Moderne und hochbeanspruchte Holzverbindungen
Aktuelle Technologien und Methoden

Eine Typologie der Verbindungen kann hinsichtlich des Tragmechanismus der Verbindungen unterschieden werden, der durch Kraftübertragung entweder über einen Kontakt der Holzelemente oder über Befestigungselemente erfolgen kann. Bei Druckbeanspruchung erfolgt die einfachste und wirksamste Art der Kraftübertragung zwischen zwei Bauteilen über Kontakt. Nicht nur klassische zimmermannsmäßige Verbindungen folgen diesem Prinzip, sondern auch moderne hochbeanspruchte Verbindungen, wie etwa Stützenstöße in Holzhochhäusern. Der Einsatz von steifen Zwischenlagen z. B. aus Hartholz- oder Stahlteilen bietet sich an, um ein gegenseitiges Eindringen der Holzfasern im Stirnholz zu vermeiden, somit die Verformungen zu verringern und den vollen Tragwiderstand zu erreichen.

Moderner Einsatz klassischer Verbindungen

Mit dem verstärkten Einsatz von computergestützten Abbundanlagen können klassische Verbindungen weiterentwickelt und komplexere moderne Holzverbindungen realisiert werden. Durch passgenaue Fertigung und Optimierung der Geometrie, wie etwa einen fein abgestuften Treppenversatz, können Spannungsspitzen vermieden und eine gleichmäßigere Krafteinleitung erreicht werden. Dabei sollten die Kräfte idealerweise über Druck und Schub übertragen werden, wodurch im Vergleich zum reinen Schub ein leicht höherer Tragwiderstand erreicht wird.

Eine große Herausforderung stellt dagegen traditionell die Übertragung von Zugkräften zwischen Bauteilen dar. In reinen Holzverbindungen erfüllen Keilelemente oder Verzahnungen diesen Zweck, wie einige historische Tragwerke eindrucksvoll zeigen. Die unvermeidlichen Querschnittsschwächungen und die an den Querschnittsübergängen auftretenden Spannungskonzentrationen aus Querzug und Schub können zu Rissbildungen und in weiterer Folge zum Versagen führen. Im Holzbau strebt man daher stets danach, getrennte Holzfasern und ganze Bauteile direkt miteinander zu verbinden, und das ohne Querschnittsschwächungen und Spannungskonzentration.

Arten von Verbindungen

Als Mittel der Wahl bieten sich zum einen Verklebungen und zum anderen Verbindungsmittel an, die durch Lochleibung und Scherbeanspruchung oder durch Verzahnung oder Verklebung im Holz verankert werden. Obwohl es Entwicklungen hinsichtlich des Schweißens von Holz gibt, steht dieses für größere Verbindungen in der Praxis noch nicht zur Verfügung.

Die klassischen Stabdübel und andere stiftförmige Verbindungsmittel, die quer zur Schaftrichtung beansprucht werden und die Kräfte infolge von Lochleibung im Holz und Biegung im Verbindungsmittel übertragen, sind auch für moderne und hochbeanspruchte Verbindungen bestens geeignet. Optimiert werden Tragwiderstand, Tragverhalten und Effizienz durch die geschickte Wahl der Durchmesser und Stahlfestigkeiten der Verbindungsmittel sowie der Anordnungen der Scherfugen mit eingeschlitzten Blechen und erforderlichen Holzdicken. Dabei sollten Toleranzen vermieden werden und die Verbindungsmittel im Holz und in den Stahlblechen passgenau sitzen.

Mit Schrauben können Zugkräfte in Schaftrichtung übertragen werden. Als Tragmechanismen fungieren der Kontakt und die Verzahnung des im Holz eingeschnittenen Schraubengewindes. Die Kraft wird über Schub ins Holzbauteil eingeleitet. Wird die Schraube unter einem ausreichend großen Winkel (typischerweise größer als 30 Grad) zu den Holzfasern eingebracht, verzahnen sich diese mit dem Schraubengewinde und die Beanspruchung verteilt sich auf eine Vielzahl von Fasern. Das führt zu einer gewissen Duktilität im Ausziehverhalten der Schrauben und zu größerer Dauerhaftigkeit auch bei feuchteinduzierten Spannungen infolge von Quellen und Schwinden des Holzes. Parallel zur Faserrichtung des Holzes eingebrachte Schrauben können ausreißen, wenn es zu einem Schubversagen entlang der Holzfasern kommt. Begünstigt wird dies durch das Einschneiden des Schraubengewindes im Holz. Durch besondere Maßnahmen können ein hoher Tragwiderstand und eine gute Dauerhaftigkeit erzielt werden. Wird die Kraft in ausreichendem Abstand vom Hirnholzende eingeleitet, verringert dies die Spannungskonzentration im Hirnholz und das Risiko einer Aufspaltung.

Durch eine Verklebung von Bauteilen können Kräfte nicht durch Kontakt, aber durch Adhäsion übertragen werden. Dabei wird vor allem die hohe Schubfestigkeit der Klebverbindungen etwa in Keilzinkenverbindungen, Flächenverklebungen oder bei eingeklebten Stahlstäben oder Lochblechen ausgenutzt. Anders als Schrauben schneiden faserparallel eingeklebte Stahlstäbe nicht in die Holzfasern ein. Neue Klebstofftechnologien ermöglichen darüber hinaus die stirnseitige Verklebung von Holzbauteilen und die direkte Übertragung von Zugkräften. Es ist dabei besonders herausfordernd, das vollständige Aushärten des Klebstoffs und die Qualität des Klebprozesses zu gewährleisten.

Zum Tragverhalten von Verbindungen

Das Tragverhalten einer Verbindung kann vereinfacht durch den Tragwiderstand, die Steifigkeit und das Verformungsvermögen beschrieben werden. Holz zeigt unter Zug- und Schubbeanspruchung ein linear elastisches Verhalten bis zum spröden Versagen. Allein unter Druckbeanspruchung zeigt sich ein duktiles Versagen. In auf Zug oder Abscheren beanspruchten Verbindungen kann nur mit metallischen Verbindungsmitteln eine ausreichende Duktilität erzielt werden. Durch sie können die Kräfte zwischen einzelnen Verbindungsmitteln umgelagert werden – innerhalb einer Verbindung und zwischen Verbindungen untereinander. Die Duktilität ist vor allem bei hochbeanspruchten Verbindungen notwendig und ein wichtiger Baustein auf dem Weg zu robusten Tragwerken. Darüber hinaus kann sie zur Energiedissipation, zum Beispiel im Fall von seismischen Belastungen, genutzt werden.

Bei Beanspruchungen im Rahmen der Gebrauchstauglichkeit verhalten sich die meisten Verbindungen annähernd linear elastisch und verformen sich daher bei zunehmender Belastung stärker. Oft sind eine hohe Anfangssteifigkeit und ein ausgeprägtes Verformungsvermögen der Verbindung erwünscht, die Zuordnung eines eindeutigen Fließpunktes und Fließplateaus ist hilfreich. Bei stiftförmigen Verbindungsmitteln kann Reibung in der Scherfuge ein ausgeprägt nichtlineares Tragverhalten bewirken, was die Bemessung deutlich erschwert. Verbindungen können sich unter Belastung ganz unterschiedlich verformen, abhängig von den verwendeten Materialien, der Konfiguration aus Bauteilen und Verbindungsmitteln, aber auch der Art und Dauer der Beanspruchung. Verbindungen mit geneigten Schrauben können deren Zugtragfähigkeit und die damit zusammenhängende hohen Steifigkeit aktivieren. Zugleich verringern sich aber die Duktilität und das Verformungsvermögen der Schrauben. Verbindungen müssen daher sorgfältig geplant und ausgeführt werden, um die notwendige Lastumlagerung und das vorhandene Verformungsvermögen miteinander in Einklang zu bringen.

Geklebte Verbindungen weisen eine sehr hohe Steifigkeit auf, verhalten sich aber als reine Klebverbindungen linear elastisch bis zum Sprödbruch. Da sie kaum Potenzial zur Lastumlagerung haben, kann eine ausreichende Duktilität nur durch die Fließverformung metallischer Verbindungsmittel erreicht werden. Nur eine ausreichende Überfestigkeit des Klebverbundes im Verhältnis zum Fließpunkt der Verbindungsmittel und ein ausreichendes plastisches Verformungsvermögen derselben gewährleisten die gewünschte Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit.

Herausforderungen bei der Konzeption von Verbindungen

Bei der Konzeption von Verbindungen in effizienten Tragwerken gilt es, einen hohen Ausnutzungsgrad des Holzquerschnitts bei gleichzeitig bestmöglichem Tragverhalten zu erreichen. Hohe Kräfte können auf den ersten Blick durch die Wahl großer Verbindungsmitteldurchmesser z. B. in klassischen Stabdübelverbindungen erreicht werden. Große Verbindungsmittel weisen jedoch oft eine geringe Duktilität auf, das Risiko von Sprödbrüchen im Holz muss genau abgewogen werden. Der Holzquerschnitt, der ein Aufspalten oder Ausscheren des gesamten Verbindungsbereichs verhindert, wächst dabei überproportional zum Tragwiderstand des Verbindungsmittels. Die Verbindung wird weniger effizient, weshalb kleinere Verbindungsmitteldurchmesser zu bevorzugen sind.