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Holz + hochfeste Fasern

Leistungssteigerung durch Bewehrung

Wilhelm F. Luggin, Andreas Trummer
Erschienen in
Zuschnitt 17: Holz+
März 2005
Versuch: ausgeklinkter Biegeträger

Holz ist ein natürlicher Faserverbundwerkstoff. Die modernen Techniken der Bearbeitung und des Fügens stützen sich auf jahrhundertelange Erfahrung. Faserverstärkte Kunststoffe zählen zu den Werkstoffentwicklungen des 20. Jahrhunderts. Die Kombination dieser verwandten und doch so gegensätzlichen Werkstoffgruppen erschließt neue Dimensionen im Holzbau.

Faserverbundwerkstoffe zeigen dann ihre besten mechanischen Eigenschaften, wenn der Kraftfluss im Bauteil mit der Richtung der Fasern übereinstimmt und wenn die Kräfte durch eine geeignete Matrix gleichmäßig auf die einzelnen Fasern verteilt werden.

Der Baustoff Holz weist einen vorwiegend unidirektionalen Faserverlauf auf. »Fehlstellen« wie Äste, Schrägfasrigkeit etc. sowie eine Beanspruchung abweichend von der Faserlängsrichtung vermindern die Leistungsfähigkeit des Holzes. Durch die Zugabe geringer Mengen von hochfesten Fasern kann der Baustoff Holz zu einem mechanisch höher belastbaren Verbundmaterial modifiziert werden, der allen Beanspruchungsarten gerecht wird.

Hohe Zugfestigkeit und Steifigkeit in Faserlängsrichtung, geringes Gewicht, Resistenz gegen Korrosion und gute Dauerhaftigkeit zeichnen faserverstärkte Kunststoffe im Bauwesen aus. Drei Fasertypen werden überwiegend eingesetzt. Die Fadenhalbzeuge (Rovings) aus Kohle-, Glas- und Aramidfasern werden in vielfältiger Weise weiterverarbeitet: als unidirektionale Gelege oder als flächenbildende Gewebe. Zum Schutz der Fasern und zur gleichmäßigen Lastverteilung werden die Fasern in eine Matrix aus Kunststoff eingebettet.

Verstärkungen quer zur Faserrichtung

Umfangreiche Untersuchungen zeigen die Potenziale und Möglichkeiten von Querverstärkungen in den Bereichen der Lasteinleitung und in Diskontinuitätsbereichen auf. Glasfasergewebe werden bei der Verklebung von Fichtenlamellen in den pu-Klebstoff eingebettet. Der Klebstoff verbindet so gleichzeitig die Holzlamellen miteinander und dient als Matrix für die Glasfasern.

Dieser Querschnittsaufbau zeichnet sich dadurch aus, dass die Fasern auf mehrere Fugen verteilt werden können und bei Brandbeanspruchung geschützt sind. Querzugversuche zeigen bei Verstärkung ein duktiles Verhalten. Bruchlasten können bezogen auf eine unverstärkte Probe um fast 200% gesteigert werden. Die Anwendbarkeit wurde an ausgeklinkten Trägern demonstriert.

Verstärkung in Faserrichtung

Durch die Verklebung von hochfesten Kunststoffen – z.B. karbonfaserverstärkte Kunstofflamellen (cfk-Lamellen) – im Zugbereich eines biegebeanspruchten Holzträgers werden die mechanischen Eigenschaften wesentlich gesteigert. Versuche an der Universität für Bodenkultur zeigen, dass eine Erhöhung der Biegefestigkeit um 70% und eine Erhöhung der Biegesteifigkeit um ca. 15% erzielt werden können. Der Anteil der Faserverbundwerkstoffe (cfk-Lamellen) beträgt dabei nur maximal 0,7%. Die Querschnittsausbildung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.

Eine weitere Leistungssteigerung für biegebeanspruchte Holzbauteile kann durch die Anwendung der Spannbettvorspannung realisiert werden. Vorgespannte cfk-Lamellen werden dabei auf die Holzoberfläche geklebt und der Holzträger somit entgegengesetzt zu seiner künftigen Belastung »vorbelastet«.

Zusammenfassung

Die Einsatzbereiche der Faserverbundwerkstoffe im Holzbau sind sowohl quer zur Faserrichtung als auch in Faserlängsrichtung. Die bisherigen Untersuchungen und Anwendungen zeigen, dass wesentliche Leistungssteigerungen durch eine geringe Bewehrung mit hochfesten Fasern möglich sind. Durch diese Entwicklungen können hoch belastbare Bauteile mit geringen Querschnittshöhen realisiert werden, die im Holzbau neue Konstruktionsweisen erlauben.

Querschnittsausbildungen von schlaff bewehrten und vorgespannten Verbundträgern: 
(1) Verstärkungslamelle horizontal zwischen vorletzter und letzter Holzlamelle
(2) Stehende Verstärkungslamelle
(3) Verstärkungslamelle im Zugbereich; Holz höherer Festigkeit im Druckbereich
(4) Plattenbalkenquerschnitt mit verstärkter Zugzone

Text
DI Dr. Andreas Trummer
Studium des Bauingenieurwesens an der TU Graz
Dissertation an der boku Wien
Seit 2003 Assistent und stellvertretender Leiter am Institut für Tragwerkslehre der TU Graz

Kontakt

Institut für Tragwerkslehre, TU Graz
Technikerstraße 4
A-8010 Graz
T +43 (0)316/ 873-6212
trummer@twl.tu-graz.ac.at

Text
DI Dr. Wilhelm F. Luggin
Studium des Bauingenieurwesens an der TU Graz
Dissertation an der boku Wien
Seit 2000 leitender Mitarbeiter von »luggin – Ziviltechniker für Bauwesen«

Kontakt

luggin – Ziviltechniker für Bauwesen
Graf Starhemberg-Gasse 43/5
A-1040 Wien
T +43 (0)1/ 50453-33
zt-wien@luggin.at

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