Древесно-бетонный композит

Дерево-бетон композита (арболитовый композит, В) представляет собой метод строительства для несущих конструкций . Созданные таким образом гибридные несущие конструкции также называют древесно-бетонными композитами. Они представляют собой вариант композитной конструкции . Конструкции HBV состоят из деревянного и бетонного компонентов, которые соединены друг с другом с максимально возможным сопротивлением сдвигу с помощью подходящего процесса ( подгонка по форме , склеивание ) или средств соединения (средства механического соединения). . Соединение между деревом и бетоном также известно как клеевое соединение, соединение сдвига или соединение. При изготовлении бетонной детали различают процесс свежего бетона и процесс сборного железобетона.

Деревянная деталь может иметь линейную ( балка , балка ) или плоскую (поперечно- клееный брус, штабель плит) форму. В случае бетонных компонентов наиболее распространенной формой является плоская бетонная плита, поскольку она может действовать как диск жесткости и обеспечивать распределение нагрузки по деревянным компонентам линейной формы. Линейное образование бетонного компонента известно как бетонная полоса. В конструкции однопролетной фермы, которая подвергается изгибающим нагрузкам, бетонный элемент в основном подвергается давлению, а деревянный элемент в основном подвергается растяжению и изгибу. Композитный шов и, следовательно, технология соединения, расположенная здесь между деревянным и бетонным компонентом, уменьшает или предотвращает относительное смещение двух отдельных компонентов. Соответственно, соединение подвергается действию сдвигающей силы, которая должна поглощаться технологией соединения в соответствии с нагрузкой и деформацией.

Применение, области применения и требования

Армированные композитные конструкции используются как при строительстве зданий (новых и существующих), так и при строительстве мостов. Размеры и конструкция отдельных поперечных сечений и композитного соединения зависят от нагрузок и требований. Комбинация и расположение двух поперечных сечений (бетон в верхней трети - подвержен давлению, дерево в нижней трети - подвержен растяжению и изгибу) делают их эффективной и ресурсосберегающей альтернативой обычным потолочным системам, полностью сделанным из дерева. или чистый бетон.

Ремонт, существующие здания, восстановление и старые здания

В рамках ремонта модернизируются и ремонтируются старые потолки из деревянных балок с древесно-бетонным композитом (HBV). Конструкции HBV используются как при охране памятников, так и при приобретении городской жилой площади. Сухие складские помещения, чердачные этажи и антресоли могут быть модернизированы с помощью конструкции HBV и, таким образом, рассчитаны на более высокие нагрузки. Как правило, во избежание протечек вставляется фольга, затем в деревянную деталь вставляются механические крепежные элементы, укладывается основная конструктивная арматура, ограничивающая ширину трещин, и текучий, самоуплотняющийся монолитный бетон (класс консистенции F6). вставлен.

Соединение здесь в основном осуществляется посредством механических креплений и монолитного бетона, поскольку использование сборных деталей невозможно из-за предварительной деформации. С помощью резьбовых соединителей, работающих на срез, потолки старых зданий с пролетом от 4 до 7 м могут быть увеличены до максимальной нагрузки около 5,0 кН / м². Потолки для новых зданий могут изготавливаться с расстоянием между балками примерно до 3,5 м и пролетами примерно до 9 м с максимальной динамической нагрузкой до 5,0 кН / м².

Многоэтажное и жилое строительство

Конструкции HBV используются в новостройках, в том числе благодаря их высокой жесткости и несущей способности. Кроме того, противопожарная защита также является решающим параметром, особенно для многоэтажных деревянных домов. Используя конструкции HBV, теперь также возможно строить многоэтажные деревянные здания и высотные здания с максимальной долей древесины конструктивным и юридически совместимым образом (Life-Cycle Tower One, Mjøsa Tower).

Строительство моста

В мостостроении, в частности, пешеходные мосты до сих пор строились из конструкций HBV. Однако уже существуют подходы к использованию мостов HBV с пролетами до 20 м для движения тяжелых грузов.

условия

В последние годы требования к конструкции в целом неуклонно возрастают. В дополнение к основному требованию, чтобы несущая конструкция могла воспринимать возникающие нагрузки, следует особо упомянуть требования к вибрации и огнестойкости, качеству жизни и акустике несущей конструкции. Во многих случаях этим требованиям не могут удовлетворить чисто деревянные конструкции. Поэтому для улучшения вышеупомянутых физических свойств обычно неизбежно увеличение массы системы и утяжеление конструкции. Раньше между балками и слоями минерального покрытия (например, цементная стяжка) часто использовались толстые засыпки, которые неплотно ложились на деревянные элементы. Однако это может стать проблемой с точки зрения несущей способности. В конструкциях HBV необходимая масса из-за вибрации и звукоизоляции применяется статически, что позволяет создавать более тонкие потолочные конструкции.

Способ действия

Эффективность связи между деревом и бетоном - и, следовательно, жесткость конструкции на изгиб - в первую очередь зависит от жесткости смещения (гибкости и поглощения силы) используемой технологии соединения. Характеристическое значение «модуля смещения K ser » выбранного средства соединения предоставляет информацию о степени гибкости композитного соединения системы HBV . В зависимости от используемой технологии соединения несущая способность и жесткость на изгиб всей конструкции могут быть увеличены в 3-5 раз по сравнению с обычными опорными системами без композитного несущего эффекта.

Поскольку бетон имеет очень высокую прочность на сжатие, а также является относительно недорогим строительным материалом, он особенно подходит для использования в композитных конструкциях. Деревянный брус подвергается сочетанию изгибающих и растягивающих нагрузок. В результате оба материала используются в зависимости от их прочности, и достигается оптимальное использование с точки зрения несущей способности системы , удобства использования и использования ресурсов.

Технология подключения

Существуют различные методы или варианты конструкции для выполнения композитного соединения, которые можно разделить на три категории в зависимости от их несущего воздействия. При использовании специальных крепежных элементов, таких как композитные винты, выбранный вариант должен быть одобрен для использования в композитной системе из дерева и бетона высшим строительным органом Германии, DIBt, и институтами, признанными Европейской организацией технической оценки .

Крепеж механический

Механические крепления - это винты, дюбели и просечно-вытяжные металлические детали, которые вставляются вручную или вклеиваются вручную. Силы сдвига в композитном соединении в основном передаются через компоненты местного растяжения (вытягивание соединителя из дерева) или за счет сдвига (пластификация металлического соединителя).

Саморезы древесно-бетонные композитные

Винты HBV являются одними из самых испытанных и наиболее распространенных вариантов крепления. Существуют системы, в которых винты ввинчиваются под углом 45 ° к соответствующей опоре. Шуруп нагружается при извлечении из дерева, и активируется предел прочности F ax шурупа. Другие винтовые системы ввинчиваются вертикально, попарно или перекрещиваются друг с другом под углом 45 °, 90 ° или 135 °. Поскольку в случае винтовых пар только один из двух винтов подвергается растягивающему напряжению, они обычно имеют более низкую несущую способность. В соответствии с текущим статусом разрешений, между деревянной балкой и бетонной плитой может быть установлена ​​опалубка толщиной не более 50 мм. Соответствующая уменьшенная длина заделки шурупа в древесине должна быть принята во внимание при статическом расчете.

Анкер стяжной бетонный

Дюбели из древесно-бетонного композитного материала представляют собой смешанную конструкцию механических крепежных элементов и опалубочных соединений. Дюбели прикручиваются к деревянной детали вертикально вставленными шурупами. Стальной дюбель залит свежим бетоном. В частности, в Падуанском университете проводятся исследования анкеров на связке из дерева и бетона .

Просечно-вытяжные металлы

Просечно-вытяжные металлы (перфорированные листы), которые приклеиваются к деревянному элементу полосами в направлении волокон, в основном используются в новом строительстве и строительстве мостов. Дисковой пилой необходимо проделать паз в деревянной детали, в которую вклеивается просечно-вытяжной металл. Выступающая часть металла заливается свежим бетоном. Связанные расширенные металлы исследуются, в частности, в Университете прикладных наук Рейн-Майн . Так называемые плоские стальные замки представляют собой особый случай вспененного металла. Их вставляют в пропиленную канавку поперек волокон. Не обязательно приклеивать металл к деревянной детали.

Форма подходит

Конструкция клеевого соединения называется формовой посадкой, при которой поперечные силы в соединении в основном передаются через контактные и локальные сжимающие напряжения. К ним относятся так называемые горловины и кулачки или цилиндрические стальные трубы.

Kerve

Птичья пасть (выемка, поперечная канавка) - это углубление в древесине, которое проходит поперек волокон и заполняется бетоном. Тяга передается за счет эффекта расклинивания между деревом и бетоном. Во избежание ее отрыва в пасть каждой птице необходимо вставить винты с вертикальными винтами. Птичьи рты имеют разную геометрию, наиболее распространенной является прямоугольная или трапециевидная форма. В настоящее время птицы являются предметом исследования в Штутгартском университете .

Кулачки, стальные трубы, цилиндрические соединители

Подгонка формы и эффект заклинивания также могут быть получены с помощью стальных деталей, кулачков, стальных цилиндров, заполненных бетоном, или других цилиндрических соединителей. Составной вариант кулачка одобрен ETA из института, который был признан EOTA. Из-за высокой несущей способности около 35 кН на соединитель и модулей с большим смещением около 19 300 Н / мм, система часто используется в сильно нагруженных участках (например, возле опоры) или в ограниченных пространствах, что часто бывает случай при ремонте старых построек. Составной вариант можно использовать с любым другим методом, например. B. винты, можно комбинировать. Он устанавливается путем фрезерования отверстия в деревянном элементе, в которое вертикально забиваются цилиндрические соединители.

Плоский композит

В отличие от скрепления с помощью механических застежек или формовой подгонки, напряжения сдвига в плоском скреплении не передаются локально в виде напряжений контакта, заделки или растяжения, а непрерывно по всей длине скрепления. С механической точки зрения, плоское соединение обеспечивает максимальную степень сцепления, что делает его наиболее эффективным решением со статической точки зрения.

При ремонте деревянные элементы армируют путем заливки полосами реактивного бетона или полимерного раствора. В основе композита эффект склеивания. Эффект оконного стекла или сплошной плиты здесь не достигается, это мера местного армирования.

Использование сборных железобетонных элементов изучается в крупномасштабной сети Кассельского университета и Института исследования древесины им. Фраунгофера при строительстве новых этажей и мостов . После успешных исследований с пескоструйной обработкой бетонных поверхностей и холодным отверждением двухкомпонентных клеев на основе эпоксидной смолы, были проведены полномасштабные испытания мостовых балок и проектов с клеями горячего отверждения.

Производство

При производстве композитных конструкций из древесно-бетонных конструкций основное различие можно провести между свежим бетонированием на строительной площадке ( на месте ) и производством из сборных железобетонных изделий.

Процедура с бетонированием на месте

Производство конструкции HBV с бетонированием на месте уже много лет является современным уровнем техники. Он выполняется в первую очередь при ремонте старых зданий, при приобретении городской жилой площади на чердаках, а также при производстве посредством подгонки формы. В старых зданиях это часто единственный вариант, поскольку существующие деревянные конструкции обычно имеют деформации и кривизны, которые невозможно компенсировать с помощью сборных деталей.

Во время выполнения существующие деревянные элементы обычно покрывают пленкой, чтобы свежий бетон не выскользнул из щелей и трещин. Если фольга не используется, деревянную деталь следует очистить от пыли цементным раствором перед бетонированием. Причина этого в том, что в противном случае из свежего бетона могла бы удаляться вода из-за всасывающего эффекта древесины, и в краевой области бетона больше не было бы воды для гидратации. Что касается химического взаимодействия между свежим бетоном и деревом, на исторических зданиях можно было доказать, что основность бетона не повреждает древесину. Поскольку бетон в первую очередь подвергается давлению, обычно достаточно низких классов прочности бетона.

В зависимости от системы нажимные соединители устанавливаются путем прорезания и приклеивания, ввинчивания или сверления и забивания. Он выполняется в соответствии со спецификациями соответствующего разрешения строительного органа на соединитель, работающий на сдвиг, используемый с минимальным структурным усилением (например, армирующая стальная сетка Q 188 A или эквивалентные стальные стержни). При ремонте толщина панели обычно составляет от 60 до 120 мм.

Бетонной плите обычно дают базовое армирование диаметром 8 мм через каждые 20 см в обоих направлениях из-за требований конструкции (например, ограничение ширины трещины при первоначальной усадке бетона). Однако, поскольку бетонная плита в основном подвергается сжимающим напряжениям, армирование для статических требований обычно не требуется.

Обработка сборных железобетонных изделий

Все чаще используются системы из сборных железобетонных элементов, особенно в новостройках. На современном уровне техники гибкое соединение производится путем установки пластиковых втулок в бетон и последующего ввинчивания винтов HBV. Жесткое плоское соединение может быть получено путем склеивания сборных железобетонных деталей и дерева.

В качестве альтернативы целые армированные бетонные композитные элементы могут быть изготовлены на заводе. Здесь можно использовать все одобренные крепежные элементы для создания скрепления.

Метод расчета

Связующее соединение может быть проверено с учетом проектных стандартов для дерева (в настоящее время EC5) и бетона (в настоящее время EC2), принимая во внимание механику. Для механических креплений требуется разрешение национального строительного управления или ETA. Жесткость соединения (представленная технологией соединения) имеет решающее значение для несущей способности и жесткости на изгиб всей системы.

Расчетный метод определения несущей способности

Существуют различные методы расчета нормальных и касательных напряжений в поперечном сечении. Инженер-строитель несет ответственность за выбор подходящего метода определения размеров. Значения соединительных средств, необходимые для определения размеров, такие как модуль упругости, модуль смещения K ser и характеристическое значение прочности на сдвиг T k, можно найти в соответствующем действующем разрешении на строительство (ETA или DIBt). Также регулируются минимальные расстояния между отдельными креплениями: параллельно волокну, перпендикулярно волокну (в случае многорядной установки) и краю поперечного сечения бруса. Некоторые провайдеры предоставляют собственное программное обеспечение для расчета структур HBV. Поскольку расчетные внутренние силы меняются в зависимости от предполагаемого количества болтов, расчет оптимизируется путем повторения итераций.

EC5 - Приложение B

Для простых расчетов рекомендуется так называемый γ-метод (также известный как «метод Мёлера») согласно EC 5, Приложение B. Однако этот метод можно использовать только при определенных граничных условиях. Многопролетные фермы или сосредоточенные нагрузки, например, возникающие на крыше в виде столбов или подкосов, не могут быть рассчитаны с использованием метода γ.

Γ-фактор предоставляет информацию о степени связи. Степень сцепления 100% соответствует коэффициенту γ 1,0. 100% сеть - это i. d. Р. только путь склеивания отдельных частей поперечного сечения (. Например , скрепленные слоистые, так называемый. Дощатоклееный , клееный брус , фанера или клееные железобетонные составные компоненты) и достигает обычно называют «жестким композитом» .

Если коэффициент γ меньше 1,0, структура называется «гибкой связкой». Жесткость на изгиб этих совместно действующих поперечных сечений в значительной степени определяется жесткостью (представленной в сертификатах так называемым значением K ser ) используемых креплений.

КЭ моделирование

КЭ моделирование также может быть выполнено для определения напряжения. Конструкция может быть смоделирована с помощью элементов фермы и пружин («модель каркаса»), с дисковыми элементами или с элементами объема.

Рассмотрение долгосрочного поведения

Долговечность конструкций HBV является важной частью проектирования из-за взаимодействия зависящих от времени параметров, таких как ползучесть, усадка и релаксация. Некоторые модификации необходимы для правильного расчета.

стандартизация

В настоящее время нет отдельного стандарта для конструкций из древесно-бетонных композитов. Если для соответствующего крепежа имеется разрешение ETA или разрешение строительного управления от DIBt, их можно использовать во всех областях строительства. Научные учреждения со всей Европы в настоящее время работают над технической спецификацией, на основе которой должен быть создан будущий стандарт, дополняющий EC 5 - определение размеров и строительство деревянных конструкций.

Что касается вибрационных характеристик конструкций HBV в качестве потолочных конструкций, DIN 1052: 2008-12 предъявляет более высокие требования, чем DIN 1052: 1988 или EC 5, что делает древесно-бетонный композит особенно интересным для ремонта старых потолков из деревянных балок, т.к. это требование часто невозможно выполнить другим способом. Подверженность вибрации в композитной конструкции намного ниже, чем в простой деревянной конструкции.

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Кифер, И.: Эластичное соединение с поверхностью, готовой к покрытию - ремонт налоговой службы Констанца . Ред .: архитекторы леобраун. 2014 г.
  2. ↑ Фронмюллер, Йенс: Древесно-бетонный композит в обновлении, материалы конференции Hanseatische Sanierungstage 2019 . Ред .: Bundesverband Feuchte & Altbausanierung eV 2019.
  3. ↑ Древесно-бетонный композит Производитель деревянно-бетонного композитного потолка, вот как вы ремонтируете свой балочный потолок | Эласкон. Проверено 7 мая 2020 года .
  4. ^ BauNetz: Жизненный цикл Башни Один в Дорнбирне | Устойчивое строительство | Офис | Baunetz_Wissen. Проверено 7 мая 2020 года .
  5. ↑ BROTHER PUBLISHING Albert brother GmbH & Co KG, Rudolf Müller Media Group Кельн: Башня Мьёса в Норвегии: самый высокий деревянный небоскреб в мире. Проверено 7 мая 2020 года .
  6. ↑ Мибах, Франк: мосты из древесно-бетонных композитов: опыт и перспективы . Ред .: Ассоциация качества Holzbrückenbau eV 2018.
  7. ↑ Европейская техническая оценка (ред.): ETA-18/0264 Система Elascon SFix, древесно-бетонный композит с штифтовыми соединительными элементами .
  8. ↑ Европейская техническая оценка (ред.): ETA-18/0264 Система Elascon SFix, древесно-бетонный композит с штифтовыми соединительными элементами .
  9. ↑ Elascon GmbH: Срезной соединитель STABEKO TFuse . Ред .: Европейская техническая оценка.
  10. ^ Батон, Леандер: Древесно-бетонный композит как жесткое и пластичное соединение . Ред .: 10-й Международный форум деревянного строительства. 2004 г.
  11. ↑ Кудла, Катрин: Кервен как соединительное средство для автодорожных мостов из древесно-бетонных композитов . 2017 г.
  12. ↑ Шенцлин, Йорг: О долгосрочном поведении бетонных композитных потолков из картона и стека . Ред .: Штутгартский университет - Институт строительства и дизайна. 2003 г.
  13. ↑ Европейская техническая оценка (ред.): ETA-18/0264 Система Elascon SFix, древесно-бетонный композит с штифтовыми соединительными элементами .
  14. ↑ Генеральный строительный допуск (Ред.): Z-10.7-282: Тип конструкции для армирования деревянных элементов бетоном с реакционной смолой . 2014 г.
  15. ↑ Обслуживание зданий и деревянное строительство: Экономичное производство высококачественных древесно-бетонных композитных элементов с использованием инновационной технологии быстрого склеивания и использования древесины твердых пород - SpeedTeCC. Проверено 7 мая 2020 года .
  16. ^ Эйзенхут, Ларс; Сейм, Вернер: Долговременное поведение склеенных компонентов из дерева и высокопрочного бетона в естественных климатических условиях . 2016 г.
  17. ↑ SpringerProfessional (Hrsg.): Инновационное горячее склеивание несущих древесно-бетонных композитных элементов, адгезия KLEBEN & DICHTEN . 2019.
  18. ↑ Европейская техническая оценка (ред.): ETA-13/0029 Винты Würth ASSY plus VG, саморезы для древесно-бетонных композитных конструкций .
  19. ↑ Elascon GmbH: Срезной соединитель STABEKO TFuse . Ред .: Европейская техническая оценка.
  20. ↑ Европейская техническая оценка (ред.): ETA-18/0264 Система Elascon SFix, древесно-бетонный композит с штифтовыми соединительными элементами . 2018.
  21. ↑ Elascon GmbH: Срезной соединитель STABEKO TFuse . Ред .: Европейская техническая оценка.
  22. ↑ Шенцлин, Йорг: Перспективы определения размеров древесно-бетонных композитных полов в будущем . Ред .: Техн. Бер. HBC. Университет прикладных наук Hochschule Biberach. 2017 г.
  23. ↑ Шенцлин, Йорг: О долгосрочном поведении бетонных композитных потолков из картона и стека . Ред .: Штутгартский университет - Институт строительства и дизайна. 2003 г.
  24. ↑ Dias, A .; Schänzlin, J .; Дитч П.: Проектирование конструкций из древесно-бетонных композитов . Ред .: COST Action FP1402 / WG 4. 2018.
  25. ↑ Шенцлин, Йорг: Перспективы определения размеров древесно-бетонных композитных полов в будущем . Ред .: Техн. Бер. HBC. Университет прикладных наук Hochschule Biberach.

веб ссылки