Knotenelemente
21.10.2021

In sehr wenigen Fällen können mehrere Holzstäbe direkt miteinander verbunden werden. Eine klassische Art Knoten auszubilden, findet durch einen Versatz oder durch eine Überlappung der Stäbe statt, jedoch sind diese Art der Knoten besonders bei Zugkräften oder bei hochbeanspruchten Stäben unwirtschaftlich. Durch geringe zulässige Spannungen des Holzes quer in der Faser und durch Querschnittsschwächungen der Verbindungsmittel müssen die Stäbe teilweise erheblich überdimensioniert werden, damit die Stabkräfte am Knoten durch direkte Verbindungen ausgeglichen werden können.

Damit die Stabquerschnitte voll ausgenutzt werden können, müssen in der Regel zusätzliche Knotenelemente vorgesehen werden, die meist aus höherwertigen Materialien als die Stäbe selbst bestehen. Es werden Stahl, Hartholz, vergütete Holzwerkstoffe und ähnlich hochwertige Materialien für die Kraftübertragung zwischen den Stäben verwendet.

Die Querschnitte von Druckstäben können jedoch nur dann vollständig ausgenutzt werden, wenn die Kontaktfläche senkrecht zur Faser liegt. Bei schrägen Anschnitten müssen hingegen die zu übertragenden Druckspannungen stark abgemindert werden. Zwischenstücke aus Hartholz oder aus Furnierschichtholz können angeordnet werden, damit sämtliche ankommenden Stäbe senkrecht zur Faser liegende Druckflächen aufweisen.

Knotenelemente sind im Handel aus kaltverformtem Stahlblech (2 bis 3 mm) für verschiedene Anwendungsbereiche erhältlich. Aufgrund der geringen Blechdicke sind diese Verbinder für Holz auf eine Art und Weise ausgebildet, dass sie überwiegend durch Schub- und Zugkräfte beansprucht werden. Dies ist jedoch nur bei einer entsprechenden Vernagelung mit den Stäben gewährleistet. Zusätzlich ist bei der Verwendung derartiger Verbinder zu achten, dass nur eine geringe Druck- und Biegebeanspruchung auftreten darf und dass die vorgesehene Vernagelung auch tatsächlich durchgeführt wird.

Wenn gleichzeitig Druck- und Zugkräfte beansprucht werden, können Knoten von Fachwerken mit einteiligen Stäben nur mit Knotenplatten ausgeführt werden. Außenliegende Knotenplatten eignen sich nur für geringe Lasten und können bei schlanken Querschnitten eingesetzt werden. Wenn jedoch höhere Lasten übertragen werden müssen, eignen sich innenliegende Knotenplatten, die unterschiedliche Breiten der Gurte und Diagonalen ermöglichen. Diese erzielen einen höheren Wirkungsgrad der Verbindungsmittel und sind weniger knickgefährdet als außenliegende Laschen. Die Druckdiagonalen sollten für die gesamte Druckkraft an den Knotenplatten angeschlossen werden, anderenfalls ist die Druckübertragung über den Kontakt mit dem Untergurt nicht immer gewährleistet.

Es gibt auch dünne Bleche von 1 bis 1,75 mm, welche für innenliegende Knotenplatten verwendet werden und auch ohne Verbohrung durchnagelt werden können. Diese dünnen Bleche dürfen jedoch keine einspringenden Ecken haben. Zusätzlich sind sie bei langen Anschlüssen und zu breiten Schlitzen knickgefährdet. Durchgehende und deshalb auch sichtbare Bleche haben den Nachteil der Korrosions- und Brandgefahr. Sie sind statisch optimal, da keine zusätzlichen Verbindungsmittel hergestellt werden müssen, sind jedoch ästhetisch nicht beliebt.

Wenn es zu höheren Knotenlasten kommt oder die Korrosionsgefahr hoch ist, können dickere Knotenbleche mit 4 bis 6 mm Dicke verwendet werden. In vielen Fällen ergeben mehrere eingeschlitzte Bleche leistungsfähigere Knoten als Lösungen mit lediglich einem Blech.

Kosteneinsparende Konstruktionen können mit Stabdübel mit einem Durchmesser von 6 bis 8 mm, zwei bis drei eingeschlitzten Blechen erreicht werden. Probleme mit der Passgenauigkeit der Löcher im Holz und den Blechen können minimiert werden, wenn entweder die Löcher gleichzeitig durch Holz und Blech gebohrt werden oder wenn die gleichen Mehrfachbohrköpfe zu getrenntem Bohren von Blech und Holz eingesetzt werden.

Ab Stabkräften von über 500 kN ergeben sich auch bei mehreren eingeschlitzten Blechen noch zu große Anschlussflächen. Damit ungewollte Einspannungen vermieden werden, können durchgehende Gelenkwellen eingesetzt werden. Dadurch werden die im Knoten ankommenden Stäbe auf dieser Welle „aufgefedert“. Die Kräfte werden mit einer Nagelung aus dem Holzquerschnitt in Stahlplatten eingeleitet. Diese Platten haben eine maximale Dicke von circa 4 bis 6 mm, damit die Nagellöcher noch gestanzt werden können, und übertragen die Stabkräfte über Lochleibung in die Gelenkwelle. Dort wird der Ausgleich der Stabkräfte untereinander erreicht. Üblicherweise sind große Gelenkwellen mit Durchmessern bis zu 200 mm erforderlich, da meist der Lochleibungsdruck zwischen Nagelblech und Welle für die Bemessung maßgebend ist. In günstigen Fällen können die Nagelbleche um das Wellenloch verstärkt werden, um auf diese Art die Lochleibungsspannung zu verringern. Zusätzlich wird auf diese Art und Weise auch verhindert, dass sich die Nagelköpfe gegenseitig berühren.

Normalerweise werden derartige ideal gelenkige Knoten bei Fachwerken mit mehrteiligen Gurten angewandt. Die Verbindungen werden an die Gurtkräfte entsprechend angepasst. Sollten keine außenliegenden Bleche erwünscht sein, müssen die Exzentrizitätsmomente über Zwischenhölzer aufgenommen werden.

Die Knoten mit Gelenkwellen sind auch bei einteiligen Stäben einsetzbar, wenn die Stäbe auf der gesamten Länge aufgetrennt, die Nagelbleche innen aufgenagelt und die Stäbe mit Leim wieder zusammengeleimt worden sind. Es wird jedoch eine Knotenplatte benötigt, um die Verbindung zwischen der zentralen Gelenkwelle und den Stäben herzustellen. Die Stäbe müssen um die Plattendicke ausgenommen werden, falls sie vollflächig verleimt werden sollen. Es könnte bei höheren Lasten vorteilhaft sein, wenn die Stäbe um die Plattendicken gespreizt und mit Hilfe schmaler Distanzbretter verleimt werden.

Ein geringer Stahlverbrauch wird erreicht, wenn die Knotenbleche in die Diagonalen eingeschlitzt und mit Stabdübeln angeschlossen werden. Verbindungen mit Gürteln kann auch sehr gelenkig mit Wellen und Nagelplatten erfolgen.

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