Ho'lz als Roh- und Werkstoff49 (1991) 191-198 ~L?Springer-Verlag 1991

H o l z a l s R o h - u n d W e r k s t o f f

Neue Untersuchungen mit N igeln fiir den Hoizbau *

H. Werner und W. Siebert

Versuchsanstalt fiir Stahl, Holz und Steine, Abt. Ingenieurholzbau, Universitfit Karlsruhe, Kaiserstrage 12, W-7500 Karlsruhe

Mit teilweise neuen Priifmethoden wurden FlieBmomente yon unter- schiedlichen Nfigeln und Nagelausziehwerte unter Berficksichtigung der Rohdichte des Holzes sowie der Herstellungsqualit/it, der Schaft- ausbildung und der OberflS.chenausfiihrung der Verbindungsmittel untersucht. Dabei ergab sich, dab das FlieBmoment nur im Biegever- such am Nagel selbst und nicht am Draht richtig ermittelt werden kann. Fiir runde Drahtniigel konnte eine Abh~ngigkeit des Biegewi- derstandes vom Durchmesser angegeben werden. Die Ergebnisse yon Ausziehversuchen mit Rillenn/igeln zeigten, dab der Auszieh- wert der geprfiften Rillenn/igel dem Quadrat der Rohdichte in etwa proportional ist. Aufgrund des starken Einflusses der Herstelhmgs- qualitfil aufden Ausziehwiderstand speziell von Sondern.figeln ist fftr die Qualil/itssicherung dieser N/igel die Einhaltung enger Herslel- lungstoleranzen une,'lfil31ich. Der Einfiul3 der Oberfliichenausffih- rtmg auf die Haftkraft zeigte sich bei sog. ,,glattschaftigen'" Niigeln hcsonders at,sgepriigl.

New investigations of nails in timber structures

With partly new test methods file yield momenl as well as the with- drawal resistance of the nails was determined taking into accotmt the influence of the wood density, the litbrication qualily, the shank shape and the smoothness of the nail stn'lace. Tests show. thai the yield moment can only be determined using a nail bending test. The bending resistance of common wire nails was specified depending on the mill diameter. Withdrawal tests using annularly threaded nails showed a good correlation between the wfihdrawal resistance and the squared density of the wood. Because of the strong influence of the fabrication tolerance on the withdrawal resistance, the com- pliance of small fabrication tolcrances is necessary to guarantee the required quality. The influence o[" the roughness of the nail surface was particularly obvious for common nails.

1 Einleitung

Im Zuge der Harmonisierung der Bemessungsregeln ffir Ver- bindungen mit stiftf6rmigen Verbindungsmitteln auf Ab- scheren oder Herausziehen und der Umstel lung auf das pro- babilistische Sicherheitskonzept im Bauwesen waren Unter- suchungen notwendig, um die mal3gebenden Eingangsgr6- Ben ffir die Anwendung dieser neuen Regeln zu ermitteln. Nach langj/ihrigen Diskussionen wurde fiber die Bestim- mung der charakteristischen Tragf'fihigkeit von Verbindun- gen mit stiftf6rmigen Verbindungsmitteln international eine gewisse Einigung erzielt.

Die weitgehend anerkannte Grundlage fiir die mathema- tische Beschreibung der Tragffihigkeit von Verbindungen mit stiftf6rmigen Verbindungsmitteln auf Abscheren ist eine

* Herrn Univ.-Prof. Dr.-lng. J. Ehlbeck gewidmet

Theorie, die von dem DS.nen Johansen (1941) entwickelt, sp~iter vielfach modifiziert und in jfingster Zeit durch griind- liche Forschungen in England (Whale, Smith 1986), Dfine- mark (Larsen 1977), der Schweiz (Gehri, Fontana 1983), den USA (Aune, Pat ton-Mallory 1986) und Deutschland (Ehl- beck, Werner 1989) tiberprfift wurde.

In diesem Rechenmodell werden folgende Einflul3para- meter auf die Tragfiihigkeit berficksichtigt:

das Fliel3moment des Verbindungsmittels die Lochleibungsfestigkeit der an der Verbindung beteilig- ten H6Lzer die Geometr ie dcr Verbindung die Einschlagtiefe des Verbindungsmittels der Durchmesser des Verbindungsmittels.

Grundlegende Untersuchungen zur Ermitt lung der Trag- f/ihigkeit auf Herausziehen wurden yon M6hler, Ehlbeck (1973) und Ehlbeck (1976) durchgef/.ihrt. Dabei wurde fest- gestellt, dab bei allen Niigeln u.a. die Rohdichte des Holzes einen signifikanten Einflul3 auf die Hal'tkraft hat. Jedoch scheint sich die Rohdichte um so weniger stark aufd ie Haft- kraft auszuwirken, je besser die mechanische Verzahnung zwischen dem Nagel und dem umgebenden Holz ist. Diese Tendenzen ergaben sich aus Vergleichsversuchen mit glatt- schaftigen N'ageln und Schraubn'a_getn. Ffir Rillenn~igel konnte damals noch keine Aussage i.iber die Abhfingigkeit der Haftkraft yon der Rohdichte gemachl werden.

Alle wesentlichen Forschungsergebnisse fiber Nagelver- bmdungen im Holzbau vor 1978 sind in der Publikation yon Ehlbeck (1979) zusammengefal3t.

2 Biegebeanspruchung von N~geln

2.1 PriiJmethode

Einen wesentlichen Einflul3 aufd ie TragfS.higkeit von Nagel- verbindungen bet Beanspruchung aufAbscheren hat der Bie- gewiderstand des Nagels, der durch sein Flief3moment cha- rakterisiert werden kann. Die Streckgrenze bzw. Zugfestig- keit des Nagelrohdrahtes eignen sich in der Regel nicht, da einerseits die in einem Zugversuch ermittelten Kenngr6Ben sich nicht ohne weiteres auf eine Biegebeanspruchung fiber- tragen lassen, und andererseits die Verfestigung des Stahls infolge Kal tverformung beim Aufwalzen der Profilierung von SondernS.geln oder eine W/irmebehandlung der N/igel dabei nicht berficksichtigt werden. Weiterhin ist bet Sonder- n/igeln insbesondere bet Schraubn/igeln die Geometr ie sehr schwer zu erfassen, so da[3 sich das plastische Widerstands- moment nicht eindeutig ermitteln l/igt.

192 Holz als Roh- und Werkstoff49 (1991)

Bild 1. Pr/ifanordnung und Nagelbelastung Fig. 1. Test set up and nail loading

Bild4. Kraft-Biegewinkel-Diagramme yon galvanisierten bzw. nichtrostenden RillennS.geln Fig. 4. Load-bending angle diagrams for galvanized and stainless annularly threaded nails

Bild 2. Nagelbiegeger/it Fig. 2. Nail bending apparatus

Bild 3. Bedienung des Prfifger/ites Fig. 3. Handling of the test apparatus

Aus diesen Griinden hat man sich auf europ~iischer Ebe- ne darauf geeinigt, eine Prfifmethode zur Bestimmung des FlieBmoments von stiftf6rmigen Verbindungsmitteln anzu- geben und zu normen.

Als Grundlage fiir diesen Normentwurf diente die von Johansen (1988) beschriebene ,,Nordtest-Methode". Das Prinzip dieser Prtifung besteht darin, den zu prfifenden Na- gel so zu belasten, dab sich die Lastpunkte entlang des Na- gels wfihrend der Prfifung nicht ver/indern. Diese Forderung kann mit der in Bild 1 dargestellten Anordnung erfiillt wer- den.

Der zu priifende Nagel wird an einem Ende mit einer Fi- xierungsschraube an einem frei drehbaren Hebelarm befe- stigt (Bild 2). Das andere Ende des Nagels befindet sich in ei- ner an einem Verl/ingerungshebel angebrachten zylindri- schen Hiilse. Dieser Hebel verl~iuft rechtwinklig zu einem Pendelstab, der die Verbindung mit einer Kraftmegdose her- stellt. Das FlieBmoment ist nach folgender Beziehung zu be- rechnen:

My = Fma x " (12 q- 14) (1)

Fm,x H6chstlast im Bruchzustand oder bei einem maximalen Biegewinkel des Nagels von 45 ~

l 2 freie Nagell/inge (Bild 1) 14 Hebell/inge (Bild 1)

Die Drehachse sollte so angeordnet sein, dab sich der rechte Winkel zwischen Pendelstab und Hebel um nicht mehr als 0,1 rad findert. Der Hebel muB im Verh/iltnis zum Nagel sehr steif sein. Sein Eigengewicht kann bei der Bestim- mung von My in der Regel vernachl/issigt werden, wenn es kleiner als die doppelte H6chstlast Fm~ x ist. Unter diesen Be- dingungen ist das Biegemoment innerhalb der freien Nagel- l/inge ann/ihernd konstant.

H. Werner und W. Siebert: Untersuchungen mit N/igetn f'tir den Holzban 193

Zur Erprobung dieser Pri ifmethode wurde am Lehrstuhl fiir Ingenieurholzbau und Baukonstrukt ionen der Universi- t/it Karlsruhe ein Nagelbiegegergt konstruiert, welches die oben genannten Forderungen erfiillt. Bild 2 zeigt das Kon- struktionsprinzip dieses Priifgergtes. Die Verdrehung des Hebelarms und somit die Verbiegung des Nagels erfolgt yon Hand, bei gr613eren Nageldurchmessern mit einem 15.ngeren Hebelarm. Die Kraf t wird mit einer KraftmeBdose gemes- sen, die Verdrehung wird mit Hilfe eines Potent iometers aug genommen und beide auf einen X-Y-Schreiber fibertragen. Aus den aufgezeichneten Kraft-Biegewinkel-Diagrammen k6nnen die Fl iegmomente berechnet oder, in geeignetem Magstab aufgetragen, direkt abgelesen werden.

Mit diesem Ger'at k6nnen N/igel bis zu einem Durchmes- ser yon 8 mm gepriift werden. Die Bedienung von Hand ist unproblematisch (Bild3). Vergleichsversuche ,,langsam"

und ,,ziigig'" gefahren zeigten keinen nennenswerten EinfluB der Priifgeschwindigkeit auf die MeBergebnisse.

2.2 Nagelbiegeversuche

Im Rahmen der europfiischen Normungsaktivitf i ten im CEN TC 124 wurden Biegepriifungen an N/igeln und Na- getdr/ihten durchgefiihrt . Vergleichend dazu wurden auch Nfigel nach R I L E M Recommendat ion TT-1B, Annex B ,,Nails", getestet. AuBerdem wurde die Zugfestigkeit einiger Dr/ihte im Zugversuch nach DIN 51210 ermittelt. Tabelle 1 gibt eine Obersicht fiber die gepr/iften DIN-Nfigel sowie der gepriiften N/igel und NagelrohdrS.hte der Hersteller A bis H. In Bild 4 sind exemplarisch Kraft-Biegewinkel-Diagramme von galvanisierten bzw. nichtrostenden RiIlenn/igeln darge- stellt.

Tabelle 1, Mittelwerte und Variationskoeffizienten der Ergebnisse aus den Nagelbiegeversuchen

Reihe Anzahl Gepriifte Nfigel der Ver- Nagel/ Gr6Be Profil Oberflfiche/ Durchmesser [nun] suche Hersteller Ausffihrung

d. d~ G

Zugfestig- Fliel3- Varia- Rechne- keit des moment lions- rische Nagelroh- koeffi- FlieB- drahtes zient spa~mung .1; M, r 1;. [N/mm 2] [Nm] [%l [Nlmmq

la 5 A 3,8 • 105 Glatlschaftig Geh/irtet 3,80 3 , 8 0 3,80 - 1 b 5 A 3.8 x 105 Glattschaftig Gehiirtet 3,80 3 , 8 0 3,80 2 10 A 3,8 x 120 Glattschaftig GeMrtet 3,80 3 , 8 0 3,80

3 10 B 2,8 • 65 Schraubnagel Nichtroslend 2 , 8 0 3 , 2 0 2.50 4 10 B 3,1 • 80 Schraubnagel Nichtrostend 3 , 1 0 3 , 6 0 2.80

5 10 DIN 1151 2.5 x 55 GIattschaftig Blank 2,50 2,50 2,50 6 10 DIN 1151 3,4 x 80 Glattschaflig Blank 3,40 3 , 4 0 3.4(I 7 10 DIN 1151 4.2 x 110 Glattschaflig Blank 4,20 4 , 2 0 4.20 8 10 DIN 115I 6.0• (.}|aitschaflig Blank 6,00 6.00 6.00 9 10 DIN 1151 7,0 x 210 Glattscha ftig Blank 7,00 7 . 0 0 7.00

10 5 C Draht Glattschaftig Unbehandelt 6 . 0 0 6 . 0 0 6,00 705 104 5 C Draht Glattschaftig Llnbchandel! 3 , 9 6 3 . 9 6 3,96 723 11 10 C 4.0 x 75 Rillennagel Galwmisierl 4,02 4 . 3 8 3,62 12 I(I C 6,0 x I00 Rillennagel Galvanisiert 6,{17 6 , 4 7 5,70

13 5 D Draht GlattschaRig U nbehandelt 3 , 0 9 3 , 0 9 3,09 792 ~134 3 D Draht Glattschaftig Nichtrostend 3,08 3,08 3.08 752 14 5 D Draht Glattschaftig IJnbehandell 3,98 3,98 3.98 636 144 3 D Draht Glattschaftig Nichtrostend 3 , 9 7 3_97 3,97 759 15 5 D Draht Glattschaftig Unbehandel! 5 , 9 8 5 , 9 8 5,98 722 15a 3 D Draht Glattscha flig Nichtrostend 5,98 5,98 5,98 614

16 10 D 4,0 x 75 Rillennagel Galvanisiert 4,02 4.32 3,75 17 10 D 4,0 • 50 Rillennagel Nichtrostend 4 , 0 7 4.34 3,53 18 10 D 6,0 x 100 RiUennagel Galvanisiert 6,04 6 , 3 4 5,62 19 10 D 6,0 x 80 Rillennagel Nichlrostend 5 , 9 8 6 , 3 8 5.52

20 10 E 4.0 x 60 Rillennagel Galvanisiert 3,99 4,36 3,70 - 21 5 E Drahl Glattschaftig Unbehandelt 3 , 9 9 3 , 9 9 3,99 714

22 5 DIN t151 3,~ x65 Glaltschaftig Blank 3,10 3,10 3,10 -

23 5 B 2,8 x 65 Schraubnagel Nichtrostend 2 , 8 0 3,20 2,50 -

24 5 F 2,9 x 63 Rillennagel Sherardisiert 2,90 3 , 2 0 2,50 - 25 5 F 2,9 x 63 Rillennagel Nichtrostend 2 , 9 0 3,20 2,50 -

26 5 D 3,1 x 65 Schraubnagel Feuerverzinkt 3 ,01 3 , 0 7 2,05 -

27 5 G 3,1 x 80 Schraubnagel Nichtrostend 3 , 1 0 3 , 5 0 2,80 -

28 5 DIN 1151 2,5 x 60 Glattschaflig Blank 2,50 2 , 5 0 2,50 - 29 5 DIN 1151 4,2 x 110 Glattschaftig Blank 4,20 4,20 4,20 -

30 5 H 3,1 x 60 Rillennagel Galvanisierl 3,I0 3 , 3 0 2,75 - 31 5 H 4,0 x 75 Rillennagel Galvanisiert 4,00 4,40 3,75 - 32 5 H 6,0 x 100 Rillennagel Galvanisierl 6,00 6,40 5,65 -

33 5 DIN 1151 3,1 x80 Glattschaftig Blank 3,10 3 , 1 0 3,10 -

20,10 3,5 2198 19,84 2,1 2170 18.92 5,1 2069

3,70 1,6 5,17 2.3

2.35 3,5 902 5,02 3,0 767 8.83 2,1 715

23.28 11,7 647 36.20 5,3 633

27.51 1,0 777 8.05 1,1 775 7.24 2.2

26.46 4.1

4.24 1.6 863 3.12 0,0 64l 7.53 4,4 716 7,21 1,6 691

28.15 0,8 790 [ 8,_~5 3,7 521

6,65 1,6 9.09 0,8

20,28 6,0 27,43 1.5

7,~0 1,0 7,93 4,8 749

4,08 6.0 821

3,86 3,0

2,45 8,5 - 3,40 3,3

3,47 1,2 -

5,76 3,0 -

2,64 6,4 1014 8,02 1,7 650

2,94 5,7 - 8,11 0,8 -

20,37 5,7 -

4,07 1,8 819

194 Holz als Rob- und Werkstoff49 (1991)

Bei den aus gew6hnlichem Stahl hergestellten galvani- sierten Rillenn/igeln zeigt sich ein fast ideal elastisch-plasti- sches Verhalten. Dagegen hat die Last-Verdrehungskurve der aus nichtrostendem Stahl hergestellten N/igel einen ela- stischen Verlauf bis zu einer Art Proportionalit/itsgrenze und danach einen flacheren kontinuierlichen Anstieg, ohne dabei im gemessenen Bereich eine eindeutige Bruchlast zu errei- chert.

Tabelle 1 enth/ilt weiterhin die Mittelwerte und Variati- onskoeffizienten der Fliel3momente aus bis zu zehn Einzel- versuchen jeder Versuchsreihe. Ffir die Nagelrohdr/ihte ist zusS.tzlich die ermittelte Zugfestigkeit angegeben. Aus dem Fliel3moment My wurde ffir runde glattschaftige N/igel und ffir die Nageldr/ihte eine Fliegspannung f~ nach folgender Beziehung errechnet:

J; = M,,/Wy (2)

mit dem plastischen Widerstandsmoment

IVy = d3/6. (3)

Nachfolgend sind die Erkenntnisse aus den Untersu- chungen zusammengefal3t:

1. Bei runden glattschaftigen N/igeln nimmt die errech- nete Fliegspannungf~, mit steigendem Durctunesser ab. Ftir die untersuchten N/igel nach DIN 1151 kann als beste An- passung des Mittelwertes mit Hilfe einer nichtlinearen Re- gression folgende Beziehung angegeben werden:

J ; = 1320. d~ -~ (4)

do in [mml:,g in [mmZ].

Der Verlauf der 5%-Fraktile der Fliegspannung ergab sich hierbei zu

./'y,.s% = 1154 �9 d~ T M . (5)

Bild 5 zeigt die aus den Versuchswerten errechnete FlieB- spannung in Abhfingigkeit vom Durchmesser der N/igel sowie die zugeh6rigen Regressionskurven.

2. Die rechnerische Fliegspannung ist bei Nageldr/ihten aus gew6hnlichem Stahl um etwa 9% gr6ger als die ermittelte Zugfestigkeit. Bei dieser Stahlsorte f/illt die Proportionali- t/itsgrenze fast mit der Zugfestigkeit zusammen. Da die Zug- festigkeit auf den Bruttoquerschnitt des Drahtes bezogen wird und man somit die Einschnfirung des Drahtes beim Zugversuch nicht beriicksichtigt, kann die errechnete Fliel3- spannung gr613er sein als die Zugfestigkeit. Liegen Propor- tionalit/itsgrenze und Zugfestigkeit wie z. B. bei nichtrosten- dem Stahl weiter auseinander, so ist die rechnerische Flieg- spannung kleiner als die Zugfestigkeit.

3. Mit My bzw. f~, des Nagelrohdrahtes 1/il3t sich keine eindeutige Aussage fiber My von daraus gefertigten Rillen- und Schraubn/igeln machen. Somit sollte stets am Nagel das Fliel3moment My bestimmt werden.

3 Ausziehbeanspruchung von Niigeln

3.1 Einflufl der Rohdichte au f den Ausziehwiderstand

Der Einflug der Rohdichte aufdie Haftkraft beim Ausziehen yon N/igeln ist hinl/inglich bekannt. Bisher war es jedoch iib- lich, die Rohdichte der H6tzer ffir die Ausziehversuche an Endabschnitten zu ermitteln. Die Rohdichte ist fiber den Querschnitt jedoch nicht konstant verteilt. Im Gegensatz zur Rohdichteverteilung in L/ingsrichtung, die sich infolge des

Bild 5. Rechnerische Fliel3spannungJ~ von N/igeln nach DIN 1151 in Abh~ngigkeit yore Durchmesser d. Fig. 5. Calculated yield stress fy of nails according to DIN 1151 de- pending on diameter d.

Bild 6. Bohrkerne rail den daraus gezogenen N/igeln Fig.6. Cores with pulled out nails

natiirlichen Baumwuches allmfihlich fiber eine l/ingere Strek- ke veriindert, ist die Rohdichte rechtwinklig zur Achse des Baumstammes gr613eren Ver/inderungen ausgesetzt. Weiter- hin beeinflussen in der N/ihe liegende Aste die Rohdichte des Holzes, das einen Nagel umgibt.

Daher wurde an 270 Versuchsk6rpern nach dem Auszie- hen die Rohdichte des Holzes in der unmittelbaren Umge- bung des Nagelloches bestimmt. Dies erfolgte dutch Ziehen eines Bohrkerns aus dem normalklimatisierten Versuchs- holz. Bild 6 zeigt verschiedene Bohrkerne mit den daraus ge- zogenen N/igeln. Aus den 270 Einzelwerten ergab sich ein Mittelwert von 409 kg/m 3 und eine Standardabweichung yon 37,6 kg/m 3.

In dem europ/i.ischen Normenentwurf wEN 28970 (ISO 8970) sind die Anforderungen an die Rohdichte des Holzes zur Priifung yon Verbindungen mit mechanischen Verbin- dungsmitteln geregelt. Dabei wird vorausgesetzt, dab die Rohdichte normalverteilt ist. Das in Bild 7 dargestellte Hi- stogramm zeigt, dab diese Voraussetzung gut erfiillt ist. Die charakteristische Rohdichte Pk des in Deutschland verwen- deten Fichtenholzes betr/igt etwa 380 kg/m ~. Die mittlere Rohdichte aller Probek6rper ist kleiner als 1,15'0k und die Rohdichte yon fiber 20% der Probek6rper kleiner als Ok. So- mit sind die Auswahlkriterien ffir das Holz nach dem o. g. Normentwurf erffillt.

Aus diesen Versuchsh61zern wurden Rillenn/igel eines Herstellers mit Nenndurchmessern yon 2,2 mm bis 3,4 mm und unterschiedlichen Einschlagtiefen sowie verschiedenen Oberfl/ichenausf/ihrungen ausgezogen. Die Profilierung der

H. Werner und W. Siebert: Untersuchungen mit N/igeln fiir den Holzbau 195

Bild 7. H/iufigkeitsverteilung der Rohdichte Fig. 7. Frequency distribution of the density

Bild 8. Ausziehwert f,,a der gepr/iften Rillenn~gel in Abhfingigkeit vonder Normalrohdichte 0 Fig. 8. Withdrawal valuef~n of annular ringed shank nails depending on the normal density o

N/igel erfolgte in zwei Herstellwerken; die Profile selbst wa- ren jedoch bei allen N/igeln ~hnlich, so dab der Einflul3 der Profilierung weitgehend ausgeschaltet wurde.

Eine Auswertung der Versuchsergebnisse mit Hilfe einer nichtlinearen Regression ergab ffir den Ausziehwert fwe fol-

gende Abh/ingigkeit von der Rohdichte 0:

j~v~= 6 2 " 10 -6 . ~O 2'~ (7)

mit

./i,,a = F J d . " s,, (8)

Jibe Ausziehwert in [N/mm 2] F, Ausziehkraft in [N] d, Nenndurchmesser in [mm] Sw Einschlagtiefe in [mm].

Diese Beziehung lfil3t sich durch die quadratische Glei- chung

jwd=95" l0 6. Q2 (9)

anpassen. Als 5%-Frakt i le des Ausziehwertes ergab sich folgende Beziehung:

.fwa.5"/,, =65" 10 -6" Q2. (10)

Die Versuchsergebnisse und die verschiedenen Regressi- onskurven sind in Bild 8 dargestellt. Der nach p rEN 28970 durch Versuche zu bestimmende Exponent c yon o kann ffir Verbindungen mit Rillennfigeln bei Beanspruchung auf Her- ausziehen nach diesen Untersuchungen zu c = 2 angenom- men werden.

In Tabelle 2 sind die Ergebnisse der Ausziehversuche zu- sammengefal3t. Die Ausziehkr/ifte wurden nach prEN 28970 folgendermagen korrigiert:

F~o~ = (OK/e) 2 -F,. (11)

In Anlehnung an D I N 1052 Teil 2 Anhang A gilt als cha- rakteristischer Ausziehwert Jk,d.c der einzelnen Versuchsrei- hen der um die zweifache Standardabweichung s abgemin- derte korrigierte Ausziehwert./',,e.~or.

3.2 E#!flzq3 der Schaftausbildung und der tterstellungsqualitdt a u f den Ausziehwiderstand

Bekanntlich besitzt ein Nagel mit profiliertem Schaft einen h6heren Ausziehwiderstand als ein glattschaftiger Nagel.

Tabelle 2. Ergebnisse der Ausziehversuche mit Rillenniigeln in Fichtenho~

Reihe Anzahl Nenn Ein- OberflS.che/ der durch- schlag- Ausfiihrung Versuche messer tiefe

dn sw [mm] [mm]

Mittlere Varia- Mittlere Korri- Auszieh- Rohdichte tions- Auszieh- gierte wert der koeffizienl kraft Auszieh- Bohrkerne kraft 0 v F~ F~or f,,a .... [kg/m 3] [%] [N] [N] IN/ram 2]

Varia- Charakt. tions- Auszieh- koeffizient wert

[%] [N/mm 2]

1 20 2,2 25 Sherardisiert 2 20 2,2 25 Blank 3 20 2,8 30 Blank 4 20 2,8 30 Galvanisiert 5 20 2,8 30 Chromatiert 6 20 2,8 30 Sherardisiert 7 20 2,9 30 Feuerverzinkt 8 20 2,9 30 Feuerverzinkt 9 20 2,9 30 Blank

10 20 3,2 35 Sherardisiert 11 20 3,4 35 Blank 12 20 3,4 35 Blank 13 20 2,8 30 Chromatiert 14 10 2,9 45 Blank

427 11,3 1143 889 i6,2 19,5 9,9 411 8.9 827 689 12,5 19,8 7,6 410 11,3 1315 1112 13,2 17,3 8,6 399 7,9 1210 1087 12,9 16,6 8,7 426 11,8 1402 1096 13,0 17,6 8,5 411 7,5 1467 1251 14,9 13,9 10,8 410 9,1 1465 1257 14,4 13,6 10,5 398 7,0 1411 1278 14.7 15,1 10,3 403 6,9 1403 1233 14,2 15,5 9,8 413 9.3 2050 1742 15,3 11,2 11,9 403 7,5 1958 1728 14,5 16,9 9,6 405 8,4 1808 1585 13,3 10,7 10,5 410 10,6 1025 874 10,4 15,2 7,2 402 7,5 1947 1725 13,2 20,0 7,9

Fr Fu mit ~Ok=380kg/m3; f~,t.,.=f,,a.cor-- 2" S

196 Holz als Roh- und Werkstoff49 (1991)

Bild 9. Gleiche Schraubn/igel - unterschiedliche Profiltiefe Fig. 9. Same type of helically threaded nails - different profile depth

DaB mit dem Begriff ,,Sondernagel", ,,Schraub"- oder ,,Rillennagel" nicht automatisch eine grol3e Haftfestigkeit verbunden sein mug, sondern dab die Ausffihrung der Profi- lierung von tragender Bedeutung ist, soil an einigen prakti- schen Beispielen verdeutlicht werden.

Bild 9 zeigt das Profil zwei gleicher Schraubn/igel, jedoch aus unterschiedlicher Fertigung (A und B). In der SchrS.gauf- nahme ist zu erkennen, dab die Profiltiefe beim Nagel A klei- ner ausfiillt als beim Nagel B. Offensichtlich war das Herstel- lungswerkzeug bei der Fertigung des Nagels A stark abge- nutzt, bei Fertigung B hingegen noch neu.

Aus je 20 Ausziehversuchen mit diesen N~igeln ergaben sich folgendef~e-Werte:

Nagel f,.e .fwd.~ [N/ram 2] [N/mm 21

A 10,2 4,5 B 13,2 9,9

Bild 10, Gleiche Rillennggel - unterschiedlich ausgewalzt Fig. 10. Same type of annularly threaded nails - differently rolled

Die Mittelwerte der schlechter profilierten N/igel A sind um 23 %, die charakteristischen Werte auf Grund der groBen Streuungen sogar um 55% kleiner als die entsprechenden Werte der N/igel B.

Bild 10 zeigt als weiteres Beispiel die Profile zweier .glei- cher" Rillenn/igel aus unterschiedlichen Fertigungszeitriiu- men. Das Profil des Nagels C ist wohl durch abgenutztes Werkzeug schlechter ausgewalzt als das des Nagels D. Dem- entsprechend verhielten sich auch die Ausziehwerte:

Fertigung .1~ ./,,.a.c [N/ram 2] [N/mm 2]

C 10,5 7,0 D 12,6 10,3

Bild ! 1. Glattschaftige runde N/igel mit unterschiedlicher Oberfl/i- chenausf/ihrung Fig. 11. Smooth round nails with different surface types

Unter dem Mikroskop betrachtet gibt es jedoch keine ,glat- te'" Oberfl/iche. Die Rauhigkeit oder Profflierung ist also re- lativ und ihre Wirksamkeit, d. h. die Haftung oder Reibung hfingt von den Unebenheiten sowohl des Nagels als auch des Holzes ab. lm Gegensatz zum sogenannten g[attschaftigen Nagel, der nur seine werkstoff- und herstellungsbedingte bzw. yon der Oberfl~chenbehandlung (Korrosionsschutz) herriihrende Rauhigkeit besitzt, wird beim Sondernagel ein Profil (Rillen oder Gewinde) aufgewalzt, um durch eine me- chanische Verzahnung mit dem Holz den Ausziehwiderstand zu erh6hen. Dieser Ausziehwiderstand kann jedoch entschei- dend yon der gew/ihlten Geometrie der Profilierung und der Ausffihrungsqualit/it abhS.ngen. Ein richtig geformter Nagel soll sich leicht einschlagen lassen und Ausziehbeanspruchun- gen einen grogen Widerstand entgegensetzen. Bei falscher Fonngebung ist es jedoch m6glich, dab der Nagel bereits beim Eintreiben das Holz zerst6rt, indem er durch zu scharfe Kanten ein zu groges Loch freiraspelt, oder dab seine Profi- lierung nicht gen/igend ausgeprfigt ist, um eine wirksame Verzahnung mit dem Holz zu erreichen. In beiden F~illen wird das gewiinschte Ziel, eine hohe Haftkraft, nicht er- reicht.

Die Mittelwerte der AusziehkrS.fte der N/igel C waren 17%, die charakteristischen Werte 32% kleiner als die der Fertigung D. Diese Beispiele zeigen, wie sehr die Gr6Be des Haftwiderstandes yon der Geometrie des Nagelschaftprofi- les beeinfluBt wird und dab relativ kleine Abweichungen - hier durch die Abnutzung des Walzwerkzeuges bedingt - zu groBen EinbuBen an Haftkraft fiihren k6nnen. Um be- stimmte Haftkr/ifte zu garantieren, ist deshalb die Einhal- tung enger Herstellungstoleranzen unerl/iBlich.

3.3 Einflufl der Oberfldchenausfiihrung auf den Ausziehwiderstand

Das Ausziehverhalten von glattschaftigen N/igeln und yon Sondernfigeln kama je nach Oberfl/ichenausfiihrung sehr stark variieren. In vergleichenden Ausziehversuchen aus ei- nero 22 mm dicken Fichtenbrett und einer gleich dicken Spanplatte V 100 wurden die H6chstkrfifte yon 10 unter- schiedlichen Nageltypen ermittelt (je 5 Kurzzeitversuche). Es handelte sich hierbei um

- fiinf feuerverzinkte N/igel, zwei davon mit quadratischem Querschnitt und sich zur Spitze hin verjiingendem Schaft,

- zwei Kupfern/igel, einer davon mit ,,gerauhtem" Schaft - ein Edelstahlnagel mit ,,gerauhtem" Schaft, sowie - je ein Rillen- und ein Schraubnagel aus Edelstahl.

Die Ergebnisse lassen sich gruppenweise zusammenfas- sen. Die Ausziehwerte fw~ der Kupfernfigel Nr. 4 (mit ,,ge- rauhtem" Schaft) und Nr. 5 sowie des Edelstahlnagels Nr. 6 (ebenfalls mit ,gerauhtem" Schaft) auf Bild 11 lagen nahe beieinander und die der drei feuerverzinkten N/igel Nr. 1, 2

H. Werner und W. Siebert: Untersuchungen mit Nfigeln ffir den Holzbau 197

Tabelle 4. Ausziehwiderstfinde von Nfigeln unterschiedlicher Schaft- ausffihrung

Ausffihrung

Sherardisiert, Blank Galvanisiert, feuerverzinkt chromatiert

.[~a .... 15,~ 13,5 12,1 f*ax 10,7 9,0 8,1

Bild 12. N/igel unterschiedlicher Ausffihrung: Nr. 1 feuerverzinkt, Nr. 6 Edelstahl, Nr. 7 Vierkantschaft feuerverzinkt Fig. 12. Nails with different design: No. 1 hot dipped, No. 6 stainless- steel, No. 7 square-shank hot dipped

und 3 waren etwa zwei mal so groB. Der Ausziehwiderstand tier N/igel Nr. 4 und 6, deren Sch/ifte vom HerstelIer als ,ge- rauht" bezeichnet wurden, war also nicht gr6ger als der des glatten Nagels Nr. 5.

Bild 12 l/iBt erkennen, dab der Schaft des Nagels Nr. 6 mit Ausnahme der Einkerbungen sehr glatt ist, und often- sichtlich sind diese Vertiefungen in bezug aufeine Haftkraft- steigerung unwirksam. Im Gegensatz dazu erh6hten die klei- nen Unebenheiten der Feuerverzinkung, am Beispiel des Na- gels Nr. 1 gut zu erkennen, den Ausziehwiderstand zumin- dest im Kurzzeitversuch auf den doppelten Weft.

Nagel Nr. 7 auf Bild 12 ist ether der beiden feuerverzink- ten N/igel mit sich verjfingendem vierkantigen Schaft. Die Ausziehwiderst~inde.f~a dieser N/igel sowie des Rillen- und des Schraubnagels aus nichtrostendem Stahl waren unter sich wiederum ann/ihernd gleich und lagen nochmals 20% h6her als die der feuerverzinkten runden Nfigel. Die rauhe Oberfl/iche der ansonsten als ,,glattschaftig" bezeichneten NS.gel erzielte in diesem Fall im Kurzzeitversuch die gleiche hohe Haftfestigkeit wie die Profilierung der beiden Sonder- n/igel.

In Tabelle 3 sind die Ausziehwerte dieser Versuche zu- sammengestellt:

S/imtliche N/igel wiesen in der Spanplatte etwa doppelt so hohe Ausziehwiderstfinde auf wie im Fichtenholz.

Der EinfluB der OberflS, chenausffihrung ist auch bet den in Abschn. 3.1 beschriebenen Ausziehversuchen mit Rillen-

Tabelle 3. Mittlere Ausziehwerte Fwa* (N/mm 2) von N'/igeln unter- schiedlicher Schaftausf/ihrung

Nagel

Kupfer, Feuerver- Feuerver- Rillen- Edelstahl zinkt, rund zinkt, Vier- und Nr. 4; 5; 6 Nr. 1; 2; 3 kantschaft Schraub-

nagel

Fichtenbrett 3,7 7,1 8,6 8,7 Spanplatte 6,6 14,2 16,0 17,8

* Zur Ermittlung von./~,,0 wurden beim Rillen- und Schraubnagel jeweils die Augendurchmesser angesetzt, bet den Vierkantnfigeln die Durchmesser der umfanggleichen Kreise

n/igeln zu erkennen. Bei genauer Betrachtung der f,,a.r bzw.J~a:Werte k6nnen jeweils Gruppen mit etwa gleichgro- Ben Werten gebildet werden: Die sherardisierten und feuer- verzinkten Nfigel haben den gr6Bten Ausziehwiderstand, ge- .Colgt yon den blanken N/igeln, und die kleinsten Werte erga- ben sich bei galvanisch verzinkten und chromatierten N/i- geln, wie aus Tabelle 4 ersichtlicht ist.

4 Zusammenfassung

Zur Bestimmung der Tragffihigkeit yon Nagelverbindungen bei Beanspruchung auf Abscheren oder Herausziehen ist die Kenntnis der streuenden EinfluBgr6Ben Voraussetzung. Zur Ermittlung dieser EinfluBgr6gen wurden Prfifmethoden ent- wickelt, mit denen die Eigenschaften, die das Tragverhaiten des gesamten Bauteiles beeinflussen, wirklichkeitsnah be- stimmt werden k6nnen. Dazu waren Untersuchungen erfor- derlich, um zum einen die Anwendbarkeit dieser Prfifmetho- den nachzuweisen und zum anderen explizite Aussagen fiber diese Einfluggr6gen machen zu k6nnen.

Im einzelnen wurden das FlieBmoment des Nagels sowie der Ausziehwert eines Nagels unter Beriicksichtigung der Rohdichte des Holzes, der Herstellungsqualit~it, der Schaft- ausbildung und der Oberflfichenausffihrung des Nagels un- tersucht. Zur Bestimmung des FlieBmomentes wurden N/igel mit einem eigens konstruierten Nagelbiegeger~it geprfift. Diese Versuche im Vergleich mit Zug- und Biegeproben an Nagelrohdr~ihten bestfitigten, dab das FlieBmoment nur im Biegeversuch am Nagel selbst riehtig ermittelt werden kann, da nur hierbei die Einfliisse z, B. der Kaltverformung auf die Stahleigenschaften beim Bearbeiten des Nagels oder der Geometrie des Nagelschaftes beim Sondernagel genau be- riicksichtigt wetden.

Ausgehend yon den Fliegmomenten und mit Hiffe des plastischen Widerstandsmomentes, welches eindeutig nut ffir glattschaftige Verbindungsmittel zu bestimmen ist, konnte ffir runde DrahtnS.gel aus gew6hnlichem Stahl, wie z. B. N/igel nach DIN 1151, die charakteristische Flie[3span- nung ermittelt werden. Es wird vorgeschlagen, ffir die cha- rakteristische FlieBspannung dieser Nfigel folgende verein- fachte Beziehung in eine Bemessungsnorm wie z. B. EURO- CODE 5 aufzunehmen:

J~, = 1 lO0'd~ -~ (12)

d, in [mm]; J~ in [N/mm2].

Ffir Rillenn/igel wurde die Abh/ingigkeit des Ausziehwi- derstandes yon der Rohdichte des Holzes untersueht.

Dazu wurde die Rohdichte in unmittelbarer Umgebung des Nagels dureh Ziehen eines Bohrkernes ennittelt. Die Er- gebnisse zeigten, daB der Ausziehwert f~,d der geprfiften Ril- lenn/igel dem Quadrat der Rohdichte in etwa proportional ist. Jedoch h~ingt der Ausziehwiderstand sehr stark vonder Herstellungsqualit/it der NS, gel ab.

An zwei Beispielen wurde gezeigt, dab der Ausziehwider- stand yon Sondern/igeln gleichen Fabrikates und gleicher

198 Hoiz als Roh- und Werkstoff49 (1991)

Gr6Be, jedoch zu unterschiedlichen Zeiten gefertigt, je nach Abnutzungsgrad des Profil-Walzwerkzeuges, bis auf die H~ilfte des urspriinglichen Wertes absinken kann. Dies ver- deutlicht, dab ein einrnal nachgewiesener hoher Ausziehwi- derstand eines best immten Nageltyps auf I~ingere Zeit nut dutch die Einhaltung enger Herstellungstoleranzen zu ga- rantieren ist.

In Vergleichsversuchen wurde auBerdem der EinfluB der Oberflfichenausfiihrung aufgezeigt. Hierbei erzielten sog. ,glat tschaft ige" Nfigel durch eine relativ rauhe Feuerverzin- kung etwa doppel t so hohe Ausziehwerte wie glatte Ver- gleichsnfigel aus Kupfer oder Edelstahl und lagen damit zu- mindest im Kurzzeitversuch auf einem Niveau rnit profilier- ten Sondernfigeln. Auch an profilierten Nfigeln konnte der EinfluB der Oberllfichenausffihrung festgestellt werden, hier jedoch in geringerem AusmaB.

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Sehelling, W.: Untersuchungen zum Biegekriechverhalten yon Kant- hoiz and Brettschichtholzverschnitten unter baupraktischen Verh/ilt- nissen. DGfH-Nachrichten 47 (1990): 17-18

Bet Untersuchungen fiber das Kriechverhalten von Kantholz- querschnitten zeigte sich, dab die gewonnenen Ergebnisse sich von bisherigen Ergebnissen aus iiblichen Versuchen an kleine Proben deutlich unterscheiden. In mehreren Versuchsreihen sollte daher an baupraktischen Kantholz- und Brettschichtholzquerschnitten eine genauere Kenntnis der Endverformung und damit des Kriechverhal- tens erforscht werden. Kanth61zer, Balken und BrettschichttrS.ger aus Fichlenholz wurden einer Dauerbiegebeanspruchung im Ge- brauchslastbercich unterworfen. Das Klima in der Versuchshalle entsprach dem fiblichen hmenklima in beheizten RS.umen mit den natfirlichen Schwankungen zwischen Sommer und Winter. Als Ver- gleichsgr6Be wurde der ,,relative Kriechfaktor"

~o/O -L~ (t) .L~ , . ( t = O)

herangezogen, in den der elastische Anteil der Gesamtverformung aufgrund der Feuchteabh~ingigkeit von Querschnittsh6he und Ela- stizitfitszahlen als zeitabh~ingige Gr6Be eingeht. Sie hat aus bauprak- tischer Sicht die gleiche Bedeutung wie die in DIN 1052 Tell 1 in Abschn. 4.3 mit den Gin. (1) bis (3) angegebene Kriechzahl ~p. Zu be- achten ist hierbei allerdings, dab die Kriechzahl ~0 der DIN 1052 als Endkriechzahl zu verstehen ist. Die Kriechverformung ist im Ge- brauchslastbereich proportional zur elastischen Verformung und da- mit zum Ausnutzungsgrad der zulS.ssigen Spannungen. Der relative Kriechfaktor ist ffir beliebige Zeiten im Versuchszeitraum unabhf.n- gig vom Ausnutzungsgrad. Dies bedeutet, dab Holzbauteile bereits unter geringen Lasten (z. B. Bauteileigengewicht) in gleichem Ver- h~iltnis zur elastisehen Durchbiegung kriechen wie unter Vollast. Die ermittelten Kriechfunktionen dermit ether Sollfeuchte von 10% ein- gebauten Kantholzgruppe und der Brettschichtholzserien weisen

fiberraschenderweise ein ann~ihernd gleiches Kriechverhalten von Kantho[z- und Brettschichthotztrfigern auf. Allerdings streuen die Ergebnisse der Einzelh6tzer der Kantholzgruppe wesentlich st~irker als beim Brettscl-dchtholz, Die in DIN 1052 Tell 1 in Abhf_ngigkeit vom VerhS.ltnis der st~indigen Last g zur Gesamtlast q ffir Holz- gleichgewichtsfeuchten < 18% angegebene Kriechzahl liegt bereits am Ende des Versuchszeitraumes in weiten Bereichen unter den aus den Versuchsergebnissen gewonnencn relativen Kriechfaktoren. Dies gilt insbesondere ffir hohe Holzfeuchtediflbrenzen sowie f/ir praxistibliche Verh/iltnisse g /q < 0,7. DGfl-I

Tebbe, J.; Woest, A.: Erstellung einer Dokumentation iiber Briieken- hau und L/irmschutzw/inde in Hoiz. DGfH-Nachrichten 47 (1990): 181-19

Das Projekt sollte dazu dienen, dab die zust~indigen Stellen des Bundes, der Lfinder und Kommunen anhand dieser Dokumentation eine Entscheidungshilfe zugunsten des Einsatzes yon Holzbrficken in die Hand bekommen. Es wurden 75 Briicken aus Holz ausfiihrlich dokumentiert und die bestehenden Erfahrungen und neue Trends dargestellt. Dem Bericht ist ein ausf/ihrliches Schrifttumsverzeichnis sowie die neuen Forschungsergebnisse des Arbeitskreises ,Entwick- lungsgemeinschaft Holzbau in der DGfH" zu den spezifischen Un- terhaltungskosten von Brficken beigeffigt. DGfH

Tebbe, J.: Architektonische und konstruktive Mfiglichkeiten f'dr verdiehtete Wohnbauten in Holzbauweise. DGfl-l-Nachrichten 47 (1090): 19

Die vorliegende Zusammenstellung iiber Wohnhfiuser dokumen- tiert die Gestaltungs- und Konstruktionsm6glichkeiten ffir Bau und Errichtung yon Holzbauten for das sogenannte ,,verdichtete Bauen" ill Vorst~idten und im lfindlichen Siedtungshereich bis zu drei Vollge- schossen bzw. zwei Vollgeschossen mit ausgebautem Dachraurn.

DGfH