Verbundverhalten von Vollgewindeschrauben in Brettschichtholzbauteilen - Teil 1: Experimentelle Untersuchungen zum Einsatz der Schrauben mit großen Einbindelängen als Bewehrung in Brettschichtholzbauteilen

In der Konstruktion von filigranen, schlanken Bauteilen aus Holz hat sich deren Bewehrung und Fügung mit selbstbohrenden Vollgewindeschrauben (VGS) als innovative, effektive und praktische Methode erwiesen. In dem mit Schrauben bewehrten Holz kommen selbstbohrende Vollgewindeschrauben großer Baulänge als Bewehrungselemente zum Einsatz. VGS stellen nicht nur ein Befestigungsmittel dar, sondern fungieren aufgrund ihrer hohen Festigkeit und ihrer großen verfügbaren Längen als Basiselement, dessen Verbundeigenschaften mit einer Stahlbetonbewehrung vergleichbar sind.
Zur Beschreibung des Verbundverhaltens und der Kraftübertragung bei großen Verbund- und Einbindelängen wurden experimentelle, analytische und numerische Untersuchungen am Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen in Zusammenarbeit mit dem Institut für Bauforschung (ibac) der RWTH Aachen durchgeführt. Die experimentellen Untersuchungen wurden im Institut für Bauforschung durchgeführt und umfassen mehr als 160 Pull-Out-Versuche sowie 84 Lasteinleitungsversuche, darüber hinaus Versuche zum Einfluss eines Längsrisses sowie einer eingebetteten Schraubenspitze auf das Verbundtragverhalten. Die parallel durchgeführten numerischen und analytischen Untersuchungen bilden die Basis zur Erstellung von Modellen zur Beschreibung des Tragverhaltens und der Kraftübertragung zwischen Schraube und Holz. Die gewonnenen Kenntnisse ermöglichen die Bestimmung eines wirtschaftlichen und gleichzeitig sicheren Bemessungsansatzes unter besonderer Berücksichtigung der Anisotropie des Holzes. In diesem Beitrag werden die Untersuchungsergebnisse, die im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts ermittelt wurden, dargestellt. Teil 1 behandelt die experimentellen Untersuchungen, Teil 2 die analytischen und numerischen Betrachtungen sowie die Herleitung eines Verbundmodells zur Berechnung der Übertragungslänge.

Bond behaviour of self-tapping screws being used as reinforcement in glue-laminated timber elements - Part 1: Experimental investigations on self-tapping screws with continuous threads and long embedment length being used as reinforcement in glue-laminated timber elements
The use of self-tapping screws with continuous threads to reinforce and join timbers represents an effective, simple and economic method for the construction of slender and filigree timber structures. The high withdrawal resistance of the screws as well as its continuous bond with the wood enables an effect similar to steel reinforcement in concrete structures.
To investigate the bond behaviour, the force transfer and the anchorage length of self-tapping screws several tests have been realized at the Chair of Structures and Structural Design in cooperation with the Institute for Building Material Research of the RWTH Aachen University. The experimental investigations include more than 160 pull-out tests of screws with long embedment length and over 84 load distributions tests. In addition, several tests displaying the effect of longitudinal cracks in the surrounding wood as well as the effect of the screw tip have been realized. Through various analyses of the bond behaviour, the experimental investigations form the basis for the calibration and evaluation of the numerical models and allow a prediction of the force transfer of the screws in glue-laminated elements. Design rules that enable the safe and economic application of the self-tapping screws as reinforcement in timber elements have been derived from the knowledge obtained in the experimental and numerical investigations.
This paper, which results from a research project funded by the German Research Foundation, presents the results of investigations on the bond behavior of self-tapping screws in glue-laminated timber elements. Part 1 elaborates on the experimental investigations whereas, part 2 illustrates the numerical analyses and presents a bond model, which enables the design of the transfer length and the safe application of the screws as reinforcement in timber elements.