Universität Kassel
In Kassel forscht man seit Jahren intensiv an geklebten Verbundteilen aus Holz und Beton. Damit lassen sich schlanke Tragstrukturen entwickeln und Material einsparen.
Verbundkonstruktionen aus Stahl und Beton sind erfolgreich im Einsatz. So kann bei einer optimalen Querschnittsgestaltung die hohe Zugfestigkeit des Baustahls und die große Druckfestigkeit des Betons ideal ausgenutzt werden, schreibt Gerhard Hanswille im Abschnitt „Verbundbau“ des Kapitels „Konstruktiver Ingenieurbau und Hochbau“ im Fachbuch „Handbuch für Bauingenieure“.
Durch die schubfeste Verbindung von biegesteifen Stahlprofilen mit Betonteilen würden beide Materialien zur gemeinsamen Tragwirkung herangezogen. Auf diese Weise entstünden Konstruktionselemente wie Verbunddecken, Flachdecken, Träger, Stützen und Rahmenkonstruktionen, die sich durch hohe Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit sowie durch große Steifigkeit auszeichnen.
Holz und ultrahochfester Beton
Am Fachbereich Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen der Universität Kassel versucht man sich noch an einem anderen Weg. Dort befasst sich ein aktuelles Forschungsvorhaben schon seit einigen Jahren mit geklebten Verbundteilen aus Holz und hochfestem beziehungsweise ultrahochfesten Betonen.
„Als ultrahochfeste Betone werden Betone mit Druckfestigkeiten zwischen 150 N/mm2 und 300 N/mm2 bezeichnet“, heißt es ebenfalls im Kapitel „Konstruktiver Ingenieurbau und Hochbau“ des Buchs „Handbuch für Bauingenieure“. Danach werden ultrahochfeste Betone (UHFB) „häufig mit einem Größtkorn von 1 mm oder weniger hergestellt, wodurch sich ein homogeneres und potentiell festeres Gefüge ergibt als bei grobkörnigerem Beton.“
Noch höhere Druckfestigkeiten würden sich darüber hinaus noch durch die Wärmebehandlung, das Mischen im Vakuum und die Druckverfestigung erzielen lassen. Aus diesem Grund würden Bauteile aus UHFB meist im Fertigteilwerk hergestellt, so die Fachliteratur.
Schlanke Tragstrukturen
Die Kassler Wissenschaftler haben bereits festgestellt, dass sich durch das Verkleben von Holz mit UHFB völlig neue und schlanke Tragstrukturen entwickeln lassen. Die Schubkräfte in der Verbundfuge würden durch die vollflächige Verklebung von Holz und Beton kontinuierlich übertragen. So könne ein „quasi starrer“ Verbund erzielt werden.
Die Vorteile davon seien eine hohe Tragfähigkeit bei geringer Eigenlast. Diese Eigenschaften stünden im Einklang mit den Anforderungen der Nachhaltigkeit, heißt es aus Kassel. Sie seien im Sinne eines sparsamen Materialverbrauchs.
Erste Tests waren erfolgreich
Auch die Ergebnisse erster systematischer Untersuchungen zum Einfluss der Festigkeit und der Oberflächengestalt der Fügepartner Holz und Beton hätten die prinzipielle Eignung einer Klebeverbindung für dieses Konstruktionsprinzip bestätigt. Die beobachteten Phänomene konnten bruchmechanisch erklärt werden. Anhand von zwei Bauteilversuchen wurde die baupraktische Umsetzbarkeit nachgewiesen.
So hatte 2010 Dipl.-Ing. Bettina Scheier für ihre Diplomarbeit das Biegetragverhalten von geklebten Verbundbauteilen aus Holz und ultrahochfestem Beton getestet. Sie verklebte die beiden Hochleistungsbaustoffe mittels Epoxidharz und fügte sie zu leistungsfähigen Verbundbauteilen zusammen. Dann führte sie unter anderem Schwingungstests und Traglastversuche durch.
Ein Bauteil aus zwei 20 Zentimetern hohen Holzbalken mit einer darauf geklebten, nur 20 Millimeter dicken Betonplatte war in der Lage 188 kN (19 to) zu tragen. Das entspricht in etwa dem Gewicht von 19 Kleinwagen. Durch die Auswertung der Messerergebnisse konnte Frau Scheier ihre Berechnungsansätze, mit denen sie die Bruchlast der Bauteile prognostiziert hatte, bestätigen. Ihre Arbeit erhielt damals den Förderpreis der Kasseler Beton-Betrieb GmbH & Co. KG (KBB).
Kaum Langzeiterfahrungen
Allerdings existieren bisher kaum Erkenntnisse über die Langzeiteinflüsse. Das betreffe „sowohl Alterungseffekte beim Klebstoff als auch die in einer Holz-Beton-Verbindung zu erwartenden mechanischen Beanspruchungen durch unterschiedliches Schwind- und Quellverhalten sowie unterschiedliche Temperaturdehnungen der beteiligten Werkstoffe“, schreiben die Forscher auf der Projektseite.
Diesen Phänomenen komme bei Baukonstruktionen, die in vielen Fällen den natürlichen jahreszeitlich und im Tagesverlauf wechselnden Temperatur- und Feuchtebedingungen ausgesetzt seien, jedoch eine entscheidende Bedeutung zu.
Daher sollen nun realitätsnahe thermisch-hygrische Randbedingungen erarbeitet, Eigenspannungen – sowohl chemischer, thermischer und hygrischer Art – in der Klebefuge erfasst und mit Alterungseffekten überlagert werden.