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Schlussbericht zum Forschungsvorhaben
Improved Moisture:
Modellierung und Reduzierung feuchtebedingter Spannungen und
Rissbildungen in Bauteilen aus geklebten Vollholz-
Verbundwerkstoffen
(FKZ 0330822A)
S. Aicher, G. Dill-Langer
6.9.2011
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
6.9.2011
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Inhalt
I. Kurzfassung der Ausgangsposition .................................................................................................. 3
I.A. Aufgabenstellung und Voraussetzungen ................................................................................. 3
I.B. Stand der Technik zu Beginn des Vorhabens .......................................................................... 4
I.C. Einbindung in das ERA-Net-Projekt ......................................................................................... 7
I.D. Planung und Ablauf des Projektes ........................................................................................... 9
II. Detaillierte Darstellung der Ergebnisse ......................................................................................... 10
II.A. Arbeitsbereich A: Rissentstehung und Rissentwicklung ....................................................... 10
II.A.1. Problemstellung ............................................................................................................ 10
II.A.2. Ergebnisse ...................................................................................................................... 11
II.A.3. Bewertung ..................................................................................................................... 20
II.B. Arbeitsbereich B: Bemessung von Feuchtelasten ................................................................. 21
II.B.1. Problemstellung ............................................................................................................ 21
II.B.2. Ergebnisse ...................................................................................................................... 23
II.B.3. Bewertung ..................................................................................................................... 36
II.C. Arbeitsbereich C: Verringerung von Feuchtelasten .............................................................. 37
II.C.1. Problemstellung ............................................................................................................ 37
II.C.2. Ergebnisse ...................................................................................................................... 38
II.C.3. Bewertung ..................................................................................................................... 52
II.D. Zusammenfassung der Ergebnisse ........................................................................................ 53
II.E. Nutzung und Verwertbarkeit der Ergebnisse ........................................................................ 54
II.E.1. Wissenschaftliche Verwertung ...................................................................................... 54
II.E.2. Wirtschaftliche Verwertung und Nutzbarkeit ............................................................... 55
II.F. Veröffentlichungen ................................................................................................................ 57
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Improved Moisture
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I. Kurzfassung der Ausgangsposition
I.A. Aufgabenstellung und Voraussetzungen
Eine der wichtigsten stofflichen Verwertungen von Holz ist die Anwendung als Werkstoff im
Bauwesen. Insbesondere bei dem Einsatz als tragendes Bauteil in statisch beanspruchten Strukturen
– vom Einfamilienhaus bis hin zu großen freitragenden Hallen- oder Brückentragwerken – steht der
Einsatz von Holz stets im Wettbewerb mit konkurrierenden Baustoffen wie Stahl, Stahlbeton oder
Mauerwerk. Neben den vielen Vorteilen der Holzbauweisen wie z.B.
- positives ästhetisches Bild der Holzoberflächen bei sichtbaren Tragstrukturen
- freie Gestaltbarkeit der Strukturen, z.B. bei frei formbaren Brettschichtholzträgern
- vergleichsweise einfache Bearbeitbarkeit- und Montage
- sehr gutes Verhältnis von Festigkeit zu Eigengewicht
- positive Ökobilanz des natürlichen, nachwachsenden Rohstoffes
ist der Einsatz bzw. das Wachstum des Marktanteils von Holz und holzbasierten Bauprodukten durch
eine Reihe von Nachteilen begrenzt. Diese Nachteile treten nicht bei allen Produkten, Bauweisen und
Anwendungsbereichen gleichermaßen stark auf und können in der Regel durch Gegenmaßnahmen in
ihren Auswirkungen eingegrenzt werden. Zu den Problembereichen des Holzbaus zählt neben dem
Brandverhalten vor allem die Dauerhaftigkeit beim Einsatz im Außenbereich und – auch beim Einsatz
im Innenbereich - generell die Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere
gegenüber starken Schwankungen der Luftfeuchtigkeit.
Die bei der Verwendung von Holz seit jeher bekannte Eigenschaft der Hygroskopizität und der
Feuchteausdehnung (umgangssprachlich „Arbeiten“ des Holzes genannt) kann sich – je nach
Querschnittsabmessungen und Randbedingungen – als Verkrümmungs- / Verschüsselungs-
verformungen oder bei Behinderung dieser Verformungen als interne Spannungen mit teilweise
nachfolgender Rissbildung auswirken. Entstehung und Wachstum von Rissen aufgrund von
Feuchteänderungen können einerseits die Ästhetik von Holzoberfläche stören und andererseits die
Tragfähigkeit und die Dauerhaftigkeit von Holzbauteilen verringern. Beide Faktoren führen im
Allgemeinen zu einer gegenüber anderen Werkstoffen im Bauwesen tendenziell geringeren
Lebensdauer und beeinträchtigen damit die Nachhaltigkeit der Holzbauweise. Die als vergleichsweise
gering angesetzte Lebensdauer von Holzbauten spielt bei der ökologischen Bewertung von
Bauwerken – z.B. bei Zertifizierung der Nachhaltigkeit durch Institutionen wie der Deutschen
Gesellschaft für nachhaltiges Bauen (DGNB) – schon heute eine wichtige negative Rolle und schränkt
die Wettbewerbsfähigkeit von Holz für tragende Anwendungen im Bauwesen deutlich ein.
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Die wichtigsten Arbeitsziele des Forschungsvorhabens waren daher,
• die Mechanismen der Entstehung von inneren Spannungen und Rissen zufolge von
Feuchteänderungen in geklebten Vollholzprodukten (vor allem Brettschichtholz) besser zu
verstehen,
• die feuchtebedingten Spannungen einer besseren Berücksichtigung bei der Bemessung
tragender Holzbauteile zugänglich zu machen und
• Verfahren zur Reduzierung feuchtebedingten Spannungen und Rissbildungen zu entwickeln
und zu untersuchen.
Die Fortschritte beim Erreichen dieser Ziele sollten letztlich dazu dienen,
• durch verbesserte holzbasierte Bauprodukte die Chancen und langfristig auch die
Marktanteile des Werkstoffes Holz gegenüber konkurrierenden Werkstoffen wie Stahl oder
Beton zu erhöhen,
• durch gezielte Maßnahmen gegen optisch abträgliche und sicherheitsrelevante Rissbildung
und Risswachstum die Lebensdauer von Bauteilen aus Holz entscheidend zu verlängern und
damit die Nachhaltigkeit der Holzverwendung zu optimieren und somit
• das Vertrauen in die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Holz und insbesondere von geklebten
Vollholzverbundwerkstoffen (vor allem von Brettschichtholz) im Bauwesen zu stärken.
I.B. Stand der Technik zu Beginn des Vorhabens
Das Auftreten von Rissen im Holz wird im alltäglichen Verständnis als auch in der älteren Literatur
(z.B. [1]) häufig mit einer unter ungünstigen Bedingungen durchgeführter Holztrocknung verbunden.
Die Entstehung und das Wachstum feuchtebedingter Risse im Einbauzustand von Bauteilen aus Holz
werden in diesen Zusammenhängen lediglich als nachträgliche Trocknung unzureichend
vorgetrockneten Holzes interpretiert.
Der Einfluss von Klimaschwankungen während des Einbauzustandes wurde seit mehreren
Jahrzehnten in einer Vielzahl von Studien untersucht, hierbei standen jedoch vor allem die
Auswirkungen auf das Verformungsverhalten (Kriechverhalten) im Vordergrund und damit die
Gebrauchstauglichkeit und nicht die Standsicherheit von Gebäuden, siehe z.B. [2] bis [6]. Neben
vereinzelten und in der Fachwelt wenig wahrgenommenen früheren Studien (z.B. [7] und [8]) wurden
seit den 1990er Jahren erstmals systematisch die Einflüsse veränderlicher Feuchte- und
Temperaturrandbedingungen auf die Dehnungs- und Spannungszustände in verklebten Holzbauteilen
untersucht, siehe z.B. [9] bis [14]. In die gleiche Zeit fällt auch die verstärkte Nutzbarmachung
bruchmechanischer Methoden sowohl zur grundlegenden Modellierung der Materialeigenschaften
von Holz (siehe [15] bis [17]) als auch vereinzelt in der Anwendung zur Bemessung von Holz-
Bauteilen mit Spannungskonzentrationen (z.B. ausgeklinkte Träger oder Durchbrüche in großen
Brettschichtholzbauteilen), siehe [18].
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Bisher war in der veröffentlichten Literatur jedoch keine systematische Studie bekannt, in der die
Erkenntnisse zur Berechnung von feuchte- und zeitabhängigen Spannungsfeldern mit
bruchmechanischen Methoden in einem konsistenten Berechnungsmodell zur feuchteinduzierten
Rissbildung bzw. des feuchteinduzierten Risswachstums integriert worden wären. Des Weiteren sind
ebenfalls keine Untersuchungen bekannt, die sich wissenschaftlich fundiert mit den möglichen
Methoden der Reduzierung von Feuchtespannungen und Rissbildung befasst hätten. Erste Ansätze
hierzu wurden in früheren Arbeiten des Antragstellers (siehe z.B. [23]) und der Projektpartner (siehe
z.B. [19]) vorgelegt.
Der Wissensstand auf dem Gebiet der Reduzierung von Feuchtespannungen war insgesamt nicht
systematisch erfasst und bestand in der Regel aus nicht hinterfragten Handlungsempfehlungen oder
aus (durchaus begrüßenswerten) technologiegetriebenen Fortschritten der entsprechenden
Technologien allerdings ohne konsistenten Nachweis der Wirksamkeit.
Der Einfluss von Klimaeinwirkungen – also der Änderung von Temperatur und relativer Luftfeuchte –
auf die Tragfähigkeit von (geklebten) Holzbauteilen wird auch bis heute in den Bemessungs- und
Produktnormen nur sehr unzureichend berücksichtigt. Bei der Bemessung von Holztragwerken in der
europäischen Bemessungsnorm Eurocode 5 [20] werden die klimatischen Randbedingungen zum
Beispiel sehr grob durch die Einteilung in drei Nutzungsklassen erfasst. Die Berücksichtigung
unterschiedlicher Nutzungsklassen wird dabei außerdem ausschließlich auf der Materialseite
vorgenommen; eine explizite Beschreibung von schädigungsrelevanten Spannungen aus
Feuchtegradienten als "Feuchte-Lasten" existiert in den vorhandenen Normen bisher nicht.
Einen Sonderfall für eine ansatzweise Berücksichtigung von klimatischen Spannungen findet sich in
der (noch wenige Jahre neben dem Eurocode gültigen) deutschen Holzbau-Bemessungsnorm DIN
1052 [21] und in dem neuen nationalen Anwendungsdokument zum Eurocode 5. In der aktuellen
Fassung wird darin für gekrümmte oder satteldachförmige Träger aus Brettschichtholz im Falle
planmäßiger Querzugspannungen ab einem Ausnutzungsgrad von 60% eine konstruktive Bewehrung
(Verstärkung) des Querschnitts mit innenliegenden Stahlelementen (eingeklebte bzw.
eingeschraubte Gewindestangen) vorgeschrieben. Als Begründung für diese Vorschrift wird explizit
auf die möglichen zusätzlichen Spannungskomponenten aus Feuchteänderungen hingewiesen. Die
Annahme einer Feuchtelast in der Größe der Hälfte der mechanischen Last ist dabei im Wesentlichen
grob abgeschätzt worden und hat keinerlei Grundlagen in einem Rechenmodell oder einer
empirischen Studie.
In den deutschen wie europäischen Bauproduktnormen finden sich an einigen wenigen Stellen
implizite Hinweise auf eine Berücksichtigung feuchtebedingter Spannungen bei der Herstellung der
verklebten tragenden Holzbauteile. Als Beispiel hierfür sei die Beschränkung der Lamellendicke von
Brettschichtholz in Anhängigkeit vom Krümmungsradius des Bauteils (in der DIN 1052 [21] bzw. der
DIN EN 386 [22]) oder die vorgeschriebene Anordnung der Jahrringlagen im Brettschichtholzträger
genannt. Dagegen fehlen explizite Hinweise oder gar Regeln für die gezielte Herstellung von
Bauprodukten mit reduzierter Anfälligkeit gegen feuchtebedingte Spannungen.
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Literatur:
[1] Kollmann, F. (1982): Technologie des Holzes und der Holzwerkstoffe. Springer-Verlag, Berlin
(2.Aufl.)
[2] Leicester, R. H. (1971): A rheological model for mechano-sorptive deflections of beams. Wood
Science and Technology 5, S. 211-220
[3] Morlier, P. (1994): Creep in timber structures. Report of RILEM Technical Committee 112-TSC
[4] Hanhijärvi, A. (1995): Deformation kinetics based rheological model for the time-dependent and
moisture induced deformation of wood. Wood science and technology 29, S. 191-199
[5] Hunt, D. (1998): Experimental indication of interaction between viscoelastic and mechano-
sorptive creep. Wood Science and Technology 32, S. 57-70
[6] Toratti, T.: Creep of timber beams in a variable environment. Dissertation; Helsinki University of
Technology, Helsinki, Finnland, 1992
[7] Bethe, E. (1969): Festigkeitseigenschaften von Bauholz bei Lagerung im Wechselklima unter
gleichzeitiger mechanischer Belastung. Holz als Roh- und Werkstoff 27, S. 291-303
[8] Möhler, K., Steck, G. (1982): Untersuchungen über die Rissbildung in Brettschichtholz infolge
Klimabeanspruchung. Bauen mit Holz 82, No. 4, S. 194-200
[9] Hoffmeyer, P.:Failure of wood as influenced by moisture and duration of load. Dissertation, State
University of New York, Syracuse, New York 1990
[10] Ranta-Maunus, A.: Impact of mechano-sorptive creep to the long-term strength of timber. Holz
als Roh- und Werkstoff 48 (1990), S.67-71
[11] Ranta-Maunus, A. (1997): Strength of curved timber beams under changing humidity conditions.
IUFRO S5.02 Timber Engineering Conference, Technische Universität, Kopenhagen, Dänemark, S. 97-
112
[12] Svensson, S. (1997): Internal stresses in wood caused by climate variations. Dissertation, Report
TVBK-1013, Lund University, Lund, Schweden
[13] Toratti, T., Svensson, S. (2000): Mechano-sorptive experiments perpendicular to grain under
tensile and compressive loads. Wood Science and Technology 34, S. 317-326
[14] Svensson, S., Toratti, T. (2002): Mechanical response of wood perpendicular to grain when
subjected to changes of humidity. Wood Science and Technology 36, S. 145-156
[15] Valentin, G., Boström, L., Gustafsson, P.J., Ranta-Maunus, A., Gowda, S. (1991): Application of
fracture mechanics to timber structures. RILEM state-of-the-art Report, Technical research Centre of
Finland, Research Notes 1262, Espoo, Finnland
[16] Boström, L. (1988): The fictious crack model – a fracture mechanics approach applied to wood.
International Conference on Timber Enginering, Seattle DC, USA, Nr. 2, S. 559-565
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[17] Daudeville, L. (1999): Fracture in spruce: experiment and numerical analysis by linear and non-
linear fracture mechanics. Holz als Roh- und Werkstoff 57, S. 425-432
[18] Gustafsson, P. J. (editor): Fracture mechanics models for strength analysis of timber beams with
a hole or a notch- A Report of Rilem TC-133. Research Report, Structural Mechanics, Lund University
(LTH), Sweden 2002
[19] Ranta-Maunus, A.: The effect of weather changes and surface coating on the load bearing
capacity of curved glulam structures. World Conference on Timber Engineering, Lausanne,
Montreaux, Schweiz 1998, S. 541-548
[20] N.N. (2003): DIN EN 1995-1-1 Eurocode 5: Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken, Teil
1-1: Allgemeine Bemessungsregeln für den Holzbau. Beuth-Verlag, Berlin
[21] N.N. (2004): DIN 1052 Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken. Allgemeine
Bemessungsregeln und Bemessungsregeln für den Hochbau. Beuth-Verlag, Berlin
[22] N.N. (2002): DIN EN 386 Brettschichtholz. Leistungsanforderungen und Mindestanforderungen
an die Herstellung, Beuth-Verlag, Berlin
[23] Dill-Langer, G. (2004) Schädigung von Brettschichtholz bei Zugbeanspruchung rechtwinklig zur
Faserrichtung. Disseration, Schriftenreihe MPA Otto-Graf-Institut 88, Universität Stuttgart
I.C. Einbindung in das ERA-Net-Projekt
Das durchgeführte Forschungsvorhaben war Teil des ERA-Net-Vorhabens "Improved glued wood
composites – modelling and mitigation of moisture-induced stresses" im Rahmen des "Wood
Wisdom" Calls B. Die Gesamtziele des Verbundprojektes lassen sich in drei Punkten
zusammenfassen:
• Erhöhung des Marktanteils von Holz und Holz -Verbundmaterialien durch die Verstärkung
des Vertrauens in die Zuverlässigkeit und nachweislich verbesserte Sicherheit holzbasierter
Bauprodukte
• Entwicklung neuer / verbesserter Holzprodukte zur Eröffnung von Marktchancen in
Anwendungsbereichen, in denen die Holz bisher nicht oder kaum genutzt werden konnte
• Verbesserungen der Dauerhaftigkeit und Verlängerung des Lebenszyklus holzbasierter
Bauprodukten durch Lösung des Problems der Rissbildung während der Nutzungszeit
Die Gliederung des Verbundprojektes ist der Abb. 1 zu entnehmen. Die Forschungsaufgaben sind in
die Arbeitspakete WP1 (Micromechanics), WP2 (Moisture Transport), WP3 (Strains and Stresses),
WP4 (Fracture), WP5 (Design) und WP6 (Mitigation) aufgeteilt. Die Untersuchungen wurden auf
verschiedenen Ebenen der möglichen Analyse von Holz als Werkstoff im Bauwesen durchgeführt: Als
erste Hierarchiestufe und Grundlage diente die mikromechanische Analyse des Materials („Wood“)
selbst, was hinsichtlich der Modellierung vollständig im WP1 erledigt wurde. Auf der Stufe der
verklebten Vollholz-Verbundwerkstoffe („Glued Wood Composites“) wurden die miteinander
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zusammenhängenden Mechanismen Feuchtetransport, feuchtebedingte Dehnungen und
Spannungen und schließlich das Riss- und Bruchverhalten in den WPs 2 bis 4 untersucht. Die
Übertragung auf die Ebene des Bauteils als Teil eines Tragwerks geschah in den WPs 5 und 6, wobei
beim WP5 das Verhalten und die Bemessung herkömmlicher Bauteile ohne
Optimierungsmaßnahmen im Vordergrund standen und im WP6 die Möglichkeiten der Verringerung
von Spannungen und Rissbildungen im praxisrelevanten Bauteilmaßstab.
WP 2: Moisture
Transport
WP 1: Micro-mechanics
WP 3: Strains &
Stresses
WP 4: Fracture
WP 5: Design
WP 6: Mitigation
begrenzter Beitrag
bedeutender Beitrag
Leiter des WP
WP 2: Moisture
Transport
WP 1: Micro-mechanics
WP 3: Strains &
Stresses
WP 4: Fracture
WP 5: Design
WP 6: Mitigation
begrenzter Beitrag
bedeutender Beitrag
Leiter des WP
Abb. 1 Struktur des Wood-Wisdom ERA-Net-Projektes „Improved Moisture“
In Abb. 1 werden die Wechselwirkung der Projektteile durch Pfeile markiert. Der Umfang des
deutschen Beitrags zu den jeweiligen Arbeitspaketen ist mit einer Farbkodierung versehen. Das in
dem vorliegenden Schlussbericht dargestellte Forschungsprojekt hatte kaum einen Bezug zu
mikromechanischen Fragen und daher nahezu keinen Anteil an der Erreichung der Ziele des WP1 und
hat nur – planmäßig – nur sehr begrenzte Beiträge zu den Themen Feuchtetransport (WP2) und
Dehnungs- / Spannungsmodellierung (WP3) geliefert. Dagegen war der Projektleiter des
Teilprojektes der MPA Universität Stuttgart work package leader des WP4 mit dem Schwerpunkt
Bruchmechanik und des WP5 mit dem Schwerpunkt experimentelle Untersuchungen des
Feuchtespannungen in ihrer Auswirkung auf das Tragverhalten von speziellen Brettschichtholz-
Bauteilen. Zu dem übergeordneten WP6, bei dem die Leitung beim Projektpartner VTT (Finnland) lag,
trugen die Ergebnisse des deutschen Teilprojektes ebenfalls in erheblichem Umfang bei.
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I.D. Ablauf des Projektes
Das Forschungsprojekt war in 3 Arbeitsbereiche
- A: Rissbildung und Rissausbreitung
- B: Bemessung von Feuchtelasten
- C: Verringerung und Vermeidung von Feuchtelasten
eingeteilt. Hierbei können die Arbeitsziele des Arbeitsbereiches A dem Work Package 4, die Ziele des
Arbeitsbereiches B dem Work Package 5 und die Ziele des Arbeitsbereiches C dem Work Package 6
zugeordnet werden.
Für die Planung der einzelnen Arbeitsschritte wurde der in Tabelle 1 dargestellte Ablauf vorgesehen.
Da der offizielle Projektbeginn seitens der Förderstelle auf Februar 2008 verschoben worden war, die
Gesamtlaufzeit jedoch nicht über den 31.12.2011 verlängert werden konnte, wurde der Arbeitsplan
in den zur Verfügung stehenden 35 Monaten entsprechend verdichtet.
Tabelle 1 Ablaufplan des Forschungsprojektes
Arbeitsschritt 2007 2008 2009 2010
10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9
A1 Feuchtetransport
A2 Prüfkörper Rissversuche 1
A3 Rissinitiierung
A4 Rissfortschritt 2
A5 Riss-Modellierung
A6 Verifizierung Rissmodell 3 3
B1 Modell Feuchtelasten
B2 Verifizierung Lastmodell 5
B3 Bemessung Feuchtelasten 6
C1 Methoden Rissreduzierung 4
C2 Verifizierung Methoden
C3 Empfehlung Normen 7
.
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II. Detaillierte Darstellung der Ergebnisse
II.A. Arbeitsbereich A: Rissentstehung und Rissentwicklung
II.A.1. Problemstellung
Aufbauend auf den Erkenntnissen zum Feuchtetransport (ERA-Net WP2) und zur Rheologie (ERA-Net
WP 3) wurden im ERA-Net WP 4 (Fracture) die Rissbildung und Rissentwicklung zufolge von
Feuchteänderungen untersucht. Der Arbeitsbereich A des Forschungsprojektes trug hierzu einen
wesentlichen Teil der Ergebnisse zum WP 4 bei. Die Leitung des WP4 lag beim Projektleiter des
deutschen Teilprojektes.
Im Arbeitsbereich A bzw. dem WP4 gab es eine sehr intensive bilaterale Zusammenarbeit mit dem
Projektpartner VTT (Finnland), deren Ergebnisse im Laufe des Projektes bzw. im Nachgang in
mehreren Veröffentlichungen dargestellt wurden (siehe Punkt II.F).
Die Ausgangsfrage dieses Arbeitsbereiches lässt sich anhand der Situation eines typischen
Brettschichtholzbauteils unter üblichen Last- und Klimaeinwirkungen verdeutlichen, wie es in Abb. 1
skizziert ist. Bei dem exemplarisch dargestellten einfachen Satteldachträger mit aufgelöster vertikaler
Dachlast ergeben trotz der gewählten einfachen Konfiguration eine Reihe von möglichen lokalen
Bruchmoden für die Rissentstehung: vom reinen Schubbruch (bruchmechanisch: Mode II) im
Auflagerbereich bis hin zu einem querzugbedingten Öffnungsmode (Mode I) im querkraftfreien
Firstbereich mit mixed-mode-Konfigurationen zwischen diesen beiden Extremen. Für eine
zutreffende Beschreibung und Berechnung der Rissentstehung und Rissentwicklung im Bauteil ist
nicht nur der Einfluss veränderlicher Klimaeinwirkungen (vor allem der veränderlichen Luft- und
Materialfeuchte), sondern der Rissverlauf im Holz bzw. im Interfacebereich der Klebefugen zu
berücksichtigen.
Die Ergebnisse des Arbeitsbereiches A (und damit des WP4) sollen dazu beitragen, unter
Voraussetzung bekannter Feuchte- und Spannungsverläufe die Rissentstehung und Rissentwicklung
in typischen BSH-Bauteilen besser zu verstehen und einer rechnerischen Modellierung – auf Basis
empirischer Kennwerte – zugänglich zu machen.
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Abb. 2 Rissbildung und Rissentwicklung in einem typischen Brettschichtholz-Bauteil unter
dem Einfluss äußerer Lasten und veränderlicher Umgebungsbedingungen
II.A.2. Ergebnisse
Die Entwicklung, Anwendung und Überprüfung von Prüfkörpergeometrien und
Versuchsanordnungen zum bruchmechanischen Verhalten von Holz und Holz-Klebefugen bildeten
einen wichtigen Teil der experimentellen Forschungsaktivitäten im Arbeitsbereich A. Als eine der
ersten Arbeitsschritte wurde eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt, die die relevanten
Veröffentlichungen der letzten Jahrzehnte zur Bruchmechanik des Holzes und damit den Stand der
Technik und Wissenschaft auf diesem Gebiet im Wesentlichen umfasst. Die umfangreiche
Referenzliste findet sich im Anhang zu diesem Schlussbericht.
Als Ergebnis der Literatur-Recherche ergab sich, dass nur sehr wenige Untersuchungen zur
Bruchmechanik von Holz-Klebefugen existieren. Für die Bestimmung der relevanten Parameter des
Anrisses und Weiterreißens von geklebten Strukturen war es deshalb notwendig, vorhandene
Prüfkörpergeometrien, die für bruchmechanische Untersuchungen an reinen Holzproben konzipiert
waren, anzupassen und hinsichtlich der Eignung experimentell zu überprüfen. Insbesondere musste
durch die Modifikationen erreicht werden, dass der Riss während des Versuchs im Bereich des
Klebstoff-Interfaces verbleibt und somit tatsächlich die Eigenschaften der Verklebungszone und nicht
die des angrenzenden Holzes bestimmt werden.
In Abb. 3 ist beispielhaft eine Probenkonfiguration für Mode I-Beanspruchung (DCB-(double
cantilever beam)-Probe) mit modifizierter Chevronkerbe abgebildet. Abb. 4 zeigt eine
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Probenkonfiguration für Mode II-Beanspruchung (modifizierte PTENF-(parabolic tapered end
notched flexure)- Probe) von Holz-Klebstoff-Interfaces.
Die entwickelten Proben sind auch geeignet, die Anrisslasten und das Weiterreißverhalten unter
dauernder Krafteinwirkung und insbesondere unter Einfluss wechselnder Feuchten zu untersuchen.
Abb. 5 und Abb. 6 zeigen die Last-Verschiebungskurven von Kurzzeitversuchen in Mode I und Mode
II-Konfigurationen, die zur Bestimmung der KC-Werte aus der Anrisslast bzw. der Bruchenergien aus
der Bruchflächen-bezogenen dissipierten Energie ermöglichten. Die Versuchsergebnisse wurden mit
den neuen Prüfkörpergeometrien erzielt.
Als Grundlage der Modellierung des Bruchverhaltens von Klebefugen unter kombiniertem Zeit- und
Feuchteeinfluss wurden neben den mit diskreten Anrissen behafteten Proben auch ungekerbte /
ungerissene Proben in Dauerstandversuchen geprüft. Hierzu wurde ein neuer Prüfstand mit
speziellen Probenhalterungen, Dämpfungsgliedern zwischen den verschiedenen Proben und
elektrischen Schaltelementen zur Brucherkennung für Dauerstandprüfungen an Zugscherproben
entwickelt und aufgebaut, siehe Abb. 7. Die Daten ergeben für die Melaminharz-Klebefugen eine
zeitabhängige Tragfähigkeitsabminderung, die geringer ausfällt als die literaturbekannte
Tragfähigkeitsabminderung des Holzes selbst, dessen Zeitstandfestigkeit im Allgemeinen durch die
sogenannte "Madison Kurve" beschrieben wird. Die vorgelegten Versuchsergebnisse bilden die
weltweit erste Datenbasis zum zeitabhängigen Bruchverhalten von Klebefugen unter Dauer-
Schubbeanspruchung.
Im Anschluss an die durchgeführten Referenzversuche bei Kurzzeitbeanspruchung und die
Dauerstandversuche mit Proben ohne Initialkerbe wurde ein Versuchsprogramm zur Rissausbreitung
bei langzeitiger Beanspruchung und unterschiedlichen Klimaeinwirkungen konzipiert und
durchgeführt.
Bei den Untersuchungen zur Rissausbreitung in Holz-Klebefugen unter Schub (Mode-II)-
Beanspruchungen wurden u. a. vorhandene Biege-Kriechprüfstände für die Aufnahme der
bruchmechanischen Prüfkörper modifiziert, die Prüfstände kalibriert und in eine Klimakammer
eingebaut. Abb. 9a und b zeigen den Prüfaufbau mit drei übereinander angeordneten Kriechständen
und in einer Detailansicht einen in den Prüfstand eingebauten Mode II-Prüfkörper. Insgesamt
standen 3 Prüfstände für 9 parallele Prüfungen bzgl. die Langzeit- / Klimaversuche zur Verfügung.
Aufgrund der großen Variabilität der Bezugsgrößen des natürlichen Werkstoffes Holz wurde eine
individuelle Zuordnung des Lastniveaus durch ein kurzes, kontrolliertes Anreißen der Langzeitproben
in einer elektromechanischen Prüfmaschine durchgeführt. Die dabei erzielte Höchstlast P0 wurde im
Folgenden als Bezugslast für die Dauerstandversuche verwendet. Die Versuche mit wechselnder
relativer Luftfeuchte wurden bei einem Lastniveau von 0,8 P0 durchgeführt. Das Prinzip der
Ermittlung des Referenzlastniveaus ist in Abb. 10 verdeutlicht.
Im Anschluss an eine Pilotversuchsserie zum Dauerstandverhalten von schubbeanspruchten Rissen in
Vollholz und Holz-Klebefugen wurde eine vollständige Versuchsserie zum Einfluss wechselnder
Luftfeuchte durchgeführt. Hierbei wurden die Parameter
- Jahrringlage (radial bzw. tangential)
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- Jahrringbreite
- und Vollholz vs. Klebfuge
variiert.
Zur Aufnahme des etwaigen Rissfortschrittes wurden spezielle Markierungsstreifen verwendet und
die Änderungen photographisch festgehalten. Die Biegeverformung wurde mit induktiven
Wegaufnehmern registriert.
Exemplarische Ergebnisse hinsichtlich der Durchbiegungsmessung und des aufgenommenen
Rissfortschrittes sind in Abb. 11a und b in Abhängigkeit vom einwirkenden Wechselklima graphisch
dargestellt. Es ist möglich, aus diesen Graphiken den quantitativen Einfluss der wechselnden
Luftfeuchte auf Risse und Mode II-Beanspruchung zu bestimmen. Diese Daten bildeten eine wichtige
Grundlage der Modellentwicklung des Bruchverhaltens unter Einfluss wechselnder Feuchte.
Die rechnerische Modellierung des Rissverhaltens wurde in enger Zusammenarbeit mit dem
Projektpartner VTT im Rahmen des Work Package WP4 entwickelt. Der erste Schritt war die
Erfassung des zeitabhängigen (viskoelastischen) Kriechens auf die Energiefreisetzungsrate. Hierzu
wurden analytische Modelle vom Partner VTT formuliert und anhand von empirischen Daten der
MPA Universität Stuttgart kalibriert. Abb. 12 zeigt Beispiele für die erzielten Ergebnisse unterhalb
einer kritischen Last (Rissöffnung ohne Rissverlängerung) bzw. oberhalb der kritischen Last
(Rissverlängerung).
Anschließend wurde ein FE-Modell für den Mode-II-Fall erstellt und auch die
Feuchtewechselgeschichte durch einen mechano-sortiven Term des rheologischen Verhaltens an der
Risspitze berücksichtigt. In Abb. 13 ist das FE-Modell der in den Experimenten verwendeten Mode-II-
Prüfkörper dargestellt.
Die Gültigkeit und Reichweite des Modells wurden anhand der vorliegenden Wechselklimaversuche
validiert und bewertet. Abb. 14 zeigt exemplarisch den Vergleich zwischen Versuchsdaten aus den
Mode-II-Wechselklimaversuchen und den Ergebnissen der FE-Simulationen für unterschiedliche
Risslängen.
Als Ergebnis der Modellierung steht für den Fall der Ausbreitung von Schubrissen (Mode-II) unter
Wechselklimaeinfluss ein Rechenmodell zur Verfügung, das anhand einiger typischer Last-Klima-
Konfigurationen getestet wurde.
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a) b)
Abb. 3 Skizze des Aufbaus (a) und photographische Ansicht (b) der modifizierten DCB-Probe
zur Untersuchung des bruchmechanischen Verhaltens von Holz-Klebefugen unter
Mode I-Beanspruchung
a)
b)
Abb. 4 Skizze des Aufbaus (a) und photographische Ansicht (b) der modifizierten PTENF-
Probe zur Untersuchung des bruchmechanischen Verhaltens von Holz-Klebefugen
unter Mode II-Beanspruchung
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0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Verformung [mm]
Zug
kra
ft [
N]
TR / TR
TR / RT
Abb. 5 Last-Verformungslinien neu entwickelter modifizierter DCB-Proben (Mode I-
Beanspruchung)
0,00
1000,00
2000,00
3000,00
4000,00
0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000
Deflection [mm]
Loa
d [N
]
Abb. 6 Ergebnisse der Referenzuntersuchungen zum Schubbruchverhalten von
Holzklebefugen mit Hilfe neu entwickelter modifizierter PTENF-Proben
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a) b)
Abb. 7 Skizze des Aufbaus (a) und photographische Abbildung (b) der entwickelten
Vorrichtung zur Prüfung der Dauerstand-Schubfestigkeit von Holz-Klebefugen
Abb. 8 Abhängigkeit der Schubfestigkeit von Melaminharz-Fichtenholz-Klebefugen von der
Zeitdauer der Lasteinwirkung (grüne Linie) im Vergleich mit Literaturdaten zum
Zeitstandverhalten des Holzes ("Madison-Kurve", rote Linie)
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a) b)
Abb. 9 Ansicht eines weiterentwickelten Biege-Kriechprüfstandes zur Untersuchung des
Mode II-Rissfortschrittes bei wechselnden Feuchteeinwirkungen:
a) Gesamtansicht b) Detailansicht
Abb. 10 Prinzip der Bestimmung der individuellen Anrisslast P0 für die Wechselklimaversuche
0
1000
2000
3000
0 1 2 3 4 5 6
Deflection [mm]
Lo
ad
P
[N
]
P0
crack length Π 10 mm
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0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000
Time (min)
Defle
ction
[m
m]
RL glued (1/1L)
RL solid (1/4L)
Relative
Humidity
TL glued (2/3L)
TL solid (2/4R)
65%
35%
85% 85%85%85%85%
65% 65% 65%
35% 35%35% 35%
65%
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000
Time (min)
Defle
ction
[m
m]
RL glued (1/6R)
RL solid (1/7L)
65%
35%
85% 85%Relative
Humidity
TL glued (2/5L)
TL solid (2/6R)
85%85%85%
65% 65% 65%
35%
35% 35%
35%
Abb. 11 Exemplarische Ergebnisse der Durchbiegungsmessungen an Mode II-Prüfkörpern bei
überlagerter Dauerstand-Schub- und Klimawechselbeanspruchung. Gezeigt sind die
Ergebnisse je eines Prüfkörpers für unterschiedliche Jahrringkonfigurationen und die
beiden Fälle Vollholz / Holz-Klebefuge
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a) b)
Abb. 12 Ergebnisse des Modells zum viskoelastischen Kriechen
a) unterhalb der kritischen Last b) oberhalb der kritischen Last
Abb. 13 Finite-Elemente-Modell zur rechnerischen Simulation des Mode II-Verhaltens bei
variierender Feuchte
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0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 5000 10000 15000 20000
time (min)
de
fle
cti
on
(m
m)
2/5L (glued; TL) 9/1
1/6R (glued; RL) 9/2
2/6R (solid wood; TL) 9/3
1/7L (solid wood; RL) 10/1
a)
Specimen 1/7 L, solid wood - P=741.5 N
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Time (min)
Dis
pla
ce
me
nt
(mm
)
Notch 115 mm Notch 110 mm
b)
Abb. 14 Gegenüberstellung des empirischen (a) und rechnerischen (b) zeitlichen Verlaufs der
Verformung für einen Feuchtewechsel
II.A.3. Bewertung
Im Arbeitsbereich A wurden auf der Grundlage einer umfangreichen Literaturstudie die
Rissentstehung und die Rissentwicklung in Vollholz und Holzklebefugen bei wechselnder Feuchte
untersucht. Entsprechend den Zielen des Forschungsantrages wurden die experimentellen Studien
mittels rechnerischer Modellierung nachvollzogen und neue Modellierungsansätze anhand der
Versuchsdaten validiert. Zur Erreichung der Ziele im Bereich Modellierung war die Zusammenarbeit
mit dem Projektpartner VTT im Work Package 4 des ERA-Net-Projektes von großer Bedeutung.
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Zum besseren Verständnis der Entstehung und Entwicklung feuchtebedingter Risse in geklebten
Vollholz-Verbundwerkstoffen stehen nunmehr auf der experimentellen Seite neu- und
weiterentwickelte Prüfprozeduren einschließlich speziell entwickelter Prüfkörpergeometrien zur
Verfügung. Auf der anderen Seite sind zur Vorhersage und Bewertung feuchtebedingter Risse
geeignete rechnerische Simulationswerkzeuge entstanden, deren Eingangsparameter weitestgehend
empirisch validiert wurden.
Im Arbeitsbereich A wurden somit alle wesentlichen Projektziele erreicht. Die Ergebnisse, die vor
allem auf der Ebene der Materialwissenschaft und der rechnergestützten Materialmodellierung von
Interesse sind, wurden entsprechenden Publikationen sowohl im Rahmen von Fachkonferenzen als
auch in Zeitschriftenaufsätzen veröffentlicht.
II.B. Arbeitsbereich B: Bemessung von Feuchtelasten
II.B.1. Problemstellung
Während im Arbeitsbereich A die Rissbildung und Rissentwicklung auf der Materialebene (Holz und
Holz-Klebefugen) untersucht wurde, stand im Arbeitsbereich B die Betrachtung des Feucheeinflusses
auf die globale Tragfähigkeit von Bauteilen als Teil eines Tragwerkes im Mittelpunkt. Hierbei sollte
vor allem die Frage beantwortet werden, wie sich zeitlich veränderlicher Feuchteeinfluss bei
speziellen, als kritisch bekannten Bauteil-Last-Konfigurationen auf die Tragsicherheit bzw. die
Lebensdauer auswirkt. Maßnahmen zur Verringerung der Feuchtelasten wurden hier noch nicht
berücksichtigt und waren Gegenstand des Arbeitsbereiches C.
Im Arbeitsbereich B wurden wesentliche Teile des ERA-Net-WP 5 bearbeitet, die Leitung des WP5 lag
beim deutschen Teilprojekt. In der konstitutiven Phase des ERA-Net-Projektes wurde hierbei vor
allem hinsichtlich der aufwändigen experimentellen Versuche im Bauteilmaßstab ein arbeitsteiliges
Vorgehen der beiden vorrangig beteiligten Partner – MPA Universität Stuttgart und VTT – vereinbart.
Während der Projektpartner VTT die beiden Konfigurationen „Schubträger“ und
„Stabdübelanschlüsse“ bearbeitete und hierbei die Änderung der Tragfähigkeit nach Klima-
Wechsellagerung untersuchte, standen bei der MPA die Versuche an Bogenträgern unter simultaner
Biegebeanspruchung und kontrolliert veränderlicher Feuchte im Zentrum der Untersuchungen.
Aufgrund der extrem aufwändig zu realisierenden Experimente mit simultaner Überlagerung äußerer
und durch Feuchtewechsel induzierter interner Spannungen wurden die Untersuchungen auf den
hinsichtlich der Baupraxis relevantesten Fall des durch ein öffnendes Biegemoment beanspruchten
Bogenträgers konzentriert. Abb. 15 verdeutlicht in einer prinzipiellen Darstellung das planmäßige
Auftreten von Querzugspannungen in gekrümmten Brettschichtholzbauteilen und Abb. 16 zeigt
einen typischen Fall reduzierter Querzugtragfähigkeit durch feuchteinduzierte Rissbildung im
Brettschichtholzquerschnitt.
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Der im Forschungsantrag angedachte Prüfplan wurde – im Einvernehmen mit den Projektpartnern –
dahingehend präzisiert, dass durchgängig Versuche in gezielt steuerbaren Klimakammern statt in
unkontrolliertem Außenklima durchgeführt wurden. Auch vor diesem Hintergrund wurden die
prüfbaren Konfigurationen und ursprünglich geplanten Prüfkörperzahlen entsprechend angepasst.
Ausgehend von den Ergebnissen des exemplarisch betrachteten Bauteils Bogenträger lassen sich die
Erkenntnisse und abgeleiteten Rechenmethoden selbstverständlich auf ähnliche Konfigurationen mit
planmäßigen Querzugspannungen wie z.B. Satteldachträger mit gekrümmtem Untergurt,
ausgeklinkte Träger oder Bauteile mit Öffnungen übertragen.
R H
Abb. 15 Prinzipbild zur Illustration der Entstehung von planmäßigen Querzugbeanspruchungen
in bogenförmigen Brettschichtholzbauteilen, die durch ein öffnendes Biegemoment
beansprucht werden
Abb. 16 Rissbildung im Querschnitt eines Brettschichtholzbauteils zufolge Überlagerung von äußeren Lasten und feuchtebedingten Spannungen
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II.B.2. Ergebnisse
Ein wesentlicher Teil der experimentellen Arbeiten zum Arbeitsbereich B bestand in der Entwicklung
und Realisierung von geeigneten Prüfkörpern und vor allem auch geeigneter Prüfvorrichtungen, die
eine gezielte simultane Überlagerung von Spannungen aus äußeren Lasten mit Spannungen aus
Feuchteänderungen möglich machten. Hierbei handelte es sich – anders als bei aus der Literatur
bekannten Studien – nicht um Untersuchungen an kleinen Modellprüfkörpern, sondern um
realitätsnahe Tests an Prüfkörpern in Bauteilabmessungen. Aus einer Reihe von Gründen, die z.T.
auch mit den Zielen des Arbeitsbereiches C (Verringerung von Feuchtelasten) in Verbindung standen,
war zur Erreichung der Projektziele der Übergang zum Bauteilmaßstab trotz des damit verbundenen
experimentell-technischen Aufwandes notwendig gewesen:
- Durch eine praxisnahe industrielle Fertigung der Prüfbauteile einschließlich unvermeidlicher
Imperfektionen, die erst im Bauteilmaßstab auftreten, sind die Ergebnisse wesentlich
aussagekräftiger als labormäßig hergestellte Kleinproben.
- Im Gegensatz zu kleinen prismatischen Proben unter direkter Querzugeinwirkung entstehen
verteilte Querzugspannungen im realen Bauwerk durch Umlenkkräfte, die stets zu einer
ausgeprägt inhomogenen Spannungsverteilung führen, die durch die gewählten einfachen
Bogenträger gut abgebildet werden konnte.
- Die Wirksamkeit von bestimmten Maßnahmen zur Verringerung von Last- und
Feuchtebedingten Querzugspannungen (z.B. innenliegende Verstärkungen) lässt sich nicht an
Kleinproben, sondern nur im Bauteilmaßstab untersuchen. Entsprechend müssen die zum
Vergleich geprüften Prüfkörper ohne entsprechende Verringerungsmaßnahmen ebenfalls
Bauteilmaßstab aufweisen.
In die Konzeption und Optimierung des Probebauteils flossen folgende Überlegungen und
Arbeitsschritte ein.
o Berücksichtigung maximal möglicher Abmessungen (Prüfmaschinen, Klimakammern)
o Beachtung der Einschränkung aus geltenden Produktnormen für Brettschichtholz
o Beschränkungen aus den Produktionsgegebenheiten der Herstellbetriebe
o Finite-Element-Abbildung des Prüfkörpers zur Optimierung möglichst großer
Querzugspannungen bei möglichst geringen Biege- und Schubspannungen
Die Prüfkörper wurden von den kooperierenden Industriepartnern in Zusammenarbeit und unter
Anleitung von Mitarbeitern der MPA Universität Stuttgart hergestellt und zur MPA transportiert.
Insgesamt wurden 20 voll maßstäbliche Prüfkörper, d.h. Bogenträger mit ca. 5 m Länge und einer
Trägerhöhe von 70 cm aus Fichten-Brettschichtholz der Festigkeitsklasse GL28h hergestellt. Abb. 17
zeigt die photographische Ansicht eines in die Biegeprüfmaschine eingebauten Bogenträgers.
Als Teil des Programms zu den zentralen Bauteilversuchen wurden Kurzzeit-Referenzversuche an
Bogenträgern durchgeführt. Diese Experimente dienen zur Festlegung des Lastniveaus der
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Dauerstandversuche, zur Überprüfung der Lastanordnung, des Prüfkörperlayouts und der
Messtechnik.
Zur Erzielung eines möglichst reinen Querzugbruches in den Bogenträgern, die im Vierpunkt-
Biegeversuch mit einem öffnenden Biegemoment beansprucht wurden, waren mehrere Maßnahmen
notwendig, die teilweise erst durch Vorversuche an Vorserien-Prüfkörpern optimiert werden
konnten:
- Zur Vermeidung von Biegebrüchen wurden die im Biegezugbereich befindlichen Lamellen
einer schärferen Sortierung (gegenüber der im restlichen Träger vorgesehenen S13-
Sortierung zur Realisierung der Brettschichtholzfestigkeitsklasse GL28) unterworfen und im
Bereich des höchsten Biegemomentes keine Keilzinkenverbindungen, sondern
durchgehenden Brettlamellen verwendet.
- Zur Vermeidung von Schubbrüchen wurden die Auflagerbereiche mittels aufgeklebter
Baufunierschichtholz-Platten verstärkt. Die Verklebung wurde mit Expoxidharz durchgeführt
und der Formschluss zwischen Träger und Beplankungsmaterial durch
Schraubenpressklebung sichergestellt. Es stellte sich anhand einer Testserie mit 4 Vorserien-
Prüfkörpern heraus, dass eine Abdeckung von ca. 2/3 der Querkraft-beanspruchten Fläche
zur sicheren Vermeidung von Schubbrüchen notwendig war. In Abb. 18 ist die Detailansicht
des mittels Beplankung schubverstärkten Auflagerbereichs eines Bogenträgers abgebildet.
Nach Abschluss der Optimierungsprüfungen an 3 vollmaßstäblichen Vorserienprüfkörpern wurden
für die Referenzserie insgesamt 4 vollmaßstäbliche Bauteile im Kurzzeitversuch im Biegeprüffeld
mittels zweier servohydraulischer Zylinder in Vierpunkt-Prüfanordnung geprüft. Die restlichen
Bauteil-Prüfkörper waren für die Wechselklimaversuche unter Dauerlast und weitere
Referenzversuche mit Verstärkungsmaßnahmen (siehe Abschnitt II.C) vorgesehen.
Neben dem Lastverlauf und den globalen Deformationen wurden bei den Referenzversuchen mittels
jeweils 6 Dehnungsmessstreifen (DMS) die Dehnungsverteilungen zufolge der aufgeprägten
Umlenkkräfte bestimmt.
Abb. 19 zeigt die Häufigkeitsverteilung der entsprechenden Querzugfestigkeiten und Abb. 20 die
Last-Durchbiegungskurven der 4 Referenzprüfungen. Abb. 21a gibt die photographische Ansicht der
an den Seitenflächen angebrachten Dehnungsmessstreifen am bereits geprüften Prüfkörper wieder.
In Abb. 21b ist exemplarisch für einen Prüfkörper die Entwicklung der Dehnungen bei
Kurzzeitbeanspruchung wiedergegeben. Es ist die unterschiedlich ausgeprägte
Schädigungsentwicklung des sich lokalisierenden Querzugversagens zu erkennen.
Das für die Konzeption der Prüfkörper entwickelte Finite-Element-Modell wurde verwendet, um die
Spannungsverteilung in den Bogenträgerprüfkörpern für den Fall verstärkter wie unverstärkter
Träger berechnen zu können, siehe Abb. 22. Zur Kalibrierung des Modells wurden die Ergebnisse der
Dehnungsmessungen mit den Werten der rechnerisch ermittelten Dehnungen verglichen und durch
bei entsprechender Wahl der Materialparameter eine gute Übereinstimmung erzielt. Abb. 23 zeigt
die Höhenverteilung der Dehnungen als Ergebnis der Messungen an vier Prüfkörpern im Vergleich
mit dem rechnerischen Wert (gestrichelte Linie).
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Ein weiterer wichtiger Schritt war die Konzeption und Herstellung speziell entwickelter
Dauerstandprüfstände für die Wechselklimaversuche mit einer kombiniert pneumatisch-
hydraulischen Lastaufbringung. Ziel war es, die Lastkonfiguration der in einer servohydraulischen
Prüfmaschine durchgeführten Kurzzeit-Referenzversuche möglichst gut auf mehrere Prüfrahmen zu
übertragen, mit denen mehrere Prüflingen jeweils einer konstanten Dauerlast und simultan hierzu
veränderlichen Feuchtebedingungen unterworfen werden konnten.
Die Lastaufbringung, die bei Beantragung des Projektes ursprünglich mittels einfacher Tellerfedern
realisiert werden sollte, stellte sich als technisch wesentlich aufwändiger heraus. Sowohl die Höhe
der notwendigen Kräfte als auch die Anforderung an die zeitliche Lastkonstanz erforderten die
Anwendung eines hydraulischen Systems. Vor dem Hintergrund beschränkter Mittel wurde ein
System aus Hydraulikzylindern, Handpumpen und einem halbautomatischen pneumatischen
Antriebssystem für die Handpumpen zur Kompensation der im Dauerstandversuch auftretenden
Relaxationserscheinungen entwickelt.
Es wurden Stahlrahmen für 3 parallel in einer rechnergesteuerten Klimakammer aufzubauende
Biegeprüfstände hergestellt und die Hydraulikzylinder, Handpumpen und ein pneumatisches
Antriebsystem beschafft, getestet und eingebaut. Abb. 24 zeigt in Prinzipskizzen den experimentellen
Versuchsaufbau bestehend aus den Lastrahmen und dem pneumatisch-hydraulischen System zur
dauerhaften Erzeugung der Konstantkraft. In Abb. 25 sind in einer Fotographie die 3 mit
Bogenträgern bestückten in der rechnergesteuerten Klimakammer befindlichen
Belastungsprüfstände abgebildet.
Bei den Dauerstandversuchsserien wurden jeweils sowohl Prüfkörper ohne Maßnahmen zur
Reduzierung der Feuchtelasten (als Teil des Arbeitsbereiches B) als auch Prüfkörper mit
unterschiedlichen Reduzierungsmaßnahmen (als Teil des Arbeitsbereiches C) parallel in einem Klima-
bzw. Belastungszyklus getestet. Hierdurch war es dann später möglich, direkte Vergleiche zwischen
Prüfkörpern ohne und mit Reduzierungsmaßnahmen zu ziehen.
Das Lastniveau für die Dauerstandversuche wurde von der mittleren Kurzzeitfestigkeit σt,90,mean = 0,84
N/mm2 der Referenzversuchsserie abgeleitet und zu SL = 0,60, d.h. einer nominellen maximalen
Querzugbeanspruchung von 0,51 N/mm2 festgelegt. Die durch die Hydraulikkolben in den
Dauerstandprüfständen zu erzeugenden Lasten betrugen somit 95 kN. Die Prüfkörpe wurden nach
der Lastaufbringung einem 10tägiger Trocknungszyklus mit 20°C / 35% R.L., einem 3tägigen
Zwischenklima mit 20°C / 65% R.L. und schließlich einem mehrwöchigen Befeuchtungsschritt mit
20°C/90% R.L. ausgesetzt. Die Klimabedingungen des Befeuchtungsschrittes entsprechen bei
Nadelhölzern einer Holzfeuchte von ca. 20-22% und liegen damit am oberen Rand der
Nutzungsklasse 2. In diese Nutzungsklasse fallen eine Vielzahl typischer Brettschichtholzbauwerke
einschließlich offener oder teiloffener Lager- oder Reithallenhallen, unter Umständen auch
Schwimmhallen oder Eislaufhallen.
Während der Dauerstandversuche wurden für jeden Prüfkörper mittels speziell angepasster
Messtechnik folgende Parameter aufgezeichnet:
- Die tatsächlichen Lasten der Hydraulikzylinder (mittels Drucksensoren)
- Die Mittendurchbiegung der Träger
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- Die zeitliche Entwicklung der Dehnungsverteilung über die Trägerhöhe in der Symmetriebene
(mittels jeweils 4 bis 7 Dehnungsmessstreifen pro Seitenfläche)
Der Bruch der beiden in den Serien 1 und 2 geprüften Träger trat bereits nach 12 bzw. 23 Tagen nach
dem Beginn des Befeuchtungsschrittes auf 90% relativer Luftfeuchte auf. Dies ist in guter
Übereinstimmung mit vergleichbaren Ergebnissen aus früheren Studien, die allerdings an
prismatischen Kleinprüfkörpern durchgeführt worden waren. Das frühe Versagen innerhalb weniger
Wochen bei einem auf die Kurzzeitfestigkeit bezogen Lastniveau von lediglich 60% zeigt deutlich,
dass die Abminderungsfaktoren auf die Kurzzeitfestigkeit, wie sie zur Zeit in der europäischen
Bemessungsnorm Eurocode 5 angegeben werden (Reduzierung auf lediglich 80% bei einer
Nutzungsklasse 2-Einwirkung und einer Lastdauer von 6 Monaten), das reale Verhalten von
querzugbeanspruchten Bauteilen bei starken Feuchteschwankungen nicht ausreichend abbilden.
Die Versagensformen der beiden im Dauerstandversuch versagten Prüfkörper war identisch mit den
Versagensformen im Kurzzeitversuch mit deutlichem Aufspalten des Trägers nahe der halben
Trägerhöhe.
Als eines der umfangreichen Messergebnisse zeigt Abb. 26 exemplarisch den zeitlichen Verlauf der
ortsaufgelösten Dehnungsverteilung bis zum Bruch des Trägers aus der ersten Dauerstand-
Versuchsserie. Es ist in einem Zeitraum von einigen Tagen vor dem Versagenszeitpunkt im Bereich
des späteren Bruches ein nichtlineares (exponentielles) Anwachsen der auf der Trägeroberfläche
gemessenen Dehnungen zu verzeichnen. Eine sichtbare Rissbildung auf der Oberfläche wurde jedoch
zu keiner Zeit beobachtet.
Dagegen deutet die starke Lokalisierung der Dehnungszunahme und die Nichtlinearität auf eine
verdeckte Rissbildung im Querschnittsinneren hin. Durch die starke Befeuchtung und das hierdurch
hervorgerufene Feuchtegefälle zwischen (noch) trockenem Querschnittskern und bereits feuchten
Querschnittsrändern wird in der Querschnittsmitte eine deutliche Spannungskomponente
rechtwinklig zur Faserrichtung induziert, während sich an den Querschnittsrändern
Druckspannungen ausbilden. Bei Überschreitung einer kritischen Rissbreite des innenliegenden
Querzugrisses erfolgt dann das plötzliche Versagen des Bauteils.
Zur quantitativen Erfassung dieser hier qualitativ dargestellten Zusammenhänge wurde eine
rechnerische Modellbildung durchgeführt. Hierbei war zunächst auf der Materialebene zu beachten,
dass nicht nur das elastische und das Feuchtedehnungsverhalten des Holzes eine Rolle spielt. Da alle
Prozesse nicht instantan, sondern stets zeitabhängig ablaufen, mussten auch die Kriechprozesse wie
das rein zeit- und temperaturabhängig viskoelastische Kriechen und das von der Feuchteänderung
bestimmte sogenannte mechano-sorptive Kriechen mit berücksichtigt werden. In Abb. 27 ist das
gewählte rheologische Modell, das auf Ergebnissen des Projektpartners VTT im Workpackage WP 3
beruht, für den eindimensionalen Fall als Prinzipbild dargestellt. Die Besonderheit des im WP3
gewählten Ansatzes bestand jedoch darin, eine vollständige dreidimensionale Beschreibung zu
ermöglichen.
Vor der Anwendung eines solchen rheologischen Modells durch Implementierung in einen
kommerziellen Finite-Element-Code (in diesem Fall ABAQUS) mussten zunächst die Parameter
kalibriert werden. Abb. 28 zeigt exemplarisch das Ergebnis eines solchen Kalibrierungsschrittes
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anhand von in der Literatur verfügbaren Daten zum mechano-sorptiven Effekt bei Biegung parallel
zur Faserrichtung.
Mit dem gewählten vollständigen Parametersatz wurde das Modell auf das Verhalten von
Brettschichtträgern bei deutlicher Feuchteänderung unter Schubbeanspruchung (Projektpartner VTT)
und Querzugbeanspruchung in Bogenträgern (MPA Universität Stuttgart) angewandt. Abb. 29 zeigt
exemplarisch das Ergebnis des 3D-Modells für einen Befeuchtungsschritt und die daraus folgende
Spannungsverteilung mit Spannungsspitzen nahe der Querschnittsmitte.
Obwohl das entwickelte Modell prinzipiell für alle Anwendungen umfassend einzusetzen ist, stellen
3D-Berechnungen immer noch eine besondere Herausforderung sowohl an die Rechner-Hardware
als auch an die verfügbare Rechenzeit dar. Außerdem bleiben – trotz der erfolgten
Kalibrierungsschritte – aufgrund der Vielzahl der Parameter erhebliche Unsicherheiten in
quantitativer Hinsicht. Schließlich sind sowohl die Vorbereitung der Nutzung (Pre-Processing) und die
Auswertung der Ergebnisse (Post-Processing) für 3D-Modelle um ein vielfaches aufwändiger als für
2dimensionale Rechenmodelle. Um die Ergebnisse der allgemeingültigen 3D-Formulierung im Vorfeld
ingenieurmäßiger Betrachtungen mit vertretbarem Aufwand nutzen zu können, wurde – auf der
Basis eines an der MPA bereits vorhandenen Modells – eine vereinfachte 2D-Implementierung
durchgeführt (FE-Code: ANSYS). Diese ist nicht so allgemeingültig wie das VTT-Modell, sondern
zunächst auf den speziellen Fall Querzugbeanspruchung eines BSH-Querschnittes beschränkt.
Abb. 30 zeigt neben einem Symbolbild der 2D-Vereinfachung der Problemstellung (Brettquerschnitt
mit konstanter Linienlast rechtwinklig zur Faserrichtung und Feuchtebeanspruchung durch Diffusion
von den Schmalseiten der Brettquerschnitte her) exemplarische Ergebnisse der
Spannungsberechnungen. Durch den Vergleich des reinen Kurzzeitfalles ohne Feuchteeinwirkung mit
dem Ergebnis nach 10tägiger Befeuchtung bei 20°C/90%R.L. lässt sich die Überhöhung und die
Lokalisierung der Spannungsspitzen im Inneren des Querschnitts quantitativ bestimmen.
Unter Anwendung des Konzeptes der Weibull-Integration, die die statistische Verteilung der
Ungänzen im natürlicherweise defektbehafteten Werkstoff Holz berücksichtigt, erhält man eine
zusätzliche Feuchtelast für den im Experiment dargestellten Feuchtefall von 0,2 bis 0,25 N/mm2. Dies
entspricht knapp der Hälfte der charakteristischen Querzugfestigkeit von Brettschichtholz aller
Festigkeitsklassen.
Aus den empirischen Ergebnissen und den Modellrechnungen lassen sich für die normativ geregelte
Bemessung von Bauteilen aus Brettschichtholz unter Querzugbeanspruchung folgende
Schlussfolgerungen ziehen:
- Eine Möglichkeit der Berücksichtigung der Feuchtelasten könnte durch eine Absenkung der
sogenannten Modifikationsfaktoren kmod speziell für den Fall der Querzugbeanspruchung
erreicht werden. In diesem Fall müsste der Faktor für die relevante mittlere Belastungsdauer
(bis zu 6 Monate) von 0,8 auf 0,6 für die Nutzungsklassen 1 und 2 und auf 0,5 für die
Nutzungsklasse 3 abgesenkt werden.
- Eine alternative Möglichkeit wäre die Einführung von Feuchtelasten (vergleichbar mit
Schneelasten). Um die ermittelten Feuchtelasten von 0,2 bis 0,25 N/mm2 ansetzen zu
können, müsste allerdings die charakteristische Querzugfestigkeit auf realistische höhere
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Werte angehoben werden. In der heutigen Bemessungssituation mit sehr konservativen
charakteristischen Werten wird ein Teil der Klimabeanspruchung schon implizit in den
Kurzzeit-Referenzwerten berücksichtigt, so dass sich vor diesem Hintergrund der heutigen
Bemessungssystematik der Weg mittels angepasster Abminderungsfaktoren als einfachere
Lösung anbietet.
Abb. 17 Ansicht eines in die Biegeprüfmaschine eingebauten Referenz-Prüfkörpers zur
Ermittlung der Kurzzeitfestigkeit von Bogenträgern bei Querzugbeanspruchung
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Abb. 18 Photographische Ansicht des Auflagerbereiches eines Bogenträgers mit angepasster
Schubverstärkung aus aufgeklebten Baufurnier-Sperrholz-Platten
Abb. 19 Häufigkeitsverteilung der auswertbaren Querzugfestigkeits-Ergebnisse der Referenzversuche an Bogenträgern
0
0,25
0,5
0,75
1
0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20
Maximum stress perp. to grain [MPa]
cu
mula
tive
fre
quen
cy [
--]
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Abb. 20 Last-Durchbiegungskurven zu den Referenzversuchen an Bogenträgern
375
435
495
375
435
495
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
180,00
200,00
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Strain [um/m]
Loa
d [kN
]
375 435495
a) b)
Abb. 21 Anordnung der Messmittel (a) und Ergebnisse der Dehnungsmessungen (b) eines
exemplarischen Referenzversuch an einem Bogenträger
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
180,00
200,00
0,000 10,000 20,000 30,000 40,000
Deflection [mm]
Lo
ad
[kN
]
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a)
b) c)
Abb. 22 Rechnerische Betrachtung der experimentell realisierten Prüfanordnung eines in 4-
Punkt-Biegeanordnung beanspruchten Bogenträgers
a) 2D-Verteilung der Querzugspannungen
b) Verteilung der Querzugspannungen über die Trägerhöhe in der Symmetrieebene
des Trägers
c) Biegelängsspannungen über die Trägerhöhe in der Symmetrieebene des Trägers
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 100 200 300 400 500 600 700
Position of strain gauge (from upper edge) [mm]
Stra
in[u
m/m
]
Theoretical maximum value
Abb. 23 Vergleich der an vier Prüfkörpern empirisch ermittelten Dehnungen (durchgehende
Linien) mit dem rechnerischen Wert der Maximaldehnung
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
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a)
b)
Abb. 24 Experimenteller Prüfaufbau für die Dauerstandversuche mit Feuchtevariation
a) Technische Skizze des Prüfrahmens für die Bogenträger-Brettschichtholzbauteile
b) Prinzipbild für die pneumatisch / hydraulische Realisierung der dauerhaften
Lastaufbringung
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
6.9.2011
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Abb. 25 Ansicht des Aufbaus der Dauerstandversuche in einer Wechselklimakammer mit drei
parallel belasteten Brettschichtholz-Prüfkörpern
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 500 1000 1500 2000 2500
Time [h]
Str
ain
pe
rp.
to t
he g
rain
[um
/m]
10
12
9
11
8
7
13
RH=
35% 65% 90%
Abb. 26 Zeitlicher Verlauf der über die Querschnittsbreite gemittelten Dehnungen an einem
Prüfkörper ohne innenliegende Verstärkungselemente
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
6.9.2011
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Abb. 27 Rheologisches Modell zur Berücksichtigung unterschiedlichen Dehnungsanteile
einschließlich feuchteabhängiger Dehnungen
Abb. 28 Kalibrierung des rheologischen Modells anhand empirischer Daten: zeitabhängige Verformungen bei vorgegebenen wechselnden Last- und Klimaszenarien
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
6.9.2011
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Abb. 29 Graphische Repräsentation der Simulationsergebnisse mit einer Feuchte- und der
zugehörigen Spannungsverteilung zufolge des 3D-Modells für einen
Befeuchtungsschritt
Abb. 30 Symbolische Darstellung und exemplarisches Ergebnisse des 2D-Rechenmodells
a) Einwirkungsgrößen äußere Spannung und zeitliche veränderliche Luftfeuchte
b) resultierende Spannungsverteilung ohne Feuchteänderung (blaue Linie) und nach
einem Befeuchtungsschritt (grüne Linie)
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
6.9.2011
Seite 36 von 57
II.B.3. Bewertung
Im Arbeitsbereich B wurden die materialwissenschaftlichen Erkenntnisse bzgl. Feuchteentwicklung,
rheologischem Verhalten und Bruchverhalten auf die Bauteilebene übertragen.
Auf der experimentellen Ebene wurden wesentliche Erkenntnisse durch eine intensive und stringente
Untersuchung an einer exemplarisch ausgewählten Bauteil-Beanspruchungs-Konfiguration
(Bogenträger unter simultaner Biege- und Feuchtewechselbeanspruchung) erreicht.
Auf der Ebene der rechnerischen Modellierung kamen sowohl sehr allgemeine Ansätze einer 3D-
Modellierung zum Tragen, die in den Grundlagen im Work-Package 3 vom Projektpartner VTT
entwickelt worden waren. Zusätzlich wurde ein an der MPA verfügbarer vereinfachter 2-
dimensionaler Modellierungsansatz verfolgt, der für eine Reihe von Konfigurationen ausreichend
genaue Ergebnisse liefert.
Mittels der experimentellen Daten und den aus Rechenergebnissen abgeleiteten Abschätzungen
konnte die Größenordnung für effektive Feuchtelasten angegeben werden, die Grundlage für eine
gegenüber der heutigen Normenlage sinnvollere und systematischere Bemessung werden könnten.
Die wesentlichen Ziele des Arbeitsbereiches B wurden erreicht. Die Ergebnisse wurden bereits
ausführlich in der relevanten Fachöffentlichkeit des industriellen Branchenverbandes
„Studiengemeinschaft Holzleimbau“ diskutiert. Die Veröffentlichung in Form eines
Zeitschriftenaufsatzes mit einer wissenschaftlichen Darstellung der Hauptergebnisse ist in
Vorbereitung (siehe Abschnitt II.F).
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
6.9.2011
Seite 37 von 57
II.C. Arbeitsbereich C: Verringerung von Feuchtelasten
II.C.1. Problemstellung
Die Problemstellung des Arbeitsbereiches C beinhaltet wesentliche Fragen des Workpackage 6
(„Mitigation of moisture Loads“). An dieses Arbeitspaket wurden von Anfang an die höchsten
Erwartungen hinsichtlich der praktischen industriellen Verwert- und Umsetzbarkeit der erhofften
neuen Erkenntnisse und Handlungsempfehlungen gestellt. Nach Klärung der Grundlagen in den WPs
1 bis 4 und der Übertragung der Erkenntnisse auf die praxisrelevante Bauteilebene im WP5 stand im
WP6 nicht nur das verbesserte Verstehen und die bessere rechnerische / bemessungsmäßige
Erfassbarkeit der feuchteinduzierten Spannungen, Rissbildungen und Tragfähigkeitsabminderungen
im Vordergrund, sondern vor allem die Erarbeitung und Bewertung von Maßnahmen zur Vermeidung
und Reduzierung der negativen Folgen variierender Feuchtebedingungen.
Im Arbeitsbereich C des hier vorgestellten deutschen Teilprojektes wurden schwerpunktmäßig zwei
ganz unterschiedliche Maßnahmen mit dem Ziel der Reduzierung der Feuchtelasten untersucht:
� Der erste Ansatz besteht in einer nachträglich eingebrachten innenliegenden Verstärkung der
Brettschichtholzquerschnitte durch rechtwinklig zur Faserrichtung eingeschraubte
Vollgewinde-Stahlschrauben. Hierdurch wird die Feuchteänderung im Querschnitt nicht
(oder nicht nennenswert) verändert und auch die feuchtebedingten Spannungen aufgrund
des Feuchtegefälles im instationären Diffusionszustand in Verbindung mit der
konstitutionellen Feuchtedehneigenschaften von Holz können sich – im Prinzip – vollständig
ausbilden. Durch die Stahlelemente kann das Brettschichtholzbauteil jedoch eine tendenziell
höhere Feuchtelast aufnehmen als entsprechende Bauteile mit unverstärktem Querschnitt.
� Ein ganz anderer Weg wird durch die Anwendung diffusionshemmender Beschichtungen auf
den Seitenflächen der Brettschichtholzträger beschritten. Hierbei soll nicht der Querschnitt
verstärkt, sondern die Ursache für die Feuchtelasten – starke Feuchtegradienten im
Querschnitt – von vorneherein vermieden werden. Trotz stark wechselnder
Umgebungsfeuchte soll der Feuchtegehalt im Brettschichtholzquerschnitt nahezu konstant
bleiben oder sich nur langsam verändern und zu geringeren maximalen Querzugspannungen
gegenüber unbeschichteten Trägern führen.
Im Laufe der Projektbearbeitung stellte sich heraus, dass insbesondere im umfangreichen
experimentellen Teil die Arbeitsbereiche B und C bei der Durchführung stets eng miteinander
verbunden waren, so dass sich insbesondere bei den Hauptserien der Bauteil-Dauerstandversuche
die Trennung der Ergebnisse in die Arbeitsbereiche eher aus der Systematik der ursprünglichen
Gliederung des Forschungsantrages ergibt. Dort, wo es inhaltlich geboten ist, werden deshalb die
Ergebnisse der Arbeitsbereiche B und C auch in gemeinsamen Darstellungen präsentiert.
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
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Seite 38 von 57
II.C.2. Ergebnisse
Im ersten Teil der der experimentellen Forschungsarbeiten wurden die unterschiedlichen Strategien
zur Verringerung von Feuchtelasten – einerseits die innenliegenden Verstärkungen und andererseits
verschiedene Beschichtungssysteme – untersucht.
Im experimentellen Hauptteil stand die Überprüfung der Wirksamkeit beider Strategien durch
vergleichende Dauerstandversuche unter dem Einfluss wechselnder Klimabedingungen im
Mittelpunkt.
Eine Untersuchung der Wirkung von innenliegenden Verstärkungen ist grundsätzlich nicht an kleinen
Materialproben, sondern nur an Probekörpern in Bauteilabmessungen möglich. Im Rahmen des
ersten experimentellen Schwerpunktes wurden daher zunächst 2 vollmaßstäbliche Bogenträger
gemäß den Empfehlungen der deutschen Holzbaunorm DIN 1052 mittels Vollgewindeschrauben
verstärkt. Zunächst war die Definition einer Bemessungslast durchzuführen. Hierbei war es nicht
sinnvoll, die Vorgaben der DIN 1052 direkt zu übernehmen, da die aus den vorangegangenen
Versuchen ermittelten charakteristischen Querzugfestigkeiten deutlich höher lange als die in der
Norm angegebene Werte. Dies ist einerseits auf die naturgemäß niedrige Prüfkörperzahl in
Verbindung mit der bei Querzugbeanspruchung hohen Streuung der Festigkeitswerte zu sehen.
Andererseits ist in den Normwerten zufolge früherer Untersuchungen offensichtlich eine
Reduzierung enthalten, die implizit einen Teil der – in dieser Studie jedoch erst genauer zu
untersuchenden – Klimaeffekte bereits enthält. Es wurde deshalb festgelegt, das Niveau der Last der
Dauerstandversuche als Bezug für die Verstärkungselemente zu wählen.
Aus den rechnerischen Ableitungen in Anlehnung an DIN 1052:2008 ergab sich daraus eine
notwendige Verstärkung durch 3 Vollgewindeschrauben mit jeweils einem Durchmesser von 8 mm.
Die Schrauben der Länge 600 mm wurden radial in den Bogenträger eingebracht und bzgl. der
Längsrichtung gleichmäßig im querzugbeanspruchten Bereich mit einem Abstand von jeweils 50 cm
voneinander und von den Lasteinleitungsstellen verteilt (siehe Abb. 31).
Zur Untersuchung der Lastverteilung im verstärkten Träger wurden an zwei Stellen die
Dehnungsverteilungen in radialer Richtung gemessen. Zum einen wurden an 7 Lamellen
Dehnungsmessstreifen entlang der Linie der bzgl. der Längsrichtung mittig angeordneten
Schraubenverstärkung angebracht. Zum anderen wurden 7 weitere DMS entlang einer radialen Linie,
die zwischen zwei Schraubenverstärkungen liegt, appliziert. Die DMS-Anordnung ist als Skizze in Abb.
32 und als photographische Abbildung in Abb. 33 dargestellt.
Zur Ermittlung des Einflusses der Verstärkungen auf die Kurzzeitfestigkeit wurden zwei
Referenzversuche im 4-Punkt-Biegeversuch durchgeführt. Abb. 34 zeigt exemplarisch das
Bruchverhalten mit dem Querzugversagen unterhalb der halben Trägerhöhe. Das Versagen der
Querzugbewehrung erfolgte in beiden Fällen aufgrund eines Auszugsversagens der Schrauben, wie in
Abb. 35 als Detailbild gezeigt. Als interessantes Ergebnis des Vergleichs zwischen den Kurzzeit-
Festigkeiten mit und ohne Verstärkungselemente ist festzuhalten, dass die mittlere Festigkeiten nicht
signifikant voneinander abweichen, d.h., dass es keine signifikante Erhöhung der Kurzzeitfestigkeit
gibt. Dieses Ergebnis lässt sich anschaulich aus der Darstellung der Summenverteilung der Festigkeit
in Abb. 36 entnehmen, worin die Ergebnisse aus dem Arbeitsbereich B (siehe Abb. 19) mit
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
6.9.2011
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unverstärkten Bogenträgern (blaue Markierungen) um die Ergebnisse der verstärkten Bogenträger
(rote Markierungen) ergänzt sind.
Dagegen ist – wie sich aus den Ergebnissen der Dehnungsmessungen entnehmen lässt – ein
deutlicher Einfluss der Verstärkungen auf die Dehnungsverteilungen und somit auch auf die
entsprechenden Spannungsverteilungen festzustellen. In Abb. 37a und b sind die jeweiligen bei den
Referenzversuchen gemessenen Dehnungsverteilungen mit und ohne Verstärkung aufgetragen. Es ist
eine deutliche Dehnungsminderung auf der Holzoberfläche am Ort der Verstärkung zu erkennen.
Dies bedeutet einerseits eine Spannungsumlagerung mit lokaler Entlastung der Umgebung des
Verstärkungselementes und andererseits einen deutlichen Abfall der Entlastungswirkung im Bereich
zwischen den Verstärkungselementen.
Als Ergebnis der Untersuchungen an Referenzprüfkörpern mit innenliegenden
Verstärkungselementen ist festzuhalten, dass bei der gewählten Verstärkung mit einem sehr
geringen Bewehrungsgrad deutliche lokale Effekte der Dehnungs- (und damit Spannungs-)
Umlagerung zu beobachten sind. Die globale Querzugfestigkeit wird im Kurzzeitversuch ohne
Feuchteeinwirkung jedoch nicht (oder nicht nennenswert) vergrößert.
Die Untersuchungen der Beschichtungssysteme wurde zunächst mit kleineren Proben
(Brettschichtholzabschnitte mit den Maßen 200mm*120mm*300mm) zur Bestimmung des
Feuchteregulationsverhaltens durchgeführt. Mehrere Proben wurden mit insgesamt 5 verfügbaren,
im Bereich tragender Bauteile weit verbreiteten und von den Herstellern als diffusionshemmend
bzw. diffusionsregulierend beschrieben Beschichtungssystemen an den Seitenflächen behandelt. Die
Hirnholzflächen wurden mit einer praktisch vollständig diffusionsdichten Folie versiegelt.
Als Referenzproben wurden zusätzlich einerseits an den Seitenflächen unbehandelte Proben und
andererseits vollständig mit Folie versiegelte Proben mit einbezogen. Die Anfangsfeuchte wurde
durch das Abtrennen von Querschnittsscheiben und der Bestimmung der Darrfeuchte ermittelt. Die
Proben wurden einer starken Befeuchtung (geregeltes Klima in einem Klimaschrank bei 20°C/90%
R.L.) ausgesetzt und die zeitliche Entwicklung der mittleren Holzfeuchte durch Wägung bestimmt.
Das Ergebnis der Untersuchung ist in Abb. 39 dargestellt.
Es war überraschend festzustellen, dass keines der handelsüblichen Beschichtungsmittel eine
signifikante Reduzierung der Feuchteaufnahme bewirken konnte. Keines der Mittel wirkte also –
entgegen den Angaben der Hersteller – tatsächlich in einem nennenswerten Ausmaß
diffusionshemmend. Das Mittel mit der vergleichsweise deutlichsten – absolut gesehen jedoch sehr
geringen – Reduzierung der Feuchteaufnahme war ein eigentlich als Hirnholzversiegelung gedachtes
Beschichtungssystem. Diese wurde später für die Bauteilversuche verwendet. In dem europäischen
Verbundprojekt haben alle Projektpartner, die mit Beschichtungssystemen gearbeitet haben, gleiche
bzw. ähnliche Erfahrungen gemacht: Keines der sehr unterschiedlichen Beschichtungsmittel, von
denen zu Beginn des Projektes vermutet wurde, eine geeignete Diffusionsbarriere zu bilden, zeigte
eine ausreichende Effizienz. Die meisten Mittel aus Finnland, Schweden einschließlich „langjährig in
der Industrie bewährter“ Acrylat-Systeme, aber auch neue Mittel auf Basis natürlicher Öle (z.B.
Leinöl) waren zur Hemmung der Wasserdampfdiffusion in irgendeiner Weise geeignet. Im WP2, der
sich auf der Materialebene mit diesem Thema Beschichtungen beschäftigen sollte, wurde dieser
Sachverhalt eindrucksvoll anhand von Magnetresonanz-spektroskopischen Messungen
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
6.9.2011
Seite 40 von 57
nachgewiesen. In diesem Work Package war – wie im gesamten Verbundprojekt jedoch nicht mehr
genügen Zeit während der Projektphase grundlegende Alternativen zu den bestehenden
Beschichtungssystemen zu erforschen oder gar zur Praxisreife zu entwickeln.
Der wichtigste Arbeitsschritt des experimentellen Teils des Arbeitsbereiches C bestand in der
Durchführung und Auswertung der Dauerstandversuche zur Untersuchung des Einflusses des
Wechselklimas auf das Bauteil Bogenträger und den Effekt der Maßnahmen zur Reduzierung der
feuchtebedingten Lasten.
Wie in der Darstellung der Ergebnisse des Arbeitsbereiches B bereits aufgeführt, wurden pro
Versuchsserie drei vollmaßstäbliche Bauteile in die Prüfstände eingebaut und mittels
halbautomatischer pneumatisch / hydraulischer Vorrichtungen mit 60% der mittleren
Kurzeitbruchlast beansprucht. Hierbei war es für die Systematik der Versuchsdurchführung hilfreich,
dass sich aus den Ergebnissen der Referenzuntersuchungen an Bogenträgern mit innenliegenden
Schraubverstärkungen keine Erhöhung der mittleren Kurzzeitfestigkeit gegenüber dem Mittelwert
der Prüfkörper ohne Verstärkungsmaßnahmen ergeben hatte. Somit wurden alle
Dauerstandprüfungen mit dem (nominell) gleichen Lastniveau durchgeführt. Während des
Projektzeitraumes wurden nacheinander zwei Dauerstandserien mit einer Gesamtprüfzeit von ca. 1
Jahr geprüft.
Pro Prüfserie wurde ein Prüfkörper ohne jede Vorbehandlung eingebaut, ein Prüfkörper wurde
mittels 2-fachem Anstrich mit dem Produkt „Hirnholzversieglung“ behandelt und ein Prüfkörper
wurde – entsprechend den Vorgaben der DIN 1052:2008 und den vorangegangenen
Referenzversuchen – mit innenliegenden Vollgewindeschrauben versehen.
Es wurde eine Last aufgebracht, die 60% der mittleren Kurzzeitfestigkeit der Referenzprüfkörper
entsprach. In der Mitte der Trägerlängsrichtung wurden die Dauerstandprüfkörper – entsprechend
den Referenzprüfkörpern – mit jeweils 7 Dehnungsmessstreifen (auf beiden Trägerseiten) bestückt.
Bei dem Prüfkörper mit den innenliegenden Verstärkungen wurden weitere 2 mal 3
Dehnungsmessstreifen entlang einer Linie zwischen den Verstärkungselementen angebracht.
Zusätzlich zu den Dehnungsmessungen wurden die Kräfte der 6 Hydraulikkolben mittels kalibrierter
Drucksensoren und die 3 Mittendurchbiegungen gemessen. Alle 57 parallel erfassten Messwerte
werden kontinuierlich mittels rechnergestützter Vielstellenmessanlagen aufgezeichnet und
gespeichert. Mittels an den Hirnholzenden versiegelten Begleitproben wurde die Holzfeuchte durch
elektrische Widerstandsmessungen und Wägung der Kontrollabschnitte bestimmt.
Nach einer einwöchigen Startphase bei konstant niedriger Luftfeuchte (Klima: 20°C, 35% R.L.) wurde
die Klimakammer mit einem dreitägigen Zwischenschritt bei 20°C und 65% R.L. auf eine hohe
Luftfeuchte mit 20°C und 90% R.L. umgestellt (identisch zu dem im Arbeitsbereich B angegebenen
Klima).
Abb. 40 zeigt für die erste Versuchsserie den tatsächlichen zeitlichen Verlauf der – nominell
konstanten – Lastaufbringung durch die halbautomatisch Pneumatik- / Hydraulikanlage. Es ist zu
erkennen, dass die Lasten mit einer Genauigkeit von besser als +-5% konstant gehalten werden
konnten.
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
6.9.2011
Seite 41 von 57
Abb. 41 zeigt den Verlauf der Mittendurchbiegungen. Hier ist – wie auch aus dem Lastdiagramm – zu
erkennen, dass zwei der 3 Prüfkörper (der beschichtete Bogenträger und der Bogenträger ohne
Behandlung) bereits 6 bzw. 12 Tage nach dem Befeuchtungsschritt gebrochen sind. Das Versagen
kündigt sich in beiden Fällen in der Mittendurchbiegung erst wenige Stunden vor dem endgültigen
Bruch an. Bis ca. 1 Tag vor dem Versagen zeigte die Mittendurchbiegung einen unauffälligen Verlauf.
Der Träger mit innenliegenden Verstärkungselementen versagt wesentlich später als die beiden
anderen Konfigurationen nach 91 Tagen. Hierbei ist eine stetig zunehmende Mittendurchbiegung,
jedoch ebenfalls ohne größere Nichtlinearitäten zu erkennen. Die maximale Mittendurchbiegung vor
dem Bruch unterscheidet sich für alle drei Konfigurationen nicht wesentlich.
Die vergleichende Auswertung der Dehnungsmessungen (Abb. 26 in Abschnitt II.B und Abb. 42 ) an
den beiden frühzeitig gebrochenen Trägern mit und ohne Beschichtung zeigt übereinstimmed bereits
3 bis 4 Tage vor dem Bruch deutliche Unstetigkeiten und eine zeitweise exponentielle Zunahme der
Dehnungen im direkten Bruchbereich. Bei den Messtellen, die nicht im planmäßig hoch Querzug-
beanspruchten Bereich nahe der halben Trägerhöhe liegen, ist dagegen eine nahezu ungestörte
Dehnungsentwicklung zu beobachten.
Der Vergleich zwischen Durchbiegungs- und Dehnungsmessungen und die Betrachtung der
Dehnungsverteilung über die Zeit zeigen, dass das Bruchgeschehen auch im Dauerstandversuch unter
Wechselklimabedingungen auf einen engen Bereich begrenzt bleibt. Dieses Verhalten ist für
dehnungsentfestigende Materialien wie Holz – insbesondere bei Schub- oder Querzugbeanspruchung
– ein typisches Kennzeichen.
Die Dehnungsentwicklung des verstärkten Trägers, dargestellt in Abb. 43, zeigt dagegen ein völlig
anderes Verhalten: Hier ist insbesondere im Bereich nahe der halbe Trägerhöhe eine kontinuierliche,
teilweise deutlich nichtlineare Zunahme der Dehnung über mehrere Monate hinweg zu beobachten.
Die Dehnungen erreichen dabei sehr hohe Werte, die nur durch innenliegende, durch die
Verstärkung überbrückte Risse nahe der Querschnittsmitte zu erklären sind. Insgesamt ist das
Versagensverhalten, mit Ausnahme des letztendlichen spröden Bruches, als global eher duktil zu
beschreiben.
Bei der zweiten Versuchsserie ergaben sich im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse wie bei den
oben im Detail vorgestellten Ergebnissen der ersten Serie. Die Zeiten zum Versagen betrugen für den
beschichteten und den unbeschichteten Träger 10 bzw. 23 Tage ab dem ersten Befeuchtungsschritt.
Der verstärkte Träger zeigte bis zum Projektende bei einer Standdauer von mehr als 130 Tagen kein
Versagen.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass bei einer Last, die nur 60% des Referenz-Festigkeitswertes
beträgt, bereits nach ca. 1-3 Wochen starker Befeuchtung so starker Feuchtegradient aufgetreten
sind, dass bei allen 4 Prüfkörpern ohne Behandlung bzw. mit nominell diffusionshemmender
Beschichtung ein frühzeitiges Versagen eingetreten ist. Die verwendete Beschichtung bei 2 der
Träger hat den Feuchtegradienten offensichtlich nicht wirksam vermindert.
Die Verstärkung mittels innenliegender Vollgewindeschrauben bewirkt trotz eines außerordentlich
geringen gewählten Bewehrungsgrades, der kaum eine Erhöhung der Kurzzeitfestigkeit zur Folge
hatte, eine erhebliche Verlängerung der Bauteil-Lebensdauer und ist daher – jedenfalls für den
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
6.9.2011
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Feuchtewechsel zu höheren Feuchten – als wirksame Maßnahme zur Verringerung der Feuchtelasten
bzw. ihrer tragfähigkeitsrelevanten Folgen anzusehen.
Durch Anwendung des im Arbeitsbereich B entwickelten Finite-Element-Modell wurde rechnerisch
nachvollzogen, dass sich bei der Befeuchtung, die zu Spannungskonzentrationen nahe der
Querschnittsmitte führt, eine effektive Lastumlagerung auf die Verstärkungselemente stattfinden
kann. Die lokalen Spannungen sind jedoch trotzdem höher als die üblicherweise anzusetzenden
Werte für die Querzugfestigkeit, so dass sich nach dieser Modellrechnung trotz der Verstärkungen
lokale, von außen nicht sichtbare Risse bilden können. Diese Schlussfolgerung aus dem
Rechenprogramm wird durch die empirisch beobachteten sehr hohen Dehnungen an der Oberfläche
(ohne sichtbare Rissbildung) bestätigt.
Aus der Modellierung ergibt sich jedoch auch die Vorhersage, dass die innenliegenden Verstärkungen
bei einem deutlichen Trocknungsschritt, wie er in beheizten Innenräumen zu Beginn der Heizperiode
häufig vorkommt, als weniger effektive Maßnahme zur Reduzierung der Feuchtelasten bzw. zur
Erhöhung der Bauteil-Lebensdauer anzusehen sind. Aus der Modellierung ergibt sich, dass bei einem
Trocknungsgefälle von ca. 6-8% trotz einer gewissen Schutzwirkung der Verstärkungselemente, die
ein plötzliches Versagen evtl. verhindern, deutlich sichtbare Risse an der Oberfläche auftreten
werden.
Als Ergebnis des Modellierungsteils des Arbeitsbereiches C stehen nunmehr Instrumente zur
Bewertung von innenliegenden Verstärkungen in Brettschichtholzbauteilen und ihre Wirkung auf
feuchtebedingte Spannungsfelder zur Verfügung.
Aus den Modellierungsergebnissen und den empirischen Daten wurden Empfehlungen zur
Verringerung feuchtebedingter Lasten durch innenliegende Verstärkungen abgeleitet, die in den
Prozess der europäischen Normung einfließen werden und den interessierten Fachkreisen zugänglich
gemacht werden.
Hinsichtlich der Beschichtungssysteme wurde durch den Kontakt mit Herstellern von Beschichtungen
für nichttragende Holzbauteile (z.B. Fenster und Türen) der Hinweis auf neue verbesserte
Beschichtungsrezepturen erhalten. Abb. 44 (Graphik basierend auf einer Herstellerinformation)
verdeutlicht den Entscheidungsbaum zur Wahl eines geeigneten Beschichtungssystems. Während
lösungsmittelhaltige Beschichtungen trotz sehr guter Eigenschaften (auch hinsichtlich genau
einstellbarer Diffusionseigenschaften) aufgrund gesundheitlicher Aspekte in der heutigen
industriellen Praxis praktisch kaum mehr zur Anwendung kommen, sind emulgierte Alkydharze
wegen langer Trocknungszeiten für den industriellen Einsatz ebenso ungeeignet. Es bleiben praktisch
nur die Acrylate auf Wasserbasis als heute nahezu einheitlich verwendete Klasse von
Beschichtungssystemen übrig. Auch die im bei den Dauerstandversuchen verwendeten, wenig
effektiven Systeme gehören, wie auch die von anderen europäischen Partner getesteten Produkte zu
dieser Klasse.
Bei genauerer Betrachtung gibt es aber in dieser Klasse hinsichtlich der speziellen Rezeptur
offensichtlich erhebliche Unterschiede, wobei es bei der Verwendung von hochwertigeren
sogenannten „Reinacrylaten“ zu einer besseren Vernetzung der Feststoffe nach dem Auftrag und der
Trocknung kommt. Dies kann zu einer allgemein besseren Oberflächenbeschaffenheit und
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
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insbesondere auch zu gezielt einstellbaren Diffusionseigenschaften führen. Bei ausreichender
Schichtdicke können sodann prinzipiell auch wirksame Diffusionsbarrieren erzielt werden.
In einer Studie, die am Ende der Projektlaufzeit durchgeführt wurde, ist dieses prinzipiell vorteilhafte
Verhalten von wasserlöslichen Reinacrylaten experimentell nachgewiesen worden: Abb. 45 zeigt die
Feuchtezunahme von mehreren an den Seitenflächen mit unterschiedlichen Beschichtungssystemen
versiegelten Probekörpern aus Brettschichtholz. Während die herkömmlichen Beschichtungssysteme
nur eine sehr geringe bis nahezu verschwindende diffusionsregulierende Wirkung aufweisen, zeigt
das auf einem Reinacrylat basierende System eine, abhängig von der Auftragsmenge, deutliche
diffusionsbehindernde Wirkung, die jedoch gegenüber Versiegelungen z.B. mit einer Folie immer
noch als moderat zu bezeichnen ist.
Als Ergebnis dieser letzten Untersuchungen zu den Beschichtungssysteme innerhalb des
Forschungsprojektes lässt sich festhalten, dass
- handelsübliche Beschichtungssysteme für tragende Bauteile auf der Basis üblicher
wassergelöster Acrylharze keine ausreichende Wirkung für eine gezielte Diffusionshemmung
besitzen,
- die Klasse der wasserlöslichen Reinacrylate, wie sie teilweise für Fenster und Türen
eingesetzt werden – bei ausreichender Auftragsmenge – ein gewisses Potential für eine
Diffusionsregulierung besitzt und dass
- hinsichtlich einer optimierten und wirtschaftlichen Anwendung der Reinacrylate noch
erheblicher Forschungsbedarf besteht.
3 screws (ø=8mm)3 screws (ø=8mm)
Abb. 31 Aufbau der im Querzugbereich mittels innenliegender Stahlschrauben verstärkten
Brettschichtholz-Bogenträger
Schlussbericht FKZ 0330822A
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strain gaugesat the vicinity
of the screw
strain gaugesbetween the screws
Abb. 32 Prinzipskizze zur Anordnung der Dehnungsmessstreifen im Bereich der
Querzugverstärkungen
Abb. 33 Photographie der Dehnungsmessstreifen im Bereich der Querzugverstärkungen
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
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Abb. 34 Bruchbild (Gesamtansicht) eines verstärkten Bogenträgers im Referenz-
Kurzzeitversuch
Abb. 35 Bruchbild (Detailansicht des Schrauben-Auszugsversagens) eines verstärkten
Bogenträgers im Referenz-Kurzzeitversuch
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Abb. 36 Vergleich der Querzugfestigkeiten mit und ohne innenliegende Schraubenverstärkung
0
0,25
0,5
0,75
1
0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20
Maximum stress perp. to grain [MPa]
cu
mu
lati
ve
fre
qu
en
cy
[--
]
Schlussbericht FKZ 0330822A
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a)
b)
Abb. 37 Lastabhängige Verteilung der Querzugdehnungen in Richtung der Trägerhöhe entlang
einer Linie in der Mitte zwischen zwei Verstärkungselementen (a) und entlang der
Linie einer Schraube (b)
0
500
1000
1500
2000
0 100 200 300 400 500 600 700
Distance from lower edge [mm]
Str
ain
[ °m
/m]
0,30 N/mm2
0,40 N/mm2
0,50 N/mm2
0,60 N/mm2
0,70 N/mm2
0,80 N/mm2
0,85 N/mm2
0
500
1000
1500
2000
0 100 200 300 400 500 600 700
0,30 N/mm2
0,40 N/mm2
0,50 N/mm2
0,60 N/mm2
0,70 N/mm2
0,80 N/mm2
0,85 N/mm2
Strain gauges
between screws
Strain gauges next to
one screw
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
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0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500 600 700
Distance from lower edge [mm]
Strain
[
m/m
]
Strain distributionsat 0.3 N/mm2 (SL = 35%)
with reinforcement(screws)
without reinforcement
(screws)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500 600 700
Distance from lower edge [mm]
Strain
[
m/m
]
Strain distributionsat 0.3 N/mm2 (SL = 35%)
with reinforcement(screws)
without reinforcement
(screws)
Abb. 38 Vergleich der mittleren Dehnungsverteilungen entlang der Trägerhöhe (im elastischen
Bereich) für verstärkte und nicht verstärkte Bogenträgerbereiche
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
13.0
14.0
15.0
0 100 200 300 400 500 600
Mean Moisture Content [%]
Tim
e [
h]
tape
no coating
end grain sealing
coating 1
coating 3coating 2
Abb. 39 Vergleich der diffusionsbehindernden Wirkung verschiedener marktüblicher
Beschichtungssysteme
Schlussbericht FKZ 0330822A
Improved Moisture
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0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 500 1000 1500 2000 2500
Time [h]
Loa
d [
kN
]
FractureFracture Fracture
RH=
35% 65
%
90%
Abb. 40 Zeitlicher Verlauf der (nominell konstanten) Last für eine der
Dauerstandversuchsserien
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
0 500 1000 1500 2000 2500
Time [h]
Defle
ctio
n [
mm
]
reinforced beam
"coated" beam
beam without treatment
RH=
35% 65
%
90%
Abb. 41 Zeitlicher Verlauf der Mittendurchbiegungen für Brettschichtholzbauteile mit und
ohne Maßnahmen zur Verringerung der Feuchtelasten bei Dauerlast und einem
Feuchtesprung
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2000
4000
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8000
10000
12000
0 500 1000 1500 2000 2500Time [h]
Str
ain
pe
rp.
to g
rain
[u
m/m
]
10
12
9
11
8
13
7
RH=
35% 65
%
90%
Abb. 42 Zeitlicher Verlauf der ortsaufgelösten Dehnungsentwicklung nach einem
Feuchtesprung für ein Bauteil mit herkömmlicher Feuchtebeschichtung
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 500 1000 1500 2000 2500
Time [h]
Str
ain
perp
. to
the
gra
in [
um
/m]
10
12
9
11
8
7RH=
35% 65
%
90%
Abb. 43 Zeitlicher Verlauf der ortsaufgelösten Dehnungsentwicklung nach einem
Feuchtesprung für ein Bauteil mit innenliegender Schraubenverstärkung
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Abb. 44 Prinzipdarstellung der verfügbaren Beschichtungssysteme und der Vorteile von
Reinacrylaten (Darstellung übernommen von einem KMU-Beschichtungsmittel-
Hersteller)
10
11
12
13
14
15
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17
18
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Zeit [Tagen]
Mittlere
Feu
chte
[%
]
Herkömmliche
Beschichtungssysteme
100 bzw. 200 ml/m2
ohne Beschichtung
neues Beschichtungssystem:
100 ml/m2
200 ml/m2
300 ml/m2
Abb. 45 Vergleich der Effizienz herkömmlicher Beschichtungssysteme mit einem neuen
Beschichtungssystem auf Basis von Reinacrylaten
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II.C.3. Bewertung
Im Arbeitsbereich C wurde eines der Hauptziele des gesamten Forschungsprojektes verfolgt: die
Reduzierung feuchtebedingter Spannungen und die entsprechende Verringerung von
Tragfähigkeitsabminderungen auf der Bauteilebene.
Betrachtet man nur den Erfolg der untersuchten Methoden, so ist eine teilweise Erreichung dieses
Hauptzieles festzustellen: Es stellte sich bei den Hauptserien der experimentellen
Dauerstanduntersuchungen heraus, dass eine der gewählten Strategien – die innenliegende
Verstärkung von Brettschichtholzquerschnitten mittels selbstbohrender Vollgewindeschrauben –
eine erhebliche Erhöhung der Lebensdauer bewirkt, was umgekehrt als effektive Reduzierung der
feuchtebedingten Lasten zu beschreiben ist. Dieses Ergebnis ist experimentell zunächst nur in Bezug
auf einen Befeuchtungsschritt empirisch vollständig nachgewiesen. In einer im Anschluss an das
Forschungsprojekt durchzuführenden – im Aufwand begrenzten – Zusatzstudie könnte die
Wirksamkeit der innenliegenden Verstärkungen im Falle einer starken Trocknung untersucht werden.
Sowohl die experimentellen Randbedingungen als auch die begleitenden rechnerischen Methoden
stehen als Ergebnis der Arbeitsbereiche B und C zur Verfügung.
Die Anwendung von nominell diffusionshemmenden Beschichtungssystemen zeigte im Gegensatz zu
den innenliegenden Verstärkungen nicht die gewünschte Reduzierung der Feuchtelasten. Die
Ineffektivität der in der Praxis verbreiteten und „bewährten“ Beschichtungsmittel im Hinblick auf
eine diffusionsregulierende Wirkung war eine überraschende Erkenntnis und trug somit – wenn auch
negativ – zu einem besseren Verständnis der Möglichkeiten zur Reduzierung von Feuchtelasten bei.
Es stellte sich im Rahmen des ERA-Net-Verbundprojektes heraus, dass diese Aussage nicht nur auf
die in Deutschland verbreiten Mittel, sondern auch auf andere in Europa gebräuchlichen
Beschichtungssysteme und auf alternative Mittel natürlicher Herkunft zutrifft und in diesem Maße
auch von keinem anderen Projektpartner vermutet worden war.
Mit Informationen von dritter Seite – aus dem Bereich der Beschichtung nichttragender
Holzelemente – wurde am Schluss des Projektes eine Klasse von Beschichtungsmitteln identifiziert,
die sich hinsichtlich der diffusionshemmenden Eigenschaften als vielversprechend erwies, jedoch
nicht mehr systematisch für die Hauptserienversuche eingesetzt werden konnte. In diesem Punkt ist
demnach eindeutig weiterer Forschungsbedarf festzustellen.
Trotz einiger offener bzw. neuer Forschungsfragen wurden die wesentlichen Ziele des
Arbeitsbereiches C erreicht. Die für die Bemessungsnormen bzw. die industrielle Produktion
praktisch relevanten Ergebnisse (auch die negativen Ergebnisse hinsichtlich der verfügbaren
Beschichtungssysteme) wurden – in Zusammenhang mit den Ergebnissen aus dem Arbeitsbereich B –
bereits in den relevanten Fachgremien vorgestellt. Eine Einbringung bei der Überarbeitung der
europäischen Bemessungsnorm für den Holzbau (Eurocode 5)durch den Projektleiter ist vorgesehen.
Eine Veröffentlichung der Ergebnisse in Form eines wissenschaftlichen Zeitschriftenaufsatzes ist in
Vorbereitung (siehe Abschnitte II.E.2 und II.F).
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II.D. Zusammenfassung der Ergebnisse
In den drei Arbeitsbereichen A bis C wurden die wesentlichen Problemstellungen des
Forschungsprojektes von der Rissbildung im Material über die Feuchtelasten im Bauteil bis hin zur
Verringerung dieser Feuchtelasten behandelt und dabei die wesentlichen Ziele des Projektes
erreicht:
- Durch neu designte Prüfkörper und spezielle Versuchsanordnungen wurde das
bruchmechanische Verhalten von Holz und Holz-Klebefugen bei Querzug- und
Schubbeanspruchung unter Einwirkung wechselnder Feuchte charakterisiert und
Rechenmodelle zur quantitativen Erfassung dieses Verhaltens erstellt. Die Modelle wurden
anhand von empirischen Daten kalibriert und an unabhängigen Datensätzen validiert. Als
Ergebnis stehen sowohl neue experimentelle Datensätze zum Rissverhalten und
Wechselklimabedingungen als auch die notwendigen Modellierungswerkzeuge zur
Verfügung.
- Anhand des Beispiels von querzugbeanspruchten Bogenträgern wurde die Entstehung und
Auswirkung von feuchtebedingten Spannungen analysiert und entsprechende Finite-
Element-basierte Simulationsmodelle zur quantitativen Berechnung der äquivalenten
Feuchtelasten entwickelt. Die aus anderen Arbeitspaketen des Verbundprojektes zur
Verfügung stehenden komplex anzuwendenden 3D-Modelle wurden für den Übergang von
der Simulation zur Bemessung auf 2D-Modelle reduziert. Anhand vereinfachter
Beispielrechnungen und dem Vergleich mit den Ergebnissen des Versuchsprogrammes
wurden die Größenordnungen typischer Feuchtelasten als Vorschlag für neue
Bemessungsansätze in den nationalen und europäischen Bemessungsnormen abgeleitet.
- In einem experimentellen Programm mit Brettschichtholz-Bauteilen unter simultaner
Querzug-Beanspruchung aus äußerer Last und feuchtebedingten Spannungen wurden zwei
vielversprechende Strategien zur Verringerung von Feuchtelasten vergleichend untersucht.
Eines der beiden Verfahren, die Verstärkung durch innenliegende Vollgewindeschrauben,
konnte als geeignete Maßnahme qualifiziert werden. Der Mechanismus der Lastabtragung
wurde einerseits durch umfangreiche Dehnungsmessungen experimentell bestimmt und
andererseits anhand eines FE-Modells analysiert. Die zweite Strategie zur Verringerung von
Feuchtelasten – die Verringerung der spannungsinduzierenden Feuchtegefälle durch
diffusionshemmende Oberflächenbeschichtungen – erwies sich aufgrund der
unzureichenden Eigenschaften verfügbarer Beschichtungssysteme zunächst als untauglich.
Im Hinblick auf die Beschichtungs-Strategie konnten zwar keine konkreten positiven
Praxisempfehlungen erarbeitet werden; dagegen wurden aussichtreiche Lösungswege zur
Erzielung eines Erfolges durch die Verwendung neuer Beschichtungstechniken aufgezeigt und
die entsprechenden Forschungsfragen konkret formuliert.
Das Forschungsprojekt kann sowohl hinsichtlich der Zusammenarbeit mit den Verbundpartnern, der
Erreichung der wesentlichen wissenschaftlichen Ziele als auch hinsichtlich der für die Industrie
praxisrelevanten Ergebnisse als erfolgreich bezeichnet werden.
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II.E. Nutzung und Verwertbarkeit der Ergebnisse
II.E.1. Wissenschaftliche Verwertung
Die erwarteten Erkenntnisse des Forschungsprojektes werden voraussichtlich zu einem verstärkten
Einsatz von Verfahren zum Schutz geklebter Holzbauteile vor Feuchteeinflüssen bei den Herstellern
von geklebten Holzbauteilen führen. Es ist zu erwarten, dass hier insbesondere in der Praxis
verwendeten Verfahren zur Verstärkung feuchtegefährdeter Holzbauteile mit Stahlelementen
hinsichtlich Ihrer Zuverlässigkeit neu bewertet werden und somit einen größeren Einsatzbereich
bekommen. Die Einführung neuer Verfahren wird durch die Unternehmen der Holzleimbauindustrie
durchgeführt. Durch das Vorliegen belastbarerer empirischer Daten und validierten Modellen ist die
Aussicht der wirtschaftlichen Umsetzung durchaus als vielversprechend zu bewerteten.
Durch die in dem Projekt durchgängige enge Verbindung von rechnerischer Modellbildung mit
experimenteller Verifizierung ist eine sehr gute Ausgangsbasis für eine Verbesserung und
Neuentwicklung von Bemessungsmethoden für die Berücksichtigung feuchtebedingter Lasten
geschaffen worden. Es wird erwartet, dass die aus dem Projekt resultierenden verbesserten
Bemessungsregeln in absehbarer Zeit in die Praxis umgesetzt werden können.
Die wissenschaftlichen Ergebnisse des Forschungsprojektes gelangen bei der MPA Universität
Stuttgart und dem mit der MPA im Bereich Bauwesen verbundenem Lehrstuhl für Werkstoffe im
Bauwesen in ein Forschungsumfeld, in dem enge Verknüpfung der gewonnenen Erkenntnisse mit
Ergebnissen anderer Projekte möglich sind und – wenn notwendig – zu Ableitung neuer
weiterführender Forschungsfragen führen kann. So tragen die Ergebnissen des Projektes dazu bei,
gemeinsame materialübergreifende Strategien zur Erhaltung von zu entwickeln und somit den
inhaltlichen Schwerpunkt des Lehrstuhls auf dem Gebiet des Lebensdauermanagements zu stärken.
Die noch nicht vollständig zufriedenstellend gelösten Fragen zur Diffusionshemmung mittels
Beschichtungstechnologien hat bereits zu neuen Forschungs-Ansätzen geführt, die voraussichtlich in
naher Zukunft in Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen in einer Pilotstudie und nachfolgend in
einem angewandten Forschungsprojekt verfolgt werden sollen: Neben den am Schluss des Projektes
aufgezeigten Wegen für optimierte herkömmliche Beschichtungssysteme auf der Basis
wasserlöslicher Reinacrylate könnten die neuesten Entwicklungen der Methode der atmosphärischen
Plasmabehandlung von Oberflächen einen völlig neuer Ansatz zur Aufbringung sehr dünner, flexibler
und dabei effektiv diffusionshemmmender Beschichtungen darstellen. Kontakte mit einem auf dem
Plasmasektor sehr innovativ tätigen KmU sind bereits geknüpft und eine erste Vorserie zur
Machbarkeit der Beschichtungsaufbringung ist in Vorbereitung. Insofern hat auch das – zunächst als
negativ erscheinende – Ergebnis des Projektes hinsichtlich der Feuchtelastreduzierung durch
Beschichtungen zu einem deutlichen Erkenntnisfortschritt und weiteren Forschungsschritten geführt.
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II.E.2. Wirtschaftliche Verwertung und Nutzbarkeit
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes kommen zunächst der deutschen Holzleimbauindustrie zu
Gute, die momentan ca. 700-900 Mio. EUR jährlich umgesetzt und fast ausschließlich in kleinen und
mittleren Betrieben strukturiert ist:
• Über eine Veranstaltung des Technischen Beirats des Branchenverbandes
„Studiengemeinschaft Holzleimbau“ am 12.5.2011 wurden bereits die wichtigsten Ergebnisse
des Forschungsprojektes vorgestellt und Handlungsempfehlungen zur Optimierung des
Bauproduktes Brettschichtholz vorgelegt. Neben den an dieser Sitzung direkt beteiligten
Vertretern von ca. 20 mittelständischen Unternehmen werden durch den Branchenverband
die Informationen auch an die restlichen Mitglieder weiterverteilt.
• Zu den Empfehlungen gehört die Erkenntnis, dass die am meisten verbreiteten
Beschichtungssysteme im allgemeinen sehr gut in der Lage sind, flüssiges Wasser im
Bauzustand von den Holzbauteilen fernzuhalten, dass jedoch die diffusionshemmende
Wirkung (und damit der Schutz vor tragfähigkeitsmindernden Rissbildungen) nur
unzureichend ausgeprägt ist. Es wird empfohlen, für diffusionshemmende Beschichtungen
auf eine aus dem Fenster- und Türenbau bekannte Produktklasse (auf Basis von
Reinacrylaten) zurückzugreifen und auf ausreichende Schichtdicken zu achten.
• Die Ergebnisse der Untersuchen von innenliegenden Verstärkungen bestätigen im
Wesentlichen die derzeitigen – allerdings ausschließlich in Deutschland geltenden –
Regelungen für die konstruktive Verstärkung querzuggefährdeter Bauteile bzw.
Bauteilbereiche. Es ist vorgesehen, insbesondere auf Basis der vorliegenden empirischen
Absicherung diese Regelungen auf die europäische Bemessungsnorm Eurocode 5 zu
übertragen. Für die bevorstehende nächste Bearbeitungsperiode dieser europäischen
Holzbaunorm ist eine Einbringung der Erkenntnisse durch den Projektleiter z.B. im Rahmen
des nationalen Spiegelausschusses zum TC124 geplant.
• Durch die bereits durchgeführten bzw. geplanten Veröffentlichungen (z.B. auf der World
Timber Engineering Conference) der verschiedenen Projektpartner zu dem Thema „Feuchte
und Rissbildung in Holzbauteilen“ wird einer Fachöffentlichkeit vermittelt, dass diese im
Bereich Holzbau zu "Reizthemen" gewordenen Fragen fundamental wissenschaftlich
angegangen wurden. Mit den gefundenen Erkenntnissen und (Teil-) Lösungen kann eine
(begründete) Verbesserung des Images des Holzleimbaus und damit eine Chance auf eine
Verbesserung erreicht werden.
• Die MPA Universität Stuttgart kann in Ihrer eigenen gutachlichen Tätigkeit auf die neuen
Erkenntnisse zu den Zusammenhängen zwischen Feuchteänderungen, Rissbildungen und
geeigneten / nicht geeigneten Gegenmaßnahmen bei der Begutachtung von Schadensfällen
zurückgreifen. Es können dann in Einzelfällen zielgenauer die Ursache von Schäden benannt
und validierte Verbesserungs- / Sanierungsmaßnahmen empfohlen werden. Jeder positiv
gelöste Einzelfall, der z.B. nicht zu einem Gebäudeabriss, sondern zu einer kostengünstigen
Gebäudeertüchtigung führt, hat das Potential, das Bild des Holzleimbaus und damit auch des
Holzbaus ingesamt zu verbessern.
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• Als Zertifizierungsstelle für mehrere hundert Betriebe des Holzbaus (mit in der Regel
halbjährlicher Inspektion der Herstellwerke) wird die MPA Universität Stuttgart die
Erkenntnisse und Empfehlungen des Forschungsprojektes direkt an die einzelnen betreuten
Betriebe heranbringen und somit teilweise auch für eine unmittelbare Umsetzung sorgen
können. Ein besonders effektiver Verbreitungsweg ergibt sich auch durch die jährlich
stattfindenden Fachseminare (tw. für die zertifizierten Betriebe verpflichtend) an der MPA,
bei denen die neuen Erkenntnisse schon in die Unterlagen für die bevorstehende
„Schulungssaison“ eingearbeitet werden können. Die ca. 40 pro Jahr teilnehmenden Firmen
können somit über die intensive Schulung direkt mit den neuen Informationen versorgt
werden und diese unmittelbar in den Betrieben umsetzen.
• Durch die Lehrtätigkeit des Projektleiters am Lehrstuhl des „Institutes für Werkstoffe im
Bauwesen“ fließen die Projektergebnisse in das Curriculum der Studiengänge für Bauwesen
und Immobilientechnik ein. Hier werden im Prinzip alle am Standort Stuttgart ausgebildeten
zukünftigen Bauingenieure, nicht nur die auf Holzbau spezialisierten Ingenieure erreicht. Es
ist somit möglich, fundierte positive Informationen zur Verwendung des Werkstoffes Holz im
Bauwesen zu vermitteln und den teilweise traditionell vorhandenen Ressentiments
gegenüber dem natürlichen Rohstoff mit wissenschaftlichen Argumenten entgegenzutreten.
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II.F. Veröffentlichungen
Neben den offiziellen Veröffentlichungen der Hauptergebnisse des ERA-Net-Projektes in Form des
konsolidierten Abschlussberichtes, der auf den Programmseiten des Wood-Wisdom-Netzwerkes
verfügbar ist, wurden bzw. werden die Ergebnisse in folgender Form veröffentlicht:
Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Zeitschriften und Beiträge für Fachkonferenzen (teilweise
in Zusammenarbeit mit Projektpartnern des ERA-Net-Projektes):
Zagari G., Fortino S., Dill-Langer G. (2009) FEM simulation of crack growth in glulam by using a
3Dorthotropic-viscoelastic model and cohesive elements. Proc. ESMC , Lissabon
Mendicino A.L., Fortino S., Henning M., Dill-Langer G: (2010): A computational method for crack
growthin glulam under variable humidity. Proc. WCTE2010 conference, Riva del Garda, Italien
Aicher, S. (2010): Process Zone Length and Fracture Energy of Spruce Wood in Mode-I from Size
Effect. J. Wood Fiber Sc., Vol. 42(2), S. 237-247
Fortino S., Zagari G., Mendicino A.L., Dill-Langer G. (2011): FEM simulation of Mode I cohesive crack
growth in glued laminated timber under short-term loading. Structural Engineering and Mechanics
(eingereicht)
Vortrag vor Industrievertretern:
Dill-Langer, G., Aicher, S. (2011):Optimierung verklebter tragender Vollholzprodukte: Modellierung
und Verringerung feuchtebedingter Spannungen und Rissbildungen. Sitzung Tech. Beirat 12.5.2011
Studiengemeinschaft Holzleimbau, Fulda
Veröffentlichung in Vorbereitung:
Dill-Langer, G., Aicher, S.(2011): Mitigation of moisture induced stresses in curved glulam beams.
Holz als Roh. Werkst. , geplant
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