Forschung & Technik auf dem neuesten Stand
Stabile Baumhäuser brauchen durchdachte Technik. Die neue Generation unserer GTS 2.0 Baumschraube wurde in zahlreichen Tests und realen Bauprojekten intensiv geprüft. Hier teilen wir die neuesten Erkenntnisse zum Tragverhalten und zur sicheren Anwendung.
1. Die Besonderheit des lebenden Holzes
Baumschrauben (auch bekannt als TAB, Treehouse Attachment Bolt, Tree Fastener, Garnier Limb) sind seit über 25 Jahren weltweit der Standard, um große Konstruktionen an Bäumen zu befestigen. Die Herausforderung dabei ist, etwas an einem „lebenden Organismus“ zu befestigen, der sich bewegt, wächst und dessen Inneres wir nicht genau kennen.
Besonderheiten am lebenden Baum
Baumschrauben werden nicht in trockenes, genormtes Bauholz geschraubt, sondern in einen lebenden Organismus. Das bringt im Vergleich zum trockenen & aussortierten Bauholz folgende Variablen mit sich:
- Höhere Holzfeuchte: Der Baum transportiert Wasser und Nährstoffe – besonders die äußeren paar Zentimeter vom Baumstamm sind sehr feucht Gewichtsanteil Wasser zu trockenes Holz ca. 40 - 200 %.
- Geringere Holzfestigkeit: Bis zu einer Holzfeuchte von ca. 50 % nimmt die Festigkeit des Holzes ab. Darüber bleiben die Werte annähernd gleich.
- Dickenwachstum: Bäume wachsen jährlich um 3–15 mm in die Breite (Jahrringbreite). Die Baumschraube wird mit der Zeit überwallt und fest in den Baum integriert.
- Starkes Reaktionsholz: Der Baum reagiert auf die Wunde und bildet gezielt Reaktionsholz um die Schraube - dieses Holz wächst schneller und ist widerstandsfähiger.
- Dynamische Belastung: Bäume schwanken im Wind, und auch die Plattform wackelt – die Schraube wird nicht nur statisch, sondern tausendfach dynamisch belastet.
Quelle Handbuch der Baumstatik, 2023 - Thomas Sinn
Ein Blick ins Innere
Das Innere eines Baumstammes bleibt uns beim Baumhausbau verborgen. Dieses Beispiel eines frisch geschnittenen Baumstammes (Pappel, ca. 50 Jahre alt) zeigt, wie unterschiedlich die Holzqualität innerhalb eines Baumes sein kann:
- Die Jahrringbreite kann stark variieren, nicht nur in Abhängigkeit vom Jahr (Klima, Nährstoffversorgung, ...), sondern auch in Abhängigkeit von der vorherrschenden Belastungssituation (siehe rot 12 vs. grün 3 mm im selben Jahr)
- Das äußere Randholz (ca. 1 cm + Borke & Kambium) hat bei Baumschrauben weniger Tragkraft, die Fasern können nach außen wegknicken.
- Das innere "tote" Kernholz ist in der Regel trockener und hat eine höhere Festigkeit als das äußere wasser- und nährstoffführende "lebende" Holz.
- Was genau im Inneren zu erwarten ist (hier gelb, z.B. Kernfäule), kann nur durch Bohrproben oder Ultraschallmessungen festgestellt werden.
Soll man Baumschrauben berechnen?
Die Herausforderung bei der Befestigung an lebenden Bäumen liegt auf der Hand: Jeder Baum ist ein Unikat, dessen individuelle Holzqualität von vielen Faktoren abhängt. Um seine Holzfestigkeit und Standfestigkeit genau zu bestimmen, wären zahlreiche Bohrungen, Zugversuche und Berechnungen von Statikern nötig - in der Praxis viel zu aufwendig und teuer.
Aber brauchen wir wirklich die genauesten Daten, um ein Baumhaus sicher zu befestigen? Unsere Erfahrungen aus der Praxis sagen: Nein.
- Die visuelle Beurteilung reicht in der Regel aus, um zu erkennen, ob der Baum gesund oder krank ist.
- Für Baumhausschrauben liegen weltweit jahrzehntelange Erfahrungen (Baupraxis, Forschung, Feldversuche) vor, die dies bestätigen.
- Die Tragfähigkeit von Baumschrauben kann mit hinreichender Genauigkeit vorhergesagt werden - ohne den Baum vorher testen zu müssen.
- Wer auf Nummer sicher gehen will, plant mit Sicherheitsfaktoren oder baut zusätzlich auf Stelzen.
Ich verwende die Baumschrauben nun seit über 10 Jahren und habe keinen Fall erlebt, in dem ein Baumhaus heruntergekracht wäre – selbst bei Stürmen, die sonst große Schäden angerichtet haben. Auch von unseren Baumhausbauer-Kollegen habe ich bisher keine negativen Beispiele gehört.
Eine Befragung von 18 professionellen Baumhausbauern (darunter Pete Nelson USA, Alain Laurens FR, Andreas Wenning DE, …) ergab, dass von 2253 gebauten Baumhäusern nur zwei Bäume an den direkten Folgen des Baus gestorben sind – das ist weit weniger als 1 Promille.
2. Versuchsaufbau zum Testen der GTS Baumschrauben
Um aussagekräftige Testergebnisse zur Tragfähigkeit einer Baumschraube zu erhalten, müssen die Schrauben in einem lebenden Baum oder in frisch geschlagenem Holz mit hoher Feuchtigkeit getestet werden. Diese Tests müssen so oft wiederholt werden, bis sich ein klares und konsistentes Tragverhalten zeigt.
Versuchsaufbau mit Hydraulikzylinder
Die Schrauben werden mit einem Hydraulischen Zylinder belastet. So kann man über eine Kraftmessdose oder über die Umrechnung des hydraulischen Drucks die wirkende Kraft ermitteln.
Neben unseren eigenen firmeninternen Studien, gibt es auch viele vergleichbare Testergebnisse von unseren Kollegen aus den USA mit vergleichbaren Baumschrauben: Pete Nelson (offizielle Tests!), Michael Garnier, Charles Greenwood, ...
Sie alle führen immer und immer wieder zu den gleichen Resultaten, an denen man wunderbar das Tragverhalten der Schrauben erkennen kann.
In folgenden Videos seht ihr ein paar unserer Feldversuche:
3. Belastung der GTS-Schrauben im Baum
Belastung der GTS Allstar 2.0
Bohrloch der GTS Allstar 2.0
Die Schraube wird bis zum Anschlag in das vorgebohrte Loch eingedreht. Dabei entsteht auch die Kontaktfläche (rot), an der die Rückseite des Zylinders fest anliegen muss. Das ist wichtig, denn diese Kontaktfläche überträgt bis zu 20% der Last in den Baum!
Drehpunkt bei Belastung
Grobgewinde (A) und Zylinder (B) übertragen die Last F vom Baumhaus in den Baumstamm. Der Drehpunkt der GTS Allstar 2.0 befindet sich etwa 11 cm innerhalb des Baumes, um diesen Punkt dreht sich die Schraube bei Belastung.
Lastübertragung
Dabei werden etwa 50 % der Last unterhalb des Zylinders (grün) und etwa 30 % direkt vom Grobgewinde (gelb) aufgenommen. Die Rückwand (rot) überträgt ca. 20 % der Lasten in den Baum, die volle Wirkung setzt aber erst nach etwa 1 Tonne Belastung ein, wenn die Holzfasern bereits etwas komprimiert wurden.
Überlastung & Versagen
Die GTS sollte nie mehr als 2° absacken!
- Die Schieflage führt zu Spannungen in den Verbindungselementen und der Tragwerkskonstruktion.
- Oberhalb der GTS entsteht ein Spalt, durch den Pilzsporen und Schädlinge in den Baum eintreten können.
Belastung der GTS Friend 2.0 (und Co.)
Die GTS Friend 2.0 kann auch stellvertretend für die anderen kleinen GTS Schrauben verwendet werden, da sich die Bauform sehr ähnelt - mehr dazu weiter unten bei den Faustformeln.
Bohrloch der GTS Friend 2.0
Die GTS Friend 2.0 wird in das vorgebohrte Loch gedreht, bis der Ansatz vom Schaft ø 40 mm in der Rinde versenkt ist. Hinten im Bohrloch darf etwas Luft sein.
Drehpunkt bei Belastung
Der Drehpunkt der GTS Friend 2.0 befindet sich etwa 9 cm innerhalb des Baumes, um diesen Punkt dreht sich die Schraube bei Belastung.
Lastübertragung
Dabei werden etwa 60 % der Last über den innen liegenden Teil des Gewindes übertragen, und etwa 40 % im äußeren Bereich. Das liegt daran, dass das Kernholz allgemein härter ist, während das Holz im Bereich der Rinde eine geringe Tragkraft hat.
Überlastung & Versagen
Die GTS sollte nie mehr als 2° absacken!
- Die Schieflage führt zu Spannungen in den Verbindungselementen und der Tragwerkskonstruktion.
- Oberhalb der GTS entsteht ein Spalt, durch den Pilzsporen und Schädlinge in den Baum eintreten können.
4. Tragverhalten der GTS-Schrauben
Unsere aktuellen Test bestätigen unsere alten Testergebnisse, und decken sich mit denen anderer Schraubenhersteller (Pete Nalson, Michael Garnier, Charles Greenwood, ...). Setzt man die Belastung ins Verhältnis zur Neigung / dem Weg den die Baumschraube absackt, erhält man eine schöne Kennkurve der Belastbarkeit der Baumschrauben. Hier am Beispiel der GTS Allstar 2.0 in einer frisch geschlagenen Esche:
Hebelarm beeinflusst Tragfähigkeit linear
Wie zu erwarten, sinkt die Tragfähigkeit der Schraube mit größer werdendem Hebelarm. Die gemittelte lineare Funktion zeigt, dass man eine individuelle Anfangstragfähigkeit hat (4,38 bei dieser Esche) und die Tragfähigkeit mit dem Faktor 0,13 x Hebelarm (cm) abnimmt.
Versagensform parabelförmig in 2 Phasen
Bei vertikaler Belastung dreht sich die Schraube um ihren Drehpunkt und sinkt kontinuierlich im Holz ab. Wir haben unsere Werte für die maximale Tragfähigkeit der GTS auf einen Neigungswinkel von 1° (MAX 1) festgelegt.
Versagensform - Phase 1
In Phase 1 sind die Holzfasern unter der Schraube noch intakt und gut verkittet (grüner Bereich bis MAX1 in Diagramm) und stemmen sich gegen die Schraube. Hier kann viel Last bei wenig Verformung aufgebaut werden.
Versagensform - Phase 2
In der Übergangsphase bis zu MAX 2, fangen erste Holzfasern an zu reißen. Eine leichte Steigerung der Last ist noch möglich. Wurde Max 2 überschritten, ist der Holzkörper unter der Schraube komplett zusammengestaucht und eine Erhöhung der Last ist kaum noch möglich. Je mehr jetzt belastet wird, desto mehr dreht sich die Schraube um ihren Drehpunkt in den Baum hinein.
Wichtige Erkenntnisse
Erkenntnis 1: Es versagt nur das Holz, die GTS selber ist unzerstörbar.
Erkenntnis 2: Das Versagen kündigt sich gut sichtbar an, indem die GTS bei Überlastung absackt.
Erkenntnis 3: Die GTS ist selbst bei maximaler Überlastung von 6 - 8 Tonnen nie aus dem Holz gebrochen, sondern immer um den Drehpunkt "in den Baum" gesunken.
Interessante Beobachtung - Muss der Zylinder volle 8 cm in den Baum?
Es hat sich gezeigt, dass es bei einer Belastung unterhalb der Tragfähigkeit (d.h. < 1 t Nadelholz; < 2 t Hartholz) gar keinen allzu großen Unterschied macht, ob der Zylinder der Allstar nur 4 oder die vollen 8 cm im Baum versenkt wird: Die Tragfähigkeit sinkt nur wenig ab, da Grobgewinde und Rückwand immer noch mit vollen 50 % wirken. Die äußersten 1–2 cm Borke bzw. Splintholz tragen nur wenig zur Tragfähigkeit bei, da diese sehr nassen und weichen Holzfasern bei Belastung abknicken.
Erst im Bereich der maximalen Tragfähigkeit und darüber entfaltet der äußere Teil des Zylinders seine volle Wirkung und trägt mit jedem cm deutlich zur Tragfähigkeit bei.
Das bedeutet für uns: Bei normaler Belastung darf der Zylinder der Allstar ruhig auch nur 4 cm in dem Baum gedreht werden (erste Markierung auf Zylinder) und wird trotzdem sehr gut halten.
Verbesserungen bei der GTS 2.0
Man kann viel philosophieren, wenn es um die Produktentwicklung geht, aber nichts ist so aufschlussreich wie hunderte von Versuchen direkt am lebenden Baum. Diese Erkenntnisse haben wir in das Design unserer neuen GTS 2.0 einfließen lassen.
So haben wir es erfolgreich geschafft, die Tragfähigkeit der GTS zu maximieren und gleichzeitig die Montage erheblich zu erleichtern.
Verbesserung 1 - Baumgewinde 2.0
Um das optimale Baumgewinde zu finden, haben wir 20 unterschiedliche Gewindeformen in 6 Baumarten bei über 100 Versuchen gegeneinander antreten lassen - das Ergebnis ist unser "Tree Thread 2.0"!
Verbesserung 2 - Quick-Start Pin
Bei unseren Testschrauben hat sich gezeigt, dass man auf die ersten paar Zentimeter Gewinde verzichten kann. Die Tragfähigkeit der Schrauben wurde in unseren Tests sogar erhöht wenn auf den ersten Zentimetern keine Scharfen Gewindegänge sind.
Daraus entstanden ist der äußerst praktische “Quick Start Pin”, ein leicht angerauhter Zapfen den man bei der Montage perfekt in das Bohrloch reinstecken kann. Weit oben auf der Leiter im Baum erleichtert das die Montage sehr! Auch lässt sich so das Bohrloch gut abdichten, falls man etwas Zeit bis zum Eindrehen überbrücken muss – so wird die Gefahr minimiert, dass während der Montage Pilzsporen ihren Weg ins Bohrloch finden.
Verbesserung 3 - Seal+
Durch die Vergrößerung des Zylinderdurchmessers werden die feuchten Holzfasern um das Bohrloch herum verdrängt. Sackt die Schraube bei ersten Belastung etwas ab, dehnen sich die Holzfasern wieder aus und verschließen das Loch.
Die tiefen Rillen ermöglichen es dem Baum sich beim Umwallen der Wunde mit dem Stahl zu verzahnen und erleichtern so einen schnellen und sauberen Wundverschluss.
Verbesserung 4 - Maße der GTS
Durch zahlreiche 1 gegen 1 "shootout"-Versuche und unsere Erkenntnisse zur Tragfähigkeit, haben wir die Längen von Baumgewinde, Zylinder und Schaft bei allen GTS-Modellen optimal auf den jeweiligen Einsatzbereich angepasst.
Verbesserung 5 - Montagerillen
In der Vergangenheit waren wir uns manchmal nicht sicher, ob die Rückseite des Zylinders vollständig an der Kontaktfläche anliegt. Deshalb haben wir die neue GTS Allstar 2.0 mit Rillen versehen, an denen man die genaue Montagetiefe ablesen kann. Das zweigängige Gewinde hat außerdem mehr Vorschub, so spürt man besser wenn man an der Kontaktfläche anstößt.
5. Faustformel zur Berechnung der Tragfähigkeit der GTS
Hier:
1. Werte aus Tabelle nehmen (Mittlere Druckfestigkeiten und auf Streuungswerte max und min hinweisen. 1,4 ist absolut kleinster Wert der aufgetaucht ist bei gesunden Bäumen - d.h. darauf kann man sich verlassen) bis 4, ...
Für die Lastangaben nehmen wir aber die Mittelwerte
2. Pete NElason Test-Video verlinken --> auch die Amis haben getestet mit sehr ähnlichen Schraubmaßen sogar noch bessere Testwerte bekommen
Tragverhalten der GTS-Modelle im Vergleich
Sowohl bei der GTS Allstar, als auch bei der kleineren GTS Friend lassen sich mit ausreichend Genauigkeit lineare Formeln aus den Last-Verformungs-Diagrammen ableiten. Hier am Beispiel einer frischen Esche.
GTS Allstar 2.0 in Esche
y = -0.13x + 4,38
Bei einer Belastung mit 0 cm Hebelarm hat die GTS Allstar eine Tragfähigkeit von 4,38 t, bei einer Neigung von 1 °. Das Ergebnis gilt für die individuelle Esche in der getestet wurde.
GTS Friend 2.0 in Esche
y = -0,065x + 1,68
Bei einer Belastung mit 0 cm Hebelarm hat die GTS Friend eine Tragfähigkeit von 1,68 t, bei einer Neigung von 1 °. Das sind 2,7 t bzw. etwa 61 % weniger als die GTS Allstar im selben Baum.
Unser Ziel ist es, eine universelle Formel für jedes GTS Modell zu erstellen, um deren Tragfähigkeit in Abhängigkeit von Hebelarm und Baumart hinreichend genau abschätzen zu können.
Herangehensweise:
- Wir werten für die jeweiligen Kombinationen aus GTS-Modell und Baumart alle Testergebnisse aus, und erhalten daraus mehrere vereinfachte lineare Formeln (siehe bei Punkt 4).
- Aus mehreren externen Studien haben wir Daten zu der grünen Holzfestigkeit verschiedener Baumarten gesammelt.
- Laut Studien ist der Minimalwert der grünen Holzfestigkeit in der nördlichen Hemisphäre (Eurasien, Kanada, Nordamerika) im Bereich von 1,6 kN/cm² (Weide) und im oberen Bereich bei 2,2 bis über 3 kN/cm² zu rechnen ist (Heinbuche, Eiche & andere Harthölzer).
- Nach allen Tests die wir gemacht haben, spiegelt sich diese grüne Holzfestigkeit in den gemessenen Werten der Tragfähigkeit wieder - wir verwenden diese Werte also mit einem Faktor in unserer Formel.
- Dass die individuelle Holzfestigkeit in einem Baum stark schwanken kann wird berücksichtigt, indem wir alle Faktoren in den Formeln auf die "sichere Seite" gerundet haben.
Das heißt, unsere angegebenen Richtwerte der Schrauben können auf die Tabelle bezogen werden.
Faustformel: GTS Allstar 2.0
- y-Wert: Tragfähigkeit der GTS Allstar 2.0 [t] (1 t = 10 kN = 2200 lbs)
- T-Wert: Gründe Holzfestigkeit nach Tabelle [kN/cm²]
- x-Wert: Hebelarm [cm] = Abstand von Rinde zu Lastangriffspunkt / Mitte von Auflager
Sicherheitsfaktor SF:
- statische Belastung 1,2
- dynamische Belastung 1,4
Faustformel: GTS Allstar 2.0
- y-Wert: Tragfähigkeit der GTS Allstar 2.0 [t] (1 t = 10 kN = 2200 lbs)
- T-Wert: Gründe Holzfestigkeit nach Tabelle [kN/cm²]
- x-Wert: Hebelarm [cm] = Abstand von Rinde zu Lastangriffspunkt / Mitte von Auflager
Sicherheitsfaktor SF:
- statische Belastung 1,2
- dynamische Belastung 1,4
Beispiel Ahorn
Berechnung der Tragfähigkeit - GTS Allstar 2.0 in Ahorn
y = (1,55*T - 0,12*x) / SF
- Grüne Holzfestigkeit von Ahorn: 2,64 kN/cm²)
- Hebelarm (Balken & Auflagermitte) wird mit 10 cm angenommen.
- SF Sicherheitsfaktor überwiegend statisch: 1,2
y = (1,55 * 2,64 - 0,12 * 10) / 1,2
y = (2,89 to) / 1,2 = 2,41 to
Eine GTS Allstar 2.0 wird bei korrekter Montage in einem Ahorn-Baum mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit eine durchschnittliche Tragfähigkeit von 2,41 to (= 24,1 kN = 5300 lbs) erreichen. Dies ist der Mittelwert für eine überwiegend statische, vertikale Belastung bei einem Hebelarm von 10 cm.
Faustformel: GTS Friend 2.0
- y-Wert: Tragfähigkeit der GTS Friend 2.0 [t] (1 t = 10 kN = 2200 lbs)
- T-Wert: Gründe Holzfestigkeit nach Tabelle [kN/cm²]
- x-Wert: Hebelarm [cm] = Abstand von Rinde zu Lastangriffspunkt / Mitte von Auflager
Sicherheitsfaktor SF:
- statische Belastung 1,2
- dynamische Belastung 1,4
Faustformel: GTS Friend 2.0
- y-Wert: Tragfähigkeit der GTS Friend 2.0 [t] (1 t = 10 kN = 2200 lbs)
- T-Wert: Gründe Holzfestigkeit nach Tabelle [kN/cm²]
- x-Wert: Hebelarm [cm] = Abstand von Rinde zu Lastangriffspunkt / Mitte von Auflager
Sicherheitsfaktor SF:
- statische Belastung 1,2
- dynamische Belastung 1,4
Beispiel Kiefer
Berechnung der Tragfähigkeit - GTS Friend 2.0 in Kiefer
y = (0,7*T - 0,07*x) / SF
- Hebelarm (Balken & Auflagermitte) wird mit 6 cm angenommen.
- Grüne Holzfestigkeit von Kiefer: 2,19 kN/cm²)
- SF Sicherheitsfaktor überwiegend statisch: 1,2
y = (0,7 * 2,19 - 0,07 * 6) / 1,2
y = (1,11 to) / 1,2 = 0,93 t = 930 kg
Eine GTS Friend 2.0 wird bei korrekter Montage in einem Kiefer-Baum mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit eine durchschnittliche Tragfähigkeit von 0,93 to (= 9,3 kN = 2040 lbs) erreichen. Dies ist der Mittelwert für eine überwiegend statische, vertikale Belastung bei einem Hebelarm von 6 cm.