Untersuchungen an Brettschichtholz mit natürlich basierendem Klebstoff

Motivation

Mit der Energiewende und dem erklärten Ziel der Klimaneutralität müssen auch Umstellungen im Bauwesen einhergehen. Die Verwendung ressourcenschonender Baustoffe liegt dabei im Fokus. Holz als nachwachsender Rohstoff bietet eine Vielzahl an Verwendungsmöglichkeiten. In Hinblick auf eine immer stärkere Nachfrage an naturbelassenen Materialien können z. B. Brettstapelelemente bereits einen Beitrag dazu leisten, emissionsarme Konstruktionen herzustellen. Auch zum Beginn der Brettschichtholzherstellung wurden natürliche Klebstoffe wie Kasein-Leim verwendet. Um deren Verwendungsmöglichkeiten in heutigen Konstruktionen zu überprüfen, sollen zu Beginn des 20. Jahrhunderts hergestellte Brettschichtholzträger im Folgenden auf ihr Tragverhalten untersucht werden.

Aufgabenstellung

Zur Bewertung historischem Brettschichtholzes standen dreizehn Träger aus einem 1913 errichteten Gebäude zur Verfügung (siehe Abb.1). Die untersuchten Träger wurden bauzeitlich in Hetzer Bauweise gefertigt. Aus nicht für die 4-Punkt-Biegeversuche benötigten Abschnitten der Träger wurden weitere Probekörper hergestellt. Diese dienten dazu, die Druckfestigkeit in Faserrichtung, die Scherfestigkeit der Klebefugen, die Rohdichte sowie den Feuchtegehalt zu bestimmen. Des Weiteren war Teil der Aufgabenstellung, die zur Klebung eingesetzte Leimart chemisch zu analysieren und die verwendete Holzart mikroskopisch zu bestimmen. Im Anschluss der 4-Punkt-Biegeversuche sollte anhand der Ergebnisse die Tragfähigkeit in Hinsicht auf die ursprüngliche Verwendung als Mittelpfetten beurteilt werden.

Ergebnisse

Zum Zeitpunkt der Anlieferung der Träger bei der Fachhochschule Potsdam waren die Träger in einem insgesamt als schlecht zu beurteilenden Zustand. Dieser Zustand ist zum einen auf die ungeschützte Lagerung der Träger unmittelbar nach dem Ausbau (zu dieser Zeit sehr regnerisch) und zum anderen auf die mehrjährige Lagerung im Freien unter einfachen Abdeckplanen zurückzuführen. Während der Lagerung unter den Abdeckplanen ist es durch Löcher in diesen und ein Verschieben der Planen wiederholt zum Auffeuchten der Träger und zu Wasseransammlungen gekommen. Vor allem die liegende Lagerweise der Träger führte durch den I-Querschnitt partiell zu Wasseransammlungen auf dem Steg, da ein direktes Ableiten durch den Ober- und Untergurt behindert wurde. Das spiegelt sich in den ermittelten Scherfestigkeiten der Leimfugen wider, die einen Mittelwert von fv = 6,315 N/mm² zwischen Untergurt (L3/Steg) und Steg sowie Obergurt und Steg aufweisen. Dagegen konnte für die Scherfestigkeit der Leimfugen untereinander (L1/L2 und L2/L3) ein Mittelwert von fv = 8,67 N/mm² ermittelt werden. Die Steifigkeitseigenschaften bezüglich des ermittelten Elastizitätsmoduls sind ebenfalls als zu gering zu bewerten. Das Holz der Fichte und Tanne weist in der Regel einen Elastizitätsmodul von 11.000 N/mm² nach [DIN 68364, 2003] auf. Der berechnete Elastizitätsmodul liegt im Mittel bei einem Wert von E ≈ 7.849 N/mm². Die verminderte Steifigkeit der Träger lässt auf eine schubweiche bzw. geschädigte Verbindung der einzelnen Trägerelemente untereinander schließen. Somit sind auch die durch den 4-Punkt-Biegeversuch ermittelten, geringen Biegefestigkeiten zum Teil auf die Vorschädigungen (vorzeitiges Versagen auf Schub) zurückzuführen. Die Trägergeometrie ist bei der Betrachtung des Schubversagens ebenfalls zu berücksichtigen. Dieser Aspekt kann z. B. anhand der Finiten-Elemente-Methode näher betrachtet werden. Die Werte der Druckfestigkeit und Rohdichte entsprechen den Angaben der DIN 68364 [DIN 68364, 2003] für Fichten- und Tannenholz. Die mikroskopische Untersuchung von Dünnschnittpräparaten belegt ebenfalls die Verwendung von Fichtenholz. Da nicht alle Träger dahingehend untersucht wurden, ist das Vorhandensein von Tannenholz jedoch nicht auszuschließen. Beide Holzarten weisen die gleichen Festigkeitseigenschaften auf. Des Weiteren zeigen sie, dass noch keine Schädigung der Holzstruktur durch holzzerstörende Pilze stattgefunden hat. Bei den verarbeiteten Trägerbestandteilen (Lamelle, Stege und Obergurte) ist festzustellen, dass zum Teil große Äste oder Astansammlungen in ungünstigen Bereichen (auftretende Zugspannungen) vorgefunden wurden. Die zur Klebung verwendete Leimart konnte durch chemische Untersuchungen auf einen proteinbasierten Leim eingegrenzt werden. Diese bestehen in der Regel aus Glutin oder Kasein. Weitere Untersuchungen legen nahe, dass zur Herstellung der Hetzer-Träger ein Kaseinleim verwendet wurde. Die Träger konnten abschließend keiner normativ geregelten Festigkeitsklasse zugeordnet werden. Die über 100-jährige Standzeit und die Tatsache, dass augenscheinlich keine der Mittelpfetten verstärkt oder ausgetauscht werden musste, zeugen von einer ausreichenden Bemessung der Träger und Festigkeit des verwendeten Leims.