9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 13 Vergleichende Untersuchungen an historischem Brettschichtholz mit natürlich basiertem Klebstoff unter Beachtung alterungs- und einbaubedingter Einwirkungen auf die Tragfähigkeit Tommy Börner, M. Eng. Fachhochschule Potsdam Dr.-Ing. Gunter Linke Sachverständigenbüro, Eberswalde Prof. Dr.-Ing. Jörg Röder Fachhochschule Potsdam Prof. (i. R.) Dr.-Ing. Wolfgang Rug Sachverständigenbüro, Eberswalde Zusammenfassung Mit der Anmeldung des Patents DRP Nr. 197773 legte der Großherzogliche Zimmerermeister Otto Hetzer (1849 - 1911) im Jahr 1906 den Grundstein für die Entwicklung von Brettschichtholz wie es heute bekannt ist. Seine innovative Bauweise führte nicht nur zu einer Holzersparnis bei den Konstruktionen, sondern auch zu einer Entwicklung, ohne die der heutige Ingenieurholzbau nicht so leistungs- und konkurrenzfähig wäre. Mangelnde Erkenntnisse über historische Brettschichtholzkonstruktionen führen immer wieder zum Abriss dieser bedeutenden Bauwerke und Zeugnisse ingenieurtechnischer Schaffenskraft. Der vorliegende Beitrag dient zur Erweiterung des Wissenstands über historisches Brettschichtholz sowie naturbasierte Klebstoffe. Gleichfalls wird der Frage nachgegangen, wie historische Brettschichtholzkonstruktionen im Kontext der aktuellen Normung erhalten werden können und auf welche Besonderheiten im Zuge dessen geachtet werden muss. 1. Einleitung Mit der Energiewende und dem erklärten Ziel der Klimaneutralität müssen auch Umstellungen im Bauwesen einhergehen. Die Verwendung ressourcenschonender Baustoffe liegt dabei im Fokus. Holz als nachwachsender Rohstoff bietet eine Vielzahl an Verwendungsmöglichkeiten. Im Hinblick auf eine immer stärkere Nachfrage an naturbelassenen Materialien können z. B. Brettstapelelemente bereits einen Beitrag dazu leisten, emissionsarme Konstruktionen herzustellen. Auch zum Beginn der Brettschichtholzherstellung wurden natürliche Klebstoffe wie Kasein-Leim verwendet. Um deren Verwendungsmöglichkeiten in heutigen Konstruktionen zu überprüfen, wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts hergestellte Brettschichtholzträger auf ihr Tragverhalten untersucht. Der Erhalt von historischen Dachtragwerken ist nicht nur aus denkmalpflegerischer und ökonomischer Sicht von Bedeutung, sie stellen auch - gemessen am heutigen Ingenieurholzbau - noch immer sehr leistungsfähige Bauwerke dar. Mit zunehmendem Alter einer Holzkonstruktion in Ingenieurbauweise erschwert sich - wie nachfolgend erläutert - deren Nachweis der Standsicherheit. Die erste Holzbaunorm in Deutschland wurde im Jahr 1919 als DIN 104 „Holzbalken für Kleinhäuser“ eingeführt [1]. Durch die zwingend vorgeschriebene Einhaltung der zum Zeitpunkt der Errichtung gültigen Normvorschriften ist es in Verbindung mit dem Herstellungsjahr der Konstruktion möglich, die angewandten statischen Bemessungsregeln nachzuvollziehen und aus heutiger Sicht zu bewerten. Für Ingenieurbauwerke aus der Zeit vor der Einführung verbindlicher Normungen ist die Betrachtung aus statischer Sicht erschwert. Es galten bereits vor der Normierung im Bauwesen regionale, baupolizeiliche Vorschriften, welche bereits bei neuen Konstruktionsweisen versuchstechnische Nachweise zum Tragverhalten verlangten. Das Auffinden dieser Unterlagen und die Zuordnung zu der zu bewertenden Konstruktion ist nur noch in den seltensten Fällen möglich. Um fundierte Aussagen zum Tragverhalten historischer Brettschichtholzträger treffen zu können, wurden aus einem zum Beginn des 20. Jahrhundert errichteten Dachstuhl entnommene Mittelpfetten in Brettschichtholzbauweise untersucht. 2. Wissensstand und Entwicklungsgeschichte 2.1 Wissensstand zum Beginn bis Mitte des 20. Jh. Zum Beginn des 20. Jahrhunderts befand sich das Holzhandwerk in einer Zeit des Umbruchs, wobei sich das traditionelle Zimmererhandwerk durch innovative Erfindungen zum Ingenieurholzbau entwickelte. Statische Erkenntnisse aus anderen Bauweisen (Tragwerke aus Eisen/ Stahl und Stahlbeton) und der Übergang von zim- 14 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Vergleichende Untersuchungen an historischem Brettschichtholz mit natürlich basiertem Klebstoff mermannsmäßigen Holzverbindungen zu Verbindungsmittel wie Ringdübel, Stabdübel oder Bulldog-Zahnblechen ermöglichte es den Zimmerleuten und Ingenieuren nun holzsparende und leistungsfähige Tragwerke herzustellen. Im Jahr der Patentanmeldung für die ersten, zur Serienherstellung gedachten, verleimten Holzbauteile durch den Großherzoglichen Hofzimmermeister Otto Hetzer 1906 gab es noch keine einheitliche Normung in Deutschland. Vorgaben zur Art und Ausführung eines Bauwerkes wurden baupolizeilich geregelt. Neuartige Konstruktionsweisen mit verdübelten oder verleimten Hölzern wurden zur damaligen Zeit durch Materialprüfungsanstalten oder das Königliche Materialprüfungsamt auf ihre Verwendbarkeit geprüft. Durch die Vergabe von Lizenzen in Deutschland und Europa erweiterten sich auch die Versuche an Hetzer-Bindern. So erhielt bereits 1908 die Ingenieurfirma Terner & Chopard aus Zürich ihre Lizenz zur Herstellung von Tragwerken in Hetzer- Bauweise [2]. Auftraggeber für Bauwerke in Hetzer-Bauweise war unter anderem die Schweizerische Bundesbahn (S.B.B.), welche zum Nachweis der Tragfähigkeit eine Versuchsdurchführung an 2 Bindern im Maßstab 1: 3 finanzierte [3]. Diese Form der Binder sollte dann für die neue Lokomotiv-Remise der S.B.B. in der Aebimatt in Bern Verwendung finden. Weitere Versuche folgten dann im Jahr 1919/ 1920 an der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt in Zürich. Die Ergebnisse dieser Versuchsreihen in Deutschland und der Schweiz stehen durch Veröffentlichungen im Zentralblatt der Bauverwaltung und der Schweizerischen Bauzeitung heute noch zur Verfügung. Neben Versuchen wurden die Hetzer-Binder unter der Berücksichtigung von Eigen-, Schnee- und Windlasten auch statisch nachgewiesen. Jedoch waren die dabei getroffenen Annahmen nicht immer vollständig korrekt, wie das Beispiel der Reithalle in St. Moritz zeigt [4]. Dort mussten die vier Hauptbinder, welche als Dreigelenkbogen ausgeführt wurden, mittels nachträglich eingebauter Zugbänder verstärkt werden, da sich bereits erste Verformungen zeigten. Im Bereich des Klebens gab es Anfang des 20. Jh. [5] bereits erste Schritte zur Herstellung synthetischer Klebstoffe, jedoch wurden in der Regel Kasein- oder Glutin- Leim verwendet. Diese in Wasser gelösten Leime wurden schon im alten Ägypten und der Antike zum Verkleben von Holz und anderen Materialien verwendet. Für eine industrielle Verarbeitung ist der Kasein-Leim dem Glutin- Leim vorzuziehen, da dieser ohne eine vorherige Erwärmung des Leims und der zu verbindenden Holzlamellen verarbeitet werden kann. Gleichfalls ist der Kasein-Leim wasserbeständiger als der Glutin-Leim. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gab es viele verschiedene Ansätze zur Herstellung eines wasserfesten Leims [5]. Ohne eine nähere Beschreibung der Zusammensetzung des Leims, setzt Hetzer ein von ihm entwickeltes „in Feuchtigkeit nicht lösliches Bindemittel“ [2] zur Herstellung seiner Binder ein. Dieser beruht im Grunde auf Kaseinbasis [6]. Im Laufe der weiteren Entwicklung von Kunstharzklebstoffen in den dreißiger/ vierziger Jahren [7] wurden naturbasierte Leime zunehmend bei der Herstellung von Brettschichtholz verdrängt. Mit der Einführung der DIN 1052: 1969-10 wurde auch die DIN 68141: 1969-10 „Holzverbindungen; Prüfung von Leimen und Leimverbindungen für tragende Holzbauteile, Gütebedingungen“ veröffentlicht [1]. In diesem Zeitraum findet der Kasein-Leim auch seine letzte explizite Erwähnung in der Normung. 2.2 Heutiger Wissensstand Die aktuellen Erkenntnisse im Umgang mit historischem Brettschichtholz beruhen auf einigen wenigen Untersuchungen an Hetzer-Bindern. So wurden an der Hochschule für nachhaltige Entwicklung in Eberswalde im Jahr 2011/ 2012 Versuche zur Festigkeit der Klebefugen an Hetzer-Bindern durchgeführt [8]. Dabei wurden 258 Leimfugen zur Auswertung herangezogen. Die Versuche erfolgten in Anlehnung an die damals geltende Norm DIN EN 392: 1996 (heute DIN EN 14080: 2013-09 [9]). Die Auswertung ergab, dass der Mittelwert der Scherfestigkeit der Klebefugen bei 4,3- N/ mm² und 4,9 N/ mm² (je nach betrachtetem Bauteil) lag und somit den heutigen Anforderungen nicht genügen würde. Ebenfalls an der Hochschule für nachhaltige Entwicklung in Eberswalde (zu der Zeit noch Fachhochschule Eberswalde) wurden im Jahr 1999 in einem Teilprojekt zum Forschungsvorhaben „Vergleichende Betrachtungen europäischer Bauproduktennormen mit nationalen Bedingungen“ vergleichende Untersuchungen an Brettschichtholzverleimungen mit Natur- und Kunstharzleimen durchgeführt [10]. Hier wurden Zug- und Druckscherproben, sowie Delaminierungsblöcke und -brettchen aus Fichten- und Kiefernholz unter der Verwendung verschiedener Klebstoffe geprüft. Darunter auch modifizierter Kasein-Leim (Zugabe von 3 % emulgierbarem MDI) mit und ohne Schutzmittelzugabe. Die Ergebnisse zeigen für Kasein-Leim, dass dieser im trockenen Zustand vergleichbare Festigkeiten wie eine Kunstharzverklebung aufweist. Jedoch verlieren die Kaseinleimverbindungen nach Feuchte- und Wärmeeinwirkungen (verschiedene Testverfahren) schnell an Festigkeit. Die ermittelten Zugscherfestigkeiten (trockener Zustand) lagen zwischen 4,3 bis 6,3 N/ mm². Ein sehr interessantes und bedeutendes Fallbeispiel ist in diesem Zusammenhang die Lokomotiv-Remise (Depot) Aebimatt in Bern. Bereits vor ihrem Bau wurden Versuche zur Tragfähigkeit der Binder (siehe oben) durchgeführt. Im Jahr 2007 wurde in einem Gutachten der Austausch aller Binder empfohlen und die Konstruktion unter Verwendung von Baumstämmen temporär gesichert [11]. Begleitend wurde durch die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) die Scherfestigkeit der Bestandsklebefugen und eine mögliche Risssanierung mit einem 2-Komponenten PUR System geprüft [12]. Die Festigkeit der augenscheinlich noch intakten Klebefugen wurde an zwölf Bohrkernen mit 8,9 N/ mm² und 9,3 N/ mm² (Teilung der Bohrkerne in eine innere und äußere Probe) festgestellt. Laborversuche zur Risssanierung an einem ausgebauten Trägerteil zeigten, dass bei alten Delaminationsfugen die schwer zu entfernenden Verunreinigungen zu geringeren Klebefugenfestig- 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 15 Vergleichende Untersuchungen an historischem Brettschichtholz mit natürlich basiertem Klebstoff keiten führen als es bei einer Risssanierung an neuem Brettschichtholz der Fall wäre. Die Verstärkung der Träger mit Vollgewindeschrauben und eingeklebten GSA- Ankern führte zwar zu einer Erhöhung der vorhandenen Schubfestigkeit; dennoch wurden die normativ vorgegebenen Mindestwerte nicht erreicht. Ein Zweitgutachten der Firma Indermühle Bauingenieure ergab, dass durch den Einbau von Zugbändern und einzelner Risssanierungen die Standsicherheit wiederhergestellt werden kann. Dazu wurde an einem der 50 Binder das geplante Konzept umgesetzt und ein Belastungsversuch durchgeführt. Im Sommer 2022 wurde die Sanierung abgeschlossen, womit sich zeigt, dass auch über 100 Jahre alte Hetzer- Konstruktionen mit geringem (Kosten-) Aufwand nach heutigen Anforderungen ertüchtigt werden können. Nach Sichtung des Bildmaterials auf dem Internetauftritt des beteiligten Unternehmens SSA Architekten AG BSA SIA aus Basel bestand die Sanierung weitestgehend aus dem Einbau stählerner Zugbänder zur Aufnahme der durch die Bogenform im Kämpferbereich auftretenden Horizontalkräfte. Ungenügende Kenntnisse über das Tragverhalten historischer Brettschichtholzkonstruktionen und die erhöhten Anforderungen durch geltende Normen führen immer wieder zum Abriss dieser. Die aktuell gültige Norm für Brettschichtholz und Balkenschichtholz ist die DIN EN 14080: 2013-09 [9] in Verbindung mit den darin aufgeführten Normativen Verweisungen. 2.3 Wissensstand zum verwendeten Probematerial Hetzer-Konstruktionen bestehen in der Regel aus zwei gegenüberliegenden Leimholzbindern, die zusammen ein Hauptgebinde bilden. Durch eine Aneinanderreihung mehrerer Gebinde in einem Abstand von mehreren Metern (je nach verfügbaren Pfetten-Querschnitten) entsteht so das Tragwerk für die eigentliche Dachkonstruktion, bestehend aus Pfetten und Sparren. Die untersuchten Probekörper bildeten die Mittelpfetten eines mehrfach stehenden Dachstuhls. Die Dachstuhlkonstruktion überspannte die Aula des 1912 fertiggestellten Kaiserin Auguste Viktoria-Lyzeums (heute Fichtenberg-Oberschule) im Berliner Stadtteil Steglitz-Zehlendorf. In weiteren Versuchsreihen wurden zudem die Bogenträger der Aula- Deckenkonstruktion näher betrachtet [13]. Im vorliegenden Beispiel haben die fünf Gebinde einen Achsabstand von bis zu 7 m. Typisch für diese Konstruktionsweise ist, dass die paarweise aufgestellten Binder als Dreigelenk-Rahmen oder -Bogen ausgeführt wurden, je nach Formgebung der Binder. Bei Hallentragwerken werden die Gebinde oftmals derart ausgestaltet, dass diese direkt auf den Fundamenten aufgelagert werden. Die Aula der Fichtenberg-Oberschule befindet sich im zweiten Obergeschoss, sodass die fünf Hauptgebinde auf den Außenwänden, hergestellt aus Ziegelmauerwerk, aufgelagert wurden. Abbildung 1: viertes Hauptgebinde [14] 16 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Vergleichende Untersuchungen an historischem Brettschichtholz mit natürlich basiertem Klebstoff Die zuvor beschriebene Ausführungsweise trifft im engeren Sinne nur auf das 5. Hauptgebinde über der Bühne der Aula zu, die weiteren vier Gebinde bilden eine Hängesprengwerk-Konstruktion, wobei die einzelnen Leimbinder als Streben fungieren [siehe Abbildung 1]. Über die Länge der Hauptbinder wurden zwischen Fuß- und Firstpfette drei weitere Pfettenstränge angeordnet. Jeder Pfettenstrang besteht aus vier einzelnen Leimholzträgern mit einer Auflagerweite von rund 6,3-m zwischen dem 1. und 2. Hauptgebinde und rund 7,0-m zwischen den restlichen Gebinden. Die Mittelpfetten sind als Kopf bandträger ausgeführt, wodurch sich ihre für den rechnerischen Nachweis anzusetzende Stützweite auf den Abstand zwischen den Kopf bändern einer Pfette reduziert. Die Leimholzpfetten weisen einen veränderlichen Querschnitt auf, dessen Höhe zur Balkenmitte größer wird und folglich im mittleren Bereich die Form eines Fischbauchträger annimmt. Die Pfetten sind nicht direkt auf den Hauptbindern aufgelagert, sondern auf seitlich an die Binder angebrachte Kanthölzer, die einen Querschnitt von 8/ 16 cm aufweisen. Bedingt durch die gewölbte Deckenkonstruktion der Aula sind die Kopf bänder der ersten Mittelpfettenlage weniger weit ausgestellt als die der zweiten und dritten Mittelpfettenlage. Einige dieser Pfetten wurden beim Rückbau des Dachtragwerks vor der Entsorgung gesichert, so dass die Tragfähigkeit dieser Hetzerbinder experimentell ermittelt werden konnte. Für die auszuführenden Biegeversuche sollen die Prüfkörper in der Mitte des vorhandenen Zapfenlochs aufgelagert werden, um so in den Versuchen die einbaubedingte Auflagerstützweite zu erhalten. Somit ergeben sich 2 Prüfkörperserien. Serie 1 (6 Prüfkörper) umfasst die 1. Mittelpfettenlage mit einer Auflagerstützweite von ca. 4,59 m und Serie 2 (7 Prüfkörper) die der 2./ 3. Mittelpfettenlage mit einer Auflagerstützweite von ca. 4,02 m [siehe Abbildung 2]. Abbildung 2: Momenten- und Biegespannungsverlauf Im Bereich der Binder weisen die Pfetten eine Querschnittshöhe von 20 cm auf, die bis zur Mitte auf 40 cm zunimmt. Der Querschnitt selbst hat die Form eines Doppel-T-Trägers mit rund 16 cm breiten Ober- und Untergurten und einem ca. 6 cm breiten Steg. Der gekrümmte Untergurt besteht aus drei einzelnen, miteinander verleimten 2,7 cm dicken Brettlamellen. Steg und Obergurt sind aus Vollholz ausgeführt und durch Klebung untereinander und mit dem Untergurt verbunden. Während der Zustandsbegutachtung wurden auch vereinzelt Nägel als Verbindung zwischen den Trägerbestandteilen vorgefunden. Aufgrund der geringen Anzahl und Größe ist aber zu vermuten, dass diese eher der vorrübergehenden Fixierung der einzelnen Lagen vor dem Einspannen in die Leimpressen dienten. Zudem ist das Vorhandensein von 2 unterschiedlichen, entgegengesetzten Krümmungsradien am Untergurt festzustellen. In den Wendepunkten der Radien sind die Träger durch zwischen Ober- und Untergurt eingelegte und verleimte Hölzer sowie Stahlspangen verstärkt. Aus der Bestandsaufnahme durch die FPK-Ingenieurgesellschaft [14] lässt sich erkennen, dass auch im Bereich der Auflager Querschnittsverstärkungen vorhanden waren. Durch den unsachgemäßen Ausbau der Pfetten waren die Trägerenden bereits bei in Empfangnahme abgetrennt. Kopf bandträger können unter bestimmten Voraussetzungen als gelenkig gelagerter Träger auf zwei Stützen betrachtet werden, wobei als Stützweite der Abstand zwischen Mitte Kopf bandanschluss bis Mitte Kopf bandanschluss herangezogen wird. Die Mittelpfetten werden durch die ständigen Belastungen aus der Dacheindeckung (Lattung und Dachsteine) und der Sparren sowie durch ihr Eigengewicht beansprucht. Hinzu kommen die veränderlichen Lasten der Einwirkungen aus Schnee und Wind. Die Lasten aus Dacheindeckung, Sparren, Schnee und Wind vertei- 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 17 Vergleichende Untersuchungen an historischem Brettschichtholz mit natürlich basiertem Klebstoff len sich als konstante Streckenlast über die Trägerlänge. Das Eigengewicht spiegelt sich als parabelförmige Last mit einem Maximum in Trägermitte aufgrund der Trägergeometrie wider. Die Bemessung erfolgt aktuell nach den Vorgaben der DIN EN 1995-1-1 [15] und DIN EN 1995-1-1/ NA [16]. Einhergehend mit der sich veränderten Querschnittsfläche, ändert sich auch das Widerstandsmoment gegen Biegung W (X) vom Auflager zur Trägermitte. In Trägermitte hat es mit der größten Querschnittsfläche sein Maximum. Die Formgebung der Mittelpfetten entspricht so auch dem Verlauf des Biegemoments M (X) welches gleichfalls in Trägermitte am größten ist. Um das Verhalten des Trägers unter den Einbaubedingungen zu simulieren, wurden mit einer angenommenen Gleichstreckenlast von 7 kN/ m das Biegemoment und die daraus resultierende Biegespannung σ m(x) in regelmäßigen Abständen über die Trägerlänge ermittelt. Dabei konnte festgestellt werden, dass die betragsmäßig größten Biegespannungen nicht in Feldmitte auftreten, sondern bereits vorher (Träger ohne Kopf bänder). Zur Mitte hin nehmen die Biegespannungen dann wieder ab. Nach dieser Vorgehensweise wurde zum einen der gesamte Träger ohne Kopf bänder und zum anderen der Bereich zwischen den Kopf bändern betrachtet. Die größten Biegespannungen treten bei der Simulation für die erste Mittelpfettenlage genau in dem Bereich auf, der durch hölzerne Einlagen und Stahlspangen verstärkt wurde. Die Verstärkungsmaßnahmen wurden bei der Berechnung der Biegespannung nicht mit zu Grunde gelegt. Die Spannungsspitzen bei der Betrachtung ohne Kopf bänder liegen genau im Bereich der Kopf bandanschlüsse. Die Träger der zweiten Mittelpfettenlage weisen das Maximum dagegen direkt in Feldmitte auf. Somit zeigt sich, dass die holzeinsparende Anpassung der Trägerform an den Biegemomentenverlauf zwar zu Spannungsspitzen außerhalb der Trägermitte führt, aber durch den Einsatz von Kopf bändern wieder kompensiert werden kann. Die dadurch veränderten Maxima in der Biegespannung wurden dann wiederum durch eine Verstärkung des Trägerquerschnitts in den betroffenen Bereichen berücksichtigt. 3. Voruntersuchungen und Klebefugenfestigkeit 3.1 Voruntersuchungen Zum rechnerischen Nachweis der Mittelpfetten wird der Abstand zwischen den Kopfbändern als Stützweite herangezogen, wodurch auch die Auflagerpunkte für die durchzuführenden Vier-Punkt-Biegeversuch definiert sind. Die Träger wurden auf ein entsprechendes Maß gekürzt und die Abschnitte mit der Trägernummer versehen, sowie dem Vermerk „li“ für linker Abschnitt und „re“ für rechter Abschnitt. Diese Restlängen standen so für die geplanten Vorversuche zur Verfügung. Die Einzellängen variierten dabei von über einem Meter bis auf ca. 20 cm, was angesichts der teilweise erheblichen Vorschädigungen die Entnahme von geeignetem Probenmaterial zum Teil nicht zuließ. Zur Überprüfung der Druckfestigkeit in Faserrichtung, Rohdichte und Holzfeuchtegehalt konnten 390 Proben verwendet werden. Zur Ermittlung der Scherfestigkeit der Klebefugen in Anlehnung an DIN EN 14080/ Anhang D [9] konnten 95 Probekörper dem Versuch zugeführt werden. Für die mikroskopische Bestimmung der verwendeten Holzart wurden mit Hilfe eines Mikrotoms Dünnschnitte gewonnen, um die mikroskopischen Präparate herstellen zu können. Dazu wurden einzelne Holzstücke mehrere Stunden vorab gekocht. Anhand der makroskopischen und mikroskopischen Merkmale wurde die verwendete Holzart Fichte festgestellt. Bei einem Mittelwert der Holzfeuchte von ω m,0 -=-9,52 % beträgt der Mittelwert der Rohdichte ρ m, 9,52 -=-0,414 g/ cm³ und der Druckfestigkeit in Faserrichtung f c,m, 9,52 -=-48,48 N/ mm². Zu Beginn des 20.-Jahrhunderts wurden vor allem proteinbasierte Leime im holzverarbeitenden Gewerbe genutzt. Dazu gehören Glutin-Leim (auf Basis von Kollagen aus tierischen Nebenerzeugnissen) und Kasein-Leim (auf Basis von Caseinen aus Milch). Bei der Herstellung von Glutin-Leim aus tierischen Knochen wird das darin enthaltene Calciumphosphat je nach Verfahren herausgelöst, sodass im späteren Leim kein bis kaum Phosphor enthalten ist. Die Caseine enthalten alle Phosphor, welches auch beim Herstellungsprozess des Leims nicht abgespalten wird. Durch einen mikrochemischen Proteinnachweis kann im ersten Schritt die Verwendung künstlicher Klebstoffe ausgeschlossen werden. Im zweiten Schritt kann durch einen Phosphatnachweis zwischen Glutin- und Kasein-Leim unterschieden werden. Jedoch ist dieser Nachweis stark fehlerbehaftet, da gerade bei sehr alten Klebeverbindungen Verunreinigungen und/ oder Beimengungen (z. B. phosphathaltige Flammschutzmittel) zu einem positiven Phosphatnachweis auch bei Glutin-Leimen führen können. Um weiter zwischen Glutin- und Kasein-Leim differenzieren zu können, sind mikroskopische Untersuchungen, Infrarotspektroskopie und umfangreiche chemische Analysen notwendig. Der abschließend erstellte Laborbericht [17] zur Bestimmung der in den zu untersuchenden Träger verwendeten Leimart kommt bei der Unterscheidung zwischen Glutin- und Kasein-Leim zu keinem eindeutigen Ergebnis. Gesichert ist, dass der verwendete Leim auf Proteinbasis hergestellt wurde und Phosphat enthält. Der positive Phosphatnachweis sowie die höhere Übereinstimmung mit dem Kaseinreferenzspektrum deuten auf die Verwendung eines kaseinhaltigen Leims hin, sowie auch der Erhalt der Klebefuge nach mehrstündigem Kochen zur Herstellung von Dünnschnittpräparaten. 3.2 Klebefugenfestigkeit Zur Untersuchung der Klebefugenfestigkeit wurden aus dem Querschnitt der abgetrennten Trägerenden Probekörper mit einer Kantenlänge a- ≈- 50 mm geschnitten. Aufgrund der Vorschädigungen an den Trägerenden konnten nicht aus jedem Abschnitt sämtliche Klebefugen den Versuchen unterzogen werden. Der Mittelwert der Scherfestigkeit aller Proben ergab f v,m,ges = 7,52 N/ mm², mit einer Streuung von 1,74 N/ mm² bis 12,90 N/ mm². Bei einer Standardabweichung von 2,87 ergibt sich ein Variationskoeffizient von 38,19 %. Unter dem Abschnitt 5.5.5.2.3 „Scherfestigkeit von Klebefugen“ der DIN EN 14080 wird eine Mindest-Scherfestigkeit von 6 N/ mm² 18 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Vergleichende Untersuchungen an historischem Brettschichtholz mit natürlich basiertem Klebstoff bei mindestens 74 % Faserbruchanteil für Einzelwerte gefordert. Insgesamt erfüllen, ohne weitere Betrachtung des Faserbruchanteils, 62 Proben den Mindestwert der Norm von 6 N/ mm² mit einem Mittelwert von 9,31 N/ mm². Im Prüf bericht muss laut Abschnitt D.7 des Anhang D [DIN EN 14080, 2013] keine Angabe über den Faserbruchanteil gemacht werden. Bei Ergebnissen von 4 bis 6 N/ mm² muss der Faserbruchanteil bei 100 % liegen (siehe Tabelle 10 in [9]). Der reine Faserbruch (100 %) beschreibt das Versagen der Bindungskräfte (Kohäsionskräfte) benachbarter Holzzellen, er tritt somit nur außerhalb der Klebefuge und den anschließenden Grenzbereichen auf [siehe Abbildung 3]. Abbildung 3: Klebefuge Die Bindungskräfte von Molekülen untereinander und damit auch innerhalb des Holzes und innerhalb des Klebstoffs werden als Kohäsion bezeichnet [18]. Die formschlüssige Verbindung des Leims mit den angrenzenden Holzzellen wird als mechanische Adhäsion bezeichnet. Findet der Bruch ausschließlich in der Klebefuge statt (0 % Faserbruch), haben die Kohäsionskräfte im Leim versagt. Zwischen der Klebefuge und den zu fügenden Holzoberflächen existiert ein Grenzbereich, in dem, im Falle eines Versagens, zu definieren ist, ob es sich um ein Versagen der Klebefuge oder der Holzzellen handelt. In den häufigsten Versagensfällen der hier untersuchten Bruchflächen, verlief der Bruch mäandernd zwischen der Klebefuge und den Grenzbereichen. Das führt unter der Betrachtung mit UV-Licht zu einer landkartenähnlichen Verteilung von Leim- und Holzflächen. Auch nur eine Reihe mit Holzzellen würde so dem Faserbruchanteil zugeordnet werden, was aber im eigentlichen Sinn ein Versagen der mechanischen Adhäsionskräfte bedeuten würde und dem Versagen der Klebefuge zugeordnet werden müsste. 4. Ermittlung der Tragfähigkeit durch 4-Punkt-Biegeversuche Zur Ermittlung der Biegefestigkeit und des Biege-Elastizitätsmoduls standen insgesamt 13 Träger zur Verfügung. Wie bereits beschrieben, ergeben sich durch die unterschiedliche Anordnung der Kopf bänder in der 1.-und 2./ 3. Mittelpfettenlage zwei unterschiedliche Stützweiten für die Serien S 1 und S 2. Die Versuche wurden in Anlehnung an die DIN EN 408 [19] durchgeführt. Zur Messung der Durchbiegung des Trägers während der Versuchsdurchführung wurden jeweils am Untergurt im Bereich der Auflager, Lasteinleitungspunkte und in Trägermitte Wegaufnehmer angebracht. Zur Bestimmung des globalen Biege-Elastizitätsmoduls nach DIN EN 408 ist der Kurvenabschnitt des Kraft-Weg-Diagramms im Bereich zwischen 0,1*F max,est und 0,4*F max,est einer Regressionsanalyse zu unterziehen, wobei der Korrelationskoeffizient größer 0,99 betragen muss. Diese Bedingung wurde bei allen durchgeführten Biegeversuchen erfüllt. Somit erfolgte die Ermittlung des Elastizitätsmoduls für alle Träger zwischen einer aufgebrachten Last von F ≈ 7,8 kN bis F ≈ 18,2 kN, was bei einer angenommenen Höchstlast von F est -=-52,00 kN einem Faktor von 0,15*F est und 0,35*F est entspricht. Die angenommene Höchstlast F est wurde zuvor berechnet und anhand von Vorversuchen angepasst. Nach DIN EN 384 [20] ergibt sich für alle Träger ein Elastizitätsmodul von E m,0,mean = 6.201,97 N/ mm² und ein 5-%-Quantil von E m,0,k = 4.155,31 N/ mm². Die Bestimmung der Biegefestigkeit erfolgte in Anlehnung an Abschnitt 19 der DIN EN 408 [19]. Die zu berechnende Biegefestigkeit entspricht der maximalen Biegespannung im Träger zum Zeitpunkt des Versagens. Aufgrund der vorliegenden Trägergeometrie und Belastungssituation beim 4-Punkt-Biegeversuch tritt die maximale Biegespannung nicht in Trägermitte, sondern im Bereich der Lasteinleitungspunkte auf. Hier erreicht das Biegemoment seinen Maximalwert, wohingegen das Widerstandsmoment gegen Biegung geringer als in Trägermitte ist. Der charakteristische Wert der Biegefestigkeit beträgt nach DIN EN 14358 [21] f m,k -=-3,96 N/ mm². Die ermittelten Biegefestigkeiten sind als geringer anzusehen als die tatsächlichen Biegefestigkeiten der Träger, da alle im 4-Punkt- Biegeversuch durch ein Versagen auf Schub im Bereich der Auflager und nicht durch einen Biegebruch versagten. Das bedeutet, dass zum Zeitpunkt des Versagens nicht die Biegefestigkeit der Träger, sondern die Schubfestigkeit der verwendeten Hölzer bzw. die der Leimfugen überschritten wurde. Abbildung 4: 4-Punkt-Biegeversuch 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 19 Vergleichende Untersuchungen an historischem Brettschichtholz mit natürlich basiertem Klebstoff Abbildung 5: links typischer Schubspannungsverlauf - rechts untypischer Verlauf Als Auflagerpunkte wurden die damaligen Einbindepunkte der Kopf bänder gewählt, bei denen bauzeitlich keine Querschnittsverstärkungen angebracht waren. Die Auswertung der Biegeversuche hat weiterhin gezeigt, dass der I-förmige Querschnitt mit abnehmender Steghöhe und demgegenüber stehenden großen Querschnitten von Ober- und Untergurt zu einer untypischen Schubspannungsverteilung führt [siehe Abbildung 5]. 5. Zusammenfassung und Ausblick Das eingangs betrachtete Beispiel der Lokomotiv-Remise (Depot) Aebimatt für ein noch bestehendes Hetzer-Bauwerk zeigt, dass es auch nach über 100-jähriger Standzeit möglich ist, diese Konstruktionen nach heutiger Maßgabe zu ertüchtigen und zu erhalten. Der oft aus Mangel an belastbaren Festigkeitswerten zu historischem Brettschichtholz durchgeführte Abriss ist aus ökonomischer und ökologischer Sicht nicht zu befürworten. Vielmehr muss die Anzahl von versuchstechnischen Untersuchungen an historischem Brettschichtholz erhöht werden, um die Tragfähigkeit fundiert beurteilen und damit zukünftig Rückbauten vermeiden zu können. Die vorgestellten Ergebnisse stellen einen Beitrag dazu dar. Im 4-Punkt- Biegeversuch versagten die Träger frühzeitig auf Schub im Bereich der Auflager. Für weitere Biegeversuche an Hetzer-Trägern sollten die Querschnitte im Auflagerbereich verstärkt werden, um reale Biegefestigkeiten ermitteln zu können. In der ursprünglichen Einbausituation waren hölzerne Einlagen am Trägerende über dem Auflager zwischen Ober- und Untergurt mit dem Steg verleimt. Die Auswertung der Biegeversuche hat weiterhin gezeigt, dass sich im I-förmigen Querschnitt mit abnehmender Steghöhe und demgegenüber stehenden großen Querschnitten von Ober- und Untergurt untypische Schubspannungsverteilungen einstellen. Die maximalen Spannungen treten dabei nicht wie üblich in Stegmitte, sondern in den Klebefugen zwischen Steg und Unterbzw. Obergurt auf. In weiteren Versuchen sollten daher Möglichkeiten zur Schubverstärkung in schubgefährdeten Bereichen untersucht werden, z. B. durch den Einsatz von Vollgewindeschrauben. Es wird weiterhin empfohlen, eine chemische Analyse der oberflächennahen Holzschichten vorzunehmen, um Rückschlüsse auf den Einsatz von Holz- und Flammschutzmitteln ziehen zu können, die eventuellen Einfluss auf die Klebefugenfestigkeit haben könnten. Zudem sollten die Scherflächen der Klebefugenprüfung auf bereits vor dem Versuch inaktive Verklebungen hin untersucht werden. So besteht die Möglichkeit anhand der Restfläche die Scherfestigkeit anzupassen (z. B. bei Ergebnissen von f v < 6 N/ mm²). Mit Hilfe von UV-Licht lassen sich die inaktiven Verklebungen als dunkel verfärbte Bereiche identifizieren. Die mikroskopischen und makroskopischen Analysen haben überwiegend die Verwendung von Fichtenholz zur Trägerherstellung ergeben, wobei der Einsatz von Tannenholz nicht ausgeschlossen werden konnte. Das entspricht der heutigen normativen Vorgabe, dass Brettschichtholz aus einer Holzart hergestellt werden muss. Hierbei werden Tanne und Fichte gemeinsam als eine Holzart betrachtet. Der nicht erfüllte Nachweis der Tragfähigkeit ist eher nicht auf eine ungenügende ursprüngliche Bemessung der Träger und unzureichende Festigkeit des naturbasierten Leims zurückzuführen, sondern zumindest anteilig oder gänzlich auf die die Tragfähigkeit beeinflussenden Vorschädigungen während des unzweckmäßigen Rückbaus und der ungünstigen Zwischenlagerung. Die Konstruktionsweise Hetzer ist heute wie früher eine wegweisende Erfindung. Die materialsparenden und auf den Einsatzzweck abgestimmten Querschnitte können auch heute, wenn nötig auch mit künstlichen Klebstoffen hergestellt, einen Beitrag zu einer ressourcenschonenden Bauweise liefern. Zudem ist der Einsatz von proteinbasierten Leimen, vor allem aus pflanzlichen Rohstoffen, in vordefinierten Umgebungsbedingungen nicht auszuschließen und sollte weiter untersucht werden. Durch intensive Forschung und Zusammenarbeit mit den Denkmalschutzbehörden sollte es in Zukunft möglich sein, den weiteren Abriss historischer Brettschichtholzkonstruktionen zu verhindern. 20 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Vergleichende Untersuchungen an historischem Brettschichtholz mit natürlich basiertem Klebstoff Literaturverzeichnis [1] Rug, Wolfgang. Ausgewählte historische Bemessungs- und Konstruktionsnormen von 1917 bis 2007. [Hrsg.] DIN Deutsches Institut für Normung e.V. 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