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

Textile Verstärkung von Holzbauteilen - Teil 3/3

# 22.07.2002

Textile Verstärkung von Holzbauteilen - Teil 3 - Versuchsaufbau, Zwischenergebnisse und Ausblick

2 Dauerhaftigkeit des Holz-Textil-Verbundes

Tab. 4 - Versuchsparameter mit zu erwartendem Einfluss auf den Haftverbund Tab. 4 - Versuchsparameter mit zu erwartendem Einfluss auf den Haftverbund

Ziel der Versuche ist es, das Verhalten von Holz-Textil-Verbunden unter natürlicher und künstlicher Bewitterung über einen längeren Zeitraum zu untersuchen, um Abminderungs- sowie Vergleichsfaktoren für die Festigkeiten und zur Beurteilung der Qualität des Verbundes aufstellen zu können.

2.1 Versuchsaufbau und -durchführung

Die Haftfestigkeit des Laminates auf den Probenkörpern aus Fichtenholz wird mit dem Schälversuch nach ASTM 3167 – 95 ermittelt. Die Geometrie der Holzproben beträgt 375 x 100 x 20 mm, die der textilen Struktur ca. 500 x 110 mm. Die in den Versuchsreihen zu je 5 Proben berücksichtigten Parameter werden in Tabelle 4 (aus /1/) gezeigt. Außerdem werden Harz-Zusätze (UV-Additive), Vor- und Nachbehandlungsmittel (Haftvermittler, Schutzlacke) sowie Variationen bei den Flächengewichten der Textilien in die Untersuchungen mit einbezogen.

Abb. 8 - Bewitterungszustand und Prüfung einer Schälprobe Abb. 8 - Bewitterungszustand und Prüfung einer Schälprobe

Die Holzproben werden mit textilen Geweben und Gelegen in Kombination mit Kunststoffharzen auf der Oberfläche beschichtet. Dabei sind die Stirn- und Seitenflächen der Holzbretter mit einem Klebestreifen abgedeckt, damit ablaufende Klebstoffmatrix an den Rändern nicht zu einer Verfälschung der Haftfestigkeitswerte führt. Abschließend wird das überstehende Textil aufgerollt und für die Bewitterungsdauer auf der Rückseite der Holzprobe festgeklebt. Nach abgeschlossener Bewitterung der Probekörper im Freibewitterungsstand (Abb. 8) bzw. im Global-UV-Bewitterungsschrank werden diese mit einer Zugmaschine abgeschält. Die Probe wird dazu in die Abschälvorrichtung (Abb. 8) eingelegt und die überstehende textile Struktur in einem Spannblock fest fixiert. Bei einer Prüfgeschwindigkeit von 50 mm/min (Messung erfolgt weggesteuert) wird das Laminat über eine Walze abgeschält. Die dazu erforderliche Zugkraft wird aufgezeichnet. Um das Laminat von Beginn an gleichmäßig abschälen zu können, wird noch vor dem Beschichten ein ca. 5 cm breiter Kunststoffklebestreifen an einem Ende der Holzprobe aufgebracht. Die Schällänge reduziert sich damit auf 300 mm. Das Textil wird in der überwiegenden Anzahl der Schälversuche vollständig abgezogen. Das Protokoll eines jeden Versuches enthält ein Schäl-Diagramm (Abb. 9). Aus den Messwerten kann dann die Abschälarbeit als Kriterium des Verbundqualität ermittelt werden.

2.2 Zwischenergebnisse

Abb. 9 - Schälkraft-Diagramme Abb. 9 - Schälkraft-Diagramme

Da es sich bei den Untersuchungen um Langzeitversuche über mehrere Jahre handelt, liegen bisher nur Ergebnisse aus den Schälversuchen der unbewitterten und künstlich bewitterten Proben vor. Bisher wurden Laminate mit Textilien aus Leinen und Glasfasern kombiniert mit Epoxid, ungesättigtem Polyester (mit und ohne Haftvermittler) und Polyurethan geprüft. Dabei zeigte sich bereits nach wenigen Schälversuchen, dass die Schälkräfte innerhalb einer Versuchsreihe eine große Streuung aufweisen. Abb. 9 (oben links) zeigt das Diagramm eines Versuches mit einer mittleren Schälkraft von 163 N. Für den Prüfkörper derselben Reihe in Abb. 9 (oben rechts) beträgt diese dagegen nur 102 N. Außerdem schwanken die Messwerte auch innerhalb eines Versuches sehr stark um den Mittelwert. So sinkt die Schälkraft von ca. 150 N zu Beginn des Versuches auf etwa 50 N ab gegen Ende ab.

Diese Meßwertschwankungen haben verschiedene Ursachen. Zum einen ist Holz ein Rohstoff mit natürlichen Schwankungen seiner Eigenschaften. Das für die Probekörper verwendete Fichtenholz zeigte Abweichungen in seiner Rohdichte und der Lage der Jahrringe. Darüber hinaus haben Temperatur und Raumfeuchte einen Einfluss auf den Härtungsprozess sowie die Endfestigkeit der Klebstoffmatrix.

Die zyklisch auftretenden Hoch- und Tiefwerte der Schälkraft, wie sie besonders in den Schäl-Diagrammen von Geweben zu erkennen sind, haben ihre Ursache in dem wechselnden Abstand der Schußfäden. Vliesstoffe und Gewebe aus Fäden mit niedrigen tex-Zahlen weisen diese Schwankungen nicht in diesem Maße auf (Abb. 9 unten links). Ihr Abschälverhalten ist gegenüber derber Rovinggewebe deutlich gleichförmiger.

Tab. 5 - Auswertung der Schälkraft in Abhängigkeit vom verwendeten Harz und Textil (unbewitterte Proben; Stand 12/2000) Tab. 5 - Auswertung der Schälkraft in Abhängigkeit vom verwendeten Harz und Textil (unbewitterte Proben; Stand 12/2000)

Bei Textilien mit einem geringen Flächengewicht oder insbesondere bei Matten besteht die Gefahr, dass das Textil vor dem eigentlichen Abschälen zerreist. Hier ist eine nachträgliche Verstärkung (z. B. zusätzliches Gewebe) erforderlich. Weitere kritische Punkte sind der Faser-Matrix-Verbund und die Faserfestigkeiten. Die hohen Schälkräfte zu Beginn eines Versuches führen oft zum Abreisen des Textiles im Bereich des Übergangs von der ungetränkten Faser zum Laminat und damit zum Versuchsabbruch. Bei einem teilweisen Einreisen des Laminates während des Abschälens verringert sich die Schälkraft entsprechend der geringeren Abschälbreite (Abb. 9 unten rechts).

Ein guter Haftverbund führt zu hohen Kräften und damit zu einer Straffung des abgeschälten Gewebes. Wird die Schälkraft zu groß, kann sich das spröde Laminat nicht mehr gleichmäßig um die Walzen der Abschälvorrichtung legen. Das Laminat bricht an der Schälstelle. Dieser Umstand war besonders bei Proben zu beobachten, die einer Bestrahlung im Global-UV-Testgerät ausgesetzt waren. Durch die Versprödung der Kunststoffmatrix ließ sich das Laminat im Gegensatz zu den unbewitterten Proben nicht mehr abschälen. Das Phänomen der Verfestigung von Matrixsystemen unter UV-Einfluss nach Bestrahlungszeiten von 500 h bei gleichzeitiger Versprödung wurde bereits bei früheren Versuchen beobachtet /1/. Sind die Harze allerdings längere Zeit der UV-Strahlung ausgesetzt, kehrt sich dieser Effekt um und die Matrix verliert deutlich an Tragvermögen. Aus diesem Grund werden verschiedene Schutzmassnahmen für die Matrix und das Holz hinsichtlich ihrer Strahlungsempfindlichkeit untersucht.

Einen Auszug aus den bereits durchgeführten Schälversuchen gibt die folgende Tabelle 5. Sie zeigt die aus den Schäl-Diagrammen errechneten Mittelwerte der Schälkraft für verschieden Versuchsreihen.

3 Ausblick

Abb. 10 - Textiltechnische Umsetzung der Strukturen Abb. 10 - Textiltechnische Umsetzung der Strukturen

Die Ergebnisse der Versuche zeigen das in der Technologie der textilen Verstärkung von Holzbauteilen erwartete Potential auf. Neben dem Anstieg der Traglasten weisen die Anschlussbereiche noch weitere Vorteile auf. Ihr deutlich duktileres Verhalten und der Schutz des Holzes durch die Beschichtung sind wohl die wesentlichsten. Um die gewonnen Erkenntnisse im zweiten Teil des Förderzeitraums konsequent auch auf Dübelgruppen anwenden zu können, ist eine vertiefende Analyse des mechanischen Wirkens des einzelnen Verbindungsmittels unter Zuhilfenahme der Photogrammetrie nötig. Um die Datenbasis für die Versuche zur Dauerhaftigkeit weiter zu verbreitern und die Qualität der Probenherstellung zu erhöhen, werden andere Harzsysteme und Fertigungstechniken erprobt. Heißhärtende Harze erreichen nicht nur höhere Festigkeiten, sondern ihre Verarbeitung im Autoklaven unter erhöhten Druck- und Temperaturbedingungen hat auch technologische Vorteile. Längere Verarbeitungszeiten ermöglichen eine präzisere Applikation der textilen Halbzeuge auf der Probe.

Um eine Überführung dieser Technologie in die Praxis zu erreichen, müssen die für die Untersuchungen handwerklich gefertigten Strukturen durch textiltechnisch hergestellte abgelöst werden. Abb. 10 zeigt, wie man zum Beispiel mit Hilfe von Maschinen mit Multiaxial- oder Kettfadenversatzsystemen Gelege wie den Stern oder die Schlaufe abbilden kann. Dabei können Richtung, Anzahl und Art der abgelegten Fäden in weiten Grenzen variiert und somit den Erfordernissen angepasst werden.



Literatur:

  • /1/ Haller, P., Wehsener, - J. „Hochleistungsverbindungen aus faserbewehrtem Pressholz“, 2000, Abschlußbericht AiF Projekt (Nr. 11164 B / 1)
  • /2/ DIN EN 383 - „Holzbauwerke, Prüfverfahren – Bestimmung der Lochleibungsfestigkeit und Bettungswerte für stiftförmige Verbindungsmittel“, Deutsche Fassung 1993
  • /3/ EUROCODE 5 – Nationales Anwendungsdokument, 1995, Fachverlag der Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. Düsseldorf
  • /4/ Moser, K. „Faser-Kunststoff-Verbund: Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen“, 1992,VDI-Verlag GmbH Düsseldorf
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