Zimmermannsmäßige Holzverbindungen

Sowohl im traditionellen- als auch im modernen Holzbau haben Holzverbindungen und deren fachgerechte Herstellung eine wichtige Funktion. Werden Holzverbindungen ohne zusätzliche Hilfsmittel wie z. B. Schrauben oder Stahlblechteile hergestellt, spricht man von zimmermannsmäßigen Holzverbindungen. Diese können traditionell mit Handwerkzeugen oder aber auch Maschinell ausgearbeitet werden. Durch den Einsatz moderner Abbundanlagen ist es außerdem möglich auch komplizierte Verbindungen schnell und kostengünstig anzufertigen. Nachfolgend werden einige der am häufigsten verbreiteten zimmermannsmäßigen Verbindungen gezeigt.

Versätze übertragen Druckkräfte und eignen sich besonders für den Anschluss von Streben an Schwellen, Rähme oder auch an Pfosten.

Beim Stirnversatz handelt es sich um die am häufigsten angewendete Versatzform. Eine optimale Kraftübertragung findet statt, wenn die Stirnfläche in der Winkelhalbierenden des Außenwinkels ausgearbeitet wird, da dann die Beanspruchungen in Diagonale und Schwelle gleich groß sind.

Die Kraftübertragung ist beim Fersenversatz durch den steilen Beanspruchungswinkel in der Schwelle deutlich ungünstiger als beim Stirnversatz. Allerdings kann hier der Balkenüberstand reduziert werden, da ein Teil der Vorholzlänge unter der Strebe liegt. Besonders wichtig ist es, eine planmäßige Fuge zwischen Überdeckung und Schwelle herzustellen, da ansonsten eine erhöhte Rissgefahr für die Strebe besteht.

Der doppelte Versatz ist eine Kombination aus Stirn- und Fersenversatz und stellt die höchsten Anforderungen an die Passgenauigkeit. Um ein Abscheren im Bereich der Schwelle zu vermeiden, muss der Fersenversatz mindestens 1 cm tiefer als der Stirnversatz eingeschnitten werden. Dadurch befinden sich die Scherflächen der Vorholzlängen auf unterschiedlichen Ebenen.

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Die Tragfähigkeit eines Versatzes wird maßgebend von drei Faktoren beeinflusst:

• Versatztiefe
• Winkel zwischen einwirkender Kraft und Faserrichtung
• Vorholzlänge

Durch die Versatztiefe (t_v ) wird die Größe der Kontaktfläche und damit die übertragbare Kraft zwischen den beiden Hölzern bestimmt. Um das Holz durch die Einschnitttiefe nicht zu stark zu schwächen ist diese, je nach Strebenneigung, auf 1/6 bis 1/4 der Schwellenhöhe zu begrenzen. Folgende maximale Versatztiefen sind abhängig von der Neigung einzuhalten:

α ≤ 50° , dann t_v ≤ h:4

50° < α ≤ 60°, dann t_v ≤ h:4 x (1-(α-50):30)

α > 60°, dann t_v ≤ h:6

Holz weist in Faserrichtung eine sehr gute Druckfestigkeit auf, rechtwinklig zur Faser beträgt diese jedoch nur noch ca. ein Achtel davon. Daher spielt der Winkel zwischen Kraftverlauf und Faserrichtung eine maßgebende Rolle für die Tragfähigkeit der Verbindung.

Als Vorholzlänge wird der Bereich zwischen dem tiefsten Einschnittpunkt des Versatzes bis zum Balkenende bezeichnet. Bei einer zu kurzen Vorholzlänge besteht die Gefahr des Abscherens des Vorholzes vom Balken und damit einem Versagen der Verbindung. Als Faustformel für die Vorholzlänge (l_v ) kann 8 x Versatztiefe t _v angenommen werden. Grundsätzlich sollte bei allen Verbindungen eine Mindestvorholzlänge von 20 cm eingehalten werden.

Werden horizontal verlaufende Hölzer im Stoßbereich miteinander verbunden, spricht man von Längsverbinungen. Längsverbindungen können Hölzer je nach Ausführung druckfest, zugfest, vertikal bzw. horizontal -verschieblich oder auch -unverschieblich miteinander verbinden.

Bei einem geraden Blatt handelt es sich um die am häufigsten ausgeführte Längsverbindung. Sie wird zur Verlängerung horizontaler und auf ganzer Länge unterstützter Bauteile gewählt (z.B. Schwellen).

Beim geraden Hakenblatt handelt es sich um eine Weiterentwicklung des geraden Blattes zu einer statisch wirksamen Stoßverbindung. Durch den Haken können Zug- und Druckkräfte ohne zusätzliche Verbindungsmittel übertragen werden. Durch die starke Schwächung des Holzquerschnitts sind die übertragbaren Zugkräfte allerdings relativ gering.

Der Gerberstoß eignet sich zur Übertragung von Querkräften bei freitragenden, nicht unterstützten Stößen. Da ein Gerberstoß nur Querkräfte und keine Momente übertragen kann, wird er stets im Momentennullpunkt angeordnet, sitzt also niemals direkt über einer Stütze. Dadurch entstehen Kragträger und gelenkig angehängte Träger. Zur Verbindung der Träger sind zusätzliche Verbindungsmittel (Bolzen, Schrauben, etc.) erforderlich.

Die richtige Anordnung eines Gerberstoßes nach, bzw. vor einem Auflager ist entscheidend, da bei falscher Anordnung durch Querzugspannungen verursachte Risse entstehen können. Der freie Träger muss immer mit Hilfe von Verbindungsmitteln an den Kragträger angehangen werden. Wird der freie Träger auf den Kragträger aufgelegt, ist die Gefahr der Rissbildung aufgrund der ungünstigen Kraftübertragung groß.

richtige Anordnung

falsche Anordnung

Eckverbindungen werden dann benötigt, wenn zwei Hölzer die auf einer Ebene liegen am Eckpunkt aufeinandertreffen (z.B. Schwellen).

Beim Eckblatt handelt es sich um die Abwandlung des geraden Blattes für eine Ecke (z.B. ein Schwelleneck). Es wird meist bei unterstützten Ecken eingesetzt und in der Regel durch aufgehende Pfosten beansprucht.

Unter bestimmten Voraussetzungen kann ein Eckblatt allerdings auch freitragend ausgeführt werden.

Genau wie beim Gerberstoß ist bei der Herstellung eines freitragenden Eckblattes die richtige Anordnung der Überblattung entscheidend, um ein Reißen des Holzes zu verhindern. Auch hier muss der freie Träger mit Hilfe von Verbindungsmitteln unter den Kragträger gehangen werden.

richtige Anordnung

falsche Anordnung

Das französische Blatt ist eine Abwandlung des Eckblattes. Durch die geneigten Kontaktflächen schließen sich die Fugen bei Auflast.

Die Gabellagerung des Scherzapfens verhindert Verdrehung und vertikales Verschieben der Hölzer. Die manuelle Herstellung ist allerdings aufgrund der nötigen Passgenauigkeit relativ aufwendig.

Der Kreuzkamm ist eine sehr aufwendige Verbindung und erfordert eine hohe Passgenauigkeit. Daher wird diese Verbindung eher selten ausgeführt.

Wird der Kreuzkamm so ausgeführt, dass der aufliegende Balken bündig mit dem unteren abschließt, besteht eine erhöhte Ausbruchgefahr im Bereich des Hirnholzendes. Durch einen Balkenüberstand wird diese Ausbruchgefahr reduziert.

Links Ausbruchgefahr am Hirnholzende, rechts Balkenübertand reduziert Ausbruchgefahr.

Auch der doppelte Kamm ist schwierig auszuarbeiten und wird eher selten ausgeführt.

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Genau wie beim Kreuzkamm, besteht auch beim doppelten Kamm die Gefahr des Ausbrechens, wenn dieser bündig ausgeführt wird.

Der Schwalbenschanzkamm ist zwar ebenfalls relativ aufwendig herzustellen, weist aber eine erheblich reduzierte Ausbruchgefahr im Vergleich zu Kreuzkamm und doppeltem Kamm auf.

Die am häufigsten verwendete Querverbindung ist die Verzapfung. In der Regel haben die Zapfen dabei eine Länge von 4 bis 5 cm. Das Zapfenloch wird etwa einen Zentimeter tiefer ausgeführt, damit die Holzbauteile kraftschlüssig aufeinander liegen und die Kraft nicht ausschließlich über den Zapfen übertragen wird.

Der senkrechte Zapfen ist eine von außen nicht sichtbare Holzverbindung und dient vorrangig der Lagesicherung (z.B. von Pfosten auf Schwellen). Die übertragbare Kraft quer zur Faser ist durch das Zapfenloch und die damit einhergehende reduzierte Querdruckfläche erheblich reduziert.

Durch die Anordnung von Verbindungsmitteln (z.B. Holznägel) können auch geringe Zugkräfte übertragen werden.

Der abgesteckte Zapfen geht nicht über die volle Holzbreite, sodass die Ränder des Zapfenloches vollständig abgedeckt bleiben.

Bei der Herstellung mit CNC-Anlagen sind sowohl Zapfen als auch Zapfenloch wegen der Herstellung mit zylindrischen Fräswerkzeugen abgerundet.

Der Schwalbenschwanzzapfen bietet sich insbesondere als Knotenpunkt für Hauptträger-Nebenträger-Verbindungen an und wird relativ häufig verwendet (z.B. Anschluss von Deckenbalken Hauptträger). Er ist nur maschinell durch geeignete Frässchablonen oder CNC-Maschinen herstellbar.

Tragende Bauteile mit Schwalbenschwanzzapfen müssen entweder durch das diagonale Einschrauben von Vollgewindeschrauben verstärkt werden oder benötigen eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung. (Für Mitglieder des Verbandes High-Tech-Abbund steht eine entsprechende Zulassung zur Verfügung.)

Beim Brustzapfen handelt es sich um einen verstärkten Zapfen, der früher insbesondere bei Balkenlagen eingesetzt wurde. Durch die unsymmetrische Ausbildung wird zwar die Scherbeanspruchung des Zapfens reduziert, gleichzeitig wird aber der Hauptträger in der Druckzone geschwächt.