Entwicklung eines Hochleistungsverbundtraegersystems fuer den Ingenieurholzbau / development of a high-performance hybrid beam system for timber engineering

Das neu entwickelte hybrides Hochleistungsverbundtraegersystem fuer den Ingenieurholzbau (HTB, High-Tech Timber Beam) besteht zu 90 Prozent aus Brettschichtholz, einer an der Unterseite angebrachten Lamelle aus Furnierholz mit Lamellenverstaerkungen aus Kohlefaserkunststoff, Glasfaserkunststoff oder durch Bewehrungsstahl sowie einer Druckzonenverstaerkung aus Polymerbeton. Im Rahmen von Bauteilversuchen wurden vier verschiedene Arten von Zugzonenverstaerkungen untersucht. Mit diesen Zusatzbauteilen wird eine signifikante Tragfaehigkeitssteigerung, verbunden mit geringeren Verformungen, gegenueber den ueblichen Traegern aus Brettschichtholz erreicht. Die Verklebung beziehungsweise der Verguss mit Polymermoertel in der Druckzone erzeugt einen starren Verbund mit dem Holz. Die wesentliche Erhoehung der Tragfaehigkeit erlaubt unter anderem die Anwendung dieser Holz-Beton-Verbundtraeger im Strassenbrueckenbau. Da es bisher keine systematischen experimentellen Untersuchungen an Brettschichtholztraegern und schon gar nicht an solchen mit verstaerkter Zug- und Druckzone gibt waren Bauteilversuche an Traegern mit praxisnahen Abmessungen durchzufuehren. Alle vier entwickelten HTB-Prototypen mit den Hauptabmessungen B/H/L = 40 cm x 60 cm x 800 cm wurden weggesteuert in Sechs-Punkt-Biegeversuchen untersucht. Die Versuchsergebnisse dienten zur Analyse des Trag-, Verformungs- und Bruchverhaltens sowie zur Ueberpruefung des gewaehlten Bemessungsansatzes und der Simulationsergebnisse. Die erreichten Tragfaehigkeitsverstaerkungen werden in Relation zu den rechnerisch ermittelten Tragfaehigkeiten von zwei unverstaerkten Brettschichtholztraegern mit unterschiedlichen Biegefestigkeiten gestellt. Im Vergleich zu einem Brettschichtholztraeger mit einer charakteristischen Biegefestigkeit von 24 Newton je Quadratmillimeter ergaben sich fuer die vier HTB-Trager Erhoehungen der Tragfaehigkeit um das 1,82-fache bis 2,32-fache, waehrend diese bei einer charakteristischen Biegesteifigkeit von 36 Newton je Quadratmillimeter zwischen dem 1,22-fachen bis 1,55-fachen lagen. Verstaerkungsgrade zwischen 122 und 144 Prozent ergaben sich bei den berechneten Verformungen. Im Bruchzustand aehnelt das Versagen der Verbundtraeger dem eines unterspannten Traegers. Die Pruefkoerper versagten alle schlagartig ohne Vorankuendigung, wobei jedoch die Verstaerkungsglieder, Endverankerungen und verstaerkte Schubbereiche funktionstuechtig blieben, sodass kein vollstaendiger Kollaps eintrat. Die numerischen Simulationen mit dem FE-Programm ANSYS erfolgten sowohl im Vorfeld der Bauteilversuche als auch begleitend zu den Versuchen. Alle im Forschungsvorhaben durchgefuehrten Untersuchungen rechtfertigen die Annahme eines starren Verbunds zwischen den einzelnen Komponenten des Hybridtraegers. Das effektive Traegheitsmoment, das den rechnerischen Nachweisen zugrunde liegt, kann somit als Summe der Flaechentraegheitsmomente und deren Anteile nach dem Steinerschen Satz ermittelt werden. Bereits im Jahr 2008 wurde die Birkbergbruecke als erste Strassenbruecke in Deutschland mit HTB-Traegern ausgefuehrt. ABSTRACT IN ENGLISH: For over 100 years demanding long-span constructions in timber engineering are mainly built using glulam. The further development of this homogenized engineered wood product into a hybrid high-performance component creates new fields of application for wood as a natural raw and building material. This particularly includes lightweight constructions with increased demands in terms of load-bearing capacity, longer spans and/or reduced height for building, industrial and bridge construction. Significant improvements of the flexural strength and stiffness can be achieved by reinforcements of the beam's edge zones using high-performance materials. This article presents innovative construction approaches for the production of a highly efficient hybrid system made of wood as main material. The compression zone is reinforced by a layer of polymer concrete. The tension zone is strengthened either with CFRP-, GFRP- or steel-reinforced lamellas made of laminated veneer lumber (LVL). Additional reinforcing elements increase the shear resistance or improve the transverse load-carrying capacity of the bearings. (A)