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Über dieses Buch

Die vierte Auflage des Buches ist vollständig überarbeitet und in Teilen erweitert worden, sie entspricht dem Stand des aktuellen Eurocode 5 (Holzbau), für die „kalte“ Bemessung der DIN EN 1995-1-1: 2010-12, seinem nationalem Anhang DIN EN 1995-1-1/NA: 2013- 08 und vielen weiteren zugehörigen ergänzenden nationalen und europäischen Normen, die die „alte“, zwischenzeitlich zurückgezogene und nicht mehr anwendbare nationale Norm DIN 1052, letzte Ausgabe 2008-12, ersetzen.

Neu aufgenommen wurden das genauere Nachweisverfahren stiftförmiger metallischer Verbindungsmittel auf Abscheren nach Eurocode 5, Holzschrauben mit einem Gewinde über die gesamte Schaftlänge (Vollgewindeschrauben), Verbindungen mit stiftförmigen Verbindungsmitteln und Zwischenschichten, neue Wichten von Holz und Holzwerkstoffen, Durchlaufträger ohne und mit Gelenken sowie Aussteifungskonstruktionen bei abgewinkelten Biege- und Fachwerkträgern. Erweitert wurden der Brandschutz nach DIN EN 1995-1-2: 2010-12, der Holzschutz nach der zum Eurocode 5 gehörenden neuen nationalen Normenreihe DIN 68800, Ausgaben 2011/12, das Bemessungsbeispiel eines Endauflagers mit verstärkter Ausklinkung um dem Nachweis mit eingedrehten Vollgewindeschrauben. Berücksichtigt sind ebenfalls die wesentlichen neuen europäischen Produktnormen und nationalen Anwendungsnormen des Holzbaus, als Beispiele die DIN EN 14080: 2013-09 und DIN 20000-3: 2015-02 für Brettschichtholz und Balkenschichtholz.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Der Baustoff Holz

Holz besteht vorwiegend aus fest miteinander verbundenen, lang gestreckten Zellen, die parallel zum Stamm verlaufen. Diese Zellen übernehmen im lebenden Baum die Wasserleitung, den Stoffwechsel und die Holzfestigung. Die entwicklungsgeschichtlich älteren Nadelhölzer besitzen ein einfacheres, regelmäßiges Gefüge, das überwiegend aus einer Zellart besteht, während die Laubhölzer im Aufbau komplizierter sind und mehrere Zellarten aufweisen.

Helmuth Neuhaus

2. Holzwerkstoffe

Holzwerkstoffe sind platten- und stabförmige Bauteile, die durch Verpressen von zerkleinerten Holzteilen wie Bretter, Furniere, Furnierstreifen, Stäbe, Stäbchen, Streifen (Langspäne), Späne, Fasern und Holzwolle unter Zugabe von Bindemitteln wie Kleber oder Zement als plattenförmige (flächige) Bauteile entstehen, aus denen je nach Eignung auch stabförmige Bauteile geschnitten werden können.

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3. Bauholz

Aus der Vielzahl der Holzarten, die auf der Erde existieren, werden nur wenige für Bauzwecke genutzt. Für tragende Holzbauteile nach DIN EN 1995-1-1: 2010-12 werden derzeit in Deutschland nur bestimmte Holzarten eingesetzt.

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4. Brandverhalten und Brandschutzbemessung von Holzbauteilen

Holz ist ein brennbarer Stoff. Beim Brand werden die Holzsubstanzen Zellulose und Lignin zersetzt, dabei bilden sich Holzkohle und brennbare Gase. Holz besitzt aus der Sicht des Bauwesens ein günstiges Brand- und neutrales Löschverhalten. Die schützende Holzkohleschicht und die geringe Wärmeleitfähigkeit von Holz bewirken oft nach einem (zügig gelöschten) Realbrand eine eingeschränkte Tragfähigkeit der Holz-Restquerschnitte, während andere Materialen bereits weitgehend abgebrannt bzw. nicht mehr vorhanden sind.

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5. Dauerhaftigkeit, Holz- und Korrosionsschutz

Als Dauerhaftigkeit eines Tragwerkes wird seine dauernde Funktionstüchtigkeit während der geplanten Nutzungsdauer unter Berücksichtigung aller Umgebungsbedingungen und eines vertretbaren Instandhaltungsaufwandes bezeichnet, so dass das Verhalten des Tragwerks nicht durch zeitabhängige Veränderungen seiner Eigenschaften unvorhergesehen verändert wird.

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6. Geklebte Holzverbindungen

„Klebstoff“ ist nach DIN 16 920 ein nicht metallischer Stoff, der Fügeteile wie Holzteile durch Flächenhaftung (Adhäsion als Bindungskräfte zwischen Fügeteilen und Klebschicht) und durch innere Festigkeit (Kohäsion als molekulare Bindungskräfte in der Klebschicht) verbindet. Klebstoff ist ein Oberbegriff und schließt andere Klebstoffarten wie „Leim“ ein. Deshalb wird im Folgenden der Oberbegriff „Kleben“ wie in DIN EN 1995-1-1: 2010-12 und DIN EN 1995-1-1/NA: 2013-08 verwendet.

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7. Eigenschaften von Holzbaustoffen

„Holzbaustoffe“ ist ein Oberbegriff, er umfasst alle in DIN EN 1995-1-1: 2010-12 und DIN EN 1995-1-1/NA: 2013-08 angeführten Baustoffe für tragende und aussteifende Bauteile aus Holz und Holzwerkstoffen, die in Tabelle 7.1 neben weiteren Holzbau spezifischen Begriffen dargestellt und zugeordnet sind. Wichtige Begriffe von Baunormen können Tabelle 7.2 entnommen werden.

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8. Grundlagen für Entwurf, Berechnung und Bemessung von Bauteilen aus Holzbaustoffen

Das Sicherheitskonzept der DIN EN 1995-1-1: 2010-12 legt für die Bemessung von Holzbauwerken die semiprobabilistische Methode der Teilsicherheitsbeiwerte nach DIN EN 1990: 2002-10 (bzw. DIN EN 1990: 2010-12) zugrunde (wie auch bei anderen Eurocodes z.B. für Stahlbeton- und Stahlbauwerke). Wesentliche Anforderungen dieses Sicherheitskonzeptes sind: Bauwerke müssen während der Errichtungsphase und vorgesehenen Nutzungsdauer mit angemessener Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit den möglichen Einwirkungen und Einflüssen widerstehen; ihre Tragfähig-, Gebrauchstauglich- und Dauerhaftigkeit müssen während der Nutzungsdauer sichergestellt sein. Näheres regelt DIN EN 1990: 2002-10 (bzw. DIN EN 1990: 2010-12).

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9. Einwirkungen und Lastannahmen

Einwirkungen sind auf ein Tragwerk wirkende Kraft- oder Verformungsgrößen. Nach DIN EN 1990: 2002-10 (bzw. DIN EN 1990: 2010-12) werden die in Tabelle 9.1 zusammengestellten Einwirkungen unterschieden. Häufig vorkommende Einwirkung im Hochbau sind Eigen-, Nutz-, Wind- und Schneelasten.

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10. Mechanische Holzverbindungen, Allgemeines

Mechanische Holzverbindungen nach DIN EN 1995-1-1: 2010-12 und DIN EN 1995-1-1/NA: 2013-08 sind tragende Verbindungen von Bauteilen aus Holzbaustoffen untereinander und mit Stahl. Die zur Verbindung der einzelnen Teile benötigten Verbindungsmittel werden als stiftförmige und nicht stiftförmige Verbindungsmittel bezeichnet.

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11. Verbindungen mit stiftförmigen metallischen Verbindungsmitteln

Stiftförmige Verbindungsmittel nach DIN EN 1995-1-1: 2010-12 und DIN EN 1995-1-1/NA: 2013-08 sind tragende Verbindungsmittel aus metallischen zylindrischen Stahlstiften: Stabdübel, Passbolzen, Bolzen, Gewindestangen (Gewindebolzen), Nägel, Holzschrauben und Klammern, die rechtwinklig zu ihrer Längsachse überwiegend auf Biegung beansprucht werden und im Holz vornehmlich Lochleibungsspannungen bewirken; in Holzverbindungen übertragen sie Scherkräfte (Abscheren), Nägel, Holzschrauben und Klammern zusätzlich auch Zugkräfte in Richtung ihrer Längsachse (Herausziehen) oder kombinierte Beanspruchungen (Abscheren und Herausziehen).

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12. Verbindungen mit Dübeln besonderer Bauart

Dübel besonderer Bauart nach DIN EN 1995-1-1: 2010-12 und DIN EN 1995-1-1/NA: 2013-08 sind tragende Verbindungsmittel aus metallischen Werkstoffen, die über Abscherbeanspruchung Kräfte von einem Bauteil in das andere übertragen; dabei werden sie selbst in der Dübelebene auf Abscheren, in der Dübelstirnfläche und im anzuschließenden Holzbauteil vorwiegend auf Leibungsdruck beansprucht.

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13. Verbindungen mit eingeklebten Stahlstäben

Verbindungen mit eingeklebten Stahlstäben nach DIN EN 1995-1-1/NA: 2013-08, NCI NA.11.2 sind mechanische Verbindungen in Voll-, Brettschicht- und Balkenschichtholz sowie in Furnierschichtholz ohne Querfurniere (Querlagen). Sie übertragen in Richtung der Stahlstab-Längsachse Zug- oder Druckkräfte und können quer zur Stahlstab-Längsachse auf Abscheren beansprucht werden. Das Einkleben der Stahlstäbe kann in und rechtwinklig zur Faserrichtung des Holzes erfolgen.

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14. Zimmermannsmäßige Verbindungen

Versätze sind „alte“ zimmermannsmäßige Holzverbindungen, die nur Druckkräfte übertragen können. Sie werden neben den Zapfen, s. Abschn. 14.2, und Holznägeln, s. Abschn. 14.3, als einzige traditionelle Zimmermannsverbindung in DIN EN 1995-1-1/NA: 2013-08, NCI NA.12 behandelt. Weitere zimmermannsmäßige Holzverbindungen sind das Blatt, der Kamm und die Klaue oder Kerve, die in teilweise unterschiedlichen Formen oder Mischformen auch heute noch als handwerkliche Verbindungen genutzt werden.

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15. Nachweise für Zug

Für planmäßig mittig, in Faserrichtung beanspruchte Zugstäbe ist der Nachweis der Querschnittstragfähigkeit nach Gl. (15.1) zu führen, s. DIN EN 1995-1-1: 2010-12, 6.1.2. Für diesen Spannungsnachweis ist die Netto-Querschnittsfläche maßgebend, dies ist die kleinste wirksame QuerschnittsflächeA n in einem Zugstab unter Berücksichtigung aller an dieser Stabstelle auftretenden Querschnittsschwächungen nach Abschn. 8.3.3.

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16. Nachweise für Druck

Für planmäßig mittig beanspruchte Druckstäbe ohne Knickgefahr ist der Nachweis der Querschnittstragfähigkeit nach Gl. (16.1) zu führen, s. DIN EN 1995-1-1: 2010-12, 6.1.4. Für diesen Spannungsnachweis ist die Netto-Querschnittsfläche maßgebend, dies ist die kleinste wirksame QuerschnittsflächeA n in einem Druckstab unter Berücksichtigung aller an dieser Stabstelle auftretenden Querschnittsschwächungen.

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17. Nachweise für Biegung

Bei einaxial auf Biegung beanspruchten Bauteilen ohne Biegedrillknick-(Kipp-)gefahr ist der Nachweis der Querschnittstragfähigkeit nach Gl. (17.1) bzw. (17.2) zu führen, s. DIN EN 1995-1-1: 2010-12, 6.1.6.

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18. Nachweise für Querkraft

Bei Beanspruchung durch eine Querkraft V treten in einem Träger Schubspannungen τ auf, die allgemein nach Gl. (18.1) berechnet werden; für einen Rechteckquerschnitt vereinfacht sich Gl. (18.1) zu Gl. (18.2), wenn die größte Schubspannung in der Schwerachse des Rechteckquerschnitts ermittelt wird, s. Bild 18.1 und 18.5a.

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19. Nachweise für Torsion

Bei Torsionsbeanspruchung treten in einem Träger Schubspannungen aus Torsion τtor (Tangentialspannungen) auf, die näherungsweise nach der Elastizitätstheorie isotroper Werkstoffe berechnet werden dürfen (Saint-Venantsche Torsion).

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20. Nachweise für Pultdach-, Satteldach- und gekrümmte Biegeträger

Träger mit Rechteckquerschnitt und mit über ihrer Länge veränderlicher Querschnittshöhe werden aus gestalterischen oder funktionalen Gründen vorwiegend bei Brettschichtholzträgern gewählt (z.B. Erreichen der Dachneigung, Angleichen der Querschnittshöhe an den Biegemomentenverlauf).

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21. Nachweise für Ausklinkungen, Durchbrüche und Queranschlüsse

Als Ausklinkung wird eine Reduzierung der Trägerhöhe im Auflagerbereich von Biegeträgern bezeichnet, die oft aus gestalterischen oder konstruktiven Gründen überwiegend in Brettschichtholzträgern vorgenommen wird, um Bauhöhe für das Bauwerk einzusparen; dazu können die Trägerbereiche (Auflager) auf der belasteten Seite (überwiegend „unten“) oder auf der unbelasteten Seite (meist „oben“) ausgeklinkt werden.

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22. Nachweise für zusammengesetzte Bauteile (Verbundbauteile)

Zusammengesetzte Querschnitte bestehen aus mehreren Einzelquerschnitten, die durch Kleber „starr“ oder durch mechanische Verbindungsmittel wie Dübel besonderer Bauart, Stabdübel, Passbolzen, Nägel oder Klammern „nachgiebig“ miteinander verbunden werden.

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23. Nachweise für Anschlüsse, Stöße und Fachwerke sowie Verformungsberechnungen

Die Verformungen der Stäbe und Verbindungen in Stabtragwerken und Fachwerken (Rahmentragwerken) sind möglichst wirklichkeitsnah im statischen Modell zur Berechnung der Stabkräfte, Biegemomente und Beanspruchungen von Verbindungen ebenso zu berücksichtigen wie etwaige Auflagerausmitten und reduzierte Steifigkeiten von Unterkonstruktionen.

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24. Nachweise mit Theorie II. Ordnung

Der Nachweis der Tragfähigkeit mit Theorie II. Ordnung kann für Tragsysteme als Alternative zu den Nachweisen mit den Ersatzstabverfahren für knickgefährdete Druckstäbe nach Abschn. 16.2, für biegedrillknick-(kipp-)gefährdete Biegestäbe oder für Stäbe unter kombinierter Druck- und Biegebeanspruchung nach Abschn. 17.2 geführt werden. Der Tragwerksplaner entscheidet den Einsatz eines der beiden Verfahren. Der Nachweis mit den Ersatzstabverfahren wird bei vielen Druck- und Biegestäben weiterhin ausreichend und vertretbar wirtschaftlich sein, obwohl mit Theorie II. Ordnung nachgewiesene Druckstäbe in vielen Fällen wirtschaftlicher ausgelegt werden können, ein Vergleich hierzu wird in Abschn. 24.3 angeführt.

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25. Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit

Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit sind Zustände eines Tragwerkes oder seiner Teile, bei deren Überschreiten die festgelegten Nutzungsbedingungen nicht mehr erfüllt sind, z.B. übermäßige Verformungen (wie Durchbiegungen) oder Verschiebungen, die die planmäßige Nutzung und Funktion des Tragwerks einschließlich der Funktionsfähigkeit von Maschinen und Installationen, das Erscheinungsbild eines Tragwerkes, das Wohlbefinden der Nutzer beeinträchtigen und Schäden an Belägen, Beschichtungen oder an nichttragenden Bauteilen bewirken oder Schäden am Tragwerk mit Folgen für das Erscheinungsbild, die Dauerhaftigkeit oder Funktionsfähigkeit verursachen, oder Schwingungen, die Unbehagen bei Menschen bewirken und/oder die Funktionsfähigkeit des Tragwerks einschränken.

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26. Aussteifung von Bauwerken und Bauteilen

Bauwerke sind räumlich auszusteifen. Dazu werden im Allgemeinen die Bauwerke rechnerisch in einzelne Ebenen aufgeteilt, die die Gesamtaussteifung übernehmen.

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27. Berechnungs- und Bemessungsbeispiele

Die folgenden Beispiele sind sehr ausführlich und umfangreich dargestellt, um die Einführung in die Berechnung/Bemessung des Holzbaus zu erleichtern; in der Praxis ist dieser gewählte Umfang im Allgemeinen nicht notwendig und kann auf das Wesentliche reduziert werden.

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