Klebverbindungen in Tragwerkselementen aus Laubholz

Zu Beginn der Heizperiode, wie auch nach Umnutzungen von Gebäuden mit Holzstrukturen aus Leimholzbindern, häufen sich Schäden. So können sich sogar nach Jahrzehnten spontan Holzbretter ablösen (delaminieren) und die Tragfähigkeit der Binderkonstruktion beeinträchtigen. In Produkten aus Laubholz ist durch die Verbindung von dessen höheren Quellmassen mit deutlich höherer Steifigkeit die Gefahr im Vergleich zu Fichte noch grösser. Wie lassen sich Klebstoffe, Verfahren und die Auslegung verbessern, um die Zuverlässigkeit von Klebverbindungen bei Laubholz über Jahrzehnte sicherzustellen und vorherzusagen?

Eine Reihe neuer Entwicklungen für Anwendungen im Holzbau setzt auf die überlegenen mechanischen Eigenschaften von Laubholz. Zudem wird durch die Forstwirtschaft immer mehr Laubholz bereitgestellt. Beispiele sind Brettschichtholzträger aus Buche oder mit Buchenlamellen in den Decklagen. Da Buchenholz besonders stark quillt und eine hohe Steifigkeit hat (hoher Elastizitätsmodul), treten in Klebverbindungen bei Verwendung von Buche im Vergleich zum Nadelholz deutlich höhere Eigenspannungen auf. Der Nachweis der Klebfugengüte nach geltender Normung ist schwierig. Dies liegt zum einen daran, dass die verfügbaren Klebstoffsysteme für Nadelhölzer entwickelt wurden und nicht auf die Eigenschaften von Laubhölzern abgestimmt sind. Zum anderen basiert die bestehende Normung auf Testverfahren für Nadelholz, dessen Übertragung auf Laubholz sehr fragwürdig ist.

Ziel des Forschungsprojekts war es, in Zusammenarbeit mit Schweizer Klebstoffherstellern zu verbesserten Buchenholzverklebungen zu gelangen. Dies betraf Fragen der Herstellung, Ansätze für zuverlässige Nachweismethoden, sowie die grundlegende Beschreibung der auftretenden Spannungen in der Klebfuge bei hygro-mechanischen Lasten. Mittels bruchmechanischer Ansätze und numerischer Nachweise bestimmten die Forschenden das Delaminations- und Langzeitverhalten verklebter Brettschichtholzträger und entwickelten eine zuverlässige Nachweismethode. Ein Vorteil der bruchmechanischen Ansätze ist, dass diese – im Gegensatz zu derzeit verwendeten Spannungsnachweisen – den Einfluss der Bauteilgrösse berücksichtigen. Hierfür mussten zunächst Feuchteabhängigkeiten bruchmechanischer Kennwerte und ihres Zusammenhangs geklärt werden. Wie sich die geklebten Laubholzelemente bei jahreszeitlichen Klimaschwankungen verhalten, erfassten die Forschenden in numerischen Simulationen und verglichen diese mit Experimenten an Brettschichtholz aus Buche bei alternierender Luftfeuchte.

Der Sicherheitsnachweis der Klebverbindungen ist die Grundvoraussetzung für eine wirtschaftliche Nutzung von Laubholzprodukten in der Schweiz und im Ausland. Zudem würde spezielle Schweizer Verbindungstechnologie für Laubholz ein Marktsegment bedienen, das sich im In- und Ausland mit einer rasanten Geschwindigkeit entwickelt. Ein Modell, dass die Eigenschaftsänderungen unterschiedlicher Holzarten und Klebstoffe bei Klimaänderungen in der Anwendung korrekt beschreibt, ist die Grundlage zur Entwicklung hybrider Holzkonfigurationen in Bezug auf Lamellenzahlen, -dicken, -ausrichtungen und anderer Prozessparameter wie Feuchteunterschiede zwischen den Lamellen. Aufgrund des sehr langsamen Feuchtetransports ermöglicht es nur der numerische Ansatz, Bauteilverhalten über mehrere Jahrzehnte vorherzusagen.

Durch bruchmechanische Versuche von der Faserebene bis hin zum Leimholzbinder aus Buche wurde der Einfluss von Feuchte auf Rissinitiierung und Wachstum bei unterschiedlichen konstruktiven Klebstoffen untersucht. So zeigte sich, dass die Art der Kopplung unterschiedlicher Bruchmoden von der Feuchte abhängt. Es wurde ein feuchteabhängiges, nicht-lineares Holz- und Klebstoffmodell entwickelt, dass erstmals sämtliche relevanten Verformungen und Belastungen erfasst. Die Implementierung für eine nicht-lineare Finite-Elemente-Umgebung ermöglicht es Anwendern, die Entwicklung von Spannungs- und Feuchteprofilen in Bauteilen im Zeitraffer zu berechnen. Dabei zeigt sich, dass die Kopplung zwischen Feuchte und Belastung massgeblich für den beobachteten Spontanbruch in Komponenten nach Jahrzehnten verantwortlich ist. Das Modell lässt eine breite Skala von Anwendungen zu. Eine Erweiterung mit kohäsiven Elementen ermöglichte Delaminationssimulationen und Schädigungsvorhersagen bei Feuchteänderungen in beliebig dimensionierten Laminaten. Dieser Ansatz kann direkt von den Herstellern von Kreuzschichtlaminat (CLT) und Furnierschichtholz zur Bestimmung der klimatischen Einsatzgrenzen, sowie des resultierenden Steifigkeitsverlustes von Produkten angewandt werden.

Reliable timber and innovative wood products for structures: adhesive bonding of structural hardwood elements