Navigation

Optimiertes Tragwerk für mehrgeschossige Holzbauten

 

Die Konkurrenzfähigkeit von mehrgeschossigen Holzbauten kann durch eine Optimierung des Tragwerks verbessert werden. Die Forschenden untersuchten mittels Experimenten an Verbindungen, Wandelementen und Gebäuden das Verhalten, wie es bei Erdbeben oder Windeinwirkung auftreten kann und entwickelten eine geeignete Bemessungsmethode.

Projektbeschrieb (abgeschlossenes Forschungsprojekt)

Die Forschenden entwickelten speziell für horizontale Beanspruchungen (Wind, Erdbeben) optimierte Tragwerksteile für mehrgeschossige Holzbauten. Der Fokus lag dabei auf Gebieten mit niedriger bis mittlerer Seismizität und moderater Beanspruchung durch Windeinwirkung. Die entwickelten Vorschläge zur Standardisierung der Verbindungen und die Weiterentwicklung der Bemessungs- und Prüfmethoden leisten einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit des Holzbaus gegenüber den konkurrierenden Bauweisen. Neben der verbesserten Wirtschaftlichkeit werden zudem eine grössere Planungssicherheit und höhere Zuverlässigkeit erreicht. Aufgrund der ermittelten Daten aus experimentellen Versuchen an Verbindungen, Wandelementen und Gebäuden können Ingenieure die Steifigkeit, Traglast und Verformungskapazität in der Bemessung verlässlicher schätzen.

Hintergrund

Die Forschenden entwickelten speziell für horizontale Beanspruchungen (Wind, Erdbeben) optimierte Tragwerksteile für mehrgeschossige Holzbauten. Der Fokus lag dabei auf Gebieten mit niedriger bis mittlerer Seismizität und moderater Beanspruchung durch Windeinwirkung. Die entwickelten Vorschläge zur Standardisierung der Verbindungen und die Weiterentwicklung der Bemessungs- und Prüfmethoden leisten einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit des Holzbaus gegenüber den konkurrierenden Bauweisen. Neben der verbesserten Wirtschaftlichkeit werden zudem eine grössere Planungssicherheit und höhere Zuverlässigkeit erreicht. Aufgrund der ermittelten Daten aus experimentellen Versuchen an Verbindungen, Wandelementen und Gebäuden können Ingenieure die Steifigkeit, Traglast und Verformungskapazität in der Bemessung verlässlicher schätzen.

Ziel

Man wollte ein Tragwerksystem für mehrgeschossige Holzbauten entwickeln, das speziell für horizontale Beanspruchung ausgelegt ist, wie sie bei Erdbeben oder Windbeanspruchung auftreten. Die für die Bemessung verwendete Methode ist verformungsbasiert und baut auf den Grundsätzen der Kapazitätstheorie auf: Es werden Zonen des Tragwerks definiert, welche sich bei einem Extremereignis inelastisch verformen, und andere, welche elastisch bleiben. Das Projekt wurde in drei Module gegliedert: In Modul 1 stand das Verhalten von Verbindungen unter zyklischer Beanspruchung im Mittelpunkt, in Modul 2 das Verhalten von Wandelementen und von relevanten, angrenzenden Tragwerksteilen und in Modul 3 das Verhalten des Gesamttragwerks sowie dessen Bemessungsmethode.

Bedeutung/Anwendung

Ein Tragwerksystem für mehrgeschossige Holzbauten, das speziell für Erdbeben oder Windereignisse optimiert ist, wird Holz gegenüber anderen Baustoffen konkurrenzfähiger machen. Die in diesem Projekt anvisierte Standardisierung der Verbindungen und die Weiterentwicklung der Bemessungs- und Prüfmethoden können dazu beitragen, mehrgeschossige Holzbauten zuverlässiger, wirtschaftlicher und planungssicherer zu machen.

Ergebnisse

Die Resultate aus den Versuchen an Verbindungen zeigten, dass die Bemessungsregeln gemäss Eurocode 5 für genagelte und geklammerte Verbindungen zwischen OSB-Platten und Holz bezüglich Einfluss des Kraft-Faserwinkels, der Rand- und Zwischenabstände der Verbindungsmittel und der Berechnung der Traglast überprüft werden sollten. Rüttelversuche an einem mehrgeschossigen Holzrahmenbau mit Holz-Beton-Verbunddecken haben beachtliche Unterschiede in der Tragwerkssteifigkeit zwischen Experiment und Bemessungsmodell gezeigt. Der Grund dafür war, dass die Steifigkeit der aussteifenden Wände und der als nicht-tragend betrachteten Komponenten unterschätzt wurde. Ausserdem wurde im Modell die Reibung nicht berücksichtigt. Diese gängige Annahme in der Bemessungspraxis ist in der Forschung ungeeignet, wenn man Experiment und numerisches Modell korrekt abgleichen will. Es wurden daher Reibungsversuche an Teilen der Tragwände gemacht, um anhand der ermittelten statischen und kinetischen Reibungskoeffizienten das numerische Modell zu verbessern. Man entwickelte angepasste Belastungsprotokolle für zyklische Versuche an Verbindungen und Wandelementen. Diese führen im Vergleich zu Protokollen für Gebiete mit hoher Seismizität zu einer geringeren Anzahl an Lastzyklen und geringeren Anforderungen bezüglich Schadensakkumulation. Dadurch werden für Gebiete mit niedriger bis mittlerer Seismizität wirtschaftlichere Lösungen möglich. Mit Hilfe einer Parameterstudie an Systemen mit einem Freiheitsgrad konnten zudem erste Beziehungen zwischen Verhaltensbeiwert und Duktilität gemacht werden. Diese Beziehungen erlauben die Anwendung der im Stahlbetonbau verwendeten Bemessungsmethode (N2-Methode gemäss Eurocode 8) auch auf Holztragwerke.

Originaltitel

Earthquake resistant wood structures for multi-storey buildings

Projektleitung

  • Dr. René Steiger, Structural Engineering Research Laboratory, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf
  • Prof. Katrin Beyer, Faculté de l’environnement naturel, architectural et construit (ENAC), École polytechnique fédérale de Lausanne
  • Prof. Andrea Bernasconi, Haute École d'Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD), Yverdon

 

 

Weitere Informationen zu diesem Inhalt

 Kontakt

René Steiger Structural Engineering Research Laboratory Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) Überlandstrasse 129 8600 Dübendorf +41 58 765 42 15 rene.steiger@empa.ch