Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Dübelverbindung für Holzbauelemente

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Dübelverbindung für Holzbauelemente, insbesondere zur leimfreien Verbindung von Wand-, Dach- und Deckenelementen aus Holz oder leimfreien Holzträgern.

Es ist bekannt, Holzbauelemente durch Dübel zu verbinden, wobei es in diesem Zusammenhang möglich ist, einstofflich aufgebaute Wandelemente oder dergleichen herzustellen, das heißt, dass die Verbindung der einzelnen Bauelemente untereinander ausschließlich über die reibschlüssige Verbindung der Bauelemente mit den Dübeln erfolgt. Beispiele von Wandelementen, die auf diese Weise hergestellt sind, sind in der EP 1 097 032 A oder der EP 1 381 740 A des Anmelders gegeben. Soll bei der Dübelverbindung kein Leim verwendet werden, wie dies für ökologisch vollwertige Bauelemente gefordert ist, so ist es erforderlich, die entsprechenden Haltekräfte über die reibschlüssige Verbindung zwischen den Dübeln und den Bauelementen herzustellen, aus denen die Bauelemente aufgebaut sind. Dies kann in bekannter Weise dadurch erfolgen, dass Dübel verwendet werden, die einen Durchmesser aufweisen, der größer ist als die Bohrung, die zur Aufnahme des Dübels bestimmt ist. Dem Einschlagen bzw. Einpressen von solchen Dübeln sind jedoch Grenzen gesetzt. Eine weitere Möglichkeit der Verbesserung der reibschlüssigen Verbindung besteht darin, dass in die stirnseitigen Enden der Dübel Keile oder dergleichen eingeschlagen werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die reibschlüssige Verbindung in diesem Fall nicht über die gesamte Dübellänge, sondern nur im Bereich der Keile verbessert wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei Oberflächenbearbeitungen, die die Dicke des Bauelementes verringern, gerade die besonders tragfähigen Teile des Dübels entfernt werden, wodurch die Qualität der Verbindung leidet.

Aus "Innovationen in Holz" in "Forum Planen Juni 2003" ist es bekannt, Holzelemente durch Dübelverbindungen herzustellen, wobei die Dübel vor dem Eintreiben in Radialrichtung komprimiert werden. Dabei werden die Dübel durch eine konisch sich verjüngende öffnung drehend gepresst, so dass die allenfalls vorhandenen Leimrillen weitgehend eingeebnet werden. Mit einem solchen Dübel ist es zwar möglich, den Halt auch bei Feuchtigkeitsänderungen des Bauteils zu verbessern, insgesamt jedoch ist die erzielbare Sicherheit nicht für alle Anwendungen ausreichend.

Die US 4,474,493 A zeigt einen Dübel zur Herstellung von Verbindungen zwischen Bauelementen mit einem schraubenförmig angeordneten Schlitz. Mit einem solchen Dübel ist es in der Regel nicht möglich, einstofflich aufgebaute Bauelemente herzustellen. Außerdem sind die durch einen solchen Dübel übertragbaren Kräfte begrenzt.

Die JP 2000-064436 A zeigt einen Dübel, der vor dem Eintreiben komprimiert wird und danach durch Aufnahme von Feuchtigkeit sein Volumen vergrößert. Um einen sicheren Halt zu erzielen, muss eine relativ starke Kompression durchgeführt werden, die unter ungünstigen Verhältnissen zu einer Beschädigung von Bauelementen führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren anzugeben, das eine besonders feste und dauerhafte Dübelverbindung gewährleistet. Erfindungsgemäß weist ein solches Verfahren durch folgende Schritte auf:

Herstellen mindestens einer Bohrung in den zu verbindenden Bauelementen mit einem vorbestimmten Bohrungsdurchmesser;

Bereitstellen eines Holzdübels mit einem Außendurchmesser, der größer ist als der Bohrungsdurchmesser in den zu verbindenden Bauelementen;

Komprimieren des Holzdübels durch radiale Pressung auf einen Durchmesser, der etwa dem Durchmesser der Bohrung in den zu verbindenden Bauelementen entspricht;

Einbringen des Holzdübels in die Bohrung.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass während des Pressvorganges eine definierte Oberflächenstruktur in den Dübel einge- presst wird.

Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist insbesondere die Erkenntnis, dass es möglich ist, Holzdübel in trockenem Zustand durch radialen Druck zu komprimieren, so dass diese vorerst ihren Durchmesser nicht oder nur unwesentlich wieder vergrößern. Erst durch den Feuchtigkeitsausgleich mit dem umgebenden Bauelement und/oder durch Feuchtigkeitszugabe beim Einbringen versucht sich der Dübel wieder auszudehnen, wodurch die entsprechende reibschlüssige Verbindung hergestellt wird.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der komprimierte Dübel einen größeren Durchmesser als die Bohrung aufweist und in diese eingepresst wird.

Eine besonders feste und dauerhafte Dübelverbindung kann erreicht werden, wenn der Dübel vor dem Einbringen in die Bohrung vorzugsweise vor dem Komprimieren getrocknet wird, um eine Feuchtedifferenz gegenüber den zu verbindenden Bauelementen zu schaffen. Es ist aber durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, auf das Vortrocknen zu verzichten und dennoch eine ausreichend stabile und dauerhafte Verbindung zu erzielen.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Bauelemente vor und während des Einbringens des Holzdübels in die Bohrung in Axialrichtung der Bohrung gegeneinander verpresst werden. Das Verpressen kann einerseits global, d.h. großflächig, erfolgen, indem die einzelnen Lagen der Massivholzbauelemente eines Bauelements, die zu verdübeln sind, durch entsprechende Spannelemente durch Pressbalken quer zur Ebene des Bauelements verspannt werden. Typische Flächendrücke liegen dabei zwischen 5 N/cm ² und 30 N/cm ² . Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch herausgestellt, das Verpressen lokal, d.h. im Bereich rund um den Dübel mit höheren Pressdrücken durchzuführen. Die Flächenpressung kann hier typischerweise zwischen 30 N/cm ² und 200 N/cm ² betragen und liegt vorzugsweise bei etwa 100 N/cm ² . Die Pressung wird beispielsweise durch Stempel mit ringförmiger Pressfläche erzielt, die zentral um jede Bohrung an das Werkstück angepresst werden.

Ein Optimum kann durch eine Kombination diese beiden Arten der Verpressung erzielt werden. Es werden dadurch nicht nur die einzelnen zu verbindenden Stücke exakt in der gewünschten Lage gehalten, so dass z.B. Verwerfungen am fertigen Bauteil vermieden werden, sondern wird insbesondere die Art der Kraftübertragung durch die Dübel wesentlich verändert. Es werden nämlich Scherkräfte in der Ebene quer zur Achse der Dübel nicht mehr primär durch Scherung an den Dübeln übertragen sondern primär durch Reibungskräfte zwischen den einzelnen Lagen der zu verbindenden Stücke, die auf Normalkräften beruhen, die durch Zugspannungen in den Dübeln hervorgerufen werden.

Weiters betrifft nach die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer Dübelverbindung. Dabei erfolgt das Komprimieren des Holzdübels durch mindestens drei profilierte Anpressrollen, die um den Umfang eines zylindrischen Raumbereiches zur Aufnahme eines Dübels angeordnet sind.

Das Komprimieren des Holzdübels kann beispielsweise durch drei um 120° versetzte Anpressrollen erfolgen. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass zumindest drei profilierte Antriebsrollen um den Umfang eines zylindrischen Raumbereiches zur Aufnahme eines Dübels zumindest annähernd gleich angeordnet sind, wobei die Antriebsrollen jeweils um eine Achse drehbar gelagert sind und

die Achsen windschief zur - und in einer Normalebene auf - die Achse des zylindrischen Raumbereiches angeordnet sind.

Die mechanische Verdichtung wird in diesem Falle dadurch erreicht, dass der gefräste Dübel eine Presse durchläuft, in der drei oder mehrere Anpressrollen mit konkav gekrümmtem Profil angeordnet sind, wobei die Anpressrollen den Dübel in Richtung des Durchmessers zusammenpressen. Das Profil kann im Querschnitt halbkreisförmig oder auch parabolisch sein. Der Krümmungsradius, gemessen im Scheitel des Profils sollte dem Radius des komprimierten Dübels entsprechen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zumindest zwei Gruppen von Anpressrollen, vorzugsweise mit je drei Anpressrollen, axial bezüglich des zylindrischen Raumbereiches versetzt und vorzugsweise auch winkelversetzt um die Achse des zylindrischen Raumbereiches angeordnet sind. Dabei wird gleichzeitig mit dem Pressvorgang eine bestimmte Oberflächenstruktur, wie zum Beispiel Querrillen, rasterförmige Erhebungen oder Vertiefungen oder dergleichen, in den Dübel ein- gepresst.

Das Einbringen des Holzdübels in die Bohrung kann trocken erfolgen. Alternativ dazu ist es auch möglich, zur Verbesserung der Gleitfähigkeit beim Einpressvorgang ein Gleitmittel, zum Beispiel Wasser, oder als zusätzliche statische Sicherheit ein Haftmittel, zum Beispiel eine verklebende Flüssigkeit, wie etwa Kasein, aufzusprühen. Die Flüssigkeit kann im Sinne eines baubiologisch unbedenklichen Produktes aus lebensmittelechten Zutaten zusammengesetzt werden. Durch das Besprühen kann eine Beschleunigung der Verfestigung des herzustellenden Bauteils erreicht werden, die bewirkt, dass diese unmittelbar nach dem Einbringen der Dübel zumindest beschränkt belastbar sind. Die Fertigung kann dadurch rationalisiert werden.

Weiters betrifft die Erfindung eine Dübelverbindung für Holzbauelemente, insbesondere Wand-, Dach- und/oder Deckenelemente aus Holz oder leimfreier Holzträger, mit zumindest zwei verbundenen Bauelementen, welche zumindest eine gemeinsame Bohrung aufweisen, in welche ein Dübel eingesetzt ist, der vor Einbringen in die Bohrung durch radiale Pressung komprimiert ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in den Dübel eine definierte Oberflächenstruktur, vorzugsweise Querrillen, rasterförmige Erhebungen oder Vertiefungen eingepresst ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Wandelementverbindung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Komprimierung eines Dübels; und

Fig. 3 ein schematischer, Schnitt, der das erfindungsgemäße Verfahren erklärt.

Um ohne zusätzlichen Leim eine den statischen Anforderungen entsprechende Festigkeit der verdübelten Bauelemente 1, 2, die als Massivholzbauelemente ausgeführt sind, zu erreichen und zu verbessern, werden die Dübel 3 vor dem mechanischen Einpressen in das Schichtholzelement 4 mechanisch verdichtet, so dass sich ihr Durchmesser um 2 bis 20% verringert. Derartige Dübel 3 quellen nach dem Einpressen in die Bohrungen 5, 6 der Massivholzbauelemente 1, 2 stärker als herkömmlich gefräste Holzdübel, auch wenn diese trockener als das Holz der Massivholzbauelemente 1, 2 eingebracht werden. Zusätzlich können die Durchmesser d der Bohrungen 5, 6 kleiner ausgeführt werden, als der Durchmesser D des Dübels 3. Der Unterschied zwischen dem Durchmesser D des Dübels 3 und dem Durchmesser d der Bohrungen 5, 6 kann bis zu 20% des Durchmessers d der Bohrungen 5, 6 betragen. Die Dübel 3 werden maschinell in die im Durchmesser kleiner ausgeführten Bohrungen 5, 6 eingepresst.

Es ist bekannt, durch Feuchtedifferenz (technische Vortrocknung der Dübel 3) den Kraftschluss der Dübel 3 zu den umgebenden Holzlagen zu erhöhen. Dieser Effekt kann auch beim erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden. Dadurch ergibt sich der ökologische, technische und wirtschaftliche Vorteil, dass auf herkömmliche synthetische Einleimungen des Dübels 3 oder auf mechanische Hilfen wir stirnseitiges Verkeilen, etc. verzichtet werden kann.

Allenfalls kann zu Verbesserung der Gleitfähigkeit beim Einpressvorgang Wasser, oder als zusätzliche statische Sicherheit auch verklebende Flüssigkeit aufgesprüht werden. Die Zusammensetzung dieser Flüssigkeit kann im Sinne eines baubiologisch unbedenklichen Produktes aus lebensmittelechten Zutaten bestehen. Der vorgepresste Dübel 3 kann aber auch trocken in das Schichtholzelement 4 eingebracht werden.

Die mechanische Verdichtung kann beispielsweise durch eine in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung 10 erreicht werden, welche drei oder mehr Anpressrollen 11, 12 aufweist. Beim vorliegenden Beispiel weist die Vorrichtung 10 zwei Gruppen von Anpressrollen 11, 12 auf. Die Anpressrollen jeweils einer Gruppe sind gleichmäßig um den Umfang eines zylindrischen Raumes 13, in welchen der Dübel 3 eingebracht wird, angeordnet, wobei die Anpressrollen 11, 12 um Achsen IIa, 12a drehbar angeordnet sind. Der Radius r des Profils der Anpressrollen 11, 12 entspricht dem Radius R des komprimierten Dübels 3. Die Achsen IIa, 12a sind

windschief bezüglich der Achse 13a des zylindrischen Raumbereiches und in einer Normalebene auf die Achse 13a des zylindrischen Raumbereiches 13 angeordnet und können durch eine Kraftaufbringvorrichtung 14 radial zum zylindrischen Raumbereich 13 zugestellt werden.

Die Anpressrollen 11, 12 einer Gruppe sind um einen Winkel von 120° um den Umfang verteilt angeordnet. Die Anpressrollen 11 der einen Gruppe und die Anpressrollen 12 der zweiten Gruppe sind bezüglich der Achse 13a axial beabstandet und um einen Winkel ß von 60° zueinander versetzt.

Der Dübel 3 wird in Richtung der Achse 13a in den zylindrischen Raumbereich 13 zwischen den Anpressrollen 11, 12 durchgeschoben, durchgezogen oder durch die Anpressrollen weiterbefördert, wobei gleichzeitig durch die Anpressrollen 11, 12 radialer Druck ausgeübt wird. Das Komprimieren kann in einem oder mehreren Komprimierungsschritten erfolgen. Das Resultat des Komprimiervorganges ist ein Dübel 3, dessen Durchmesser D um 2 bis 20% in Bezug auf den Ausgangszustand verringert ist. Der Dübel 3 behält seinen verringerten Querschnitt so lange bei, bis das Holz des Dübels 3 von seiner Umgebung Feuchtigkeit aufnimmt und dadurch aufquillt. Die Feuchtigkeitsaufnahme und das Aufquellen erfolgt nach Einbringen in die Bohrungen 5, 6.

Der Komprimiervorgang des Dübels 3 kann auch durch andere Komprimiervorrichtungen, beispielsweise mechanische, hydraulische oder hydrostatische Pressen, oder dergleichen erfolgen.

In Fig. 3 ist ersichtlich, dass die zu verdübelnden Massivholzbauelemente 1, die zu einem plattenförmigen Bauteil wie etwa einem Wandelement zu verbinden sind, durch plattenförmige Pressbalken 16a, 16b in Richtung der Pfeile 18 zu- sammengepresst werden. Der von den Pressbalken 16a, 16b ausgeübte Druck beträgt beispielsweise 15 N/cm ² .

Unmittelbar um die Bohrungen 5 und konzentrisch zu diesen werden die Massivholzbauelemente 1 durch ringförmige Stempel 17a, 17b zusammengepresst. Typischerweise liegt die Anpresskraft bei einer Auflagefläche von 100 cm ² bei 12 kN, d.h. dass die Flächenpressung bei etwa 120 N/cm ² liegt.

Diese Werte können je nach Art des verwendeten Holzes optimiert werden.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Holzbauteile in optimaler Form durch Dübelverbindungen herzustellen, wobei höchste Festigkeit und Dauerhaftigkeit mit ökologischer Verträglichkeit kombiniert werden.