Teilprojekt C3
Untersuchungen zum Tragverhalten einer Holzverbindung aus Formvollholz mit einer Bewehrung aus formgerechten, räumlichen Gestricken
Leitung
Prof.
Dr.-Ing. Peer Haller
Institut für Stahl-
und Holzbau
Lehrstuhl für Ingenieurholzbau
und baukonstruktives Entwerfen
Mitarbeiter
Ziele
Das Ziel besteht in der Entwicklung und Untersuchung einer Holzverbindung, die erstmalig mit einer räumlichen, formgerechten textilen Struktur verstärkt wird. In einem neuen Verbindungskonzept werden die entscheidenden Schwachstellen des Holzbaus aufgegriffen und grundlegende Lösungen dafür vorgeschlagen.
Neben Anisotropie und biologischer Resistenz gilt die Aufmerksamkeit der unbefriedigenden Materialeffizienz, infolge geringer Rohholzausbeute und "naturgegebener" Vollholzquerschnitte. Das thermomechanische Formen von Holzquerschnitten stellt eine grundlegende Neuerung für das Bauen mit Holz dar, die auch in anderen Disziplinen wie Leicht-, Anlagen- oder Möbelbau etc. genutzt werden kann. Das Formholzprofil gestattet im Vergleich zum Vollquerschnitt einen höheren Verstärkungsgrad und damit einen effizienteren Einsatz der Bewehrung.
Verzweigte Kerne aus gestauchtem Buchenholz oder textilverstärkten Zwickeln dienen als Verbindungsstück, an das die Hohlquerschnitte über eine Schäftung geleimt werden, wobei das Gestrick mit zur Lastübertragung herangezogen wird. Dadurch entstehen baumartig verzweigte Verbindungspunkte von hoher Leistungsfähigkeit, deren Quer- und Schubfestigkeit durch eine Verstärkung mit räumlichen Gestricken gesteigert wird.
Als sehr wesentlich wird nicht nur das Tragverhalten der Verbindung betrachtet, sondern auch das ästhetische Erscheinungsbild, das von den heutigen Lösungen des Hallen- und Industriebaus geprägt ist. Die organische Gestalt, der Verzicht auf mechanische Verbindungsmittel sowie die Möglichkeit des sparsamen Einsatzes von Edelholzarten sollen neue Perspektiven für anspruchsvolle Architektur eröffnen. Zur Herstellung der Knotenelemente wird auf moderne Werkzeugmaschinen wie die HEXAPOD zurückgegriffen, welche durch leichte Anpassung Werkstücke der Größe des massiven Verbindungskernes räumlich bearbeiten kann und dadurch konstruktive und gestalterische Freiräume schafft.
Der Kern des Projektes besteht in der Entwicklung und Untersuchung einer gestrickverstärkten Schrägverbindung, die in Zusammenarbeit mit dem Institut für Textil- und Bekleidungstechnik Teilprojekt A4 entwickelt wird. Für den Aufbau der Verbindung wird die Technik des thermomechanischen Formens verwendet, welche zwar eine beträchtliche Neuerung, jedoch nicht Gegenstand der Forschung darstellt.
Die dabei auftretenden Quer- und Schub- sowie
Witterungsbeanspruchungen lassen sich durch nachträgliches
Bewehren mit einem räumlichen Gestrick aufnehmen. Die Geometrie
der Verbindung wird als geschlossene Struktur in Zusammenarbeit
mit dem Institut für Textil- und Bekleidungstechnik, Teilprojekt A4 als eigentlicher
Projektgegenstand in ein Verstärkungsgestrick mit
eingearbeiteten Verstärkungsrovings umgesetzt. Zur
Unterstützung der Konfektionierung der textilen Struktur stehen
die CAD-Daten der Bearbeitung in HEXAPOD zur Verfügung.
Räumliche Gestricke sind sehr gut drapierbar, weshalb sie sich
für formgerechte Strukturen eignen. Die geringe Steifigkeit
wird durch Strecken der Maschen kompensiert. In Anbetracht der
Komplexität der Aufgabe wird zunächst von einer zusätzlichen
beanspruchungsgerechten Optimierung der Bewehrung abgesehen.
Sie kann bei größerer Routine zu einem späteren Zeitpunkt
nachgeholt werden. Zur Bewertung des Tragverhaltens von
Verstärkungsgestricken finden in Vorversuchen Untersuchungen an
ebenen Gestrick statt. Die Maschen sind dabei so ausgebildet,
dass sie in Längsrichtung möglichst hohe Steifigkeit und
Festigkeit aufweisen.
Ergebnisse
Die Untersuchungen der ersten Projektphase haben gezeigt, das die Verstärkung von Holz und Holzwerkstoffen mit flächigen textilen Strukturen die Tragfähigkeit von Verbindungen positiv beeinflussen kann. Darüber hinaus stellt die Beschichtung mit faserverstärkten Kunststoffen einen wirksamen Schutz gegenüber klimatischen und biotischen Einflüssen auf das Holz dar.
In der zurückliegenden Projektphase wurden Formholzrohre mit textiler Bewehrung hinsichtlich des Einflusses von Gestricken auf Steifigkeit und Tragfähigkeit der Verbindung untersucht. Die textilen Strukturen unterschieden sich hinsichtlich Rovingfeinheit, Herstellung und textilem Flächengewicht.
[Gelöschtes Bild: /forschung/forschungskompetenz/sonderforschungsbereiche/sfb528/programm/projektbereich_c/teilprojekt_C3/1-4Punkt01_.jpg Alternativtext: Bildunterschrift: ] [Gelöschtes Bild: /forschung/forschungskompetenz/sonderforschungsbereiche/sfb528/programm/projektbereich_c/teilprojekt_C3/2-4Punkt02_.jpg Alternativtext: Bildunterschrift: ]
Die Interpretation der Versuchsergebnisse läßt folgende Schlüsse zu: Es gibt eine deutliche Abhängigkeit zwischen Höchstzugkraft einerseits und Fadenfeinheit, Dichtefaktor (Anzahl der Maschen in Maschenreihen- bzw. Maschenstäbchenrichtung) und Bindungselement andererseits. Die Höchstzugkraft erhöht sich mit steigender Fadenfeinheit sowohl in Maschenreihen- als auch in Maschenstäbchenrichtung. Der Zuwachs der Zugkraft ist in Maschenreihenrichtung linear abhängig von der Fadenfeinheit, wobei der Anstieg bei größeren Dichtefaktoren höher ist als bei kleineren. Enthält die Maschenstruktur das Bindungselement Henkel, reduziert sich die Höchstzugkraft bei gleichzeitig deutlich erhöhter Dehnung. Im Gegensatz dazu erhöht das Bindungselement Flottung die aufnehmbare Höchstzugkraft gegenüber der einfachen Maschenstruktur bei gleichzeitig Verringerung der Dehnung. Die mit Abstand vorteilhaftesten Ergebnisse lassen sich durch eine Kombination von Flottung und Henkel erzielen. Bei der Umsetzung der schlauchförmigen Verstärkungsstrukturen wurden Gestricke mit höherer Feinheit und größeren Maschendichte hergestellt.
[Gelöschtes Bild: /forschung/forschungskompetenz/sonderforschungsbereiche/sfb528/programm/projektbereich_c/teilprojekt_C3/3-Tabelle_.jpg Alternativtext: Bildunterschrift: ]
Das Bruchverhalten der unbewehrten Rohrverbindung war erwartungsgemäß spröde. Das Versagen tritt im Biegeversuch in der Rohrmitte und damit im Bereich der größten Schubspannung auf. Die theoretische Biegetragfähigkeit wird deshalb nicht erreicht. Eine zweilagige Bewehrung (Serie 2) ändert das Bruchverhalten nicht grundsätzlich. Ein Versagen tritt jedoch erst bei einer um 100% erhöhten Versagenslast ein. Auch hier kommt es zum Aufspalten des Rohrquerschnittes in der Bauteilmitte. Die Gründe hierfür liegen in der noch zu schwachen Bewehrung in Umfangsrichtung, die aus der Forderung resultiert, das Gestrick geschlossen fertigen und applizieren zu können. Eine Verbesserung der Verstärkungswirkung in tangentialer Richtung durch schlauchförmige biaxial verstärkte Gestricke ist das Ziel zukünftiger Arbeiten. Die Bruchlasten der Serien 3 und 4 lassen erkennen, dass auch hier die Zunahme der Traglast unmittelbar mit dem Flächengewicht der Bewehrungsstruktur korreliert. Für die Biegesteifigkeit des Gesamtbauteils lassen sich ähnliche Aussagen treffen. Auch wurde mit einer Zunahme des Bewehrungsanteils eine höhere Steifigkeit gemessen.
Im weiteren Verlauf der Untersuchungen werden die Auswirkungen der Bewehrung eines Knotenelements aus gebogenen Laubholzlamellen mit biaxialverstärkten Gestricken untersucht. Erwartet wird hierbei, daß die Glasfaserverstärkung einen Großteil der auftretenden Querzugkräfte abtragen und somit die Tragfähigkeit dieses Verbindungselements positiv beeinflussen kann.
[Gelöschtes Bild: /forschung/forschungskompetenz/sonderforschungsbereiche/sfb528/programm/projektbereich_c/teilprojekt_C3/4-Y Verzweigung mit HEXAPOD1_.jpg Alternativtext: Bildunterschrift: ]
[Gelöschtes Bild: /forschung/forschungskompetenz/sonderforschungsbereiche/sfb528/programm/projektbereich_c/teilprojekt_C3/5-Folie 2 Astgabel mit Textil_.jpg Alternativtext: Bildunterschrift: ]
[Gelöschtes Bild: /forschung/forschungskompetenz/sonderforschungsbereiche/sfb528/programm/projektbereich_c/teilprojekt_C3/6-Figure 15 Reinforced tubes_.jpg Alternativtext: Bildunterschrift: ]
Veröffentlichungen
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