Fachbeiträge & Interviews
Sonntag, 16. Mai 2021
Ausgabe 7209 | Nr. 136 | 20. Jahrgang
D.I.E. Baustatik Software - Einfach | Anders | Besser
Autor: Tilo Birk, Peer Haller
Herausgeber: Institut für Baukonstruktionen und Holzbau, TU - Dresden email-weiterempfehlendruckansicht

Textile Verstärkung von Holzbauteilen - Teil 1/3

# 22.07.2002

Das steife und spröde Verhalten unvergüteter Holzverbindungen lässt sich bereits mit geringem technologischem Aufwand erheblich verbessern. Eine Möglichkeit stellt dabei die Beschichtung und Verstärkung mit Hochleistungstextilien dar - In Teil 1 geht es um das Tragverhalten des Holz-Textil Verbundes die Zielstellung und Versuchsbeschreibung der Forschungsarbeit am TP C3

Abb. 1 - Probekörpergeometrie und Endabstände für die Zug- und Querdruckversuche nach DIN EN 383 Abb. 1 - Probekörpergeometrie und Endabstände für die Zug- und Querdruckversuche nach DIN EN 383

Aufgrund seiner Anisotropie und Inhomogenität ist Holz nur wenig zur Realisierung optimaler Anschlüsse geeignet. Verbindungen stellen Unstetigkeiten im Kraftfluss eines Tragwerkes dar und bestimmen wegen geringer Lochleibungs- und Querzugfestigkeiten des Materials zumeist die Dimensionierung von Holzbauteilen entscheidend mit. Das steife und spröde Verhalten unvergüteter Holzverbindungen lässt sich bereits mit geringem technologischem Aufwand erheblich verbessern. Eine Möglichkeit stellt dabei die Beschichtung und Verstärkung mit Hochleistungstextilien dar. Zielsetzung der Arbeit im TP C3 ist dabei die Untersuchung des Tragverhaltens solcher Verstärkungsstrukturen im Zusammenwirken mit stiftförmigen Verbindungsmitteln und die Dauerhaftigkeit des Verbundes zwischen Holz und Textil.

1 Tragverhalten des Holz-Textil-Verbundes

Abb. 2 - Verstärkungsstrukturen - Prinzipskizzen und textiltechnische Umsetzung Abb. 2 - Verstärkungsstrukturen - Prinzipskizzen und textiltechnische Umsetzung

1.1 Zielstellung

Der Baustoff Holz erlebte in den letzten Jahrzehnten einen spürbaren Aufschwung. Neben der Möglichkeit, Konstruktionsvollholz durch schichtartiges Verleimen in nahezu unbegrenzten Längen und Formen herzustellen, ist besonders die Weiterentwicklung von Verbindungen als wichtiger Grund dafür zu nennen, dass sich der Konstrukteur auch bei anspruchsvollen Hoch- und Ingenieurbauwerken in zunehmendem Maße dieses Materials bedient. Ein hoher Vorfertigungsgrad und große Präzision durch den Einsatz rechnergestützter Maschinen beim Bohren ließen Verbindungen mittels Stabdübel- oder Bolzengruppen im Zusammenwirken mit eingeschlitzten oder außenliegenden Stahlblechen zu den wohl wichtigsten Verbindungen im modernen Holzbau werden. Darüber hinaus ermöglichen diese Elemente das Erschließen von plastischen Reserven des Anschlusses, denn die zumeist aus Stahl gefertigten Verbinder haben eine erheblich höhere Verformbarkeit als das Holz. Die Lasteinleitung von den Verbindungsmitteln in das Grundmaterial ist allerdings problematisch. Im Holz können die Versagensmechanismen Lochleibungsversagen, Spaltbruch, Scherbruch und deren Kombination beobachtet werden.

Aufgrund der anisotropen Struktur des Holzes stellt vor allem die zweiaxiale Beanspruchung von Dübeln in momenten- oder querzugbeanspruchten Anschlüssen den Ingenieur vor Probleme, da derart belastete Dübel im Allgemeinen nicht mehr aufgrund des Überschreitens der zulässigen Lochleibungsspannung, sondern zumeist durch ein Aufspalten des Holzes im Bereich des Verbindungsmittels versagen. Dieser Form des Ausfalls kann aber zum Beispiel durch den gezielten Einsatz von Verstärkungen begegnet werden. Kraftflussgerechte textile Gelege vermögen die Richtungsabhängigkeit der Holzeigenschaften zurückzudrängen und führen zu einer Homogenisierung des Anschlusses. Positive Aspekte ihres Einsatzes sind neben dem verbesserten Tragverhalten ein deutlich duktileres Wirken des gesamten Anschlusses und ein erhöhtes Arbeitsvermögen der Verbindung.

1.2 Versuche

Abb. 3 - Versuchsanordnung für die Zug- und Querdruckversuche Abb. 3 - Versuchsanordnung für die Zug- und Querdruckversuche

1.2.1 Material und Probekörpergeometrie, Versuchsbeschreibung

Untersucht wurden im Handlaminierverfahren hergestellte Holz-Textil-Verbunde hinsichtlich des Verhaltens einzelner Verbindungsmittel unter Lochleibungsbeanspruchung längs und quer zur Faserrichtung des Holzes. Die gewählte Geometrie der Probekörper und die Versuchsanordnung folgt dabei den Empfehlungen in /2/. Anpassungen an die zur Verfügung stehende Prüfmaschine führten bei den Zugversuchen zu Abweichungen von den geforderten Endabständen. Die Probekörper wurden aus europäischer Fichte gefertigt. Eine im Labor durchgeführte Dichtebestimmung ergab eine mittlere Rohdichte im darrtrockenen Zustand von u 0% = 420 kg/m³ . Die eingesetzten Stabdübel wurden aus gezogenem Rundstahl ST 52 gefertigt. Der gewählte Dübeldurchmesser beträgt 25 mm. (Abb. 1)

Die Verstärkung der Proben erfolgte mit handelsüblichen Geweben. Außerdem kamen Gelege zum Einsatz, die in Zusammenarbeit mit Teilprojekt A1 entwickelt und durch Aufnähen von Rovingfäden (vgl. Tabelle 1) auf Mattenstrukturen mit geringem Flächengewicht gefertigt wurden. Dabei wurde versucht, den unterschiedlichen Versagensmechanismen Rechnung zu tragen und sowohl eine Erhöhung der Lochleibungsfestigkeit als auch eine Ertüchtigung des erwarteten Querzugversagens zu erreichen. Die entworfenen Strukturen wurden in Glas und Aramid gefertigt und mit Epoxidharz auf das Holz aufgebracht. Eine Auswertung der Prüfungen erfolgte bis jetzt nur für die Gewebe und Gelege in Glas und die Gewebe in Aramid, Carbon und Polyamid. Abb. 2 zeigt die Prinzipskizzen und textiltechnische Umsetzung der eingesetzten Verstärkungsstrukturen.

Abb. 4 - Aufnahmen der Infrarot-Kamera – Schädigungsentwicklung an einer bewehrten (oben) und unbewehrten (unten) Probe Abb. 4 - Aufnahmen der Infrarot-Kamera – Schädigungsentwicklung an einer bewehrten (oben) und unbewehrten (unten) Probe

Die Durchführung und Auswertung der Versuche sind in der DIN EN 383 geregelt. Die dort vorgeschlagene Belastung bis 40 % der erwarteten Traglast gefolgt von einer Ent- und erneuten Belastung bis zum Bruch führt zu einer Eliminierung von Setzungserscheinungen im Dübelgrund und linerarisiert damit die Last-Verformungs-Kurve. Der Krafteintrag geschieht bei den Zug- und Querdruckversuchen über zwei außenliegende Lasteinleitungsbleche, die eine Beobachtung des Bereiches vor dem Dübel während des Versuches zulassen, um mit den Kamerasystemen für die Photogrammetrie und die Infrarot-Thermographie Bilder für die Auswertung aufzeichnen zu können. Die Versuchsanordnungen sind in Abb. 3 dargestellt.

Der Einsatz der Infrarot-Thermographie dient dabei zur Erfassung der Schädigungsentwicklung während der Versuche. Die Aufnahmen der Wärmebildkamera lassen dabei eine genaue Indikation des Versagenszeitpunktes und –ortes zu. Mit dieser Methode kann eine Delamination zwischen Faser und Matrix bzw. ein Versagen des Verbundes zwischen Matrixmaterial und Holz sichtbar gemacht und die beobachtete Rissentwicklung zur Optimierung der Verstärkungsstrukturen ausgewertet werden. Die beiden oberen Aufnahmen in Abb. 4 zeigen die beginnende Schädigung des Faser-Matrix-Verbundes (1) und bei weiterer Laststeigerung und erfolgter Lastumlagerung auf die Holzschicht des Probekörpers die beginnenden Risse im Holz (2) an einer verstärkten, parallel zur Faser beanspruchten Probe. Der untere Teil der Abbildung zeigt ein ähnliches Verhalten für einen unbewehrten, quer zur Wuchsrichtung belasteten Probekörper. Auch hier folgen die entstehenden Risse der Holzstruktur. Trotz der Gemeinsamkeiten lassen beide Aufnahmen schon den grundsätzlichen Unterschied beider Beanspruchungen erkennen. Während bei den Zugversuchen der Versagensbereich unmittelbar vor dem Dübel liegt und sich nach dem Versagen des Laminates und der erfolgten Umlagerung der Kräfte auf das Holz die Energie sehr schnell in den entstehenden Riss entlädt, versagt die quer zur Faser belastete Probe am halben Dübelumfang infolge hoher Querzugspannungen. Beanspruchungen längs und quer zur Faser treten im Allgemeinen aber kombiniert auf und die Aufgabe besteht nun darin, Verstärkungsstrukturen zu entwickeln, die zum einen die Lochleibungsbeanspruchung des Holzes erhöhen und gleichzeitig die auftretenden Querzugkräfte vor bzw. neben dem Dübel aufzunehmen vermögen.

Tab. 1 - Materialeigenschaften der für die Verstärkungen eingesetzten Rovings (vgl. Abb. 2) Tab. 1 - Materialeigenschaften der für die Verstärkungen eingesetzten Rovings (vgl. Abb. 2)

Um einen Vergleich aller eingesetzten Strukturen zu ermöglichen, wurde für alle in Glas gefertigten Gelege ein konstanter Bewehrungsgrad gewählt. Das heißt, ausgehend von einer flächigen Beschichtung des Anschlusses mit einem Textilglas-Rovinggewebe GW 123-300 (Flächengewicht 300 g/m²) der Fa. GLASSEIDEN GmbH OSCHATZ wurde die Masse an einzusetzenden Verstärkungsfasern ermittelt und auf die beiden eingesetzten Rovingtypen umgelegt. Tabelle 1 zeigt die wesentlichen Eigenschaften des Materials.

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