Aktuelle Forschungsthemen Auswirkungen des Auftrennens von BSH auf die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften

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1 Aktuelle Forschungsthemen Auswirkungen des Auftrennens von BSH auf die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften Vortrag im Rahmen des 2. Grazer Holzbau-Workshops 06 H. Unterwieser Graz, 23. Juni 2006

2 Inhalt Normative Festlegungen Theoretische Hintergründe + vorangegangene Forschungsprojekte Material, Prüfkörper, Versuchstechnik Vergleich der mechanischen Eigenschaften von aufgetrennter und nicht aufgetrennter Brettware Vergleich der mechanischen Eigenschaften der aufgetrennten und nicht aufgetrennten Träger Zusammenfassung 2

3 Normative Festlegungen Normative Festlegungen EN :2004 DIN 1052:2004 ON B :2004 EN 14080:2005 ON EN 1194:1999 DIN EN 390:1995 b = mm h = mm EN 386:2002 EN :2005 DIN :2003 ON DIN : Wird die Sortierung vor der Bearbeitung ausgeführt, gilt die Sortierklasse als unverändert, wenn die ( ) Verringerung der Maße bei Abmessungen bis 100 mm nicht mehr als 5 mm bzw. bei Abmessungen größer als 100 mm nicht mehr als 10 mm beträgt. Ist die Verringerung ( ) größer, ist das Bauholz neu zu sortieren Weitere Bearbeitung (visuelle Sortierung) Für Schnittholz, dessen Querschnittsmaße ( ) um nicht mehr als 5 mm bei Querschnittsmaßen bis 100 mm bzw. 10 mm bei ( ) über 100 mm reduziert werden, gilt die ( ) bestimmte Sortierklasse. Bei größerer Reduzierung ( ) ist eine erneute Sortierung erforderlich. 3

4 Theoretische Hintergründe Einflussparameter Größeneffekt - direkter Größeneinfluss resultiert aus zufälliger Verteilung von Schwachstellen kleineres Volumen = höhere Festigkeitseigenschaften (wird durch das Auftreten statistisch verteilter Diskontinuitäten bewirkt) [Quelle: Schickhofer et al., 1996] 4

5 Theoretische Hintergründe Einflussparameter Größeneffekt - direkter Größeneinfluss resultiert aus zufälliger Verteilung von Schwachstellen kleineres Volumen = höhere Festigkeitseigenschaften (wird durch das Auftreten statistisch verteilter Diskontinuitäten bewirkt) Theoretischer Hintergrund: Weakest Link Theory für spröd brechende Werkstoffe Jede Kette ist so stark wie ihr schwächstes Glied 3-parametrige Weibullverteilung: Vergleich der Festigkeiten unter Berücksichtigung der Versagenswahrscheinlichkeit und der Volumina Ableitung von Längen-, Breiten- und Höheneffekt σ 2 V = σ1 V k L = L 1 2 m l b b 1 2 m b m h h1 h 2 Kraftumlagerungen im Querschnitt und strukturelle Holzeigenschaften werden nicht berücksichtigt 5

6 Theoretische Hintergründe Einflussparameter Größeneffekt - indirekter Größeneinfluss untersucht von N. Burger für Zugfestigkeiten von Brettware resultiert aus dem Zusammenhang zwischen den festigkeitsbeeinflussenden strukturellen Holzeigenschaften und Schnittholzabmessungen besonders ausgeprägt für: Ästigkeit (aber auch für Rohdichte, Jahrringbreite etc.) nach N. Burger, 1998: kleinere Breite kleinere Zugfestigkeiten größere Länge kleinere Zugfestigkeiten Einflüsse: - Bereiche des gewählten Einschnittes der Bretter (Breite) - gewählter Stammdurchmesser bzw. Stammbereich - Abmessungen (Länge, Breite, Dicke) - Sortierung (unsortiert, visuell-, maschinell sortiert) Höhe des indirekten Größeneinflusses ist abhängig von der bezogenen Abmessung bzw. der betrachteten Quantile (5 % oder 50 %) 6

7 Theoretische Hintergründe Einflussparameter Größeneffekt - Kombination des direkten und indirekten Größeneinflusses beide Einflüsse wirken gemeinsam Größe ist abhängig von der bezogenen Abmessung (Breite, Länge) bzw. der betrachtenden Quantile (5 % oder 50 %) Einfluss der Länge: direkter und indirekter Größeneinfluss sind gleichgerichtet, d. h. sie verstärken sich (Beispiel: Zugfestigkeiten von Brettware, N. Burger, 1998) Einfluss der Breite: direkter und indirekter Größeneinfluss können entgegengerichtet sein (abhängig von der Sortierklasse; Beispiel: Zugfestigkeiten von Brettware, N. Burger, 1998) [Quelle: Burger, 1998] 7

8 Theoretische Hintergründe Einflussparameter der Sortierung - Ast (Einzelast, Astansammlung): Ästigkeit bezieht sich auf Breite b Beispiel Seitenast: Brett b/h = 210/40 mm, Sortierklasse S13 max. a = 42 mm max A = 42 / b = 0,20 Auftrennen auf 100 mm max. a = 42 mm max A = 42 / 100 = 0,42 S7 - Häufigkeitsverteilung von Ästen ermittelt an 650 BSH-Brettern mit b = 150 mm selteneres Auftreten großer Astdurchmesser nach Auftrennen mehr kritische Äste im Querschnitt als für nicht aufgetrennte Breite = erhöhte Versagenswahrscheinlichkeit [Quelle: Intelliwood, Schickhofer, Augustin, 2001] 8

9 Zusammenfassung - Beeinflussung der Eigenschaften der Brettware durch: Stammeigenschaften (Durchmesser, Stammbereich) Einschnitt der verschiedenen Breiten (marknah, markfern, Verhältnis des Stammdurchmessers zur Brettbreite) und Sortierung dadurch: - Unterschiede der mechanischen Eigenschaften (Rohdichte, Festigkeit und Steifigkeit) bezüglich der Lage im Stamm - Unterschiede der mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit) in Abhängigkeit der Abmessungen - Beeinflussung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Ästigkeitswerten - Effekte beim Auftrennen der Brettware: Ästigkeitswerte nehmen zu (Bezug auf b/2) - Effekte beim Auftrennen der BSH-Träger: Zusätzliche Berücksichtigung des Lamelliereffekts im Träger Theoretische Hintergründe bekannte indirekte Größeneffekte gelten nicht mehr (Verhältnis Querschnittsabmessung zu Ast ist nicht mehr natürlich ) Wichtig: Welche Querschnittsabmessungen werden aufgetrennt (z. B. 210 mm auf 100 mm oder 80 mm auf 40 mm) bzw. welche Sortierklasse und welcher Einschnitt Einfluss der aufzutrennenden Ausgangsbreite des Trägers (Auswirkungen der direkten und indirekten Größeneinflüsse; Einfluss der Sortierklasse bzw. Art der Sortierung) 9

10 Vorangegangene Forschungsprojekte Einfluss des Auftrennens von Brettschichtholz auf die Festigkeit, TU Graz, 2002, R. Jöbstl - Brettware 210/36 mm, Sortierklasse S13 - visuelle Sortierung nach ON DIN 4074: Zugprüfungen mit E-Modulmessung von 105 Brettern der Sortierklasse S13 b/d = 210/36 mm 105 Bretter, S13 Serie 10xx, 52 # Serie 20xx, 53 # Serie 21xx Serie 22xx - Ziel: Feststellung der Auswirkungen des Auftrennens von Brettware auf die Sortierklasse bzw. die mechanischen Eigenschaften 10

11 Vorangegangene Forschungsprojekte - Einfluss des Auftrennens auf die visuelle Sortierung 100% 90% 80% 38,8% 28,6% 70% 60% 50% 40% 30% 80,8% 81,1% 40,8% 49,0% S 13 S 10 S 7 < S 7 20% 10% 0% 19,2% 17,0% 1,9% 10xx 20xx 20,4% 20,4% 2,0% 21xx 22xx Auswirkung des Auftrennens: - Mehr als 50 % einer Sortierklasse müssen eine Sortierklasse niedriger eingestuft werden 11

12 Vorangegangene Forschungsprojekte - Einfluss des Auftrennens auf die Zugkenngrößen E t,0 und f t,0 Zug-E-Modul der Serie 22xx [N/mm²] Korrelation der Zug-E-Moduln der zugehörigen Lamellen der Serien 21xx und 22xx Zugfestigkeiten der Serie 22xx [N/mm²] Korrelation der Zugfestigkeiten der zugehörigen Lamellen der Serien 21xx und 22xx Zug-E-Moduln der Serie 21xx [N/mm²] Zugfestigkeiten der Serie 21xx [N/mm²] Auswirkung des Auftrennens: - Zug-E-Modul: kein Einfluss auf den Mittelwert, Serien können in die Sortierklasse S13 eingestuft werden; Unterschiede einzelner Kennwerte bis zu 24 % - Zugfestigkeit: Serien können nur in die Sortierklasse S7 eingestuft werden; Unterschiede einzelner Kennwerte bis zu 60 % (sehr hohe Streuung) 12

13 Vergleich der mechanischen Eigenschaften Teilprojekt P05 grading: Auftrennen von BSH - Versuchsumfang Vier-Punkt-Biegeversuche mit E-Modulmessung von BSH-Trägern, aufgetrennt und nicht aufgetrennt Zugprüfungen mit E-Modulmessung der zugehörigen Brettware, MS17 auch aufgetrennt - Ziel Ermittlung der Festigkeits- und Steifigkeitskenngrößen der BSH-Träger, Festlegung der erreichten Festigkeitsklasse und Vergleich der Ergebnisse der aufgetrennten und nicht aufgetrennten Serien Ermittlung der Festigkeits- und Steifigkeitskenngrößen der Brettware, Rückschluss auf das Trägerpotential und Vergleich der Ergebnisse der aufgetrennten und nicht aufgetrennten Brettware Weiterführend: Untersuchung weiterer BSH-Serien mit unterschiedlichen Aufbauten (homogen, kombiniert) bzw. Abmessungen, vorrangig Festigkeitsklasse GL24 bzw. GL28 13

14 Vergleich der mechanischen Eigenschaften Querschnitte und Aufbauten - Serie 1 Serie 1_NA: b/h = 80/300 mm Serie 1_A: b/h = 38/300 mm - Serie 2 Serie 2_NA: b/h = 95/300 mm Serie 2_A: b/h = 45/300 mm MS13 (Serie 2: nordisch) - Serie 3 Serie 3_NA: b/h = 90/300 mm Serie 23_A: b/h = 45/300 mm + Zugprüfung der aufgetrennten MS17-Brettware, b/d = 45/40 mm MS17 MS13 MS10 (Serie 2: nordisch) MS10 MS13 (Serie 2: nordisch) MS13 MS17 14

15 Vergleich der mechanischen Eigenschaften: Brettware MS17 - Vergleich der aufgetrennten Bretthälften: Zugkenngrößen E t,0 und f t,0 Vergleich der Zug-E-Moduln nach EN 408 Vergleich der lokalen Zug-E-Moduln E t,0,en408 der beiden Bretthälften Bretthälfte 02: E t,0,en408 [N/mm²] MS17, aufgetrennt R 2 = 0,3828 MS17 aufgetrennt E t,0 MS17 MW COV 12,3 % 14,2 % Faktor 1, Bretthälfte 01: E t,0,en408 [N/mm²] Auswirkung des Auftrennens: - Zug-E-Modul: Verringerung des Mittelwertes um 6 % Einstufung der Serie in die Sortierklasse MS17 möglich; Unterschiede einzelner Kennwerte bis zu 27 % 15

16 Vergleich der mechanischen Eigenschaften: Brettware MS17 - Vergleich der aufgetrennten Bretthälften: Zugkenngrößen E t,0 und f t,0 70,0 65,0 Vergleich der Zugfestigkeiten f t,0 der beiden Bretthälften MS17, aufgetrennt Vergleich der Zugfestigkeiten f t,0 Bretthälfte 02: f t,0 [N/mm²] 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 R 2 = 0,2124 MS17 aufgetrennt MW 44,0 46,9 COV 30,3 % 28,8 % f t,0,k 20,7 Faktor 1,29 MS17 26,7 25,0 20,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 55,0 60,0 65,0 70,0 Bretthälfte 01: f t,0 [N/mm²] Auswirkung des Auftrennens: - Zugfestigkeit: Verringerung der charakteristischen Zugfestigkeit um 29 % Differenz von 2 Festigkeitsklassen; Unterschied einzelner Kennwerte > 100 % 16

17 Vergleich der mechanischen Eigenschaften: BSH aufgetrennt - Vergleich der aufgetrennten Trägerhälften: Biegekenngrößen E m,l und f m Vergleich der Biege-E-Moduln nach EN 408 BSH 45/300 mm Trägerhälfte 02: E m,0,lokal,12 [N/mm²] R 2 = 0, Trägerhälfte 01: E m,0,lokal,12 [N/mm²] Auswirkung des Auftrennens: - Biege-E-Modul: geringe Unterschiede einzelner Kennwerte bis 6 %; R² = 0,48 = mittlerer Zusammenhang der Kenngrößen beider Trägerhälften 17

18 Vergleich der mechanischen Eigenschaften: BSH aufgetrennt - Vergleich der aufgetrennten Trägerhälften: Biegekenngrößen E m,l und f m 60,0 Vergleich der Biegefestigkeiten f m,0 der beiden Trägerhälften BSH 45/300 mm Vergleich der Biegefestigkeiten Trägerhälfte 02: f m,0 [N/mm²] 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 R 2 = 0,146 25,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 55,0 Trägerhälfte 01: f m,0 [N/mm²] Auswirkung des Auftrennens: - Biegefestigkeit: Unterschiede einzelner Kennwerte bis 50 %; R² = 0,15 schwacher Zusammenhang der Kenngrößen beider Trägerhälften 18

19 Vergleich der mechanischen Eigenschaften: BSH-Serien 99% Lokaler Biege-E-Modul E m,l nach EN 408 Summenhäufigkeit der lokalen Biege-E-Moduln nach Normalverteilung der BSH- Serien 1, 2 und 3 Serie 1_A COV = 5,0 % NA Serie 1_NA A COV = 5,8 % 95% 90% Serie 3_A Serie 2_A Serie 3_NA Serie 2_NA Summenhäufigkeit [%] 75% 50% 25% 10% 5% Verhältnisse E m,l,a /E m,l,na (Bezug auf A-Serien) MW Serie 1 1,02 1% lokaler Biege-E-Modul [N/mm²] 19

20 Vergleich der mechanischen Eigenschaften: BSH-Serien 99% Lokaler Biege-E-Modul E m,l Summenhäufigkeit der lokalen Biege-E-Moduln nach Normalverteilung der BSH- Serien 1, 2 und 3 Serie 1_A Serie 1_NA A NA COV = 3,3 % COV = 6,9 % 95% 90% Serie 3_A Serie 2_A Serie 3_NA Serie 2_NA Summenhäufigkeit [%] 75% 50% 25% 10% 5% Verhältnisse E m,l,a /E m,l,na (Bezug auf A-Serien) MW Serie 1 1,02 Serie 2 1,00 1% lokaler Biege-E-Modul [N/mm²] 20

21 Vergleich der mechanischen Eigenschaften: BSH-Serien Lokaler Biege-E-Modul E m,l Summenhäufigkeit der lokalen Biege-E-Moduln nach Normalverteilung der BSH- Serien 1, 2 und 3 COV = 5,7 % NA 99% Serie 1_A Serie 1_NA A 95% Serie 3_A Serie 3_NA COV = 6,4 % 90% Serie 2_A Serie 2_NA Summenhäufigkeit [%] 75% 50% 25% 10% 5% 1% Verhältnisse E m,l,a /E m,l,na (Bezug auf A-Serien) MW Serie 1 1,02 Serie 2 1,00 Serie 3 0, lokaler Biege-E-Modul [N/mm²] 21

22 Vergleich der mechanischen Eigenschaften: BSH-Serien Biegefestigkeit f m 99% Summenhäufigkeit der Biegefestigkeit nach Normalverteilung der BSH- Serien 1, 2 und 3 NA A COV = 15,2 % COV = 13,9 % Serie 1_A Serie 1_NA 95% Serie 3_A Serie 3_NA Summenhäufigkeit [%] 90% 75% 50% 25% Serie 2_A Serie 2_NA Verhältnisse f m,a /f m,na (Bezug auf A-Serien) MW 5 %-Quantil 10% Serie 1 1,04 1,01 5% 1% 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 55,0 60,0 Biegefestigkeit [N/mm²] 22

23 Vergleich der mechanischen Eigenschaften: BSH-Serien Biegefestigkeit f m 99% Summenhäufigkeit der Biegefestigkeit nach Normalverteilung der BSH- Serien 1, 2 und 3 COV = 14,6 % A Serie 1_A Serie 1_NA NA COV = 15,3 % 95% Serie 3_A Serie 3_NA Summenhäufigkeit [%] 90% 75% 50% 25% Serie 2_A Serie 2_NA Verhältnisse f m,a /f m,na (Bezug auf A-Serien) MW 5 %-Quantil 10% Serie 1 1,04 1,01 5% Serie 2 0,90 0,90 1% 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 55,0 60,0 Biegefestigkeit [N/mm²] 23

24 Vergleich der mechanischen Eigenschaften: BSH-Serien Biegefestigkeit f m Summenhäufigkeit [%] 99% 95% 90% 75% 50% 25% 10% 5% 1% Summenhäufigkeit der Biegefestigkeit nach Normalverteilung der BSH- Serien 1, 2 und 3 Serie 1_A Serie 3_A Serie 2_A Serie 1_NA Serie 3_NA Serie 2_NA A COV = 15,7 % NA COV = 15,2 % Verhältnisse f m,a /f m,na (Bezug auf A-Serien) MW 5 %-Quantil Serie 1 1,04 1,01 Serie 2 0,90 0,90 Serie 3 0,94 0,94 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 55,0 60,0 Biegefestigkeit [N/mm²] 24

25 Zusammenfassung und Ausblick Auswirkungen des Auftrennens der MS17-Brettware - Zug-E-Modul: Verringerung des Mittelwertes um 6 % Kennwert entspricht der Sortierklasse MS17 einzelne Unterschiede bis zu 27 % - Zugfestigkeit: Verringerung der charakteristischen Zugfestigkeit um 29 % Kennwert entspricht der Sortierklasse S13 einzelne Unterschiede bis > 100 % 25

26 Zusammenfassung und Ausblick Auswirkungen des Auftrennens der BSH-Träger - Biege-E-Modul: unveränderter Mittelwert bei allen Serien Einstufung in die gleiche Festigkeitsklasse möglich Serie 1 zeigt Tendenz, dass die aufgetrennte Serie höhere Kennwerte besitzt (2 %) Größeneffekt - Biegefestigkeit: Serie 1 zeigt Tendenz, dass die aufgetrennte Serie höhere Kennwerte besitzt (4 %) Einstufung in die gleiche Festigkeitsklasse Serien 2 und 3: aufgetrennten Serien fallen um eine Festigkeitsklasse ab Serie 1_NA Serie 1_A Serie 2_NA Serie 2_A Serie 3_NA Serie 3_A [N/mm²] [N/mm²] [N/mm²] [N/mm²] [N/mm²] [N/mm²] f m,k* ohne k size 28,4 29,1 32,6 30,3 32,6 31,2 f m,k* mit k size 25,9 25,3 29,5 26,6 29,7 27,4 * nach pren 14358:2002 gleicher Aufbau, gleiche Sortierklassen! 26

27 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung - Auftrennen der Brettware: kann beträchtliche Einflüsse auf die mechanischen Kenngrößen besitzen abhängig von: Wuchsbedingungen, Stammdaten Einschnitt, Lage im Stamm Sortierklasse, Sortierparameter (vor allem Ästigkeit) Brettausgangsbreite bzw. betrachtete mechanische Kenngröße - Auftrennen von BSH-Trägern: besitzt Einflüsse auf die mechanischen Kenngrößen (vor allem Festigkeit) abhängig von: Querschnittsaufbau, Grundmaterial (Potential der Lamelle) Festigkeitsklasse Trägerausgangsbreite bzw. betrachtete mechanische Kenngröße untersuchte Träger haben spezielle Abmessungen besessen, daher: Vorschlag eines Versuchsprogramms mit handelsüblichen BSH-Abmessungen (b = 80 mm bzw. 100 mm) und Festigkeitsklassen (BS11) Vergleich der aufgetrennten Breiten mit natürlich gewachsenen Breiten 27

28 Kontakt DI Helene Unterwieser Forschung und Entwicklung +43 (0) Inffeldgasse 24, A-8010 Graz