Untersuchungen zum Last-Verformungsverhalten historischer Holztragwerke – Der abgestirnte Zapfen

Ziel der vorliegenden Arbeit ist, das Last-Verformungsverhalten von Verbindungen mit abgestirnten Zapfen durch experimentelle und theoretische Untersuchungen zu untersuchen. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf den Einfluss der Reibung in den Kontaktflächen, die Auswirkungen verschiedener Anschlusswinkel sowie die Beschreibung des nichtlinearen Last-Verformungsverhaltens der Verbindungen gelegt. In Kapitel 2 wurden zunächst die Grundformen historischer Holztragwerke sowie traditioneller Holzverbindungen dargestellt. In den folgenden Kapiteln 3 und 4 wurde der Stand der Forschung zur Entwicklung von Strukturmodellen für historische Holztragwerke und traditionelle Holzverbindungen dargestellt und der Einfluss nichtlinearen Last-Verformungsverhaltens erörtert. Es zeigt sich, dass Verbindungen mit abgestirnten Zapfen häufig verwendet wurden, Untersuchungen darüber jedoch nur in begrenztem Umfang vorliegen. Eine Untersuchung des Last-Verformungsverhaltens von Verbindungen mit abgestirnten Zapfen scheint daher sinnvoll.Es wurden experimentelle Untersuchungen an Verbindungen mit abgestirnten Zapfen durchgeführt, die in Kapitel 5 dokumentiert sind. Als Ergebnis dieser Untersuchungen zeichnete sich ab, dass drei Versagensarten - Abscheren der Lamellen (Rollschubversagen) sowie ein Versagen der Stirn- und Grundflächen der Verbindungen - auftreten können. Auch Reibung in den Kontaktflächen hat offenkundig großen Einfluss auf das Verhalten dieser Verbindungen.Ausgehend von den experimentellen Untersuchungen an Holzverbindungen mit abgestirnten Zapfen wurden zwei mechanische Modelle - das Ingenieurmodell und das Modell mit nichtlinearen Federn - entwickelt um das Last-Verformungsverhalten dieser Verbindungen abzubilden (Kap. 6).Das Ingenieurmodell basiert auf Gleichgewichtsbetrachtungen und der Analyse der lokalen Versagensmechanismen im Bereich des Zapfens der Strebe sowie in der Stirn- und Grundfläche der Verbindungen. Es kann mit Tabellenkalkulationsprogrammen ausgewertet werden. Mit dem Ingenieurmodell kann die Strebenkraft einer Verbindung mit abgestirnten Zapfen abgeschätzt werden, bei der die Verbindung versagt. Dabei werden die drei Bruchmechanismen Rollschubversagen, Versagen der Stirn- und Grundfläche getrennt voneinander betrachtet.Das Modell mit nichtlinearen Federn ist ein Stabwerksmodell, das zur Abbildung des Verhaltens der Verbindungen im Bereich des Zapfens sowie der Stirn- und Grundfläche mit nichtlinearen Federn versehen ist. Das Verhalten dieser Federelemente kann durch nichtlineare Arbeitslinien beschrieben werden, grundlegende Merkmale dieser Arbeitslinien wurden aus dem Ingenieurmodell übernommen. Die Auswertung des Modells mit nichtlinearen Federn erfolgte mit dem Finite-Elemente-Programm ABAQUS. Mit dem Modell mit nichtlinearen Federn kann das Last-Verformungsverhalten einer Verbindung mit abgestirnten Zapfen abgebildet werden, das Modell versagt dabei nach dem maßgebenden der drei Bruchmechanismen.Es zeigt sich, dass der maßgebliche Bruchmechanismus insbesondere vom Anschlusswinkel y abhängt. Bei Verbindungen mit kleinem Anschlusswinkel (y ≈ 30°) tritt ein Versagen an der Stirnfläche auf, bei Verbindungen mit großem Anschlusswinkel (y ≈ 60°) tritt eher ein Versagen an der Grundfläche der Verbindungen auf. Bei Verbindungen mit einem Anschlusswinkel y ≈ 45° tritt ein Rollschubversagen im Bereich der Strebe auf. Dieses Rollschubversagen wird teilweise von einem Versagen an der Stirnfläche überlagert. Beide Modelle bilden diese Versagensarten gut ab, auch die Überlagerung des Rollschubversagens mit dem Versagen der Stirnfläche wird von beiden Modellen gut abgebildet, die Übereinstimmung der Ergebnisse beider Modelle ist gut.Bei beiden Modellen wurde der Einfluss der Reibung in Stirn- und Grundfläche berücksichtigt. Die Größe der Reibungsbeiwerte in der Stirnfläche H = 0,45 und in der Grundfläche V = 0,40 konnten hergeleitet werden.Weiterhin wurde bei beiden Modellen der Einfluss der Reibung in der Stirnfläche auf die Holzfestigkeit (Druck im Winkel zur Faser) berücksichtigt. Im Bereich der Grundflächen wurde beim Modell mit nichtlinearen Federn der Einfluss der Verfestigung des Holzes bei fortschreitenden Dehnungen berücksichtigt.Kapitel 7 enthält Hinweise zur Anwendung, die für die Ingenieurpraxis relevanten Bemessungsschritte werden dargestellt.Eine Weiterführung der Thematik ist wünschenswert. In Ergänzung zur vorliegenden Arbeit wären weitere experimentelle Untersuchungen an Verbindungen mit abgestirnten Zapfen und weiter variierten Anschlusswinkeln  wünschenswert. Weitere Ansatzpunkte für Forschungstätigkeiten wären der Umgang mit dem Phänomen Reibung, insbesondere hinsichtlich des anzusetzenden Sicherheitsniveaus, und dem nichtlinearen Last-Verformungsverhalten der Verbindungen in Strukturmodellen und Standsicherheitsnachweisen. Auch das Phänomen "`Rollschub"' bietet noch ein weites Feld für weitere Forschungstätigkeiten.