Forschungsthema:
Entwicklung eines Hochleistungsverbund-Trägersystems aus dem nachwachsenden Baustoff Holz mit innovativen Hochleistungswerkstoffen im direkten Verbund
Arbeitsgruppe:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Rautenstrauch
Dipl.-Ing. Wolfram Hädicke
Dipl.-Ing. Markus Jahreis
Dipl.-Ing. Martin Kästner
Mike Oppel M.Sc.
Forschungsbeteiligte:
Professur Holz- und Mauerwerksbau der Bauhaus-Universität Weimar
Firma Bennert GmbH, Hopfgarten
Forschungsförderer:
Das Forschungsvorhaben wird durch die Thüringer Aufbaubank (TAB) mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.
Zusammenfassung
Anspruchsvolle, weitgespannte Ingenieurholzkonstruktionen werden seit über 100 Jahren überwiegend unter Verwendung von Brettschichtholz realisiert. Durch Weiterentwicklung dieses homogenisierten Holzwerkstoffproduktes zu einem hybriden Hochleistungsverbundbauteil können dem natürlichen Roh- bzw. Baustoff Holz weitere Anwendungsfelder erschlossen werden. Hierzu zählen insbesondere Leichtbaustrukturen mit gesteigerten Anforderungen hinsichtlich aufnehmbarer Lasten, größeren Spannweiten und/oder reduzierter Bauhöhe im Hoch-, Industrie- und Straßenbrückenbau. Im Rahmen eines Verbundforschungsprojektes der Bauhaus-Universität Weimar und der Bennert GmbH wurden innovative Konstruktionsansätze zur Herstellung hocheffizienter Hybridbauteile unter Verwendung von Holz als Hauptbaustoff, polymergebundenen mineralischen Deckschichten zur Druckzonenverstärkung sowie kohlefaser- resp. glasfaser- oder stahlverstärkten Furnierschichtholzlamellen zur Zugzonenverstärkung entwickelt. Zusätzliche Verstärkungselemente steigern die Schubtragfähigkeit oder verbessern die Aufnahme der Querpressungen an den Auflagern.
Hauptbaustoff des entwickelten „High-Tech Timber Beam“, ist weiterhin Brettschichtholz, mit über 90%des Trägervolumens. Durch Substitution der unteren Brettschichtholzlamellen durch Lamellen aus Furnierschichtholz wird eine wesentliche Vergleichmäßigung der Holzeigenschaften in der Trägerzugzone erreicht. Zur Zugzonenverstärkung wurden vier Varianten entwickelt und im Rahmen von Bauteilversuchen an HTB-Prototypen versuchstechnisch untersucht. Aufgrund der, verglichen mit Holz, wesentlich höheren Festigkeiten und Steifigkeiten der verwendeten Materialien wird eine signifikante Tragfähigkeitssteigerung und Verbesserung des Verformungsverhaltens erreicht.
Ein starrer Verbund zum Holz wird durch Verklebung bzw. Verguss mit Polymermörteln sichergestellt. Zur Verstärkung der Druckzone wurde eine Polymerbetonmischung auf Basis des Epoxidharzsystems Compono® mit anwendungsspezifisch abgestimmter Kornabstufung entwickelt. Die Polymerbetonmischung zeichnet sich durch eine hohe Druckfestigkeit eine gleichfalls hohe Steifigkeit sowie durch geringe Kriech- und Schwindneigung aus. Infolge des sehr guten Haftverbundes zwischen polymerem Bindemittel und der Holzoberfläche wird eine kontinuierliche, starre Verbindung erreicht.
Veröffentlichungen
- Jahreis, M.; Schober, K.U.; Hädicke, W.; Rautenstrauch, K.
"Non-destructive testing, measurement and numerical damage analysis of high demanding stress regions in FRP reinforced timber structures”
In: Proceedings of the ACMA-meeting “COMPOSITES 2010”. Las Vegas, Nevada, USA - Schober, K.U.; Jahreis, M.; Rautenstrauch, K.
„Fracture and delamination prediction for unidirectional fiber-reinforced timber structures using failure-mode concept based strength criteria“
In: Proceedings of the ACMA-meeting “COMPOSITES 2010”. Las Vegas, Nevada, USA - Jahreis, M.; Schober, K.U.; Hädicke, W.; Rautenstrauch, K.
„Hochleistungswerkstoffe im Verbund – Ein Forschungsprojekt zur Ertüchtigung von Holztragwerken“
Poster: "Ein Tag im Land der Ideen", Weimar, Juni 2010 - Jahreis, M.; Kästner, M.; Rautenstrauch, K.
„Experimental and numerical analyses of glued FRP and Wood by epoxy resin“
In: Proceedings of the ACMA-meeting “COMPOSITES 2012”. Las Vegas, Nevada, USA - Jahreis, M.; Hädicke, W.; Kästner, M.; Rautenstrauch, K.
„High-Tech Timber Beam“
ACMA innovation awards, Las Vegas, Nevada, USA, Februar 2012 - Jahreis, M.
„Experimentelle Untersuchungen zum Tragverhalten von Reparaturverbindungen an Holzträgern - Längsstoß mit eingeleimten GFK-Stäben“
In: Tagungsband zum Forschungskolloquium „Forschung und Praxis im Holzbau 2012“, Universität Stuttgart, März 2012 - Kästner, M.
„Optimierung des Tragverhaltens lokal hochbeanspruchter Lasteinleitungsbereiche in weitgespannten Ingenieurholzkonstruktionen – Experimentelle und numerische Untersuchungen“
In: Tagungsband zum Forschungskolloquium „Forschung und Praxis im Holzbau 2012“, Universität Stuttgart, März 2012 - Rautenstrauch, K.; Jahreis, M.; Kästner, M.; Hädicke, W.
„Development of High-tech Timber Beam“
In: Proceedings of Early Stage Researchers Conference of COST Action FP 1004 “Enhance mechanical properties of timber, engineered wood products and timber structures”, ISBN 85790 176 2, Zagreb, Croatia, April 2012 Beitrag - Rautenstrauch, R.; Jahreis, M.; Kästner, M
„Entwicklung eines Hochleistungsverbundsystems aus Kunststoffen und Holz“
In: naro.tech 9. Internationales Symposium „Werkstoffe aus Nachwachsenden Rohstoffen“. September 2014 Erfurt