Bei der Auswahl eines Strukturbalkens geht es nicht nur darum, eine Größe zu wählen, die stabil aussieht. Jeder Wohn- und Gewerbeträger muss vier separate Normprüfungen bestehen: Biegespannung, Scherspannung, Durchbiegung unter Nutzlast und Gesamtlastdurchbiegung. Wenn einer von ihnen versagt, bedeutet dies, dass der Strahl nicht akzeptabel ist, unabhängig davon, wie gut er die anderen durchdringt. Wenn Sie wissen, welche Prüfung für Ihre Spannweite und Lastbedingungen gilt, können Sie gleich beim ersten Mal den richtigen Träger auswählen.
Wie die vier Schecks funktionieren
Die NDS (National Design Specification) für den Holzbau verlangt, dass tragende Balken gleichzeitig vier unabhängige Kriterien erfüllen. Die Biegespannungsprüfung bestätigt, dass die berechnete Biegespannung fb – maximales Moment dividiert durch Widerstandsmoment S – die tabellarisch zulässige Biegespannung Fb der Art und Güteklasse multipliziert mit anwendbaren Anpassungsfaktoren nicht überschreitet. Die Scherspannungsprüfung bestätigt, dass die maximale horizontale Scherspannung fv an den Balkenenden die zulässige Scherspannung Fv für die Art nicht überschreitet. Die Prüfung der Durchbiegung unter Nutzlast begrenzt die Durchbiegung des Trägers unter Nutzlast allein auf die Spannweite dividiert durch 360 – bei einer Spannweite von 12 Fuß entspricht das einer maximalen Durchbiegung von 0,4 Zoll. Die Gesamtlastdurchbiegungsprüfung begrenzt die Durchbiegung unter der kombinierten Eigen- und Nutzlast auf die Spannweite dividiert durch 240. Alle vier Prüfungen müssen gleichzeitig erfüllt sein; Der Rechner durchläuft Standardstrahlgrößen und identifiziert den kleinsten Abschnitt, der alle vier durchläuft, und meldet, welche Prüfung maßgeblich ist, damit Sie verstehen, warum diese bestimmte Größe ausgewählt wurde.
Warum die Durchbiegung normalerweise bei längeren Spannweiten maßgebend ist
Bei kurzen Spannweiten unter 8–10 Fuß bestimmt die Biegespannung typischerweise die Balkenauswahl – der Balken benötigt genügend Widerstandsmoment, um die Spannung innerhalb zulässiger Grenzen zu halten, ist aber steif genug, um eine übermäßige Durchbiegung zu vermeiden. Bei längeren Spannweiten verlagert sich die maßgebende Prüfung auf die Durchbiegung, da die Durchbiegung mit der vierten Potenz der Spannweite zunimmt, während das Biegemoment nur mit dem Quadrat der Spannweite zunimmt. Das bedeutet, dass eine Verdoppelung der Spannweite das Biegemoment vervierfacht, die Durchbiegung jedoch bei gleicher Belastung um das Sechzehnfache erhöht – ein gewaltiger Unterschied, der bei der Auswahl des Trägers bei Spannweiten im Bereich von 12 bis 20 Fuß eher auf Steifigkeit als auf Festigkeit abzielt. Ein Balken, der die Biegespannungsprüfung bei einer Spannweite von 14 Fuß problemlos besteht, kann dennoch die Durchbiegungsgrenze L/360 nicht erreichen, weil das erforderliche Trägheitsmoment I einfach zu groß für einen praktischen Schnittholzabschnitt ist. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass Brettschichtholz und LVL für Spannweiten über 16–18 Fuß notwendig werden – nicht, weil es dem Schnittholz an Festigkeit mangelt, sondern weil kein verfügbarer Schnittholzabschnitt tief genug ist, um die Durchbiegungsgrenze ohne eine durchdringende Tiefe in die Decke einzuhalten.
Art, Güteklasse und zulässige Spannungswerte
Holzart und -qualität haben einen größeren Einfluss auf die erforderliche Balkengröße, als den meisten Bauherren bewusst ist. Douglasie-Lärche Nr. 1 hat eine tabellarische Biegespannung Fb von 1.500 psi und einen Elastizitätsmodul E von 1.700.000 psi. Douglasie-Lärche Nr. 2 sinkt auf Fb = 900 psi – eine Reduzierung um 40 % – und E = 1.600.000 psi. Southern Pine #1 hat mit Fb = 1.500 psi für ausgewählte Struktur und E = 1.800.000 psi einen der höchsten tabellierten Werte. Die Art und Güte skalieren direkt die zulässige Spannung bei der Biegeprüfung: Ein Balken Nr. 2 muss wesentlich größer sein als ein Balken Nr. 1, um die gleiche Last über die gleiche Spannweite tragen zu können. Bei Trägern mit Spannweiten von mehr als 12 Fuß oder mit Nebenarmbreiten über 8 Fuß ist die Angabe Nr. 1 oder besser fast immer kosteneffektiv, da die Reduzierung der erforderlichen Holzgröße den geringen Preisaufschlag mehr als ausgleicht. Hem-Tanne, Fichte-Kiefer-Tanne und andere gängige Holzarten haben niedrigere Fb-Werte als Douglasie oder Südkiefer und sollten vor dem Austausch anhand der NDS-Ergänzungstabellen überprüft werden.
Zusammengebaute Träger vs. einzelne Massivabschnitte
Viele Wohnungsbauer bevorzugen zusammengesetzte Balken – mehrere zusammengenagelte 2-fach-Elemente – gegenüber massivem Schnittholz oder technischem Bauholz. Zwei zusammengenagelte 2×12er ergeben ein Element mit b = 3,0 Zoll (zwei 1,5-Zoll-Stücke) und d = 11,25 Zoll, was einen Widerstandsmoment von S = 63,3 Zoll³ ergibt. Ein solider 4×12 hat b = 3,5 Zoll und S = 73,8 in³, was ihn etwas steifer macht. Drei 2×12 ergeben b = 4,5 Zoll und S = 95 in³, was den Wert von 4×12 übersteigt. Der Hauptunterschied besteht darin, dass zusammengesetzte Elemente ordnungsgemäß mit einem bestimmten Nagelmuster genagelt werden müssen (normalerweise 10-D-Nägel im Abstand von 12 Zoll von jeder Seite), um zusammengesetzt zu wirken. Ohne ordnungsgemäßes Nageln wirkt jede Lage unabhängig bei 1/n³ der Steifigkeit des Verbundwerkstoffs. Dieser Rechner zeigt feste äquivalente Strahlgrößen; Wählen Sie für zusammengesetzte Träger die Anzahl der Lagen mit einer Gesamtbreite, die gleich oder größer als die Nennbreite des Vollträgers ist. Zusammengebaute Träger lassen sich im Allgemeinen einfacher in Plattformrahmenkonstruktionen installieren, bei denen einzelne Teile durch Standardrahmenschächte geführt werden können.
Wann man Brettschichtholz oder LVL verwenden sollte
Brettschichtholz (Brettschichtholz) und Furnierschichtholz (LVL) lösen die Einschränkungen von Schnittholz bei großen Spannweiten. Brettschichtholz wird aus getrockneten, keilverzinkten Holzlamellen hergestellt, die unter Druck verklebt werden, was je nach Kombinationssymbol zu zulässigen Biegespannungen von 2.400–3.000 psi führt – im Vergleich zu 900–1.500 psi für Schnittholz vergleichbarer Breite. Dies bedeutet, dass ein Brettschichtholzträger über eine große Spannweite etwa halb so tief sein kann wie ein gesägtes Äquivalent. LVL besteht aus dünnen Furnierblättern mit parallel ausgerichteter Maserung und ist mit wasserfestem Klebstoff laminiert. Es bietet Fb-Werte von 2.600–3.100 psi bei ausgezeichneter Dimensionskonsistenz. Beide Produkte vertragen den Feuchtigkeitswechsel weitaus besser als massives Schnittholz und eignen sich daher für teilweise freiliegende Anwendungen wie überdachte Verandabalken. Für Spannweiten über 16 Fuß, jede Öffnung in einer tragenden Wand oder jeden Balken, der einen Rahmen mit bündigem Rahmen trägt, bei dem die volle Tiefe eingeschränkt ist, sollte Brettschichtholz oder LVL die erste Wahl sein und kein Ersatz, wenn Schnittholz die Berechnung nicht besteht.