EP1586430B1 - Aus Holzlamellen aufgebautes Tragelement - Google Patents

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EP1586430B1
EP1586430B1 EP05405187A EP05405187A EP1586430B1 EP 1586430 B1 EP1586430 B1 EP 1586430B1 EP 05405187 A EP05405187 A EP 05405187A EP 05405187 A EP05405187 A EP 05405187A EP 1586430 B1 EP1586430 B1 EP 1586430B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
adhesive
structural member
wood
load
thickness
Prior art date
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Active
Application number
EP05405187A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1586430A1 (de
Inventor
Urs Fankhauser
Maurice Brunner
David Schröder
Isabel Engels
Frédéric Pichelin
Balz Gfeller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ed Geistlich Soehne AG fuer Chemische Industrie
Original Assignee
Ed Geistlich Soehne AG fuer Chemische Industrie
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Filing date
Publication date
Application filed by Ed Geistlich Soehne AG fuer Chemische Industrie filed Critical Ed Geistlich Soehne AG fuer Chemische Industrie
Priority to SI200530071T priority Critical patent/SI1586430T1/sl
Publication of EP1586430A1 publication Critical patent/EP1586430A1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27M—WORKING OF WOOD NOT PROVIDED FOR IN SUBCLASSES B27B - B27L; MANUFACTURE OF SPECIFIC WOODEN ARTICLES
    • B27M3/00—Manufacture or reconditioning of specific semi-finished or finished articles
    • B27M3/0013—Manufacture or reconditioning of specific semi-finished or finished articles of composite or compound articles
    • B27M3/0026—Manufacture or reconditioning of specific semi-finished or finished articles of composite or compound articles characterised by oblong elements connected laterally
    • B27M3/0053—Manufacture or reconditioning of specific semi-finished or finished articles of composite or compound articles characterised by oblong elements connected laterally using glue

Definitions

  • the invention relates to a constructed of wooden slats supporting element having the features of the preamble of claim 1, which from the US 6,565,959 is known.
  • the beam made of glued laminated timber offers many advantages in terms of dimensional stability or smaller variations in the material properties compared to solid wood beams. In addition, much larger cross sections of wood can be produced. The application of glulam is widespread in modern timber engineering.
  • ductility is an essential material property.
  • the brittle cast iron hardly has a chance to be used instead of the ductile structural steel.
  • Wood has disadvantages in this central building material property.
  • the US 5,891,550 describes a wooden beam of individual slats, which is optimized for a pressure load.
  • the lamellae are arranged one above the other in horizontal planes, the load acting perpendicular to the surface defined by the lamellae.
  • the upper and lower quarters of the timber girder reinforcement slats can be inserted.
  • Essential for the US 5,891,550 to improve the behavior of the timber carrier on load stress is the alignment of the annual ring areas in the individual slats.
  • the WO 96/13361 describes a process for the production of wood products from glued triangular supports.
  • the WO 03/070438 describes a method for bonding such timber beams.
  • the features of the preamble of claim 1 are known from US 6,565,959 in which a lamellar construction with a thin adhesive layer is disclosed.
  • the adhesive layer has there a thickness of 0.002 to 0.004 inches, corresponding to 0.0508 to 0.1016 millimeters, on.
  • For a high load capacity of the support element is in the US 6,565,959 proposed the use of fibers, since then the never quite smooth adjacent wood surfaces of the individual slats continue to be in direct contact with each other.
  • each layer has a flow point which is smaller than the bending strength of the adjacent higher loaded wood lamella and that each adhesive layer is 0.1 to 5 millimeters, preferably between 0.5 and 2 millimeters thick.
  • the adhesive according to the invention behaves ductile under shear stress.
  • both bending moments and transverse forces occur as stresses.
  • the transverse forces generate shear stresses in the adhesive layer, while the bending moment causes, inter alia, bending stresses in the wood material.
  • the flow limit of the ductile adhesive is adjusted to reach before the flexural strength in the outer wood blades is reached.
  • the invention is based on the insight that the load of a cross section of a plurality of ductile individual elements is higher than the carrying capacity of a cross section of brittle material with the same nominal strength. It has now been possible with the invention to extract the ductile material from the individual elements and to work out the entire cross-section as a ductile material by using a suitable adhesive.
  • An essential element of the invention is the use of a ductile adhesive, wherein the adhesive should have a smaller flow limit than the threshold at which the timber structure fails, more precisely fail to the adjacent wooden slats.
  • Wood as a building material behaves in a compressively ductile manner.
  • the failure of a wooden beam occurs on the brittle bending side.
  • the flowing adhesive in the wooden support element according to the invention ensures that, as the load increases, the stress in each individual element or lamella is kept below the critical flexural strength f M.
  • the adhesive which is suitable for the gluing of wooden slats, preferably has a flow limit between 1.5 and 3.0 Pa. These values apply, for example, to the material spruce. For wooden support elements of other types of wood such as larch, pine or oak arise from the following description for the expert directly the limits for an adhesive that meets the conditions according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a laboratory test for determining the behavior of a simply supported wooden support element 1 under load with a force F D.
  • the wooden support member 1 is placed on both sides on a fixed 2 or a floating 3 bearings.
  • the force F D acts on two locations 3, each with 50% of the total force F D.
  • this will depend on the use of the wooden support element 1 and it may be a single central load with the total force F D or more than two distributed loads may occur.
  • the wooden support member 1 bends through, for example, the lower surface 4 of the timber support member 1 positioned according to the dashed line 5.
  • the distance between the rest position without loading the lower surface 4 of the timber support member 1 and the position under load is the deflection and is referred to herein as deflection ⁇ .
  • deflection ⁇ The behavior of a wooden support element 1 according to the invention will be apparent from the graph in FIG. 5.
  • FIG. 2 shows a combined schematic representation of the cross-sectional structure of a wooden support element 1 (in the left half of the figure) and the curve of the bending frictional stresses f M in the wood support element (in the right half of the figure).
  • the wooden support member 1 consists of a plurality of fins 6. Under lamella 6 is an elongated board to understand the thickness is small against the width. Thus, a plurality of sixteen fins 6 construct a wooden support member 1 here. In the illustration of FIG. 2, this wooden support element 1 is approximately twice as thick as it is wide. These proportions are chosen by the skilled person after the application and can vary widely. As examples, the following configurations can be carried out: Each board 6 is between 30 and 40 millimeters thick. The width of each board 6 and thus a support element 1 is in particular between 40 and 220 millimeters, with custom-made, for example, 260 millimeters are possible.
  • the overall height of a support element is essentially determined by the number of boards 6 and their thickness, for example, at sixteen boards 6 and a thickness of 40 millimeters per board 6 655 millimeters at a glue layer thickness of 1 millimeter.
  • the glue layer is usually between 0.5 and 2 millimeters thick. But it can also have a small thickness of 0.1 millimeters to a thickness of 5 millimeters.
  • the individual lamellae 6 (or boards) are glued together at the interfaces 7.
  • the wooden support element is now subjected to bending until it breaks.
  • a classic wooden support element 1 results in a course of the stresses with a maximum value corresponding to the flexural strength f M over the bar height.
  • the center line 11 shows that compressive stresses occur in the upper part of the beam, while tensile stresses prevail in the lower part.
  • the stress 8 increases from a pressure value 18 in the size of -28 N / mm 2 for the uppermost lamella 6 to a tensile value 28 in the magnitude of +28 N / mm 2 for the lowest lamella 6.
  • the invention now provides a possibility to divide the course of the bending stresses in cross section differently, so that the curve 38 results.
  • the essential aspect of the invention lies in the bonds between the lamellae 6, that is to say on the adhesive layers in the region of the interfaces 7, based on the material behavior of the adhesive used.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a test setup for determining the adhesive behavior at a shear load F S.
  • a first lamella 16 is placed vertically on a base 9.
  • the lamella 16 is adhesively bonded to a second lamella 26.
  • the adhesive is in a layer 17 between the interfaces 7.
  • the adhesive layer 17 is not shown to scale. In most cases, the thickness of the adhesive layer ranges between 0.5 and 2 millimeters.
  • FIG. 3 shows the state of the two connected lamellae 6 and 16 under the action of a shearing force F S , which acts on the narrow upper side of the lamella 26.
  • F S a shearing force
  • the slat has 26 relative to the lamella 16 in the longitudinal direction and thus displaced parallel to the plane of the boundary surfaces 7 by an amount z.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of the measurement results of the structure according to FIG. 3 with the representation of the force F S against the measured deformation z for a classic adhesive with the dashed curve 21 and for an adhesive according to the invention according to the curve 22.
  • the deformation z that is to say the shear of the originally cuboid adhesive volume, increases proportionally to the applied force, so that the adhesive volume in the cross section corresponding to FIG .3 turned into a parallelogram. It depends on the choice of the comparative adhesive, whether the slopes of the curves 21 and 22 are the same or different. It is essential that the proportional curve part 23 at a point 24, or in a transition region, merges into a substantially constant curve part 25.
  • the constant curve part 25 corresponds to a flowing adhesive 17, that is, with almost constant (very slightly increasing) force F S , the deformation z increases considerably.
  • the support element 1 consists of a plurality of fins 6, which are connected to each other with the adhesive according to an embodiment of the invention. These fins are loaded perpendicular to the interface 7.
  • the boards 6 press more or less, to finally have the deformation ⁇ . In other words, occur in the edge regions near the supports 2 and 3 considerable stresses in the direction of said boundary surfaces 7 between each two adjacent boards 6 on. These stresses correspond to the action of a shearing force F S according to FIG. 3.
  • a conventional adhesive in the wood construction technique behaves differently than an adhesive for use in the present invention. This will be explained in more detail in connection with the diagram of FIG.
  • the resulting diagram of the measurement results of the structure Fig. 1 with the representation of the force F D against the measured deformation ⁇ is shown in FIG.
  • a thin curve 31 results.
  • the end point associated with the reference line means in particular the breaking point of the support element 1 in the sense that upon action of a corresponding force F D on the support element 1, the bottom board fails and breaks.
  • the corresponding limit force F DB is wood-specific and can be determined for each support element 1.
  • the thick solid curve 32 again has, as in the shear force diagram for an adhesive layer 17, a proportionally increasing proportion 33 with a large gradient following the classical course and a flat portion 35.
  • the use of the adhesive according to the invention results in a transition region 34 between the two curve parts of curve 32.
  • the deformation ⁇ at the fraction of the classically constructed beam is denoted by ⁇ B , then the deformation ⁇ G is greater in the case of failure of the support element 1 according to the invention.
  • FIG. 6 shows a combined schematic representation of the structure of a wooden support element 1 provided with excessively thick adhesive layers 17 (left) and the stress curve in the wooden support element (right) with two different bending stresses.
  • the left curve 48 shows a bending load of the order of magnitude of the service loads according to the structural norms, it being assumed that the adhesive layers 17 do not make any change in the pitch in the course of the force.
  • the right-hand curve 58 assumes a high bending load in the area of the load-bearing limit: In the structural standards valid from 2004, the term "bending resistance M R " is used. In the central region of the cross section, the voltage is linear according to the curve 48; only this curve 51 turns out steeper. It should be noted that in the transition between the fourth and fifth blade 6 of the middle of the beam, the tension has been smaller than f DK , that is to say a tension which characterizes the flow point of the adhesive 17. On the other hand, in the transition between the fifth and sixth lamella 6, the load is beyond the flow point, so that in the adhesive layer 17 the curve region 52 falls back to the said value f DK at the flow point.
  • the slope of the curve 51 or 53 is not so strong that the load within a lamella 6 over its cross section increases the difference between f DB minus f DK .
  • This can be achieved by a thicker adhesive layer 17 with a constant number of plates or a growing number of plates be achieved with the same thickness of the adhesive layer 17.
  • Suitable adhesives are especially polyurethane-based or epoxy-based adhesives.
  • Polyurethanes can be both one-component moisture-curing systems and two-component systems.
  • Epoxy adhesives can be thermoset one-component systems as well as two-component systems.
  • the flow limit of the adhesive may be between 0.5 and 4 N / mm 2, but preferably between 1.5 and 3 N / mm 2 . It is essential that this flow limit is reached before the bending strength is achieved in the wood slats (6).
  • the adhesive layers can also be different in thickness.
  • the flow point of the adhesives used in the lowest layer transitions of the lamellae 6 is lower than the flow point of the adhesives which are in the uppermost (the pressurization) layer transitions of Use slats 6.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein aus Holzlamellen aufgebautes Tragelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, welcher aus der US 6,565,959 bekannt ist.
  • Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Holzbauwerken und deren Aufbau bekannt, insbesondere aus Brettschichtholz. Einzelne Holzlamellen werden gemäss Festigkeitskriterien sortiert, getrocknet und schliesslich mit einem steifen Klebstoff zu einem grossen Biegebalken zusammengeklebt. Der erste Brettschichtholz-Balken oder kurz BSH-Balken wurde 1860 in England hergestellt. Der Zimmermeister Otto Hetzer hat in Deutschland eine Reihe von Fortentwicklungen betrieben, unter anderem als DE 323 912 veröffentlicht.
  • Der Balken aus Brettschichtholz bietet im Vergleich zum Balken aus Vollholz viele Vorteile hinsichtlich Formstabilität oder kleinerer Streuungen der Materialeigenschaften. Zudem können viel grössere Querschnitte aus Holz herstellt werden. Die Anwendung des Brettschichtholzes ist im modernen Ingenieurholzbau weit verbreitet.
  • Herkömmliche Holzbalken inkl. Brettschichtholz weisen ein sprödes Tragverhalten auf. In einem Biegeversuch z.B. gibt es ein lineares Verhältnis zwischen der zunehmenden Kraft und der Balkendurchbiegung bis zum plötzlichen Versagen, wenn die Bruchlast erreicht ist. Bei duktilen Tragwerken aus z.B. Stahl hingegen erfolgt das Versagen nicht plötzlich, sondern beim Erreichen der Bruchlast bleibt diese konstant, während die Durchbiegung erheblich zunimmt. In der Baupraxis wird diese "Ankündigung" der bevorstehenden Bruchgefahr sehr geschätzt. Zudem ist die Bruchlast eines Balkens aus einem duktilen Material wesentlich grösser als diejenige eines gleich grossen Balkens aus einem spröden Material mit gleicher nomineller Festigkeit.
  • In den ab 2004 gültigen, neuen Tragwerksnormen sowohl der Europäischen Union und der Schweiz ist die Duktilität eine wesentliche Materialeigenschaft: Im Stahlbau z.B. hat das spröde Gusseisen kaum eine Chance, anstelle des duktilen Baustahles zur Anwendung zu kommen. Bei dieser zentralen Baustoffeigenschaft weist Holz Nachteile auf.
  • Die US 5,891,550 beschreibt einen Holzträger aus einzelnen Lamellen, der für eine Druckbelastung optimiert ist. Die Lamellen sind in horizontalen Ebenen übereinander angeordnet, wobei die Last senkrecht auf die durch die Lamellen aufgespannte Fläche wirkt. Im oberen und unteren Viertel des Holzträgers sind Verstärkungslamellen einlegbar. Wesentlich für die US 5,891,550 zur Verbesserung des Verhaltens des Holzträgers auf Lastbeanspruchung ist die Ausrichtung der Jahresringbereiche in den einzelnen Lamellen.
  • Die WO 96/13361 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Holzprodukten aus verleimten dreieckigen Trägern.
  • Die WO 03/070438 beschreibt ein Verfahren zum Verleimen solcher Holzträger.
  • Die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind aus der US 6,565,959 bekannt, in der eine Lamellenkonstruktion mit einer dünnen Klebeschicht offenbart ist. Die Klebeschicht weist dort eine Dicke von 0.002 bis 0.004 Zoll, entsprechend 0.0508 bis 0.1016 Millimeter, auf. Für eine hohe Belastbarkeit des Tragelementes wird in der US 6,565,959 die Verwendung von Fasern vorgeschlagen, da dann die nie ganz glatten benachbarten Holzoberflächen der einzelnen Latten weiterhin in direktem Kontakt miteinander stehen.
  • Ausgehend von dem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Holztragelement anzugeben, das höhere Biegebeanspruchungen als Holztragelemente nach dem Stand der Technik aushält, insbesondere ohne die oben erwähnten Vorteile des Brettschichtholzes preiszugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass dass der Klebstoff einer jeden Schicht einen Fliesspunkt aufweist, der kleiner als die Biegefestigkeit der benachbarten höherbelasteten Holzlamelle ist und dass jede Klebstoffschicht 0.1 bis 5 Millimeter, vorzugsweise zwischen 0.5 und 2 Millimeter dick ist.
  • Der Klebstoff gemäss der Erfindung verhält sich duktil bei Schubbeanspruchung. In einem solchen Tragelement nach der Erfindung treten in der Regel sowohl Biegemomente wie Querkräfte als Beanspruchungen auf. Die Querkräfte erzeugen unter anderem Schubspannungen in der Klebstoffschicht, während das Biegemoment unter anderem Biegespannungen im Holzmaterial hervorrufen. Die Fliessgrenze des duktilen Klebstoffes ist so eingestellt, dass sie erreicht wird, bevor die Biegefestigkeit in den äusseren Holzlamellen erreicht wird.
  • Die Erfindung beruht auf der Einsicht, dass die Traglast eines Querschnittes aus einer Mehrzahl von duktilen Einzelelementen höher ist als die Tragkraft eines Querschnittes aus sprödem Material mit gleicher nomineller Festigkeit. Es ist mit der Erfindung nun gelungen, das duktile Material aus den Einzelelementen herauszulösen und durch die Verwendung eines geeigneten Klebstoffes den Gesamtquerschnitt als duktiles Material herauszuarbeiten.
  • Ein klassischer Querschnittsaufbau ähnlich wie beim Brettschichtholz ist möglich. Ein wesentliches Element der Erfindung ist die Anwendung eines duktilen Klebstoffes, wobei der Klebstoff eine kleinere Fliessgrenze als der Schwellwert haben soll, an dem das Holzbauwerk versagt, genauer an die benachbarten Holzlamellen versagen. Ein Versagen des Holzbauwerkes ist so definiert, dass mindestens ein Einzelelement (=Lamelle) versagt, insbesondere bis zur Bruchgrenze belastet wird.
  • Holz als Baustoff verhält sich auf Druckbeanspruchung ausgesprochen duktil. Das Versagen eines Holzbalkens erfolgt auf der spröden Biegeseite. Der fliessende Klebstoff bei dem Holztragelement gemäss der Erfindung gewährleistet, dass bei grösser werdender Belastung die Spannung in jedem einzelnen Element oder Lamelle unterhalb der kritischen Biegefestigkeit fM gehalten wird.
  • Der Klebstoff, der für die Verleimung der Holzlatten geeignet ist, hat bevorzugt eine Fliessgrenze zwischen 1,5 und 3.0 Pa. Diese Werte gelten beispielsweise für das Material Fichte. Für Holztragelemente aus anderen Holzarten wie zum Beispiel Lärche, Kiefer oder Eiche ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung für den Fachmann direkt die Grenzwerte für einen Klebstoff, die die Bedingungen gemäss der Erfindung erfüllt.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    schematische Darstellung des Tragverhaltens eines Holztragelementes in Gestalt eines Holzbalkens bei Belastung mit einer Druckkraft FD,
    Fig.2
    kombinierte schematische Darstellung des Aufbaus eines Holztragelementes (links) und des Biegespannungsverlaufes in einem Holztragelement (rechts) für einen klassischen BSH-Balken und einen duktilen BSH-Balken nach der Erfindung,
    Fig. 3
    schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus zur Ermittlung des Klebstoffverhaltens bei einer Scherbelastung FS,
    Fig. 4
    schematisches Diagramm der Messergebnisse des Aufbaus nach Fig. 3 mit der Darstellung der Kraft FS gegen die gemessene Scherdeformation z,
    Fig. 5
    schematisches Diagramm der Messergebnisse des Aufbaus nach Fig. 1 mit der Darstellung der Kraft FD gegen die gemessene Durchbiegung δ für den herkömmlichen BSH-Balken und den duktilen BSH-Balken nach der Erfindung, und
    Fig. 6
    kombinierte schematische Darstellung des Querschnittes eines Holztragelementes (links) und des Spannungsverlaufes des Holztragelementes (rechts) im herkömmlichen BSH-Balken und im duktilen BSH-Balken nach der Erfindung.
  • Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laborversuches zur Ermittlung des Verhaltens eines einfach gelagerten Holztragelementes 1 bei Belastung mit einer Kraft FD. Das Holztragelement 1 ist beidseitig auf einem festen 2 beziehungsweise einem schwimmenden 3 Lager aufgelegt. Die Kraft FD greift an zwei Orten 3 mit jeweils 50% der Gesamtkraft FD an. Natürlich ist dies vom Einsatz des Holztragelementes 1 ab und es kann eine einzige mittige Belastung mit der Gesamtkraft FD oder es können mehr als zwei verteilte Belastungen auftreten.
  • Unter dieser Belastung biegt sich das Holztragelement 1 durch, wobei sich beispielsweise die untere Fläche 4 des Holztragelementes 1 entsprechend der gestrichelten Linie 5 positioniert. Der Abstand zwischen der Ruhelage ohne Belastung der unteren Fläche 4 des Holztragelementes 1 und der Lage unter Belastung ist die Auslenkung und wird hier als Durchbiegung δ bezeichnet. Das Verhalten eines erfindungsgemässen Holztragelementes 1 wird sich in der graphischen Darstellung aus der Fig. 5 ergeben.
  • Vorab wird auf die Fig. 2 Bezug genommen, die eine kombinierte schematische Darstellung des Querschnittaufbaus eines Holztragelementes 1 (in der linken Bildhälfte) und den Verlauf der Biegebruchspannungen fM im Holztragelement (in der rechten Bildhälfte) zeigt.
  • Das Holztragelement 1 besteht aus einer Vielzahl von Lamellen 6. Unter Lamelle 6 ist ein längliches Brett zu verstehen, dessen Dicke klein ist gegen dessen Breite. Somit bauen eine Vielzahl von hier sechzehn Lamellen 6 ein Holztragelement 1 auf. Dieses Holztragelement 1 ist in der Darstellung der Fig. 2 ungefähr zwei mal so dick wie breit. Diese Grössenverhältnisse werden vom Fachmann nach der Anwendung gewählt und können in grossem Masse variieren. Als Beispiele können folgende Ausgestaltungen ausgeführt werden: Jedes Brett 6 ist zwischen 30 und 40 Millimeter dick. Die Breite jedes Brettes 6 und damit eines Tragelementes 1 liegt insbesondere zwischen 40 und 220 Millimeter, wobei auch Sonderanfertigungen von beispielsweise 260 Millimeter möglich sind. Die Bauhöhe eines Tragelementes ist wesentlich durch die Anzahl der Bretter 6 und deren Dicke bestimmt, beispielsweise bei sechzehn Brettern 6 und einer Dicke von 40 Millimeter per Brett 6 655 Millimeter bei einer Leimschichtdicke von 1 Millimetern. Es ergeben sich zumeist Tragelemente 1 von einer Höhe (Balkenhöhe) bis zu einem Meter, obwohl in Sonderanfertigungen Balkenhöhen von drei Meter möglich sind. Üblich ist eine Anzahl der Lamellen zwischen zehn und zwanzig. Die Leimschicht ist meist zwischen 0,5 und 2 Millimetern dick. Sie kann aber auch eine geringe Dicke von 0.1 Millimeter bis hin zu einer Dicke von 5 Millimeter aufweisen.
  • Die einzelnen Lamellen 6 (oder Bretter) sind an den Grenzflächen 7 miteinander verleimt. Das Holztragelement wird nunmehr auf Biegung bis zum Bruch beansprucht. Bei einem klassischen Holztragelement 1 ergibt sich dabei über die Balkenhöhe ein Verlauf der Spannungen mit einem Maximalwert entsprechend der Biegefestigkeit fM. Die gestrichelte Linie 8 auf der rechten Seite der Fig. 2 zeigt den erwähnten Spannungsverlauf in einem herkömmlichen Holzbalken mit einer Biegefestigkeit von fM = 28 N/mm2. Mit der Mittenlinie 11 ist dargestellt, dass im oberen Teil des Balkens Druckspannungen entstehen, während im unteren Teil Zugspannungen vorherrschen. Die Spannung 8 steigt von einem Druckwert 18 in der Grösse von -28 N/mm2 für die oberste Lamelle 6 zu einem Zugwert 28 in der Grösse von +28 N/mm2 für die unterste Lamelle 6. Die Erfindung liefert nun eine Möglichkeit, den Verlauf der Biegespannungen im Querschnitt anders aufzuteilen, so dass sich die Kurve 38 ergibt.
  • Der wesentliche Aspekt der Erfindung liegt in den Verklebungen zwischen den Lamellen 6, also an den Klebschichten im Bereich der Grenzflächen 7, basierend auf dem Materialverhalten des verwendeten Klebstoffes. Zur Verdeutlichung der hier offenbarten technischen Lehre wird auf Fig. 3 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus zur Ermittlung des Klebstoffverhaltens bei einer Scherbelastung FS darstellt.
  • Eine erste Lamelle 16 ist senkrecht auf einer Grundfläche 9 aufgestellt. Die Lamelle 16 ist mit einer zweiten Lamelle 26 verklebt. Der Klebstoff befindet sich in einer Schicht 17 zwischen den Grenzflächen 7. Die Klebstoffschicht 17 ist nicht massstäblich dargestellt. In den meisten Fällen liegt die Dicke der Klebstoffschicht im Bereich zwischen 0,5 und 2 Millimetern.
  • Die Fig. 3 zeigt den Zustand der beiden verbundenen Lamellen 6 und 16 bei Einwirkung einer Scherkraft FS, die auf die schmale Oberseite der Lamelle 26 einwirkt. Dabei hat sich die Lamelle 26 gegenüber der Lamelle 16 in deren Längsrichtung und damit parallel zu der Ebene der Grenzflächen 7 um einen Betrag z verschoben.
  • Die Fig. 4 zeigt ein schematisches Diagramm der Messergebnisse des Aufbaus nach Fig. 3 mit der Darstellung der Kraft FS gegen die gemessene Deformation z für einen klassischen Klebstoff mit der gestrichelten Kurve 21 und für einen Klebstoff nach der Erfindung nach der Kurve 22.
  • Bei einem klassischen Klebstoff steigt die Deformation linear mit der einwirkenden Kraft FS bis zum plötzlichen Bruch an. Anders verhält sich der zur Verwendung bei einem Tragelement 1 nach der Erfindung vorgesehene Klebstoff 17. Auch bei diesem steigt die Deformation z, das heisst die Scherung des ursprünglich quaderförmigen Klebstoffvolumens, proportional zur einwirkenden Kraft an, so dass sich das Klebstoffvolumen im Querschnitt entsprechend der Fig.3 in ein Parallelogramm verwandelt. Es ist dabei von der Wahl des Vergleichsklebstoffs abhängig, ob die Steigungen der Kurven 21 und 22 gleich oder anders sind. Wesentlich ist, dass der proportionale Kurventeil 23 an einem Punkt 24, oder in einem Übergangsbereich, in einen im wesentlichen konstanten Kurventeil 25 übergeht. Der konstante Kurventeil 25 entspricht einem fliessenden Klebstoff 17, das heisst, bei fast gleichbleibender (sehr leicht steigender) Krafteinwirkung FS nimmt die Deformation z erheblich zu.
  • Zur Verdeutlichung der Sachlage und den Zusammenhang mit dem Tragelement 1 wird kurz auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Das Tragelement 1 besteht aus einer Vielzahl von Lamellen 6, die mit dem Klebstoff nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung miteinander verbunden sind. Diese Lamellen werden senkrecht zur Grenzfläche 7 belastet. Dabei drücken sich die Bretter 6 mehr oder weniger durch, um schlussendlich die Deformation δ aufzuweisen. Die unteren Bretter 6 werden dabei mehr durchgedrückt die oberen Bretter 6. Mit anderen Worten treten in den Randbereichen nahe der Auflager 2 und 3 erhebliche Spannungen in Richtung der besagten Grenzflächen 7 zwischen jeweils zwei benachbarten Brettern 6 auf. Diese Spannungen entsprechen dem Einwirken einer Scherkraft FS nach Fig. 3. Ein klassischer Klebstoff in der Holzbautechnik verhält sich dabei anders als ein Klebstoff zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung. Dies wird im Zusammenhang mit dem Diagramm der Fig. 4 näher erläutert.
  • Dieser Effekt betrifft zu allererst den Übergang vom untersten Brett 6 zum zweituntersten Brett 6. Wenn zwischen diesen beiden Brettern 6 die Klebstoffschicht 17 zu fliessen beginnt, dann steigt die vom untersten Brett 6 aufzunehmende Kraft fast nicht mehr an. Sobald die durch das sich durchbiegende zweitunterste Brett 6 entstehende Scherkraft in dem Übergang der KlebstoffSchicht 17 zum drittuntersten Brett so gross geworden ist, dass auch dieser Klebstofffilm 17 fliessend wird, steigt auch für dieses zweitunterste Brett die Kraft im wesentlichen nicht mehr an. Auf diese Art können Spannungen auf der Zugseite sukzessiv gesteigert werden, bis auf der ganzen Zugseite eine fast konstante Spannung herrscht. Dies ist die idealisierte Ausgestaltung des Holzbauwerkes nach der Fig. 1, hier Plastifizierung genannt.
  • Das damit sich ergebende Diagramm der Messergebnisse des Aufbaus Fig. 1 mit der Darstellung der Kraft FD gegen die gemessene Deformation δ ist in der Fig. 5 dargestellt. Für ein Tragelement 1, das aus Brettern 6 unter Verwendung eines klassischen Klebstoffes hergestellt worden ist, ergibt sich eine dünne Kurve 31. mit der Bezugszeichenlinie verbundene Endpunkt bedeutet insbesondere den Bruchpunkt des Tragelementes 1 in dem Sinne, dass bei Einwirkung einer entsprechenden Kraft FD auf das Tragelement 1 das unterste Brett versagt und bricht. Die entsprechende Grenzkraft FDB ist holzspezifisch und für jedes Tragelement 1 ermittelbar. Die dick durchgezogene Kurve 32 weist wieder wie bei dem Scherkraftdiagramm für eine Klebstoffschicht 17 einen dem klassischen Verlauf folgenden proportional steigenden Anteil 33 mit grosser Steigung und einen flachen Anteil 35 auf. Durch die Verwendung des Klebstoffes nach der Erfindung ergibt sich ein Übergangsbereich 34 zwischen den beiden Kurventeilen von Kurve 32.
  • Es ist zu erkennen, dass die abflachende Krümmung des Kurventeils 34 bei einer Kraft beginnt, die kleiner ist als die klassische Grenzkraft FDB. Durch die Verlagerung der Zugzonen durch den Bretterstapel hindurch ist eine grössere Deformation möglich, bis eine Grenzkraft FDG. erreicht wird, an die sich das duktile Tragelement 1 beispielsweise asymptotisch annähert.
  • Wenn die Deformation δ beim Bruch des klassisch aufgebauten Balkens mit δB bezeichnet wird, so ist die Deformation δG beim Versagen des erfindungsgemässen Tragelementes 1 ungleich grösser.
  • Die Fig. 6 zeigt eine kombinierte schematische Darstellung des Aufbaus eines mit übertrieben dick dargestellten Klebeschichten 17 versehenen Holztragelementes 1 (links) und den Spannungsverlauf im Holztragelement (rechts) bei zwei verschiedenen Biegebeanspruchungen.
  • Die linke Kurve 48 zeigt eine Biegebeanspruchung in der Grössenordnung der Gebrauchslasten gemäss der Tragwerksnormen, wobei davon ausgegangen wird, dass die Klebeschichten 17 keine Änderung der Steigung im Kraftverlauf ausmachen.
  • Die rechte Kurve 58 dagegen geht von einer hohen Biegebeanspruchung im Bereich der Traggrenze aus: In den ab dem Jahr 2004 gültigen Tragwerksnormen spricht man vom "Biegewiderstand MR". Im mittleren Bereich des Querschnittes verläuft die Spannung linear entsprechend der Kurve 48; nur fällt diese Kurve 51 steiler aus. Es ist festzuhalten, dass beim Übergang zwischen der vierten und fünften Lamelle 6 von Balkenmitte die Spannung kleiner gewesen ist als fDK, das heisst einer Spannung, die den Fliesspunkt des Klebstoffes 17 charakterisiert. Beim Übergang zwischen der fünften und sechsten Lamelle 6 dagegen ist die Belastung jenseits des Fliesspunktes, so dass in der Klebstoffschicht 17 der Kurvenbereich 52 auf den besagten Wert fDK am Fliesspunkt zurückfällt. In der sechsten, siebten und achten (=untersten) Lamelle 6 steigt die Spannung erneut an, wobei die Steigung der Kurve 53 der Kurvensteigung 51 entspricht. Das Holztragelement 1 kann daher solange eine höhere Biegebeanspruchung ertragen, als dass die Dicke einer Lamelle bei der gegebenen Steigung der Belastung über den Querschnitt der Lamelle 6 diese nicht über den Bruchpunkt fDB ansteigen lässt. Über die Lamellenübergänge sechs ⇔ sieben und sieben ⇔ acht hinweg wiederholen sich die Kurvenabschnitte 52', da im fliessenden Klebstoff die Belastung auf den Fliesspunkt fDK zurückgeführt wird. Es ist klar erkennbar, dass eine steigende Biegebeanspruchung einer grösseren Steigung der Kurve 51 entspricht, so dass immer mehr Lamellen 6 und Übergangs-Klebstoffschichten 17 in den Ausgleichsprozess einbezogen werden, bis es - theoretisch - alle Lamellen 6 sind.
  • Bis zu diesem Zeitpunkt ist vorteilhafterweise die Steigung der Kurve 51 bzw. 53 nicht so stark, dass die Belastung innerhalb einer Lamelle 6 über deren Querschnitt die Differenz zwischen fDB minus fDK ansteigt. Dies kann durch eine dickere Klebstoffschicht 17 bei gleichbleibender Plattenzahl oder eine wachsenden Plattenzahl bei gleichbleibender Dicke der Klebstoffschicht 17 erreicht werden.
  • Geeignete Klebstoffe sind insbesondere Klebstoffe auf Polyurethanbasis oder Epoxy-Basis. Polyurethane können sowohl einkomponentige feuchtigkeitshärtende Systeme sein als auch zweikomponentige Systeme sein. Epoxy-Klebstoffe können heisshärtende einkomponentige Systeme als auch zweikomponentige Systeme sein.
  • Die Fliessgrenze des Klebstoffs kann zwischen 0,5 und 4 N/mm2 vorzugsweise aber zwischen 1,5 und 3 N/mm2 liegen. Wesentlich ist, dass diese Fliessgrenze erreicht wird, bevor die Biegefestigkeit in den Holzlamellen (6) erreicht wird.
  • Obwohl das dargestellte Ausführungsbeispiel gleich dicke Holzlamellen 6 zeigt, können diese in anderen Ausführungsbeispielen unterschiedlich dick sein, insbesondere können die untersten Lamellen 6 dünner sein, so dass bei gleicher Steigung 51 die Belastungsgrenze jeweils nicht überschritten wird. Es ist auch möglich, Lamellen 6 aus verschiedenen Holzarten zu kombinieren. Unter einer Holzart sind auch faserverstärkte Holzlatten 6 zu verstehen. Unterschiedliche Holzarten führen zu unterschiedlichen Steigungen der Kurven 31, 32 in der Fig. 5 mit jeweils einem unterschiedlichen Endpunkt 31 (=Bruchpunkt). Dabei ist bei der Auswahl des Klebstoffes darauf zu achten, dass dessen Fliesspunkt bei der aus der Kurve 31 gegebenen Steigung bereits erreicht ist, da nicht notwendigerweise die Steigungen 31, 33 beziehungsweise 23 übereinstimmen. Mit anderen Worten, der Eck-Punkt 24 als Fliesspunkt muss unterhalb der Kurve 32 und unterhalb der durch die Parallele zur x-Achse in Fig. 5 vorgegebenen Halbgeraden mit dem Spannungswert fDB liegen.
  • Die Klebstoffschichten können auch unterschiedlich dick sein.
  • Schliesslich ist es möglich unterschiedliche Klebstoffe zu verwenden, insbesondere in folgender Weise: Der Fliesspunkt der Klebstoffe, die in den untersten Lagenübergängen der Lamellen 6 Verwendung finden, ist tiefer als der Fliesspunkt der Klebstoffe, die in den obersten (der Druckbeaufschlagung näher liegenden) Lagenübergängen der Lamellen 6 Verwendung finden.

Claims (7)

  1. Aus Holzlamellen (6) aufgebautes Tragelement (1) mit einer Vielzahl von miteinander verleimten Holzlamellen (6), wobei jeweils eine Schicht (17) eines Klebstoffes zwischen zwei benachbarten Holzlamellen (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff einer jeden Schicht (17) einen Fliesspunkt (fDK) aufweist, der kleiner als die Biegefestigkeit der benachbarten höherbelasteten Holzlamelle (6) ist und dass jede Klebstoffschicht (17) 0.1 bis 5 Millimeter dick ist, vorzugsweise zwischen 0.5 und 2 Millimeter.
  2. Tragelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff einen Fliesspunkt (fDK) aufweist, der kleiner ist als der sich für eine senkrecht zu den Lamellen (6) ausgeübte Druckbelastung ergebende Bruchpunkt (fDB) der in bezug auf die Klebeschicht der Druckausübung gegenüberliegenden benachbarten Lamelle (6).
  3. Tragelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Anzahl und Dicke der Lamellen (6), welches sich in einer Holzgesamtdicke zusammenfassen lässt, und die sich aus der Anzahl der Lamellen (6) ergebende Anzahl von Klebstoffschichten (17) mal der Dicke der Klebstoffschichten zu errechnende Klebstoffgesamtdicke, gewählt ist, dass bei einer gewünschten Maximalbelastung des Tragelementes (1) die Belastung innerhalb von einer Lamelle (6) nicht von dem Fliesspunkt (fDK) ausgehend über den Bruchpunkt (fDB) hinausgeht.
  4. Tragelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Klebstoffschicht (17) 20 bis 100 mal dünner als die benachbarten Latten (6) ist.
  5. Tragelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fliessgrenze des Klebstoffes zwischen 0,5 und 4 N/mm2 vorzugsweise aber zwischen 1,5 und 3 N/mm2 liegt.
  6. Tragelement (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff auf Polyurethanbasis oder Epoxy-Basis hergestellt ist.
  7. Tragelement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff als feuchtigkeitshärtendes einkomponentiges oder zweikomponentiges Polyurethan-System oder als heisshärtendes einkomponentiges oder zweikomponentiges Epoxy-System ausgestaltet ist.
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