Zur Temperaturbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit ... - Quadriga

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45_49_Bathon_Bletz:Layout 1 19.04.2010 11:22 Uhr Seite 48 Holz-Metall-Klebeverbindungen –48– 2/2010 Abb. 6: Exemplarische Darstellung der in den Ermüdungsversuchen eingesetzten Prüfkörper. Abb. 7: Exemplarische Darstellung eines in die Hydropulsmaschine eingebauten Prüfkörpers mit eingeklebten Lochblechen. Die Durchführung der Ermüdungsversuche (Wöhlerversuche) erfolgte an einer Hydropulsmaschine (Abbildung 7), wobei die Prüfkörper einer Versuchsreihe jeweils so lange periodisch schwingend beansprucht wurden, bis entweder ein Bruchversagen der Prüfkörper eintrat oder eine definierte Grenzlastspielzahl (N = 1 · 10 7 Schwingspiele) erreicht wurde. Die Beanspruchungsverhältnisse bei den Ermüdungsversuchen wurden hierbei am Beginn eines Versuchs definiert und über die Versuchsdauer nicht mehr verändert. Die Beanspruchung wurde jeweils in Form einer sinusförmigen Schwingbelas - tung mit einer bestimmten Mittellast und einer zugehörigen Lastamplitude aufgebracht. Die Frequenz der Lastaufbringung betrug 3 Hz (bei den Ermüdungsversuchen an Prüfkörpern mit eingeklebten Gewindestangen) bzw. 10 Hz (bei den Ermüdungsversuchen an Prüfkörpern mit eingeklebten Lochblechen). Bei allen Versuchen lag ein Spannungsverhältnis k ≈ 0,10 vor. Tabelle 3 zeigt die allgemeinen theoretischen Beziehungen zwischen den einzelnen Versuchsparametern. Die aus den Dauerschwingversuchen ermittelten Bruchschwingspielzahlen in Abhängigkeit des jeweiligen Oberlastniveaus sind für die Prüfkörper mit eingeklebten Lochblechen der Untersuchungsreihen E-1 und E-2 grafisch in Abbildung 8 aufgetragen. Das Wöhlerdiagramm ist im halblogarithmischen Maßstab erstellt. Hierin sind die drei Fes - tigkeitsbereiche Kurzzeitfes - tigkeit (N ≤ 1 · 10 4 ), Zeitfes tigkeit (1 · 10 4 < N < 1· 10 7 ) und angenommene Dauerfestigkeit (N ≥ 1 · 10 7 ) durch gestrichelte Tabelle 3: Kenngrößen zur Beschreibung der Ermüdungsversuche. Kenngröße Einheit Definition Linien angedeutet. Die Werte bei N = 1·10 0 Schwingspielen stellen jeweils die Bruchlast F max der zugehörigen Kurzzeitzugversuche dar. Folgende Erkenntnisse können abgeleitet werden: Oberspannung s o N/mm 2 Betragsmäßige größere Spannung Unterspannung s u N/mm 2 Betragsmäßige kleinere Spannung Mittelspannung s m N/mm 2 s m = (s u + s o ) / 2 Spannungsschwingbreite Ds N/mm 2 Ds = s o - s u Spannungsamplitude Ds A N/mm 2 A = ( s o - s u ) / 2 Spannungsverhältnis k – k = s u / s o Abb. 8: Vorläufiges Wöhlerdiagramm für die Prüfkörper der Untersuchungsreihen E-1 und E-2. • Grundsätzlich zeigt sich in dem Diagramm für beide Untersuchungsreihen eine eindeutige Abhängigkeit zwischen aufgebrachter Oberlast und Schwingspielzahl. Mit steigender Oberlast sinkt erwartungsgemäß die aufnehmbare Schwingspielzahl. Deutlich erkennbar im Wöhlerschaubild ist die jeweils stark fallende Tendenz der Bauteilwöhlerlinien im Bereich der Zeitfestigkeit. • Weiterhin wird deutlich, dass die Bauteilwöhlerlinie für das Klebstoffsystem B gegenüber der Bauteilwöhlerlinie für das Klebstoffsys tem C nach links bzw. nach unten versetzt ist. Das bedeutet, dass die Prüfkörper, bei denen die Lochbleche mit dem Klebstoffsystem B eingeklebt wurden, auf gleichem Oberlastniveau geringere Bruchschwingspielzahlen aufweisen als die Prüfkörper, bei denen das Klebstoffsystem C verwendet wurde. • Bezüglich der Versagensart der Prüfkörper kann festgehalten werden, dass es bei Verwendung des Klebstoffsystems C stets zu einem Versagen des Lochblechs gekommen ist. Bei den Prüfkörpern, bei denen die Lochbleche mit dem Klebstoffsystem B ins Holz eingeklebt wurden, liegt dagegen eine Lastabhängigkeit beim Versagen vor. Oberhalb eines Grenzlastniveaus von F o ≈ 6,00 kN kommt es zu einem Versagen des Klebstoffs, während unterhalb dieses Grenzlastniveaus ein Versagen der Lochbleche eintritt (Abbildung 9). • Aufgrund des Prüfkörpers, der eine Schwingspielzahl von N = 1 · 10 7 Schwingspielen ohne Versagen durchlaufen hat, kann die Dauerfestigkeit der Holz- Lochblech-Klebeverbindung bei Verwendung des Klebstoffsystems C bei F D = 3,50 kN angenommen werden. Dies entspricht ca. 34% der zugehörigen Kurzzeitfestigkeit Fmax = 10,30 kN. • Für das Klebstoffsystem B, für das die Versuchsreihe noch nicht abgeschlossen ist, ist zu erwarten, dass die Dauerfestigkeit geringfügig niedriger liegt. Im Vergleich zur ermittelten Kurzzeitfes - tigkeit von F max = 10,10 kN sollte sie 0,30 · F max bis 0,35 · F max betragen. Für die Prüfkörper der Untersuchungsreihe E-3 sind die
45_49_Bathon_Bletz:Layout 1 19.04.2010 11:22 Uhr Seite 49 2/2010 –49– Holz-Metall-Klebeverbindungen Anzeige Abb. 9: Exemplarische Darstellung eines Prüfkörpers mit Ermüdungsversagen des Lochblechs. Abb. 10: Exemplarische Darstellung eines Prüfkörpers mit Ermüdungsversagen der Gewindestange. aus den bisher durchgeführten Wöhlerversuchen ermittelten Bruchschwingspielzahlen in Abhängigkeit des Oberlastniveaus in Tabelle 4 dargestellt. Wiederum zeigt sich eine Abhängigkeit zwischen auf - gebrachter Oberlast und Schwingspielzahl, bei der mit steigender Oberlast die aufnehmbare Schwingspielzahl sinkt (mit Prüfkörper GW-08 als Ausreißer). Alle in dieser Versuchsreihe getesteten Prüfkörper versagten infolge Ermüdungsbruch der Gewindestangen (Abbildung 10). Ein Versagen der Klebefuge infolge der wiederholt aufgebrachten Beanspruchungen ist dagegen nicht aufgetreten. Da die Untersuchungsreihe zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht abgeschlossen ist, kann die experimentell ermittelte Dauerfestigkeit der Holz-Gewindestangen-Klebeverbindung noch nicht definitiv festgesetzt werden. Aufgrund der bisher erzielten Untersuchungsergebnisse ist jedoch zu erwarten, dass diese im Oberlastbereich von 15,0 kN bis 17,5 kN liegen sollte (dies entspricht einem Wert von ca. 30% bis 35% der zugehörigen Kurzzeitfestigkeit). Fazit Die Holz-Stahl-Klebetechnologie stellt eine vergleichsweise neuartige und leistungsstarke Variante zur Ausführung von Verbindungen dar. Die Vorteile dieser Verbindungsmitteltechnologie sind eindeutig: starr, duktil und mit nur minimaler Querschnittschwächung des Holzes bei vorhandener Ästhetik und vorliegendem Korrosionsschutz. Die in diesem Beitrag vorgestellten Untersuchungen der MPA Wiesbaden zur Tem- peraturbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit von in Holz eingeklebten Gewindestangen und Lochblechen zeigen erste positive Zwischenergebnisse bezüglich der Einhaltung der vorgeschriebenen Anforderungen bzw. der Berechenbarkeit der Verbindungen. Da es sich um vorläufige Zwischenergebnisse handelt, müssen diese noch durch weitere Untersuchungsreihen bestätigt werden. Die an der MPA Wiesbaden durchgeführten Untersuchungen sollten insgesamt dazu beitragen können, dass sich die Holz- Stahl-Klebetechnologie in der Baupraxis weiter verbreitet. Ziel sollte es sein, mit der Klebetechnologie und den damit zu erzielenden technischen und wirtschaftlichen Vorteilen in der Zukunft neue Märkte für den Ingenieurholzbau zu erschließen. Literatur [1] Bathon, L.; Bletz, O.; Schmidt, J. (2006): „Untersuchungsbericht zum Holz-Stahl-Klebeverbundsystem mit eingeklebten Lochblechen“, Fachhochschule Wiesbaden, Holzbaulabor [2] Bathon, L.; Bletz, O. (2008): „Bergehalle bei St. Moritz“, HOLZBAU - die neue quadriga 6/2008, S. 26 – 29 [3] Bathon, L.; Bletz, O. (2009): „Fahrradunterstand als Experimentalbau“, HOLZBAU - die neue quadriga 1/2009, S. 47 – 50 [4] Bathon, L.; Bletz, O., Schmidt, J. (2009): „Holz-Stahl-Klebeverbund“, Abschlussbericht zum Forschungs - vorhaben Zukunft Holz, Hochschule Biberach [5] Bathon, L.; Bletz, O., Schmidt, J., Weber, M.; Weil, M. (2009): „Holz- Stahl-Klebeverbindungen mit Flachkörpern – Entwicklungen und Anwendungen“, Tagungsband des Internationales Holzbauforums 2009, Garmisch- Partenkirchen [6] Bathon, L.; Bletz, O.; Schmidt, J.; Weil, M. (2009): „Untersuchung der Ermüdungsfestigkeit von in Holz eingeklebten Lochblechen im Hinblick auf das Projekt Timber Tower“, Untersuchungsbericht HB 105/VI-09, Hochschule RheinMain, Institut für Baustoffe und Konstruktion, 2009 Dämmstoffnagel TYP II Dämmstoffschraube DS patentiert Dämmstoffschraube DPS patentiert Dämmstoffbefestiger VT Dämmstoffschraube DK DGBM-Nr. 203 20600.2 AUF BETON + MAUERWERK AUF HOLZ AUF HOLZ AUF HOLZ AUF HOLZ Tabelle 4: Vorläufige Ergebnisse für die Prüfkörper der Untersuchungsreihen E-3. Versuch Mittellast Amplitude Oberlast Unterlast Spannungsverhältnis Frequenz Lastspiele Versagen [-] [kN] [kN] [kN] [kN] [-] [Hz] [-] [-] E-3-03 – – 50,60 – – 1 1 Stahl E-3-04 – – 51,95 – - 1 1 Stahl E-3-05 13,750 11,250 25,00 2,50 0,100 3 950.294 Stahl E-3-06 16,500 13,500 30,00 3,00 0,100 3 382.865 Stahl E-3-08 15,060 12,340 27,40 2,72 0,099 3 1.884.722 Stahl GmbH Rahmedestr. 161 . D-58762 Altena TEL +49(0)23 52 / 95 96 96 FAX +49(0)23 52 / 59 05 Friedr.Trurnit-GmbH@t-online.de http://www.Trurnit-Friedr.de
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