Stabförmige Verbindungsmittel im Brandfall. Grundlagenuntersuchungen.

Erscheinungsjahr 2003
ISBN: 978-3-8167-6509-7
Verlag: Fraunhofer IRB Verlag

Buch, Deutsch, 206 Seiten

Konkrete Aussagen über die Tragfähigkeit von Holzverbindungen mit stabförmigen metallischen Verbindungsmitteln im Brandfall waren bisher nur über Versuche möglich. Mit der im Forschungsbericht vorgestellten theoretischen Methode zur Bestimmung des Tragverhaltens konnte eine differenzierte und praxistaugliche Bemessungsmethode für Stabdübelverbindungen erarbeitet werden. Grundlage hierfür waren u.a. thermische Untersuchungen an Modellen nach der Finiten-Elemente-Methode. Das Bemessungsverfahren berücksichtigt die temperaturabhängigen, nichtlinearen Materialeigenschaften des Holzes und des Verbindungsmittels, die Pyrolyse des Holzes und die Verdunstung der Holzfeuchte. Für die mechanische Betrachtung wurde die plastische Theorie von K. W. Johansen für den Brandfall erweitert. Im Teil 2 werden die Brandversuche zur Bestätigung der theoretischen Erkenntnisse behandelt.

Autoren/Hrsg.

Scheer, Claus

Povel, Daniel

Stöhr, Stefan

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis V
Tabellenverzeichnis XIII
Verwendete Bezeichnungen XV
1 Einführung 1
1.1 Problemstellung 1
1.2 Derzeitige Verfahren zur Ermittlung der Tragfähigkeit im Brandfall . . 2
1.2.1 Nationale Regelungen 2
1.2.2 Europäische Regelungen (DIN V ENV 1995-1-2 [23]) 3
1.2.3 Europäische Regelungen (Draft prEN 1995-1-2 [28]) 5
1.2.4 Grundlage der Regelungen 6
1.3 Ziel der Arbeit 7
1.4 Aufbau der Arbeit 7
2 Kenntnisstand - Verwandte Arbeiten 9
2.1 Temperaturverläufe 10
2.1.1 Temperaturverläufe im Holz 10
2.1.1.1 Pyrolyse von Holz 10
2.1.1.2 Abbrandraten und Temperaturen im Holz 15
2.1.2 Temperaturverläufe im Stahl 22
2.1.3 Temperaturverläufe innerhalb von Verbindungen 24
2.2 Tragfähigkeit von stabförmigen Verbindungsmitteln 24
2.2.1 Tragfähigkeit bei Normaltemperatur 25
2.2.2 Tragfähigkeit im Brandfall 27
2.3 Ergebnisse der Literaturrecherche 30
3 Bestimmung der Temperaturverläufe 31
3.1 Theoretische Grundlagen 31
3.1.1 Wärmeleitung (Konduktion) 32
3.1.2 Konvektiver Wärmeübergang (Konvektion) 33
3.1.3 Wärmestrahlung 34
3.1.4 Pyrolyse von Holz 35
3.1.5 Berücksichtigung der Feuchteänderung im Holz 36
3.2 Materialeigenschaften 37
3.2.1 Holz und Holzkohle 37
3.2.1.1 Wärmeleitfähigkeit 38
3.2.1.2 Spezifische Wärmekapazität 39
3.2.1.3 Masseabnahme 40
3.2.1.4 Enthalpie 41
3.2.1.5 Temperaturverläufe 42
3.2.2 Stahl 46
3.2.2.1 Wärmeleitfähigkeit 46
3.2.2.2 Spezifische Wärmekapazität 46
3.2.2.3 Masse 47
3.3 Temperaturberechnungen 48
3.3.1 Verwendete Elemente 49
3.3.2 Randbedingungen 50
3.3.3 Geometrie des FE-Grundmodells 52
3.3.4 Betrachtung eines einzelnen Stabdübels 56
3.3.4.1 Beschreibung der durchgeführten Parameterstudie . 56
3.3.4.2 Ergebnisse für den einzelnen Stabdübel 62
3.3.5 Betrachtung von Stabdübelgruppen 66
3.3.5.1 Angepasstes FE-Modell für die Stabdübelgruppe . . 66
3.3.5.2 Ergebnisse für die Stabdübelgruppen 69
3.3.6 Betrachtung einer zusätzlichen seitlichen Brandbeanspruchung 72
3.3.6.1 Seitliche Brandbeanspruchung quer zur Faser 73
3.3.6.2 Seitliche Brandbeanspruchung parallel zur Faser . . 73
3.3.6.3 Beurteilung der seitlichen Brandbeanspruchungen . 76
3.3.7 Betrachtung weiterer Verbindungsmitteltypen 77
3.3.7.1 Stabdübel mit Überstand 77
3.3.7.2 Passbolzen 79
3.3.7.3 Nägel 80
3.3.7.4 Schrauben 82
3.3.7.5 Vergleich der unterschiedlichen Verbindungsmitteltypen 84
3.3.8 Kontrolle der Ergebnisse 85
3.3.8.1 Kontrolle der Verbindungsmitteltemperaturen 86
3.3.8.2 Kontrolle der Wärmeströme 94
3.4 Ergebnisse der Temperaturberechnungen 97
4 Bestimmung der Tragfähigkeit 99
4.1 Materialeigenschaften 99
4.1.1 Lochleibungsfestigkeit fh,k,f 99
4.1.2 Biegewiderstand des Verbindungsmittels (Fließmoment My,k,f) . 103
4.2 Modelle und Lösungsalgorithmen 105
4.2.1 Grundgedanken zum Aufstellen der Tragmodelle für den BrandfalllO7
4.2.2 Lösungsalgorithmen für zweischnittige Verbindungen 108
4.2.2.1 Versagensfall 1 und Versagensfall 2 111
4.2.2.2 Versagensfall 3 112
4.2.2.3 Versagensfall 4 113
4.2.2.4 Versagensfall X 113
4.2.3 Bestimmung der Tragfähigkeiten mit Hilfe eines EDV-Programmes 115
4.3 Tragfähigkeit von Stabdübelverbindungen 116
4.3.1 Untersuchte Verbindungen 116
4.3.2 Bestimmung der Tragfähigkeiten 117
4.3.3 Ergebnisse der Tragfähigkeitsbestimmung 119
4.4 Beurteilung der Randabstände 120
4.5 Vergleich der berechneten Tragfähigkeiten mit Versuchsergebnissen . . 123
4.5.1 Tragfähigkeiten von Stabdübelverbindungen 124
4.5.1.1 Stabdübelverbindungen mit d 12 mm nach [8, 63] . 124
4.5.1.2 Stabdübelverbindungen mit d = 20 mm nach [8, 63] . 127
4.5.1.3 Stabdübelverbindungen mit d = 10 mm nach [77] 130
4.5.2 Tragfähigkeiten von Bolzenverbindungen 132
4.5.3 Bewertung der Vergleiche mit den Versuchsergebnissen 135
4.6 Vergleich der berechneten Tragfähigkeiten mit den bisherigen Regeln . . 135
4.7 Ergebnisse der Tragfähigkeitsbestimmung 139
5 Bemessungsvorschlag 143
5.1 Konzeption des Bemessungsvorschlages 143
5.2 Tragfähigkeitsreduzierung ? im Brandfall 145
5.3 Normierte Seitenholzdicke t1 und Bemessungsgeraden 151
5.4 Erforderliche Randabstände im Brandfall 155
5.5 Beispiel zur Ermittlung der Tragfähigkeit einer Stabdübelverbindung im
Brandfall 156
5.6 Zusammenfassung und Beurteilung des Bemessungsvorschlages 158
6 Schlussbetrachtungen 161
6.1 Zusammenfassung 161
6.2 Diskussion 163
6.3 Ausblick 164
Anhänge 167
A Tragfähigkeiten Rk,f von Stabdübelverbindungen 167
B Tragfähigkeitsreduzierung ? 177
C Bemessungsverfahren für Stabdübelverbindungen im Brandfall 195
Literaturverzeichnis 199