Verbindungen sind entscheidend für den Aufbau von Stärke

Viele moderne Wirtschaftsgebäude in Holzrahmenbauweise sind mit einer Außenhaut oder Verkleidung aus geripptem Blech verkleidet. Die kombinierte Stärke des Rahmens und der Metallhaut trägt zur Wirtschaftlichkeit dieses Gebäudetyps bei.

Viele moderne Wirtschaftsgebäude in Holzrahmenbauweise sind mit einer Außenhaut oder Verkleidung aus geripptem Blech verkleidet. Die kombinierte Stärke des Rahmens und der Metallhaut trägt zur Wirtschaftlichkeit dieses Gebäudetyps bei. Einige primäre Strukturelemente wie Holzbinder oder Schichtholzpfosten sind vorgefertigt. Die meisten Verbindungen zwischen Primärbauteilen, Sekundärbauteilen und der Gebäudehülle werden vor Ort hergestellt, sind jedoch für die Festigkeit des zusammengebauten Gebäudes von entscheidender Bedeutung. Die Beachtung dieser Zusammenhänge bei Planung, Bau und Wartung wird die Festigkeit und Langlebigkeit des Gebäudes verbessern.

Angewandte Lasten

brauche Widerstand Wenn Gebäude durch Wind, Schnee und Eigenlasten – das Gewicht des Baumaterials – belastet werden, müssen die resultierenden Kräfte von den Bauteilen des Gebäudes auf den Boden oder das Fundament übertragen werden. Konstrukteure können die Übertragung von Kräften als Schaffung eines kontinuierlichen Lastpfads zum Boden bezeichnen. Schnee und Eigenlasten erzeugen nach unten gerichtete Vertikallasten auf Gebäudeteile. Durch Wind verursachte Lasten können auf Gebäudeteile nach unten, oben und horizontal wirkende Kräfte erzeugen.

Bewegungen – wie Durchbiegung, Biegung, Schwankung oder Neigung – des Gebäudes aufgrund dieser einwirkenden Kräfte müssen durch die Steifigkeit des Gebäudes aufgehalten werden. Bei metallverkleideten Rahmengebäuden ist die Gesamtsteifigkeit eine Kombination aus Rahmensteifigkeit und der durch die Metallhaut bereitgestellten Steifigkeit.

Um die aufgebrachten Gebäudelasten sicher auf den Boden zu übertragen, sind ordnungsgemäß konstruierte und vor Ort installierte Befestigungselemente an kritischen Gebäudeanschlüssen erforderlich.

Post-Einbettung– Beim Einsetzen von Baupfosten in den Boden bestimmen die Einbindetiefe sowie die Art und Beschaffenheit des umgebenden Bodens den Widerstand, der verhindert, dass der Pfosten aus dem Boden gezogen oder zur Seite geneigt wird. Böden mit mehr Sand oder Kies bieten eine höhere Tragfähigkeit als solche mit überwiegend Schluff oder Ton. Ungestörte Böden bieten mehr Festigkeit als Füllmaterial. Die Unterstützung des Pfostens durch die Verbindung mit einem starren Gebäudeboden kann für zusätzlichen Seiten- und Auftriebswiderstand sorgen. Pfostenfundamente müssen die richtige Größe haben und auf ungestörtem Boden und nicht auf Füllmaterial oder losem Material ruhen. Bestätigen Sie, dass alle Aspekte der Pfosteneinbettung und der Bodenfestigkeit mit dem Gebäudeentwurf übereinstimmen.

Pfosten-zu-Fundament-Befestigung– Wenn Pfosten oben auf einem Fundament befestigt werden, muss die Verbindung dem Windauftrieb sowie horizontalen Windkräften und Biegekräften im Pfosten standhalten. Diese Verbindungen müssen entweder aus in das Betonfundament eingebetteten Stahlplatten bestehen, die über eine angemessene Distanz an der Seite des Pfostens nach oben reichen, oder aus einer entsprechend konstruierten Grundplatte, die mit im Beton eingebetteten Ankern verschraubt ist. Sowohl die Einbettung der Verbinder in den Beton als auch die Befestigung der Verbinder am Pfosten sind entscheidend für die Gestaltung und Funktion dieser Verbindungen. Stellen Sie sicher, dass die Anker bei der Installation des Fundaments ordnungsgemäß platziert werden und dass alle Verbindungen zum Pfosten gemäß den Angaben im Entwurf hergestellt werden.

Abbildung 2. Befestigung zwischen Pfosten und Fundament

Befestigung zwischen Ständerwand und Fundament– Wenn Ständerwandrahmen mit einem Fundament verbunden werden, muss die Verbindung Windauftrieb und horizontalen Windkräften standhalten. Diese Art der Verbindung kann den Biegekräften nicht standhalten, daher muss der Wand- und Gebäudeneigung durch andere Mittel entgegengewirkt werden.

Nägel oder Schrauben, die in die Hirnholzmaserung von Holzpfosten eingeschlagen werden, weisen einen minimalen Auszugswiderstand auf, der bei der Gebäudeplanung nicht berücksichtigt wird. Der Auftriebswiderstand muss entweder durch Metallbänder – sogenannte Ankerplatten, Bolzenbinder oder Hurricane-Clips – gewährleistet werden, die mit Nägeln oder Schrauben an der Seite des Bolzens und am Rand der Grundplatte oder des Fundaments befestigt werden. Oder legen Sie Ummantelungs- oder Verkleidungsmaterialien über die Grundplatte und verbinden Sie sie sicher mit den Bolzen und der Grundplatte. Befolgen Sie die Empfehlungen des Herstellers für die für Metallverbindungsplatten erforderlichen Befestigungselemente und die Spezifikationen des Gebäudeplaners für die Befestigung der Ummantelung oder Verkleidung an der Platte.

Wenn die Grundplatte die strukturelle Verbindung zwischen dem Wandrahmen und dem Fundament herstellt, muss sie mit im Beton eingebetteten Ankern sicher am Fundament befestigt werden. Befolgen Sie die Bauplanungsspezifikationen für Länge, Größe und Abstand der Anker. Stellen Sie sicher, dass die Grundplatte vor Feuchtigkeitsschäden geschützt ist, die die Fähigkeit des Holzes, die erforderlichen Befestigungselemente zu halten, schwächen können. Überwachen Sie die Grundplatte und die daran befestigte Ummantelung oder Verkleidung auf Anzeichen von Feuchtigkeitsschäden, Rost und Verschleiß der Befestigungselemente.

Befestigung vom Fachwerk an der Wand– Auf das Gebäudedach einwirkende Kräfte werden auf die Dachbinder und von den Dachbindern auf die Gebäudepfosten oder Wandrahmen übertragen. Die Verbindung muss herabfallenden Schnee und Eigenlasten sowie Windauftrieb und horizontalen Kräften standhalten. Für die Aufnahme von Schnee und Eigenlasten muss eine ausreichende Auflagefläche zwischen Fachwerk und Wand vorhanden sein. Die Auflagefläche wird in der Regel dadurch geschaffen, dass der Trägerfuß direkt auf der Wandplatte oder auf einer Aussparung im Pfosten aufliegt. Liegen Traversen auf Lagerböcken, die seitlich an einem Pfosten angebracht sind, müssen ausreichend Befestigungsmittel vorhanden sein, um die volle Last vom Bock auf den Pfosten zu tragen – entsprechend den Konstruktionsvorgaben.

Abbildung 3. Befestigung des Fachwerks an der Wand–Ein Fachwerkträgerblock veranschaulicht eine wahrscheinlich unzureichende Drei-Nagel-Verbindung zu einem Pfosten.

Abbildung 4. Befestigung des Fachwerks an der Wand–Kniestützen

Horizontale und aufsteigende Windkräfte müssen vom Fachwerk auf die Wand übertragen werden. Nagelnägel, wie sie im Haus- und Garagenbau üblich sind, reichen für die Bewältigung dieser Lasten nicht aus. Zur Aufnahme der Lasten sind Bolzen oder Metallankerplatten erforderlich. Verbindungselemente sollten das Fachwerk an den Pfosten oder Bolzen und nicht an der oberen Platte befestigen, es sei denn, die obere Platte ist auch mit den im Entwurf angegebenen tragenden Verbindungselementen mit den Bolzen verbunden.

Bei Gebäuden in Ständerbauweise kann die Verbindung auch Biegekräfte vom Pfosten auf das Fachwerk übertragen. Die Übertragung der Biegekraft kann über diagonale Kniestützen an der Verbindung zwischen Fachwerk und Pfosten oder über Bolzen durch Fachwerk und Pfosten bei einem speziell entwickelten Fachwerk mit tiefem Absatz erfolgen. Halten Sie sich genau an die Designvorgaben für Knie-Orthesen-Verbindungen und Deep-Heel-Fruss-Verbindungen. Lassen Sie ohne ausdrückliche Genehmigung des Gebäudeplaners keine bauseitigen Änderungen oder das Weglassen von Kniestützen oder Gerüstverbindungen zu.

Dachpfettenbefestigung– Auf Dacheindeckungen wirkende Windkräfte werden über die Dachpfetten auf die Dachbinder übertragen. Wenn Pfetten auf den Dachstuhl genagelt werden, müssen die Befestigungselemente eine ausreichende Einbettungstiefe und -größe bieten, um einen Widerstand gegen Herausziehen aus dem Dachstuhl zu gewährleisten. Das Nageln der Zehen ist wahrscheinlich nicht ausreichend. Möglicherweise sind spezielle Ringnägel oder Schrauben für Pfosten erforderlich. Kabelbinder aus Metall sorgen für zusätzlichen Auftriebswiderstand. Wenn Pfetten zwischen den Trägern in Metallhalterungen aufgehängt werden, sind geeignete Befestigungselemente sowohl an den Pfettenenden als auch am Träger erforderlich. Erhöhte Windlasten am Rand des Daches erhöhen die Anforderungen an die Befestigungselemente an den Rändern der Dachabschnitte.

Abbildung 5. Dachpfettenbefestigung–Die Pfettennagelung wird mit unzureichender Nageleinbettung dargestellt.

Abbildung 6. Dachpfettenbefestigung–Verbindungsplatten oder -bänder aus Metall

Diagonale Windverstrebung– Gebäuderahmen, die in rechteckigen Mustern zusammengesetzt sind, wie z. B. Ständerwände und Dachstühle mit Pfetten, müssen ausgesteift werden, um ein Durchhängen zu verhindern – also ein Neigen oder Verdrehen der Rechtecke in Rautenformen. Die Stahlhaut des Gebäudes kann einen Großteil der diagonalen Aussteifungswirkung leisten, aber insbesondere während des Baus kann eine diagonale Rahmenaussteifung erforderlich sein. Diese Aussteifung kann vorübergehend sein oder dauerhaft in die Struktur integriert sein.

Stellen Sie sicher, dass die Diagonalaussteifung gemäß den Designvorgaben installiert wird. Ohne Genehmigung des Gebäudeplaners dürfen Diagonalverstrebungen für Türen, Fenster oder Geräte nicht abgeschnitten oder weggelassen werden. Anschlüsse an den Enden der Diagonalaussteifung sind für die Funktion der Aussteifung besonders wichtig. Stellen Sie sicher, dass Verbindungen zu Pfosten, Platten oder Fundamenten ordnungsgemäß installiert und vor Feuchtigkeitsschäden geschützt sind. Wenn die Aussteifung Drucklasten trägt, die entlang der Länge gequetscht werden, kann eine seitliche Aussteifung des Elements erforderlich sein, um ein seitliches Knicken zu verhindern. Befolgen Sie die Designvorgaben.

Blechbefestigung– Die Metallverkleidung des Gebäudes muss Wind- und Schneelasten auf die tragende Struktur übertragen. Windauftrieb und nach außen gerichtete Kräfte sowie induzierte Diagonalkräfte sind wesentliche Gestaltungsfaktoren für Blechverbindungen.

Der Widerstand gegen Auftrieb und nach außen gerichtete Kräfte erfordert einen ausreichenden Abstand der Befestigungselemente und eine ausreichende Einbettungstiefe. Befolgen Sie die Designvorgaben. Wenn Schraubenbefestigungen zu fest angezogen werden und das Gewinde abreißt, ersetzen Sie sie durch längere Befestigungselemente – oder wechseln Sie zu einer neuen Befestigungsposition und verschließen Sie das Loch der abisolierten Schraube. An den Rändern von Dach- und Wandflächen sind die Windauftriebskräfte aufgrund der Windbewegung um die Ecken und der Belastung der Dachüberstände (sofern vorhanden) größer. In diesen Randzonen sind zusätzliche Befestigungen – engere Befestigungsabstände – gerechtfertigt. Randzonen mit größerem Winddruck werden im Allgemeinen mit einer Breite von mindestens 3 Fuß vom Rand des Dach- oder Wandabschnitts angenommen.

Wie im Abschnitt zur diagonalen Windaussteifung erwähnt, kann das Stahlblech des Gebäudes auch Widerstand gegen Windkräfte leisten, die zu einer Durchbiegung des Gebäuderahmens führen würden. Das am Rahmen befestigte Metallblech bildet eine starre Membran, die Widerstand gegen Verformung bietet. Beim Widerstand gegen Regale entstehen Scherkräfte in den Verbindungen zwischen den Stahlblechen sowie zwischen den Blechen und dem Rahmen. An den Rändern jeder Membran – also am Rand jedes einzelnen Wand- oder Dachabschnitts – sind diese Kräfte größer. Diese zusätzlichen Membrankräfte erhöhen die Belastung der Verbindungen zwischen Stahlblech und dem darunter liegenden Rahmen sowie zwischen diesem Rahmen und den Fachwerken, Pfosten oder dem Fundament.

Untersuchungen zum Versagen von Gebäuden deuten häufig darauf hin, dass Anschlussversagen an den Rändern der Dachfläche der Ausgangspunkt für strukturelles Versagen ist. Abbildung 7 zeigt Dachpaneele, die sich aufgrund unzureichender Festigkeit der Anschlüsse am Dachrand vom Dachrand gelöst haben. Abbildung 8 zeigt einen Ausschnitt einer Dacheindeckung – Dachbahn und Dachpfetten –, die durch Windkräfte von einem Gebäuderahmen gelöst wurde. Beachten Sie, dass die Folie an den Pfetten befestigt blieb, die Pfetten jedoch nicht ausreichend mit den Trägern verbunden waren.

Abbildung 7. Befestigung von Metallblechen – Gebäudeversagen durch Windlast tritt an der Dachkante auf.

Abbildung 8. Befestigung von Blechen – Ein Dachabschnitt wird durch Wind vom Gebäuderahmen getrennt.

Verbindungen prüfen– Durch Inspektionen während und nach dem Bau sollte sichergestellt werden, dass die Verbindungen an kritischen Stellen ordnungsgemäß installiert wurden. Überprüfen Sie anhand der Baupläne, ob die richtige Größe und Anzahl der Anschlüsse installiert wurde. Überprüfen Sie die Schrauben- oder Nagelgröße, den Abstand, die Länge und die Einbettung in die Rahmenelemente.

Befestigungselemente in den Blechrippen tragen nicht so viel Scherlast wie Befestigungselemente im flachen Teil der Blechplatte. Befestigungselemente, die zu nah an der Kante oder dem Ende eines Holzrahmenelements liegen, tragen weniger Last. Ein zu festes Anziehen der Befestigungselemente, das die Metallfolie beschädigt, oder ein zu geringes Anziehen, das zu einem lockeren Sitz führt, verringert die Festigkeit der Verbindung.

Überprüfen Sie den Zustand der Rahmenelemente an den Kanten von Dach- und Wandabschnitten. Defekte Rahmenelemente – Dachpfetten, Traufpfetten, Seitenwandgurte, Ober- oder Unterplatten – können zu Verbindungsfehlern zwischen Blech und Rahmen führen.

Lassen Sie keine Gebäudeänderungen zu, die nicht Teil des ursprünglichen Gebäudeentwurfs und der ursprünglichen Baupläne sind. Bestehen Sie darauf, dass alle Änderungen vor Ort vom Bauplaner schriftlich bestätigt werden.

Verbindungswartung– Kritische Verbindungen sollten alle paar Jahre und auch nach starken Stürmen überprüft werden. Bereiche in der Nähe der Dachkante und der Wandbasis sind mit zunehmendem Alter der Gebäude ebenfalls anfällig für Verschleiß und Wartungsprobleme. Achten Sie bei Wartungsinspektionen und Reparaturen besonders auf den Zustand der Verbindung und der Rahmenelemente entlang der Dachtraufe, des Dachfirsts, des Fundaments, der Wandecken und der Stirnwandschräge – der Verbindung zwischen Dach und Stirnwand.

Dachmaterialien in der Nähe der Dachtraufen von Viehställen sind besonders anfällig für Feuchtigkeitskondensation und Beschädigung des Dachmetalls. Achten Sie an diesen Stellen auf Anzeichen von Rost oder Korrosion des Dachmetalls. Korrodierte oder verrostete Metallbleche neigen bei Belastung dazu, dass Befestigungselemente das Metall durchbrechen.

Abbildung 9. Wartung der Verbindung – Dachfolie rostet um die Befestigungselemente herum.

Ersetzen Sie verrostete oder korrodierte Metalldächer. Reduzieren Sie das Risiko künftiger Metallroste oder -korrosion durch Maßnahmen wie veränderte Belüftungsöffnungen im Dachboden, verbesserte Isolierung oder Kondensationskontrolle. Weitere Informationen finden Sie in der Veröffentlichung „Gable End Attic Air Intakes for Swine Building Ventilation – AE 3545“ von Iowa State University-Extension and Outreach. Besuchen Sie store.extension.iastate.edu und suchen Sie nach „ae 3545“, um weitere Informationen zu erhalten.

Reparieren oder ersetzen Sie Gebäuderahmenelemente, die Anzeichen von Abnutzung oder Beschädigung aufweisen. Verwenden Sie eine Metallsonde, eine Messerspitze oder einen kleinen Schraubenzieher, um Holzteile auf Unversehrtheit zu prüfen. Verwenden Sie einen Holzfeuchtemesser, um zu prüfen, ob der Feuchtigkeitsgehalt zu hoch ist. Die Festigkeit der Konstruktionsverbindung verringert sich, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des verwendeten Holzes 19 Prozent übersteigt. Achten Sie auf sichtbare Streifen, die auf tropfendes und verlaufendes Kondenswasser hinweisen. Entfernen Sie bei Bedarf Laibungsplatten oder Isolierungen, um einen besseren Zugang für Inspektionen zu erhalten. Nutzen Sie eine flexible Inspektionskamera, um zu Untersuchungszwecken Zugang zu eingeschränkten Bereichen zu erhalten. Wenden Sie sich an einen qualifizierten Ingenieur oder Baufachmann, wenn Schäden festgestellt werden, die eine Reparatur erfordern, die komplexer ist als der Austausch von Befestigungselementen oder Bauteilen. Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt nicht auf der Konstruktion und Inspektion des Fachwerks. Wenn bei der Inspektion jedoch Schäden am Fachwerk oder Fachwerkplattenzähne aufgedeckt werden, die nicht fest in den Fachwerkträgern verankert sind, sollten Sie professionellen Rat für Reparaturstrategien einholen.

Abbildung 10. Aufrechterhaltung der Verbindung – Dargestellt ist das Herausziehen der Fachwerkplattenzähne.

Sicherheit zuerst– Seien Sie vorsichtig bei der Untersuchung und Reparatur von Gebäudeanschlüssen. Zu den Gefahren zählen scharfe Metallkanten und -spitzen, rohe Holzkanten, herumfliegende Isolierung und Trümmer sowie Stürze von Leitern. Tragen Sie eine Schutzbrille und Handschuhe und trennen Sie die Stromversorgung, bevor Sie Bereiche rund um elektrische Leitungen inspizieren.

Autoren –Shawn Shouse, Kapil Arora, Brian Dougherty, Kris Kohl und Kristina TeBockhorst – Feldlandwirtschaftsingenieure bei Iowa State University-Extension and Outreach;rezensiert vonDavid Bohnhoff, emeritierter Professor der University of Wisconsin-Biological Systems Engineering

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