Fügung und Verstärkung von Brettschichtholzbauteilen mit ab initio eingeklebten Stahlblechlamellen

© Tragkonstruktionen Testaufbau für den Scher-Zug-Versuch

Im Ingenieurholzbau sind die Verbindungen der Bauteile in der Regel maßgeblich für die

Querschnittsdimensionierung. Aus diesem Grund zielt die Entwicklung der Holzkonstruktion auf eine Steigerung der Festigkeit und Steifheit in den Verbindungen ab. Im Vergleich zu mechanischen Verbindungsmitteln erreichen geklebte Verbindungen deutlich höhere Festigkeiten ohne Schwächung des tragenden Querschnittes oder auch Versagen durch Holzsplittung von Nagel- und Schraubverbindungen.

Abgesehen von verleimten Eck- und Längsverbindungen für Holz-Holz-Konstruktionen wurden im Laufe der Zeit verschiedene Methoden von verleimten Stahllamellen in Holzkonstruktionen entwickelt. Einverleimte Stahlstäbe werden häufig zur puntförmigen Verstärkung und hochfesten Verbindungen von Holzkonstruktionen verwendet. Verleimte perforierte Stahllamellen werden als hochfeste Scherverbindungen in Holz-Beton-Konstruktionen verwendet und eigneten sich ebenso gut bei Holz-Holz-Konstruktionen. Die bevorzugten Klebstoffe für die Stahl-Holz-Verbindung sind 2-Komponenten Epoxid- oder Polyurethan-Klebestoffe wegen ihrer hohen Festigkeit und des Fugenfüllvermögen. Diese Verstärkungs- und Fügungsmethoden erfordern das Einbinden der Stahlelemente als zusätzlichen Arbeitsschritt in der Fertigung von Leimholzbau.

Der Lehrstuhl für Tragkonstruktionen der RWTH Aachen forscht, in Kooperation mit dem Institut für Baustoffe (ibac) und drei Industriepartnern, an der Entwicklung einer neuen Methode zur Fügung von Stahllamellen ab initio in den Leimholzproduktionsprozess. Diese Methoden können während der Produktion Synergien erzeugen und ermöglichen die Verwendung von Klebestoffen wie z.B. ein 1K-PUR-Klebestoff, welcher Druck während des Aushärtungsprozesses erfordert. Die eingebundenen dünnen Stahllamellen dienen als punktförmige Verstärkung zur Festigkeitserhöhung von Dübel- und Schlitzblechverbindungen und ermöglichen so hochwirksame Leimholzgelenke.

© Tragkonstruktionen Versagen und Maximalzugkraft von verschiedenen Stahl-Holz-Kombinationen bei den Versuchen

Für die Auswahl geeigneter Stahl-Klebestoff-Kombinationen zur ab initio Einbringung der Stahllamellen in den Leimholzbau, wurden verschiedene Arten von Stahllamellen und Klebestoffen bewertet bezüglich Festigkeit, Aushärtung, Oberflächenbehandlung vom Stahl, Korrosionswiderstand und Kosten.
Für die Tests stellte Jowat SE drei verschiedene Klebestoffe zur Verfügung: ein 2K-Epoxyd (EP), ein 1K-Polyurethan (PUR) und ein 2K-Emulsion Polymer Isocyantate (EPI), während zum Vergleich ein Melanin Harnstoff Formaldehyde Klebestoff (MUF) für Leimholzbau getestet wurde. Die Stahlblätter sind aus standardmäßigem kalt-gewalzten S235 mit nichtbehandelter, sandgestrahlter, galvanisch verzinkt und brandverzinkter Oberfläche und A2 Edelstahl mit nichtbehandelter und sandgestrahlter Oberfläche. Alle Kombinationen der Klebestoffe und der Stahlblätter wurden getestet mit fehlerfreien Holzproben aus Fichte der Klasse C24. Der Versuchsaufbau wird in Abbildung 1 gezeigt.
Nach dem Reinigen der Stahlblätter mit Ethyl-Acetat werden die Stahl-Holz-Proben zusammengeklebt und mit Zwingen zusammengepresst bis der Klebstoff ausgehärtet ist. Vor dem Versuch werden die Proben eine Woche bei normalem Klima gelagert. Das Ergebnis des Scher-Zug-Versuchs ist in Abbildung 2 dargestellt.

Der PUR Klebestoff erreichte die höchsten Scher-Zug-Werte, außer in Kombination mit rohem Stahl und sendzimir-verzinktem S235. Der EP Klebstoff wies eine gute Bindung zu allen Metalloberflächen und hohe Scherkräfte auf, während der EPI Klebstoff anfällig für Klebstoff-Metall-Versagen war und dadurch die niedrigsten Scherkräfte erreichten. Bei weiteren Versuchen der beiden Klebstoffe konnte eine deutliche Scherkraftsteigerung durch Vorbehandeln der Stahloberfläche mittels einer Grundierung erreicht werden. Die Scherkraft des MUF Klebstoffs lag unter den Werten des EPI mit einem hohen Prozentsatz an Metall-Klebstoff-Versagen.
Für die nachfolgenden Testreihen war mit den Projektpartnern vereinbart, vorwiegend galvanisch verzinkten Stahl zu verwenden, da er gute Hafteigenschaften in den Scherversuchen mit Korrosionsschutz, einer einfachen Bearbeitung und Kosteneffizienz kombiniert. Sandgestrahlte und sedzimir-verzinkte Stahlblätter können als Alternativen verwenden werden. Edelstahl wurde aufgrund der hohen Kosten und der schwierigen Bearbeitung nicht weiter in der Auswahl aufgeführt. Es bleibt lediglich bei stark korossionsgefährdeten Umwelteinflüssen eine Alternative.

Aktuell werden einige Testreihen mit eingebundenen Stahlblechen und größeren Versuchsproben geführt, um den Einfluss verschiedenster Parameter auf das Tragfähigkeitsverhalten der Stahl-Holz-Verbindung zu testen. Für eine einfache Einbindung in die Leimholzproduktion wird eine Seite des Stahlbleches mit einem hochfestem Klebstoff bestrichen, während auf die andere Seite ein MUF Klebstoff aufgetragen wird. Im Zugversuch war zuerst eine Metall-Klebstoff-Versagen auf der MUF bestrichenen Seite, gefolgt von einem Holzabscheren auf der EP/PUR/EPI-bestrichenen Seite, zu beobachten. Die Haftung des MUF-Klebstoffes konnte durch auftragen einer dünnen Schicht EP Klebstoffs auf der Stahloberfläche verbessert werden. Vergleichsversuche mit Proben, bei denen die Stahlbleche auf beiden Seiten mit einem hochfesten Klebstoff bestrichen wurden, ergaben höhere Zugkräfte.
Der dünne Klebstofffilm bei der ab initio Bindungsmethode ergab, im Vergleich zur Einbringung der Stahlbleche in gesägte Schlitze, einen größeren Einfluss auf die Einbindungslänge, da die Spannungsspitzen mit der Länge ansteigen. Außerdem hat der Klebstofffilm virtuell keine plastische Verformung. Zur Verminderung der Spannungsspitzen sind Optimierungen der Blechgeometrie durch Experimente und numerischen Simulationen notwendig.

Zur Untersuchung der klimatischen Belastbarkeit und Alterung der Verbindung, müssen die Proben einer Behandlung gemäß EN 302-1 unterzogen werden. Für weitere Studien zur „duration of load“ (DOL) und Kriechvorgänge an der Verbindung, werden Langzeitversuche unter wechselnden klimatischen Bedingungen mit einer konstanten Belastung ausgeführt. Die ab initio Verstärkung wird dann im Produktionsprozess mit der Herstellung von Leimholzbauteilen in richtiger Größe getestet. 

Die ab initio Einbringung von Stahlblechen im Leimholzbau, welche in einem laufenden Forschungsprojekt im Lehrstuhl für Tragkonstruktionen geprüft werden, zielt auf die Entwicklung einer herstellungsintegrierten Verstärkungsmethode für hoch-tragfähige Verbindungen im Brettschichtholzbau. Verschiedene Kombinationen von Klebstoffen und Stahlblechen wurden bewertet im Bezug auf Tragverhalten der Verbindung, aber auch auf Kosteneffizienz und Handhabung. In weiteren Versuchsreihen und numerischen Simulationen werden einfließende Faktoren auf das Tragverhalten der Verklebung, wie etwa Geometrie, klimatische Einwirkungen, Langzeitbelastung und Herstellungsprozess untersucht, um Belastbarkeit und Dimensionierungsgrößen für die praktische Anwendung angeben zu können. Diese neue Verbindungsmethode mit ab initio eingeklebten Stahlblechen ermöglichen einseitige Verbindungen von großen Holzelementen mit hoher Belastung und einfacher Montage.

Das Projekt wird durch die Forschungsinitiative "Zukunft Bau" des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung gefördert.