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Mehrschnittige Stahl-Holz-Verbindungen mit Stabdübeln

Adrian Mischler
Erschienen in
Zuschnitt 11: Rein ins Holz
Oktober - November 2003, Seite 20ff

Aus der Sicht des Bauingenieurs haben Verbindungen in erster Linie den Anforderungen in Bezug auf Tragsicherheit (Festigkeit) und Gebrauchstauglichkeit (Steifigkeit) zu genügen. Bei sichtbar bleibenden Tragwerken kommt der Ästhetik große Bedeutung zu. Die Hauptaufgabe besteht demnach darin, konstruktive Lösungen 
zu finden, die sowohl ästhetischen Anforderungen genügen als auch solchen nach Dauerhaftigkeit und Wirtschaftlichkeit.


Leistungsfähige Stabdübelverbindungen
Im Ingenieurholzbau haben sich mehrschnittige Stahl-Holz-Verbindungen mit Stahllaschen in mehrfach eingeschlitzten Hölzern und durchlaufenden Stabdübeln besonders bewährt. Die Stahlteile sind vollständig in das Holz eingelassen, was einerseits ästhetisch befriedigende Verbindungen, andererseits auch für den Brandschutz große Vorteile ergibt, da außenliegende Stahlteile im Falle eines Brandes sehr rasch an Festigkeit verlieren. Werden Stahlteile in den Verbindungen durch die Holzüberdeckung vor dem Feuer geschützt, führt dies zu größerem Feuerwiderstand der ganzen Verbindung. Das Herstellen von Stabdübelverbindungen gehört zum Standardprogramm jedes Holzbaubetriebes. Das "Problem" beim Zusammenbringen von Holz und Stahl liegt in der millimetergenauen Fertigung der Bohrungen. Grundsätzlich können zwei Verfahren angewandt werden:

Methode 1: 
Holz und Stahl werden jeweils für sich durchbohrt. Dies geschieht entweder mit dem Nenndurchmesser des Stabdübels oder, besser, das Holz mit dem Nenndurchmesser und der Stahlteil mit Nenndurchmesser +1mm.
Bei der Herstellung der Verbindungen werden zunächst die Holzteile geschlitzt und die Bohrungen für die Verbindungsmittel werden sowohl im Holz als auch in den Stahllaschen ausgeführt. Das Holz wird passend vorgebohrt, so dass zwischen dem Holz und dem Stahlstift eine Klemmwirkung entsteht. Stabdübel müssen deshalb nicht zusätzlich mit Köpfen und Muttern gesichert werden. Danach wird die Verbindung zusammengestellt. Die Stahllaschen werden in die Schlitze eingelegt, dann die Stabdübel in das Holz und durch die Löcher der Stahllaschen getrieben. Der Nachteil dieser Verbindungsart liegt darin, dass Holzteile und Stahllaschen separat und mit hoher Genauigkeit vorgebohrt werden müssen. Daher werden dafür vielfach CNC- gesteuerte Abbundanlagen mit hochpräzisen Bohraggregaten eingesetzt.
Ein typisches Beispiel für mehrschnittige Stahl-Holz-Verbindungen ist die BSB-Verbindung (Blumer-System-Binder Abb. 1). Sie wurde vom Schweizer Ingenieur Hermann Blumer insbesondere für den Einsatz in Fachwerkbindern entwickelt. Die Anordnung der Stahllaschen und der Stabdübel (ausschließlich solche mit einem Durchmesser von 6,3mm) ist streng typisiert, was zum rationellen Entwurfs- und Produktionsprozess der Verbindungen führt. 

Methode 2: 
Holz und Stahl werden gleichzeitig durchbohrt (mit dem Nenndurchmesser des Stabdübels). 
Diese Methode liefert - entsprechende Spezialvorrichtung und erforderliche Spezialbohrer vorausgesetzt - das genaueste und schnellste Ergebnis. Die professionelle Anwendung dieser Methode ist mittlerweile mit zwei sehr unterschiedlichen Systemem möglich: Mit dem Merk-Kombibohrverfahren MKB und mit dem Befestigungssystem WS der Schweizer Firma SFS intec. Das Verfahren der Firma Merk besteht aus einer kräftigen Handbohrmaschine und einem stabilen Bohrständer, der auf einer Vakuumsaugplatte befestigt ist. Sie lässt sich mit jedem Baustellen-Kompressor verwenden. Die Vorteile des Systems: Die Bohrungen lassen sich auf der Baustelle genauso wie in der Werkstatt ausführen. Mit jeder Bohrung wird eine passgenaue Verbindung hergestellt. Die Verbindungen sind nicht nur in statischer Hinsicht, sondern auch vom Aussehen her sauber. Kleinere Bautoleranzen und Maßabweichungen auf der Baustelle lassen sich problemlos ausgleichen. Stahl-Holz-Verbindungen mit Stabdübeln können überwiegend nur von Holzbauunternehmen hergestellt werden, die über spezielle CNC-gesteuerte Abbundanlagen verfügen. Die hohen Investitionen in solche Anlagen amortisieren sich nur, wenn viele Konstruktionen mit diesem Verbindungstyp hergestellt werden. Für Holzbauer, die nur gelegentlich Fachwerke mit Stahl-Holz-Stabdübelverbindungen produzieren, mussten also neue Lösungen gefunden werden: 
die Stahl-Holz-Verbindung mit selbstbohrenden Stabdübeln ist eine davon.

Stahl-Holz-Verbindungen mit selbstbohrenden Stabdübeln
Die Verwendung dieses neuartigen Verbindungsmittels bietet eine elegante Lösung der zuvor genannten Nachteile. Die Herausforderung bestand in der Entwicklung eines Stabdübels mit einer Bohrspitze, der in einem einzigen Arbeitsgang durch das Holz und durch drei Stahllaschen hindurch bohren kann. Mit dem Verbinder SFS WS (Abb. 2) der Firma SFS Stadler AG und einem Setzgerät können mehrschnittige Stahl-Holz-Verbindungen mit einer hohen Passgenauigkeit hergestellt werden. Die Stabdübel bestehen aus Kohlestoffstahl und sind in Durchmessern von 5mm und 7mm erhältlich.

Die Holzteile werden zur Aufnahme der Stahlbleche mit Schlitzen (Schlitzbreite 6mm) versehen. In die eingeschlitzten Bauteile werden die 5mm dicken Stahlbleche eingesetzt. Die selbstbohrenden SFS WS Stabdübel werden in das Holz und durch maximal drei Stahlbleche der Stärke 5mm getrieben (Abb. 3). Alle Stabdübel werden normalerweise von der gleichen Seite versetzt, so dass die Konstruktion während der Herstellung nicht gewendet werden muss. Jeder Dübel wird nur so weit eingedreht, dass das Schneidplättchen unsichtbar im Holz bleibt. Das Holz wird nicht durchstoßen, da die Länge der Stabdübel inklusive Bohrspitze 7mm kürzer ist als die Holzbreite, bleibt also unverletzt und somit für den sichtbaren Einsatz geeignet. Insbesondere für die Herstellung von Fachwerken mit sehr vielen Stabdübeln wurde das Rahmen-Setzgerät CF WS-P mit einem pneumatischen Vorschub entwickelt (Abb. 4). Das Setzgerät, das für den Fertigungsbereich werkseits entwickelt wurde, ist mit einer leistungsstarken Antriebsmaschine, einer Führung für die Stabdübel und einem Tiefenanschlag ausgerüstet. In der Regel werden die Stabdübel plan oder leicht versetzt eingedreht. Durch den Tiefenanschlag können die Stabdübel auch gleichmäßig tieferliegend (Brandschutz) versetzt werden.

Tragverhalten der Verbindungen 
Das Tragverhalten von mehrschnittigen Stahl-Holz-Verbindungen wurde an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich eingehend untersucht. Dadurch konnte die Auslegung der Verbindung (Stabdübeldurchmesser, Abstand zwischen den Stahllaschen, Anordnung der Stabdübel) optimiert werden. Idealerweise tritt das Versagen der Verbindung nicht spröde (verformungslos) ein. Das Versagen soll vielmehr durch große Verformungen angekündigt werden und duktil*) erfolgen. So sind bei einer örtlichen Überbelastung der Konstruktion Lastumlagerungen möglich. Holz ist unter Zugbeanspruchung ein sprödes Material, deshalb müssen die Verformungen in den Verbindungsmitteln aus Stahl erfolgen. Im Abb. 5 ist eine nach der Belastungsprüfung im Labor geöffnete Verbindung zu sehen. Die großen Verformungen der Verbindungsmittel sind deutlich sichtbar. 

Zusammenfassung

Mehrschnittige Stahl-Holz-Verbindungen mit Stabdübeln weisen insbesondere für größere Brettschichtholzquerschnitte eine hohe Tragfähigkeit auf. Mit solchen Verbindungen ist es möglich, weitgespannte Tragkonstruktionen aus Holz auszuführen und die Konkurrenzfähigkeit des Baustoffes Holz gegenüber anderen Baustoffen wie Stahl zu verbessern. Weil die Stahllaschen und die Verbindungsmittel vollständig in die Holzteile eingelassen werden, können mit diesen Verbindungen gestalterisch und ästhetisch anspruchsvolle Konstruktionen ausgeführt werden. Die Verbindungen werden im Werk hergestellt, was zu einer modernen und effizienten Montagebauweise auf der Baustelle führt. Mit den neuen selbstbohrenden Stabdübeln ist es zudem möglich, diese Verbindungsart ohne vorgängiges Vorbohren der Stahllaschen und der Holzteile herzustellen.

Anwendungen der WS-Verbindungen
In der Schweiz wurden bereits mehrere Fachwerke mit WS-Verbindungen ausgeführt. Ganz aktuell: Auch in Vorarlberg ist eine neue Sporthalle in Bau, die die Vorteile von selbstbohrenden Stabdübeln nützt. 



      

Abb. 1: Mehrschnittige Stahl-Holz-Verbindung vom Typ BSB
Abb. 2: Selbstbohrender Stabdübel vom Typ WS-T-7 der Firma SFS Stadler AG
Abb. 3: SFS WS Verbindungssystem
Abb. 4: Rahmen-Setzgerät CF WS-P
Abb. 5: Nach der Prüfung aufgetrennte Verbindung

*) duktil bedeutet, dass das Versagen eines Werkstoffes oder einer Verbindung erst nach größeren plastischen Verformungen erfolgt. Ein duktiles Versagen steht im Gegensatz zu einem spröden Versagen, das ohne Verformung passiert.

Text

Adrian Mischler
  • geboren 1965 in Bern
  • Studium zum Bauingenieur an der Ecole Polytechnique Fédérale (EPF) Lausanne
  • 1993 - 99 Assistent bei Professor Ernst Gehri am Institut für Holztechnologie der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich
  • Forschungsaufenthalt an der University of British Columbia in Vancouver, Kanada
  • 1999 - 2002 Oberassistent für Holzbau am Institut für Baustatik und Konstruktion der ETH Zürich.
  • Professor für Baustatik und Konstruktion an der Hochschule Rapperswil, Schweiz

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