Study on the load bearing capacity and the load-deferral behavior of wooden composite beams with a teethed joint

A "teethed beam" is a composite beam consisting of multiple beams which are connected with sawtoothlike joints. These composite beams can already be found in illustrations of ancient roman bridges. Until the late 19th century these composite beams were used to realize large span widths with heavy loads – e.g. ceiling constructions in town halls and churches but also in bridges and roof constructions. The teethed joint was supplanted due to the development of novel connection means like hard wood dowels, steel dowels and specifically designed dowels. Since the development of the glulam timber in the 20th century the teethed beams only played a role in maintenance. From a cultural heritage preservation’s point of view these beams have to be preserved and maintained carefully. The maintenance of a 270 year old church tower’s roof construction is a good example for the preservation. In this case five teethed beams served as suspender beams for the ceiling construction which supported the roof construction. The teethed beams partially showed biotical damages on the supports so that they had to be replaced. Unfortunately, there are no design rules for the teethed joint in the existing timber construction literature since the 1970s. Therefore, studies on the load bearing capacity and the load-deferral behavior of composite beams with teethed joints were carried out at the Univeristy of sustainable development Eberswalde. The results showed that the shifting modulus of a teethed joint is equivalent to the shifting modulus of a specifically designed dowel (type C1, Ø140 mm according to EN 912).

Belka z połączeniami zębatymi to belka kompozytowa składająca się z kilku warstw połączonych złączami w kształcie zębów piły. Takie belki kompozytowe można zobaczyć na rycinach przedstawiających mosty z czasów starożytnego Rzymu. Do końca XIX wieku z belek tego typu korzystano przy realizacjach o dużej rozpiętości na szerokości i o dużym obciążeniu – np. konstrukcje stropów w ratuszach miejskich lub w kościołach, ale także przy budowie mostów i konstrukcji dachowych. Połączenia zębate zostały wyparte z użycia w związku z rozwojem nowych sposobów łączenia elementów drewnianych, jak np. kołki z twardego drewna, kołki stalowe lub kołki specjalnego przeznaczenia. Od chwili pojawienia się drewna klejonego warstwowo (glulam) w XX wieku, belki z połączeniami zębatymi używane były tylko do konserwacji starych konstrukcji. Z punktu widzenia ochrony zabytków belki takie powinny być zachowane i odpowiednio konserwowane. Dobrym przykładem zachowania belek z połączeniami zębatymi są działania konserwatorskie na liczącej 270 lat więźbie dachowej wieży kościelnej. W tym przypadku pięć belek o połączeniach zębatych służyło jako belki wieszakowe dla konstrukcji stropu, na której wspierała się konstrukcja więźby dachowej. Niektóre z belek z połączeniami zębatymi wykazywały w części uszkodzenia biologiczne w miejscach oparcia i musiały zostać wymienione. Niestety współczesna literatura naukowa dotycząca budownictwa drewnianego od początku lat 70. XX wieku nie zawiera żadnych wytycznych odnośnie do projektowania belek z połączeniami zębatymi. Dlatego też na Uniwersytecie Zrównoważonego Rozwoju w Eberswalde przeprowadzono badania nad nośnością belek kompozytowych z połączeniami zębatymi oraz nad ich pracą w warunkach obciążenia fazowego. Otrzymane wyniki pokazują, że moduł podatności połączenia zębatego odpowiada modułowi podatności dla kołków specjalnego przeznaczenia (typ C1, Ø 140 mm zgodnie z normą EN 912).