FFG Projektdatenbank

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Bauen mit Laubholz

Verklebte Hochleistungsbauteile aus reinem Laubholz und hybriden Holzaufbauten

Projektbeschreibung

Das technische Projektziel ist die Schaffung von Grundlagen für den effizienten Einsatz von heimischen Laubhölzern als konstruktive Bauprodukte. Dabei steht die Entwicklung eines neuartigen Verarbeitungsverfahrens zur Erhöhung der Ausbeute bei gleichzeitig größerer Homogenisierung des Ausgangsmaterials im Vordergrund. Dies soll durch die Produktion von weitestgehend homogenisierten Stäbchenlamellen, welche dann in weiterer Folge als Ausgangsmaterial zur Herstellung von stabförmigen und flächigen Holzbauprodukten dienen, realisiert werden. Dabei wird auf die aktuell übliche Festigkeitssortierung am Einzelbrett verzichtet. Anstatt dessen wird ein eigenes Festigkeitsprofil für das neue Halbfertigprodukt „Laubholz-Stäbchenlamelle“ hergeleitet. Dadurch steht den Herstellern von verklebten Holzbauprodukten künftig ein, sowohl hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften als auch hinsichtlich des Quell- und Schwindverhaltens, optimiertes Ausgangsmaterial zur Verfügung. Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten sollen die Basis für eine normative Regelung in Produkt- und Produktionsnormen darstellen. Dadurch soll gewährleistet werden, dass das Halbfertigprodukt Stäbchenlamelle mit definierten Leistungseigenschaften produziert und in Verkehr gebracht werden kann. Damit ist auch der Produktionsprozess zur Herstellung der Stäbchenlamelle von jenem der Herstellung von Brettschichtholz und Brettsperrholz entkoppelt, d.h. dieses Produkt kann z.B. von spezialisierten Sägebetrieben hergestellt und von den unterschiedlichen Brettschichtholz- und Brettsperrholzproduzenten zugekauft und je nach den Erfordernissen ihrer Produktionen und Produkte verarbeitet werden.

Endberichtkurzfassung

Die Homogenisierung des Ausgangsmaterials ist ein Schlüssel für den Einsatz von Laubholzressourcen in verklebten Holzbauprodukten. Im Rahmen des Projekts "Bauen mit Laubholz" wurde ein neuartiger Verarbeitungsprozess umgesetzt, der diese Homogenisierung gewährleisten kann. Aus heterogenen Laubholzsortimenten (Europäische Buche und Eiche) wurden "Stablamellen" hergestellt. Anstatt des etablierten Produktionsprozesses, der auf einer Sortierung des Einzelbretts basiert, wurde auf eine Verklebung einzelner Schnittholzquerschnitte gesetzt. Die resultierenden Schnittholzblöcke werden dann so gesägt, dass Lamellen mit dem gewünschten Querschnitt für die Herstellung von verklebten Bauprodukten wie Brettschichtholz (BSH) und Brettsperrholz (BSP) entstehen. Jede der Stablamellen, die aus dem verklebten Schnittholzblock gesägt wird, besteht anteilig aus den Querschnitten aller Schnitthölzer aus dem verklebten Block.
Lokale festigkeitseinschränkende Holzmerkmale sind so auf den Querschnitt von einzelnen Stäben beschränkt. Die mechanische Leistungsfähigkeit der Stablamellen, beurteilt anhand des unteren 5% Quantils, übersteigt jene des Ausgangsmaterials signifikant. Während der Mittelwert der der Festigkeiten unverändert gegenüber dem Ausgangsmaterial bleiben, sinkt die Streuung stark. Belegt wurde das anhand von zerstörenden Versuchen basierend Messungen Elastizitätsmodul und der Festigkeit. Zusätzlich wurde mit einer nicht zerstörenden Methode, der Messung der Eigenfrequenz der Prüfkörper zur Bestimmung des dynamischen Elastizitätsmodul, das gleiche Material vor und nach der Verarbeitung zu Stablamellen gemessen. Der dynamische Elastizitätsmodul korreliert stark mit dem Zug Elastizitätsmodul in Faserrichtung und ist daher gut für die nicht zerstörende Untersuchung von mechanischen Eigenschaften geeignet. Anhand dieser dynamischen Elastizitätsmodulmessungen konnte eine deutliche Reduktion der Streuungsmaße gezeigt werden. Für die Buchenprüfkörper lag der Variationskoeffizient des dynamischen Elastizitätsmodul beim Ausgangsmaterials bei 0,15. Durch die Verarbeitung zu Stablamellen konnte dieser Wert deutlich auf 0,09 gesenkt werden. Das gleiche Bild zeigt sich für Eiche. Hier sinkt der Variationskoeffizient von 0,29 auf 0,11.

Eine wesentliche Voraussetzung für die Herstellung von Stablamellen aus Laubhölzern ist die Verklebung. Um die Qualität dieser Verklebung beurteilen zu können, wurde eine große Anzahl von Delaminierungsprüfungen mit verschiedenen Klebstoffsystemen an den Holzarten Buche, Eiche, Birke und Esche durchgeführt. Neben den Aufbauten von verklebten Stablamellen ("Stabschichtholz") wurden auch vergleichend herkömmliche Brettschichtholzaufbauten untersucht. Im Vergleich zu den herkömmliche Brettschichtholzaufbauten, konnten bei verklebten Schichtholz aus Stablamellen geringere Delaminierungen festgestellt werden. Eine Begründung dafür könnte in der Streuung der Verteilung der anatomischen Hauptrichtungen des Holzes in den einzelnen Stäben. Was die Möglichkeit einer anforderungsgerechten Verklebung für den lastabtragenden Einsatz angeht, so haben die Untersuchungen gezeigt, das sowohl mit Polyurethan (PU) und Melamin-Harnstoff-Formaldehyd (MUF) Klebstoffsystemen eine Verklebung aller angeführten Holzarten möglich ist.

Die hergestellten Stablamellen wurden schließlich zerstörenden mechanischen Prüfungen unterzogen. Anhand der Ergebnisse aus diesen Untersuchungen wurde ein erstes Leistungsprofil für Stablamellen aus Buchen- und Eichenholz erstellt. Diese Leistungsprofile offenbaren die mechanische Überlegenheit von Laubholzstablamellen gegenüber den etablierten Festigkeitsklassen für Lamellen aus Nadelholz. Besonders Buchenstablamellen liegen mit einem unteren 5% Quantilswert von rund 88 N/mm² weit jenseits der aktuell höchsten Festigkeitsklassen. Diese Leistungsfähigkeit unterstreicht, dass Laubholzstablamellen nicht nur ein geeigneter Pfad zur Erhöhung der Versorgungssicherheit in der holzverarbeitenden Industrie ist, sondern darüber hinaus auch einen Mehrwert für den immer ambitionierteren Holzbau bietet. Von großen Spannweiten, die eine geringe Durchbiegung der Bauteile voraussetzen, über hohe Druckbelastungen, die von Säulen im mehrgeschossigen Holzbau abgetragen werden müssen bis hin zu frei bewitterten Bauteilen, die einer hoher Dauerhaftigkeit bedürfen, können die individuellen Stärken verschiedener Laubhölzer in Form von Stablamellen genutzt werden.

Gleichzeitig haben sich durch die Untersuchungen neue Herausforderungen offenbart. Das potentielle Schubversagen von hybrid aufgebauten Bauteilen im Auflagerbereich, aber auch die adequate Bemessung von Bauteilen aus Laubholzstablamellen sind wichtige Fragestellungen, die es zu verstehen gilt, bevor das volle Potential der Stablamellen aus Laubholz ausgeschöpft werden kann. Damit ist ein großer Schritt in Richtung eines noch ressourceneffizienteren (Holz-) Bausektors greifbar.

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