Volltext pdf-Datei - Landesforsten Rheinland-Pfalz

Abschlussbericht für das ProjektNIETDÜBEL AUS FLÜSSIGHOLZvonProf. Dr.-Ing. Jens SchusterFachhochschule KaiserslauternStandort PirmasensCarl-Schurz-Str. 1-966953 PirmasensProjektförderung durch die Struktur- und Genehmigungsdirektion Süd, ForstlicheVersuchsanstalt Rheinland-Pfalz in TrippstadtFörderzeitraum: 1. September 2001 – 31. Dezember 2001

- 1 -INHALTSVERZEICHNIS1. Einleitung 21.1 Allgemeine Einführung in die Dübeltechnologie – Stand der Technik 21.2 Werkstoffauswahl 42. Aufgabenstellung und Zielsetzung 63. Probenherstellung 73.1 Allgemeines 73.2 Zugproben 73.3 Scherproben 83.4 Schlagproben 94. Verwendete Prüfmaschinen und Prüfdurchführung 104.1 Zugprüfungen 104.2 Scherprüfungen 104.3 Schlagprüfungen 115. Prüfergebnisse 135.1 Zugprüfungen 135.1.1 Konventioneller Holzdübel 135.1.2 Flüssigholzdübel 135.1.2.1 Vorversuche 135.1.2.2 Flüssigholzdübel ohne Poren 145.2 Scherprüfungen 155.3 Schlagversuche 156. Diskussion der Prüfergebnisse 166.1 Zugprüfungen 166.1.1 Einfluss der Sacklochtiefe 166.1.2 Einfluss der Nuttiefe 176.1.3 Einfluss des Formschlusses 186.1.4 Steifigkeit der Dübelverbindungen 206.2 Scherfestigkeit der Dübel und Dübelverbindungen 216.3 Diskussion der Schlagversuche 216.4 Zusammenfassung der Ergebnisdiskussion 217. Zusammenfassung 228. Quellenangaben 23

- 2 -NIETDÜBEL AUS FLÜSSIGHOLZ1. Einleitung1.1 Allgemeine Einführung in die Dübeltechnologie – Stand der TechnikDas Verdübeln von Holzbrettern und -balken ist ein gängiges Verfahren zum Fügendieser Bauelemente, das vorteilhaft immer dort eingesetzt wird, wo entweder eine nichtsichtbare Fügung notwendig ist oder eine andere Verbindung (z.B. Verschrauben)schlecht oder gar nicht möglich ist. Als Dübel werden i.a. entweder Rundstäbe ausWeichholz mit 6 - 50 mm Durchmesser oder aus Hartholz (oftmals Buche) mit 6 - 25 mmeingesetzt. Diese an den Stirnseiten leicht angefasten längsprofilierten Holzzylinderwerden in Bohrungen in den zu verfügenden Elementen eingeführt, die etwas tiefer sindals die halbe Dübellänge. Bedingt durch die Eigenart von Holz zu "arbeiten", d.h. dassdas Volumen eines Holzbauteils sich feuchtigkeitsabhängig verändert und damit zeitlichnicht invariant ist, ist es nicht verantwortbar, einen Holzdübel für anspruchsvollereKonstruktionen rein kraftschlüssig zu verwenden.Als Lösung in diesem Fall bietet sich eine stoffschlüssige Leimverbindung, bei welcherder Leim zwischen dem Fügemedium Dübel und den zu verfügenden Holzelementen eineirreversibel feste Verbindung schafft. Die Längsprofilierungen des Dübels dienen dabeizur besseren Verteilung des Leims. Problematisch hierbei ist dessen richtige Dosierung,da es sonst entweder keine Verbindung gibt oder der überschüssige Leim herausquilltund Oberflächenschäden bewirken kann. Einen Ausweg in diesem Fall bietet der sog."Wasserdübel" der Fa. Hoffmann GmbH Maschinenbau, bei welchem der Dübel miteinem Leimmantel überzogen ist, der in der mit Wasser befeuchteten Bohrung aufquilltund anschließend den angestrebten Stoffschluss bewirkt [1]. Da allerdings eineLeimverbindung keine sofortige Festigkeit gewährleistet, muss bis zum Aufbauen einergenügend großen Scherfestigkeit in der Klebung eine externe Verspannung über Zwingenoder durch Verpressen erfolgen.Ein anderer Lösungsansatz wurde von Dipl.-Ing. Horst Haber in Zusammenarbeit mit derFachhochschule Kaiserslautern entwickelt [2]. Ausgehend von der Systematik vonFügeverbindungen, die sich in stoffschlüssige, kraft- (reib-) und formschlüssigeVerbindungen einteilen lassen, wurde überlegt, ob statt rein stoffschlüssig wirkender

- 3 -Dübel (Leimdübel) oder niedrig beanspruchbaren kraftschlüssigen Dübel nicht auchformschlüssig wirkende Holzdübelkonstruktionen möglich wären?Die Grundanforderungen an einen formschlüssigen Holzdübel bestehen in denvordergründig widersprüchlichen Anforderungen, dass der Dübel in die Bohrungeinführbar sein muss, aber dann den Formschluss durch eine Hinterschneidungbewerkstelligen soll. Hier drängt sich die Analogie zum bewährten Mauerdübel auf, beidem der eingesteckte Dübel in der Bohrung durch das Einschrauben einer Schraubeverspannt wird. Da der formschlüssige Holzdübel ohne Zusatzelemente auskommenmuss, wurde die in Bild 1 dargestellte Konstruktion gewählt.Bild 1: Modell eines formschlüssigen HolzdübelsBei diesem neuentwickelten formschlüssigen Dübel ist der Keil gleich am zylindrischenHauptkörper angespritzt und wird beim Fügevorgang unter gleichzeitiger Eindringung indie Spreiznut abgeschert. Hierdurch erfährt der Dübelkopf eine den Formschlussbewirkende Verformung. Diese Aufweitung muss lediglich einige Zehntelmillimeter ineiner exakt ausgeführten Bohrung betragen, um Zugkräfte bis zur Bruchgrenze desDübelwerkstoffs unter Voraussetzung eines steifen Flanschmaterials aufbringen zukönnen. Selbstverständlich tritt neben dem Formschluss auch ein Kraftschluss auf Grundder großen durch den Keil hervorgerufenen Anpresskräfte auf. Wichtige Voraussetzungfür das so zu erfolgende Aufspreizen ist die Tiefe der Bohrung, die nur geringförmigtiefer als die halbe Dübellänge sein sollte.Grundsätzlich sollte es mit diesem Dübel auch möglich sein, leimlose Fügeverbindungenzu realisieren. Für den Fall, dass dennoch Leim verwendet werden soll, bietet sich beidiesem Dübel eine unter den Keil einzusetzende Leimblase an, die beim Fügen aufplatzt,wodurch eine exakt dosierte Leimmenge sich wie beim konventionellen Dübel entlangder Längsprofilierungen verbreitet.

- 4 -1.2 WerkstoffauswahlHinsichtlich der Auswahl des zu verwendenden Werkstoffes für den selbstverspannendenHolzdübel wurden drei Kernanforderungen gestellt:• Keine Kriechneigung, damit keine Spannungsrelaxation im Formschlußbereichauftritt.• Hoher E-Modul, damit sich das umliegende Holz durch die Aufspreizungverformt.• Verarbeitbar mittels Spritzgießen, da dies die einzige rentableHerstellungsmethode für den selbstverspannenden Dübel mit seiner komplexenForm istEin relativ neuer Werkstoff, der diese Anforderungen erfüllt und darüber hinaus die inder Holzbearbeitung nicht unwichtigen Eigenschaften der Haptik und Optik von Holz mitsich bringt ist das sog. Flüssigholz. Flüssigholzprodukte lassen sich auf Ligninbasis(Arboform von der Fa. Tecnaro) oder Holzbasis (Fasal bzw. Fasalex vomInteruniversitären Forschungsinstitut für Agrarbiotechnologie IFA) herstellen [3].Vergleicht man die Eigenschaften der teilkristallinen Kunststoffe wie z.B. PP, PA66, desamorphen Kunststoffes (PS) und der Flüssighölzer, so zeigt sich, dass diese höhereElastizitätsmoduli bei geringerer Kriechneigung besitzen. Die thermoplastischenKunststoffe wurden hierbei exemplarisch für ihre Eigenschaftsgruppen ausgewählt.Generell gibt es keine unverstärkten Thermoplaste die einen höheren Zug-E-Modul als3,5 GPa besitzen.PP-H PA 66 PVC-U UP-Harz AF F 134Zugfestigkeit σ Bz [MPa] 21- 37 77 - 84 50 - 75 30 10 - 22 25Streckgrenze σ Sz [MPa] 25 - 40 50 - 70 50 - 60 30 10 - 22 25Bruchdehnung ε B [%] 80 - 800 150 - 300 50 1,5 0,3 - 0,7 0,3Streckdehnung ε S [%] 8 - 18 15 - 25 5 - 6 0,6 - 1,2 0,3 - 0,7 03Zug-E-Modul E z [GPa] 1,4 1,3 - 2,0 2,7 - 3,0 14 - 20 1 - 5 13,2Dichte ρ [g/cm 3 ] 0,91 1,14 1,39 1,8 - 2,0 1,3 - 1,4 1,4Kriechneigung hoch hoch mittel gering - 0Preis [€/kg] 0,7 - 1 0,7 - 1 0,7 - 1 0,7 - 1,5 3,5 1,6Tabelle 1: Vergleich mechanisch-physikalischer Eigenschaften potenzieller Werkstoffefür formschlüssige Holzdübel [3]

- 5 -Da Fasal, speziell Fasal F 134 sowohl bessere mechanische Eigenschaften bei geringeremPreis als Arboform (AF) aufweist (Tabelle 1), soll an dieser Stelle weiterhin nur vonFasal F 134 ausgegangen werden. Der Vorrang vor UP-Harz wird Fasal F 134eingeräumt, weil es sich bei ähnlichem Eigenschaftsprofil um einen Werkstoff ausnachwachsenden Rohstoffen handelt. Fasal F 134 besteht aus 48 - 60 Gew.-% Holzfaserndie in 20 - 35 Gew.-% Stärke und 5 - 10 Gew.-% natürliche Harze eingebracht sind. Eshandelt sich damit um ein Granulat aus Naturstoffen, das auf herkömmlichenStandardspritzgießmaschinen bei großen Düsenöffnungen verarbeitet werden kann [4].Im Vergleich zur Längssteifigkeit von Buchenholz besitzt Fasal F 134 eine nurgeringfügig kleinere Steifigkeit, welche bei Flüssigholz auf Grund des isotropenMaterialcharakters aber in allen Raumrichtungen besteht. Der Elastizitätsmodul von F134 ist damit wesentlich höher als Steifigkeiten von Buchenholz radial und tangential zurFaserrichtung (Tabelle 2).Buchenholz Fasal F 134Zug-E-Modul längs zur Faserrichtung E L [GPa] 14 13,2Zug-E-Modul tangential zur Faserrichtung E T [GPa] 1,16 13,2Zug-E-Modul radial zur Faserrichtung E R [GPa] 2,28 13,2Zugfestigkeit längs zur Faserrichtung σ L [MPa] 57 - 180 25Tabelle 2: Vergleich der E-Moduli und der Zugfestigkeit von Buchenholz und FasalF 134 [3, 5]

- 6 -2. Aufgabenstellung und ZielsetzungNach der Materialauswahl mit der Maßgabe eines ökologischen Werkstoffes bestand dieAufgabe des realisierten Projektes darin, die mechanischen Eigenschaften einesformschlüssigen Holzdübels aus Flüssigholz im Vergleich zum Benchmark destraditionellen Holzdübels unter Variation der Dübelgeometrie mit den Ziel ihrerOptimierung abzuklären.Als geeignete zerstörende Prüfverfahrung zur Projektrealisierung wurden der Zug-, derScher- und der Schlagversuch ausgewählt.

- 7 -3. Probenherstellung3.1 AllgemeinesDa eine spritzgießtechnische Fertigung der Dübel vor dem Hintergrund derGeometrieoptimierung wenig sinnvoll erschien (jede Geometrieänderung bedeutet eineWerkzeugüberarbeitung), wurden die Dübel aus strangextrudierten Halbzeugen, die vomInteruniversitären Forschungsinstitut für Agrarbiotechnologie bereitgestellt wurden,spanend mittels einer Drehbank herausgearbeitet. Als Durchmesser dieser Dübel wurde10 mm gewählt. Die Länge betrug 60 mm. Das Einarbeiten der Nut in einen solchenFlüssigholzzylinder erfolgte mit einer Säge. Ebenfalls mit einer Säge wurden die Keileangefertigt.3.2 ZugprobenDie traditionellen Holzdübel wurden kommerziell im Baumarkt (Hersteller: Fa. HettrichDo-It-Yourself GmbH & Co. KG) erworben. Die Flüssigholzdübel wurden unterVariation der Sacklochtiefe t E , der Nuttiefe t N und der Nutbreite b N angefertigt. DieKeilgeometrie war an die Nutgeometrie hinsichtlich der Nutbreite und der Nuttiefeangepasst (Nuttiefe t N gleich Keillänge l K ). Sie wurde lediglich hinsichtlich der Breite b Kder Basis des Keils variiert.Als Holzgegenkörper wurden in Vorversuchen 25 x 25 mm Kreuzrahmen und später 60 xDübel60 mm Kreuzrahmen verwendet. Die Kreuzrahmen wurden auf 80 Keil mm Länge abgelängtund auf einer Seite mit einer zentrischen 10 mm Bohrung b N zur Aufnahme des b K Dübelsversehen. Die 60 x 60 mm Quader wurden auf der anderen Seite auf eine Breite von 25αmm (Tiefe ebenfalls 25 mm) zur Aufnahme in die Probeneinspannung derZugprüfmaschine reduziert (Bild 2).t Nl KBild 2: Relevante Geometrieparameter am Flüssigholzdübel mit Keil

- 8 -Die Dübel und Holzgegenkörper wurden anschließend unter Leimzugabe (UHU-Holzleim) miteinander verfügt (Bild 3). Einige Proben zur Messung der reinenAuszugskraft wurde auch ohne Leim verarbeitet.obereEinspannungHolzquaderHolzdübelBild 3: Holzquader mit Flüssigholzdübel in ZugprüfmaschineneinspannunguntereEinspannungAußerdem wurden bei je vier Proben die Dübel beidseitig mit den in die Prüfmaschineeinzuspannenden Holzquader verleimt. Selbstverständlich wurden auch Zugversuche miteigentlichen Dübeln (Buche- und Flüssigholz) durchgeführt.3.3 ScherprobenDie Scherversuche wurden an aus Buchenkantholz ausgesägten Holzquadern mit einerGrundfläche von 10 mm und einer Höhe von 20 mm durchgeführt.Außerdem wurden bauteilnahe Scherversuche durchgeführt, bei denen Holzquaderzweiseitig mit Dachlatten verdübelt wurden (Dübeltiefe beidseitig 20 mm, Buchen- undFlüssigholzdübel), so dass die Dachlatten 20 mm über den jeweiligen Quaderhinausragten. Eine Verpressung von Holzquader und Dachlatten führte zu einerScherbelastung im Dübel (Bild 4) [6]. Eventuelle Verkippungen wurden durch eineZentralbohrung verhindert.

- 9 -KraftmessdoseDruckplatteHolzquaderDachlatteFührungBild 4: Holzquader mit Flüssigholzdübel in Zugprüfmaschineneinspannung3.4 SchlagprobenFür die Schlagversuche wurden Rundproben (gedrehte Flüssigholzproben, abgelängteHolzprofilstäbe) mit einer Länge von 60 mm und einem Durchmesser von 10 mmverwendet.

- 10 -4. Verwendete Prüfmaschinen und Prüfdurchführung4.1 ZugprüfungenDie Zugprüfungen wurden an einer Universalprüfmaschine der Fa. Zwick vom Typ 1445mit einer Maximalkraft von 10 kN durchgeführt (Bild 5). Die Prüfgeschwindigkeit betrugbei allen Prüfungen 100 mm/min. Bei den Zugversuchen wurden die Maximalkraft F maxund die mit dieser Kraft korrespondierenden Längung ∆l max aufgezeichnet. Es wurdenimmer 5 Proben einer Prüfserie getestet.Bild 5: Universalprüfmaschine

- 11 -4.2 ScherprüfungenDie Scherversuchen wurden mit einer von Dr. Lauke speziell entwickeltenSchervorrichtung durchgeführt. Diese, in Bild 6 dargestellte Vorrichtung, wurde in dieobig beschriebene Universalprüfmaschine implementiert.FDrehhebelobere SchneideProbeuntere SchneideBild 6: Schervorrichtung zum Einbau in eine Universalprüfmaschine [7, 8]Zur Messung der Scherfestigkeit wurde über die Traverse der Universalprüfmaschineeine Kraft auf den Drehhebel mit Schneide der Vorrichtung mit einer Geschwindigkeitvon 5 mm/min aufgebracht. Die Maximalkraft beim Versagen der Probe wurdegemessen. Es wurden immer 5 Proben einer Prüfserie getestet.Bei den Bauteilversuchen (Bild 4) wurden ebenfalls 5 Probeteile mit einerPrüfgeschwindigkeit von 5 mm/min geprüft.4.3 SchlagprüfungenDie Schlagversuche wurde an einer Schlagprüfanlage der Fa. Hesscon durchgeführt. DerAuflagerabstand in Charpy-Anordnung (Dreipunkt-Biegeanordnung) wurde mit 41 mmso klein wie möglich gewählt, um den Schereinfluss bei dieser Belastung zu maximieren(Bild 7). Ein hoher Scheranteil war bei diesen Versuchen erwünscht, weil Scherung aufGrund der kurzen Hebelarme in einer Dübelverbindung in Konkurrenz zur Biegung diedominierende Belastungsart ist.

- 12 -Die Schlagversuche wurden an Fasal-Proben mit einer Schlagenergie von 2 J und anProfilholzproben mit 8,6 J durchgeführt. Es wurden immer 5 Proben einer Prüfseriegetestet.SchlaghammerProbeAuflagerBild 7: Schlagprüfmaschine

- 13 -5. Prüfergebnisse5.1 Zugprüfungen5.1.1 Konventioneller HolzdübelDie konventionellen, also kommerziell erhältlichen Holzdübel wurden unter Variationder Einbetttiefe t E (18 und 26 mm) ausgezogen. Im Fall der geringeren Einbetttiefe von18 mm wurde in einer Versuchsreihe zusätzlich ein Holzklotz zur besseren Einspannungadaptiert, da manche Holzdübel von der metallischen Einspannung radial stark verformtwurden. Bei diesen Versuchen wurde der Dübel aus der Bohrung herausgezogen.Nr. Probenspezifikation F max [N] ∆l max [mm]1 t E = 26 mm 3081 ± 452 17,94 ± 2,032 t E = 18 mm 2789 ± 477 20,31 ± 4,963 t E = 18 mm (beidseitig Holzquadereinspannung) 2866 ± 371 7,24 ± 2,02Tabelle 3: Ergebnis der Zugprüfungen an konventionellen HolzdübelnDarüber hinaus wurde die maximale Zugkraft der konventionellen Holzdübel gemessen.Sie betrug 6068 ± 462,5 N. Dies entspricht bei einem Durchmesser der Dübel von 10 mmeiner Zugfestigkeit von 77,3 ± 5,9 MPa.5.1.2 Flüssigholzdübel5.1.2.1 VorversucheDie Vorversuche ergaben, dass einerseits nicht ausgedehnte Bauteile von derAufspreizung der Flüssigholzdübel in Mitleidenschaft gezogen werden können.Andererseits kam es zu Dübelbrüchen auf Grund von Poren im geliefertenFlüssigholzmaterial. Bei diesem porenhaltigen FASAL wurde eine maximale Zugkraftvon 580 ± 282 N (7,4 ± 3,6 MPa) gemessen.Da die Ergebnisse der Vorversuche weit streuten und aus den obig geschilderten Gründenkeine quantitativ verwertbaren Informationen lieferten, wird an dieser Stelle auf diePräsentation der Versuchsdaten verzichtet.

- 14 -Zugversuche an besser verarbeitetem Flüssigholzmaterial ohne Poren, welches für dieweiteren Untersuchungen verwendet wurde, ergaben eine maximale Zugkraft von 2072 ±242 N, was einer Zugfestigkeit von 26,4 ± 3,1 MPa entspricht.5.1.2.2 Flüssigholzdübel ohne PorenNr. Flüssigholzdübelspezifikation F max [N] ∆l max [mm]4 t E = 26 mm; ohne Nut; verleimt 2348 ± 148 9,55 ± 1,585 t E = 26 mm; t N = 15 mm; b N = 3 mm; b K = 4,5 mm; verleimt 1180 ± 477 6,33 ± 1,786 t E = 26 mm; t N = 10 mm; b N = 3 mm; b K = 4,0 mm; verleimt 1812 ± 362 9,43 ± 2,697 t E = 26 mm; t N = 5 mm; b N = 3 mm; b K = 3,5 mm; verleimt 2109 ± 390 7,99 ± 1,548 t E = 18 mm; ohne Nut; verleimt 2080 ± 98,1 10,5 ± 1,519 t E = 18 mm; ohne Nut; zweiseitig verleimt 2109 ±115 11,5 ± 1,7110 t E = 18 mm; t N = 15 mm; b N = 1,5 mm; b K = 4,0 mm; unverl. 337 ± 118 7,51 ± 3,3511 t E = 18 mm; t N = 15 mm; b N = 1,5 mm; b K = 4,0 mm; verleimt 1061 ± 331 8,12 ± 1,2512 t E = 18 mm; t N = 10 mm; b N = 1,5 mm; b K = 3,2 mm; unverl. 316 ± 103 9,56 ± 2,3713 t E = 18 mm; t N = 10 mm; b N = 1,5 mm; b K = 3,2 mm; verleimt 1877 ± 398 11,6 ± 1,9214 t E = 18 mm; t N = 5 mm; b N = 1,5 mm; b K = 2,4 mm; unverl. 136 ± 78,5 5,38 ± 1,6315 t E = 18 mm; t N = 5 mm; b N = 1,5 mm; b K = 2,4 mm; verleimt 1834 ± 392 10,6 ± 0,9816 t E = 18 mm; t N = 10 mm; b N = 1,5 mm; b K = 4,0 mm; unverl. 296 ± 13,4 6,34 ± 2,3417 t E = 18 mm; t N = 10 mm; b N = 1,5 mm; b K = 4,0 mm; verleimt 841 ± 239 7,17 ± 2,36Tabelle 4: Ergebnis der Zugprüfungen an FlüssigholzdübelnBei den 26 mm tief eingeführten Dübel versagten die Dübel mit der 15 mm tiefen Nut imNutgrund. Bei den 5 Prüflingen mit der 10 mm Nut kam es bei Dreien zum Bruch imDübel und bei Zweien ebenfalls zum Abriss im Nutgrund. Die Dübel mit der 5 mm tiefenNut brachen generell außerhalb der Sacklochbohrung.Bei den 18 mm tief eingefassten Dübeln ließen sich die unverleimten Flüssigholzdübelunter Aufweitung des umgebenden Holzes herausziehen. Bis auf die Dübel mit den 10mm langen und 4 mm breiten Keilen, bei denen es zu Brüchen im Nutgrund kam, tratenbei anderen Geometrien weder an den Keilen noch an den Dübeln Schädigungen auf. ImFalle der Dübel mit einer 15 mm tiefen Nut und den Dübeln mit der 10 mm Nutgekoppelt mit einem breiteren Keil (b K = 4,0 mm) kam es zu Brüchen im Nutgrund. Inallen anderen Fällen erfolgte das Versagen im zylindrischen Teil des Dübelkörpers.

- 15 -5.2 ScherprüfungenKonv. DübelFasal-DübelSchubmodul normal zur Faser G LR [GPa] 0,8 ± 0,04 5,0 ± 0,2Schubmodul parallel zur Faser G TL [GPa] 0,9 ± 0,05 5,0 ± 0,2Schubmodul antiparallel zur Faser G TR [GPa] 0,08 ± 0,01 5,0 ± 0,2Scherfestigkeit normal zur Faser τ LR [MPa] 74,1 ± 9,1 23,1 ± 5,0Scherfestigkeit parallel zur Faser τ TL [MPa] 33,1 ± 2,1 23,1 ± 5,0Scherfestigkeit antiparallel zur Faser τ TR [MPa] 19,5 ± 3,5 23,1 ± 5,0Scherfestigkeit aus Bauteilversuch τ BV [MPa] 56,5 ± 4,4 33,0 ± 1,6Tabelle 5: Ergebnis der Scherprüfungen an Flüssigholz (-dübeln) und Buchenholz(-dübeln)Bei den Scherprüfungen mittels der Schervorrichtung versagten die Flüssigholzprobenspröde, d.h., es lagen zwei getrennte Probenhälften nach dem Test vor. Eine derartigestrukturelle Trennung trat bei den duktil reagierenden Buchenholzproben nicht auf. Hierblieb die strukturelle Integrität unter starker Verformung gewahrt.Die Messung der Scherfestigkeit durch Bauteilversuche führten neben dem Versagen derjeweiligen Dübel zu einer starken Verformung des Holzes von Kreuzrahmen undDachlatte.5.3 Schlagversuchekonv. DübelFasal-Dübelquerschnittsbezogene Schlagenergie [kJ/m 2 ] 105 ± 4,00 8,24 ± 1,62Tabelle 6: Ergebnis der Schlagprüfungen an Flüssigholz- und BuchenholzdübelnIn allen Fällen versagten die Proben durch mittleres Durchknicken.

- 16 -6. Diskussion der Prüfergebnisse6.1 Zugprüfungen6.1.1 Einfluss der SacklochtiefeDie Auftragung in Bild 8 verdeutlicht, dass die Verfügungen von Buchenholz- undFlüssigholzdübel mit Holz (-bauteilen) ein unterschiedliches Versagensverhaltenbesitzen.Fmax [N]70006000500040003000Zugfestigkeit BuchenholzdübelZugfestigkeit Fasaldübel200010000Nr. 1 2 3 4 8596Bild 8: Einfluss der Sacklochtiefe auf die Dübelverbindungsfestigkeit vonBuchenholz- (Nr. 1 – 3) und Flüssigholzdübel (Nr. 4, 8, 9)Auf Zug belastete Dübelverbindungen mit verleimten Buchenholzdübeln versagenadhäsiv in der Leimverbindung. Ursächlich hierfür ist die doppelt so hohe Zugfestigkeitdes Buchenholzdübels (ca. 6000 N zu 3000 N). Verbindungen mit Flüssigholzdübelnhingegen versagen im Dübel selbst, d.h., die Zugfestigkeit des Dübels ist geringer als dieFestigkeit der Leimverbindung. Da in guter Näherung die Scherfestigkeit derLeimverbindung von beiden Dübelarten gleichzusetzen ist, kann diese Differenz auchquantifiziert werden - die Zugfestigkeit des Flüssigholzdübels liegt somit bei ca. 75 %der Scherfestigkeit des Leims.Weiterhin lässt sich bei der Verleimung der konventionellen Dübel konstatieren, dasseine Verlängerung der Verleimung sich nur unterproportional auf der zu erzielendeFestigkeit, evtl. bedingt durch Benetzungsprobleme, auswirkte. Bei den 26 mm tief

- 17 -eingefassten Dübel lag hier eine bezogene Scherkraft von 118,5 N/mm und bei den 18mm tief verfügten Dübeln von 155 N/mm vor.Darüber hinaus zeigt sich die Festigkeit der Dübelverbindung abhängig von derEinspannung – eine beidseitige Holzquadereinspannung verhindert Spannungsspitzen imDübel wie sie durch hohe Druckkräfte der metallischen Spannbacken auftreten können.Dies könnte auch der Grund für die die eigentliche Zugfestigkeit übersteigende Festigkeitder 26 mm tief eingebetteten Fasaldübel sein.6.1.2 Einfluss der NuttiefeZur Diskussion des Einflusses der Nuttiefe ist es sinnvoll, den Keilwinkel α (Bild 2) zubestimmen (Keillänge l K = Nuttiefe t N ).b − barctan2 lK Nα =Gl. 1KFür die Probenartnr. 5 – 7 ergibt sich so ein Keilwinkel von 3°, für 11, 13, 15 von 5° undfür Probenart 17 von 7°.3000Zugfestigkeit FasaldübelFmax [N]25002000150010005000Nr. 51 26 37 11 4 13 5 15 6 17 7α = 3° α = 5° α = 7°Bild 9: Einfluss der Nuttiefe unter Variation des Keilwinkels auf die DübelverbindungsfestigkeitvonFlüssigholzdübeln

- 18 -In Bild 9 ist deutlich der Einfluss der Nuttiefe auf die Verbindungsfestigkeit zu sehen.Die Proben mit der 15 mm tiefen Nut (Nr. 5 und 11) versagten im Nutgrund, was zugeringen Fügefestigkeiten führte. Die Nuttiefe muss bei einer Nutbreite von 3,5 mmdaher so bemessen sein, dass im eingebetteten zylindrischen Dübelkörper adhäsiv überSchub eine Spannung bis zur Zugfestigkeit des Dübels (max. Zugkraft 2072 N) aufgebautwerden kann. Wird von einem Schubkraftaufbau von ca. 150 N/mm (siehe Kap. 6.1.1)ausgegangen, so ergibt sich die Länge des einzubettenden Zylinders zu 13,8 mm. Für dieNut verblieben bei einer Einbetttiefen von 26 mm noch rund 12 mm, bei einerEinbetttiefe von 18 mm noch ca. 4 mm. Allerdings kann die Nuttiefe etwas größergewählt werden, weil bei den Flüssigholzdübeln als zusätzliches spannungsaufbauendesElement der Formschluss hinzukommt. Diese Berechnungen werden auch von denErgebnissen in Bild 9 bestätigt. Als einzige Proben (Nr. 7) erreichten die 26 mm tiefeingefassten Prüflinge mit der 5 mm Nut die Zugfestigkeit vom Fasal. Die 10 mmNutproben (Nr. 6) erzielten bei gleicher Einbetttiefe schlechtere Ergebnisse, weil einigeProben im Nutgrund brachen. Diese Nuttiefe ist somit als Grenzfall zu betrachten.Die Ergebnisse der Probenarten 13 und 15 (Keilwinkel von 5°) passen insoweit ins Bild,als die Nut mit 1,5 mm wesentlich schmaler gewählt wurde als im obigen Fall. Es kam inallen Fällen zum Bruch im Zylinder. Ursächlich für die geringere Zugkraft könnte derFügevorgang selbst sein, bei dem höhere Kräfte zum Einpressen der Dübel in dieSacklochbohrung auf Grund fehlender Profilierung zur Kanalisierung des Leimsaufgewendet werden mussten, welche zu Vorschädigungen geführt haben könnten.Der bei der Probenart 17 verwendete Keilwinkel von 7° führt offensichtlich zu zu großenKerbspannungen im Nutgrund, die ein dortiges Versagen bei geringen Kräften bewirken.6.1.3 Einfluss des FormschlussesIn Bild 10 ist klar abzulesen, dass die Haltekraft durch den Formschluss wesentlichgeringer ist als die Scherfestigkeit der Verleimung bei genügender Einbetttiefe.Erwartungsgemäß ergab sich die größte Formschlussfestigkeit für die unverleimtenDübel mit der 15 mm tiefen Nut (Nr. 10), da hier die Aufspreizung am weitesten war.Fast identisch ist jedoch die Haltekraft bei den unverleimten Proben mit der 10 mm tiefenNut (Nr. 12), wobei in diesem Fall die Festigkeit im verleimten Zustand wesentlich

- 19 -größer ist als bei der 15 mm Nut. Die Aufweitung bei einer 5 mm tiefen Nut bewirkt nureinen geringen Formschluss (Probenartnr. 14). Ein Keilwinkel von 7° (Probenartnr. 16)führt nicht zu einer Erhöhung der Formschlusskraft, da auf Grund der weitenAufspreizung der Nut sich Risse im Nutgrund bilden, die vorzeitiges Versagen, natürlichauch im verleimten Zustand bewirken.unverleimtverleimt25002000Fmax [N]150010005000Nr. 10 111 12 213 14 315 16 417Bild 10: Einfluss der Verleimung auf die Dübelverbindungsfestigkeitvon FlüssigholzdübelnDie in diesen Versuchen realisierten Haltekräfte bedingt durch den Formschluss derDübel betrugen maximal 17 % der Gesamtfestigkeit der Dübelverbindung (bezogen aufdie Zugfestigkeit des Flüssigholzes sind es 15 %).In diesem Zusammenhang ist es wichtig, sich über die Aufgabe des Formschlusses klarzu werden. Ursprünglich waren zwei Ziele ins Auge gefasst worden1. Möglicher Verzicht auf einer Verleimung2. Möglicher Verzicht auf eine zeitweilige Verspannung der Dübelverbindungwährend der Leimaushärtung mittels SchraubzwingenDie im Vergleich zur Verleimung niedrigen Werte lassen Punkt 1 nicht als realistischeMöglichkeit für den Regelfall erscheinen. Für den zweiten Fall jedoch ist es vonBedeutung, wie groß die Verspannkraft einer Schraubzwinge ist. Messungen mit einermittleren Schraubzwinge ergaben bei handfestem Anziehen eine Presskraft von 400 N.Die Formschlusskraft eines unverleimten Flüssigholzdübels liegt somit bei 80 % derSchraubzwingenkraft. Da üblicherweise beim Verleimen mehr Dübel als

- 20 -Schraubzwingen eingesetzt werden, ist von einer identischen Gesamthaltekraftauszugehen.Die Formschlusskraft verringert die zu verleimende Länge bei den Flüssigholzdübeln.Wird konservativ von einer Formschlusskraft von 300 N ausgegangen, so verbleibt fürdie zu erreichende Zugfestigkeit des Flüssigholzes von ca. 2070 N ein Restbetrag von1770 N, die über die Scherfestigkeit der Verleimung aufgebracht werden müssen. Fürden Schubfestigkeitsaufbau kann an dieser Stelle in guter Näherung der Wert für dieBuchenholzdübel von 150 N/mm angenommen werden. Als Quotient aus dem zuerzielenden Restbetrag und dem Schubfestigkeitsaufbau ergibt sich eine zu verleimendeMindestlänge von 11,8 mm. Auch dieser Betrag kann nach unten angeschätzt werden, dabei dieser Rechnung die Verleimung im Formschluss nicht mit einbezogen wurde. Wirdin der Praxis von einer Sacklochtiefe von 20 mm ausgegangen (Buchenholzdübel sind 40mm lang), so erscheint es sinnvoll, die Nuttiefe eines Flüssigholzdübels beidseitig auf 9mm bei einer Dübellänge von ebenfalls 40 mm zu bemessen. Die Leimeinbetttiefe liegtin diesem Fall zwischen 10 und 11 mm (zwischen Holzbauteilen gibt es immer einengeringen Spalt).Versuche mit dieser Dübelgeometrie ergaben eine Auszugkraft ohne Verleimung von 391± 48 N, also fast den Betrag der Presskraft einer Schraubzwinge. Für den verleimtenDübel wurde eine Festigkeit (Bruch im Dübel) von 2052 ± 87 N, die Festigkeit vomFlüssigholz, erreicht. Dieser Dübel brach auch im zylindrischen Schaft.6.1.4 Steifigkeit der DübelverbindungenDer Weg ∆l max lässt sich nur indirekt zur Auswertung heranziehen. Die in den Tabellen 3und 4 aufgeführten Wege resultieren in ihrer Höhe maßgeblich aus demVerspannungsweg der sich selbst scherenartig zusammenziehenden Spannbacken.Trotzdem ist deutlich zu erkennen, dass die formschlüssig angebundenen und verleimtenFlüssigholzdübel eine steifere Verbindung darstellen (kleineres ∆l max ) als die verleimtenBuchenholzdübel, bei denen der Leim unter Scherbeanspruchung retardieren (kriechen)kann.

- 21 -6.2 Scherfestigkeit der Dübel und DübelverbindungenAus Tabelle 5 ist ersichtlich, dass die Scherfestigkeit eines konventionellen Dübelsgrößer ist als die eines Flüssigholzdübels. Dieses Ergebnis sollte nicht darüberhinwegtäuschen, dass Fügungen auf Steifigkeit ausgelegt sind. Dies bedeutet, dassBuchenholzdübel bis zum Scherversagen eine erhebliche plastische Verformungerfahren, welche bei der Scherfestigkeit vom Flüssigholz (τ = 23 MPa) schon größer istals die Verformung des steifen, aber spröden Fasals.Auch die gemessene Schubfestigkeit des konventionellen und des Flüssigholzdübels imBauteilversuch ist irreführend. Bei beiden Dübelarten hatte sich das umgebende Holz(Kreuzrahmenholz und Dachlattenholz) bereits stark plastisch deformiert, was es füreinen weiteren Gebrauch in einem Bauteil disqualifiziert hätte.6.3 Diskussion der SchlagversucheDuktile Werkstoffe besitzen im allgemeinen wesentlich höhere Schlagzähigkeiten alsspröde Materialien. Dies ist auch hier so. Die Schlagzähigkeit von Buchenholz ist 12,5mal höher als die von Flüssigholz. Trotzdem ist ein 10 mm durchmessenderFlüssigholzdübel in der Lage, 0,65 J Schlagenergie aufzunehmen. Dies entspricht derkinetischen Energie eines 600 g schweren Buches, welches aus 10 cm Höhe herabfällt.6.4 Zusammenfassung der ErgebnisdiskussionDie durchgeführten Versuche zeigten, dass die Festigkeitseigenschaften von Flüssigholzschlechter sind als die von Buchenholz. Trotzdem ist es möglich mit einemFlüssigholzdübel ca. 75 % der beim konventionellen Dübel relevanten Scherfestigkeit desLeims zu erreichen. Die Zugkraft liegt in diesem Fall oberhalb von 2000 N, ein Wert derbei Möbelstücken, aber auch im Zimmermannsbau auf einen Dübel kaum auftritt. Miteiner Nuttiefe von 9 mm und einem Keilwinkel von 5° ist es möglich, einerFormschlusskraft von 391 N, also fast genau die Spannkraft einer handfest angezogenenSchraubzwinge zu erreichen. Der hohe Schubmodul und die Schlagzähigkeit, obschonwesentlich geringer als die von Buchenholz, qualifizieren den Flüssigholzdübel für diebeabsichtigten Anwendungen.

- 22 -7. ZusammenfassungAn konventionellen Buchenholzdübeln und Flüssigholzdübeln wurden Zugversuche,Scherversuche und Schlagversuche, sowie nach dem Verfügen der Dübel mit einemHolzquader Auszugsversuche und Bauteilscherversuche mit dem Ziel durchgeführt,einerseits den Werkstoff "Flüssigholz" als Holzdübelmaterial zu qualifizieren undandererseits einen derartigen Dübel aus Flüssigholz hinsichtlich seiner Geometrie zuoptimieren. Es stellte sich heraus, dass das Flüssigholz zwar festigkeitsmäßig demBuchenholz weit unterlegen ist, aber im Falle der Betrachtung des Gesamtsystems Dübel– Leim – Holzbauteil sich ca. 80 % der Festigkeit einer konventionellen Verdübelungerreichen lassen, die auf Grund des hohen Elastizitätsmoduls vom Flüssigholz gepaartmit dem hier möglichen innovativen Formschlusses eine höhere Steifigkeit aufweist. DerFormschluss des Dübels mit dem zu verfügenden Holzbauteil wird durch einen Keilrealisiert, der sich beim Einbringen des Dübels in eine am Dübel vorgefertigte Nut unterAufspreizung der Nutseitenwangen einschiebt. Eine rationelle Fertigung derart geformterHolzdübel ist nur mit plastisch verarbeitbaren Materialien wie z.B. Kunststoff oderFlüssigholz möglich (also nicht mit Holz), wobei das Holzdübelmaterial über eine hoheSteifigkeit zur Herstellung des Formschlusses verfügen sollte.Die Untersuchungen zeigten, dass ein Fasal-Flüssigholz mit einem Elastizitätsmodul von13,2 GPa in Verbindung mit einer 1,5 mm und 9 mm tiefen breiten Nut sowie einemEindringkeil gleicher Länge mit einem Keilwinkel von 5° in einem 10 mmdurchmessenden Dübel bei einer Nenntiefe des Sackloches zur Aufnahme des Dübelsvon 20 mm optimale Festigkeitswerte liefert.

- 23 -8. Quellenangaben1. N.N. ´Die Idee des Wasserdübels´ Holz-Zentralblatt 125 139 S. 1902 (2000)2. Haber, H., Riesling, Alb., Riesling, Ale. und Schuster, J. ´Holz- undWerkstoffniete´ Antrag auf Erteilung eines Patents, Aktenzeichen 101 18952.4 (2001)3. Schuster, J., Blum, U. und Haber, H. ´Selbst verspannende Laubholzdübel ausFlüssigholz´ Holz-Zentralblatt 139 S. 1742 (2001)4. Burkhardt-Karrenbrock, A., Seegmüller, S. und Burk, R. ´Flüssigholz – einÜberblick´ Holz als Roh- und Werkstoff 59 (2001) S. 13 – 185. Niemz, P. ´Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe´ DRW-Verlag WeinbrennerGmbH & Co., Leinfelden-Echterdingen (1993)6. Huber, G. ´Non-linear calculations of composite sections and semi-continuousjoints´ Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH,Berlin (2000)7. Lauke, B., Schneider, K. und Friedrich, K. ´Interlaminar shear strength mearementof thin composite rings fabricated by filament winding´ Proceedings "ECCM 5 –Fifth European Conference on Composite Materials", Bordeaux, Frankreich (1992)S. 313 – 3188. Bechthold, G. ´Pultrusion von geflochtenen und axial verstärkten Thermoplast-Halbzeugen und deren zerstörungsfreie Porengehaltsbestimmung´ IVW-SchriftenreiheBand 8, Kaiserslautern (2000)