Durchbildung und Beanspruchbarkeit von in Holz und Brettschichtholz mittels Laserstrahlung vorgebohrten Schraubenverbindungen - Fortsetzungsprojekt

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Arnold Gillner; Professor Dr.-Ing. Michael Raupach; Professor Dr.-Ing. Martin Trautz
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406036741

Das nachhaltige Bauen mit Holz erfährt durch seinen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz aktuell einen großen Schub insbesondere auch im Bereich des mehrgeschossigen Bauens. Die Fügepunkte und Bauteilstöße erfordern durch die gestiegenen Belastungen häufig die Einbringung von Vollgewindeschrauben zur Verstärkung. Der Einsatz von Vollgewindeschrauben zur Fügung und Verstärkung ist inzwischen auch im aktuellen Eurocode 5, der 2022 in Kraft treten wird, vertreten. Zugleich wird der Einsatz von Vollgewindeschrauben in neuen Anwendungsfelder untersucht, bei dem Vollgewindeschrauben mit besonders großen Einbindelängen (lE = 600 mm und mehr) zum Einsatz kommen. Allerdings wird bisher keine exakte Positionierung der Vollgewindeschrauben erreicht, da aufgrund der inhomogenen Holzstruktur und der langen Einbindelängen ein Verlaufen (Ablenkung) der Schraube auftritt. Ein pyrolytisches Vorbohren mittels Laserstrahlung stellt hier eine geeignete und innovative Lösungsmethode zur exakten Einbringung der Vollgewindeschrauben dar. Die Vorteile des pyrolytischen Vorbohrens gegenüber mechanischem Vorbohren in Bezug auf das geradlinige und positionsgenaue Einbringen von Vollgewindeschrauben in Brettschichtholz konnten im dem aktuellen DFG-Projekt klar herausgearbeitet werden. In dem Vorhaben wurden die geeigneten Prozessparameter für das Bohren tiefer Löcher in Holz und das Wissen um die Ausgestaltung des Laserbohrprozesses erarbeitet. Zugleich wurden die Auswirkungen auf die Holzmatrix infolge des Wärmeeintrages untersucht sowie deren Effekt auf die Verbundfestigkeit zwischen Schraubengewinde und Brettschichtholzmatrix im Rahmen von Pull-Out-Versuchen bestimmt. Es wurden Vorbohrungen mit bis zu 300 mm bei einigermaßen konstantem Bohrquerschnitt mit einem mittleren Durchmesser von 6 mm erreicht. Die Gasentwicklung am Abtragspunkt in größerer Tiefe bewirkt einen stärker karbonisierenden Abbrand im gesamten Bohrkanal, welcher die Verbundfestigkeit der eingebrachten Vollgewindeschrauben nachteilig beeinflussen kann. Dies resultiert aus der stärkeren Aufheizung der Abtragprodukte durch die längere Wechselwirkung mit der Laserstrahlung im Bohrkanal während des Bohrprozesses. Es gilt also die Versorgung des Laserbohrpunktes mit Schutzgas zur Verhinderung von Flammen und die Entsorgung des Bohrpunktes von Abgas aus der Ablation zu verbessern. Für das vorgeschlagene Fortsetzungsprojekt ist deshalb vorgesehen, den Laserbohrvorgang mithilfe einer Sonde mit mindestens einem Doppelquerschnitt für die Zu- und Abfuhr von Schutzgas und Abgasen durchzuführen. Hierdurch kann die Zufuhr eines Schutzgases zum Abtragspunkt verbessert werden und der pyrolytische Abbrand durch die Aufheizung der Abtragprodukte durch die Laserstrahlung minimiert werden. Mithilfe der neu entwickelten Sonde soll in diesem Fortsetzungsprojekt die angestrebte Bohrtiefe auf mindestens 600 mm vergrößert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen