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Verbindungsteil für Holzstäbe
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und Verfahren zum Einbau des Verbindungsteils Herangezogene Druckschriften:
Möhler,Hemmer "Eingeleimte Gewindestangen" Arbeitsgemeinschaft Holz, Folge 6, Mai
81
Die Erfindung betrifft die Verankerung eines Verbindungsteils
in der Stirnfläche von Stäben aus Holz, insbesondere aus gewachsenem oder brettschichtverleimtem
Holz, mit einem in eine achsial gerichtete Bohrung eingeleimten Metallstab sowie
Verfahren zur Herstellung der Verankerung.
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Die Entwicklung auf dem Gebiet der Leime ermöglicht das Einleimen
von Gewindestangen aus Stahl in Holzbauteile, welche zur Herstellung von Anschlüssen
und Stößen herangezogen werden können. Namentlich im Brettschichtholzbau werden
Gewindestangen quer zur Faser des Holzes, aber auch längs eingeleimt. Mit den heute
bekanntesten Resorcinharzleimen gelingt eine sichere Verleimung nur dann, wenn die
Oberfläche des Stahlstabes eine Gewindeprofilierung besitzt mit einer Längsnut von
ca. 7 mm2 Querschnitt, die es ermögli Ilit , daß der überschüssige Leim beim Verleimen
aus der Bohrung austreten kann. Diese Leime ergeben einen hohen Haftverbund nur
dann, wenn die Leimschichtdicke sehr dünn, und die Bohrung im Holz kleiner als der
Gewindeaußendurchmesser ist Vergleiche: Möhler,Hemmer "Eingeleimte Gewindestangen"
Arbeitsgemeinschaft Holz, Folge 6, Mai 81.
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Inzwischen sind auch andere Kunstharzleime mit Erfolg entwickelt worden,
welche unter anderem auch einen hohen Anteil an Feststoffen hoher Härte beinhalten.
Diese Leime sind in der Lage hohe Verbundfestigkeiten auch dann zu bilden, wenn
Hohlräume oder Fugen verfüllt werden müssen, wie z.B. bei einem Spalt zwischen Verbindungselement
und Bohrlochwandung.
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Ein in die Stirnfläche eines brettschichtverleimten Ste'es eingeleimte
Gewindestange bewirkt bei achsialer Beanspruchung Spaltzugkräfte im Holzquerschnitt.
Deshalb müssen die Querschnitte des Gewindestabs bzw. dessen Beanspruchung auf den
Querschnitt des Holzes abgestimmt werden. Nach den einschlägigen technischen Empfehlungen
muß ein Randabstand von mindestens 4 d eingehalten werden, wenn als d der Durchmesser
des Gewindestab bezeichnet wird. Auch ist die Einleimlänge nicht
frei
wählbar. Man muß im Minimum eine Einleimlänge von 10 d einhalten und kann eine Einleimlänge
von höchstens 20 d zur Lastübertragung ausnutzen. Maßgebend für die Lastabtragung
ist die Verbundfestigkeit des Holzes. Sie erfordert in der Regel so große Leimflächen,
daß die Einleimlänge des Gewindestabs größer als 20 d wird. Die Mantelfläche des
Gewindestabs von 20 d Einleimlänge reicht in der Regel nicht aus, die Last des Stabs
einzuleiten.
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Die vom Holzquerschnitt 4d x 4d aufnehmbare Zug- oder Drucklast kann
über einen in die Stirnfläche eingeleimten Gewindebolzen nicht übertragen werden,
weil letzten Endes die Leimflächen als Mantelfläche der zylindrischen Bohrung nicht
groß genug gewählt werden kann. Dies bedeutet eine unwirtschaftliche Nutzung der
Materialeigenschaften von Holz und Stahl.
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Gewindestangen in die Stirnfläche von Holzstäben einzuleimen erlauben
keine optimale Ausnutzung beider Werkstoffe.
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Man könnte sich vorstellen, die Stirnfläche beispielsweise durch einen
kreuzförmigen Schlitz aufzuschlitzen, um in den Sägeschnittschlitzen speziell geformte
Metallstücke einzuleimen, die in der Summe größere Leimflächen als der reine Rundstab
besitzen. Da Holz jedoch inneren Spannungen unterliegt, muß damit gerechnet werden,
daß durch das Auftrennen des Stabendes ein Verzug entsteht, wodurch das Einleimen
erheblich erschwert würde. Ganz abgesehen davon, würden die Spaltkräfte nicht verringert,
sondern nur vergrößert werden.
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Man würde folglich wiederum mit einem sehr ungünstigen Verhältnis
-von Metallquerschnitt zu Holzquerschnitt arbeiten.
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Abgesehen davon, würde das Einleimen derartig geformter Teile mit
erheblichen Schwierigkeiten verbunden sein. Es ist kaum vorstellbar, daß auf diesem
Wege ein wirtschaftlicher Einbau der Verbindungsmittel zu erzielen ist.
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Gewindebolzen werden heute fast ausschließlich in brettschichtverleimte
Stäbe eingeleimt. In gewachsenem Holz, wie z.B. Rundholz, sind derartige Einleimungen
nur bedingt möglich,
weil das Schwinden des Holzes einen Verlust
der Verbundfestigkeit bewirkt, wenn sich radiale Schwindrisse einstellen. Die Spaltfestigkeit
von gewachsenem Holz ist auch wesentlich geringer als die von verleimtem Holz. Daher
würde eine in die Stirnfläche von gewachsenem Holz eingeleimte Gewindestange nur
mit sehr geringer Belastung beansprucht werden können.
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Bei gewachsenen Rundhölzern, deren Gefügedichte vom Querschnittsmittelpunkt
zum Rand ansteigt, kommt es ferner darauf an, daß die Verleimung im höherfesten
Randbereich ausgeführt wird. Ein im Kern eingeleimter Gewindestab würde aufgrund
der geringen Scherfestigkeit des Kernholzes ebenfalls nur geringe Lasten übertragen
können.
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Die Erfindung hat sich nunmehr zur Aufgabe gemacht, die Nachteile
der eingeleimten Gewindestange zu beseitigen, bei kürzerer Einleimlänge höhere Lasten
zu übertragen und die auftretenden Spaltzugkräfte im Holzquerschnitt zu reduzieren.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Bohrung
und der Metallstab ringförmigen Querschnitt haben. Die Verleimung des Metall stabs
findet in der Ringnut sowohl auf der inneren Bohrungswand, als auch auf der äußeren
statt. Es steht somit eine weit größere Leimfläche zur Verfügung, welche die vom
Metallstab übertragbare Last bei kürzerer Einbindelänge in den Holzquerschnitt eingeleitet
werden kann, als vergleichsweise bei einem Metallvollstab.
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Es gelingt, mit Hilfe der mehrschichtigen Verleimung in (er Ringnut
die äußere Last besser auf den Holzquerschnitt viteilt einzuleiten. Darüberhinaus
bewirkt der Ringquerschnitt des Metallstabs eine Umschnürung des Holzquerschnitts
innerhalb des Ringes. Spaltkräfte treten nur mehr im außerhalb des Rings liegenden
Holz auf
Ein wesentlicher Nachteil der eingeleimten Gewindestange
wird durch die Ringbewehrung beseitigt, und dadurch eine wirtschaftlichere Nutzung
ermöglicht. Die Verankerung der Verbindungsteile von dünnwandigem Querschnitt in
den Stirnflächen von Holzstäben führen nur zu einer minimierten Holzquerschnittschwächung.
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Stahl- und Holzquerschnitt lassen sich entsprechend der jeweiligen,
zu kombinierenden Festigkeiten des Stahls und Holzes besser aufeinander abstimmen.
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Gemäß der besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist zum Einbringen
des Leimes in die schmale, schlanke Ringnut ein eigener Leimzuführungskanal vorgesehen.
Bei Ringdurchmesser von mehr als 2 cm sieht die Erfindung ferner vor, daß entsprechend
der Viskosität des Leims mehrere Leimzuführungskanäle vorhanden sind.
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Die Anordnung der Kanäle richtet sich von Fall zu Fall nach den Erfordernissen.
So mag in der Regel der Kanal horizontal, in Sonderfällen jedoch auch geneigt von
unten nach oben von der Oberfläche des Holzquerschnitts aus zum Bohrungstiefsten
hin angeordnet werden. Auch Zuführungskanäle in Form kreisrunder Bohrungen parallel
zur inneren oder äußeren Mantelfläche der Ringnut von der Stirnfläche des Holzstabs
aus können sich als zweckmäßig erweisen.
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Von besonderem Vorteil ist die Ausschmückung der Erfindung, die vorsieht,
daß der Leimzuführungskanal gegen Wiederaustritt des Leims abgedichtet wird. Namentlich
bei Verwendung eines hohlraumfüllenden, mit harten Zuschlägen ausgestatteten Leimes,
baut sich dann bei einem Überschuß an Leim bei kleinen Leimspaltdicken ein hydrostatischer
Druck auf, wenn der Metallstab eingepreßt wird, der in vorteilhafter Weise dazu
führt, daß der Leim in die Oberflächen der Ringnut eingearbeitet wird. Es kann dabei
sogar erreicht werden, daß infolge der Röhrchenstruktur des Holzes Leim in das Holzgefüge
eindringt und zu einer Verfestigung des Holzes beiträgt.
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In vorteilhafter Weise ermöglicht eine weitere Ausbildung der Erfindung
den Austritt von Luft oder Gasen, wenn die Abdichtung des Leimkanals mit einem Diaphragma
ähnlichem Material vorgenommen wird.
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Die Erfindung sieht in einer weiteren Ausgestaltung vor, daß die Mantelflächen
des Metallstabs Leimnuten besitzen, für den Fall, daß der jeweilige Leim dies erfordert.
Dies wird sich vor allen Dingen dann als zweckmäßig erweisen, wenn die Wanddicke
des Metallstabs gleich oder größer als die Breite der Nut ist, was in einem Unteranspruch
der Erfindung vorgesehen ist.
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Weitere Ausschmückungen der Erfindung sehen vor, daß bei Verwendung
von Leim mit hohem Feststoffanteil u Profilierung der Manteloberflächen des Metall
stabs die Leimfuge flaschenförmig zum Bohrlochtiefsten hin vergrößert wird, durch
Komprimierung des Holzgefüges oder durch Abtrag von Holzbestandteilen. Der besondere
Vorteil einer derartigen Ausführung besteht darin, daß der Leim mit einer Festigkeit,
die zwischen der Festigkeit des Metalls und des Holzes liegt, quasi eine Verdickung
des Metallstabendes herstellt, mit der Wirkung, daß ein zusätzlicher Formschluß
der Verankerung entsteht. Man erreicht auf diese Weise nicht nur einen innigen Verbund
über die Leimung, sondern durch den Formschluß eine Art Verzahnung des Metallstabs.
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Der Überschußleim bildet zur Oberfläche des Metall stabs einen höherwertigen
Verbund, so daß der Leim im ausgehärteten Zustand gleichsam eine nachträgliche Verdickung
des Metallstabs im Bohrlochtiefsten darstellt.
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Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist namentlich für
gewachsenes Rundholz, insbesondere mit einem Gefügedichteanstieg zur Randzone, eine
außenliegende Umschnürung, das die Spaltung verhindert, vorgesehen. Diese Umschnürung
ist sowohl aus metallischen, als auch nich+n^etallischen Materialien ausführbar,
in
Sonderfällen kommen Manschetten oder Schellen in Frage.
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Besonders vorteilhaft ist bei Rundhölzern mit Standardabmessungen
im Durchmesser das Aufziehen eines Bundringes vorgesehen, der mit Hilfe des Leimes
fixiert werden kann.
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Man wird hierzu dem spaltfüllenden Leim den Vorzug geben, um eine
satte Abstützung des Holzes auf dem ganzen Umfang zu erzielen.
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Die Erfindung hat sich ferner zur Aufgabe gemacht, das Verfahren zum
Einleimen eines im Querschnitt ringförmigen Metallstabs zeitsparend, sicher und
wirtschaftlich auszuführen.
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Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß mindestens ein Leimzuführkanal
bis zum Tiefen der Bohrung erstellt wird und daß durch den Leimzuführkanal der Leim
von unten in die Bohrung eingepreßt wird. Gemäß der Erfindung wird bei der aufgezeigten
Vorgehensweise errreicht, daß die schlanke, schmale Ringnut mit Leim verfüllt wird,
ohne daß Luft eingeschlossen wird. Die Luft kann zur Stirnfläche des Holzstabs hin
entweichen. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß zu nächst die Ringnut mit Leim
verfüllt ist, um beim anschliessenden Eindrücken und Eindrehen des Metall stabs
die Mantelflächen allseitig vom Leim benetzt und der Leim in die Bohrungswandungen
eingearbeitet wird. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine, den statischen
Erfordernissen einer mehrschichtigen Verleimung gleichkommenden Verleimung in einem
Arbeitsschritt zu erzielen.
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Zieht man zur Verleimung solche ansich bekannte Leime heran, die ihre
Reaktionskomponente inkorporiert mikroverkapselt enthalten, so wird beim Eindrehen
des Metallstabs eine Zerstörung der Mikrokapseln ausgelöst und die Härtung sogleich
in Gang gesetzt. Die Aushärtung des Leims findet je nach Temperatur dann in einer
Zeitspanne von 30 Minuten bis zu 2 Std.
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statt. Damit ist ein zeitsparender Einbau möglich, ohne zusätzliche
Maßnahmen
wie Trocknen des Holzes, Pressen der Verleimung, Erwärmung, mehrere Tage dauernde
Lagerung bis zur vollständigen Aushärtung.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung läßt sich der Überschußleim
mit inkorporierten Feststoffen dazu verwenden, daß im Bereich des Tiefsten die Bohrungswände
abgetragen bzw.
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verdrängt werden, einerseits durch den Aufbau eines hydrostatischen
Drucks im Leim, andererseits aber auch durch den Abtrag von Holz. Dies führt dazu,
daß der Metallstab eine Verdickung im Bohrlochtiefsten erfährt, weil der Leim im
abgebundenen Zustand wie eine Aufpfropfung auf das Metall wirksam wird. Auf die
besonderen Vorteile dieses Verfahrens wurde schon bei den Sachansprüchen eingegangen.
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Das Verfahren des Einleimens läßt sich nach einer weiteren Ausbildung
der Erfindung dahingehend vorteilhaft vereinfachen, daß der Metallstab eingeschlagen
und zwischendurch gedreht wird. Bei einer Serienfabrikation wird man sich in der
Regel jedoch darauf einrichten, den Metallstab einzudrehen mit Hilfe einer geeigneten
Vorrichtung, die sich am Stabkopf anbringen läßt.
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Zusätzliche Einrichtungen oder Ausgestaltungen des freien, nicht verleimten
Metallstabendes zum leichteren Fassen und Drehen bei der Durchführung des Verfahrens
sind von Fall zu Fall zweckmäßig und richten sich nach den Durchmessern des Metallstabs,
ebenso wie nach der Art und Größe der verwendeten Vorrichtungen.
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Verankerungen nach der Erfindung lassen sich in idealer We se an die
jeweiligen Erfordernisse anpassen dadurch, daß der Durchmesser des Metallstabs so
gewählt wird, wie es die jeweiligen Umstände erfordern. Aus dem Blickpunkt der möglichst
gleichmäßigen Eintragung der Lasten in den Holzstab empfiehlt sich allerdings, den
Durchmesser des Metallstab dahingehend zu optimieren, da2 uer Querschnitt innerhalb
des
Ringes größer ist, als der außerhalb des Ringes liegende Holzquerschnitt.
Dies ergibt sich aus der Überlegung, daß der innerhalb des Ringes liegende Holzquerschnitt
durch die Umschnürungswirkung des Metallstabs eine relativ höhere Last abzutragen
vermag, als der restliche Holzquerschnitt.
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Läßt es die jeweilige Holzart wegen der Gefügestruktur zweckmäßig
erscheinen, die Verleimung möglichst an den Randzonen vorzunehmen, wo die höhere
Holzfestigkeit zur Verfügung steht, dann ist, wie nach der Erfindung vorgesehen,
der außerhalb des Ringquerschnitts liegende Restholzquerschnitt wesentlich kleiner
und nur dann in der Lage noch mehrschnittig Lasten abzutragen, wenn durch eine angelegte
zusätzliche äußere Umschnürung das Aufspalten verhindert wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Zeichnungen von Ausführungsbeispielen
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch das Holzstabende mit eingeleimtem
Metallstab von ringförmigem Querschnitt mit von unten nach oben ansteigenden Leimzuführungskanal;
Fig. 2 einen Schnitt durch das Holzstabende mit eingeleimtem Metallstab von ringförmigem
Querschnitt, horizontalem Leimzuführungskanal und Verdickung der Leimfuge im Bereich
des Bohrlochtiefsten; Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie I-I der Fig.
2; Fig. 4 einen Schnitt durch das Ende eines Holzstabs von rundem Querschnitt mit
eingeleimtem Metallstab von ringförmigem Querschnitt nahe am Außenrand des Holzstabs,
der einen zusätzlich angeleimten Bundring aufweist.
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In Fig. 1 ist der Metallstab von ringförmigem Querschnitt so eingeleimt,
daß die außerhalb der Ringnut liegende Holzquerschnittfläche größer ist als die
Kernfläche. Der Metallstab 1 besitzt am äußeren Ende eine Querbohrung 2 für einen
Steckbolzen, einen Niet oder eine Schraube. Der Metallstab
ist
auf der äußeren Mantel fläche 3 und der inneren Mantelfläche 4 voll verleimt. Der
Leimzuführkanal 5 ist hier geneigt angeordnet und mit einem Rundstück 6 abgedichtet.
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In Fig. 2 besitzt der eingeleimte Metallstab 1 ein innenliegendes
Gewinde 7, in das eine Schraube eingeschraubt werden kann. Der Leimzuführkanal 5
ist horizontal angeordnet und mit einem Rundstück 6 abgedichtet. Die Leimfuge 8
ist zum Bohrlochtiefsten hin ausgebaucht.
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In Fig. 3 ist der Querschnitt I-I aus Fig. 2 jedoch ohne Metallstab,
mit der innerhalb der Ringnut 9 liegenden Kernfläche K und der außerhalb der Ringnut
liegenden Fläche A eines quadratischen, -verleimten Brettschichtholzstabes dargestellt.
Im Regelfall wird das Verhältnis der Y fläche K zu Restfläche A größer als 1 angestrebt.
Bei Hölzern geringer Spaltzugfestigkeit kann es erforderlich werden, das Verhältnis
kleiner 1 zu wählen.
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In Fig. 4 ist der Schnitt durch das Stabende eines kreisrunden, gewachsenen
Holzstabs 10 dargestellt mit dem eingeleimten Metallstab 1, dessen Durchmesser nur
wenig geringer ist als der Durchmesser des Holzstabs. Das Verhältnis der Stabkernfläche
innerhalb der Ringnut zur außerhalb der Ringnut liegenden Restquerschnittsfläche
ist wesentlich größer.
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Auf den Holzstab ist ein Bundring 11 aufgezogen und mit spaltfüllendem
Leim 12 mit der Holzoberfläche verleimt.
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Eine derartige Anordnung wird man vor allem dann wählen, wenn das
Holzgefüge eine Dichtekonzentration am Rand des Rundstabs besitzt.
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In der Fig. 4 sind diametral gegenüberliegend zwei Leimzuführkanäle
5 dargestellt. Sie erweisen sich als erforderlich, wenn die Leimverteilung von einem
Zuführkanal aus nicht mehr sichergestellt ist.
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Die Ausgestaltung des nicht verleimten Metallstabendes richtet sich
je nach Verwendungszweck und kann, wie in den Fig. 1 bis 4 beispielhaft dargestellt,
sehr verschieden sein. In einem Fall erweist sich ein Außengewinde als zweckmäßig,
im anderen Fall ein Schlitz mit einer Bohrung für eine Steckverbindung, oder Schraube,
oder ein Innengewinde zum Einschrauben eines Bolzens. Die angeführten Beispiele
geben nur andeutungsweise einen Abriß der Vielfalt der Möglichkeiten.