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Die zimmermannsmäßige Verbindung vereint traditionelle Handwerkskunst mit moderner Holzbautechnik.
Der Begriff „Schwalbenschwanz“ wird im Holzbau für verschiedenste Verbindungen verwendet. In diesem Artikel konzentrieren wir uns jedoch auf die in Bild 1 dargestellte Haupt-Nebenträger-Verbindung gemäß allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung Z-9.1-649. Das Besondere an dieser Verbindung: Sie dient sowohl als statisches Detail als auch als praktische Montagehilfe.
Bild 1: Schwalbenschwanz-Verbindung als Haupt-Nebenträger-Anschluss (Bild aus [1])
Geometrische Randbedingungen
Um die zimmermannsmäßige Holzverbindung als tragende Haupt-Nebenträger-Verbindung nutzen zu können, müssen bestimmte Randbedingungen eingehalten werden, wie in Bild 2 dargestellt.
Die Querschnitte müssen eine festgelegte Mindestgröße aufweisen, und für den Nebenträger gilt zudem eine Begrenzung der maximal zulässigen Querschnittshöhe.
Auch die Dimensionen des Zapfens sind durch vorgegebene Grenzen definiert. Diese ergeben sich einerseits aus den Zulassungsvorgaben, wurden jedoch zusätzlich angepasst, um Zwangsbedingungen zu berücksichtigen, die sich aus den Querschnittsmaßen ableiten.
Bild 2: Vorgaben aus Zulassung Z-9.1-649 zur geometrischen Ausbildung für gerade Zapfen
Der Anschluss darf auch wie in Bild 3 bei geneigten oder schrägen Nebenträger angeordnet werden. Bei schrägen Anschlüssen muss die Zapfenbreite jedoch nur 60 % der Nebenträgerbreite betragen, anstatt der in Bild 2 angegebenen 80 %.
Bild 3: Geneigter und schräger Anschluss
Das Tragverhalten einer Schwalbenschwanz-Verbindung
Wie in Bild 4 dargestellt, kann die Schwalbenschwanz-Verbindung sowohl die Vertikalkraft F2, als auch die Kräfte F45 parallel zur Hauptträgerrichtung, übertragen.
Die Schubkraft des Nebenträgers wird über den Schwalbenschwanz in den Hauptträger eingeleitet. Dabei fungiert der Verbinder auf der Seite des Nebenträgers wie eine Ausklinkung und auf der Seite des Hauptträgers wie ein Queranschluss. Für eine optimale Auslegung sollte die Höhe des Schwalbenschwanzes im Hauptträger möglichst gering sein, um die Querzugbeanspruchung zu minimieren. Im Nebenträger hingegen sollte die Höhe für eine maximale Tragfähigkeit möglichst groß gewählt werden. Die Gesamttragfähigkeit der Verbindung ergibt sich aus dem kleineren Wert der beiden Einzelnachweise. Die optimale Höhe liegt entsprechend zwischen den beiden Einzeloptima.
Die erforderlichen Nachweise und Materialkennwerte wie Schub- und Querzugfestigkeit sind in der Zulassung angegeben und können dort direkt entnommen werden.
Bild 4*: Potentiell einwirkende Kräfte in einer Schwalbenschwanz-Verbindung - zugelassen sind nur F2 und F45.
*Hinweis zu Bild 4: Die Nomenklatur der Kräfte orientiert sich an den gängigen Bezeichnungen für Haupt-Nebenträger-Verbindungen mit Stahlblechformteilen. In der Zulassung für Schwalbenschwanzverbinder wird die nach unten gerichtete Vertikalkraft jedoch als F1 bezeichnet.
Wichtig: Die Tragfähigkeit einer definierten Schwalbenschwanz-Form bei einem einseitigem Anschluss kann nicht automatisch auf einen zweiseitigen Anschluss übertragen werden. Der beidseitige Anschluss führt zu einer erhöhten Querzugbeanspruchung im Hauptträger und muss daher erneut untersucht werden.
Bei der Bemessung des Schwalbenschwanzes werden das Querzugversagen im Hauptträger und das Schubversagen im Nebenträger untersucht. Zusätzlich sind für den Hauptträger zwei weitere Nachweise erforderlich:
Spannungsnachweis im Netto-Querschnitt: Durch den Einschnitt des Schwalbenschwanzes muss die Spannungsbelastung im reduzierten Querschnitt überprüft werden.
Torsionsnachweis: Dieser ist erforderlich, wenn der Hauptträger torsionsweich ist und einseitig ein Nebenträger angeschlossen wird, da die exzentrische Lasteinleitung ein Torsionsmoment verursacht. Auch bei einem beidseitigen Anschluss kann ein Torsionsnachweis notwendig werden, wenn die Auflagerkräfte F2 der beiden Nebenträger deutlich unterschiedlich sind.
Bild 5: Einseitiger und beidseitiger Anschluss und entstehendes Torsionsmoment im Hauptträger.
Quellen
[2] Z-9.1-649 - Schwalbenschwanz-Verbindung in Bauteilen, Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung/Allgemeine Bauartgenehmigung, DIBt, 30.09.2022