- und Einbindelängen (lp > 20 d), existieren hingegen weder Forschungsergebnisse noch bemessungstechnisch verwertbare Größen. Anhand von experimentellen, theoretischen sowie numerischen Untersuchungen wird das Verbundtragverhalten von Vollgewindeschrauben in Brettschichtholzbauteilen beschrieben. Hierzu werden eigene experimentelle und numerische Untersuchungen zur Überprüfung wichtiger Einflussgrößen auf das Verbundtragverhalten beschrieben. Die experimentellen Untersuchungen umfassen sowohl mehr als 160 Pull-Out Versuche mit unterschiedlichen Winkeln zur Holzfaserrichtung und Durchmesser der Schrauben als auch 84 Lasteinleitungsversuche. Darüber hinaus wird die Feststellung des Einflusses eines Längsrisses sowie einer eingebetteten Schraubenspitze auf das Verbundtragverhalten experimentell ermittelt. Weiterführende dreidimensionale nichtlineare FE-Berechnungen liefern vertiefte Erkenntnisse zu den Lasteinleitungsmechanismen und zum Einfluss der Anisotropie des Holzes auf das Tragverhalten. Anhand der Ergebnisse der Versuche und der FE-Berechnungen lassen sich zudem abgeleitete analytische Beschreibungen des Verhaltens beurteilen und der Verbundspannungsverlauf darstellen. Des Weiteren konnten aufbauend auf den experimentellen Untersuchungen sowie numerischen Simulationen Modelle zur Beschreibung des Verbundverhaltens von Vollgewindeschrauben vorgeschlagen werden. Ziel der Arbeit ist es, unter Berücksichtigung der Anisotropie des Holzes, eine grundlegende Beschreibung des Verbundverhaltens von Vollgewindeschrauben mit großer Einbindelänge zu schaffen. Mit dieser Beschreibung soll eine Basis für die Bemessung von Bauteilen und Fügungen sowie die Ermittlung von Schraubenkonfigurationen im Sinne einer Bewehrungsführung ermöglicht werden.

In regard of future challenges in modern architecture that demand slender and filigree constructions from environmentally, friendly and recyclable building materials, the significance of the timber structures continually increases. The use of self-tapping screws with continuous threads to reinforce and join timbers and glue-laminated elements represents an effective, simple and economic method. The high withdrawal resistance of the screws as well as its continuous bond with the wood enables an effect similar to steel reinforcement in concrete structures. The presented thesis aims at precisely describing the flexible bond behaviour and predicting the force transfer of the screws in glue-laminated elements as well as deriving design rules that enable the safe application of the screws as reinforcement in timber elements. Various parameters affect the bond behaviour of the screws and are described in own experimental and numerical investigations. The experimental investigations are comprised of over 160 pull-out tests with long embedment length and over 84 load distributions tests. The pull-out tests cover different angles to the grain and various screw diameters. Furthermore, they display the effect of the longitudinal cracks in the surrounding wood on the force transfer as well as the effect of the screw tip. The load distribution tests inform about the load transfer and the load distribution angles of the screw in timber in combination with different parameters. Continuative three-dimensional nonlinear FE-analyses provide deep insight into the load transfer mechanisms and the influence of the anisotropy of the material as well as the angle to the grain, and the anchorage length of the screws. Through various analysis of the bond behaviour between screws and wood, the experimental investigations form the basis for the calibration and evaluation of the numerical models. Herewith, a detailed knowledge of the force transfer mechanisms, in which the force within the screw changes along its length, as does the force in wood embedment, is essential to ensure an economic and safe design of the reinforced timber elements. This thesis allows an overall description of the bond behavior of self-tapping screws with long embedment length in different angles to the grain. With the proposed approaches, the anchorage length can be designed safely even if the screws drilled parallel to the grain. Furthermore, the influence of longitudinal cracks on the bond behavior can be predicted correctly.

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