Schlussbericht zum Forschungsvorhaben Improved Moisture ... · Wood Science and Technology 5, S....

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

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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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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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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)


Improved Moisture

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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.


Improved Moisture

6.9.2011

Seite 21 von 57

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


Improved Moisture

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Seite 23 von 57

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).


Improved Moisture

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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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6.9.2011

Seite 26 von 57

- 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


Improved Moisture

6.9.2011

Seite 27 von 57

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


Improved Moisture

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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


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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


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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


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


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)


Improved Moisture

6.9.2011

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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).


Improved Moisture

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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.


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


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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


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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.


Improved Moisture

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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


Improved Moisture

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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


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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


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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


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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

[--

]


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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


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0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 100 200 300 400 500 600 700


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


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


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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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0

2000

4000

6000

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)

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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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