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Erdbebensicherheit von CLT-Gebäuden

Projekt SISMO: Eine Zusammenarbeit zwischen Stora Enso, Simpson Strong Tie und der Universität von Minho

Da CLT von Stora Enso auch in Südeuropa und Asien immer populärer wird, kommt der Erforschung des Tragverhaltens von CLT bei Erdbebenbeanspruchung eine immer größere Bedeutung zu. Stora Enso hat bis heute an zahlreichen unterschiedlichen europäischen Forschungsprojekten zur Erdbebenbeständigkeit von Gebäuden aus CLT teilgenommen. Neben diesen europäischen Forschungsaktivitäten arbeitet Stora Enso auch mit Universitäten und anderen Unternehmen zusammen, um weitere Erkenntnisse zur Materie zu gewinnen. Eine dieser Kooperationen war ein SISMO-Projekt, das mit Unterstützung der Professoren Jorge Branco und Hélder Sousa von der Universität Minho in Portugal initiiert wurde.

Das SISMO-Projekt gliederte sich in mehrere Teile, wobei zuerst eine Studie zum Stand der Technik durchgeführt wurde, in der herausgearbeitet werden sollte, welche Informationen zu Materialeigenschaften sowie Auslegungs- und Konstruktionsprozessen schon zur Verfügung standen. Die nächste Phase des Projektes verfolgte einen Ansatz mit stärkerem Praxisbezug. Hier wurden ein theoretisches Modell zur erdbebensicheren Bemessung sowie Labortests zum Verhalten von Verbindungsmitteln durchgeführt – letztere in Zusammenarbeit mit Simpson Strong Tie, einem Unternehmen, das auf Verbindungsmittel für Holzkonstruktionen spezialisiert ist.
Im Labor wurden sowohl Winkel- als auch Zugankerverbindungen auf ihre statische Leistung und ihr Verhalten unter zyklischer Beanspruchung getestet. Winkelverbinder wurden seitlichen und abhebenden Kräften ausgesetzt, bei Zugankern wurde hingegen nur das Verhalten unter Einwirkung von abhebenden Belastungen getestet. Die Tests wurden unter Anwendung von zwei unterschiedlichen Grenzbedingungen durchgeführt: a) starr, mit einer Stahlplatte; b) mit einem Auflager aus Holz. Die getesteten Verbindungselemente entsprechen Winkelverbindern (AE116) und Zugankern (HTT22) von Simpson Strong Tie.
Vor dieser Versuchsreihe wurde ein numerisches Modell anhand einer geringeren Anzahl von Tests kalibriert. Bei Modellversuchen zu den Statiktests fand man heraus, dass das SAWS-Modell (Seismic Analysis of Woodframe Structures) eine zuverlässige Vorausberechnung der Höchstlast des Last-Verschiebungsverhaltens im Vergleich zu den Versuchsergebnissen ermöglichte.
Unter Berücksichtigung der Längenvariation der Wand wurde die Analyse in zwei Kategorien unterteilt: Typ W1 und Typ W2, abhängig von der Art der in den Wandmodellen verwendeten Verbindungselemente. Bei den ersten Wänden (W1) wurden ausschließlich Winkelverbinder als Verbindungselemente zwischen Wand und Fundament verwendet. Bei den zweiten Wänden (W2) wurden hingegen Zuganker für die Eckanschlüsse und Winkelverbinder im Inneren verwendet. In beiden Wandmodellen sind die Eckanschlüsse 0,08 Meter von den Rändern der Wandtafel entfernt. Die Abstände zwischen den innen liegenden Verbindungselementen sind fast gleich groß. Bei allen Modellen wurde eine Senkrechtbelastung von 20,8 kN/m angewandt.
Die Ergebnisse der Modelle belegten, dass die Duktilität bei unterschiedlich langen Wänden tendenziell abnimmt, wenn Zuganker vorhanden sind, während die Tragkraft unter Querbelastung deutlich ansteigt.
Bei Wänden mit einer Länge von einem Meter lag die Verschiebung bei Erreichung der Höchstlast für Wände des Typs W1 bei etwa 147 mm und bei Wänden des Typs W2 bei 90 mm. Das verdeutlicht, dass diese Wände zu stark bemessen waren. Es stellte sich heraus, dass bis zu einer Länge von drei Metern der Einsatz von vier Verbindungselementen zwischen Wand und Fundament optimal ist. Bei Verwendung von fünf Verbindungselementen erhöhte sich die Kapazität der Wände des Typs W1 und W2 mit einer Länge von drei Metern um jeweils 6,5 % und 4 % im Vergleich zu entsprechenden Wänden mit vier Verbindungselementen. Bei Wänden mit einer Länge von vier und fünf Metern kam es bei Verwendung von fünf Verbindungselementen zu einem signifikanten Anstieg von Höchstlast und Anfangssteifigkeit sowie zu einer Verbesserung des Post-Peak-Verhaltens. Bei Wänden mit einer Länge von sechs Metern wird die Verwendung von mindestens fünf Verbindungselementen empfohlen.
Unter Berücksichtigung der veränderlichen Positionierung der Verbindungselemente wurde die Analyse in zwei Kategorien gegliedert – je nach verwendetem Verbindungstyp (Typ A: fünf Winkelverbinder; Typ B: zwei Zuganker mit drei Winkelverbindern) – und weiter in drei Konfigurationen unterteilt. Die Konfigurationen berücksichtigen die Positionen der Winkelverbinder dergestalt, dass:

  • Konfiguration E: der Abstand zwischen den Verbindungselementen ungefähr gleich ist;
  • Konfiguration C: die Winkelverbinder auf der Innenseite der Wand hauptsächlich im Mittelteil der Wand angeordnet sind;
  • Konfiguration S: es nur einen Winkelverbinder im mittleren Teil der Wand gibt und die anderen innen liegenden Verbindungselemente näher zu den Seitenteilen der Wand positioniert sind.

Es wurden zwei unterschiedliche Wandlängen in Betracht gezogen (vier Meter und fünf Meter), mit einer konstanten Höhe von 2,5 Metern und einer Senkrechtbelastung von 20,8 kN/m, die auf die Oberseite der Wand einwirkt.
Die Ergebnisse der parametrischen Analyse in Bezug auf die Positionierung der Verbindungselemente belegen, dass die Traglast bei Wänden des Typs B – verglichen mit Wänden des Typs A – durchschnittlich um 16,9 % ansteigt. Ferner zeigt sich, dass es für beide Typen (A und B) im Durchschnitt zu einem Anstieg von etwa 23 % zwischen Wandlängen von vier und fünf Metern kommt. Ferner geht aus den Untersuchungen hervor, dass Verbindungselemente nicht gehäuft im Mittelteil der Wand angeordnet sein sollten, wohingegen die Kapazität der Wand für diese Art von Belastung maximiert wird, wenn Verbindungselemente näher an den Seitenteilen der Wand positioniert sind.
Durch die Testreihe konnte auch eine Vielzahl an Daten gesammelt werden, die dazu beitragen sollten, die Verwendung von Verbindungselementen in Gebäuden aus CLT von Stora Enso zu optimieren. Das ist vor allem bei der Planung und Auslegung von mehrgeschossigen Holzbauten in Erdbebengebieten ein wesentlicher Faktor. Innerhalb dieses Projektes wurden Leitlinien für eine erdbebensichere Bemessung entwickelt. Stora Enso hat es sich zum Ziel gesetzt, Ingenieuren ein Instrument für das Anfertigen eines baulichen Basisentwurfs in die Hand zu geben, mithilfe dessen sie ihr Gebäude mit CLT von Stora Enso mithilfe eines Online-Tools wie beispielsweise CLTengineer zu entwerfen.
Weitere Tests sollten in einem größeren Maßstab durchgeführt werden, um die theoretischen Modelle so realitätsnah wie möglich zu gestalten. Bei der Modellanalyse hat sich gezeigt, dass aus den durchgeführten Tests wesentliche Informationen und Erkenntnisse abgeleitet werden können, da zur besseren Einschätzung des Schadensverlaufs erhebliche Schäden in einem kontrollierten Laborumfeld herbeigeführt werden. Mithilfe dieser Tests konnten wir auch den Einfluss unterschiedlicher Kombinationen von Verbindungselementen analysieren (Art, Anzahl und Positionierung) sowie den Einfluss unterschiedlicher Platten aus CLT von Stora Enso (Stärke, Querschnitt, Auslegung und Ausrichtung).
Die Arbeit im Bereich der erdbebensicheren Bemessung von Holzkonstruktionen befindet sich in Europa noch im Anfangsstadium, was teilweise daran liegt, dass die Holzindustrie und die meisten Holzbauten in Nord- und Zentraleuropa anzutreffen sind – Regionen, in denen es zu keiner Beeinträchtigung von Tragwerken durch seismische Einwirkungen kommt. In den Ländern Südeuropas und anderen Regionen, die ein erhöhtes Erdbebenrisiko aufweisen, wird jedoch verstärkt mit der Errichtung höherer Gebäude mit CLT von Stora Enso begonnen, weshalb das Thema Erdbebentauglichkeit zusehends an Bedeutung gewinnt. Stora Enso wird diese Arbeit weiter vorantreiben und lädt unterschiedliche Interessensgruppen dazu ein, sich an Forschungsaktivitäten und Informationsaustausch zu beteiligen.