03 Nov 2022

Tragverhalten mehrgeschossiger Holzbau – Tragverhalten und adaptive Steifigkeit von Holzrahmenwänden für erdbebengerechte Gebäudeaussteifung im mehrgeschossigen Holzbau

WHFF Projekt 2019.07

Projektleitung: Martin Geiser

 

Das Wichtigste in Kürze

  • Die Machbarkeit des Ansatzes „Wände mit Öffnungen und adaptiver Steifigkeit“ wurden mit Hilfe FEM-Simulationen (Finite Elemente Methode) und 1/1-Versuche an Wänden mit Öffnungen untersucht um Aussagen über Steifigkeit, Tragwerksverhalten und Duktilität zu ermöglichen
  • Es wurde festgestellt, dass Wände mit Öffnungen realisiert werden können und es möglich ist die Steifigkeit der Wandscheibe in einem FE-Modell gut abzubilden
  • Allerdings hat sich die adaptive Steifigkeit als nicht machbar für die Praxis erwiesen. Die Streuung der ist sehr gross, woraus folgt, dass Wände mit Verstärkung der richtige Weg für die Berücksichtigung von Bereichen mit Öffnungen sind
  • Die Dämpfung von Holzrahmengebäuden ist ein weiterer wichtiger Ansatzpunkt für die kosteneffiziente und erdbebengerechte Gebäudeaussteifung im Holzbau

 

Projektbeschreibung

Erdbebengerechtes Bauen ist aus technischer, normativer und juristischer Sicht Pflicht. Eine Untersuchung der Berner Fachhochschule BFH zum Thema „Relevanz der Bemessungssituation Erdbeben in Schweizer Holzbau“ hat gezeigt, «dass für Wohnbauten in Holzbauweise, trotz schwacher bis mittlerer Seismizität in der Schweiz, die Bemessungssituation Erdbeben sehr oft massgebend ist und für die Bemessung zwingend zu berücksichtigen ist, wie dies auch die SIA-Tragwerksnormen vorschreiben».

Die für die Erdbebenbemessung in der Norm SIA 261:2020 neu eingeführten Antwortspektren sowie die neue Erdbebenzone Z1b führen dazu, dass für Holzbauten in vielen Fällen noch grössere Erdbebenkräfte anfallen. Mit grosszügigen Räumen im Erdgeschoss und grossen Öffnungen in den Fassaden bildet die zeitgemässe Architektur für den Holzbau eine Herausforderung bezüglich dem Aussteifungskonzept.

Projektziel war, die notwendigen Grundlagen zu erwerben, sodass ein Grossprojekt, welches in der Holzbaubranche breit abgestützt und unterstützt ist, lanciert werden kann. Das vorliegende Projekt dient dazu, die Machbarkeit des Ansatzes „Wände mit Öffnungen und adaptiver Steifigkeit“ dank entsprechender Dokumentation, d.h. FEM-Simulationen und v.a. 1/1-Versuche an Wänden mit Öffnungen, überzeugend aufzuzeigen. Übergeordnet soll das Projekt den Einsatz von Holz als erdbebensicheren Baustoff fördern und die Wissenslücke in Bezug auf Steifigkeit, Tragwerksverhalten und Duktilität von Wänden mit Öffnungen schliessen.

 

Schlussfolgerungen

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass Wände mit Öffnungen realisiert werden können. Des Weiteren ist es möglich die Steifigkeit der Wandscheibe in einem FE-Modell (Finite Elemente) gut abzubilden.

Wände mit C-förmigen Beplankungsplatten aus OSB haben sich aus mehreren Gründen als nicht praxistauglich erwiesen. So ist die Leistungsfähigkeit von Wänden mit C-Platten ohne adaptive Steifigkeit auf Designniveau, besonders bei grösseren Öffnungen, nicht genügend hoch. Des Weiteren hat sich die adaptive Steifigkeit als nicht machbar für die Praxis erwiesen. Die Streuung der Rissvorhersage in der OSB Platte ist sehr gross. Dadurch ist die Resttragfähigkeit, nachdem rechnerisch sichergestellt ist, dass der Plattenriss erfolgt ist, nicht mehr genügend hoch. Zudem ist zu berücksichtigen, dass die Streuung des Plattenrisses noch grösser werden würde, wenn Platten verschiedener Hersteller für die Ermittlung des Risswertes berücksichtigt würden. Daraus folgt, dass Wände mit Verstärkung der richtige Weg für die Berücksichtigung von Bereichen mit Öffnungen sind. Als Verstärkungen sind sowohl Windrispenbänder als auch Furnierschichtholzstreifen möglich. Zur Auswahl zwischen diesen beiden Möglichkeiten sind Betrachtungen zur Bemessung im Brandfall hinzuzuziehen.

Wände mit Öffnungen nur in den Randpfosten zu verankern, ist unter Berücksichtigung gewisser Vorgaben machbar. Durch die Schwellenverformung muss eine Schubverankerung gefunden werden, welche sehr weich gegenüber vertikaler Verformung ist. Für die weitere Forschungsarbeit ist zu beachten, dass bei Prüfungen jegliche Verankerungen eingebaut werden müssen. Für Wände mit Öffnungen ist es nicht zielführend, die Wand mit der Schwelle zur Schubkraftübertragung anzustossen. Für jegliche Berechnungsmodelle, welche durch Prüfungen abgeglichen werden, muss die Zugankersteifigkeit experimentell bestimmt werden. Dasselbe gilt ebenfalls für die einzusetzenden Schubverankerungen. Ferner muss durch eine grössere Vorspannung oder andere geeignete Massnahmen Schlupf im Zuganschluss verhindert werden.

Die Dämpfung von Holzrahmengebäuden ist ein weiterer wichtiger Ansatzpunkt für die kosteneffiziente, erdbebengerecht Gebäudeaussteifung im Holzbau. Die Untersuchungen im Rahmen dieser Studie konnten keinen Beitrag dazu leisten die Dämpfung von Holzrahmenbauten genauer festzulegen. Nichts desto trotz sollte diese Thematik weiter untersucht werden. Für weitere Ausschwingprüfungen konnten zwei Empfehlungen abgegeben werden. Zum einen muss ein neuer Auslösemechanismus entwickelt werden. Dafür sind Scher- und Zugbolzen von besonderem Interesse. Es muss ein spröder Stahl verwendet werden, dadurch erfolgt der Lastabfall ohne grosse Verzögerung. Des Weiteren erscheinen lange und wenig hohe Versuchsaufbauten aufgrund der kurzen Grundschwingzeit als nicht geeignet für diese Art von Untersuchungen.

In Folgeuntersuchungen sollte der Versagensvorhersage des Ständerwerkes erhöhte Beachtung geschenkt werden. Zur Validität der FE-Modelle bezüglich der Versagenskraftvorhersage des Ständerwerks konnte keine Aussage gemacht werden.

 

Das Projekt wurde von der Wald- und Holzforschungsförderung Schweiz WHFF-CH des Bundesamt für Umwelt BAFU unterstützt.

INFORMATION: Der Schlussbericht wurde nicht der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.
Wir bitten um Verständnis, dass wir auch hier den Schlussbericht nicht veröffentlichen dürfen.
Für weitere Informationen besuchen Sie bitte die Forschungsdatenbank ARAMIS. 

 

 

ARAMIS