Teilprojekt C5

Charakterisierung der Verbundfestigkeit und Dauerhaftigkeit von textilbewehrtem Holz

Leitung

Prof. Dr.-Ing. Peer Haller
Institut für Stahl- und Holzbau
Lehrstuhl für Ingenieurholzbau und baukonstruktives Entwerfen

Mitarbeiter

Dipl.-Ing. Robert Putzger

Ziele

Der Einsatz textiler Bewehrungen zur Verbesserung des Tragverhaltens von Holzkonstruktionen verlangt sowohl eine hohe Ausgangsfestigkeit als auch eine große Zuverlässigkeit des Holz-Textilverbundes während der gesamten Nutzungsdauer. Dies setzt geeignete Materialien und Aufbringverfahren voraus und erfordert zur Erzielung eines wirksamen Holzschutzes fundierte Kenntnisse über die Wirkung aller Witterungsfaktoren auf den Holz-Textilverbund.

Wie in Bild 1 schematisch dargestellt, ist der Haftverbund zwischen Holz und Textil einer komplexen Beanspruchung ausgesetzt. Dies gilt insbesondere für Außenanwendungen, wo zu den mechanischen Beanspruchungen physikalische Faktoren hinzutreten. Die Versuchsmethodik ist daher so konzipiert, daß die einzelnen Beanspruchungsarten getrennt, aber auch in bestimmten Kombinationen untersucht werden. Unter Berücksichtigung der zahlreichen verwendeten Materialien (Tabelle 1) ergibt sich damit ein umfangreiches Versuchsprogramm, das dazu dient, die Witterungsfaktoren in ihren Wirkungsmechanismen auf den Holz-Textilverbund zu erfassen.

Es werden Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit sowohl in der Freibewitterung als auch nach der Exposition im Global-UV-Schrank und im Klimaschrank bei getrennter und kombinierter Klimabeanspruchung durchgeführt. Nach einem Zeitraum von drei Jahren hat sich bereits herausgestellt, daß die Freibewitterung gegenüber intensiver UV-Bestrahlung im Global-UV-Testgerät die wesentlich schärfere Beanspruchung darstellt. Der Haftverbund zwischen Holz und Textil wird auf der Grundlage von Schälversuchen und bruchmechanischen Untersuchungen bewertet.

Ergebnisse

Die Probekörper der Schäl- und bruchmechanischen Versuche wurden überwiegend mit dem Handlaminier- sowie einzelne Versuchsserien mit dem RTM- oder mit dem Vakuumverfahren hergestellt.

Die Probekörper für die Freibewitterung wurden auf einem Versuchsfeld in Freital-Hainsberg, bestehend aus 30 Bewitterungsständern entsprechend DIN 53166, der Witterung ausgesetzt. Dabei wirken sämtliche Umweltfaktoren wie z.B. Feuchte, UV-Strahlung des Sonnenlichtes und Temperatur auf die Probekörper ein.

Die Bestrahlung der Schälproben im Global-UV-Testgerät (Typ UV200 System Weiss - Bauart BAM, Weiss Umwelttechnik GmbH) diente zunächst zur Beurteilung des alleinigen Einflusses von UV-Licht auf das Verbundverhalten.

Nach dem Einwirken verschiedener Witterungsfaktoren bzw. der Exposition im Freien wurden die textilbewehrten Holzbrettchen im Schälversuch geprüft. Die Ergebnisse der Schälversuche dienen hauptsächlich einer vergleichenden Einschätzung von Verbundarten und ihren Beanspruchungen. Die Qualität des Verbundes wird mit Hilfe einer Zugmaschine (Zwick Z250) über eine Schälbeanspruchung ermittelt.

Die bruchmechanischen Untersuchungen im Modus I und II, entsprechend den Empfehlungen von RILEM TC-133, haben das stabile Rißwachstum auch für textile Zwischenschichten bestätigt, so daß bruchmechanische Werte mit Hilfe dieser Methodik gewonnen werden können.

Ergebnisse - Schälversuche nach ASTM D 3167

Es wurden insgesamt über 1000 Schälproben mit Verbunden hergestellt, die sich hinsichtlich ihrer Bestandteile in den Faserarten und der eingesetzten Leime z.T. stark unterscheiden. Davon befinden sich aktuell ca. 450 Proben in der Freibewitterung und 550 Probekörper wurden bereits im Schälversuch geprüft.

Tabelle 1 enthält für ausgewählte Versuchsreihen neben der Schälkraft auch die beim Schälvorgang beobachtete Versagensart. Offensichtlich besteht zwischen beiden Versuchsdaten eine Abhängigkeit, so daß eine genaue Betrachtung der Versagensart in der Grenzschicht von Bedeutung ist. Dazu ist eine stärkere Differenzierung der Grenzschicht in die zwei Versagensebenen Holz-Matrix und Matrix-Textil notwendig.

[Gelöschtes Bild: /forschung/forschungskompetenz/sonderforschungsbereiche/sfb528/programm/projektbereich_c/teilprojekt_C5/C5_Tabelle 1 .jpg Alternativtext: Bildunterschrift: ]

Bei einem Versagen der Grenzschicht Holz-Laminat haftet der Leim überwiegend am abgeschälten Textil (LaT: Leim auf Textil). Teilweise kommt es zur Abspaltung oberflächennaher Holzfasern. Das Versagen der Grenzschicht Holz-Laminat führt zu vergleichsweise geringen Schälkräften bei großen Streuungen der Versuchsergebnisse. Anders verhält es sich bei der Versagensart LaH (Leim auf Holz). Beim Schälvorgang wird das Textil von der Matrix getrennt, so daß ein Großteil des Leimes auf der Holzoberfläche haften bleibt. Dieses Versagen in der Grenzschicht zwischen Leim und Textil führt zu hohen Schälkräften bei vergleichsweise geringen Streuungen der Versuchsergebnisse. Es ist charakteristisch für ein Laminat mit einer Klebstoffmatrix aus Polyurethan.

Proben aus der Freibewitterung

Nach ca. 3,5 Jahren Expositioin wurde ein Teil der freibewitterten Proben im Schälversuch geprüft und ein unterschiedlicher Einfluß der Witterung auf die Haftfestigkeit der Laminate beobachtet. Laminate aus Kohle- und Aramid-Gewebe zeigten eine vergleichsweise geringe Abnahme der Schälkraft. Anders verhalten sich Laminate aus Natur- und Glasfasern. Diese Faserarten sind in Kombination mit einer Klebstoffmatrix aus Epoxid- oder Polyesterharz sehr witterungsanfällig und zeigten schon nach ca. 1,5 Jahren deutlich sichtbare Alterungserscheinungen. Das Laminat dieser Versuchskörper, insbesondere von transparenten Glasfaserlaminaten, löste sich stellenweise bereits selbständig vom Holz. Unabhängig vom verwendeten Textil zeigten Laminate aus Polyurethan hohe Haftfestigkeiten.

Grundsätzlich konnte nach 3 Jahren Freibewitterung nach in Augenscheinnahme bei allen Laminaten eine Änderung des Erscheinungsbildes festgestellt werden. Neben Farbveränderungen konnte Erosion an der Laminatobefläche beobachtet werden, so daß das Textil stellenweise direkt der Witterung ausgesetz war. Feuchteaufnahme über die unbehandelten Oberflächen der Probekörper führte neben Verfärbungen auch zum Quellen des Holzes. Aufgrund der einseitigen Beschichtung wölbte sich das Holz und der Holz-Textilverbund wurde neben den Witterungsfaktoren zusätzlich mechanisch beansprucht. Um einer Wasseraufnahme an den Stirn- und Rückseiten vorzubeugen, erhalten Proben neuer Versuchsserien neben der textilen Verstärkung an der Oberfläche zusätzlich eine allseitige abschließende Beschichtung. Dieses sogenannte Topcoating ist ein Wetterschutzlack auf Epoxid- oder Polyesterbasis, welches zusätzlich mit Farbpasten eingefärbt werden kann.

Schälproben aus Global-UV-Testgerät

Die UV-Strahlung übt eine physikalische Wirkung auf die polymere Matrix aus, was u.a. ein Nachhärten und eine damit verbundene höhere Sprödigkeit des Harzes zur Folge hat. Über den untersuchten Zeitraum von 1000 h konnte kein systematischer Einfluß auf die Schälkraft erkannt werden.

Ergebnisse - Bruchmechanische Versuche nach RILEM TC-133

Für die Versagensarten des Holz-Textilverbundes steht mit der Bruchenergie Gf ein geeignetes Maß für die Güte des Verbundes zur Verfügung. Zugleich bildet die mit den bruchmechanischen Untersuchungen ermittelte Bruchenergie Gf als ein charakteristischer Verbundkennwert, die Grundlage für eine analytische Berechnung von Verbundbauteilen.

Die Bruchenergie Gf wird mit Hilfe der DCB-Probe (Modus I - Delamination) und der TENF-Probe (Modus II - Schub) bestimmt. Die Bruchenergie wird gemäß RILEM TC-133 berechnet, wobei die aus der Last-Verformungskurve bei stabilem Rißwachstum ermittelte Rißarbeit durch die im Bruchversuch erzeugte Rißfläche geteilt wird.

Die bruchmechanischen Untersuchungen haben auch für textile Zwischenschichten ein stabiles Rißwachstum bestätigt. Das strenge Kriterium von max. 3% Lastabfall pro Sekunde nach RILEM TC-133 führt allerdings zu einer teilweise hohen Verlustquote. Das aus den Schälversuchen erwartete gute Haftvermögen von textilen Verstärkungen auf Holz spiegelt sich auch in hohen Werten der Bruchenergie Gf wider.

Bild 2 zeigt als Ergebnisse der bruchmechanischen Untersuchungen die Bruchenergie Gf für die Versagensmodi I und II. Bei Probekörpern mit textiler Verstärkung ist im Modus I deutlich eine Steigerung der Bruchenergie Gf sowohl gegenüber unverstärkten geklebten als auch Proben aus Vollholz zu erkennen. Mit den bisher durchgeführten Versuchen konnte ein Einfluß des Fasermaterials auf die Verbundwirkung nicht nachgewiesen werden.

[Gelöschtes Bild: /forschung/forschungskompetenz/sonderforschungsbereiche/sfb528/programm/projektbereich_c/teilprojekt_C5/C5_Bild 2 Bruchenergie.jpg Alternativtext: Bildunterschrift: ]

Veröffentlichungen

2007

• Hartig, J.; Lepenies, I.; Haller, P.; Zastrau, B.W.: Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Tragverhalten von Verbindungen aus Laubholzzwieseln und textilbewehrten Formholzrohren. In: Holztechnologie 48 (2007) 2, S. 11-18

2006

2005

• Ünal, A.; Offermann, P.; Haller, P.: Development of glass fibre weft knits for textile reinforced wood construction. In: 5. International Textile Conference: Recent Advances and Innovations in Textile and Clothing. Istanbul, Mai 19-21, 2005
• Haller, P.; Putzger, R.: Fracture Energy in Mode I and Mode II of Reinforced Wood. In: Abstract Book – 11th International Conference on Fracture, Turin, Italy, 2005. S. 1224
• Haller, P.; Putzger, R.: Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit von textilbewehrtem Holz. In: Tagungsband – 24. Holzschutz Tagung der DGfH, Leipzig, Deutschland, 2005.

2004

• Ünal, A.: Offermann, P., Birk, T.; Haller, P.: Entwicklung von Glasfasergestricken für die Bewehrung von Holzbauteilen unter Berücksichtigung der gestreckte Maschenstruktur. In: 7. Dresdner Textiltagung. – Dresden: Technische Universität Dresden, 2004
• Haller, P.; Birk, T.; Ünal, A.; Offermann, P.: Textilbewehrte Holzkonstruktionen. In: 7. Dresdner Textiltagung. – Dresden: Technische Universität Dresden, 2004
• Haller, P.; Birk, T.; Offermann, P.; Ünal, A.: Verbindungskonzept für textilverstärkte Formvollholzprofile - Entwicklung, Fertigung und Prüfung. In: 11. Internationale Chemnitzer Tagung – Stoffliche Verwertung nachwachsender Rohstoffe, Chemnitz. Technische Universität Chemnitz, Institut für Allgemeinen Maschinenbau und Kunststofftechnik, Kompetenzzentrum Strukturleichtbau, 2004

2003

• Haller, P.: Design and Optimization in Wood Construction – Further Developments. In: Zarka, J. (Hrsg.): Proceedings of the Workshop on Optimal Design of Materials and Structures. Laboratoire de Mécanique des Solides, Ecole Polytechnique, Palaiseau ; France, 2003
• Haller, P.: Ist Holz dem Leichtbau gewachsen? In: MIKADO – Unternehmensmagazin für Holzbau und Ausbau 2003, Nr. 11, S. 52–56
• Haller, P.: Technical textiles in joining technology of woodwork. In: New Trade Fair Center (Hrsg.): Proceedings of the 21st International Symposium on Bonding Technology. Munique, Germany: New Trade Fair Center, 2003, S. 52–55
• Haller, P.; Wehsener, J.: Entwicklung innovativer Verbindungen aus Pressholz und Glasfaserarmierung für den Ingenieurholzbau. Stuttgart : Fraunhofer IRB Verlag, 2003 – Forschungsbericht AiF Nr 11164 B

2002

• Haller, P.; Wehsener, J.; Offermann, P.; Franzke, G.: Verstärkung von Holzverbindungen mit beanspruchungsgerechten textilen Strukturen. In: 75. Tagung des wissenschaftlichen Beirates der AiF, Magdeburg, November 2002. s. Abstracts NW 03, S. 21 – http://www.aif.de/igf/dokumente/WR-Abstracts.pdf
• Haller, P.; Wehsener, J.; Offermann, P.; Franzke, G.: Verstärkung von Holzverbindungen mit beanspruchungsgerechten textilen Strukturen. Institut für Baukonstruktionen und Holzbau der TU Dresden, Institut für Textil- und Bekleidungstechnik der TU Dresden – Forschungsbericht zum AiF-Forschungsprojekt Nr. 14 ZBR 1, 2002
• Aicher, S.; Gustaffsson, P. J. (editor); Haller, P.; Petersson, P.: Fracture mechanics models for strength analysis of timber beams with a hole or a notch. a report from RILEM TC-133, LTH Lund, Division of structural mechanics (publisher), Sweden, 2002
• Haller, P.: Neue Technologien für das Bauen mit Holz. In: Tagungsband zum 8. Internationales Holzbauforum. Garmisch Partenkirchen, 2002
• Haller, P.; Design and Optimization in Wood Construction. In: Zarka, J. (Hrsg.):Proceedings of the Workshop on Optimal Design of Materials and Structures. Laboratoire de Mécanique des Solides, Ecole Polytechnique, Palaiseau, France, 2002
• Kasal, B.; Pospisil, I.; Jirovsky, I.; Drdacky, M.; Heiduschke, A.; Haller, P.: Shake table tests of laminated timber frames with fiber reinforced joints. In: Proceedings of 12th European Conference of Earthquake Engineering. Elsevier Science, Ltd. London, 2002
• Kasal, B.; Haller, P.; Heiduschke, A.: Fiber-reinforced beam-to-column connections for seismic applications. In: Proceedings of the CIB W18 - Timber Structures meeting, Kyoto, Japan, 2002. Universität Karlsruhe CIB W18/35-7-12

2001

• Haller, P.; Wehsener, J.; Offermann, P.; Franzke, G.; Engler, Th.: Reinforcement of wood joints with load-adapted textile structures. In: Techtextil-Symposium 2001. Frankfurt/ Main, April 24th 2001, Lecture No. 328
• Haller, P.; Wehsener, J.; Offermann, P.; Franzke, G.; Engler, T.: Reinforcement of timber joints with tailored-fibre-placements. Tagungsband: 11th Internationales Techtextil-Symposium, Frankfurt a.M., April 2001.
• Haller, P.; Wehsener, J.: Load behaviour of textile reinforced and densified timber joints. In: Proceedings, First Intl. Conference of the European Society for Wood Mechanics. Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland, 2001
• Haller, P.; Wehsener, J.; Birk, T.: Embedding characteristics on fibre reinforced and densified timber joints. In: Proceedings, CIB-W18-meeting, Venice, Italy, 2001
• Haller, P.; Birk, T.: Textile Verstärkung von Holzbauteilen. In:J. Hegger (Hrsg.): Tagungsband, 1. Fachkolloquium der Sonderforschungsbereiche 528 und 532, Institut für Massivbau, RWTH Aachen. 2001, S. 293-304
• Haller, P.: Textilbewehrte Pressholzverbindungen. In: Dresdner Transferbrief. Technische Universität Dresden(Hrsg.), Heft 01/2001, S. 8
• P. Haller, J. Wehsener, T. Birk: Verstärkung von Holzverbindungen mit technischen Textilien. In Tagungsband, Internationales Klebtechnik Symposium, Rosenheim, Mai 2001 (in Vorbereitung)

2000

• Haller, P.: Innovative Verbindungen aus technischen Textilien und Preßholz. In: 6. Internationales Holzbauforum, Garmisch - Partenkirchen, Deutschland, Dezember 2000. Schweizerische Hochschule für die Holzwirtschaft, S. 3 – 7
• Haller, P.: New design concepts for structural timber connections. In: Baniotopoulos, C.;Wald, F. (Hrsg.): The paramount role of joints into the reliable response of structures - NATO Science Series.(2000) Kluwer Academic Publishers, S. 395 – 405
• Haller, P.: Innovative Verbindungen aus technischen Textilien und Preßholz. In: 17. Dreiländer-Holztagung, Luzern, Schweiz, April 2000. Schweizerische Arbeitsgemeinschaft für Holzforschung, S. 51 – 55

1999

• Haller, P.; Wehsener, J.: Use of technical textiles and densified wood for timber joints; In: Proceedings, RILEM Symposium on Timber Engineering, Stockholm; Boström, L. (ed.); RILEM Publications; 1999; pp.717-726
• Haller, P.; Chen, C.J.: Textile reinforced timber joints in timber construction; In: Structural Engineering International; 4/99; S. 259-261
• Haller, P.; Wehsener, J.: Neue Holzverbindungen mit technischen Textilien und thermomechanischer Verdichtung. In: Bauen mit Textilien, Berlin: Ernst & Sohn, Heft 3/1999; S. 16-22
• Haller, P.: Use of technical textiles and densified wood for timber joints. In: Proceedings, EUROMAT - Volume 6; Wittmann, F.H. (ed.); Wiley 1999; pp. 66-71
• Haller, P. (ed.): COST C1, Control of the semi rigid behaviour of connections in civil engineering. In: Final report of working group 3 - timber connections, published by: European Commission; 1999
• Haller, P.; Vergne, A.: Les assemblages en bois, comportement structural et mod&eacute. In: lisation - Partie I: modélisation, Annales du Genie Civil – French journal of timber engineering 1999, No. 4, pp.37-48
• Haller, P.: Faden begegnet Faser, Textile Verstärkung im Holzbau am Beispiel der Verbindung. In: Wissenschaftliche Zeitschrift der TU Dresden;48 (1999) Heft 2; S. 60-61

1998

• Haller, P., Wehsener, J., Chen, C. J.: Development of joints by compressed wood and glassfibre reinforcement, Proceedings. In: Final Conference Report, COST C1, Control of the semi rigid behaviour of connections in civil engineering, European Commission, Liege, Belgium, September 1998
• Haller, P.: Progress in the development and modelling of timber joints, Proceedings. In: World Conference of Timber Engineering, Montreux-Lausanne, Switzerland, August 1998, Bd. 1, S. 337-344
• Haller, P.: Timber joints in joint research,Proceedings. In: Final Conference Report, COST C1, Control of the semi rigid behaviour of connections in civil engineering, European Commission, Liege, Belgium, September 1998

1997

• Haller, P.: Technische Textilien im Holzbau und ihre Möglichkeiten in der Verbindungstechnik. In: Bauen mit Textilien, Berlin: Ernst & Sohn, 1997 Heft 1, S. 11-12

1995

• Haller, P.: Experimental Study on Fiberglass Reinforced Timber Joints, Proceedings. In: 40th Anniversary Conference of the Japan Wood Research Society, Tokyo, Japan, April 1995, p. 269

1994

• Haller, P.; Chen, C.J.: Experimental Study on Glasfiber Reinforced Joints, European Kommission, Proceedings. In: COST C1 workshop, Prague, Czech Republic, October 26th-28th, 1994, S. 303-315
• Haller, P.: Experimentelle Untersuchungen an glasfaserverstärkten Verbindungen. In Festvortragsveröffentlichung, Ehrenkolloquium Prof. Dr.-Ing. habil. M. Gruber, Schriftenreihe des Institutes für Baukonstruktionen und Holzbau, Heft 1, Technische Universität Dresden, 4. November 1994, S. 96-102
• Haller, P., Chen, C. J., Natterer, J.: Experimental study of fibre reinforced timber joints, Proceedings. In: Pacific Timber Engineering Conference, Gold Coast, Australia, July 1994, Vol. 2, p. 66-72
• Haller, P.; Dayer, P.: Etude du comportement des assemblages en bois renforces de fibres de verre. In: Forschungsbericht; Lehrstuhl für Holzkonstruktionen, IBOIS, EPF Lausanne, Schweiz, 1994