Entwicklung eines Berechnungsmodells zur Beschreibung des Trag- und Verformungsverhaltens von Holzrahmenwänden unter Berücksichtigung lokaler Effekte

Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung eines Berechnungsmodells, mit welchem die Steifigkeit und die Tragfähigkeit von Holzrahmenwänden mithilfe von allgemein verfügbaren Elementtypen möglichst exakt beschrieben werden kann. Dabei soll untersucht werden, inwieweit zum Erreichen des Ziels auf experimentelle Untersuchungen vollständig verzichtet werden kann.In Kapitel 1 werden die Hintergründe beschrieben, weshalb bei der Bemessung gegenüber Erdbebenbeanspruchungen eine Unterschätzung der Tragfähigkeit und eine Überschätzung der Steifigkeit von Holzrahmenwänden nicht zwangsläufig zu "auf der sicheren Seite liegenden" Ergebnissen führt. In Kapitel 2 werden unterschiedliche Bemessungsverfahren für Holzrahmenwände vorgestellt und die Ergebnisse mit Versuchsergebnissen verglichen.Eine erste Literaturrecherche gibt einen Überblick über die Entwicklungen bei der FE-Modellierung von Holzrahmenwänden und es werden unterschiedliche Ansätze vorgestellt (vgl. Kapitel 3). Es wird deutlich, dass bei der Verwendung von globalen Federelementen, welche vollständige Holzrahmenwände abbilden, grundsätzlich Versuche an Wandelementen notwendig sind. Werden die einzelnen Verbindungsmittel mithilfe von lokalen Federelementen modelliert, werden entweder die Tragfähigkeiten der Wandelemente überschätzt (bei karthesischen Federpaaren) oder die benötigten Federelemente sind in gängigen Berechnungsprogrammen nicht verfügbar (bei orientierten Federelementen). Aus diesen Gründen wird ein neues FE-Modell entwickelt, welches die Verbindungsmittel mithilfe von lokalen Balkenelementen (VM-Elemente) abbildet, die in allen gängigen FE-Programmen verfügbar sind (vgl. Kapitel 6). Die benötigten Materialkennwerte und Parameter basieren auf den charakteristischen Werten aus Normen und Zulassungen. Wenn Versuche an Verbindungsmitteleinheiten vorliegen, können die dort erreichten, höheren Tragfähigkeiten mithilfe eines Überfestigkeitsbeiwertes berücksichtigt werden.Zur Validierung des Berechnungsmodells wurde eine zweite Literaturrecherche zu experimentellen Untersuchungen an Verbindungsmitteleinheiten, Verankerungsdetails und Holzrahmenwänden durchgeführt (vgl. Kapitel 4). Bei den Verbindungsmitteleinheiten und Holzrahmenwänden wird deutlich, dass in der Vergangenheit zwar eine Vielzahl an Versuchen durchgeführt wurde, dass aber auch eine sehr große Bandbreite an möglichen Versuchsaufbauten, verwendeten Materialien und deren Eigenschaften existiert. Große Unterschiede existieren im internationalen Vergleich auch bei der Art der Verankerung, wobei Verankerungsdetails bisher kaum untersucht wurden. Somit ist eine Vergleichbarkeit der Versuchsergebnisse, trotz der Vielzahl an Veröffentlichungen zu dieser Thematik, nur sehr eingeschränkt möglich. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen des Forschungsprojekts Optimberquake eigene Versuche an Verbindungsmitteleinheiten, Verankerungsdetails und Holzrahmenwänden durchgeführt (vgl. Kapitel 5), bei denen der Schwerpunkt auf die, im mitteleuropäischen Raum üblichen Wandkonfigurationen und eine praxisnahe Verankerung gelegt wurde. Außerdem wurden die lokalen Verformungen in den einzelnen Bauteilen mithilfe eines optischen Messsystems erfasst, so dass neben dem Vergleich der globalen Last-Verformungskurven auch die lokalen Effekte in den einzelnen Bauteilen anhand der experimentellen Untersuchungen validiert werden konnten.Die Ergebnisse zeigen, dass das vorgestellte FE-Modell sehr gut geeignet ist, um das Trag- und Verformungsverhalten von Holzrahmenwänden unter monotonen Beanspruchungen abzubilden. Unter Verwendung eines Überfestigkeitsbeiwertes, der direkt aus Versuchen an Verbindungsmitteleinheiten abgeleitet wird, erreicht das Modell Tragfähigkeiten, die dicht an den Ergebnissen aus den Wandversuchen liegen. Bei der Verwendung von charakteristischen Materialkennwerten liegen die Ergebnisse über den Werten, die bei einer Bemessung nach dem Schubfeldmodell erreicht werden. Darüber hinaus kann die Steifigkeit der Wandelemente für den vorwiegend elastischen Anfangsbereich sehr gut abgebildet werden. Auch die lokalen Verformungen in den einzelnen Bauteilen lassen sich mithilfe des FE-Modells sehr gut zuordnen.Um die Zielsetzung eines FE-Modells mit allgemein verfügbaren Elementtypen, ohne die Notwendigkeit einer Durchführung von experimentellen Untersuchungen vollständig erreichen zu können, wäre die Verfügbarkeit von Überfestigkeitsbeiwerten in einer Datenbank wünschenswert. Weitere Untersuchungen könnten hier sowohl die Bandbreite an Versuchskonfigrationen erweitern als auch durch eine größere Versuchsanzahl die statistische Absicherung der Werte optimieren. Da die Validierung gezeigt hat, dass das FE-Modell auch die lokalen Effekte zutreffend abbildet, könnten mithilfe des FE-Modells außerdem die Beanspruchungen der Bauteile bei einer asymmetrischen Verankerung und Wandelementen mit Öffnungen hinsichtlich möglicher kritischer Stellen näher untersucht werden.