Behauholz - Renaissance eines Holzwerkstoff; Teil II

10.05.2010
a cura di Thomas Schrentewein
Besondere Untersuchung
Bei den Prüfkörpern nach dem Einschniuttverfahren „Uso Trieste“ mit nicht konstant verlaufendem Querschnitt ergab die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften mit der Anwendung der Vorgaben laut den vorhin genannten Normen jedoch kein zufriedenstellendes Ergebnis. Aus diesem Grund musste bei den UT-Balken ein anderer Ansatz gewählt werden. Für zwei Prüfreihen mit insgesamt 114 Probekörpern wurde nach dem Verfahren zur Bestimmung des lokalen Elastizitätsmoduls vorgegangen. Dabei wurden auch die Durchbiegungen in den Drittelpunkten sowie in Balkenmitte gemessen. Alle Probekörper wurden nach Abnahme des Messrahmens schließlich zu Bruch gefahren.
Für die Berechnung des lokalen Elastizitätsmoduls war eine möglichst realitätsgetreue Nachbildung der Verformungslinie notwendig. Mithilfe der Arbeitsgleichung wurde eine fiktive Verformung unter Berücksichtigung der effektiven Querschnittseigenschaften sowie einem Einheitswert für den Elastizitätsmodul berechnet. Aus dem Verhältnis zwischen der berechneten und der gemessenen Verformung lässt sich auf den lokalen Elastizitätsmodul schließen. Für das über die Länge veränderliche Trägheitsmoment musste zwischen den Drittelpunkten vereinfachend ein linearer Verlauf angenommen werden, um nicht allzu komplizierte mathematische Funktionen lösen zu müssen.
Als Grundlage für die Berechnungen mussten zuerst die geometrischen Querschnittseigenschaften bestimmt werden. Hierzu wurden die Querschnitte an den Stirnseiten auf Klarsichtfolien abgezeichnet, digitalisiert und mit Hilfe eines CAD-Programms deren Flächen, Schwerpunkte und Trägheitsmomente ermittelt.
Die Auswertung mit dem Verfahren zur Bestimmung des lokalen Elastizitätsmoduls brachte leider unrealistische und mit sehr großer Streuung versehene Ergebnisse hervor. Die Formänderungen folgten nicht den geometrischen Vorgaben. Im Drittelpunkt des kleineren Querschnittes müsste die Verformung erwartungsgemäß größer als jene im Punkt mit dem größeren Querschnitt sein. Dies traf jedoch nur bei wenigen der untersuchten UT-Balken zu. Mit den Verformungswerten in Balkenmitte wurde schließlich die Auswertung mit Schubeinfluss nochmals durchgeführt. Bei der Berechnung der fiktiven Verformung musste der Schubmodul in Anlehnung an EN 384 mit E/16 angenommen werden.
Zur Kontrolle der Ergebnisse aus der Arbeitsgleichung wurde bei einigen zufällig ausgesuchten Probekörpern eine Vergleichsrechnung mit einem Stabwerksprogramm durchgeführt, um die Werte der fiktiven Verformung zu überprüfen. Der Balken mit 270 cm Stützweite wurde dabei in 30 Abschnitte zu je 9 cm unterteilt und es wurden die zugehörigen Querschnittseigenschaften eingegeben. Bei den Materialkennwerten wurde wiederum E = 1 und G = 1/16 gesetzt. Die Verformungswerte des Stabwerksprogramms lagen dabei im Mittel von 1,15% über jenen der Arbeitsgleichung. Die Vergleichsrechnung diente lediglich dazu, die baustatische Abbildung zu verifizieren.

Neue Norm
Parallel zu den Biegeversuchen wurden die Kriterien zur Klassifizierung von baumkantigen Massivholzbalken aufgestellt, wie sie in der neuen italienischen Norm UNI 11035-3 enthalten sind. Neben den bereits aus den Schnittholznormen bekannten Bestimmungen, wie Astigkeit, Schwindrisse etc., sind drei neue wesentliche Kriterien hinzugekommen, die für Behauholz charakteristisch sind: das Verhältnis Breite zu Höhe, die Exzentrizität des Kerns und die größtmöglich zulässige Baumkante.
In der neuen Norm ist weiters eine Bestimmung enthalten, die für Behauholz der Arten „Uso Fiume“ und „Uso Trieste“ unabdingbar ist, nämlich jene, dass die Baumkante nicht mehr als 5 mm von jeglichen mechanischen Werkzeugen bearbeitet sein darf. Mit dieser Regel ist der erforderliche Anteil an Spätholzfasern im Querschnitt gewährleistet. Die Bestimmung schließt eine „künstliche“ Baumkante von nachträglich bearbeiteten Schnittholzquerschnitten aus.
Die Datenauswertung für die Bestimmung der Materialeigenschaften wurde sowohl für den Nominalquerschnitt wie auch bei einigen Prüfreihen für den effektiven Querschnitt durchgeführt. Da die baupraktische Erfassung des effektiven Querschnitts nahezu unmöglich erscheint, wurde in der UNI 11035-3 ausschließlich der Nominalquerschnitt des umschriebenen Rechtecks berücksichtigt.

Fazit
Das Forschungsprojekt hat neben der Ausarbeitung der Grundlagen für die italienische Klassifizierungsnorm auch neue Erkenntnisse bei baumkantigen Massivholzbalken der Typen „Uso Fiume“ und „Uso Trieste“ gebracht. Die UF-Balken haben im Vergleich zu den UT-Balken beim Elastizitätsmodul bezogen auf den effektiven Querschnitt einen annähernd ähnlichen Wert, nämlich rund 14.600 N/mm2. In Bezug auf den Nominalquerschnitt hingegen ergaben die UF-Balken einen Elastizitätsmodul von 10.800 N/mm2, die UT-Balken jedoch nur 8.700 N/mm2. Im direkten Vergleich machen sich die Abholzigkeit und die bei den UT-Balken übliche, größere Baumkante bemerkbar. (Diagramm UF.pdf- Diagramm UT.pdf- Diagramm UF-UT.pdf)
Bei den Ergebnissen für die Biegefestigkeit unter Berücksichtigung des effektiven Querschnitts haben die UT-Balken einen höheren Wert im Vergleich zu den UF-Balken ergeben, nämlich 31 N/mm2 (bei 3 Prüfreihen) zu 28 N/mm2 (bei 2 Prüfreihen). Die höheren Festigkeiten bei den UT-Balken sind auf die besondere Untersuchung mit den veränderlichen Querschnittseigenschaften bei 114 Probekörpern zurückzuführen. In Bezug auf die Nominalquerschnitte ergeben beide Einschnitttypen ungefähr denselben Wert von rund 28 N/mm2. (Materialeigenschaften.pdf)
Die relativ niederen Festigkeitsklassen C24 bei UF und C18 bei UT sind aufgrund der geringen Werte für den Elastizitätsmodul bezogen auf den Nominalquerschnitt zu begründen. Im Rahmen von statischen Vergleichsrechnungen zwischen effektivem und nominalem Querschnitt mit den jeweiligen Materialeigenschaften wurden keine nennenswerten Unterschiede in der Dimensionierung festgestellt. Die Vereinfachung mit Bezug zum Nominalquerschnitt ist folglich gerechtfertigt und vereinfacht somit die baustatische Anwendung.

Schlussbemerkung
Das Projekt zur Förderung von baumkantigen Massivholzbalken hat die erste Hürde der normativen Berücksichtigung genommen. Da auf europäischer Ebene noch spärliches Interesse im Hinblick auf eine Anwendung von baumkantigem Massivholz besteht, ist es noch verfrüht, an eine „EN“ zu denken. Als nächster Schritt wird deshalb die europäische technische Zulassung (ETA) für Behauholz angestrebt.
Als treibende Kraft hinter dem gesamten Projekt ist dem Initiator Michele Magagna, Präsident der Sektion Holz im Unternehmerverband Südtirol, für seinen unermüdlichen Einsatz zu danken. Die Endkorrektur unserer Datenauswertung lag in den Händen von Prof. Marco Togni von der Universität Florenz. Bei der kritischen, aber notwendigen Auseinandersetzung in der Normenkommission waren neben Prof. Togni auch die Professoren Luca Uzielli und Maurizio Piazza, Sebastiano Cerullo und Marco Luchetti von Assolegno sowie Andrea Zenari beteiligt. Die Durchführung der Biegeversuche erfolgte am Institut CNR-IVALSA mit Prof. Ario Ceccotti als verantwortlichen Leiter. Ein Dank auch an meine Mitarbeiter und den zahlreichen Praktikanten für die Datenverarbeitung und Ausarbeitung der Zeichnungen.
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