11 Aug 2022

Faserverstärkte Kunststoffe im Holzbau: Beschreibung und Bewertung möglicher Anwendungen und Überblick über die bis 2020 durchgeführten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten

WHFF Projekt 2017.20

Pedro Palma, René Steiger, Empa

Das Wichtigste in Kürze

  • Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bieten interessante Eigenschaften, die in Kombination mit Holz von Vorteil sein können.
  • Die Wärmeleitfähigkeit von FVK ist deutlich geringer als diejenige von Stahl, weswegen bei Brandexposition FVK-Holzverbindungen von Vorteil sein können.
  • FVK-Verbundwerkstoffe in Holzverbindungen können erfolgreich eingesetzt werden, um das Holz im Anschlussbereich zu verstärken oder einige der Verbindungsteile, die üblicherweise aus Stahl bestehen, zu ersetzen.
  • Die am meisten untersuchten Methoden dienen der Verbesserung des Biegeverhaltens von Brettschichtholzträgern.
  • FVK-Verstärkungen werden oftmals unter verformungsgesteuerten Versuchen geprüft, was ein sprödes Bruchverhalten aufweist. Damit wird ein falscher Eindruck von Verformungsfähigkeit oder Duktilität vermittelt. In Wirklichkeit sind die meisten Belastungsszenarien jedoch kraftgesteuert.
  • Ausser wenn es um Feuer geht und freiliegende Stahlteile vermieden werden sollen, bieten im Bauteilinneren platzierte interne Verstärkungen mit FVK-Verbundwerkstoffen auf Schub und Zug rechtwinklig zur Faserrichtung keine signifikanten Vorteile gegenüber der heutzutage üblichen Verstärkung mit selbstbohrenden Schrauben.
  • Das Langzeitverhalten von FVK-Holz-Verbindungen ist in der Literatur aktuell nur spärlich untersucht.
  • Während FVK bei vielen Anwendungen eine gute Leistung aufweisen, bieten andere Materialien ein besseres Leistungs-/Kostenverhältnis.

 

Projektbeschreibung

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bieten einige Vorteile gegenüber anderen Verstärkungsarten: So weisen sie eine hohe Tragfähigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen raue Umgebungsbedingungen und ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf. Holzkonstruktionen können direkt bei der Herstellung oder später auf der Baustelle verstärkt werden, sowohl passiv als auch aktiv.

FVK können auch anstelle von Stahlteilen verwendet werden (z.B. anstelle von stiftförmigen Verbindungsmitteln).

Aufgrund der zahlreichen Vor- aber auch Nachteile von FVK in Holzkonstruktionen ist es sinnvoll, die Eigenschaften beider Materialien sowie ihr Verhalten vollständig zu verstehen, um das Potenzial der Verbindungen voll ausschöpfen zu können. Aus diesem Grund haben die Forscher Pedro Palma und René Steiger die bis 2020 durchgeführten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in einer umfassenden Publikation zusammengefasst.

Die Literaturrecherche umfasst:

  • Die Sammlung und Beschreibung der Materialeigenschaften von Holz und FVK (Vor- und Nachteile der einzelnen Materialien) und einen Vergleich der Eigenschaften von FVK mit alternativen Verstärkungsmaterialien, die nicht aus FVK bestehen.
  • Eine Übersicht über die wichtigsten Forschungs- und Entwicklungsstudien, die durchgeführt wurden, sowie eine kurze Zusammenfassung ihrer Ergebnisse.
  • Beispiele für praktische Anwendungen.

In diesem Bericht konzentrierten sich die Forscher zudem auf die Wirksamkeit verschiedener Verstärkungsmethoden und analysierten verschiedene Aspekte und Methoden der FVK-Anwendungen.

Sie analysierten insbesondere die Verstärkung von Holzelementen mit FVK, das Verhalten dieser Materialien bei Feuer, Scherung und Zug senkrecht zur Faser, den Vergleich mit Stahlbewehrungselementen, das Holz-FVK-Verbundverhalten und schliesslich die ökologischen Aspekte im Zusammenhang mit der Wiederverwendung, dem Recycling und der Entsorgung von FVK.

Schlussfolgerungen

Die meisten Studien aus den vergangenen zwei Dekaden befassen sich mit Brettschichtholzträgern und der Verbesserung ihrer Biegefestigkeit durch FVK. Verbesserungen der Tragfähigkeit und Steifigkeit von Brettschichtholzträgern wurden beobachtet, indem FVK-Verbundstoffe direkt auf die Zugseite der Balken geklebt wurden und auch indem nur die Fasern in den Holzklebstoff eingebettet wurden.

Hinsichtlich der Schub- und Zugbeanspruchung senkrecht zur Faser ist die Forschung sehr viel begrenzter, aber die Verstärkung durch das Anbringen von FVK-Verbundwerkstoffen auf den Seitenflächen von Holzbauteilen ist eine wirksame, aber ästhetisch wenig ansprechende Strategie. Interne Scher- und Zugverstärkungen mit geklebten FVK-Verbundstoffen scheinen keine signifikanten Vorteile gegenüber der heute üblichen Verstärkung mit selbstschneidenden Schrauben zu bieten.

FVK-basierte Verstärkungen stehen zahlreichen etablierten Konkurrenzmaterialien gegenüber. Für die Längsaussteifung (d.h. Biegung, Druck) ist die Hauptalternative die Verwendung von hochleistungsfähigen Holzwerkstoffen (z.B. Fichten- oder Buchen-Furnierschichtholz), die leicht in bestehende Produktionsprozesse integriert werden können. Für die Queraussteifung (d. h. Scherung und Zug senkrecht zur Faser) sind die wichtigsten Alternativen selbstschneidende Schrauben und eingeklebte Stahlstäbe. Stahlbewehrungen haben den großen Vorteil, dass sie leicht bearbeitet und mit anderen Strukturelementen verbunden werden können und dass sie leicht duktiles Versagen zulassen. Häufig sind diese Materialien entweder leistungsfähiger als FVK oder kostengünstiger, und ihre Leistungsfähigkeit ist umfassender in der Literatur beschrieben.

Eine Herausforderung für die Etablierung von FVK-Holz-Verbindungen stellt die noch lange nicht gelöste – jedoch höchst aktuelle und relevante – Frage der ökologischen Aspekte im Zusammenhang mit der Wiederverwendung, dem Recycling und der Entsorgung von FVK dar. Solange diese Fragestellung unbeantwortet bleibt, scheint  der ökologische Vorteil der Holznutzung in den Schatten gestellt zu werden.

Das Projekt wurde von der Wald- und Holzforschungsförderung Schweiz WHFF-CH des Bundesamt für Umwelt BAFU unterstützt.

Die gesamte Publikation können Sie hier downloaden:

 

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