In Holz eingeklebte Verbindungsmittel aus Metall

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1 In Holz eingeklebte Verbindungsmittel aus Metall Vielfältiges neues Wissen steckt in der Holzbaunorm DIN 1052:2004. Neben der grundsätzlichen Umstellung auf das Nachweiskonzept über Teilsicherheitsbeiwerte sind in diversen Bereichen neue Erkenntnisse in die Norm eingeflossen. So werden z.b. neuere Entwicklungen wie die Holz-Beton-Verbundbauweise oder das Einkleben von Stahlstäben behandelt. Mit der Berücksichtigung des Einklebens von Stahlstäben trägt der Normenausschuss damit der Tatsache Rechnung, dass die Holz-Stahl-Klebetechnologie im Holzbau schon längere Zeit tägliche Praxis ist, z.b. im Bereich eingeklebter Gewindestangen für die Querzugsicherung von Brettschichtholzträgern. Dieser Bericht stellt für eingeklebte Stahlstäbe die Regelungen nach DIN 1052:2004 vor. Weiterhin werden Erkenntnisse aus Forschungsvorhaben am MPA Wiesbaden behandelt, die sich mit dem Einkleben von nicht stabförmigen Bauteilen aus Metall in Holz beschäftigen. Autoren: Prof. Dr.-Ing. Leander Bathon FH Wiesbaden Ingenieur-Holzbau und Baukonstruktion Dipl.-Ing. (TU) Dipl.-Ing. (FH) Oliver Bletz Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Holzbaulabor Vorteile von Holz-Stahl- Klebeverbindungen Holz-Stahl-Klebeverbindungen weisen eine Reihe positiver Eigenschaften auf. Grundsätzlich wird durch die Verwendung der innovativen Holz-Stahl-Klebeverbundtechnologie die Möglichkeit geschaffen, starre und gleichzeitig duktile Verbindungen auf einfache und kostengünstige Art auszuführen. Ein zusätzlicher positiver Aspekt ergibt sich zudem aus der Eigenschaft, dass Holz-Stahl-Klebeverbindungen beinahe den vollen Holzquerschnitt mit nur minimalen Querschnittsschwächungen aktivieren können. Dies ist bei herkömmlichen nachgiebigen mechanischen Verbindungsmitteln nicht der Fall. Weiterhin sind Holz-Stahl- Klebeverbindungen sehr ästhetisch, da sie von außen in der Regel nicht sichtbar sind. Das Stahlbauteil ist letztlich durch die innen liegende Positionierung im Holzbauteil sowie die umgebende Klebstoffschicht vor Korrosion geschützt. Regelungen zu eingeklebten Stahlstäben nach DIN 1052:2004 In der neu eingeführten DIN 1052:2004 werden eingeklebte Verbindungsmittel erstmals im Rahmen einer DIN-Norm thematisiert. Eingeklebte Stahlstäbe werden in DIN 1052:2004, Abschnitt 14.3 ausführlich behandelt. Folgende konstruktive Hinweise werden hierbei gegeben: Die Festlegungen gelten für Verbindungen von in Holz eingeklebten Gewindebolzen mit metrischem Gewinde nach DIN und Betonrippenstählen nach DIN mit Nenndurchmessern d, die mindestens 6 mm bzw. maximal 30 mm betragen (Abbildung 2 und Abbildung 3). Das Holz darf beim Einkleben eine Feuchtigkeit von höchstens 15% aufweisen, wobei die Holzfeuchte während des Einklebevorgangs am besten der Holzfeuchte des Bauteils im Gebrauchszustand entsprechen sollte. Bei Verwendung mehrerer in Gruppen angeordneten Gewindebolzen ist darauf zu achten, dass die Muttern der Gewindebolzen gleichmäßig angezogen werden, um eine gleichmäßige Lastverteilung zu erzielen. Eine solche gleichmäßige Lastverteilung kann durch die Verwendung von Drehmomentenschlüsseln erreicht werden. Eingeklebte Stahlstäbe können rechtwinkelig oder parallel zur Stabachse beansprucht werden. Für die Nachweise der Tragfähigkeit auf Abscheren bei einer Beanspruchung recht- Abb. 1: Parallel zur Faserrichtung eingeklebter Gewindestab winkelig zur Stabachse gelten im Allgemeinen die Bestimmungen, die auch bei stiftförmigen mechanischen Verbindungsmitteln bei Beanspruchung rechtwinkelig zur Stiftachse angewendet werden können. Es ist zu beachten, dass bei rechtwinkelig zur Faserrichtung eingeklebten Stahlteilen die charakteristischen Werte der Lochleibungsfestigkeit um 25% erhöht werden dürfen. Weitere Regelungen zu rechtwinkelig beanspruchten eingeklebten Stahlstäben sind in DIN 1052:2004, Abschnitt zu finden. Gemäß DIN 1052 sind die in Tabelle 1 sowie den Abbildungen 4 und 5 dargestellten Mindestabstände einzuhalten. Im Blickpunkt: DIN /

2 Im Blickpunkt: DIN 1052 Abb. 2: Oberflächenstruktur von a) Gewindestangen und b) Betonrippenstählen (aus [3]) Abb. 4: Mindestabstände von parallel zur Faserrichtung eingeklebten Stahlstäben bei rechtwinkeliger Beanspruchung zur Stabachse (Bild 51 aus DIN 1052:2004) Abb. 3: Beispiele für Gewindestangen mit verschiedenen Durchmessern Abb. 5: Mindestabstände von rechtwinkelig zur Faserrichtung eingeklebten Stahlstäben bei rechtwinkeliger Beanspruchung zur Stabachse (Bild 41 aus DIN 1052:2004) Tabelle 1: Mindestabstände für eingeklebte Stahlstäbe bei rechtwinkeliger Beanspruchung zur Stabsachse (Tabelle 8 und Tabelle 23 aus DIN 1052:2004) parallel zur Faserrichtung eingeklebte Stahlstäbe (BILD 51) a 2 a 2,c a 2,t a 1 5 d 2,5 d 4 d (3 + 2 cos ) d a 1,c 7 d sin (mindestens 3 d) rechtwinkelig zur Faserrichtung a 1,t 7 d (mindestens 80 mm) eingeklebte Stahlstäbe (BILD 41) a 2 3 d a 2,c 3 d a 2,t 3 d 14 2/2008

3 Bei eingeklebten Stahlstäben, die parallel zur Stabachse beansprucht werden, sind mit dem Versagen des Stahlstabes, dem Versagen der Klebefuge bzw. des Holzes entlang der Bohrlochwandung sowie dem Versagen des Holzbauteils grundsätzlich drei Versagensmechanismen zu berücksichtigen. Falls eine ungleichmäßige Beanspruchung der Verbindung laut DIN 1052:2004, Abschnitt , Satz 2 nicht ausgeschlossen werden kann, muss für die Tragfähigkeit der Verbindung die Tragfähigkeit des Stahlstabes und nicht die Festigkeit des Holzes oder der Klebefuge maßgebend sein. Der Bemessungswert des Ausziehwiderstandes von eingeklebten Stahlstäben berechnet sich nach Gleichung 1 und Tabelle 2 zu Gleichung 1: Bemessungswert des Ausziehwiderstandes mit f y,d A ef l ad d Bemessungswert der Streckgrenze des Stahlstabes Spannungsquerschnitt des Stahlstabes Einklebelänge des Stahlstabes Nenndurchmesser des Stahlstabes f k1,d Bemessungswert der Klebefugenfestigkeit unter Berücksichtigung der Einklebelänge des Stahlstabes gemäß Tabelle 3 Tabelle 2: Ermittlung des Bemessungswertes der Klebefugenfestigkeit (Tabelle F.23 aus DIN 1052:2004) Klebefuge zwischen wirksame Einklebelänge l ad des Stahlstabes Stahlstab und Bohrlochwandung 250 mm 250 mm < l ad 500 mm 500 mm < l ad 1000 mm f k1,k 4,0 5,25-0,005 l ad 3,5-0,0015 l ad Bei parallel zur Faserrichtung eingeklebten auf Zug beanspruchten Stahlstäben im am Ende des Stahlstabes ein Nachweis der Zugspannung im Holz zu führen. Als wirksame Querschnittsfläche des Holzes darf pro eingeklebtem Stahlstab eine maximale Fläche von 36 d 2 angesetzt werden. Weitere Regelungen sind in Abschnitt der DIN 1052:2004 zu finden. Die Mindestabstände für parallel zur Stabachse beanspruchte Stahlstäbe gemäß DIN 1052:2004 sind in Tabelle 3 und Abbildung 6 angegeben. Bei gleichzeitiger Beanspruchung von eingeklebten Stahlstäben auf Abscheren und Herausziehen ist der in Gleichung 3 dargestellte Nachweis einer kombinierten Beanspruchung zu führen. Gleichung 3: Nachweis bei kombinierter Beanspruchung Anwendungen Für eingeklebte Stahlstäbe lassen sich in der Baupraxis vielfältige Anwendungsmöglichkeiten finden. So existieren Ausführungsbeispiele für eingeklebte Stahl- stäbe z.b. bei Ausklinkungen im Auflagerbereich, bei Trägerdurchbrüchen, bei Fußpunktausbildungen von Stützen, bei gekrümmten Satteldachträgern zur Vermeidung von Querzugrissen im Firstbereich oder bei Biegestößen (Abbildung 7). Es wurden zudem auch Anwendungen bei Rahmenecken untersucht [7]. In DIN 1052:2004 werden konkrete Anwendungen für eingeklebte Stahlstäbe in Abschnitt 11.4 (Verstärkungen) behandelt. Eingeklebte Gewindebolzen nach DIN sowie eingeklebte Betonrippenstähle nach DIN werden unter (3) als Möglichkeit für innen liegende Abb. 6: Mindestabstände von parallel und rechtwinkelig zur Faserrichtung eingeklebten Stahlstäben bei paralleler Beanspruchung zur Stabachse (Bild 52 aus DIN 1052:2004) Im Blickpunkt: DIN 1052 Die Mindesteinklebelänge des Stahlstabes ist dabei nach Gleichung 2 definiert. Gleichung 2: Mindesteinklebelänge eines Stahlstabes Tabelle 3: Mindestabstände für eingeklebte Stahlstäbe bei paralleler Beanspruchung zur Stabsachse (Tabelle 24 aus DIN 1052:2004) parallel zur Faserrichtung eingeklebte a 2 5 d Stahlstäbe (BILD 52) a 2,c 2,5 d a 1 4 d rechtwinkelig zur Faserrichtung a 1,c 2,5 d eingeklebte Stahlstäbe (BILD 52) a 2 4 d a 2,c 2,5 d 2/

4 Im Blickpunkt: DIN 1052 Abb. 7: Anwendungsbeispiele für eingeklebte Stahlstäbe (aus [7]) Abb. 8: Am MPA Wiesbaden durchgeführte Untersuchung zur Temperaturbeständigkeit von in BSH eingeklebten Gewindestangen Verstärkungen genannt. Thematisiert werden im Einzelnen: Queranschlüsse, Rechtwinkelige Ausklinkungen an den Enden von Biegeträgern mit Rechteckquerschnitt, Durchbrüche bei Biegeträgern mit Rechteckquerschnitt, Gekrümmte Träger und Satteldachträger aus Brettschichtholz Hierbei sei darauf hingewiesen, dass für Durchbrüche gemäß DIN 1052:2004, Abschnitt 11.3 und für die Anwendung von eingeklebten Stahlstäben bei der Verstärkung von Trägerdurchbrüchen mit Rechteckquerschnitt gemäß DIN 1052:2004, Abschnitt durch das DIBt bzw. das DIN ein Warnhinweis vorliegt. Danach hat der im DIN für diese Norm zuständige Normenausschuss Änderungsbedarf für die Abschnitte 11.3 und angemeldet. Diese Durchbrüche dürfen derzeit nur mit einer Zustimmung im Einzelfall ausgeführt werden. Rechtliches Folgende rechtliche Anmerkungen sind für Holz-Stahl-Klebungen im Allgemeinen zu beachten: In DIN 1052:2004, Abschnitt 1, Satz 8 heißt es im Wortlaut: Diese Norm behandelt nicht den Entwurf, die Berechnung und die Bemessung von Bauwerken, die über längere Zeit etwa der Lasteinwirkungsdauer lang entsprechend Temperaturen von über 60 C ausgesetzt sind, abgesehen von veränderlichen Klimaeinwirkungen.. Damit liegt im Vergleich zu DIN 1052:1988 eine Veränderung vor, da bisher eine Temperatur von 50 C einzuhalten war. Die Anwendung von eingeklebten Stahlstäben nach DIN 1052:2004 setzt somit eine Temperaturbeständigkeit von Klebstoffsystemen bis 60 C voraus. Diese Temperaturbeständigkeit muss in Versuchen (Abbildung 8) nachgewiesen werden. Für ein zu verwendendes Klebstoffsystem muss ein Eignungsnachweis oder eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung vorliegen. Derzeit existiert in Deutschland kein Klebstoffsystem mit allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung für das Einkleben von Stahlstäben in Holzquerschnitte für Temperaturen bis 60 C. Aufgrund vorliegender positiver Untersuchungsergebnisse gehen die Autoren für das Jahr 2008 jedoch von der Ausstellung erster allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung durch das DIBt aus. Holz-Stahl-Klebungen dürfen von Unternehmen und Personen vorgenommen werden, die nachweislich über eine besondere Sachkunde verfügen. Die Betriebe müssen in diesen Fällen eine besondere Ausstattung aufweisen. Eine anerkannte Prüfstelle stellt die Bescheinigung für den Nachweis der Eignung zum Kleben von tragenden Holzbauteilen aus. Eingeklebte Bauteile aus Metall Am MPA Wiesbaden beschäftigt man sich seit einiger Zeit mit der Weiterentwicklung von Holz- Metall-Klebeverbindungen. Dabei wurden diverse Metallquerschnitte mit unterschiedlichen Klebstoffsystemen in Holz eingeklebt. Neben stählernen Gewindestangen wurden auch Rohrhülsen aus Stahl und Gusseisen sowie verzinkte und unverzinkte Streckmetalle und Lochbleche auf ihre Verwendbarkeit untersucht (Abbildung 9). Als Klebstoffsysteme kamen Polyesterharzmörtel, Verbundmörtel, einund zweikomponentige Polyurethanklebstoffe sowie 2K-Epoxidharze zum Einsatz. Grundsätzlich wurden sowohl theoretische Betrachtungen als auch praktische Versuche in den Versuchsräumen des Materialprüfamts Wiesbaden, Referat Holz durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen mündeten inzwischen in konkreten Bauvorhaben, z.b. dem Bau eines Riesenfußballs [5] oder dem Neubau einer Ausbildungsstätte [6]. Basierend auf den FuE- Ergebnissen konnten u.a. neue Lösungsansätze für die Herstellung von Stützeneinspannungen, Rah- 16 2/2008

5 Abb. 9: Zum Einkleben in Holz eingesetzte Stahlquerschnitte Abb. 10, 11, 12: Holzhohlkastenträger mit eingeklebten Streckmetallen in der Kontaktfuge (Fotos: LIGNOTREND) menecken [1], Zuganschlüssen, Knotenpunktausbildungen [5] und Trägern aus Brettschichtholz entwickelt werden. Im Folgenden wird ein Überblick über den Stand der Entwicklungen bei eingeklebten Streckmetallen und eingeklebten Rohrhülsen gegeben. Eingeklebte Streckmetalle Streckmetalle sind spezielle kaltumgeformte Stahlteile mit definierten Eigenschaften und Abmessungen, die in der bisherigen bautechnischen Anwendung der Verbindung von Balken oder Platten aus Holz mit einer Betondeckschicht zu Holz- Beton-Verbundkonstruktionen dienen [4]. Die verwendeten Streckmetalle besitzen eine Höhe von mindestens 9 cm. Sie werden mit einem 2K-Polyurethanklebstoff oder einem 2K-Epoxidharz in eine 4 cm tiefe und 3,2 mm breite Nut im Holzbauteil eingeklebt. Nach Aushärtung der Klebung wird der herausstehende Teil der Streckmetalle in die darüber angeordnete Stahlbetonplatte einbetoniert. Die Länge der Einbetonierung beträgt laut allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung Z mindestens 5 cm. Über Holz-Beton-Verbundkonstruktionen mit eingeklebten Streckmetallen wurde in Holzbau - die neuen quadriga bereits mehrfach berichtet (zuletzt in der Ausgabe 4/2007, [2]), so dass an dieser Stelle darauf verzichtet werden kann, im Speziellen darauf einzugehen. Im Rahmen der Zulassungsversuche wurden abweichend von der eigentlichen Holz-Beton- Verbundanwendung jedoch auch Untersuchungen an Holz-Holz-Prüfkörpern durchgeführt, die über eingeklebte Streckmetalle miteinander verbunden waren. Eine solche Anwendung wurde vor kurzem erstmals in der Praxis bei Brettschichtholz-Hohlkastenträgern eingesetzt. Abbildung 10 zeigt den Querschnitt eines solchen Hohlkastenträgers, der sich aus zwei vorgefertigten u- förmigen Teilquerschnitten zusammensetzt. Die in den Stegen der Teilquerschnitte eingeklebten Streckmetalle sorgen für eine kraftschlüssige Verbindung in der Kontaktfuge. Dieser Lösungsansatz stellt eine innovative Alternative für herkömmliche kraftschlüssige Verbindungen wie z.b. Nagelpressklebungen oder Schraubpressklebungen dar. Die Abbildungen 11 und 12 zeigen den Träger während der Herstellung. Eingeklebte Rohrhülsen Eingeklebte Rohrhülsen werden am MPA Wiesbaden seit längerer Zeit untersucht [8]. Die Untersuchungen behandeln dabei im Wesentlichen die Themenfelder Geometrie, Oberflächenbeschaffenheit, Materialart, Belastungsart, Randabstände und Anordnung der Rohrhülsen. Abbildung 13 zeigt exemplarisch Rohrhülsen mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen. Versuche an solchen eingeklebten Rohrhülsen haben gezeigt, dass die oben genannten Parameter wesentlichen Einfluss auf die Verbindungsmittelkapazität, z.b. unter Zugbeanspruchung haben. Die zuletzt getesteten Rohrhülsen vom Typ HSK-RV-T5 sind rohrförmige Verbundanker aus Stahl S235JR, die aus einem 3 mm starken Stahlrohr heraus gefräst werden und mit einem doppelseitigem Gewinde mit einer Steigung von 3,00 mm versehen sind. Die Kopfplatte enthält ein M16 Gewinde für mögliche Schraubenanschlüsse. Die 3 mm breiten und 100 mm langen Längsschlitze in dem Mantel der Rohrhülsen dienen einer guten Verteilung des Klebers und der Minimierung von Luftblasen. Die Rohrhülsen sind galvanisch verzinkt. Abbildung 14 zeigt den Schnitt durch einen Prüfkörper. In Abbildung 15 ist eine mögliche Im Blickpunkt: DIN /

6 Im Blickpunkt: DIN 1052 Abb. 13, 14, 15: Rohrhülsen, Schnitt, Anschlussvariante Abb. 16: Prüfkörper mit vier eingeklebten Rohrhülsen nach dem Versuch Holzversagen bei einer Zuglast von 450 kn Abb. 17, 18, 19, 20: Knotenpunktlösung, Haupt-/ Nebenträgeranschluss, Stützenfußpunkt, Geländeranschluss Anschlussvariante dargestellt. Zugversuche an in Holz (b/h = 8/8 cm) eingeklebten Rohrhülsen ergeben in Abhängigkeit der Oberflächen Zugkapazitäten von 80 kn bis 135 kn. Bei in Gruppen angeordneten Rohrhülsen stellt sich bei Einhaltung von Mindestabständen pro Rohrhülse Mindestfläche b/h = 8/8 cm eine Linearität hinsichtlich der Zugkapazität ein. Der in Abbildung 16 dargestellte Prüfkörper aus BS 11, b/h = 16/16 cm mit vier in einer Gruppe angeordneten Rohrhülsen zeigt deutlich die Kapazität der Holz-Stahl-Klebeverbindung mit Rohrhülsen. Bei einem Lastniveau von 450 kn (4 x 112,5 kn) kommt es zu einem Versagen des Holzquerschnittes. Eingeklebte Rohrhülsen scheinen somit prädestiniert zu sein für Anschlüsse, bei denen hohe Kräfte zu übertragen sind. Erste Ausführungsbeispiele für eingeklebte Rohrhülsen finden sich bei Knotenpunkten (Abbildung 17), Haupt-/Nebenträgeranschlüssen (Abbildung 18), Stützenfußpunkten (Abbildung 19) oder Geländeranschlüssen (Abbildung 20). Hierbei sei angemerkt, dass derzeit noch keine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung für dieses Verbindungssystem vorliegt. Zusammenfassung Die Holz-Metall-Klebetechnologie stellt eine neue leistungsstarke Variante zur Ausführung von Verbindungen dar. Die Vorteile dieser neuartigen Verbindungsmitteltechnologie sind beeindruckend: starr, duktil und mit nur minimaler Querschnittschwächung des Holzes bei vorhandener Ästhetik und vorliegendem Korrosionsschutz. Gleichzeitig ist das Anwendungspotenzial äußerst weitreichend. Aus Sicht der Autoren sind die Voraussetzungen für eine technisch abgesicherte Anwendung dieser Technologie inzwischen gegeben, da untersuchte Klebstoffsysteme existieren, die die Anforderungen der DIN 1052:2004 nach einer Temperaturbeständigkeit bis 60 C erfüllen. Sollten Klebstoffhersteller für diese Klebstoffsysteme, die über die geforderte Temperaturbeständigkeit bei gleichzeitig guter Verarbeitbarkeit verfügen, allgemeine bauaufsichliche Zulassungen erhalten, steht einer flächendeckenden Verbreitung dieser Technologie nichts mehr im Wege. Vielfältige Varianten für eingeklebte Metallteile sind denkbar Streckmetalle, Rohrhülsen und die in DIN 1052:2004 behandelten Stahlstäbe stellen erste Anwendungsbeispiele dar. Die Holz-Metall-Klebetechnologie steht am Anfang ihrer Entwicklung. Die Autoren sind davon überzeugt, dass mit der Klebetechnologie in der Zukunft neue Märkte für den Ingenieurholzbau erschlossen werden können. Literatur [1] Bathon, L.; Bletz, O.; Schmidt, J. (2006): Untersuchungsbericht zum Holz-Stahl- Klebeverbundsystem mit eingeklebten Lochblechen, Fachhochschule Wiesbaden, Holzbaulabor [2] Bathon, L.; Bletz, O. (2007): Zum Schwingungsverhalten von Holzdecken und Holz-Beton-Verbunddecken, HOLZBAU - die neue quadriga 4/2007, Seite [3] Blaß, H. J.; Ehlbeck, J.; Kreuzinger, H.; Steck, G. (2005): Erläuterungen zu DIN 1052: ; Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken, Herausgeber DGfH Innovations- und Service GmbH, München [4] Deutsches Institut für Bautechnik (2003): Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z Holz-Beton-Verbundsystem mit eingeklebten HBV-Schubverbindern [5] Fritzen, K. (2006): Ein bisschen Spaß muss sein, bauen mit holz 6/2006, Seite 5 7 [6] Jakob, S. (2007): Rahmenecke spezial, bauen mit holz 11/2007, Seite [7] Lippert, P. (2002): Rahmenecken aus Holz mit eingeklebten Gewindestangen, Mitteilungen Nr , Dissertation, Universität Stuttgart, Institut für Konstruktion und Entwurf [8] Schreyer, A.; Bathon, L.; Prion, H.: Determination of the Capacities of a new Composite Timber-Steel Connector System, Proceedings of the World Conference on Timber Engineering 2000, Whistler Resort, Vancouver, B.C. 18 2/2008