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1. Internationale Holzbrückentage 2010
Ermüdungsbetrachtungen von hölzernen Strassenbrücken | Dr. L. Bathon, O. Bletz-Mühldorfer
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Ermüdungsbetrachtungen von hölzer-nen Strassenbrücken – Chancen und
Möglichkeiten der Holz-Beton-Verbundbauweise
Dr. Leander Bathon
Prof.
Hochschule RheinMain
Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen
Institut für Baustoffe und Konstruktion
Materialprüfanstalt & Labor für Holzbau Wiesbaden, Deutschland
Oliver Bletz-Mühldorfer
Dipl.-Ing.
Hochschule RheinMain
Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen
Institut für Baustoffe und Konstruktion
Materialprüfanstalt & Labor für Holzbau
Wiesbaden, Deutschland
1. Internationale Holzbrückentage 2010
Ermüdungsbetrachtungen von hölzernen Strassenbrücken | Dr. L. Bathon, O. Bletz-Mühldorfer
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1. Internationale Holzbrückentage 2010
Ermüdungsbetrachtungen von hölzernen Strassenbrücken | Dr. L. Bathon, O. Bletz-Mühldorfer
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Ermüdungsbetrachtungen von hölzer-nen Strassenbrücken – Chancen und
Möglichkeiten der Holz-Beton-Verbundbauweise
1. Grundlagen zur Ermüdung
Für Tragwerke, Tragwerksteile oder Verbindungen von Holzbrücken, die häufigen Span-
nungsänderungen ausgesetzt sind, ist gemäß DIN 1074:2006 [3] nachzuweisen, dass
kein Versagen oder größerer Schaden infolge von Ermüdung auftritt. Unter Ermüdung
versteht man dabei die in einem Werkstoff ablaufenden Veränderungen und Prozesse, die
bei veränderlichen und zeitlich wiederholt auftretenden Beanspruchungen auftreten und
im Laufe der Nutzungsdauer zu einer Funktionsuntüchtigkeit oder zum Versagen führen
können. Die Beurteilung des Ermüdungsverhaltens gehört zu den wichtigsten Kriterien in
den Grenzzuständen der Tragfähigkeit.
2. Ermüdungsnachweis gemäß DIN 1074:2006
Die Holzbrückenbaunorm DIN 1074:2006 thematisiert in Abschnitt 10 den Ermüdungs-
nachweis für Holz, Holzwerkstoffe und Holzverbindungen. Hierin heißt es:
(1) Für Tragwerke oder Tragwerksteile und Verbindungen, die häufigen Span-
nungsänderungen ausgesetzt sind, ist nachzuweisen, dass kein Versagen
oder größerer Schaden infolge von Ermüdung auftritt. Die Spannungsände-
rungen werden durch veränderliche Einwirkungen verursacht.
(2) Für Straßenbrücken ist ein Ermüdungsnachweis mit den Festlegungen nach
DIN-Fachbericht 101:2003-03, 4.6 zu führen.
(3) Ein vereinfachtes Nachweisverfahren ist in Anhang C angegeben.
(4) Für Geh- und Radwegbrücken ist üblicherweise kein Ermüdungsnachweis
erforderlich.
Der in DIN 1074:2006, Abschnitt C dargestellte vereinfachte Nachweis basiert dabei auf
einer ermüdungsrelevanten Einwirkung mit gleich bleibender Amplitude, welche gleich-
wertig die ermüdungswirksamen Einwirkungen des vollen Spektrums von Belastungsfäl-
len ersetzt. Die Spannungen und Kräfte infolge ermüdungswirksamer Einwirkungen dür-
fen am linear elastischen System berechnet werden. Die Nachgiebigkeit von Verbindun-
gen sollte dabei berücksichtigt werden. Ein Ermüdungsnachweis ist immer dann erforder-
lich, wenn das Verhältnis κ größer ist als in DIN 1074:2006, Tabelle C.1 angegeben. Das
Verhältnis κ wird dabei nach der in Tabelle 1 dargestellten Gleichung berechnet, wobei
anstelle der Bemessungsspannung auch die Bemessungskraft verwendet werden kann.
Tabelle 1: Berechnung des Verhältnisses
Formel Symbol Definition
d,max
maximale Bemessungsspannung infolge ermüdungs-
wirksamer Einwirkungen
d,minminimale Bemessungsspannung infolge ermüdungs-
wirksamer Einwirkungen
fk charakteristische Festigkeit
M,fat Teilsicherheitsbeiwert für Baustoffe für den Ermü-
dungsnachweis M,fat = 1,0
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Tabelle 2: Tabelle C.1 gemäß DIN 1074:2006
Bauteile und Beanspruchung Verhältnis
Holz- und Holzwerkstoffe
Druck parallel und senkrecht zur Faser 0,60
Biegung und Zug, Zug-Druck 0,20
Schub 0,15
Verbindungsmittel
(Lochspiel im Holz oder in HWS sollte vermieden werden)
Stiftförmige Verbindungsmittel (vorgebohrt) 0,40
Nägel (nicht vorgebohrt) 0,10
Andere (z.B. Dübel besonderer Bauart) 0,15
Aus den ermüdungswirksamen Einwirkungen werden anschließend ermüdungswirksame
Spannungen bzw. ermüdungswirksame Kräfte berechnet. Die ermüdungswirksamen Ein-
wirkungen aus Verkehr sollten aus den Projektvorgaben in Verbindung mit DIN-
Fachbericht 101 erhalten werden. Aus DIN-Fachbericht 101 sollten ebenfalls die Anzahl
der konstanten Schwingungsspiele je Jahr Nobs entnommen werden (siehe Abschnitt 4).
Für Einwirkungen mit konstanter Amplitude ist das Kriterium des Ermüdungsnachweises
gemäß DIN 1074:2006, Anhang C.3 wie folgt definiert:
Tabelle 3: Ermüdungskriterium nach DIN 1074:2006
Formel Symbol Definition
d,max
maximale Bemessungsspannung infolge ermü-
dungswirksamer Einwirkungen
ffat,d Bemessungswert der Ermüdungsfestigkeit
kfat Beiwert für die Festigkeitsminderung infolge der An-
zahl der Belastungszyklen
R
Beiwert für Schadensfolge
- beträchtliche Konsequenzen: = 3
- ohne beträchtliche Konsequenzen: = 1
a, b Ermüdungsbeiwert nach DIN 1074:2006, Tabelle C.2
tL Bemessungswert der vorgesehenen Nutzungsdauer
des Tragwerks in Jahren
Tabelle 4: Ermüdungsbeiwerte a und b gemäß Tabelle C.2 (aus DIN 1074:2006)
Parameter a b
Holzbauteile beansprucht auf:
- Druck parallel oder senkrecht zur Faser 2,0 9,0
- Biegung und Zug, Zug-Druck 9,5 1,1
- Schub 6,7 1,3
Verbindungen mit:
- stiftförmigen Verbindungsmitteln (vorgebohrt) und Dübeln bes. Bauart 6,0 2,0
- Nägeln 6,9 1,2
Für Brückenkonstruktionen in Holz-Beton-Verbundbauweise, die in der jüngeren Vergan-
genheit zunehmend in den Blickpunkt des Ingenieurholzbaus geraten sind, ist ein solcher
Ermüdungsnachweis ebenfalls zwingend erforderlich. Da bei Holz-Beton-Verbundbrücken
die Teilquerschnitte Holz und Beton in der Regel jedoch über spezielle Sonderverbin-
dungsmittel zusammengefügt sind (z.B. eingeklebte Streckmetalle, kreuzweise einge-
klebte Stahlstäbe, Dübelleisten, Kerven), sind die in DIN 1074:2006 genannten Nach-
weisansätze nicht immer direkt anwendbar.
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Einige Forschungs- und Entwicklungsvorhaben haben sich dieser Thematik in der letzten
Zeit angenommen und empirische Untersuchungen zur Ermittlung der Ermüdungsfestig-
keit von Verbindungsmitteln, die bei Holz-Beton-Verbundbrücken eingesetzt werden,
durchgeführt. Im Folgenden werden die aktuell vorliegenden Untersuchungsergebnisse
vorgestellt.
3. Dauerschwingversuch
Die Ermüdungsfestigkeit von Verbindungsmitteln im Holz-Beton-Verbundbau wird i.d.R.
über die Durchführung von Dauerschwingversuchen ermittelt. Die Grundlagen zu solchen
Dauerschwingversuchen sind in DIN 50100:1978 [4] beschrieben. Darin wird auch der so
genannte Wöhlerversuch erwähnt. Beim Wöhlerversuch handelt es sich um den wichtigs-
ten Versuch zur Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit. Hierbei werden mehrere identische
Prüfkörper in einer Prüfserie so lange periodisch schwingend beansprucht, bis entweder
ein Bruchversagen der Prüfkörper eintritt oder eine definierte Grenzlastspielzahl erreicht
wird. Die Beanspruchung wird am Beginn des Versuchs definiert und über die Dauer nicht
mehr verändert. Ein auf diese Art und Weise durchgeführter Versuch wird nach DIN
50100:1978 als Einstufen-Dauerschwingversuch bezeichnet.
Abbildung 1: Schwingbeanspruchung (aus [2])
Bei üblichen Schwingfestigkeitsuntersuchungen wird die Belastung in Form einer sinus-
förmigen Schwingbelastung mit einer bestimmten Mittelspannung aufgebracht. Die sinus-
förmige Lastaufbringung entspricht zwar nicht den realen Verhältnissen, bei denen in der
Regel hinsichtlich der Größe und der Regelmäßigkeit ungleichmäßige Beanspruchungen
auftreten – Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass Abweichungen vom sinusförmi-
gen Lastverlauf im Vergleich zu Änderungen der Lastgrenzen nur geringen Einfluss auf
das Werkstoffverhalten haben, wodurch diese idealisierte Lastaufbringung legitimiert
wird.
Beim Wöhlerversuch werden die Prüfkörper einer Prüfserie stets unter definierten Bean-
spruchungsverhältnissen getestet. Diese Beanspruchungsverhältnisse stellen nach Abbil-
dung 1 entweder eine konstante Mittelspannung m mit Variation der Spannungsamplitu-
de a oder ein konstantes Spannungsverhältnis zwischen Unterspannung u und Ober-
spannung o dar. Tabelle 5 zeigt die Beziehungen zwischen den einzelnen Parametern.
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Tabelle 5: Kenngrößen zur Beschreibung der Ermüdungsversuche (aus [2])
Kenngröße Einheit Definition
Oberspannung o N/mm² Betragsmäßige größere Spannung
Unterspannung u N/mm² Betragsmäßige kleinere Spannung
Mittelspannung m N/mm² m = ( u + o) / 2
Spannungsschwingbreite N/mm² = o - u
Spannungsamplitude N/mm² A = ( o - u) / 2
Spannungsverhältnis - = u / o
Im Allgemeinen wird beim Dauerschwingversuch noch zwischen Wechsel- und Schwellbe-
anspruchung unterschieden. Bei einer Wechselbeanspruchung wird die Probe innerhalb
eines Lastspiels sowohl auf Druck als auch auf Zug beansprucht. Bei Schwellbeanspru-
chungen treten entweder nur Zugbeanspruchungen oder nur Druckbeanspruchungen auf
(im Rahmen der später vorgestellten Untersuchungen wurden jeweils schwellende Druck-
scherbeanspruchungen aufgebracht).
Zur Auswertung der Versuchsergebnisse wird ein Wöhlerdiagramm erstellt (Abbildung 2).
Dabei wird in einer möglichen Darstellungsvariante die Anzahl der Schwingspiele N in
Abhängigkeit der Spannungsverhältnisse aufgetragen. Die Darstellung der Ergebnisse im
Wöhlerdiagramm erfolgt entweder im halb- oder doppelt-logarithmischen Maßstab. Im
Wöhlerdiagramm werden drei Festigkeitsbereiche bestimmt. Als Kurzzeitfestigkeit wird
ein Bereich definiert, bei dem das Bruchversagen der Prüfkörper bei einer Schwingspiel-
zahl N < 104 erfolgt. Der Bruchvorgang ist durch plastische Verformungen gekennzeich-
net. Der Bereich von N = 104 bis N = 106 - 107 Schwingspiele wird als Zeitfestigkeit be-
zeichnet. Die Wöhlerlinie weist in diesem Bereich eine stark fallende Tendenz auf. Als
Dauerfestigkeit wird dagegen ein Bereich definiert, der ab N = 106 - 107 Schwingspielen
gerade nicht mehr zum Versagen der Prüfkörper durch Ermüdung führt. Im Wöhlerdia-
gramm zeigt sich dies durch einen horizontalen Verlauf der Wöhlerlinie. Unterhalb des
der Dauerfestigkeit zugehörigen Lastniveaus kann ein Bauteil theoretisch beliebig viele
Schwingungen erfahren.
Das eingesetzte Material hat einen wesentlichen Einfluss auf die Dauerfestigkeit. So sind
in der Literatur Richtwerte für Grenzlastspielzahlen von N = 107 für den Werkstoff Stahl
oder N = 108 für Leichtmetalle zu finden. Einige Materialien besitzen zudem überhaupt
keine Dauerfestigkeit. Aluminium stellt ein Beispiel für einen Werkstoff ohne ausgeprägte
Dauerfestigkeit dar. Im Wöhlerdiagramm weisen solche Materialien keinen horizontalen
Verlauf der Wöhlerlinie auf. Es bleibt zu erwähnen, dass ein Wöhlerdiagramm jeweils
immer nur für ein Beanspruchungsverhältnis (konstante Mittelspannung oder konstantes
Verhältnis von Unterspannung zu Oberspannung) erstellt wird.
Abbildung 2: Idealisiertes Wöhlerdiagramm in halblogarithmischer Darstellung (aus [2])
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4. DIN-Fachbericht 101:2009 [5]
Um die oben genannten Schwingspielzahlen besser einordnen zu können, können die
Angaben und Empfehlungen des DIN-Fachberichtes 101:2009, der die Einwirkungen auf
Brücken regelt, herangezogen werden. Danach führt ein über eine Brücke fließender Ver-
kehr zu einem Spannungsspektrum, das Ermüdung herbeiführen kann. Das Spannungs-
spektrum hängt von den Achslasten, den Abmessungen der Fahrzeuge, dem Fahrzeugab-
stand, der Verkehrszusammensetzung und deren dynamischen Wirkungen ab. Für Ermü-
dungsnachweise soll eine Verkehrskategorie festgelegt werden, die die Anzahl der Fahr-
streifen mit LKW-Verkehr sowie die Anzahl der jährlichen LKW-Überfahrten berücksich-
tigt. Tabelle 6 zeigt eine Zusammenstellung der in DIN-Fachbericht 101:2009 genannten
Verkehrskategorien mit zugehörigen Spannungsspielen. Danach ergeben sich für örtliche
Straßen mit einem geringen LKW-Anteil jährlich Nobs = 50.000 Spannungsspiele. Für
Hauptstraßen mit geringem LKW-Anteil können jährlich Nobs = 125.000 Spannungsspiele,
für Straßen oder Autobahnen mit mittlerem LKW-Anteil bereits Nobs = 500.000 Span-
nungsspiele im Jahr sowie für Straßen und Autobahnen mit je zwei oder mehr Fahrstrei-
fen je Fahrtrichtung mit hohem LKW-Anteil sogar Nobs = 2.000.000 jährliche Spannungs-
spiele angesetzt werden. Bei einer angesetzten 40 jährigen Nutzungsdauer einer Brücke
ergeben sich somit Spannungsspiele von bis zu 80.000.000 Schwingspielen. Diese Über-
legungen verdeutlichen eindrucksvoll, weswegen ein Ermüdungsnachweis bei Brücken-
konstruktionen zwingend erforderlich ist.
Tabelle 6: Verkehrskategorien nach DIN-Fachbericht 101:2009
Verkehrskategorie Nobs je Jahr und je
LKW-Fahrstreifen
Gesamtschwingzahl
während einer
40jährigen Nutzung
Straßen und Autobahnen mit je
zwei oder mehr Fahrstreifen je
Fahrtrichtung mit hohem LKW-
Anteil
2.000.000 80.000.000
Straßen und Autobahnen mit
mittlerem LKW-Anteil 500.000 20.000.000
Hauptstraßen mit geringem
LKW-Anteil 125.000 5.000.000
Örtliche Straßen mit geringem
LKW-Anteil 50.000 2.000.000
5. Untersuchungen zum Verbindungsmittel „einge- klebte Streckmetalle“
An der MPA Wiesbaden wurden in einem vor Kurzem abgeschlossenen Forschungsvorha-
ben eingeklebte Streckmetalle’ als Verbindungsmittel für Holz-Beton-Verbundbrücken
untersucht. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen lag dabei in der Untersuchung des Er-
müdungsverhaltens. Hierbei wurden ca. 60 Holz-Beton-Verbundprüfkörper hergestellt
und in Dauerschwingversuchen getestet [2].
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Abbildung 3: Vorbereiteter Prüfkörper mit eingeklebtem Streckmetall vor dem Betonieren (aus [2])
Abbildung 3 zeigt exemplarisch einen im Rahmen dieser Untersuchungen eingesetzten
Prüfkörper während der Herstellungsphase (vor dem Einbringen der Mattenbewehrung
und des Betons). Der Holzquerschnitt bestand bei allen Prüfkörpern aus Brettschichtholz
der Sortierklasse GL24h mit Abmessungen b/h/l = 400/80/600 mm. Holzplattenelemente
und Betonquerschnitte wurden über ins Holz eingeklebte und in den Beton verankerte
unverzinkte Streckmetalle verbunden. Die Streckmetalle besaßen eine Höhe von 90 mm,
eine Breite von 2 mm sowie eine Länge von 400 mm. Sie wurden jeweils einreihig in eine
40 mm tiefe und 3,0 mm breite Nut in den Holzquerschnitten eingeklebt. In den Untersu-
chungen wurden u.a. zwei unterschiedliche Klebstoffsysteme für den Einklebevorgang der
Streckmetalle verwendet. Die Dicke des Betons lag bei 70 mm.
In Abbildung 4 ist ein in die Prüfmaschine eingebauter Holz-Beton-Verbundprüfkörper mit
applizierter Messtechnik dargestellt, der unter schwellender Druckscherbeanspruchung
getestet wurde. In den Versuchsreihen wurden Schwingspielzahlen von bis zu
10.000.000 Belastungen aufgebracht.
Abbildung 4: Prüfvorrichtung (aus [2])
Wesentliches Ziel der Versuche war es, die Beanspruchungen, die z.B. bei Brückenkon-
struktionen durch regelmäßige Überfahrten von Verkehrsmitteln (Lastkraftwagen, Perso-
nenkraftwagen) auftreten, im Rahmen der Untersuchungen zu simulieren. Bei solchen
Brückenkonstruktionen tritt eine Beanspruchung mit der Überfahrt auf. Sie fällt weg,
wenn die Überfahrt des Verkehrsmittels beendet ist. Eine Beanspruchung infolge eines
solchen Verkehrsmittels schwankt somit zwischen einem Minimalwert 0 und einem von
der Charakteristik des Verkehrsmittels abhängigen Maximalwert.
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Übertragen auf den Prüfkörper handelt es sich um eine Schwellenbeanspruchung mit ei-
ner minimalen Unterlast und einer maximalen Oberlast. Die einzelnen Holz-Beton-
Verbund-Bauteilversuche wurden unter einer Druckscherschwellenbeanspruchung gefah-
ren, d.h. die aufgebrachte Last befand sich zu jedem Zeitpunkt des Versuchs im Druck-
bereich. Die Frequenz der Lastaufbringung (sinusförmige Lastaufbringungsart), d.h. die
Anzahl der aufgebrachten Belastungen pro Sekunde betrug zwischen 2 Hz und 3 Hz, wo-
durch sich Versuchsdauern von bis zu 39 Tagen pro Versuchskörper ergaben. Die Ermitt-
lung des Ober- und Unterlastniveaus erfolgt unter Berücksichtigung eines gleich bleiben-
den Spannungsverhältnisses . In den Versuchsreihen wurde bei einem Großteil der
Prüfkörper ein Spannungsverhältnis von ≈ 0,09 angestrebt. Damit sollte das oben be-
schriebene Beanspruchungsverhalten aus einer Verkehrsbelastung simuliert werden, bei
dem nach einer maximalen Beanspruchung o die Entlastungsphase erfolgt, wobei u
Werte annimmt, die relativ nahe am Wert 0 liegen (nur Beanspruchungen infolge Eigen-
gewicht vorhanden). Zusätzlich wurde bei einem Teil der Versuche ein Spannungsver-
hältnis von = 0,50 gewählt. Aus dem Vergleich der Messergebnisse ließ sich eine
grundsätzliche Aussage zum Einfluss des Spannungsverhältnisses auf das Ermüdungs-
verhalten von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen mit eingeklebten Streckmetallen ablei-
ten.
In den durchgeführten Versuchen trat das Versagen stets im Streckmetall auf. Die Werk-
stoffe Holz und Beton sowie das jeweils eingesetzte Klebstoffsystem wiesen keine Ermü-
dungserscheinungen auf. Dieses Systemverhalten entsprach damit dem Systemverhalten
von Holz-Beton-Verbundprüfkörpern unter einer Kurzzeitdruckscherbeanspruchung, bei
dem ebenfalls das Streckmetall versagte.
Die aus den Dauerschwingversuchen ermittelten Bruchschwingspielzahlen in Abhängig-
keit des Oberlastniveaus sind für Holz-Beton-Verbundprüfkörper mit eingeklebten
Streckmetallen (Klebstoffsystem A bzw. Klebstoffsystem B) grafisch in Abbildung 5 auf-
getragen. Das Wöhlerdiagramm ist im halblogarithmischen Maßstab erstellt. Hierin sind
die drei Festigkeitsbereiche Kurzzeitfestigkeit, Zeitfestigkeit und angenommene Dauer-
festigkeit durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Werte bei N = 1 · 100 Schwingspiel
stellen die Bruchlasten Fmax der zugehörigen Kurzzeitdruckscherversuche dar. Grundsätz-
lich zeigt sich eine eindeutige Abhängigkeit zwischen aufgebrachter Oberlast und
Schwingspielzahl. Mit steigender Oberlast sinkt die die aufnehmbare Schwingspielzahl.
Deutlich erkennbar im Wöhlerschaubild sind die jeweils stark fallenden Tendenzen der
Bauteilwöhlerlinien im Bereich der Zeitfestigkeit. Ab einer erreichten Schwingzahl von N
= 2 · 106 Schwingspielen liegt ein nahezu horizontaler Verlauf der Bauteilwöhlerlinien
vor.
Abbildung 5: Einfluss des Klebstoffsystems auf die Bauteilwöhlerlinien, ≈ 0,09 (aus [2])
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Aus dem Wöhlerschaubild wird ersichtlich, dass das verwendete Klebstoffsystem das
Ermüdungsverhalten der Prüfkörper beeinflusst. Auf demselben Lastniveau treten Ermü-
dungsbrüche bei mit dem Klebstoffsystem A eingeklebten Streckmetallen bei geringeren
Schwingzahlen auf als bei mit dem Klebstoffsystem B eingeklebten Streckmetallen. Die
Wöhlerlinien für beide Klebstoffsysteme ähneln sich qualitativ im Verlauf, sind aber in
Abhängigkeit des aufnehmbaren Oberlastniveaus geringfügig gegeneinander versetzt. Für
das Klebstoffsystem A liegt bei einem Lastniveau von circa 35 kN die angenommene
Dauerfestigkeit vor; für das Klebstoffsystem B liegt bei der angenommenen Dauerfestig-
keit das Lastniveau mit ungefähr 38 kN geringfügig höher. Für beide Klebstoffsysteme
liegen somit unter den gewählten Versuchsparametern Verhältniswerte zwischen der
Dauerschwingdruckscherfestigkeit und der mittleren Kurzzeitdruckscherfestigkeit
FD/Fmax,m von etwa 0,37 vor (Tabelle 7). Daraus kann direkt gefolgert werden, dass bei
ermüdungsrelevanten (nicht statischen) Beanspruchungen die statische Tragfähigkeit von
eingeklebten Streckmetallen abgemindert werden muss.
[-] [kN] [kN] [-]
A 93,34 ~ 35,00 0,37
B 102,39 ~ 37,00 0,36 Tabelle 7: Verhältnis zwischen Dauerschwingdruckscherfestigkeit und Kurzzeitdruckscherfestigkeit in Abhängig-keit des eingesetzten Klebstoffsystems, ≈ 0,09 (aus [2])
Der Einfluss des Spannungsverhältnisses auf die Ermüdungsfestigkeit von Holz-Beton-
Verbundkonstruktionen mit eingeklebten Streckmetallen wurde in einer weiteren Ver-
suchsreihe untersucht und kann aus Abbildung 6 abgelesen werden. Bei den dargestell-
ten Versuchsreihen wurde ein Teil der Versuchsköper unter einem Spannungsverhältnis
≈ 0,09 getestet, während bei dem Rest der Prüfkörper ein Spannungsverhältnis ≈ 0,50
zugrunde gelegt wurde. Es zeigte sich, dass die Versuchskörper, die unter einem Span-
nungsverhältnis ≈ 0,09 getestet wurden, auf gleichem Oberlastniveau signifikant ge-
ringere Bruchschwingspielzahlen aufwiesen als Versuchskörper, bei denen ein Span-
nungsverhältnis ≈ 0,50 vorlag. Daraus lassen sich folgende Schlussfolgerungen ablei-
ten:
Mit wachsendem Spannungsverhältnis sinkt die ermüdungsrelevante Beanspru-
chung für eine Holz-Beton-Verbundkonstruktion mit eingeklebten Streckmetallen.
Mit wachsendem Spannungsverhältnis steigt das rechnerische Verhältnis aus
Dauerschwingdruckscherfestigkeit und der mittleren Kurzzeitdruckscherfestigkeit
FD/Fmax,m an (Tabelle 8).
Bei Holz-Beton-Verbundkonstruktion mit eingeklebten Streckmetallen wird die
Ermüdungsfestigkeit durch die Größe der Spannungsamplitude stärker beeinflusst
als durch die Größe der Mittelspannung.
Die Ermüdungsfestigkeit von Holz-Beton-Verbundbrücken mit eingeklebten
Streckmetallen wird maßgeblich durch das Eigengewicht der Brücke beeinflusst.
Brücken mit hohem Eigengewicht sind gegenüber Ermüdung weniger anfällig als
Brücken mit geringem Eigengewicht (bei Überfahrten von identischen Verkehrs-
mitteln).
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Abbildung 6: Einfluss des Spannungsverhältnisses auf die Bauteilwöhlerlinien (aus [2])
Tabelle 8: Verhältnis zwischen Dauerschwingdruckscherfestigkeit und Kurzzeitdruckscherfestigkeit in Abhängigkeit des Spannungsverhältnisses (aus [2])
Spannungsver-
hältnis
Kurzzeitdruckscher-
versuch: Fmax,m
Dauerschwingdruck-
scherversuch: FD FD / Fmax,m
[-] [kN] [kN] [-]
0,09 100,78 ~ 32,00 0,32
0,50 100,78 ~ 59,00 0,59
Die Ergebnisse aus den Untersuchungen zeigen in der Summe, dass das Verhalten von in
Holz eingeklebten und in Beton verankerten Streckmetallen unter einer schwellenden
Druckscherbeanspruchung bei den untersuchten Versuchsparametern grundsätzlich sehr
gleichmäßig, reproduzierbar und gut vorhersagbar ist. Bei ermüdungsrelevanten Bean-
spruchungen darf jedoch nicht die unter statischen Verhältnissen (in Kurzzeittraglastver-
suchen) ermittelte Tragfähigkeit von eingeklebten Streckmetallen angesetzt werden. Eine
Abminderung der statischen Tragfähigkeit der eingeklebten Streckmetalle in Abhängigkeit
der Randbedingungen Klebstoffsystem und Spannungsverhältnis muss vorgenommen
werden.
6. Untersuchungen zum Verbindungsmittel „Dübel- leiste“
In einem Forschungsvorhaben an der Bauhaus Universität Weimar wurde u.a. das Ver-
bindungsmittel ‚Dübelleiste - Stahlplatte mit aufgeschweißten Kopfbolzendübeln’ unter-
sucht und aufgrund der positiven Untersuchungsergebnisse als für den Brückenbau ge-
eignetes Verbindungssystem eingestuft ([8], [9]). Als Besonderheiten dieses Verbin-
dungsmittels (Abbildung 7) sind die relativ einfache Herstellung sowie die gut erfassbare
Beschreibung der Bemessungssituation zu nennen. Die Dübelleiste nutzt anerkannte und
langjährig bewährte Prinzipien zur Kraftübertragung (holzseitig liegt das Versatzprinzip
vor, während betonseitig auf das aus dem Stahlverbundbau bekannte Verbindungsmittel
Kopfbolzendübel zurückgegriffen wird). 2 Prüfkörper mit diesem Verbindungsmittel wur-
den im Rahmen des FuE-Vorhabens hergestellt und in Druckscherschwellenversuchen auf
ihr Ermüdungsverhalten hin getestet. Die aufgebrachte Oberlast betrug dabei 35% der
Bruchlast des statischen Kurzzeittraglastversuchs (0,35 Fmax). Das Unterlastniveau wurde
zu 0,06 Fmax festgelegt. Daraus ergab sich ein Spannungsverhältnis ≈ 0,17. Beide Prüf-
körper durchliefen die angesetzte Lastspielzahl von 2.000.000 Schwingspielen ohne Er-
müdungsversagen. Lediglich die Relativverschiebungen zwischen den Teilquerschnitten
Holz und Beton nahmen während der Versuchsdurchführung zu.
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Nach Beendigung der dynamischen Vorbelastungen und vollständiger Entlastung wurden
beide Probekörper bis zum Bauteilbruch hin beansprucht. Die dynamisch vorbelasteten
Probekörper zeigten dabei ähnliche Versagensmodi wie die Probekörper der Kurzzeit-
druckscherversuche (sprödes Abscheren der Vorhölzer). Die Tragfähigkeiten der vorbe-
lasteten Prüfkörper lagen in der gleichen Größenordnung wie die Tragfähigkeiten der
Prüfkörper der Kurzzeitdruckscherversuche.
Abbildung 7: Detailansicht des Verbindungsmittels „Dübelleiste“ (aus [8])
7. Untersuchungen zum Verbindungssystem „kreuz- weise eingeklebte Stahlstäbe“
In dem oben genannten Forschungsvorhaben an der Bauhaus Universität Weimar wurde
auch das Verbindungssystem ‚kreuzweise eingeklebte Stahlstäbe’ getestet ([8], [9]). Die
Schubübertragung zwischen den Teilquerschnitten Holz und Beton erfolgte hierbei über
zwei unter einem Winkel von 45° kreuzweise ins Holz eingeklebte Bewehrungsstäbe (BST
500) mit einem Durchmesser von jeweils 14 mm. Der Durchmesser der 50 cm tiefen
Bohrungen betrug jeweils 18 mm. Als Klebstoff wurde ein zweikomponentiger Epoxyd-
harz verwendet. Die aus dem Holzquerschnitt herausragenden Abschnitte der Beweh-
rungsstähle wurden abgewinkelt und im Frischbeton verankert. 2 auf diese Art und Weise
hergestellte Prüfkörper wurden ebenfalls in Druckscherschwellenversuchen auf ihr Ermü-
dungsverhalten hin getestet. Die aufgebrachte Oberlast betrug wiederum 35% der
Bruchlast des zugehörigen statischen Kurzzeitdruckscherversuchs (0,35 Fmax). Das Unter-
lastniveau wurde zu 0,06 Fmax festgelegt, woraus sich ein Spannungsverhältnis von ≈
0,17 ergab. Beide Prüfkörper durchliefen die angesetzte Lastspielzahl von ca. 2.200.000
Schwingspielen ohne Ermüdungsversagen. Wiederum nahmen die Relativverschiebungen
zwischen den Teilquerschnitten Holz und Beton während der Versuchsdurchführung zu.
Nach Beendigung der dynamischen Vorbelastungen und vollständiger Entlastung wurden
die Probekörper bis zum Bauteilbruch hin beansprucht. Die dynamisch vorbelasteten Pro-
bekörper zeigten ähnliche Versagensmodi wie die Probekörper der Kurzzeitdruckscher-
versuche (Stahlbruch des Zugstabes nach ausgeprägt duktiler Verformung).
Weitere Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit des Verbindungsmittels‚ kreuzweise
eingeklebte Bewehrungsstäbe’ werden derzeit an der Universität Stuttgart durchgeführt
[6]. 9 Prüfkörper sollen hierbei im Rahmen von Druckscherschwellenversuchen getestet
werden, wobei bei einem festgelegten Spannungsverhältnis = 0,10 das Ober- und Un-
terlastniveau gezielt variiert werden soll. Abbildung 8 zeigt exemplarisch einen Versuchs-
körper mit eingeklebten Bewehrungsstäben vor dem Betonieren. Die Ergebnisse werden
in Kürze nach Abschluss des FuE-Vorhabens in einem Forschungsbericht veröffentlicht.
Abbildung 8: Detailansicht des Verbindungsmittels „kreuzweise eingeklebte Stahlstäbe“ (aus [6])
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8. Untersuchungsergebnisse zum Verbindungsmittel „Kerve“
An der Universität Stuttgart wird seit einigen Jahren die ‚Kerve’ als Verbindungsmittel für
Holz-Beton-Verbundkonstruktionen untersucht. In einem derzeit laufenden FuE-Vorhaben
wird hierbei erstmals die Ermüdungsfestigkeit der Kerve thematisiert [6]. 9 Prüfkörper
wurden im Rahmen von zyklischen Druckscherversuchen jeweils unter einem Span-
nungsverhältnis = 0,10 getestet, wobei in der Versuchsreihe das Ober- und Unterlast-
niveau gezielt variiert wurde. Bisher vorliegende Forschungsergebnisse zeigen, dass das
Ermüdungsversagen der Prüfkörper jeweils durch ein Schubversagen im Brettschichtholz
hervorgerufen wurde. Dieser Versagensmechanismus lässt sich gut mit dem in DIN
1074:2006, Anhang C vorgeschlagenen Bemessungsansatz für das Ermüdungsverhalten
von auf Schub beanspruchtem Holz darstellen. Die ermittelten Messergebnisse sind ge-
genüber dem Norm-Berechnungsansatz jedoch geringfügig günstiger. Die abschließenden
Forschungsergebnisse werden nach Beendigung des FuE-Vorhabens in einem For-
schungsbericht präsentiert.
9. Praxisumsetzung
Die unmittelbare Umsetzung erster Forschungsergebnisse in der Brückenbaupraxis er-
folgte in letzter Zeit für die Verbindungsmittel ‚eingeklebte Streckmetalle’ sowie ‚Dübel-
leiste’.
Bei der im November 2008 fertig gestellten Birkbergbrücke über die Wipper bei Wippra
(Abbildungen 9 und 10), wurden als Verbindungsmittel Dübelleisten eingesetzt [7]. Die
Tragkonstruktion der 15,20 m weit gespannten, als Straßenbrücke genutzten Birkberg-
brücke besteht hierbei aus zweistegigen Plattenbalken aus blockverleimtem Brettschicht-
holz (b/h = 126/70 cm).
Abbildung 9: Ansicht der Birkbergbrücke (Foto: Schaffitzel [11])
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Abbildung 10: Querschnitt der Birkbergbrücke (aus [7])
Bei der im Jahr 2007 erstellten, 17,60 m weit gespannten Unidobrücke bei Wien ([1],
[12]) wurden eingeklebte Streckmetalle als Verbindungsmittel genutzt (Abbildungen 11
und 12). Die Tragkonstruktion der Unidobrücke besteht aus drei Fischbauchträgern mit
oben liegender schubfest verbundener Betonplatte. Als Verbundsystem wurden jeweils
zweireihig in die Fischbauchträger eingeklebte Streckmetalle verwendet. Die Streckme-
talle wurden in definierten Abständen gleichmäßig über die Trägerlänge angeordnet. Sie
besaßen jeweils eine Höhe von 90 mm und wurden in 40 mm tiefe Schlitze in den Holz-
querschnitten eingeklebt. Als Klebstoffsystem wurde das Klebstoffsystem A verwendet,
das auch in den Versuchen an der MPA Wiesbaden zum Einsatz kam. Das Einkleben der
Streckmetalle erfolgte im Werk. Die 50 mm herausragenden Teile der eingeklebten
Streckmetalle wurden anschließend auf der Baustelle bei der Herstellung der Betonplatte
im Betonquerschnitt verankert.
Abbildung 11: Ansicht der Unidobrücke (Foto: TiComTec [12])
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Abbildung 12: Querschnitt der Unidobrücke (Zeichnung: Duscheck & Duscheck [10])
10. Fazit
Bei Holz-Beton-Verbundbrücken, die als Straßenverkehrsbrücken genutzt werden, ist
aufgrund der zyklisch wiederkehrenden Überfahrten der Verkehrsmittel eine Ermüdungs-
beanspruchung gegeben. Ein Nachweis gegen Ermüdungsversagen ist daher für alle Be-
standteile einer Brücke, die durch Ermüdung beansprucht werden, zu führen. Neben den
Hauptbauteilen Holz und Stahlbeton ist insbesondere auch für metallische Verbindungs-
mittel ein solcher Ermüdungsnachweis zu erbringen. Da bis vor Kurzem für diese Verbin-
dungsmittel keine wissenschaftlich abgesicherten Aussagen vorlagen, war es notwendig,
diese Erkenntnisse im Rahmen experimenteller Untersuchungen zu erbringen. Neueste
Erkenntnisse aus Forschungs- und Entwicklungsvorhaben belegen nun, dass das Ermü-
dungsverhalten von Holz-Beton-Verbundbrücken und im Speziellen das Ermüdungsver-
halten der eingesetzten Verbindungsmittel gut bestimmbar ist. Im Einzelnen liegen Er-
kenntnisse zu den Verbindungsmitteln ‚Kerve’, ‚kreuzweise eingeklebte Stahlstäbe’, ‚Dü-
belleiste’ sowie ‚eingeklebte Streckmetalle’ vor. Die Erkenntnisse ermöglichen einen ab-
gesicherten Einsatz der Holz-Beton-Verbundbauweise im Brückenbau. Mit der Birk-
bergbrücke über die Wippra und der Unidobrücke bei Wien konnten inzwischen auch zwei
Pilotprojekte ausgeführt werden, bei denen die FuE-Ergebnisse erstmals erfolgreich um-
gesetzt wurden.
11. Literatur & Quellen
[1] Bathon, L.; Bletz, O. (2008): „Holz trifft Beton”, bauen mit holz 6/2008,
Seite 28 - 33
[2] Bletz-Mühldorfer, O.: „Beitrag zur Entwicklung von Holz-Beton-Verbund-
konstruktionen mit eingeklebten Streckmetallen“, Dissertation in Arbeit, TU Dar-
mstadt, Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik
[3] DIN - Deutsches Institut für Normung (2006): „DIN 1074, Holzbrücken“
[4] DIN - Deutsches Institut für Normung (1978): „DIN 50100, Werkstoffprüfung, Dau-
erschwingversuch, Begriffe, Zeichen, Durchführung, Auswertung“
[5] DIN - Deutsches Institut für Normung (2009): „DIN-Fachbericht 101, Einwirkungen
auf Brücken“
[6] Kuhlmann, U.; Aldi, P. (2008): „Fatigue of timber-concrete-composite beams: char-
acterisation of the connection behaviour through push-out tests“, Proceedings of the
10th World Conference on Timber Engineering, Miyazaki, Japan
[7] Ingenieurgemeinschaft Setzpfandt (2008): „Birkbergbrücke über die Wipper bei
Wippra“, Firmenprospekt
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[8] Rautenstrauch, K.; Simon, A. (2008): „Weiterentwicklung der Holz-Beton-
Verbundbauweise unter Einsatz von blockverleimten Brettschichtholzquerschnitten
bei Straßenbrücken“, Forschungsbericht 14275 BR, Bauhaus Universität Weimar
[9] Simon, A. (2008): „Analyse zum Trag- und Verformungsverhalten von Straßenbrü-
cken in Holz-Beton-Verbundbauweise“, Dissertation, Bauhaus-Universität Weimar
[10] Fa. Duscheck & Duscheck GmbH Ingenieurholzbau, A-3032 Eichgraben, www.d2-
duscheck.at
[11] Fa. Schaffitzel Holzindustrie GmbH & Co. KG, D-74523 Schwäbisch-Hall,
www.schaffitzel.de
[12] Fa. TiComTec GmbH, D-63808 Haibach, www.ticomtec.de