Unter welchen Voraussetzungen bleiben lamellierte Kanteln aus unterschiedlichen Holzarten „stehen“? Eine grundlegende Antwort auf diese Kernfrage geben die Ergebnisse eines Teilprojekts des Verbund-Forschungsvorhabens „Holzbau der Zukunft“ im Rahmen der Hightech-Offensive Bayern. Durchgeführt wurde diese Untersuchung an der Technischen Universität München und der Hochschule Rosenheim. Die Leitung des Projekts „Konstruktionsgrundlagen für Fenster, Türen und Fassaden aus Verbundwerkstoffen und Holz“ lag in Händen von Prof. Josef Schmid, isp Rosenheim.
Es ist ein Grundsatz in der beruflichen Ausbildung, dass verleimte Profilquerschnitte unter Verwendung der gleichen Holzart symmetrisch aufgebaut sein müssen, damit sie „stehen bleiben“. Es sind aber auch Beispiele bekannt, bei denen aus unterschiedlichen Holzarten, z. B. Eiche – Fichte – Fichte, verleimte Querschnitte erfolgreich zur Anwendung kamen. Also mussten auch in diesen Querschnitten die Spannungen ausgeglichen sein.
Wir wollten wissen, welche Voraussetzungen erfüllt sein müssen, damit sich ein verleimter Profilquerschnitt nicht unkontrolliert und nicht übermäßig verformt. Im Verbund-Forschungsvorhaben „Holzbau der Zukunft“ sind wir deshalb dieser Frage nachgegangen. Die Antwort, die wir fanden, ist klar und nachvollziehbar und die handwerklichen Regeln behalten ihre Gültigkeit. Denn bei
- der Auswahl von Holzarten die sich im Quellungskoeffizient nicht wesentlich unterscheiden,
- der Verklebung der unterschiedlichen Holzarten mit gleicher Holzausgleichsfeuchte,
- der Verwendung eines geeigneten Klebstoffes
sind geeignete Profilquerschnitte herzustellen.
Im vorliegenden Bericht sind mit Rücksicht auf den Umfang der Veröffentlichung, einige Punkte verkürzt und vereinfacht dargestellt, wobei die Gesamtaussage dadurch nicht beeinträchtigt wird. Den ausführlichen Gesamtbericht finden Sie unter www.isp-rosenheim.de.
1. Einführung
Der Trend der Nutzer von Gebäuden, die Fenster mehr als bisher in das Wohnumfeld mit einzubeziehen und gleichzeitig eine höhere Witterungsbeständigkeit der Außenseite zu fordern, führt zwangsläufig zur Verwendung unterschiedlicher Holzarten innerhalb eines Profilquerschnittes. Auf der Raumseite Möbelhölzer wie Ahorn, Birke, Nussbaum und auf der Außenseite witterungsbeständige Hölzer wie Eiche oder Robinie, aber auch dimensionsstabilisierte Hölzer wie Thermo-Kiefer, finden die Zustimmung der Bauherren und damit verstärkt Anwendung bei Fenstern.
Das in Bild 1 dargestellte Schichtenmodell wurde vor über 10 Jahren erstmals in der Fachpresse vorgestellt und damit der Weg von der monolithischen Bauweise zur Schichtenbauweise aufgezeigt. Mit der Schichtenbauweise ist die Möglichkeit gegeben, den einzelnen Schichten im Profilquerschnitt bestimmte Aufgaben zuzuordnen. Im Rahmen dieser Veröffentlichung wird zunächst nur die raumseitige „Dekorationsschicht“ und die außenseitige „Verschleiß- oder Wetterschutzschicht“ behandelt.
Dabei wird von einem verklebten Querschnitt ausgegangen, in dem unterschiedliche Holzarten in den verschiedenen Schichten zur Anwendung kommen.
Der Grundsatz, dass die Funktion und die Gebrauchstauglichkeit des Fensters im Vordergrund stehen, wurde beachtet. Die dafür wesentlichen Merkmale sind in Bild 2 dargestellt.
Bei der Auswahl von Holzarten, die eine ausreichende Witterungsbeständigkeit aufweisen, und von Holzarten, die aufgrund ihres dekorativen Aussehens für den Möbelbau geeignet sind, wurde auf die praktischen Erfahrungen zurückgegriffen und die Trends der letzten Jahre berücksichtigt.
Als maßgebendes Kriterium für die Benennung von geeigneten Profilquerschnitten wurde die zu erwartende Verformung der Profile im Differenzklima gewählt. Dabei wurde davon ausgegangen, dass der Verformungsweg mit Rücksicht auf die Funktion der Beschläge und dem Verformungsausgleich der Falzdichtung bestimmt wird.
Nicht unbeachtet bleiben sollte der Aufwand für die Wartung und auch die Verfügbarkeit der Holzarten.
2. Anwendung der Erkenntnisse
Das Ergebnis der Untersuchung ist in Tabelle 1 „Auswahl geeigneter Holzkombinationen für Rahmenprofile an Fenstern und Türen“ zusammengefasst. Die Tabelle geht von einem 3-schichtigen Aufbau aus, wobei die Mittellamelle mit Fichte gleich bleibt und die Außenlamelle und die Innenlamelle variiert werden können.
Die Auswahl der Holzart für die Außenlamelle und für die Innenlamelle führt im verklebten Profilquerschnitt zu einer Klasse, die mit 1 bis 3 gekennzeichnet ist. Die Klasse gibt Anhalt dafür, ob die gewählte Kombination von Holzarten für die Anwendung bei Fenstern und Türen geeignet ist oder ob mit Problemen, die sich in einer übermäßigen Verformung zeigen, gerechnet werden muss.
So zeigt z. B. die Kombination Außenlamelle Robinie – Mittellamelle Fichte – Innenlamelle Fichte eine Einstufung in die Klasse 1 mit der Erwartung, dass die Verformung im Differenzklima gering ist.
Die Kombination Außenlamelle Teak – Mittellamelle Fichte – Innenlamelle Birke führt zu einer Einstufung in die Klasse 3, so dass bei dieser Kombination mit verstärkter Verformung im Differenzklima gerechnet werden muss. Damit ist es notwendig, die Konstruktion, die vorgesehenen Beschläge und die zum Einbau vorgesehenen Dichtungen in ihrer Wirkung zu überprüfen und ggf. durch eigene Versuche nachzuprüfen, ob die ausgewählte Kombination für den vorgesehenen Anwendungsfall auch hinsichtlich der Fenstergröße geeignet ist.
Die Abgrenzung zwischen den Klassen ist durch die rechnerische Verformung eines Profils mit 1 m Länge im Differenzklima durchgeführt. Die Grenzwerte der rechnerischen Verformung sind in Tabelle 2 aufgelistet. Dabei ist zu beachten, dass die Verformung selbst von der Profillänge abhängt und mit der Profillänge im Quadrat wächst (Tabelle 2).
In die Tabelle 1 sind ausgewählte Holzarten aufgenommen. Die Einbeziehung weiterer Holzarten ist möglich, wenn der Quellungskoeffizient h für die Längenänderung der Holzart in Längsrichtung bekannt ist.
Der Quellungskoeffizient beschreibt die Änderung der Abmessung, bei einer Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit um 1 %. Der Quellungskoeffizient h (%/%) darf nicht verwechselt werden mit dem differenziellen Quellmaß q (%/%).
Das differenzielle Quellmaß beschreibt die Änderung der Abmessung bei einer Änderung der Holzfeuchtigkeit u um 1 %. Auf die Bedeutung der Unterschiede wird noch eingegangen.
Tabelle 1 ist eine Entscheidungshilfe bei der Auswahl von Holzarten und gibt Anhalt für geeignete Kombinationen.
3. Einflussgrößen auf die Verformung
Die Verformung der Profilquerschnitte im Differenzklima wird von der Änderung der Luftfeuchtigkeit ooo Δw (%), dem Quellungskoeffizient h (% / %) und der Geometrie der Profile bestimmt. Diese Einflussgrößen werden nachfolgend diskutiert.
3.1 Relative Luftfeuchtigkeit des Umgebungsklimas: Die Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit ist jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen und unterscheidet sich darüber hinaus zwischen dem Außenklima und dem Raumklima. Der jährliche Gang der relativen Luftfeuchtigkeit ist aus Bild 3 ersichtlich. Der Verlauf zeigt Änderung der Außenluftfeuchtigkeit für den Binnenbereich im deutschsprachigen Raum.
Der Verlauf der Änderung der Raumluftfeuchtigkeit unterscheidet in hohe, normale und geringe Feuchtigkeitsbelastung, wobei durch eigene Messungen im Großraum München bestätigt wird, dass die relative Luftfeuchtigkeit in Wohngebäuden mit normaler bis hoher Feuchtelast beschrieben werden kann.
Dies bedeutet, dass bei Rahmenprofilen von Fenstern und Türen in der Außenwand die in Bild 3 dargestellten wechselnden Feuchtigkeitseinwirkungen zu beachten sind. Dies führt zu einer unterschiedlichen Verteilung der Feuchtigkeit im Profilquerschnitt.
Das Raumklima wurde durch Messungen in Wohnungen im Großraum München für normale bis hohe Feuchtelast bestätigt. Die eigenen Messwerte in den Monaten Dezember bis April sind durch Punkte im Bild eingetragen.
3.2 Holzausgleichsfeuchte: Der Quellungskoeffizient h ist von der Holzart abhängig und beschreibt im Gegensatz zum differenziellen Quellmaß q die Änderung des Holzquerschnittes bei einer Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit um 1 %.
Der Zusammenhang zwischen der Holzfeuchtigkeit u und der relativen Luftfeuchtigkeit w wird durch die Sorptionsisothermen beschrieben. Die Darstellung der Sorptionsisotherme für verschiedene Holzarten in Bild 4 zeigt, dass sich der Zusammenhang zwischen Luftfeuchtigkeit (w %) und Holzfeuchtigkeit (u %) bei den verschiedenen Holzarten unterscheidet. Dies bedeutet, dass die von der relativen Luftfeuchtigkeit w bestimmte Holzausgleichsfeuchtigkeit bei verschiedenen Holzarten zu unterschiedlicher Holzfeuchtigkeit (u %) führen kann.
Die Holzfeuchtigkeit u ist das in der Praxis gängige Maß für die Bewertung des Feuchtigkeitsgehaltes des Holzes. Die Unterschiede werden auch aus Tabelle 3 „Holzausgleichsfeuchtigkeit“ deutlich.
In der praktischen Anwendung sind die Profilquerschnitte der relativen Luftfeuchtigkeit ausgesetzt, so dass darauf zu achten ist, dass bei der Herstellung der Profilquerschnitte die Holzausgleichsfeuchte bezogen auf die relative Luftfeuchtigkeit für die zu verklebenden Holzarten gleich ist. Nur damit kann verhindert werden, dass bereits bei der Verklebung Spannungen aus unterschiedlichen Holzausgleichsfeuchtigkeiten „eingefroren“ werden. Die unterschiedlichen Holzausgleichsfeuchtigkeiten ergeben sich dann, wenn die Holzfeuchtigkeit u als Grundlage herangezogen und eine gleiche Holzfeuchtigkeit u für die verschiedenen Holzarten angestrebt wird.
Diese Feststellung ist eine wichtige Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz von verklebten Profilquerschnitten bei Verwendung unterschiedlicher Holzarten.
Nicht die Holzfeuchte u, sondern die Holzausgleichsfeuchte, die sich bei der Lagerung bei gleicher relativer Luftfeuchte j einstellt, muss vor der Verklebung erreicht sein.
3.3 Quellungskoeffizienten längs der Holzfaser: Als weitere Einflussgröße für die Verformung wurde der Quellungskoeffizient h in Längsrichtung genannt. Der Quellungskoeffizient h beschreibt die Änderung des Holzquerschnittes einer bestimmten Holzart, wenn sich die relative Luftfeuchtigkeit um 1 % ändert.
In Tabelle 4 sind beispielhaft für ausgewählte Holzarten die Quellungskoeffizienten h (%/%) bezogen auf die relative Luftfeuchtigkeit angegeben. Bei verschiedenen Holzarten sind dabei die aus der Literatur und aus eigenen Messungen stammenden Minimal- und Maximalwerte sowie die Mittelwerte angegeben.
Die Betrachtung der Quellungskoeffizienten h als Werkstoffkennwerte zeigen, dass wegen der großen Streuung, die unter anderem vom Wuchsgebiet des Holzes abhängt, auch mit einer großen Streuung der Verformung von Profilquerschnitten im Differenzklima gerechnet werden muss. Die Quellungskoeffizienten sind damit die größten Unsicherheitsfaktoren bei der Vorhersage der zu erwartenden Verformung. Es ist deshalb anzuraten, im konkreten Anwendungsfall die Literaturwerte nachzuprüfen.
Die Streuung der Werte ist unter anderem auch dadurch bedingt, dass sie bisher in der Holzverarbeitung wenig gebraucht wurden. In vielen Fällen sind die Werte deshalb auch nicht versuchstechnisch direkt ermittelt, sondern aus der Volumenquellung abgeleitet.
3.4 Unterschiedliche Einflüsse auf die Verformung: Die Bestimmungsgrößen für die Abschätzung der Verformung sind in Bild 5 dargestellt. Ausgegangen wird von den Herstellungsbedingungen. Die darauf folgende Änderung der Luftfeuchtigkeit des Raum- und Außenklimas ist bestimmend für die Verformung. Wesentlichen Einfluss nimmt auch der Quellungskoeffizient, der eine Werkstoffkenngröße ist. Bei Holz als natürlichem Werkstoff unterliegt er sehr starken Schwankungen zwischen verschiedenen Wuchsstandorten.
Für die rechnerische Abschätzung der Verformung im Differenzklima wurden verschiedene Rechenmodelle untersucht, die alle eine gute Übereinstimmung zeigten, so dass mit einem der Modelle weitergerechnet wurde.
In Bild 6, 7 und 8 ist der Verformungsverlauf für verschiedene Ausgangssituationen dargestellt. Aus den Bildern werden die unterschiedlichen Einflüsse wie Profilquerschnitt, Länge der Profile und Profilhöhe deutlich erkennbar.
Die Betrachtung der Quellungskoeffizienten zeigt, dass der Quellungskoeffizient der Außenlamelle einen größeren Einfluss auf das Verformungsverhalten hat als die Quellungskoeffizienten der Innenlamellen. Dies ergibt sich aus Bild 9, welches die Ergebnisse der rechnerischen Untersuchung der verschiedenen Quellungskoeffizienten und der unterschiedlichen Kombinationen zeigt.
4. Grundsätze für die Herstellung
Die Untersuchung hat gezeigt, dass die Verklebung von Profilquerschnitten aus unterschiedlichen Holzarten zu positiven Ergebnissen und damit zur Sicherstellung der Funktion und der Gebrauchstauglichkeit von Fenstern und Außentüren führen kann.
Voraussetzung für den Erfolg ist die Beachtung der Randbedingungen bei der Herstellung der Profilquerschnitte und die richtige Wahl der Holzarten. Die richtige Wahl der Holzarten kann aus Tabelle 1 „Auswahl geeigneter Holzkombinationen für Rahmenprofile an Fenstern und Türen“ entnommen werden.
Die notwendigen Voraussetzungen bei der Herstellung sind in Tabelle 5 zusammengestellt.
Wichtig, wenn auch für die Praxis im Augenblick etwas ungewohnt, ist die Betrachtungsweise der Materialfeuchte, die sich nicht auf die in der Praxis übliche Holzfeuchtigkeit u, sondern auf die Ausgleichsfeuchtigkeit bei gleicher relativer Luftfeuchtigkeit für die zu verklebenden Holzarten bezieht. Eine Ausgleichsfeuchte des Holzes bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 % hat sich nach den durchgeführten Studien als sinnvoll gezeigt.
Bezüglich der Klebstoffe wurden mit den in der Praxis üblichen PVAC-Klebstoffen keine guten Ergebnisse erzielt. Insofern ist es notwendig und ratsam, eine Abstimmung mit dem Klebstoffhersteller zu suchen. Diese Feststellung gilt auch für die Verklebung bei Verwendung gleicher Holzarten. ■
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