[0001] Die Erfindung betrifft ein Konstruktionselement mit einem Holz- und einem Kunststoffteil.
[0002] Aus dem DE-GM 89 09 880 ist ein Konstruktionselement aus einem Holzstab bekannt,
der an einer Stirnseite mit Zinken versehen ist, nachstehend Zinkung genannt. Zwischen
den Zinkungen sind Bohrungen angeordnet, über die Tiefe der Zinkung hinausgehend,
in die Tiefe des Holzteiles des Elementes eindringend, zur Aufnahme von Bewehrungsstäben,
die erforderlich sind zur Herstellung einer sicheren Verbindung zwischen Kunststoffteil
und Holzteil dieses Elementes. Der Holzstab kann aus einem Langholz oder aus miteinander
verleimten Langhölzern bestehen. Die einzelnen Zinken der Zinkung können von pyramidiger
Gestalt sein. Diese - der üblichen Keilverzinkung zwischen Holz und Holz ähnliche
- Verbindung zwischen Kunststoff und Holz ist insbesondere unter freiem Himmel nicht
oder nur bedingt geeignet oder anwendbar, da sich das verschiedene Materialverhalten
von Holz und Kunststoff im kurzen Übergangsbereich zwischen Holz- und Kunststoffteil
nicht ausgleichen läßt oder - genauer gesagt - nicht ausgleicht. Die Holz und Kunststoff
verbindenden Bewehrungsstäbe können aus GFK (=
Glas
faser
kunststoff), Stahl oder anderen Armierungselementen oder -stäben bestehen. Die aus
dem Kunststoffteil des Konstruktionselelementes frei herausragenden Bewehrungen dienen
zum Anschluß an andere Bauteile, beispielsweise an Betonfundamente.
[0003] Das insoweit bekannte Konstruktionselement hat sich bedingt bewehrt, ist aber sowohl
im Hinblick auf seine Verwendbarkeit im Freien, als auch aus Gründen der Erhöhung
der statischen Belastbarkeit, als auch auch aus Gründen der Dauerhaftigkeit der Standfestigkeit,
als auch aus Gründen der Vereinfachung des Herstellungsverfahrens verbesserungsfähig.
[0004] Ziel der Erfindung ist es, ein stabileres Konstruktionselement mit einem Holz- und
einem Kunststoffteil zu schaffen. Dabei soll eine verbesserte Verankerung zwischen
Holz und Kunststoff gewährleistet sein.
[0005] Dieses Ziel wird durch ein Konstruktionselement mit einem Holz- und einem Kunststoffteil
erreicht, bei welchem das Holzteil an wenigstens einer Seite wenigstens eine Ausnehmung
hat, in die das Kunststoffteil eingegossen ist, wobei die wenigstens eine Ausnehmung
so tief in das Holzteil eindringt, daß eine selbsttragende Verbindung zwischen Kunststoff
und Holz entsteht (Anspruch 1).
[0006] Die besondere Idee der Erfindung besteht darin, eine selbsttragende, stabile Holz-Kunststoff-Verbindung
zu schaffen. Das "Selbsttragen" der Verbindung wird durch eine genügend große Eindringtiefe
der Ausnehmung - bzw. des Kunststoffes - in das Holzteil erreicht.
[0007] Das Holz wird im Verlauf des langen Übergangsbereiches von Holz auf Kunststoff dadurch
ruhiggestellt, daß der Anteil des Holzvolumens langsam und sanft-kontinuierlich abnimmt,
während der Volumenanteil des Kunststoffes in gleicher Weise zunimmt und damit ein
sanfter Übergang gewährleistet ist von Holz auf Kunststoff, gewissermaßen ein spannungsarmer
Übergang von einem der verschieden arbeitenden Materialien auf das andere. Das Kopfholz/Hirnholz
ist demzufolge gleichzeitig geschützt gegen Aufnahme von Feuchtigkeit, sonstige Witterungseinflüsse,
Streusalzbrühe und Schädlingsbefall, da jede einzelne Faser und Kapillare einzeln
gepackt und fest gebunden ist.
[0008] Sowohl das Ruhigstellen des Holzes als auch die Stabilität und Festigkeit des Überganges
vom Holz- zum Kunststoffteil sind regulierbar und auf die jeweiligen Festigkeitserfordernisse
und die zu verwendende Holzart durch Variationen von Form und Tiefe der Ausnehmung
einstellbar.
[0009] Lärche arbeitet z.B. extrem stark und erfordert besonders tiefe Ausnehmungen. Für
Fichte genügen weniger tiefe Ausnehmungen. Leimholz verhält sich "wohlwollender" als
massives, unverleimtes Holz. Leimholz bzw. Brettschichtholz benötigt somit weniger
tiefe Ausnehmungen.
[0010] Eine besonders feste Verbindung wird damit erreicht, daß die Ausnehmung sich in Eindringrichtung
verjüngt (Anspruch 2), insbesondere, wenn der Eindringungsverlauf der Ausnehmung überwiegend
in mehr oder weniger spitzem Winkel zur Holzfaser verläuft. Die schräg angeschnittenen
Fasern und Kapillaren bieten dem Kunststoff optimale Voraussetzungen für sowohl kohäsive
als auch adhäsive, stabile Verbindung mit dem Holzteil.
[0011] Bevorzugt verjüngt sich die Ausnehmung ganz sachte, sozusagen sanft. Dabei kann die
Ausnehmung dachartig, dreieckförmig, mit konkaven Wandflächen oder eine Kombination
davon sein. Hierdurch wird ein sanfter Übergang zwischen den verschieden arbeitenden
Materialien erreicht, ohne daß es zusätzlicher Armierungen in Bohrlöchern des Holzteiles
bedarf.
[0012] Besonders bevorzugt wird die Ausnehmung von sich kreuzenden Einschnitten gebildet
(Anspruch 3) Eine derartige Ausnehmung ist einerseits leicht herzustellen und optimiert
andererseits die Festigkeit der Verbindung weiter. Insbesondere bei geringeren Festigkeitserfordernissen
kann jedoch auch bereits eine dachartige Ausnehmung in einer Richtung ausreichen.
[0013] Ist wenigstens ein Verankerungselement im Kunststoffteil verankert, ohne dabei in
das Holzteil einzudringen (Anspruch 4), kann das Konstruktionselement besonders leicht
und gut mit weiteren Konstruktionsteilen verbunden werden.
[0014] In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Holzteil als säulenartiger Holzstab
ausgebildet und die Ausnehmung tiefer als die größte Breite des Holzstabes, insbesondere
etwa gleich der doppelten Holzstabbreite (Anspruch 5). Ein Konstruktionselement in
Form eines Holzstabes ist ein gängiges, universell verwendbares Bauelement. Dabei
bietet es sich an, daß sich die Ausnehmung dachartig verjüngt, insbesondere derart,
daß deren First parallel zu einer Holzstab-Längsseite verläuft (Anspruch 6). Funktionalität
und einfache Herstellbarkeit werden weiter vervollkommnet. Ein First bietet einen
funktionalen, sauberen Abschluß der Ausnehmung.
[0015] Ein verwendbares Kunststoffteil besteht bevorzugt aus einem Zwei-Komponenten-Reaktionsharz,
das in der flüssigen Phase in die Textur des Holzteiles eindringt. Damit wird die
Verbindung äußerst belastbar und das Konstruktionselement bleibt langfristig stabil
(Anspruch 7). Diese Wirkung verstärkt die Ruhigstellung des Holzes. An einen Bereich
reinen Holzes schließt sich ein Übergangsbereich an, in dem sich Kunststoff und Holz
ineinandergreifend vermischen. Der Holzanteil verringert sich in Richtung auf den
Kunststoffabschnitt annähernd kontinuierlich, bis ein Bereich reinen Kunststoffes
erreicht wird. Das Holz wird durch diesen weiteren "sanften" Übergang progressiv ruhiggestellt.
[0016] Verankerungselemente werden sicherer geführt, wenn das Kunststoffteil als ein aus
der Ausnehmung vorstehender Kunststoffblock ausgebildet ist (Anspruch 8). Dabei wird
bevorzugt die gesamte Stirnseite mit Kunststoff bedeckt, auch dann, wenn sich die
Ausnehmungen nur über einen Teil der Stirnseiten erstrecken. Damit ist dann die gesamte
Stirnseite gegen Schädlingsbefall und Witterungseinflüsse geschützt. Giftige Holzschutzmittel
werden überflüssig.
[0017] Zur leichteren Verbindung mit weiteren Bauteilen stehen die Verankerungselemente
aus dem Kunststoffteil vor. Die Verankerungselemente sind insbesondere stift- oder
kugelartig ausgebildet (Anspruch 9). Als Verankerungselemente sind z.B. Stäbe (z.B.
aus Glasfiber) besonders gut geeignet. Es können bei speziellen Anforderungen aber
auch Seile, Fasern, Haken, Gelenkverbindungen u.ä. verwendet werden. Derartige Verankerungselemente
sind z.B. zum Verbinden der Konstruktionselemente untereinander vorteilhaft.
[0018] Erfindungsgemäße Konstruktionselemente bieten sich u.a. bevorzugt für den Aufbau
stabiler Gerüstkonstruktionen an. Werden z.B. holzstabartige Elemente beidseitig mit
erfindungsgemäßen Kunststoffverbindungen sowie mit Verankerungselementen versehen,
können auch komplizierte Konstruktionen wie z.B. Hallendachgerüste oder ähnliches
verwirklicht werden.
[0019] Dazu eignen sich besonders Konstruktionselemente mit Außengewindestangen als Verankerungsteil.
Eine zusätzliche mit mehreren Innengewinden versehene Metallkugel als Verbindungsteil
ermöglicht den Aufbau sternförmiger bzw. "atomiumartiger" Konstruktionen.
[0020] Bei Holzteilen größeren Querschnittes, insbesondere bei Rechteckquerschnitten mit
sehr unterschiedlichen Kantenlängen, können Wiederholungen der Ausnehmungen vorteilhaft
sein. Dabei können z.B. sich kreuzende Einschnitte oder auch einfach sich verjüngende
Abschnitte wiederholt werden. Wiederholte Ausnehmungen erhöhen die Festigkeit.
[0021] Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, das auf
einfache Weise die Herstellung erfindungsgemäßer Konstruktionselemente erlaubt.
[0022] Das Verfahrensziel wird dadurch erreicht, daß ein Holzstab stirnseitig mit wenigstens
einem tiefen, etwa dachartigen Einschnitt versehen wird, sodann der Holzstab zumindest
mit seiner eingeschnittenen Stirnseite in eine Form gelegt wird und schließlich die
Form und die Einschnitte mit einem eine Haftverbindung mit dem Holz eingehenden Kunststoff
vergossen werden (Anspruch 10). Das Verfahren ist unkompliziert und verursacht keinen
großen Aufwand.
[0023] Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Konstruktionselementes kombiniert
z.B. folgende Merkmale: Das Konstruktionselement besteht aus einem Holzstab, der an
einer Seite mit Ausnehmungen versehen ist, in die ein Verankerungselemente umfassender
Kunststoffblock eingegossen ist. Die Ausnehmungen sind von zwei dachartigen, sich
kreuzenden Einschnitten an der Stirnseite gebildet, die Verankerungselemente und der
Kunststoffblock erstrecken sich bis in die Einschnitte, und in den Kunststoffblock
sind matrixbildende Füllkörper eingebettet. Die dachartigen und sich kreuzenden Einschnitte
ermöglichen nicht nur einen großflächigen Anschluß des Kunststoffblockes an den Holzstab,
sondern sie ermöglichen auch eine besonders günstige Übertragung von Kräften und Momenten
zwischen Holzstab und Kunststoffblock, weil praktisch alle Fasern des Holzstabes großflächig
an den Kunststoffblock angebunden sind. Dazu sollten sich die Einschnitte insbesondere
über eine Länge des Holzstabes erstrecken, die größer ist als die größte Breite des
Holzstabes. Vorzugsweise sollten sich die Einschnitte über eine Länge erstrecken,
die der doppelten Breite des Holzstabes entspricht. Die Firste der Einschnitte sollten
sich parallel zu den Seiten des Holzstabes erstrecken.
[0024] Die Verankerungselemente können sich bis in die Einschnitte erstrecken. Auf gesonderte,
die Verankerungselemente aufnehmende Bohrungen an der Stirnseite des Holzstabes kann
verzichtet werden. Für die Übertragung von Kräften und Momenten ist es günstig, wenn
die Verankerungselemente in den äußeren Bereichen der Einschnitte angeordnet sind.
[0025] Die Matrix aus den Füllkörpern stabilisiert den Kunststoff und verbessert die Verankerung
des Kunststoffes am Holz sowie auch die Verankerung der Verankerungselemente im Kunststoff.
Vorzugsweise sollen die Füllkörper so ausgebildet sein, daß sie sich untereinander
verhaken können und damit auch Zugkräfte übertragen können. Insbesondere kann die
Matrix aus Füllkörpern in Form von Tetrapoden bestehen.
[0026] Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen dieses Konstruktionselementes ist dadurch
gekennzeichnet, daß ein Holzstab stirnseitig mit dachartigen, sich kreuzenden Einschnitten
versehen wird, daß der Holzstab zumindest mit seiner eingeschnittenen Stirnseite in
eine Form gelegt wird, daß bis in die Einschnitte reichende Verankerungselemente in
die Form eingeführt werden, daß der Formraum und die Einschnitte mit matrixbildenden
Formkörpern gefüllt werden und daß die Form und die Einschnitte dann mit Kunststoff
vergossen werden. Die Matrix (oder Armierung) kann den jeweiligen technischenstatischen
Erfordernissen angepaßt werden. Durch eine geeignete Auslegung sind Härte bzw. Weichheit,
UV-Stabilität, sowie die elektrische und thermische Leitfähigkeit einstellbar. Bevorzugt
wird ein heißaushärtendes, lösungsmittelfreies Reaktionsharz bzw. Epoxidharz als Kunststoff
verwendet.
[0027] Die Einschnitte können durch Sägen oder Fräsen hergestellt werden. Um die Oberfläche
im Bereich der Einschnitte zu vergrößern, können die Innenflächen der Einschnitte
gesandstrahlt werden. Das hat darüber hinaus den Vorteil, daß die weicheren Holzbestandteile
(Sommerringe) abgetragen werden, während die harten Holzbestandteile (Winterringe)
als Rippen oder dergleichen stehenbleiben und vom Kunststoff umgossen werden.
[0028] Je nach Art des für den Kunststoffblock zu verwendenden Kunststoffes kann es zweckmäßig
sein, den Formraum auf einer zum Gießen des Kunststoffes geeigneten Temperatur zu
halten. Das gilt insbesondere dann, wenn Zwei-Komponenten-Reaktionsharze verwendet
werden. Zum Erwärmen und Aufrechterhalten der Temperatur kann Heißluft in den Formraum
eingeblasen werden. Wird der Kunststoff dann in den erwärmten Formraum gegossen, verteilt
er sich gleichmäßig und blasenfrei auch um die dort befindlichen Füllkörper. Nach
dem Erkalten und Aushärten des Kunststoffes kann das Konstruktionselement aus der
Form entnommen werden. Dieses Verfahren ist auch durch Einsatz von Mikrowelle und
entsprechendem Mikrowellengerät erfolgreich verlaufen.
[0029] Bei der Herstellung des Konstruktionselementes kann mit üblichen Formen gearbeitet
werden. Zweckmäßig ist die Verwendung von Formen, deren eines Ende Führungsöffnungen
für die Verankerungselemente aufweist, so daß die Verankerungselemente in Längsrichtung
des Holzstabes in die Form und bis in die Einschnitte eingeführt werden können. Dazu
kann mit einem verlorenen Formteil gearbeitet werden, welches Führungsöffnungen aufweist.
So kann der mit Ausnehmungen versehene Holzstab in eine U-förmige Pappe eingelegt
werden, die innen Trennmittel aufweist. Dabei bleibt ein Ende offen. Dieses Ende wird
mittels einer Filzplatte geschlossen. Die Filzplatte besitzt Bohrungen und ev. weitere
Trennmittel. Durch die Bohrungen können Anker- und Verankerungselemente wie Glasfaserstäbe,
Gewindestäbe, Faserbündel, Seile, Profile o.ä. in den Vergußraum geführt und mit ausgegossen
werden. Die Filzplatte verschließt den Vergußraum zuverlässig auch bei Hitze und hoher
Viskosität. Anstelle dessen kann auch mit einem vorgefertigten Kunststoffblock gearbeitetet
werden, der Führungsöffnungen aufweist und der anschließend Teil des Kunststoffblockes
am fertigen Konstruktionselement ist.
[0030] Die Erfindung kann mit bekannten Vorrichtungen kombiniert werden; z.B. können die
Stäbe zusätzlich im Holz verankert sein, obwohl dies zum Erzielen ausreichender Festigkeit
nicht nötig ist.
[0031] Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung
erläutert; es zeigen:
- Fig. 1
- eine Draufsicht auf eine geöffnete Form zur Herstellung eines Konstruktionselementes
aus einem Holzstab und einem an eine Stirnseite anschließenden Kunststoffblock;
- Fig. 2
- eine Stirnansicht des Holzstabes;
- Fig. 3
- eine Draufsicht auf das fertige Konstruktionselement:
- Fig. 4
- in kleinerem Maßstab eine Draufsicht auf ein anderes Bewehrungselement.
[0032] In der Zeichnung erkennt man das stirnseitige Ende eines Holzstabes 1, der einstückig
sein kann oder aus mehreren, miteinander verleimten Holzstäben bestehen kann. Eine
Stirnseite 2 des Holzstabes 1 weist zwei sich rechtwinklig kreuzende Einschnitte 3,
4 auf, deren Firste 5, 6 sich parallel zu den Seiten des Holzstabes 1 mit quadratischem
Querschnitt erstrecken. Die Länge der Einschnitte 3, 4 ist etwa doppelt so groß wie
die Breite des Holzstabes 1.
[0033] Der Holzstab 1 wird in eine Form 7 gelegt, deren Querschnitt der Querschnittsform
des Holzstabes 1 entspricht. Bei der dargestellten Ausführung ist die Form 7 an dem
dem Holzstab 1 abgewandten Ende mit einem verlorenen Formteil 8 geschlossen, welches
Führungsöffnungen für Verankerungselemente 10 aufweist. Die Führungsöffnungen 9 sind
so angeordnet, daß die dadurch eingeführten Verankerungselementee 10 sich in den äußeren
Bereichen der Einschnitte 3, 4 bis nahe an deren Firsten 5, 6 erstrecken können. In
Figur 2 ist die Anordnung der Verankerungselemente 10 mit strichpunktierten Linien
angedeutet.
[0034] Bevor der Holzstab 1 in die Form 7 eingelegt wird, werden die Innenflächen der Einschnitte
3, 4 gesandstrahlt oder mit einer Stahlbürste gebürstet, wobei die weicheren Holzbestandteile
(Sommerringe) abgetragen werden und die härteren Bestandteile (Winterringe) rippenartig
stehenbleiben.
[0035] Nachdem der Holzstab 1 in die Form 7 eingelegt ist, werden die Verankerungselemente
10 durch die Führungsöffnungen 9 in die Form so weit eingeführt, bis sie sich soweit
wie möglich in die Einschnitte 3, 4 erstrecken. Dann werden in die Form 7 Füllkörper
11 eingefüllt, die eine Matrix bilden. Diese Matrix ist durch Schraffur in Figur 1
angedeutet. Die Form der Füllkörper 11 ist an sich beliebig, wenn sie nur geeignet
sind, eine Matrix, die, in bestimmtem Umfang auch Zugkräfte übertragen kann, zu bilden.
Vorzugsweise können die Füllkörper 11 aus Tetrapoden bestehen.
[0036] Nach dem Erkalten und Aushärten des Kunststoffes entsteht ein an die eingeschnittene
Stirnseite 2 des Holzstabes fest angeschlossener Kunststoffblock 12, über den die
freien Enden 13 der Verankerungselementee 10 vorstehen. Diese freien Enden 13 werden
an weitere Bauteile angeschlossen oder in ein Betonfundament eingegossen. Es versteht
sich, daß Anordnung und Anzahl der Verankerungselemente 10 auch anders sein können
als im Ausführungsbeispiel dargestellt.
[0037] In Figur 4 ist ein Verankerungselement dargestellt, dessen Elemente als Flachstäbe
14 ausgebildet sind. Die Ebenen der Flachstäbe 14 stehen senkrecht aufeinander. Die
Flachstäbe 14 weisen sich verjüngende Enden auf, die in die Einschnitte 3, 4 eingreifen.
An den anderen Enden sind die Flachstäbe 14 zu einem Verankerungsteil 15 vereinigt,
das über den Kunststoffblock 12 vorsteht und vorzugsweise zur Verankerung des Konstruktionselementes
in gewachsenem oder losem Erdreich bestimmt ist. Im Bereich des Verankerungsteils
15 sind die Flachstäbe 14 durch senkrecht zur Ebene der Flachstäbe angeordnete Versteifungen
16 miteinander vereinigt. Das Verankerungselement kann aus Metall oder auch aus faserverstärktem
Kunststoff hergestellt sein.
[0038] Für die Verankerung des Teiles kann jedes Material Verwendung finden, das eine den
jeweiligen technischen und/oder statischen Erfordernissen entsprechende Zug- und/oder
Druckaufnahmefähigkeit besitzt.
1. Konstruktionselement mit einem Holz- und einem Kunststoffteil, bei welchem das Holzteil
an wenigstens einer Seite wenigstens eine Ausnehmung hat, in die das Kunststoffteil
eingegossen ist, wobei die wenigstens eine Ausnehmung so tief in das Holzteil eindringt,
daß eine selbsttragende Verbindung zwischen Kunststoff und Holz entsteht.
2. Konstruktionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung sich
in Eindringrichtung verjüngt.
3. Konsruktionselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeiczhnet, daß die Ausnehmung
von sich kreuzenden Einschnitten (3, 4) gebildet ist.
4. Konstruktionselement nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens ein Verankerungselement (10) im Kunststoffteil verankert ist, ohne
dabei in das Holzteil einzudringen.
5. Konstruktionselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Holzteil als säulenartiger Holzstab (1) ausgebildet und die Ausnehmung tiefer
als die größte Breite des Holzstabes (1) ist, insbesondere etwa gleich der doppelten
Holzstabbreite.
6. Konstruktionselement nach Anspruch 2 oder einem darauf rückbezogenen Anspruch, dadurch
gekennzeichnet daß sich die Ausnehmung dachartig verjüngt, insbesondere derart, daß
deren First (5, 6) parallel zu einer Holzstab-Längsseite verläuft.
7. Konstruktionselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kunststoffteil aus einem Zwei-Komponenten-Reaktionsharz besteht, das in der
flüssigen Phase in die Textur des Holzteiles eindringt.
8. Konstruktionselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
daß das Kunststoffteil als ein aus der Ausnehmung vorstehender Kunststoffblock (12)
ausgebildet ist.
9. Konstruktionselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verankerungselemente (10) aus dem Kunststoffteil vorstehen, und insbesondere
stift- oder kugelartig ausgebildet sind.
10. Verfahren zur Herstellung eines Konstruktionselementes, insbesondere nach einem der
vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Holzstab (1) stirnseitig mit
wenigstens einem tiefen, etwa dachartigen Einschnitt (3, 4) versehen wird, sodann
der Holzstab (1) zumindest mit seiner eingeschnittenen Stirnseite (2) in eine Form
(7) gelegt wird und schließlich die Form (7) und die Einschnitte (3, 4) mit einem
eine Haftverbindung mit dem Holz eingehenden Kunststoff vergossen werden.