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; Trautz, Martin (Thesis advisor); Raupach, Michael (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

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.