Eignung von 1K-PUR-Klebstoffen für den Holzbau unter Berücksichtigung von 10-jähriger Erfahrung

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1 Sonderdruck aus bauen mit holz Eignung von K-PUR-en für den Holzbau unter Berücksichtigung von -jähriger Erfahrung Borimir Radović & Claus Rothkopf Borimir Radovic & Klaus Rothkopf überreicht von 623 Sempach-Station Switzerland Tel. +4 () Fax +4 () Purbond Inc. P.O. Box 839 Tacoma Washington 9848 USA Tel Fax Lot 8 Jalan Tukul 6/5 4 Shah Alam Selangor Malaysia Tel Fax Sonderdruck aus bauen mit Holz 6/23

2 Eignung von Borimir Radovic, Claus Rothkopf * ) K-PUR-en für den Holzbau unter Berücksichtigung von -jähriger Erfahrung Allgemeines Der Einsatz von feuchtevernetzenden K-PUR-en für die Herstellung von verklebten tragenden Holzbauteilen begann in Europa bereits Anfang der siebziger e in der Schweiz, wobei es sich hier hauptsächlich um Probeobjekte handelte. In den achtziger en entstand dann auch in Deutschland verstärkt das Interesse an der Anwendung der K-PUR-e für diesen Einsatzbereich. Gründe hierfür waren unter anderem die aufgrund der Eigenfarbe dieser e helle fuge, die Formaldehydfreiheit dieser e sowie anwendungstechnische Vorteile aufgrund der Tatsache, dass K-PUR-Produkte als einkomponentige Systeme vom Anwender ohne weitere Mischung direkt verwendet werden können. Dies führte auch in Deutschland zu ersten Aktivitäten bezüglich des Nachweises der Eignung von feuchtevernetzenden K-PUR-en für die Herstellung von verklebten tragenden Holzbauteilen. Schließlich wurde im 988 der erste konkrete Auftrag bezüglich der Prüfung eines K-PUR- es beim Otto-Graf-Institut als der in Deutschland für die Prüfung von en für tragende Holzbauteile zuständigen Stelle erteilt. Der bereits erfolgte Einsatz dieser familie bei der Herstellung von verklebten tragenden Holzbauteilen in der Schweiz sowie diesbezüglich beim Otto-Graf-Institut vorliegende Prüfergebnisse reichten bei weitem nicht aus, um eine verbindliche Aussage bezüglich eines Einsatzes dieser e zur Herstellung von verklebten tragenden Holzbauteilen zu treffen. Deshalb waren umfangreiche Versuche erforderlich. 2 Prüfung der ersten K-PUR-e 2. Kurzzeitprüfungen Die Prüfung der ersten beiden feuchtevernetzenden K- PUR-e (im weiteren und 2) auf Eignung zur Herstellung von verklebten tragenden Holzbauteilen erfolgte auf Basis der damals gültigen Norm zur Prüfung von Polykondensationsklebstoffen für tragende Holzbauteile, DIN 684:969-. Parallel dazu wurden zusätzliche Kurzzeit- *) Baudirektor Dipl.-Ing. Borimir Radovic ist Leiter des Referates für Holz, Holzwerkstoffe, Holzbau und Holzschutz beim Otto-Graf-Institut, Universität Stuttgart (FMPA); Dipl.-Ing. (BA) Claus Rothkopf ist zuständig für die Prüfung von en für tragende Holzbauteile im gleichen Referat. prüfungen zur Beurteilung folgender Eigenschaften durchgeführt: Einfluss von Fugendicke, Wartezeit und Raumklima auf die Bindefestigkeit des es Eignung des es zur Verklebung von Schiebeleimungen Zugscherfestigkeit des es in unterschiedlichen fugendicken bei hohen und niedrigen Temperaturen Beständigkeit des es im Delaminierungsversuch Eine ausführliche Beschreibung der durchgeführten Kurzzeitversuche sowie die erhaltenen Ergebnisse sind bereits in Bauen mit Holz /94 veröffentlicht worden. 2.2 Prüfungen bezüglich des Langzeitverhaltens der e unter Dauerlast Aufgrund des nur unzureichend bekannten Langzeitverhaltens der K-PUR-e unter Last war zusätzlich zu den Kurzzeitprüfungen die Durchführung von Prüfungen zur Beurteilung des Verhaltens der zwei e unter Dauerlast erforderlich. Hierfür wurden die nachfolgend beschriebenen Versuche durchgeführt Querzugprüfung an Proben aus Buchenholz unter Dauerlast bei wechselnden Klimaverhältnissen In Anlehnung an DIN 684:969-, Abschnitt 2.5, wurden mit den beiden en verklebte Querzugproben aus Buchenholz hergestellt und in einem auf einem Flachdach aufgebauten und bis auf den Boden allseitig transparenten Raum (im weiteren Glashaus) über eine Zeit von bis zu drei en mit einer Dauerlast entsprechend einer Querzugspannung von N/mm² belastet. Jeweils dieser Proben wurden nach 3 (nur ), 6, 2 und 36 Monaten ausgebaut und nach Ausklimatisierung im Normalklima 2/65 im Querzugversuch bis zum Erreichen der Höchstlast geprüft. Eine genaue Beschreibung der Prüfungsdurchführung sowie die Ergebnisse bis zu einem wurden bereits in bauen mit holz /94 veröffentlicht. Die kompletten Ergebnisse nach einer bis zu 3 en sind in der Tabelle aufgeführt. Dort sind auch die Ergebnisse für Querzugkörper aus Buchenholz ohne fuge, die zu einem früheren Zeitpunkt bezüglich des Einflusses von Lagerdauer, wechselnden Klimaverhältnissen und Dauerlast auf die Querzugfestigkeit geprüft wurden, aufgeführt. Die Auswertungen von Klimaaufzeichnungen zeigen, dass die Temperatur zwischen einem Minimalwert 2 Sonderdruck aus bauen mit holz 6/23

3 jährige Biegeversuche an Brettschichtholzträgern unter Dauerlast Bild : Schematische Prüfanordnung für Biegeversuch unter Dauerlast von ca. - C und einem Maximalwert von ca. +45 C und die relative Luftfeuchte zwischen einem Minimalwert von ca. 2 % rel. Feuchte und einem Maximalwert von % rel. Feuchte schwankte. Die täglichen Temperaturschwankungen betrugen bis zu 3 K und die Schwankungen bei der relativen Luftfeuchte bis zu 7 %. Wie aus Tabelle zu entnehmen ist, lässt die Querzugfestigkeit der Querzugproben ohne fuge unter den vorhandenen Prüfbedingungen mit der Zeit deutlich nach. Der auch bei den verklebten Proben festgestellte Abfall der Querzugfestigkeit ist hauptsächlich auf diese Tatsache zurückzuführen. Dafür spricht auch der in allen Versuchsreihen ermittelte hohe Holzbruchanteil. Der Abfall der Querzugfestigkeit der mit den beiden PUR-en verklebten Proben nach dreijähriger Belastung ist sogar geringer als der Festigkeitsabfall der Querzugproben ohne fuge. Diesbezüglich ist aber zu erwähnen, dass für die verklebten und die nicht verklebten Querzugprobengruppen Buchenholz aus unterschiedlichen Chargen verwendet wurde, so dass die ermittelten Unterschiede aller Wahrscheinlichkeit nach in der unterschiedlichen Holzqualität der Probengruppen zu suchen sind. Es wurden insgesamt sechs Brettschichtholzträger, jeweils zwei mit den beiden zu prüfenden en sowie zwei Vergleichsträger mit einem bewährten und für die Verklebung von tragenden Holzbauteilen anerkannten PRF-, hergestellt. Diese Träger wurden unter Dauerlast (m = 28 kg) in einer seitlich offenen Lagerhalle eingelagert. In Bild ist die Prüfanordnung der im Vierpunkt-Biegeversuch belasteten Brettschichtholzträger schematisch dargestellt, Bild 2 zeigt einen Prüfstand mit einem der Träger im Dauerstandversuch. Aus der Prüfanordnung ergibt sich eine maximale Biegespannung von rd. 4 N/mm² und eine maximale Schubspannung von rd.,2 N/mm², dies entspricht gemäß DIN 52 den zulässigen Biege- bzw. Schubspannungen für Brettschichtholz der Festigkeitsklasse BS 4. Seit dem Aufbringen der Dauerlast wird in regelmäßigen Abständen die zeitabhängige Durchbiegungszunahme der Träger gemessen. Über die Durchführung dieser Versuche sowie die in den ersten drei en erhaltenen Ergebnisse wurde ebenfalls bereits früher in bauen mit holz, Heft /94 und 2/97, berichtet. In der Zwischenzeit liegen Ergebnisse nach en Dauerlast vor, über diese Ergebnisse wird nachfolgend zusammenfassend berichtet. Aus den Klimaaufzeichnungen an den Prüfständen ergibt sich, dass während der bisherigen Laufzeit der Versuche die Tabelle : Ergebnisse der Prüfungen an Buche-Querzugproben unter Dauerlast Querzugproben mit Querzugproben mit 2 Querzugproben ohne fuge Art der Lagerung vor der Prüfung 5 Wochen im Normalklima 2/65 ohne Last 3 Monate mit, N/mm² 6 Monate mit, N/mm² mit, N/mm² 3 e mit, N/mm² Querzugfestigkeit Streubereich 7,6,24 8,3 8,36 9,87 8,5 6,82 8,42 Mittelwert ) B ruchbild H F Restfestigkeit in %, bezogen auf Prüfung ohne Last, /39 Querzugfestigkeit Streubereich 6,38 8,54 Mittelwert ) B ruchbild H F Restfestigkeit in %, bezogen auf Prüfung ohne Last 7, /74 Querzugfestigkeit Streubereich 8,28,2 Mittelwert Restfestigkeit in %, bezogen auf Prüfung ohne Last 9,42 9, /67 98, 8 9,2 89 /4 9, 5 9, /3 95, 7, /36 76, 9 6,8 8,22 5,25 8,2 3,22 5,84 6, /8 9, 4 6,4 92 8/75 84, 3 4,7 86 4/92 6, 8 ) H = Holzbruch außerhalb der fuge, F = Bruch in der fuge mit Angabe des Holzfaserbelages in % (Zahl hinter Schrägstrich) 3,64 8,24 3,27 5,44 6,28 66, 7 4,67 49, 6 Sonderdruck aus bauen mit holz 6/3 3

4 Bild 2: Prüfstand mit einem der Träger, belastet mit m = 28 kg Temperatur in der seitlich offenen Lagerhalle in Abhängigkeit von Tages- und eszeit zwischen einem Minimalwert von - C und einem Maximalwert von +32 C schwankte. Die relative Luftfeuchte schwankte über die Versuchslaufzeit zwischen einem Minimalwert von 5 % rel. Feuchte und einem Maximalwert von rd. % rel. Feuchte. Die vorhandenen Klimabedingungen ergaben an einer,5 m langen Vergleichsprobe aus Brettschichtholz mit gleichem Querschnitt wie die geprüften Träger bei Messung der Holzfeuchte in Trägerlängsmitte den in Diagramm dargestellten Holzfeuchteverlauf. Aus den ermittelten Anfangsdurchbiegungen f zu Belastungsbeginn sowie den zum Zeitpunkt t bestimmten Durchbiegungen f t wurden die Verhältniszahlen f t /f der Träger berechnet. Die so bestimmten Verhältniszahlen beschreiben die zeitabhängige Zunahme der Durchbiegung, d.h. die Kriechverformung der Prüfträger. Diagramm : Holzfeuchte einer Vergleichsprobe über die Versuchslaufzeit In Tabelle 2 ist für jeden der geprüften Träger die Verhältniszahl f t /f in Abhängigkeit von der Prüfdauer eingetragen. Aus der Verhältniszahl f t /f wurde für die einzelnen Träger der Verformungsbeiwert k def mit k def = f t /f bestimmt. Dieser ist für die sechs Träger über die bisherige Versuchsdauer von en in Diagramm 2 grafisch dargestellt. Wie aus Diagramm 2 zu entnehmen ist, ergeben sich nach der bisherigen Belastungsdauer von zehn en Verformungsbeiwerte k def von,82 und,7 für die beiden mit verklebten Träger,,56 und,54 für die beiden mit 2 verklebten Träger und,64 bzw.,56 für die beiden mit dem PRF- verklebten Träger. Im Entwurf zur neuen DIN 52 ist für Brettschichtholz für die Berechnung der Endverformung bei Einsatz in Nutzungsklasse 2 und ständiger Last ein Verformungsbeiwert k def von,8 vorgesehen. Fünf der sechs Träger liegen nach zehnjähriger Belastung deutlich unter diesem Wert, einer der beiden mit dem verklebten Träger liegt mit k def =,82 geringfügig über diesem Wert. Unter Zugrundelegung der gemessenen Durchbiegungen wurde für die sechs Träger außerdem die in Tabelle 3 dargestellte prozentuale jährliche Durchbiegungszunahme, bezogen auf die gesamte Durchbiegungszunahme in zehn en, berechnet. Tabelle 2: Verhältniszahlen f t /f in Abhängigkeit von der Prüfdauer Träger Nr verwendeter 2 2 PRF- PRF- Anfangs- f durchbiegung 4,4 5, 5, 4, 6 4, 6 4, 8 [mm] ( 52 Wochen,4,34,37,4,35 ( 4 Wochen,59,5,4,39,48,46 ( 56 Wochen,44,43,48 ( 28 Wochen,68,58,46,48,5 ( 262 Wochen,73,5,54,59 ( 3 Wochen,75,68,57,6 ( 362 Wochen,8,7,59,6 ( 45 Wochen,8,69,55,53,63 ( 467 Wochen,8,7,55,54 ( 523 Wochen,82,7,54 Diagramm 2: Verformungsbeiwerte k def der Prüfträger über einen Zeitraum von en Sonderdruck aus bauen mit holz 6/3 4

5 Tabelle 3: Prozentuale jährliche Durchbiegungszunahme der Träger, bezogen auf die gesamte Durchbiegungszunahme in en Träger Nr.. prozentuale jährliche Zunahme der Durchbiegung , 9 8, 3 5, 6 5, 6 5, 6 2, 8 5, 6, 4, , 4, 3 2, 9 8, 6 8, 6 5, 7 2, 9 -, 4 2, 9 -, , 7, 7 7, 3, 6 7, 3, 6 7, -, 8, , 4, 8, 8, 2, 4, 4, -, 2, 5 PRF 64, 4, 2 6, 8 6, 8 3, 4 3, 4 3, 4, 7 6 PRF 63 8, 5 3, 7 3, 7 3, 7 7, 4 Tabelle 4: Anzahl der positiv geprüften e, getrennt nach arten (Stand ) Anzahl der geprüften ) K lebstoffe typ Phenol- Resorcinarze Melaminharze K-PUR- Klebtoffe Harnstoffharze 2) h 2) 2),4) M F/MUF s U F zulassungen (spezielle Anwendungen) Gesamt ) geprüfte Harze, teilweise sind Harze mit mehreren Härtern oder Härter - anteilen geprüft und anerkannt Für Anwendung im Innen- und Außenbereic Für Anwendung im Innenbereic Fugendicke max.,3 m 2 ) h 3 ) h 4 ) m Aus Diagramm 2 ist zwar eine geringfügig höhere Durchbiegung sowie eine etwas stärkere wetterbedingte Schwankung der Durchbiegung bei den mit verklebten Trägern festzustellen. Die Durchbiegungszunahme ist aber bei allen geprüften Trägern, wie die Tabelle 3 zeigt, in den letzten drei en quasi zum Stillstand gekommen. 3 Industrieller Einsatz der K-PUR-e für die Verklebung tragender Holzbauteile in Deutschland In der Zwischenzeit sind weitere K-PUR-e in Bezug auf Ihre Eignung zur Herstellung verklebter tragender Holzbauteile positiv geprüft worden, der Anteil der K-PUR- e an den bei der Herstellung von verklebten tragenden Holzbauteilen in Deutschland verwendeten en ist deutlich gestiegen. In Tabelle 4 ist die aktuelle Anzahl aller positiv bezüglich Ihrer Eignung zur Herstellung verklebter tragender Holzbauteile geprüften e, Stand , aufgeführt. Derzeit sind insgesamt 8 e anerkannt, davon sind 46 PRF-e, 3 e auf Melaminharzbasis, 9 Harnstoffharzklebstoffe, 9 K-PUR-e und 3 in zwei allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen geregelte e für spezielle Einsatzbereiche (ein auf Melaminharzbasis und zwei EPI-e). Bei diesen Zahlen ist zu beachten, dass einige PRF-e zur Zeit entweder nicht oder nur in einer relativ kleinen Menge Anwendung finden. In Tabelle 5 ist für alle 7 Firmen, die im Besitz eines Nachweises zum Kleben von tragenden Holzbauteilen sind, die Anzahl der eingesetzten arten in Abhängigkeit vom herzustellenden Produkt aufgeführt. Die angegebenen Zahlen beruhen auf den beim Otto-Graf-Institut, Stand Januar 23, vorliegenden Angaben. Für die einzelnen Produktgruppen ist jeweils angegeben, welche typen von den Firmen für Keilzinken- und/oder nverklebung eingesetzt werden. Da von den Herstellern teilweise auch Produkte aus mehreren Produktgruppen hergestellt sowie mehrere typen eingesetzt werden, entspricht die Gesamtzahl der Hersteller und der e nicht der in der Liste der Firmen mit Eignungsnachweis zur Herstellung verklebter tragender Holzbauteile nach DIN 52 aufgeführten Anzahl. Die angegebenen Zahlen enthalten keine Angaben über die von den Herstellern produzierten Mengen tragender Holzbauteile bzw. über die Menge der eingesetzten e. Deshalb dürfen die aufgeführten Zahlen nur als Orientierung verstanden werden, wobei trotzdem zwei Dinge signifikant Produkte ) A nzahl der Hersteller Verklebung von Anzahl der eingesetzten 2) K lebstoffe Brettschichtholz auf Basis von Eignungs- nachweis A Brettschichtholz auf Basis von Eignungs- nachweis B Duo- und Triobalken nach Z Sonstiges Vollholz mit Keilzinkennach stoß DIN PRF MUF/ MF UF 8 PUR gesamt ) Teilweise werden von Herstellern mehrere Produkte hergestellt, deshalb ist die Summe der Herstelle r größer als die Anzahl der Firmen mit Eignungsnachweis Zahlen aufgrund der von den Produktherstellern beim Otto-Graf-Institut, Stand Januar 23, vor liegenden Angaben 2 ) - Tabelle 5: Anzahl der bei Firmen mit Eignungsnachweis zur Herstellung verklebter tragender Holzbauteile nach DIN 52 eingesetzten e in Abhängigkeit von den hergestellten Produkten 5 Sonderdruck aus bauen mit holz 6/23

6 sind. Zum einen entspricht die große Anzahl der geprüften und anerkannten PRF-e nicht mehr der Häufigkeit Ihrer Verwendung. Die PRF-Produkte wurden in den letzten en zu einem großen Teil von den MUF-Produkten, welche in jüngster Zeit teilweise auch bei getrenntem Auftrag von Harz und Härter für die nverklebung eingesetzt werden, verdrängt. Lediglich bei den Firmen, die Brettschichtholz mit Eignungsnachweis A herstellen, werden PRF-e noch relativ häufig verwendet. Zum anderen fällt der häufige Einsatz der K-PUR-e bei der Herstellung von Vollholz mit Keilzinkenstoß und Duo-/Trio-Balken auf, während PRF-e und UF-e bei der Herstellung dieser zwei Produktarten praktisch nicht zum Einsatz kommen. 4 Zusammenfassung Die Ergebnisse der inzwischen über zehn e laufenden Versuche an Kleinträgern unter Dauerlast zeigen, dass sich mit K-PUR-en verklebte Bauteile bei langfristiger Beanspruchung mit voller rechnerisch zulässiger Last zufriedenstellend verhalten. Auch aus der in der Zwischenzeit ca. acht e andauernden industriellen Anwendung der K-PUR-e in Deutschland sind bei Beachtung und Einhaltung der Verarbeitungsrichtlinien der Hersteller positive Erfahrungen zu verzeichnen gewesen und keine klebstoffbedingten Schadensfälle bekannt geworden. Bei der Verwendung von K-PUR-en sind die besonderen Eigenschaften dieser e zu beachten, vor allem das Aufschäumverhalten und die Feuchtereaktivität. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass zwischen den einzelnen K-PUR-en hinsichtlich ihrer Eigenschaften starke Unterschiede vorhanden sein können. Dies führte z.b. dazu, dass einer der beim Otto-Graf-Institut geprüften K- PUR-e sich aufgrund seiner Verarbeitungseigenschaften trotz positiver Prüfung in der Praxis nicht durchsetzen konnte. In Deutschland dürfen alle geprüften und anerkannten K-PUR-e grundsätzlich nur bis zu einer maximalen fugendicke von,3 mm eingesetzt werden. In den letzten en begann auch in weiteren europäischen Ländern die Verwendung von K-PUR-en für die Herstellung von verklebten, tragenden Holzbauteilen. Aufgrund der vorliegenden Erfahrungen wurde zwischenzeitlich mit der Erarbeitung einer EN-Norm für die Prüfung dieser familie begonnen. Es ist davon auszugehen, dass eine solche zukünftige Prüfnorm umfangreicher sein wird als die bestehende Prüfnorm DIN EN 3/32 für Phenoplastund Aminoplastharze, und mit Sicherheit auch Prüfungen bezüglich des Dauerstandverhaltens der e erforderlich sein werden. 623 Sempach-Station Switzerland Tel. +4 () Fax +4 () Purbond Inc. P.O. Box 839 Tacoma Washington 9848 USA Tel Fax Lot 8 Jalan Tukul 6/5 4 Shah Alam Selangor Malaysia Tel Fax Sonderdruck aus bauen mit holz 6/3 6