Herausforderung
Die Holztafelbauweise zeichnet sich durch einen hohen Vorfertigungsgrad, kurze Bauzeiten und einen vergleichsweise geringen Ressourceneinsatz aus. Ihre Anwendung konzentriert sich bislang jedoch überwiegend auf Gebäude mit wenigen Geschossen. Eine Herausforderung für den mehrgeschossigen Holzbau besteht darin, die Tragfähigkeit und Steifigkeit der aussteifenden Wände effizient zu erhöhen, ohne zusätzliche konstruktive Schichten oder Verbindungsmittel vorsehen zu müssen.
Im Forschungsprojekt HELEPOLIS untersuchte man an der RWTH Aachen University daher, inwieweit die im mehrgeschossigen Holzbau ohnehin erforderlichen Brandschutzbekleidungen gemeinsam mit der statischen Beplankung zur horizontalen Aussteifung angesetzt werden können. Hierzu musste das komplexe Zusammenwirken von Holzrippen, mehreren Plattenlagen, nichtlinearen Verbindungsmitteln und Verankerungen experimentell, analytisch und numerisch abgebildet werden.
Lösung
Für die numerischen Untersuchungen wurde ein Finite-Elemente-Modell in RFEM entwickelt. Die Holzrippen wurden mit Stabelementen und die Beplankungs- und Bekleidungslagen mit Flächenelementen modelliert. Das nichtlineare Last-Verformungs-Verhalten der Verbindungsmittel zwischen den Platten und dem Holzrahmen wurde mithilfe von Linienfreigaben beziehungsweise kontinuierlichen Federn berücksichtigt. Als Eingangsgrößen dienten experimentell ermittelte Last-Verformungs-Kurven aus Verbindungsmittelversuchen.
RFEM wurde insbesondere aufgrund der einfachen Definition nichtlinearer Linienfreigaben und der automatischen Netzgenerierung eingesetzt. Dadurch konnten unterschiedliche Wandaufbauten und Verbindungsmittelkonfigurationen effizient untersucht und die numerischen Ergebnisse mit Versuchen an Verbindungseinheiten, Wandtafeln und vollständigen Holztafelstrukturen verglichen werden.
Die Untersuchungen zeigen, dass zusätzliche Plattenlagen und deren Verbindungsmittel die Steifigkeit und Tragfähigkeit von Holztafelwänden wesentlich beeinflussen. Dieser Beitrag ist insbesondere bei der Erdbebenbemessung sicherheitsrelevant und darf weder pauschal vernachlässigt noch ohne geeignete Berechnungsmodelle angesetzt werden. Die Forschungsergebnisse wurden in einen praxisorientierten Bemessungsleitfaden mit ergänzendem Berechnungstool überführt.
Vorteile durch den Einsatz von Dlubal Software
- Effiziente nichtlineare Modellierung — Liniengelenke und verteilte Federn bilden das Verbindungsmittelverhalten direkt auf Basis experimenteller Last-Verformungs-Kurven ab
- Flexible Parameterstudien — Die automatische Netzgenerierung ermöglicht die schnelle Untersuchung verschiedener Wandkonfigurationen und Beplankungsanordnungen
- Validierte numerische Ergebnisse — RFEM-Ergebnisse wurden auf Ebene des Einzelverbindungsmittels, der Wandscheibe und des Gesamttragwerks experimentell bestätigt
- Transfer in die Praxis — Die Modellierungsergebnisse flossen direkt in eine veröffentlichte Bemessungsrichtlinie für die Holzbaupraxis ein
- API-fähige Plattform — Die Dlubal-API ermöglicht die Integration in automatisierte Tragwerksplanungsprozesse — relevant für zukünftige KI-basierte Bemessungstools
