Zum Ermüdungsverhalten von Holz-Beton ... - Quadriga
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<strong>Zum</strong> <strong>Ermüdungsverhalten</strong> <strong>von</strong><br />
<strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundbrücken<br />
Die <strong>Holz</strong>brückenbaunorm DIN 1074:2006 [3] thematisiert<br />
in Abschnitt 10 bzw. Anhang C den<br />
Ermüdungsnachweis für <strong>Holz</strong>, <strong>Holz</strong>werkstoffe und<br />
<strong>Holz</strong>verbindungen. Dabei wird ein vereinfachter<br />
Nachweis vorgestellt, der auf einer ermüdungsrelevanten<br />
Einwirkung mit gleich bleibender Amplitude<br />
basiert. Für Brückenkonstruktionen in <strong>Holz</strong>-<br />
<strong>Beton</strong>-Verbundbauweise, die in der jüngeren Vergangenheit<br />
zunehmend in den Blickpunkt des<br />
Ingenieurholzbaus geraten sind, ist ein solcher<br />
Ermüdungsnachweis ebenfalls zwingend erforderlich.<br />
Da bei <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundbrücken die Teilquerschnitte<br />
<strong>Holz</strong> und <strong>Beton</strong> in der Regel jedoch<br />
über spezielle Sonderverbindungsmittel zusammengefügt<br />
sind (z.B. eingeklebte Streckmetalle,<br />
kreuzweise eingeklebte Stahlstäbe, Dübelleisten,<br />
Kerven), sind die in DIN 1074:2006 [3] genannten<br />
Nachweisansätze nicht immer direkt anwendbar.<br />
Einige Forschungs- und Entwicklungsvorhaben<br />
haben sich dieser Thematik in der letzten Zeit<br />
angenommen und Untersuchungen zur Ermittlung<br />
der Ermüdungsfestigkeit <strong>von</strong> Verbindungsmitteln,<br />
die bei <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundbrücken eingesetzt<br />
werden, durchgeführt. Im Rahmen dieses<br />
BRÜCKENBAU-SPECIALS werden im folgenden Beitrag<br />
die aktuell vorliegenden Untersuchungsergebnisse<br />
vorgestellt.<br />
Autoren:<br />
Dipl.-Ing. (TU) Dipl.-Ing. (FH)<br />
Oliver Bletz<br />
Prof. Dr.-Ing. Leander Bathon<br />
Fachhochschule Wiesbaden<br />
Fachbereich Architektur und<br />
Bauingenieurwesen<br />
Institut für Baustoffe und<br />
Konstruktion<br />
Grundlagen zur<br />
Ermüdung<br />
In DIN 1074:2006 [3] werden<br />
in Abschnitt 10 die allgemeinen<br />
Nachweise in den<br />
Grenzzuständen der Tragfähigkeit<br />
behandelt.<br />
Danach ist für Tragwerke,<br />
Tragwerksteile oder Verbindungen,<br />
die häufigen Spannungsänderungen<br />
ausgesetzt<br />
sind, nachzuweisen,<br />
dass kein Versagen oder<br />
größerer Schaden infolge<br />
<strong>von</strong> Ermüdung auftritt.<br />
Unter Ermüdung versteht<br />
man dabei die in einem<br />
Werkstoff ablaufenden Veränderungen<br />
und Prozesse,<br />
die bei veränderlichen und<br />
zeitlich wiederholt auftretenden<br />
Beanspruchungen<br />
auftreten und im Laufe der<br />
Nutzungsdauer zu einer<br />
Funktionsuntüchtigkeit<br />
oder zum Versagen führen<br />
können. Die Beurteilung<br />
des <strong>Ermüdungsverhalten</strong>s<br />
gehört zu den wichtigsten<br />
Kriterien in den Grenzzuständen<br />
der Tragfähigkeit.<br />
Bei Brückenkonstruktionen<br />
in <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundbauweise<br />
ist es daher zwingend<br />
erforderlich, eine Aussage<br />
über das <strong>Ermüdungsverhalten</strong><br />
bzw. die Ermüdungsfestigkeit<br />
der eingesetzten<br />
Verbindungsmittel zu erhalten,<br />
da sie wiederholt auftretenden<br />
und ermüdungsrelevanten<br />
Einwirkungen<br />
ausgesetzt sind.<br />
Dauerschwingversuch<br />
Die Ermüdungsfestigkeit<br />
<strong>von</strong> Verbindungsmitteln im<br />
<strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundbau<br />
wird i.d.R. über die Durchführung<br />
<strong>von</strong> Dauerschwingversuchen<br />
ermittelt. Die<br />
Grundlagen zu solchen<br />
Dauerschwingversuchen<br />
sind in DIN 50100:1978 [4]<br />
beschrieben. Darin wird<br />
auch der so genannte<br />
Wöhlerversuch erwähnt.<br />
Beim Wöhlerversuch handelt<br />
es sich um den wichtigsten<br />
Versuch zur Ermittlung<br />
der Ermüdungsfestigkeit.<br />
Hierbei werden mehrere<br />
identische Prüfkörper in<br />
einer Prüfserie so lange<br />
periodisch schwingend<br />
beansprucht, bis entweder<br />
ein Bruchversagen der Prüfkörper<br />
eintritt oder eine<br />
definierte Grenzlastspielzahl<br />
erreicht wird. Die Beanspruchung<br />
wird am Beginn<br />
des Versuchs definiert und<br />
über die Dauer nicht mehr<br />
verändert. Ein auf diese Art<br />
Abb. 1:<br />
Schwingbeanspruchung<br />
(aus [2])<br />
und Weise durchgeführter<br />
Versuch wird nach DIN<br />
50100:1978 [4] als Einstufen-Dauerschwingversuch<br />
bezeichnet.<br />
Bei üblichen Schwingfes -<br />
tigkeitsuntersuchungen wird<br />
die Belastung in Form einer<br />
sinusförmigen Schwing -<br />
belastung mit einer be -<br />
stimmten Mittelspannung<br />
aufgebracht. Die sinusförmige<br />
Lastaufbringung entspricht<br />
zwar nicht den realen<br />
Verhältnissen, bei<br />
denen in der Regel hinsichtlich<br />
der Größe und der<br />
Regelmäßigkeit ungleichmäßige<br />
Beanspruchungen<br />
auftreten – Untersuchungen<br />
haben jedoch gezeigt,<br />
dass Abweichungen vom<br />
sinusförmigen Lastverlauf<br />
im Vergleich zu Änderungen<br />
der Lastgrenzen nur<br />
geringen Einfluss auf das<br />
Werkstoffverhalten haben,<br />
wodurch diese idealisierte<br />
Lastaufbringung legitimiert<br />
wird.<br />
Beim Wöhlerversuch<br />
werden die Prüfkörper einer<br />
Prüfserie stets unter definierten<br />
Beanspruchungsverhältnissen<br />
getestet. Diese<br />
Beanspruchungsverhältnisse<br />
stellen nach Abbildung 1<br />
entweder eine konstante<br />
Special: <strong>Holz</strong>brücken<br />
3/2009<br />
13
Special: <strong>Holz</strong>brücken<br />
Oberspannung o [N/mm 2 ]<br />
Abb. 2:<br />
Idealisiertes Wöhlerdiagramm<br />
in halblogarithmischer Darstellung<br />
(aus [2])<br />
Tabelle 1: Kenngrößen zur<br />
Beschreibung der Ermüdungsversuche<br />
(aus [2])<br />
Kenngröße Einheit Definition<br />
Oberspannung o N/mm² Betragsmäßige größere Spannung<br />
Unterspannung u N/mm² Betragsmäßige kleinere Spannung<br />
Mittelspannung m N/mm² m = ( u + o ) / 2<br />
Spannungsschwingbreite N/mm² = o - u<br />
Spannungsamplitude A N/mm² A = ( o - u ) / 2<br />
Spannungsverhältnis - = u / o<br />
Anzeige<br />
Kurzzeitfestigkeit<br />
Schwingspielzahl N [-]<br />
Zeitfestigkeit<br />
Mittelspannung m mit<br />
Variation der Spannungsamplitude<br />
a oder ein konstantes<br />
Spannungsverhältnis<br />
zwischen Unterspannung<br />
u und Oberspannung<br />
o dar. Tabelle 1 zeigt die<br />
Beziehungen zwischen den<br />
einzelnen Parametern.<br />
Im Allgemeinen wird<br />
beim Dauerschwingversuch<br />
noch zwischen Wechselund<br />
Schwellbeanspruchung<br />
unterschieden. Bei einer<br />
Wechselbeanspruchung<br />
wird die Probe innerhalb<br />
eines Lastspiels sowohl auf<br />
Dauerfestigkeit<br />
Druck als auch auf Zug<br />
beansprucht. Bei Schwellbeanspruchungen<br />
treten<br />
entweder nur Zugbeanspruchungen<br />
oder nur Druckbeanspruchungen<br />
auf (im<br />
Rahmen der später vorgestellten<br />
Untersuchungen<br />
wurden jeweils schwellende<br />
Druckscherbeanspruchungen<br />
aufgebracht).<br />
Zur Auswertung der Versuchsergebnisse<br />
wird ein<br />
Wöhlerdiagramm erstellt<br />
(Abbildung 2). Dabei wird<br />
in einer möglichen Darstellungsvariante<br />
die Anzahl<br />
der Schwingspiele N in<br />
Abhängigkeit der Spannungsverhältnisse<br />
aufgetragen.<br />
Die Darstellung der<br />
Ergebnisse im Wöhlerdiagramm<br />
erfolgt entweder im<br />
halb- oder doppelt-logarithmischen<br />
Maßstab. Im<br />
Wöhlerdiagramm werden<br />
drei Festigkeitsbereiche bestimmt.<br />
Als Kurzzeitfes -<br />
tigkeit wird ein Bereich<br />
definiert, bei dem das<br />
Bruchversagen der Prüfkörper<br />
bei einer Schwingspielzahl<br />
N < 10 4 erfolgt. Der<br />
Bruchvorgang ist durch<br />
plastische Verformungen<br />
gekennzeichnet. Der<br />
Bereich <strong>von</strong> N = 10 4 bis<br />
N = 10 6 - 10 7 Schwingspiele<br />
wird als Zeitfestigkeit<br />
bezeichnet. Die Wöhler -<br />
linie weist in diesem<br />
Bereich eine stark fallende<br />
Tendenz auf. Als Dauerfestigkeit<br />
wird dagegen ein<br />
Bereich definiert, der ab<br />
N = 10 6 - 10 7 Schwingspielen<br />
gerade nicht mehr zum<br />
Versagen der Prüf körper<br />
durch Ermüdung führt.<br />
Im Wöhlerdiagramm zeigt<br />
sich dies durch einen horizontalen<br />
Verlauf der<br />
Wöhlerlinie. Unterhalb des<br />
der Dauerfestigkeit zugehörigen<br />
Lastniveaus kann<br />
ein Bauteil theoretisch<br />
beliebig viele Schwingungen<br />
erfahren.<br />
Das eingesetzte Material<br />
hat einen wesentlichen Einfluss<br />
auf die Dauerfestigkeit.<br />
So sind in der Literatur<br />
Richtwerte für Grenzlastspielzahlen<br />
<strong>von</strong> N = 10 7 für<br />
den Werkstoff Stahl oder<br />
N = 10 8 für Leichtmetalle<br />
zu finden. Einige Materialien<br />
besitzen zudem überhaupt<br />
keine Dauerfestigkeit.<br />
Aluminium stellt ein Beispiel<br />
für einen Werkstoff<br />
ohne ausgeprägte Dauerfes -<br />
tigkeit dar. Im Wöhlerdiagramm<br />
weisen solche Materialien<br />
keinen horizontalen<br />
Verlauf der Wöhlerlinie auf.<br />
Es bleibt zu erwähnen,<br />
dass ein Wöhlerdiagramm<br />
jeweils immer nur für ein<br />
Beanspruchungsverhältnis<br />
(konstante Mittelspannung<br />
oder konstantes Verhältnis<br />
<strong>von</strong> Unterspannung zu<br />
Oberspannung) erstellt<br />
wird.<br />
DIN-Fachbericht<br />
101:2003 [5]<br />
Um die oben genannten<br />
Schwingspielzahlen besser<br />
einordnen zu können, können<br />
die Angaben und Empfehlungen<br />
des DIN-Fachberichtes<br />
101:2003 [5], der<br />
die Einwirkungen auf Brü -<br />
cken regelt, herangezogen<br />
werden. Danach führt ein<br />
über eine Brücke fließender<br />
Verkehr zu einem Spannungsspektrum,<br />
das Ermüdung<br />
herbeiführen kann.<br />
Das Spannungsspektrum<br />
hängt <strong>von</strong> den Achslasten,<br />
den Abmessungen der<br />
Fahrzeuge, dem Fahrzeugabstand,<br />
der Verkehrszusammensetzung<br />
und deren<br />
dynamischen Wirkungen<br />
ab. Für Ermüdungsnachweise<br />
soll eine Verkehrskategorie<br />
festgelegt werden, die<br />
die Anzahl der Fahrstreifen<br />
14<br />
3/2009
mit LKW-Verkehr sowie die<br />
Anzahl der jährlichen<br />
LKW-Überfahrten berücksichtigt.<br />
Tabelle 2 zeigt eine<br />
Zusammenstellung der in<br />
DIN-Fachbericht 101:2003<br />
[5] genannten Verkehrskategorien<br />
mit zugehörigen<br />
Spannungsspielen. Danach<br />
ergeben sich für örtliche<br />
Straßen mit einem geringen<br />
LKW-Anteil jährlich N obs =<br />
50.000 Spannungsspiele.<br />
Für Hauptstraßen mit<br />
geringem LKW-Anteil können<br />
jährlich N obs = 125.000<br />
Spannungsspiele, für Stra -<br />
ßen oder Autobahnen mit<br />
mittlerem LKW-Anteil<br />
bereits N obs = 500.000<br />
Spannungsspiele im Jahr<br />
sowie für Straßen und<br />
Autobahnen mit je zwei<br />
oder mehr Fahrstreifen je<br />
Fahrtrichtung mit hohem<br />
LKW-Anteil sogar N obs =<br />
2.000.000 jährliche Spannungsspiele<br />
angesetzt werden.<br />
Bei einer (konservativ)<br />
angesetzten 40 jährigen<br />
Nutzungsdauer einer Brücke<br />
ergeben sich somit<br />
Spannungsspiele <strong>von</strong> bis zu<br />
80.000.000 Schwingspielen.<br />
Diese Überlegungen verdeutlichen<br />
eindrucksvoll,<br />
weswegen ein Ermüdungsnachweis<br />
bei Brückenkonstruktionen<br />
zwingend erforderlich<br />
ist.<br />
Untersuchungen zum<br />
Verbindungsmittel „eingeklebte<br />
Streckmetalle“<br />
An der FH Wiesbaden wurden<br />
in einem vor Kurzem<br />
abgeschlossenen Forschungsvorhaben<br />
,eingeklebte<br />
Streckmetalle’ als<br />
Verbindungsmittel für <strong>Holz</strong>-<br />
<strong>Beton</strong>-Verbundbrücken<br />
untersucht. Ein Schwerpunkt<br />
der Untersuchungen<br />
lag dabei in der Untersuchung<br />
des <strong>Ermüdungsverhalten</strong>s.<br />
Hierbei wurden ca.<br />
60 <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundprüfkörper<br />
hergestellt und<br />
in Dauerschwingversuchen<br />
getestet [2]. In Abbildung 3<br />
ist exemplarisch ein im<br />
Rahmen dieser Untersuchungen<br />
eingebauter <strong>Holz</strong>-<br />
<strong>Beton</strong>-Verbundprüfkörper<br />
Tabelle 2: Verkehrskategorien nach DIN-Fachbericht 101:2003 [5]<br />
Verkehrskategorie<br />
N obs je Jahr und Gesamtschwingzahl während<br />
je LKW-Fahrstreifen einer 40-jährigen Nutzung<br />
Straßen und Autobahnen mit je zwei<br />
oder mehr Fahrstreifen je Fahrtrichtung 2.000.000 80.000.000<br />
mit hohem LKW-Anteil<br />
Straßen und Autobahnen<br />
mit mittlerem LKW-Anteil<br />
500.000 20.000.000<br />
Hauptstraßen<br />
mit geringem LKW-Anteil<br />
125.000 5.000.000<br />
Örtliche Straßen<br />
mit geringem LKW-Anteil<br />
50.000 2.000.000<br />
mit applizierter Messtechnik<br />
dargestellt, der unter<br />
schwellender Druckscherbeanspruchung<br />
getestet<br />
wurde. In den Versuchsreihen<br />
wurden Schwingspielzahlen<br />
<strong>von</strong> bis zu<br />
10.000.000 Belastungen<br />
aufgebracht.<br />
Der <strong>Holz</strong>querschnitt<br />
bestand bei allen Prüfkörpern<br />
aus Brettschichtholz<br />
der Sortierklasse BS 11 mit<br />
Abmessungen b/h/l =<br />
400/80/600 mm. Die<br />
Lamellenstärke betrug ca.<br />
42 mm. Bei den eingesetzten<br />
<strong>Holz</strong>elementen der<br />
Prüfkörper lag eine senkrechte<br />
Lamellenanordnung<br />
vor. Die Lagerung der<br />
Brettschichtholzelemente<br />
vor der Versuchsdurchführung<br />
erfolgte unter<br />
Laborbedingungen. Stichprobenartige<br />
Messungen<br />
der Prüfkörper ergaben<br />
<strong>Holz</strong>feuchten zwischen 8%<br />
und 13%. Bei den Prüfkörpern<br />
wurden <strong>Holz</strong>plattenelemente<br />
und <strong>Beton</strong>querschnitte<br />
über ins <strong>Holz</strong> eingeklebte<br />
und in den <strong>Beton</strong><br />
verankerte unverzinkte<br />
Streckmetalle verbunden.<br />
Die Streckmetalle besaßen<br />
eine Höhe <strong>von</strong> 90 mm, eine<br />
Breite <strong>von</strong> 2 mm sowie eine<br />
Länge <strong>von</strong> 40 cm. Sie wurden<br />
jeweils einreihig in eine<br />
40 mm tiefe und 3,0 mm<br />
breite Nut in den <strong>Holz</strong>querschnitten<br />
eingeklebt. In den<br />
Untersuchungen wurden<br />
u.a. zwei unterschiedliche<br />
Klebstoffsysteme für den<br />
Einklebevorgang der<br />
Streckmetalle verwendet.<br />
Wesentliches Ziel der<br />
Versuche war es, die Beanspruchungen,<br />
die z.B. bei<br />
Brückenkonstruktionen<br />
durch regelmäßige Überfahrten<br />
<strong>von</strong> Verkehrsmitteln<br />
(Lastkraftwagen, Personenkraftwagen)<br />
auftreten,<br />
im Rahmen der Untersuchungen<br />
zu simulieren. Bei<br />
solchen Brückenkonstruktionen<br />
tritt eine Beanspruchung<br />
mit der Überfahrt<br />
auf. Sie fällt weg, wenn die<br />
Überfahrt des Verkehrsmittels<br />
beendet ist. Eine Beanspruchung<br />
infolge eines solchen<br />
Verkehrsmittels<br />
schwankt somit zwischen<br />
einem Minimalwert 0 und<br />
Abb. 3:<br />
Prüfvorrichtung (aus [2])<br />
Anzeige<br />
Special: <strong>Holz</strong>brücken<br />
3/2009 15
Special: <strong>Holz</strong>brücken<br />
Tabelle 3: Verhältnis zwischen Dauerschwingdruckscherfestigkeit und Kurzzeitdruckscherfestigkeit in<br />
Abhängigkeit des eingesetzten Klebstoffsystems, 0,09 (aus [2])<br />
Klebstoffsystem<br />
Kurzzeitdruckscher- Dauerschwingdruckscherversuch:<br />
Fmax,m<br />
versuch: F D<br />
F D / F max,m<br />
[-] [kN] [kN] [-]<br />
A 93,34 ~ 35,00 0,37<br />
B 102,39 ~ 37,00 0,36<br />
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einem <strong>von</strong> der Charakteristik<br />
des Verkehrsmittels<br />
abhängigen Maximalwert.<br />
Übertragen auf den Prüfkörper<br />
handelt es sich um<br />
eine Schwellenbeanspruchung<br />
mit einer minimalen<br />
Unterlast und einer maximalen<br />
Oberlast. Die einzelnen<br />
<strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbund-<br />
Bauteilversuche wurden<br />
unter einer Druckscherschwellenbeanspruchung<br />
gefahren, d.h. die aufgebrachte<br />
Last befand sich zu<br />
jedem Zeitpunkt des Versuchs<br />
im Druckbereich. Die<br />
Frequenz der Lastaufbringung<br />
(sinusförmige Lastaufbringungsart),<br />
d.h. die<br />
Anzahl der aufgebrachten<br />
Belastungen pro Sekunde<br />
betrug zwischen 2 Hz und<br />
3 Hz, wodurch sich Versuchsdauern<br />
<strong>von</strong> bis zu 39<br />
Tagen (!) pro Versuchskörper<br />
ergaben. Die Ermittlung<br />
des Ober- und Unterlastniveaus<br />
erfolgt unter Berücksichtigung<br />
eines gleich bleibenden<br />
Spannungsverhältnisses<br />
. In den Versuchsreihen<br />
wurde bei einem<br />
Großteil der Prüfkörper ein<br />
Spannungsverhältnis <strong>von</strong><br />
0,09 angestrebt. Damit<br />
sollte das oben beschriebene<br />
Beanspruchungsverhalten<br />
aus einer Verkehrsbelas -<br />
tung simuliert werden, bei<br />
dem nach einer maximalen<br />
Beanspruchung o die Entlastungsphase<br />
erfolgt, wobei<br />
u Werte annimmt, die relativ<br />
nahe am Wert 0 liegen<br />
(nur Beanspruchungen in -<br />
folge Eigengewicht vorhanden).<br />
Zusätzlich wurde bei<br />
einem Teil der Versuche ein<br />
Spannungsverhältnis <strong>von</strong><br />
= 0,50 gewählt. Aus dem<br />
Vergleich der Messergebnisse<br />
ließ sich eine grundsätz -<br />
liche Aussage zum Einfluss<br />
des Spannungsverhältnisses<br />
auf das <strong>Ermüdungsverhalten</strong><br />
<strong>von</strong> <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundkonstruktionen<br />
mit<br />
Abb. 4:<br />
Einfluss des Klebstoffsystems<br />
auf die Bauteilwöhlerlinien,<br />
0,09 (aus [2])<br />
eingeklebten Streckmetallen<br />
ableiten.<br />
In den durchgeführten<br />
Versuchen trat das Versagen<br />
stets im Streckmetall auf.<br />
Die Werkstoffe <strong>Holz</strong> und<br />
<strong>Beton</strong> sowie das jeweils eingesetzte<br />
Klebstoffsystem<br />
wiesen keine Ermüdungserscheinungen<br />
auf. Dieses<br />
Systemverhalten entsprach<br />
damit dem Systemverhalten<br />
<strong>von</strong> <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundprüfkörpern<br />
unter einer<br />
Kurzzeitdruckscherbeanspruchung,<br />
bei dem ebenfalls<br />
das Streckmetall versagte.<br />
Die aus den Dauerschwingversuchen<br />
ermittelten<br />
Bruchschwingspielzahlen<br />
in Abhängigkeit des<br />
Oberlastniveaus sind für<br />
<strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundprüfkörper<br />
mit eingeklebten<br />
Streckmetallen (Klebstoffsystem<br />
A bzw. Klebstoffsys -<br />
tem B) grafisch in Abbildung<br />
4 aufgetragen. Das<br />
Wöhlerdiagramm ist im<br />
halblogarithmischen Maßstab<br />
erstellt. Hierin sind die<br />
drei Festigkeitsbereiche<br />
Kurzzeitfestigkeit, Zeitfestigkeit<br />
und angenommene<br />
Dauerfestigkeit durch<br />
gestrichelte Linien angedeutet.<br />
Die Werte bei N =<br />
1 · 10 0 Schwingspiel stellen<br />
die Bruchlasten F max der<br />
zugehörigen Kurzzeitdruckscherversuche<br />
dar. Grundsätzlich<br />
zeigt sich eine eindeutige<br />
Abhängigkeit zwischen<br />
aufgebrachter Oberlast<br />
und Schwingspielzahl.<br />
Mit steigender Oberlast<br />
sinkt die die aufnehmbare<br />
Schwingspielzahl. Deutlich<br />
erkennbar im Wöhlerschaubild<br />
sind die jeweils stark<br />
fallenden Tendenzen der<br />
Bauteilwöhlerlinien im Be -<br />
reich der Zeitfestigkeit. Ab<br />
einer erreichten Schwingzahl<br />
<strong>von</strong> N = 2 · 10 6<br />
16<br />
3/2009
Abb. 5:<br />
Einfluss des Spannungsverhältnisses<br />
auf die Bauteilwöhlerlinien<br />
(aus [2])<br />
Schwingspielen liegt ein<br />
nahezu horizontaler Verlauf<br />
der Bauteilwöhlerlinien vor.<br />
Aus dem Wöhlerschaubild<br />
wird ersichtlich, dass<br />
das verwendete Klebstoff -<br />
sys tem einen maßgeblichen<br />
Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit<br />
der Prüfkörper<br />
besitzt. Auf demselben Lastniveau<br />
treten Ermüdungsbrüche<br />
bei mit dem Klebstoffsystem<br />
A eingeklebten<br />
Streckmetallen bei geringeren<br />
Schwingzahlen auf als<br />
bei mit dem Klebstoffsystem<br />
B eingeklebten Streck -<br />
metal len. Die Wöhlerlinien<br />
für beide Klebstoffsysteme<br />
ähneln sich qualitativ im<br />
Verlauf, sind aber in<br />
Abhängigkeit des aufnehmbaren<br />
Oberlastniveaus<br />
gegeneinander versetzt. Für<br />
das Klebstoffsystem A liegt<br />
bei einem Lastniveau <strong>von</strong><br />
circa 35 kN die angenommene<br />
Dauerfestigkeit vor;<br />
für das Klebstoffsystem B<br />
liegt bei der angenommenen<br />
Dauerfestigkeit das<br />
Lastniveau mit ungefähr<br />
38 kN geringfügig höher.<br />
Für beide Klebstoffsysteme<br />
liegen somit unter den<br />
gewählten Versuchsparametern<br />
Verhältniswerte zwischen<br />
der Dauerschwingdruckscherfestigkeit<br />
und<br />
der mittleren Kurzzeitdruckscherfestigkeit<br />
F D /F max,m <strong>von</strong> etwa 0,37<br />
vor (Tabelle 3). Daraus<br />
kann direkt gefolgert werden,<br />
dass bei ermüdungsrelevanten<br />
(nicht statischen)<br />
Be anspruchungen die statische<br />
Tragfähigkeit <strong>von</strong> eingeklebten<br />
Streckmetallen<br />
abgemindert werden muss.<br />
Der Einfluss des Spannungsverhältnisses<br />
auf die<br />
Ermüdungsfestigkeit <strong>von</strong><br />
<strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundkonstruktionen<br />
mit eingeklebten<br />
Streckmetallen wur de<br />
Tabelle 4: Verhältnis zwischen Dauerschwingdruckscherfestigkeit und Kurzzeitdruckscherfestigkeit in<br />
Abhängigkeit des Spannungsverhältnisses (aus [2])<br />
in einer weiteren Versuchsreihe<br />
untersucht und kann<br />
aus Abbildung 5 abgelesen<br />
werden. Bei den dargestellten<br />
Versuchsreihen wurde<br />
ein Teil der Versuchsköper<br />
unter einem Spannungs -<br />
verhältnis 0,09 getes -<br />
tet, während bei dem Rest<br />
der Prüfkörper ein Spannungsverhältnis<br />
0,50<br />
zugrunde gelegt wurde. Es<br />
zeigte sich, dass die Versuchskörper,<br />
die unter<br />
einem Spannungsverhältnis<br />
0,09 getestet wurden,<br />
auf gleichem Oberlastniveau<br />
signifikant geringere<br />
Bruchschwingspielzahlen<br />
aufwiesen als Versuchskörper,<br />
bei denen ein Spannungsverhältnis<br />
0,50<br />
vorlag. Daraus lassen sich<br />
folgende Schlussfolgerungen<br />
ableiten:<br />
●<br />
●<br />
Spannungsverhältnis Kurzzeitdruckscher- Dauerschwingdruckscher-<br />
versuch: Fmax,m versuch: F D<br />
F D / F max,m<br />
[-] [kN] [kN] [-]<br />
0,09 100,78 ~ 32,00 0,32<br />
0,50 100,78 ~ 59,00 0,59<br />
Mit wachsendem Spannungsverhältnis<br />
sinkt<br />
die ermüdungsrelevante<br />
Beanspruchung für eine<br />
<strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundkonstruktion<br />
mit eingeklebten<br />
Streckmetallen.<br />
Mit wachsendem Spannungsverhältnis<br />
steigt<br />
●<br />
das rechnerische Verhältnis<br />
aus Dauerschwingdruckscherfestigkeit<br />
und<br />
der mittleren Kurzzeitdruckscherfestigkeit<br />
F D /F max,m an (Tabelle 4).<br />
Bei <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundkonstruktion<br />
mit eingeklebten<br />
Streckmetallen<br />
wird die Ermüdungsfestigkeit<br />
durch die Größe<br />
der Spannungsamplitude<br />
stärker beeinflusst als<br />
durch die Größe der Mittelspannung.<br />
●<br />
Die Ermüdungsfestigkeit<br />
<strong>von</strong> <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundbrücken<br />
mit eingeklebten<br />
Streckmetallen<br />
wird maßgeblich durch<br />
das Eigengewicht der<br />
Brücke beeinflusst.<br />
Brücken mit hohem<br />
Eigengewicht sind<br />
gegenüber Ermüdung<br />
weniger anfällig als<br />
Brücken mit geringem<br />
Eigengewicht (bei Überfahrten<br />
<strong>von</strong> identischen<br />
Verkehrsmitteln).<br />
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Special: <strong>Holz</strong>brücken<br />
3/2009 17
Special: <strong>Holz</strong>brücken<br />
Abb. 6:<br />
Detailansicht des Verbindungsmittels<br />
„Dübelleiste“ (aus [8])<br />
Abb. 7:<br />
Detailansicht des Verbindungsmittels<br />
„kreuzweise eingeklebte<br />
Stahlstäbe“ (aus [6])<br />
Die Ergebnisse aus den<br />
Untersuchungen zeigen in<br />
der Summe, dass das Verhalten<br />
<strong>von</strong> in <strong>Holz</strong> eingeklebten<br />
und in <strong>Beton</strong> verankerten<br />
Streckmetallen<br />
unter einer schwellenden<br />
Druckscherbeanspruchung<br />
bei den untersuchten Versuchsparametern<br />
grundsätzlich<br />
sehr gleichmäßig,<br />
reproduzierbar und gut vorhersagbar<br />
ist. Bei ermüdungsrelevanten<br />
Beanspruchungen<br />
darf jedoch nicht<br />
die unter statischen Verhältnissen<br />
(in Kurzzeittraglastversuchen)<br />
ermittelte<br />
Tragfähigkeit <strong>von</strong> eingeklebten<br />
Streckmetallen<br />
angesetzt werden. Eine<br />
Abminderung der statischen<br />
Tragfähigkeit der eingeklebten<br />
Streckmetalle in<br />
Abhängigkeit der Randbe-<br />
dingungen Klebstoffsystem<br />
und Spannungsverhältnis<br />
muss vorgenommen werden.<br />
Untersuchungen zum<br />
Verbindungsmittel<br />
„Dübelleiste“<br />
In einem Forschungsvorhaben<br />
an der Bauhaus Universität<br />
Weimar wurde u.a.<br />
das Verbindungsmittel<br />
‚Dübelleiste-Stahlplatte mit<br />
aufgeschweißten Kopfbolzendübeln’<br />
untersucht und<br />
aufgrund der positiven<br />
Untersuchungsergebnisse<br />
als für den Brückenbau<br />
geeignetes Verbindungssys -<br />
tem eingestuft ([8], [9]).<br />
Als Besonderheiten dieses<br />
Verbindungsmittels (Abbildung<br />
6) sind die relativ einfache<br />
Herstellung sowie die<br />
gut erfassbare Beschreibung<br />
der Bemessungssituation zu<br />
nennen. Die Dübelleiste<br />
nutzt anerkannte und<br />
langjährig bewährte Prinzipien<br />
zur Kraftübertragung<br />
(holzseitig liegt das Versatzprinzip<br />
vor, während betonseitig<br />
auf das aus dem<br />
Stahlverbundbau bekannte<br />
Verbindungsmittel Kopfbolzendübel<br />
zurückgegriffen<br />
wird). Zwei Prüfkörper mit<br />
diesem Verbindungsmittel<br />
wurden im Rahmen des<br />
FuE-Vorhabens hergestellt<br />
und in Druckscherschwellenversuchen<br />
auf ihr <strong>Ermüdungsverhalten</strong><br />
hin getestet.<br />
Die aufgebrachte<br />
Oberlast betrug dabei 35%<br />
der Bruchlast des statischen<br />
Kurzzeittraglastversuchs<br />
(0,35 F max ). Das Unterlastniveau<br />
wurde zu 0,06 F max<br />
festgelegt. Daraus ergab<br />
sich ein Spannungsverhältnis<br />
0,17. Beide Prüfkörper<br />
durchliefen die<br />
angesetzte Lastspielzahl <strong>von</strong><br />
2.000.000 Schwingspielen<br />
ohne Ermüdungsversagen.<br />
Lediglich die Relativverschiebungen<br />
zwischen den<br />
Teilquerschnitten <strong>Holz</strong> und<br />
<strong>Beton</strong> nahmen während der<br />
Versuchsdurchführung zu.<br />
Nach Beendigung der dynamischen<br />
Vorbelastungen<br />
und vollständiger Entlas -<br />
tung wurden beide Probekörper<br />
bis zum Bauteilbruch<br />
hin beansprucht. Die<br />
dynamisch vorbelasteten<br />
Probekörper zeigten dabei<br />
ähnliche Versagensmodi wie<br />
die Probekörper der Kurzzeitdruckscherversuche<br />
(sprödes Abscheren der<br />
Vorhölzer). Die Tragfähigkeiten<br />
der vorbelasteten<br />
Prüfkörper lagen in der gleichen<br />
Größenordnung wie<br />
die Tragfähigkeiten der<br />
Prüfkörper der Kurzzeitdruckscherversuche.<br />
Untersuchungen zum<br />
Verbindungssystem<br />
„kreuzweise eingeklebte<br />
Stahlstäbe“<br />
In dem oben genannten<br />
Forschungsvorhaben an der<br />
Bauhaus Universität Weimar<br />
wurde auch das Verbindungssystem<br />
‚kreuzweise<br />
eingeklebte Stahlstäbe’ ge -<br />
testet ([8], [9]). Die Schub -<br />
übertragung zwischen den<br />
Teilquerschnitten <strong>Holz</strong> und<br />
<strong>Beton</strong> erfolgte hierbei über<br />
zwei unter einem Winkel<br />
<strong>von</strong> 45° kreuzweise ins <strong>Holz</strong><br />
eingeklebte Bewehrungsstäbe<br />
(BST 500) mit einem<br />
Durchmesser <strong>von</strong> jeweils<br />
14 mm. Der Durchmesser<br />
der 50 cm tiefen Bohrungen<br />
betrug jeweils 18 mm. Als<br />
Klebstoff wurde ein zweikomponentiger<br />
Epoxydharz<br />
verwendet. Die aus dem<br />
<strong>Holz</strong>querschnitt herausragenden<br />
Abschnitte der<br />
Bewehrungsstähle wurden<br />
abgewinkelt und im Frischbeton<br />
verankert. Zwei auf<br />
diese Art und Weise hergestellte<br />
Prüfkörper wurden<br />
ebenfalls in Druckscherschwellenversuchen<br />
auf ihr<br />
<strong>Ermüdungsverhalten</strong> hin<br />
getestet. Die aufgebrachte<br />
Oberlast betrug wiederum<br />
35% der Bruchlast des<br />
zugehörigen statischen<br />
Kurzzeitdruckscherversuchs<br />
(0,35 F max ). Das Unterlastniveau<br />
wurde zu 0,06 F max<br />
festgelegt, woraus sich ein<br />
Spannungsverhältnis <strong>von</strong><br />
0,17 ergab. Beide Prüfkörper<br />
durchliefen die<br />
angesetzte Lastspielzahl <strong>von</strong><br />
18<br />
3/2009
Abb. 8:<br />
Ansicht der Birkbergbrücke<br />
(Foto: Schaffitzel [11])<br />
Abb. 9:<br />
Querschnitt der Birkbergbrücke<br />
(aus [7])<br />
ca. 2.200.000 Schwingspielen<br />
ohne Ermüdungsversagen.<br />
Wiederum nahmen die<br />
Relativverschiebungen zwischen<br />
den Teilquerschnitten<br />
<strong>Holz</strong> und <strong>Beton</strong><br />
während der Versuchsdurchführung<br />
zu. Nach<br />
Beendigung der dynamischen<br />
Vorbelastungen und<br />
vollständiger Entlastung<br />
wurden die Probekörper bis<br />
zum Bauteilbruch hin beansprucht.<br />
Die dynamisch<br />
vorbelasteten Probekörper<br />
zeigten ähnliche Versagensmodi<br />
wie die Probekörper<br />
der Kurzzeitdruckscherversuche<br />
(Stahlbruch des Zugstabes<br />
nach ausgeprägt duktiler<br />
Verformung).<br />
Weitere Untersuchungen<br />
zur Ermüdungsfestigkeit des<br />
Verbindungsmittels ,kreuzweise<br />
eingeklebte Bewehrungsstäbe’<br />
werden derzeit<br />
an der Universität Stuttgart<br />
durchgeführt [6]. 9 Prüfkörper<br />
sollen hierbei im<br />
Rahmen <strong>von</strong> Druckscherschwellenversuchen<br />
getes -<br />
tet werden, wobei bei einem<br />
festgelegten Spannungsverhältnis<br />
= 0,10 das Oberund<br />
Unterlastniveau gezielt<br />
variiert werden soll. Ab -<br />
bildung 7 zeigt exemplarisch<br />
einen Versuchskörper<br />
mit eingeklebten Bewehrungsstäben<br />
vor dem <strong>Beton</strong>ieren.<br />
Die Ergebnisse werden<br />
in Kürze nach Ab -<br />
schluss des FuE-Vorhabens<br />
in einem Forschungsbericht<br />
veröffentlicht.<br />
Untersuchungsergebnisse<br />
zum Verbindungsmittel<br />
„Kerve“<br />
An der Universität Stuttgart<br />
wird seit einigen Jahren<br />
die ‚Kerve’ als Verbindungsmittel<br />
für <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundkonstruktionen<br />
untersucht.<br />
In einem derzeit laufenden<br />
FuE-Vorhaben wird<br />
hierbei auf die Ermüdungsfestigkeit<br />
der Kerve eingegangen<br />
[6]. 9 Prüfkörper<br />
wurden im Rahmen <strong>von</strong><br />
zyklischen Druckscherversuchen<br />
jeweils unter einem<br />
Spannungsverhältnis =<br />
0,10 getestet, wobei in der<br />
Versuchsreihe das Oberund<br />
Unterlast niveau gezielt<br />
variiert wurde. Bisher vorliegende<br />
Forschungsergebnisse<br />
zeigen, dass das Ermüdungsver<br />
sagen der Prüfkörper<br />
jeweils durch ein<br />
Schubversagen im Brettschichtholz<br />
hervorgerufen<br />
wurde. Dieser Versagens -<br />
mechanismus lässt sich gut<br />
mit dem in DIN 1074:2006,<br />
Anhang C vorgeschlagenen<br />
Bemessungsansatz für das<br />
<strong>Ermüdungsverhalten</strong> <strong>von</strong><br />
auf Schub beanspruchtem<br />
<strong>Holz</strong> darstellen. Die ermittelten<br />
Messergebnisse sind<br />
gegenüber dem Norm-<br />
Berechnungsansatz jedoch<br />
geringfügig günstiger. Die<br />
abschließenden Forschungsergebnisse<br />
werden nach<br />
Beendigung des FuE-Vorhabens<br />
in einem Forschungsbericht<br />
präsentiert.<br />
Praxisumsetzung<br />
Die unmittelbare Umsetzung<br />
erster Forschungsergebnisse<br />
in der Brücken -<br />
baupraxis erfolgte in letzter<br />
Zeit für die Verbindungsmittel<br />
‚eingeklebte Streckmetalle’<br />
sowie ,Dübelleis te’.<br />
Bei der im November<br />
2008 fertig ge stellten Birkbergbrücke<br />
über die Wipper<br />
bei Wippra (Abbildungen 8<br />
und 9) wurden als Verbindungsmittel<br />
Dübelleisten<br />
ein gesetzt [7]. Die Trag -<br />
konstruktion der 15,20 m<br />
weit gespannten, als Stra -<br />
ßenbrücke genutzten Birkbergbrücke<br />
besteht hierbei<br />
aus zweistegigen Plattenbalken<br />
aus blockverleimtem<br />
Brettschichtholz (b/h =<br />
126/70 cm).<br />
Bei der im Jahr 2007<br />
erstellten Unidobrücke bei<br />
Wien ([1], [12]) wurden<br />
eingeklebte Streckmetalle<br />
als Verbindungsmittel<br />
genutzt (Abbildungen 10<br />
und 11). Die Tragkonstruktion<br />
der Unidobrücke<br />
besteht aus drei Fischbauchträgern<br />
mit oben liegender<br />
schubfest verbundener<br />
<strong>Beton</strong>platte. Als Verbundsystem<br />
wurden jeweils<br />
zweireihig in die Fischbauchträger<br />
eingeklebte<br />
Streckmetalle verwendet.<br />
Special: <strong>Holz</strong>brücken<br />
3/2009 19
Special: <strong>Holz</strong>brücken<br />
Abb. 10:<br />
Ansicht der Unidobrücke<br />
(Foto: TiComTec [12])<br />
Abb. 11:<br />
Querschnitt der Unidobrücke<br />
(Zeichnung: Duscheck &<br />
Duscheck [10])<br />
Die Streckmetalle wurden<br />
in definierten Abständen<br />
gleichmäßig über die Trägerlänge<br />
angeordnet. Sie<br />
besaßen jeweils eine Höhe<br />
<strong>von</strong> 90 mm und wurden in<br />
40 mm tiefe Schlitze in den<br />
<strong>Holz</strong>querschnitten eingeklebt.<br />
Als Klebstoffsystem<br />
wurde das Klebstoffsystem<br />
A verwendet, das auch in<br />
den Versuchen an der FH<br />
Wiesbaden zum Einsatz<br />
kam. Das Einkleben der<br />
Streckmetalle erfolgte im<br />
Werk. Die 50 mm herausragenden<br />
Teile der eingeklebten<br />
Streckmetalle wurden<br />
anschließend auf der Baustelle<br />
bei der Herstellung<br />
der <strong>Beton</strong>platte im <strong>Beton</strong>querschnitt<br />
verankert.<br />
Fazit<br />
Bei <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundbrücken,<br />
die als Straßenverkehrsbrücken<br />
genutzt wer-<br />
den, ist aufgrund der<br />
zyklisch wiederkehrenden<br />
Überfahrten der Verkehrsmittel<br />
eine Ermüdungsbeanspruchung<br />
gegeben. Ein<br />
Nachweis gegen Ermüdungsversagen<br />
ist daher für<br />
alle Bestandteile einer Brü -<br />
cke, die durch Ermüdung<br />
beansprucht werden, zu<br />
führen. Neben den Hauptbauteilen<br />
<strong>Holz</strong> und Stahlbeton<br />
ist insbesondere auch<br />
für metallische Verbin -<br />
dungs mittel ein solcher Er -<br />
müdungsnachweis zu er -<br />
bringen. Da bis vor Kurzem<br />
für diese Verbindungsmittel<br />
keine wissenschaftlich abgesicherten<br />
Aussagen vorlagen,<br />
war es notwendig, diese<br />
Erkenntnisse im Rahmen<br />
experimenteller Untersuchungen<br />
zu erbringen. Neueste<br />
Erkenntnisse aus Forschungs-<br />
und Entwicklungsvorhaben<br />
belegen nun, dass<br />
das <strong>Ermüdungsverhalten</strong><br />
<strong>von</strong> <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundbrücken<br />
und im Speziellen<br />
das <strong>Ermüdungsverhalten</strong><br />
der eingesetzten Verbindungsmittel<br />
gut bestimmbar<br />
ist. Im Einzelnen liegen<br />
Erkenntnisse zu den Verbindungsmitteln<br />
‚Kerve’,<br />
‚kreuzweise eingeklebte<br />
Stahlstäbe’, ‚Dübelleiste’<br />
sowie ‚eingeklebte Streckmetalle’<br />
vor. Die Erkenntnisse<br />
ermöglichen nun<br />
einen abgesicherten Einsatz<br />
der <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundbauweise<br />
im Brückenbau.<br />
Mit der Birkbergbrücke über<br />
die Wippra und der Unidobrücke<br />
bei Wien konnten<br />
inzwischen auch zwei Pilotprojekte<br />
ausgeführt werden,<br />
bei denen die FuE-Ergebnisse<br />
erstmals erfolgreich<br />
umgesetzt wurden. ■<br />
Literatur & Quellen<br />
[1] Bathon, L.; Bletz, O.<br />
(2008): „<strong>Holz</strong> trifft <strong>Beton</strong>”, bauen<br />
mit holz 6/2008, Seite 28 - 33<br />
[2] Bletz, O.: „Beitrag zur Entwicklung<br />
<strong>von</strong> <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundkonstruktionen<br />
mit eingeklebten<br />
Streckmetallen“, Dissertation in<br />
Arbeit, TU Darmstadt, Institut<br />
für Stahlbau und Werkstoffmechanik<br />
[3] DIN – Deutsches Institut<br />
für Normung (2006): „DIN<br />
1074, <strong>Holz</strong>brücken“<br />
[4] DIN – Deutsches Institut<br />
für Normung (1978): „DIN<br />
50100, Werkstoffprüfung, Dauerschwingversuch,<br />
Begriffe, Zeichen,<br />
Durchführung, Auswertung“<br />
[5] DIN – Deutsches Institut<br />
für Normung (2003): „DIN-<br />
Fachbericht 101, Einwirkungen auf<br />
Brücken“<br />
[6] Kuhlmann, U.; Aldi, P.<br />
(2008): „Fatigue of timber-con -<br />
crete-composite beams: characterisation<br />
of the connection behaviour<br />
through push-out tests“, Proceedings<br />
of the 10th World Conference<br />
on Timber Engineering,<br />
Miyazaki, Japan<br />
[7] Ingenieurgemeinschaft<br />
Setzpfandt (2008): „Birkbergbrücke<br />
über die Wipper bei Wippra“,<br />
Firmenprospekt<br />
[8] Rautenstrauch, K.;<br />
Simon, A. (2008): „Weiterentwicklung<br />
der <strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundbauweise<br />
unter Einsatz <strong>von</strong> blockverleimten<br />
Brettschichtholzquerschnitten<br />
bei Straßenbrücken“, Forschungsbericht<br />
14275 BR, Bauhaus<br />
Universität Weimar<br />
[9] Simon, A. (2008): „Analyse<br />
zum Trag- und Verformungsverhalten<br />
<strong>von</strong> Straßenbrücken in<br />
<strong>Holz</strong>-<strong>Beton</strong>-Verbundbauweise“,<br />
Dissertation, Bauhaus-Universität<br />
Weimar<br />
[10] Fa. Duscheck &<br />
Duscheck GmbH Ingenieurholzbau,<br />
A-3032 Eichgraben,<br />
www.d2-duscheck.at<br />
[11] Fa. Schaffitzel <strong>Holz</strong>industrie<br />
GmbH & Co. KG, D-74523<br />
Schwäbisch-Hall,<br />
www.schaffitzel.de<br />
[12] Fa. TiComTec GmbH,<br />
D-63808 Haibach, www.holzbeton-verbund.de<br />
20<br />
3/2009