Kurzbeschreibung
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Der Einsatz von faserverstärkten Polymeren (FRP) im Hochbau hat bis Anfang der 2000er Jahre weltweit deutlich zugenommen. FRP-Verbundwerkstoffe bieten gegenüber anderen Verstärkungsarten einige Vorteile, nämlich sehr hohe Tragwiderstände, Beständigkeit gegen raue Umgebungen und ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis.
Bauteile aus Holz können während der Produktion (hybride Holz-FRP-Verbundbauteile) oder später auf der Baustelle verstärkt werden (FRP-verstärkte Holzbauteile). Die Verstärkung kann passiv (d. h. mit Änderung des Spannungszustandes des Holzbauteils) oder aktiv (z. B. vor- oder nachgespannt und damit den Spannungszustand des verstärkten Bauteils ändernd) erfolgen. FRPs können auch anstelle von Stahlteilen verwendet werden (z.B. anstelle von eingeklebten Stahlstäbe GiRs oder stiftförmigen Verbindungsmitteln). Ein sinnvoller Einsatz von FRP in Holzkonstruktionen erfordert nicht nur Kenntnisse über die Vorteile beider Baustoffe, sondern auch über deren Leistungsgrenzen und Schwachstellen. Dieser Bericht enthält eine ausführliche Beschreibung der Eigenschaften und des Verhaltens beider Materialien.
Es liegen zahlreiche Studien vor, die zum Ziel hatten, das Verhalten von Biegeträgern aus Holz zu verbessern, mit jeweils unterschiedlichen Anforderungen bezüglich Herstellung und Kosten und mit unterschiedlichem Wirkungsgrad. Die gesichtete Literatur deckte mehrere Jahrzehnte ab und zeigt, dass die meisten auf FRP basierenden Verstärkungsmethoden bereits Ende der 2000er Jahre erprobt worden waren. Die am häufigsten untersuchten Methoden bezogen sich auf die Verbesserung des Biegeverhaltens von Brettschichtholz-Trägern. Die Tragfähigkeit und Steifigkeit von BSH-Trägern wurde verbessert, indem FRP-Verbundwerkstoffe direkt auf die Biegezugseite der Träger geklebt wurden, indem sie zwischen die Holzlamellen (und damit vor direkter Exposition geschützt) oder in Längsnuten (z.B. FRO-Stäbe) eingefügt wurden, und auch indem Kunststoff-Fasern in den Klebstoff (normalerweise PRF) eingebettet wurden. Es wurde auch oft berichtet, dass die Erhöhung des Biegewiderstands durch eine Verstärkung zu anderen Arten von unerwünschten Sprödbrüchen, wie z.B. Schubbrüchen, führte. Studien zur Verstärkung mit vorgespannten FRP-Verbundwerkstoffen haben wiederholt keine signifikante Verbesserung gegenüber passiver (d.h. nicht vorgespannter) Verstärkung gezeigt. Ein wichtiger Aspekt in Bezug auf das Verhalten von mit FRP Verbundwerkstoffen verstärkten Holzträgern ist, dass die Duktilität im Gegensatz z. B. zu Stahlbeton nur aus einer Überbewehrung auf Zug resultieren kann, wodurch ein Druckversagen parallel zur den Faserrichtung auf der Biegedruckseite induziert wird. FRP-Verbundwerkstoffe zeigen, im Gegensatz zu Stahlverstärkungen, ein sprödes Bruchverhalten. Die meisten Versuche, über die berichtet wurde, wurden verformungsgesteuert durchgeführt, was in der Regel zu langsam fortschreitendem Versagen führt und eine Spannungsumverteilung ermöglicht. Die entsprechende Kraft-Verformungs-Kurve ist gezackt und zeigt bei abrupten Lastabfällen einen sofortigen Wieder-Anstieg der aufgebrachten Kraft. Dies vermittelt einen falschen Eindruck von Verformungsfähigkeit oder Duktilität. In Wirklichkeit sind die meisten Belastungsszenarien nicht verformungs-, sondern kraftgesteuert, d.h. es ist die auf das Element ausgeübte Last, die allmählich zunimmt, und nicht die Verformung.
Was die Verstärkung von Holz-Bauteilen mit Beanspruchung auf Schub und Zug rechtwinklig zur Faserrichtung betrifft, sind die durchgeführten Forschungsarbeiten deutlich weniger zahlreich. Verstärkungen mit FRP-Verbundwerkstoffen aufgeklebt auf die Seitenflächen von Holz-Bauteilen, sind eine effektive Strategie, aber ästhetisch unattraktiv. Im Bauteilinneren platzierte interne Verstärkungen auf Schub und Zug rechtwinklig zur Faserrichtung mit FRP-Verbundwerkstoffen scheinen keine signifikanten Vorteile gegenüber der heutzutage üblichen Verstärkung mit selbstbohrenden Schrauben zu bieten, ausser vielleicht, wenn es um Feuer geht und freiliegende Stahlteile vermieden werden sollen.
Forschungsarbeiten zur Verstärkung von Stützen aus Holz mit FRP-Verbundwerkstoffen sind ebenfalls wenige durchgeführt worden. Versuche an Prüfkörpern mit praxisgerechten Abmessungen haben gezeigt, dass Stahlverstärkungen möglicherweise besser funktionieren und dass eine Verstärkung auf FRP-Basis nur bei relativ grossen Querschnitten vorteilhaft sein könnte.
Der Einsatz von FRP-Verbundwerkstoffen in Holzverbindungen hat gezeigt, dass FRP-Verbundwerkstoffe erfolgreich eingesetzt werden können, um das Holz im Anschlussbereich zu verstärken oder einige der Verbindungsteile, die üblicherweise aus Stahl bestehen, zu ersetzen. Im ersten Fall auf Kosten zusätzlicher Produktionsschritte und im Wettbewerb mit leistungsfähigen Holzwerkstoffplatten, im zweiten Fall mit dem Resultat einer geringeren Tragfähigkeiten. Der wesentliche Unterschied zwischen FRPs und Stahl, der darin besteht, dass duktile Versagensmodi mit FRPs nicht möglich sind, manifestiert sich auch hier.
Das Verbundverhalten zwischen FRPs und Holz ist umfassend untersucht worden, und der aktuelle Wissensstand erlaubt die Entwicklung zuverlässiger Systeme, in der Form von Kombinationen von verschiedenen Hölzern bzw. Holzwerkstoffen HWS, Klebstoffen und entsprechender Oberflächenbehandlung. Die Dauerhaftigkeit von Holz-FRP-Verbunden hängt in hohem Masse von der spezifischen Beschaffenheit der verwendeten Komponenten und vom Klebeverfahren ab. Es ist jedoch äusserst schwierig, allgemein gültige Aussagen zum Verbundverhalten zwischen Holz bzw. HWS und FRPs zu machen. Dennoch hat die Untersuchung spezifischer Kombinationen von Holz, Klebstoffen und FRPs gezeigt, dass solche Verbunde die gleichen Leistungsanforderungen erfüllen können, die an Holz-Holz-Verklebungen gestellt werden. Angesichts der grossen Vielfalt der Holzarten, der inhärenten Anisotropie und der hohen Variabilität von Holz ist die Entwicklung zuverlässiger allgemeiner Verbund-Modelle komplex und hat erst in den letzten Jahren begonnen.
Das Langzeitverhalten (Kriechverhalten), ist nach wie vor ein offenes Thema, sowohl unter wechselnden Klima- wie auch Belastungsbedingungen (wie dies im Übrigen auch bei unverstärkten Holzbauteilen der Fall ist!). Es sind nur wenige Studien verfügbar. Die meisten Untersuchungen führten zum Ergebnis, dass scheinbar keine Verbesserung des Kriechverhaltens von mit FRP-verstärkten Balken auftritt.
Das Brandverhalten von FRP-verstärkten Holzbauteilen ist stark davon abhängig, wie geschützt der FRP-Verbundwerkstoff innerhalb des Holzquerschnitts ist. Da die Wirkung der Verstärkung deutlich reduziert wird, wenn sich der FRP-Verbundwerkstoff nicht sehr nahe an der Zone der maximalen Beanspruchung befindet, bedeutet die Notwendigkeit, ihn vor direkter Feuereinwirkung zu schützen, in der Regel einen Kompromiss zwischen der Erhöhung des Tragwiderstands bei Normaltemperatur und dem Feuerwiderstand. Wenn die Brandexposition tatsächlich ein Problem darstellt, könnten einige Arten der Verstärkung mit FRP interessanter sein als die entsprechende Verstärkung mit Stahlteilen, da die Wärmeleitfähigkeit von FRPs deutlich geringer ist als diejenige von Stahl. Dies ist vor allem für Verstärkungselemente relevant, die eingebettet sind und den gesamten Querschnitt (oder den grössten Teil davon) durchlaufen, wie z. B. interne Verstärkungen zur Vermeidung von Schub- und Zugversagen rechtwinklig zur Faserrichtung und auch für stiftförmige Verbindungsmittel.
Die auf FRP basierende Verstärkung von Holzbauteilen steht heutzutage in Konkurrenz zu bereits etablierten Mitbewerbern. Für die Verstärkung in Längsrichtung der Holz-Bauteile (d.h. auf Biegung und axialen Druck) ist die Hauptalternative die Verwendung von hochleistungsfähigen Holzwerkstoffen (z.B. Furnierschichtholz LVL aus Fichte oder Buche), welche auf einfache Weise in die bestehenden Produktionsprozesse im Herstellerwerk integriert werden können. Für die Querverstärkung (d. h. bei auf Schub oder auf Zug rechtwinklig zur Faserrichtung beanspruchten Bauteilen) sind die Hauptalternativen selbstbohrende Schrauben und eingeklebte Stahlstäbe. Stahlverstärkungen haben den grossen Vorteil, dass sie leicht bearbeitet und mit anderen Elementen verbunden werden können und dass die Versagensmodi duktil ausgelegt werden können.
Schliesslich, und dies wird immer wichtiger, sind die ökologischen Aspekte im Zusammenhang mit der Wiederverwendung, dem Recycling und der Entsorgung von FRPs noch weit davon entfernt, gelöst zu sein, und könnten dem Einsatz von FRP-Verbundwerkstoffen zunehmend Schwierigkeiten bereiten. Ein weiterer Aspekt, der die Anwendung von FRP-basierten Verstärkungen im Holzbau behindern könnte, ist, dass die weit verbreitete öffentliche Wahrnehmung von Holz als "umweltfreundlicher" Baustoff mit dem Image von "Kunststoffen" kollidiert, das oft mit der allgegenwärtigen "Umweltverschmutzung durch Kunststoffe" in Verbindung gebracht wird.
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