Wechselwirkung zwischen Festigkeit und Steifigkeit in Verbindungen mit eingefügter Dämmschicht
So lassen sich Schalldämmung und konstruktive Leistung verbinden
Schalldämmung in Holzkonstruktionen gewinnt bei der Planung zunehmend an Bedeutung. Die steigenden Leistungsanforderungen in mehrstöckigen Gebäuden aus BSP verlangen nach Lösungen, welche die Körperschallübertragung, insbesondere in den Verbindungen zwischen den Platten, begrenzen.
Die Herausforderung ist offensichtlich: Das Einfügen einer Dämmschicht zwischen zwei tragenden Bauteilen verbessert das akustische Verhalten, führt jedoch zu einer mechanischen Unterbrechung bei der Kraftübertragung.
Daraus ergibt sich spontan und unweigerlich die Frage: Wie stark verändert sich die konstruktive Leistung der Verbindung, wenn ein Schalldämmband eingefügt wird?
Das Problem: akustische Entkopplung vs. konstruktive Kontinuität
Bei der Holz-Holz- oder BSP-BSP-Scherverbindung ist die Kraftübertragung abhängig von:
der Tragfähigkeit des Verbinders;
der Steifigkeit der Verbindung;
der Adhäsion zwischen den Oberflächen.
Die Einführung eines Schalldämmbands wie XYLOFON oder PIANO – verhindert den direkten Kontakt zwischen den Holzoberflächen. Es entsteht ein kontrollierter Spalt, der das Schwingungs- und Schalldämmverhalten verbessert, aber dabei möglicherweise folgende Aspekte verändert:
die Scherfestigkeit der Verbindung;
der Steifigkeit der Verbindung (Kser);
die zyklische Reaktion des Systems.
In einem mehrgeschossigen Gebäude beeinflusst die Steifigkeit der Verbindungen direkt die Gesamtverformung, Kraftumverteilung und das dynamische Verhalten. Dieser Parameter ist also alles andere als nebensächlich.
Die Lösung: Experimentelle Validierung und prädiktive Modellierung in Verbindungen mit Entkopplungsprofilen
Um eine verlässliche Lösung für diese Herausforderungen zu finden, wurde gemäß dem Ansatz von Rothoblaas eine umfangreiche Versuchskampagne an Verbindungen mit Teilgewindeschrauben (HBS, HBS EVO) und Verbindern mit Vollgewindeschrauben (VGZ, VGZ EVO) durchgeführt. Dabei wurden Entkopplungsprofile verschiedener Art und Stärke eingesetzt.
Die Versuche berücksichtigten:
monotone Belastungen;
zyklische Belastungen;
verschiedene Geometrien (BSP/BSP, Holz/Holz);
Profilstärken von 6 mm und mehr.
Die Ergebnisse erlauben heute eine objektive Auswertung der statisch-akustischen Wechselwirkung.
Festigkeit: Das Verhalten der Holzverbindungen mit im Wesentlichen unveränderten Entkopplungsprofilen
Die erste relevante Angabe bezieht sich auf die charakteristische Abscherfestigkeit.
Für nicht zusammendrückbare, aber verformbare Profile mit einer Stärke von ≤ 6 mm ist die Festigkeit der Verbindungen vergleichbar mit einer Situation ohne eingefügtes Profil.
In erster Näherung können die Werte auf den direkten Holz-Holz-Fall zurückgeführt werden, ohne erhebliche Einbußen beim Grenzzustand der Tragfähigkeit.
Dies gilt – sowohl als auch – für:
Das Verhalten unter zyklischer Belastung stimmt mit dem der monotonen Belastung überein: ein Zeichen für eine stabile und vorhersehbare mechanische Reaktion.
Das Einfügen des Schalldämmbands beeinträchtigt daher nicht die Bauwerksicherheit in Sachen Festigkeit.
Steifigkeit der Verbindungen: der entscheidende Parameter
Aus der Versuchskampagne ergab sich ein anderes Bild hinsichtlich der Steifigkeit.
Das Einfügen des Entkopplungsprofils führt zu einer signifikanten Reduzierung des Kser im Vergleich zur Konfiguration ohne Profil.
Die Verringerung wird beeinflusst durch:
Zusammendrückbarkeit des Materials
Je höher die Zusammendrückbarkeit des Profils, desto größer die Reduzierung der Anfangssteifigkeit.Monolithische Materialien (XYLOFON) verhalten sich deutlich besser als geschäumte und zusammendrückbare Materialien (PIANO A und PIANO B).
Stärke des Profils (s)
Bei s > 6 mm wird eine fortschreitende Verschlechterung der Steifigkeit beobachtet.
Durchmesser des Verbinders
Kleinere Durchmesser reagieren empfindlicher auf das Vorhandensein der Dämmschicht.
Bei Teilgewindeschrauben kann die Steifigkeitsreduzierung erheblich sein, wobei die Festigkeit unverändert bleibt.
Bei Verbindern mit Vollgewinde ist der Steifigkeitsverlust ebenso offensichtlich und hängt vom freiliegenden Gewindeabschnitt auf Spalthöhe ab.
Für die Planung bedeutet dies, dass Verformungsprüfungen in den Mittelpunkt rücken.
Konstruktive Analyse des Phänomens
Das Vorhandensein des Entkopplungsprofils ändert die Kraft-Verschiebung-Kurve der Verbindung:
die Anfangsphase zeigt eine größere Verformbarkeit;
die endgültige Fähigkeit bleibt im Wesentlichen unverändert;
die zyklische Reaktion erzeugt keine instabilen Phänomene.
Allgemein betrachtet, bedeutet dies:
größere lokale Verformungen;
mögliche Steigerung der relativen Verschiebungen zwischen den Platten.
Das System verliert nicht an Tragfähigkeit, wird aber verformbar.
Kontrollierte Integration von Akustik und Statik
Die Lösung besteht nicht darin, auf das Entkopplungsprofil zu verzichten, sondern es bewusst einzusetzen.
Die experimentelle Analyse zeigt, dass:
es bei geringen Stärken (≤ 6 mm) möglich ist, die Festigkeit unverändert zu bewahren;
die Reduzierung der Steifigkeit vorhersehbar und quantifizierbar ist;
das zyklische Verhalten mit dem monotonen übereinstimmt;
der empfindlichste Parameter die anfängliche Verformbarkeit der Verbindung ist.
Auf diese Weise kann der Planer die Verbindung unter Berücksichtigung des tatsächlichen Beitrags des Profils modellieren, wobei übermäßig vorsichtige Vereinfachungen vermieden werden.
Bei der Planung eines Gebäudes aus BSP mit hohen akustischen Anforderungen ist es daher notwendig, die Auswirkung auf die Gesamtsteifigkeit des Systems im Tragfähigkeits- und Schadensgrenzzustand zu bewerten, Verformungen und Schwingungen im Verhältnis zum Betriebsgrenzzustand zu prüfen, die Profilstärken innerhalb der validierten Grenzen zu halten sowie Schraubendurchmesser und -längen auszuwählen, die mit der neuen Konfiguration übereinstimmen.
Es ist technisch möglich, statische und akustische Leistungen zu kombinieren, sofern die Wechselwirkungen zwischen Schalldämmmaterial und Verbinder bekannt sind und entsprechend verwaltet werden.
Für die vollständigen Daten, die Vergleichstabellen sowie die auf die verschiedenen Konfigurationen angewandten Berechnungsgrundsätze siehe technischer Bericht „Holzverbindungen mit Entkopplungsprofilen“
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