Qualitätssicherung von Holztragwerken

Klimaänderungen – und was passiert im Holz?
Die Einschätzung von feuchtinduzierten Spannungen sind für die moderne Architektur von Holztragwerken, mit ihren schlanken Querschnitten und grossen Spannweiten, wichtig.

Steckbrief

  • Departement Architektur, Holz und Bau
  • Forschungsschwerpunkt Holztragwerke
  • Forschungsfeld Bemessung und Planung
  • Förderorganisation Bundesamt für Umwelt, Wald und Holzforschungsfonds
  • Laufzeit (geplant) 01.02.2017 - 31.12.2018
  • Projektverantwortung Prof. Dr. Steffen Franke
  • Projektleitung Dr. Steffen Franke
  • Projektmitarbeitende Prof. Dr. Steffen Franke
    Bettina Franke
    Marcus Schiere
    Prof. Andreas Müller
  • Mitwirkende Projektpartner Wirtschaft Makiol Wiederkehr AG, Kurt von Felten
    Pirmin Jung Ingenieure AG, Niklaus Wirz
    Roth Burgdorf AG, Franz Lenherr
    WaltGalmarini AG, Michael Bühler
    Stalder, Büro für Projektleitungen und Baufragen, Fred Stalder
    Henkel & Cie. AG, Dr. Christian Lehringer
    SFS unimarket AG, Beat Ruch
    Würth AG, Sylvia Hildebrandt
  • Mitwirkende Projektpartner Forschungsinstitutionen inkl. BFH TU München, Deutschland, Dr. Philipp Dietsch
    Lund University, Deutschland, Prof. Erik Serrano
    Fachhochschule Erfurt, Deutschland, Prof. Antje Simon
    The House of Natural Resources of the ETH Zurich, Prof. Andrea Frangi, Dr. Claude Leyder
  • Schlüsselwörter Holzfeuchte, Klima, Feuchteinduzierte Spannungen

Ausgangslage

Klimaänderungen - und was passiert im Holz?

Holz ist ein intelligentes Baumaterial. Durch seine Fähigkeit Wasser aus der Luft aufzunehmen und wieder abzugeben, sorgt es für ein angenehmes Raumklima. Doch für Holztragwerke bedeutet diese Eigenschaft neben den normalen Lasten eine zusätzliche Beanspruchung:  das natürliche Schwinden und Quellen von Holz führen zu feuchtinduzierten Spannungen.

Ziele

Praxisnahe Lösungen und Einschätzungen

Die Einschätzung der Gefahren, die durch solche Spannungen ausgehen, sind insbesondere für die moderne Architektur von Holztragwerken, mit ihren schlanken Querschnitten und grossen Spannweiten, wichtig. Nebst der Beurteilung von Gefahren in der Bau- und Nutzungsphase, sind Einschätzungen des Rissbildungsrisikos sowie der Sicherung der Formstabilität bei Querschnitten ebenso essentiell.

Vorgehen

Holzfeuchtegehalt über ein Jahr lang überwacht

Was passiert bei Klimaänderungen im Holz? Das war die Kernfrage des Forschungsteams. Gemeinsam mit Partnern aus der Holzbaubranche und Forschung wurden Holzobjekte, wie Brücken, Eisstadien oder Bergbahnstationen über mindestens ein Jahr mit einem Überwachsungssystem zur Messung des Holzfeuchtegehaltes ausgestattet.

Die Messdaten zeigen, dass über den Querschnitt von Balken und Stützen die Holzfeuchte nicht konstant ist. Je nach umgebendem Klima, kann es zu einer Abtrocknung oder Auffeuchtung kommen, was zu nicht messbaren feuchteinduzierten Spannungen führt.

Um diese Spannungen dennoch abschätzen zu können, wurde ein Simulationsmodell entwickelt. Die Simulation berechnet, ausgehend von der Holzfeuchte an der Oberfläche, den Holzfeuchtetransport, die Dimensionsänderung des Querschnittes und die sich daraus entwickelnden Spannungen. In Parameterstudien sind Ergebnisse zur Beurteilung der Querschnittsgrösse, des Querschnittaufbaues und des Einflusses des Errichtungszeitraumes entstanden.

Das Klima in der Schweiz wurde für die Abschätzung der Ausgleichsfeuchte im Holz an über 100 Messstationen des Bundesamtes für Meteorologie und Klimatologie der Schweiz für einen Zeitraum von 30 Jahren analysiert und der berechnete Holzfeuchtegehalt kartiert. Dabei wurde auf den Einfluss der Meereshöhe ein spezielles Augenmerk gerichtet, da Holz aufgrund seines geringen Gewichtes ein wichtiger Baustoff für Alpine Regionen ist.  

Lösung

Praxisleitfaden hilft bei Planung und Ausführung von Holztragwerken

Durch die neuen Forschungsergebnisse konnten konkrete Empfehlungen für die Planung und Ausführung von Holztragwerken formuliert werden. Diese stehen im «Praxisleitfaden - Beurteilung der Holzfeuchte für Tragwerke und Brücken für die Planung, Errichtung und Nutzung» der Allgemeinheit zur Verfügung. Das ausführliche Wissen und die vollständigen Ergebnisse der Langzeitmessung sind in einem separaten Forschungsbericht enthalten.

Publikationen

Franke, B., Franke, S., Schiere, M., & Müller, A. (2018). Moisture content and moisture-induced stresses of large glulam members: laboratory tests, in-situ measurements and modelling. Wood Material Science & Engineering, 18(4), 1-10. doi:10.1080/17480272.2018.1551930

Schiere, M., Franke, B., Franke, S., & Müller, A. (2018). Comparison between local versus regional climate using monitoring data of timber structures. Paper presented at 2018 World Conference on Timber Engineering, 20.-23.08.2018, Seoul, Republic of Korea.

Franke, B., Schiere, M., & Franke, S. (2018). Stress developments in large timber cross sections in relation to geometry and encountered climate. Paper presented at 2018 World Conference on Timber Engineering, 20.-23.08.2018, Seoul, Republic of Korea.

Schiere, M., Franke, B., & Franke, S. (2018). Antworten zur Tragfähigkeit infolge dynamischer Klimawechsel. Paper presented at the S-Win-Tagung 2018, Von der Forschung zur Praxis, 16.05.2018, Biel/Bienne, Switzerland.

Franke B. (2017) Holzfeuchte smart kalkuliert für moderne Tragquerschnitte, S-WIN-Kurs 2017, Weinfelden, Switzerland

Müller, A., Franke, B., Schiere, M., & Franke, S. (2017). Advantages of moisture content monitoring in timber bridges. Paper presented at the 3rd International Conference on Timber Bridges, 26.-29.06.2017, Skellefteå, Sweden.

Schiere M., Franke S., Franke B., Müller A. (2017) Numerical sensitivity study of moisture induced stress levels in glulam cross-sections, CompWood, Vienna, Austria

Franke S., Franke B., Schiere M., Müller A. (2017) Timber bridges – Load carrying behaviour according to climate changes, IABSE Symposium, Vancouver, Canada

Franke, B., Franke, S., Schiere, M., & Mueller, A. (2016). Moisture diffusion in wood - Experimental and numerical investigations. WCTE 2016, 22.-25. August 2016, Wien, Österreich.

Franke, B., Franke, S., Mueller, A., & Schiere, M. (2016). Long-term behaviour of moisture content in timber constructions – Relation to service classes. INTER, 16.-19. August 2016, Graz, Österreich.