fahrradunterstand als experimentalbau...
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AutorenProf. Dr.-Ing. Leander BathonDipl.-Ing. Oliver Bletz
Fachhochschule WiesbadenFachbereich Architektur undBauingenieurwesenInstitut für Baustoffe undKonstruktionLabor für Holzbau
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Motivation
Maßgebend für die Dimen-sionierung von Konstruktio-nen in Holzbauweise isthäufig die Ausführung derKnotenpunkte, an deneneinzelne Holzbauteile mit-einander verbunden wer-den. Die Konstruktion die-ser Knotenpunkte erfolgtderzeit zum überwiegendenTeil mittels mechanischerVerbindungsmittel. Mecha-nische Verbindungsmittelsind z.B. Nägel, Dübel(Rechteckdübel, Keil-ringdübel, Stabdübel, ...),Schrauben (Holzschrauben,Spannschrauben), Bolzen(in Verbindung mit Schlitz-blechen) oder Nagelplatten.Mechanische Verbindungs-mittel übertragen die auf-tretenden Kräfte in derRegel über Lochleibungund Reibung in die zu ver-bindenden Holzbauteile.Mechanische Verbindungs-mittel besitzen grundsätz-lich viele positive Charakte-ristika (z.B. Duktilität) undhaben sich in unzähligenAnwendungen bewährt,gehören jedoch zu derGruppe der nachgiebigen(nicht starren) Verbin-
Fahrradunterstand als Experimentalbau
Forschungsergebnisse zeigen, dass in Holz einge-klebte Stahlteile einen innovativen und leistungs-starken Lösungsansatz für die Ausbildung vonKnotenpunkten sowie die Übertragung von Kräf-ten darstellen. In Holz eingeklebte Stahlbauteilebesitzen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.Neben der Möglichkeit zum Einkleben von Gewin-destangen oder Betonrippenstählen in Holzgemäß DIN 1052:2008, Abschnitt 14.3 existierenauch Ausführungsbeispiele für das Einkleben vonnicht stabförmigen Stahlteilen in Holz. Im Rahmender HOLZBAU – die neue quadriga wurde über die-se Verbindungstechnologie zuletzt in [1] und [2]berichtet. Basierend auf aktuellen Untersuchungenzu in Holz eingeklebten Lochblechen, die an derMPA Wiesbaden durchgeführt wurden, konnte vorKurzem ein erstes Pilotprojekt ausgeführt werden,das einen neuen Ausführungsansatz zur Ausbil-dung einer biegesteifen Rahmenecke verfolgt. Beidem in der Nähe von Aschaffenburg erstelltenFahrradunterstand wurden Stützen, Riegel undSchwellen über eingeklebte Lochbleche direkt mit-einander verbunden.
Abb. 1:Experimentalbau Fahrrad-unterstand – GeometrischeForm eines liegenden „U“ miteiner Auskragung der Sparrenvon 300 cm
dungen. Für mechanischeVerbindungsmittel liegenneben der nachgiebigenVerbindung folgende weite-re Nachteile vor: Zumeinen werden die Quer-schnitte durch notwendigeBohrungen für die einzuset-zenden Verbindungsmittelgeschwächt, wodurch großeAnschlussflächen notwen-dig werden. Zum anderenwerden infolge der ausGründen der Sicherheiteinzuhaltenden Mindest-abstände zwischen den Ver-bindungsmitteln die Quer-schnittsabmessungen derHolzbauteile meist groß.Beides führt zu einem redu-zierten Ausnutzungsgradder Holzquerschnitte unddamit zu erhöhten Bau-kosten.
Die Motivation des imFolgenden beschriebenenLösungsansatzes liegt darin,die oben genannten Nach-teile von mechanischenVerbindungsmitteln durcheinen neuartigen Lösungs-ansatz einer geklebtenHolz-Stahl-Verbindung aus-zugleichen. Ziel ist es, ● keine nachgiebigen, son-
dern starre Verbindungenherzustellen
● keine spröden, sondernduktile Verbindungenherzustellen
● Knotenpunkte mit nurgeringen Querschnitts-
schwächungen herzu-stellen
● kraft- und formschlüssigeVerbindungen herzu-stellen
● standardisierte und wirt-schaftliche Ausführungenvon Knotenpunktan-schlüssen mit einemhohen Ausnutzungsgradzu ermöglichen, diegleichzeitig ein duktilesSystemverhalten im Ver-sagensfall aufweisen
Als Lösung wird eine amMPA Wiesbaden entwickel-te Konstruktion mittels inHolz eingeklebter Loch-bleche präsentiert.
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Aufgrund ihrer Charak-teristik sind Holz-Stahl-Kle-beverbindungen mit denoben genannten Kernanfor-derungen grundsätzlich ver-gleichbar mit Schweißver-bindungen im Stahlbau –denn Schweißverbindun-gen, die zwei Stahlbauteilemiteinander verbinden, sindstarr, ohne Querschnitts-schwächung sowie kraft-und formschlüssig. Holz-Stahl-Klebeverbindungenmit eingeklebten Lochble-chen erweitern somit diePalette möglicher Aus-führungsvarianten bei Kon-tenpunktausbildungen imHolzbau.
Experimentalbaumit innovativerEckausbildungDer im Folgenden vor-gestellte ExperimentalbauFahrradunterstand zeigteine Applikation in Holz,die auf diese Weise bishernur im Stahlbau möglichwar. Gelöst wurde diesetechnologische Herausfor-derung durch biegesteifeKnotenpunktausbildungenmit Hilfe der Klebtechnik.
Die geometrische Grund-form für den Experimental-bau Fahrradunterstand(Grundfläche von 300 cm x500 cm) bildet ein um 90°gedrehtes „U“ (Bilder 1, 2).Hierfür wurden insgesamt 9nebeneinander, im Rastervon 62,5 cm angeordnetebiegesteife Holzrahmenerstellt. Die Rahmen be-stehen jeweils aus dreiHolzquerschnitten (Spar-ren, Stützen, Schwellen),die in einer Zimmerei kom-plett vorgefertigt wurden.Die Sparren aus Fichte(KVH) besitzen Quer-schnittsabmessungen b/h =8/14 cm sowie eine Längel = 300 cm. Die Stützenaus Fichte (KVH) weisenQuerschnittsabmessungenb/h = 4/22 cm sowie eineHöhe von l = 200 cm auf.Die Schwellen sind wieder-um aus Fichte (KVH)b/h = 8/14 cm gefertigt,
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Charakteristik der Holz-Stahl-KlebeverbindungIm Einzelnen besitzt dieeingesetzte Holz-Stahl-Kle-beverbindung mit einge-klebten Lochblechen fol-gende Eigenschaften:● Herstellung einer kraft-
und formschlüssigen Ver-bindung ohne Schlupf
● Verringerung derAnschlussflächen mitdadurch verbundenenKosteneinsparungen beiden eingesetzten Holz-querschnitten
● Erhöhung des Wirkungs-grades der Verbindungmit der Herstellung einerstarren Knotenpunkt-lösung
● Möglichkeit zur Aus-führung von statischenSystemansätzen, die zugeringeren Materialbean-spruchungen und somitzu Kosteneinsparungenführen
● Guter Feuerwiderstandvon Verbindungen durchim Holz befindlicheMetallteile, die durch dasHolz geschützt sind
● Ästhetische Vorteiledurch Unauffälligkeit derVerbindung
● Korrosionsschutz derHolz-Metall-Klebe-verbindung
● Duktiles Verbindungs-system durch Definitiondes Stahlbauteils alsschwächstes Glied derVerbindung (mit Stahl-fließen im Versagensfall)
● Einfacher Herstellungs-vorgang mit der Möglich-keit zu einem hohen Vor-fertigungsgrad
Abb. 2:Ansicht des Fahrradunterstan-des – in Rastern angeordnetebiegesteife Rahmen sowie alsScheiben ausgebildete Rück-wand, Bodenfläche und Dach-auskragung
Abb. 3:Detailansicht des AnschlussesStütze an Sparren – ästhetischschlanke Querschnitte (Stütze4/22 cm, Sparren 8/14 cm) mitinnen liegenden eingeklebtenVerbindungsmitteln
Abb. 4:Dachauskragung von 300 cm
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besitzen im Gegensatz zuden Sparren jedoch nureine Länge l = 250 cm. ZurAusbildung der biegesteifenEckverbindungen zwischenSchwelle und Stütze bzw.zwischen Stütze und Spar-ren werden jeweils einge-klebte Lochbleche heran-gezogen.
Das Tragsystem des Fahr-radunterstandes bilden die9 biegesteifen Rahmensowie die als Scheiben aus-geführten Dach-, Rück-wand- und Bodenflächen(Bilder 2, 3, 4). Zur Ausbil-dung der Scheiben wurden25 mm starke OSB-Plattenverwendet, die mit denRahmen verschraubt wur-den. Die Gründung desExperimentalbaus erfolgteüber eine Holz-Pfahlgrün-dung. Hierbei wurden ander Vorder- und der Hinter-kante der Bodenfläche inAbständen von ca. 30 cmLärchenbretter b/h = 3/12cm in den Boden eingetrie-ben. An den Kopfenden der
aus dem Boden heraus-ragenden Bretterabschnit-te wurden anschließendzwei quer laufende Fuß-schwellen angebracht, dieals Lager für die Rahmendienen.
Kernstück dieses Experi-mentalbaus ist die Ausbil-dung der biegesteifen Eck-ausbildung (Bilder 1, 2, 3,4, 5). Hierbei konnte aufForschungsergebnissezurückgegriffen werden, dieam MPA Wiesbaden erzieltwurden [3], [4]. Bei dendurchgeführten Unter-suchungen wurden u.a. inmehreren VersuchsreihenHolzträger über eingeklebteStahlteile miteinander ver-bunden und im Rahmenvon Kurzzeittraglastversu-chen getestet. Aufgrund derdurchgeführten Tragfähig-keitsuntersuchungen konn-te hierdurch ein Bemes-sungsansatz für das inmit-ten stehende Pilotprojektabgeleitet werden.
Im vorliegenden Fallwurde die Eckausbildungwie folgt ausgeführt: ● Am Kopf- und am Fuß-
punkt jeder Stütze wurdein das Stirnholz jeweilsein Schlitz mit einemKettenstemmer einge-bracht. Die Schlitzebesaßen jeweils eine Brei-te von ca. 7 mm, eineLänge von 20 cm sowieeine Tiefe von 15,5 cm(Bild 6).
● In diese Schlitze wurdeder in Kartuschen vor-liegende zweikomponen-tige PUR-Klebstoff(HBV-Kleber) eingefüllt(Bild 7). Beim Einklebe-vorgang muss laut Her-stellerangaben eineHolzfeuchte � 15%sowie eine Umgebung-stemperatur von > 12°Cvorliegen. Diese klimati-schen Randbedingungensind bei der Herstellungder Klebeverbindungzwingend einzuhalten, dasie die Qualität der Kle-beverbindung maßgeblichbeeinflussen (Bilder 8, 9).
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Abb. 5:Detailansicht der Ecke desExperimentalbaus im Winter –OSB-Beplankung der Rück-wand und des Daches sowieBitumenbahn als Dachabdich-tung
Abb. 6:Detailansicht der Schlitzung(mit Kettenstemmer) für dasEinkleben der Lochbleche
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● Nach dem Einbringendes Klebstoffes wurdendie Lochbleche in dieSchlitze eingesetzt. Auf-grund der guten Fließ-fähigkeit des Klebstoffeswar gewährleistet, dassder Kleber die Lochun-gen der Lochbleche inden Schlitzen voll aus-füllt. Die Lochblechebesaßen eine Dicke von4 mm, eine Länge von20 cm sowie eine Höhevon 28 cm. Sie standen13 cm aus den Stirnsei-ten der Stützen hervor.
● Analog zum Einbringender Schlitze in den Stüt-zen wurden Schlitze indie Sparren und in dieSchwellen eingebracht(allerdings in jeweilsnur eine Seitenfläche).Die Schlitze besaßenjeweils eine Breite vonca. 7 mm, eine Längevon 20 cm sowie eineTiefe von 13,5 cm.
● Nach dem Einfüllen desKlebstoffes in die Schlitzeder Sparren wurden indiese Schlitze die Stützenmit den herausstehendenLochblechen eingesteckt.Die Kopplung der Stüt-zen mit den Schwellenerfolgte auf die gleicheArt und Weise.
● Um den Wetterschutzder Rückwand zu verbes-sern, wurde die Rahmen-konstruktion nicht exaktrechtwinkelig hergestellt.Stützen und Sparrenerhielten eine gering-fügige Neigung nach hin-ten (Stützenversatz von
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Abb. 7:Ansicht der Sparren währenddes Herstellvorgangs – Ein-kleben der Lochbleche mitin Kartuschen abgefülltem2K-Polyurethanklebstoff
Abb. 8:Messung der Holzfeuchtigkeitder Sparren
Abb. 9:Messung der Lufttemperaturwährend des Einklebevor-gangs
Abb 10:Abstützung der Rahmenkon-struktion durch aufgenagelteLatten während der Bauphase
10 cm/2,9° bzw. Sparren-versatz 30 cm/5,7°)
● Während der Aushär-tungsphase wurde beijedem einzelnem Rah-men an die Vorderseitender Schwellen und derSparren eine Latte zurLagefixierung angenagelt(Bild 10). Auf diese Wei-se konnte zudem sicher-gestellt werden, dasswährend des Transportsund der Montage diegewünschte geometrischeForm der Rahmen beste-hen bleibt.
Aus statischer Sicht liegteine Rahmenkonstruktionvor, die für folgende Rand-bedingungen ausgelegt ist(pro Rahmen, e = 0,625 m):● Eigengewicht der Holz-
konstruktion von0,14 kN/m
● Schneelast von0,47 kN/m
● Windeinwirkung von0,60 kN/m
Herstellung und Montagedes Fahrradschuppenserfolgten innerhalb von 2Wochen. Hierbei wurden inder Zimmerei Eckert die 9Rahmen vorgefertigt undauf die Baustelle transpor-tiert. Zum Zeitpunkt derAnlieferung der Holzrah-men war bereits die Grün-dungskonstruktion mit den
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beiden Fußschwellen durchden Bauherrn erstellt wor-den. Anschließend wurdendie Rahmen an den Fuß-schwellen über Schrauben-verbindungen miteinanderverbunden. Es folgte dasAnbringen der OSB-Plattenan der Rückwand, dem aus-kragenden Dach sowie demBoden.
Der Holzschutz desExperimentalbaus erfolgteausschließlich auf konstruk-tiver Basis. Durch den „vor-deren“ Überstand desDaches sowie die geneigteRückwand ist die Struktur(Fichte, KVH, OSB) beiRegen trocken. Bei einerÜberlagerung aus Regenund Wind sind allerdingsder Boden sowie die seit-lichen Rahmen durchnässt.Diese Schwachstellen wur-den für den Experimental-bau gewollt in Kauf genom-men, um in diesen Teilbe-reichen den Einfluss derNKL 3 auf die Klebeverbin-dung zu erkunden. EineBitumeneindeckung wurdezudem als Dachhaut ange-bracht, die die Dachscheibevor direkter Bewitterungschützt. Durch die geneigteAnordnung des Daches istweiterhin gewährleistet,dass sich keine Feuchtigkeitanstauen kann.
FazitDie in diesem Beitrag vor-gestellte Holz-Stahl-Klebe-verbindung mit eingekleb-ten Lochblechen stellt fürden Holzbau eine innova-tive, wirtschaftliche undleistungsfähige Verbin-dungstechnologie für dieAusbildung von Knoten-punkten dar. Aufgrundihrer Charakteristik ist sievergleichbar mit Schweiß-verbindungen im Stahlbau.Die Anwendung der Holz-Stahl-Klebeverbindung miteingeklebten Lochblechenbei dem ExperimentalbauFahrradschuppen zeigt ein-drucksvoll das Potenzial desLösungsansatzes. Aufgrunddieser Verbindungstechno-logie war es bei dem Pilot-
projekt z.B. möglich,äußerst schlanke Holzquer-schnitte einzusetzen. Nebender daraus resultierendenhohen Wirtschaftlichkeitüberzeugt der Lösungsan-satz zudem über eine ein-fache Handhabung sowieeinen hohen Vorfertigungs-grad. Eine Übertragung die-ser Verbindungstechnologieauf weitere Anwendungsge-biete ist denkbar und wün-schenswert. ■
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Abb. 11:Fahrradunterstand im Betrieb –statisch bemessen für eineBeanspruchungskombinationaus Eigengewicht, Schnee undWind
Literatur & Quellen[1] Bathon, L.; Bletz, O.
(2008), „In Holz eingeklebteBauteile aus Metall“, HOLZ-BAU – die neue quadriga 2/2008,Seite 13 – 18
[2] Bathon, L.; Bletz, O.;Schmidt, J.: „Bergehalle bei St.Moritz“, HOLZBAU – die neuequadriga, 6/2008, Seite 26 - 29
[3] Lademann, O.: „Entwick-lung einer freitragenden Treppemit geklebten Verbindungsmit-teln“, Diplomarbeit an der Fach-hochschule Wiesbaden, Fachbe-reich Architektur und Bauinge-nieurwesen, 2006
[4] Eisele, H.: „Anwendungeiner Klebeverbindung im Holz-bau“, Diplomarbeit an der Fach-hochschule Wiesbaden, Fachbe-reich Architektur und Bauinge-nieurwesen sowie der Hochschu-le für Technik Stuttgart, FakultätBauingenieurwesen, 2008
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