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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
verstärkten
Holzbalkens und einen durch Implementierung eines solchen Verfahrens
erhaltenen verstärkten
Holzbalken.
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Balken,
die mit verschiedenen Materialien, wie z. B. Metallschichten, Fasern,
Stahlstangen oder Plastikschichten und ähnlichem, verstärkt sind,
wurden bereits vorgeschlagen und haben sich, obwohl einige Verbesserungen
bei der Balkenleistung bereitgestellt werden, angesichts entweder
ihrer industriellen Herstellung oder ihrer tatsächlichen Leistung vor Ort als
nicht vollständig
zufriedenstellend herausgestellt.
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US-A-4,615,163
offenbart einen Holzbalken, der mit einer oder mehreren sich längs erstreckenden Rinnen
bzw. Rillen einer vorbestimmten Tiefe ausgebildet ist, von denen
jede ausgelegt ist, darin jeweils eine nicht metallische verstärkte Stange
aufzunehmen, die mittels Kleber innerhalb der Rinne befestigt ist,
wodurch die ultimative Stärke
des Holzbalkens erhöht
wird.
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US-A-5,050,366
offenbart einen Holzbalken mit laminierter Struktur, der eine Metallstange
mit einem Ende mit Gewinde, eine Buchse, die auf die Metallstange
geschraubt ist und mit der Metallstange als Ganzes in einer Aufnahmerinne
verklebt ist, und eine Verlängerung
außerhalb
des Balkens in Eingriff mit der Buchse umfasst.
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Die
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum
Herstellen eines verstärkten,
geschichteten Balkens vorzusehen, der in einem industriellen Umfang
mittels Standardproduktionsvorgängen
hergestellt werden kann und der einen verstärkten Holzbalken höherer Leistung
sowohl hinsichtlich seiner Steifigkeit als auch Stärke darstellt.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zum Herstellen von verstärkten
Balken sowohl des geschichteten als auch des Holzkerntyps zu schaffen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dass das Verfahren
auch auf bereits eingebaute Holzkernbalken angewendet werden kann, so
dass eine Restaurierung oder Erneuerung eines alten Balkens in alten
Gebäuden
ausgeführt
werden kann.
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Nicht
zuletzt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Herstellen von verstärkten
Holzbalken auf eine relativ einfache und schnelle Weise zu ermöglichen,
das auch von einem wirtschaftlichen Standpunkt aus gesehen wettbewerbsfähig ist.
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Diese
und weitere Aufgaben, die unten besser erläutert werden, werden gemäß der vorliegenden
Erfindung durch ein Verfahren zum Herstellen von verstärkten Holzbalken
erzielt, wobei das Verfahren der Reihe nach die folgenden Schritte
aufweist:
- – Längsfräsen eines
fertigen Balkens oder eines unbearbeiteten Balkens oder zumindest
eines Bretts, das ausgestaltet ist, bei der Herstellung eines geschichteten
Balkens verwendet zu werden, wodurch zumindest eine gefräste Längsrinne
oder Längsnut
erhalten wird, die sich über
die gesamte Länge
des Balkens oder Bretts hinweg erstreckt,
- – Einlegen
einer Metallstange (7) oder einer Stange aus einem anderen
geeigneten Material, die eine Größe aufweist,
die geringer als die Tiefe ihrer jeweiligen Nut oder Rinne (3, 4)
ist,
- – Füllen zumindest
eines Endteils jeder gefrästen Rinne
mit einem geeigneten Verschlussmaterial, das zumindest einen Endteil
der Stange (7) umgibt,
- – Gießen eines
Klebematerials in jede gefräste Rinne
oder Nut, so dass die Stange (7) in dem Klebematerial eingebettet
ist und dass zumindest ein Endteil davon von dem Verschlussmaterial umgeben
ist, und
- – Entfernen
des Verschlussmaterials von dem zumindest einen Endteil der Stange,
nachdem sich das Klebematerial gesetzt hat, wodurch zumindest der
eine Endteil der Stange frei wird.
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Vorteilhafterweise
wird, nachdem das gegossene Klebematerial getrocknet ist, eine Einebnung ausgeführt, um
jegliches überschüssiges Klebematerial
zu entfernen, und die eingeebnete Oberfläche wird mit einem Abdeckbrett
abgedeckt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend detaillierter in Verbindung mit einigen
Ausführungsformen
davon, die lediglich im Wege nicht beschränkender Beispiele angegeben
sind, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden, in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht von zwei Endabschnitten eines Bretts für einen
geschichteten Balken mit gefrästen
Rinnen zeigt, die darin ausgebildet sind und sich über die
Zwischenlänge
des Bretts erstrecken, aber kurz vor den zwei Enden des Bretts enden,
wodurch sie eine Mulde begrenzen, wobei eine der Nuten eine Metallstange
in einem spiralförmigen
Abstandhalter aufnimmt, der in einem Klebematerial eingebettet ist;
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2 und 3 jeweils
einen Längsquerschnitt
entlang einer Linie II-II bzw. III-III der 1 jeweils
bei einer freien und einer verstärkten,
gefrästen Nut
zeigen;
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4 eine
teilweise perspektivische Ansicht eines Komponentenbretts eines
geschichteten Balkens auf einer Seite darstellt, aus der ein Paar
Längsrinnen
oder Nuten heraus gefräst
wurde, wobei eine Nut mit Klebematerial gefüllt ist und eine Metallverstärkungsstange
aufnimmt;
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5 einen
Längsschnitt
des Bretts in 1 bei einer gefrästen Rinne
zeigt, die eine Verstärkungsstange
und Klebematerial beinhaltet:
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6 eine
Längsschnittansicht
darstellt, die eine Variante der 4 zeigt,
bei der die Metallverstärkungsstange
in eine Anzahl von Abstandshülsen eingefügt ist;
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7 halb
in einer perspektivischen Ansicht und halb in einem Querschnitt
eine Abstandshülse mit
vergrößertem Maßstab hinsichtlich
der 6 zeigt;
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8 eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung zeigt, bei der die Enden der Verstärkungsstangen aus ihrem Aufnahmebrett
durch Verlängerungsstifte
mit Gewinde vorstehen;
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9 eine
Ansicht mit Teilen im Querschnitt darstellt, die eine Gewindekopplung
zwischen einer Metallstange und einem Verlängerungsstift zeigt;
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10 eine
diagrammartige, perspektivische Ansicht eines geschichteten Balkens
mit zwei gegenüberliegenden,
geschichteten Brettern gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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11 ein
gekrümmtes,
geschichtetes Brett zeigt, das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
zum Erhalten von nicht-geraden Balken verstärkt ist; und
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12 ein
Diagramm darstellt, das geschätzte
und tatsächliche
Werte des Koeffizienten des Elastizitätsmoduls E von nicht-verstärkten geschichteten
Balken und Balken zeigt, die auf verschiedene Arten und Weisen gemäß der vorliegenden
Erfindung verstärkt
sind, wobei die effektiven, theoretischen und tatsächlichen
Koeffizienten des Elastizitätsmoduls
von geschichteten 12 × 23
cm nicht-verstärkten,
mit runden Stangen 1 + 1 ⌀14,
2 + 2 ⌀14,
3 + 3 ⌀14,
2 ⌀14
+ 2 ⌀20
und mit runden Stangen CFRP 2 + 2 ⌀7,5 verstärkten Holzbalken jeweils in
Ordinaten angegeben sind, wohingegen der Querschnitt der verschiedenen
Balkentypen oben gezeigt ist.
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Gleiche
Bezugsziffern wurden für
die gleichen oder ähnliche
Komponenten in den verschiedenen Figuren der Zeichnungen verwendet.
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Bezug
nehmend auf 1 bis 7 ist festzustellen,
dass ein Brett 1, das konstruiert ist, um als eine Komponente
eines geschichteten Balkens verwendet zu werden, tatsächlich länger als
der fertige, geschichtete Balken ist, der herzustellen ist, und
eine Dicke aufweist, die z. B. von 35 bis 42 mm reicht. Ein Brett 1 wird
im Allgemeinen nicht aus einem einzigen Stück gemacht werden, sondern,
wie es im Stand der Technik bekannt ist, wird Kammverbindungen zu
einem oder mehreren Brettern aufweisen.
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Eine
Ebene wird verwendet, um eine Oberfläche 2 des Bretts einzuebnen,
wobei eine Einebnung über
die gesamte Länge
ausgeführt
wird, um eine Dicke von z. B. 33 oder 40 mm zu erhalten. Zwei parallele
Nuten oder Rinnen 3 und 4 werden anschließend gefräst. Bis
dahin ist das Brett 1 in einer Fräsmaschine mit einer zylindrischen
Schneideinrichtung angeordnet, die eine Dicke aufweist, die gleich
der zu fräsenden
Rinne ist, während
ihre Tiefe durch Einstellen der Fräsmaschine bestimmt ist, wobei
die zuvor eingeebnete Oberfläche 2 als
Referenz genommen wird. Die Fräsmaschine
ist natürlich
so angeordnet, dass die Achse jeder gefrästen Rinne mit einem vorgegebenen
Abstand (z. B. 30 mm) zu dem Rand angeordnet ist. Die Breite und
Tiefe der Fräsung
sind wichtige Parameter auch in Bezug auf andere Faktoren, wie es
nachfolgend erläutert
werden wird.
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Die
gefrästen
Rinnen 3 und 4 begrenzen eine Mulde und haben
einen Einfluss auf einen wesentlichen Teil der Länge des Bretts 1,
während
sie einen „freien", nicht gefrästen Teil 2 bei
den Enden lassen, wie es in 1 bis 3 veranschaulicht
ist. In diesem Fall sind die gefrästen Rinnen oder Nuten 3 und 4 nicht
zu sehen, wohingegen, wenn sich die gefrästen Rinnen 3 und 4 über die
gesamte Länge des
Bretts erstrecken, wie es in 4 und 5 gezeigt
ist, die Rinnenenden mittels Silikonverschlüssen 6, wie sie nachfolgend
beschrieben werden, verschlossen werden können.
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Die
gefrästen
Rinnen 3 und 4 werden dann vorbereitet, vorzugsweise
mit Druckluftstrahlen gereinigt, und, falls nötig, mit Silikonverschlüssen an den
Enden 6 versehen, und dann wird eine Stange 7, die
z. B. aus Stahl (wie z. B. Fe B 44k), Aluminium oder einer Faser,
wie z. B. Kohlenstofffaser, Glasfaser oder Ähnlichem, hergestellt ist,
in jede der gefrästen
Rinnen oder Nuten 3 und 4 platziert. Eine gewisse
Vorsicht ist beim Einlegen der Stangen 7 erforderlich,
da sie über
ihre Länge
hinweg geradlinig ohne Erhebungen, sowohl ohne seitliche Erhebungen,
um einen Kontakt mit den Seitenwänden
der gefrästen Rinne
zu vermeiden, als auch ohne vertikale Erhebungen, die ein Überfließen bei
der folgenden Klebestufe verursachen könnten, eingelegt werden müssen. Außerdem müssen die
Abmessungen der Stangen (Größe oder
Durchmesser) kleiner als die Tiefe und Breite der gefrästen Rinnen
oder Nuten 3 und 4 sein.
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Die
Einfügung
der Stangen in die gefrästen Rinnen 3 und 4 wird
vorzugsweise ausgeführt,
indem sie zuerst bei der halben Länge der gefrästen Rinnen eingelegt
werden und anschließend
schrittweise in Richtung der Rinnenenden verschoben werden, um eine
bessere Verteilung des Klebematerials zu erreichen, während ein
Spalt zwischen dem Ende der Stange und dem Ende des Bretts 1 gelassen
wird, dessen Länge
der Länge
einer freien Fläche 5 oder eines
Silikonverschlusses 6 entspricht, um so einen bearbeitbaren
Abschnitt bei den Enden des Bretts 1, d. h. des fertigen
Balkens, zu lassen.
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Vorteilhafterweise
können
für die
Stange, um sie besser in dem Holz zu lokalisieren, geeignete Abstandshalter,
wie z. B. eine oder mehrere Spiralen 9 (1),
die sich um die Stange winden, oder Abstandshülsen 9a (6)
verwendet werden, die beabstandet voneinander entlang jeder Stange 7 angeordnet
sind.
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Vorzugsweise
wird eine Schicht Klebematerial (klebend) in die gefrästen Rinnen 3 und 4 gegossen,
bevor die Stangen 7 hineingelegt werden, wobei das Klebematerial
einen vorgegebenen Prozentsatz des Rinnenvolumens abzüglich dem
Volumen der Stange einnimmt. Das Klebematerial wird direkt aus seinem
Behälter
oder durch Injektion unter Verwendung einer geeigneten Pistole oder
Spritze gegossen.
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Das
angenommene Klebematerial ist ein geeigneter struktureller Klebstoff,
wie z. B. ein Zweikomponenten-Epoxidharzkleber oder ein anderes geeignetes
Klebematerial.
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Folglich
wird bevorzugterweise eine Abschlussoperation ausgeführt, die
ein Auffüllen
des Klebematerials aufweist, um so eine gleichförmige obere Oberfläche zu erhalten,
wobei das Klebematerial eine obere Oberfläche aufweist, die leicht niedriger
ist als die äußere Oberfläche des
Bretts 1. Der kleine Höhenunterschied
zwischen der Oberfläche des
Bretts und der des Klebematerials kann eliminiert werden, wenn das
Klebematerial sich gesetzt hat oder auf jeden Fall eine solche Konsistenz erreicht hat,
dass es maschinell bearbeitet werden kann. Dann wird ein Abschlussschnitt
mittels einer Ebene ausgeführt,
um ungefähr
1 mm eines oberen Oberflächenmaterials
zu entfernen, um eine flache obere Oberfläche des Bretts 1 zu
erhalten, während
zur gleichen Zeit jeglicher Dreck entfernt wird, der sich fast unausweichlich
während
des Arbeitens ansammelt.
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Falls
erforderlich, kann eine Einebnungsoperation auch auf der gegenüberliegenden
Oberfläche des
Bretts 1 ausgeführt
werden, bevor das (geschichtete) Brett dem Produktionsprozess für geschichtete Balken
zurückgeführt wird.
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Das
Brett 1 sollte auf jeden Fall in dem äußeren Teil eines geschichteten
Balkens als Endbrett oder Planke oder sollte auf jeden Fall nahe
zu einer äußeren Oberfläche angeordnet
werden, z. B. als zweite oder dritte geschichtete Komponente. Vorzugsweise
wird der fertige, geschichtete Balken zwei verstärkte Bretter 1 umfassen:
eines befindet sich bei der Seite, die dazu ausgelegt ist, bei Verwendung
als obere Oberfläche
zu fungieren, und die andere bei der unteren Oberfläche davon.
Soweit es den Klebevorgang der Bretter oder von laminaren Komponenten
betrifft, kann man ohne Probleme auf herkömmliche Weise in Bezug auf
nicht-verstärkte
Bretter oder laminare Komponenten fortfahren.
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Sollten
Verschlüsse 6 vorgesehen
werden, werden diese bei dem Kopf an beiden Enden des geschichteten
Bretts zu sehen sein. Dies ist jedoch kein Problem, da Silikon genau
so wie ein Stück
Holz bearbeitet werden kann.
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6 bis 10 zeigen
eine spezifische Ausführungsform,
bei der sich die Stangen 7 über das Brett 1 und
somit über
die Enden eines fertigen, geschichteten Balkens 10 hinaus
erstrecken.
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Auf
einen ersten Blick wäre
die einfachste Lösung,
Stangen 7 zu verwenden, die länger als ihr jeweiliges Brett
(geschichtete Komponente) 1 sind. Eine solche Lösung kann
jedoch auf Grund mehrerer Gründe
nicht angenommen werden. Als erstes würde die Präsenz der Enden der Metallstangen 7 es
unmöglich
machen, den Balken 10 zu verblenden, z. B. um ihn in Übereinstimmung
mit der Produktion flacher Endoberflächen zu dimensionieren. Es
sollte festgestellt werden, dass tatsächlich die Länge des Bretts 1 üblicherweise
leicht größer als
seine nominelle Länge
ist und dass andererseits die Bretter oder die geschichteten Komponenten 1 einander
nicht perfekt gleichen. Zweitens wäre es nicht möglich, den Endteil
eines fertigen Balkens 10 mit Standardwerkzeugen zu fräsen, was
aber sowohl aus strukturellen als auch ästhetischen Gründen erforderlich
ist.
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Somit
ist es nicht notwendig, ein geeignetes Spiel bei jedem Ende ohne
Stange vorzusehen, um es zu ermöglichen,
die oben erwähnten
Operationen auf eine ökonomische
Weise auszuführen.
Andererseits müssen
sich die Stangen 7 in einigen Fällen auf signifikante Weise über die
Länge des
Balkens 10 erstrecken, d. h. über die Endabschnitte, um es
zu ermöglichen,
eine saubere Verbindung mittels Schrauben, Gegenplatten oder Ähnlichem
zu einer Verbindung zu bewirken, die zum Erzielen dieses Zwecks konstruiert
ist.
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Diesbezüglich zielt
die vorliegende Erfindung darauf ab, die Verwendung von Stangen 7 mit
Abschnitten mit Gewinde 7a zumindest an ihren Enden zu
ermöglichen,
um sie so mit einer jeweiligen Buchse 12 mit Gewinde in
Eingriff zu bringen, die mit der Stange verwendet werden kann, indem
die Silikonverschlüsse 6 entfernt
werden, wenn der geschichtete Balken 10 fertiggestellt
ist.
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Natürlich darf
die Dicke der Buchse 12 mit Gewinde keinen größeren Durchmesser
als die Breite der gefrästen
Rinnen 3 und 4 haben, es sei denn ein geeigneter
Aufnahmesitz für
die Buchse 12 wird mit einer Breite vorgesehen, die größer als
die ihrer jeweils gefrästen
Rinne ist.
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Eine
Länge einer
Stange mit Gewinde oder eines Stifts 7b, die/der aus dem
Brett 1 vorsteht und eine solide Verlängerung zu der inneren Stange 7 bildet,
kann in die Buchse 12 mit Gewinde eingefügt werden.
Andererseits resultiert die Tatsache, dass die Stifte 7b mit
Gewinde entfernbar sind, in einer größeren Anwendungsvielfalt.
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11 zeigt
ein verstärktes
Brett 15 gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem auf gewöhnliche
Weise gekrümmten
Umriss.
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Aus
ausgeführten
Biegungstests für
Werte von Elastizitätskoeffizienten
E wurden Werte erhalten, die zusammen mit den geschätzten Werten
eines Elastizitätskoeffizienten
E von 11,000 N/mm2 gemäß Standardvorgaben in 12 gezeigt
sind, wobei bemerkenswerte Erhöhungen
bei dem Elastizitätskoeffizienten
eines auf verschiedene Weisen verstärkten, geschichteten Balkens
gemäß der vorliegenden
Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen (nicht
verstärkten)
Balken gezeigt sind.
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Das
oben beschriebene Balkenverstärkungsverfahren
kann auch auf einen Balken angewendet werden, der sich bereits vor
Ort in einem Gebäude,
wie zum Beispiel bei Restaurationsarbeiten, befindet, indem eine
oder mehrere Längsrinnen 3, 4 entlang
des Balkens gefräst
werden und Verstärkungsstangen 7 eingefügt werden,
die in einem Klebematerial eingebettet werden, und, falls gewünscht, indem
eine Abdeckung aus einem Holzstreifen oder ein Deckbrett vorgesehen
wird.
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Die
oben beschriebene Erfindung ist zahlreichen Modifikationen und Variationen
zugänglich,
die innerhalb des Schutzumfangs liegen, wie er durch die Ansprüche definiert
wird.