Holz und Holzwerkstoffe holz-und- Prof. Niemz - ETH Zürich, Skripte von Werkstoffkunde

Nur auf Docsity: Lade Holz und Holzwerkstoffe holz-und- Prof. Niemz - ETH Zürich und mehr Skripte als PDF für Werkstoffkunde herunter! ETH IfB Eidgenéssische Technische Hochschule Ziirich Institut fiir Baustoffe Swiss Federal Institute of Technology Zurich Institute for Building Materials Holz und Holzwerkstoffe Skript zur Vorlesung Werkstoffe | (Materialeigenschaften) Teil Holz und Holzwerkstoffe Prof. Dr. Ing. habil. Peter Niemz Institut fiir Baustoffe Februar 2011 Inhaltsverzeichnis Kapitel | Einfiihrung Kapitel Il | Aufbau des Holzes und der Holzwerkstoffe 1. Anatomischer Aufbau des Holzes 2. Holzwerkstoffe Kapitel Ill Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe 1. Koordinatensystem 2. Dichte 3. Holzfeuchte/Quellen und Schwinden 4. Thermische Eigenschaften 5. Elastische Eigenschaften 6. Festigkeitseigenschaften 7. Rheologische Eigenschaften Kapitel |1V Ubungsaufgaben Kapitel V _ Weiterfiihrende Literatur Lernziele Holz ist ein wichtiger Baustoff. Aufbauend auf einer Erlauterung des strukturellen Aufbaus von Holz und Holzwerkstoffen, werden wesentliche materialwissenschaftliche Grundlagen fur den Einsatz von Holz und Holzwerkstoffen im Bauwesen vermittelt. Den Schwerpunkt bilden dabei die physikalisch- mechanischen Eigenschaften des Holzes und der Holzwerkstoffe. 70 60 -— 40 |— relativer Energieverbrauch 17 20 -— 1 3 3.1 0 ea | Holz Beton Backstein Stahl Aluminium Abbildung 2: Mittlerer relativer Energieverbrauch (Holz = 1) ausgewahlter Rohstoffe zur Herstellung pro Tonne Fertigprodukt. (Quelle: Corrim Report 1976; Koch 1991) Bei einigen Materialeigenschaften wie dem E-Modul kann Holz also nicht die Werte der Konkurrenz- Baustoffe erreichen. Andere Eigenschaften wie Warmedaémmung oder Reisslange dagegen bringen Holz auf die vorderen Platze und zeigen seine Vielseitigkeit (Abbildung 3 und Abbildung 4). So ergibt sich fur Holz eine Reisslange von 17 km, ein Wert, der von den Konkurrenzmaterialien nur von Spannbeton Ubertroffen wird. Ahnlich gut steht Holz bei der Warmedammung da: Nur Schaumstoff, der sich aber nicht als Konstruktionsmaterial eignet, erreicht bessere Werte. Aluminium [| 4 1217 Baustahl | L 418 Beton | ]92 oes Backstein eee 34 Kunststoft ewe 23 Fichtenholz [yj 1 Schaumstoft [jj 0.3 relative Dicke 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12. 13 Abbildung 3: Relative Schichtdicke ausgewahlter Baustoffe mit gleicher Warmedammung. (Quelle: Dubbel 1974) Spannbeton Fichtenholz Aluminium Baustahl Kunststoff Glas Backstein Beton |}0.13 Reisslange in km 012 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Abbildung 4: Reisslange ausgewahlter Baustoffe. (Quelle: Dubbel 1974) KAPITEL II: Aufbau des Holzes und der Holzwerkstoffe 1. Anatomischer Aufbau des Holzes 1.1. Der Makroskopische Holzaufbau Schnittebenen des Holzes Holz ist ein Naturprodukt und entsprechend den Anforderungen des Baumes beziiglich seiner Stabilitat, seines Wachstums und seiner Versorgung aufgebaut. Das bedeutet, dass es sich bei Holz nicht um ein homogenes und isotropes Material handelt. Ganz im Gegenteil: Der axiale Aufbau des Stammes wie auch der Aste und Wurzeln spiegelt sich im Holzaufbau wider. Ein Grossteil der Strukturen folgt diesem axialen Verlauf (Faser-Grundgewebe, Wasserleitungsbahnen) und nur ein geringer Prozentsatz der Zellstrukturen (Holzstrahlen) weist eine radiale Ausrichtung aus. Im Unterschied zu vielen anderen mehrjahrigen Pflanzen wachsen Baume jedes Jahr um eine gewisse Distanz in die Breite (Dickenwachstum). Ein Zellkranz aus lebenden Zellen, das Kambium, befindet sich nur wenige Zentimeter unter der Baumrinde und ist fur dieses Dickenwachstum verantwortlich. Nach innen bilden diese Kambialzellen Holzzellen (Xylem). Die jeweiligen Holzabschnitte, die innerhalb eines Jahres entstehen, nennt man Jahrringe. Der Holzkérper ist fur die Stabilitat des Baumes, fiir die Speicherung von Nahr- und Reservestoffen sowie fur den Transport von Wasser aus den Wurzeln verantwortlich. Die vielfaltigen Aufgaben des Holzkérpers finden sich in der Anatomie des Holzes wieder. Nach aussen bildet das Kambium Bastzellen (Phloem). Dieser a4ussere Zellkranz dient dem Transport von Zuckern und Nahrstoffen, die in der Krone des Baumes produziert werden und ist nur sehr schmal. Bei der Betrachtung des Holzes unterscheiden wir drei Schnittebenen, die jeweils unterschiedliche charakteristische Aspekte des dreidimensionalen Holzkérpers aufzeigen (siehe Abbildung 5). Nur eine Kombination aller drei Ebenen erméglicht uns ein vollstandiges Bild der jeweiligen Holzstruktur. Auch fur die Beurteilung und Bestimmung von Holzeigenschaften ist die Einteilung in diese verschiedenen Schnittrichtungen von Bedeutung. Wegen seines anisotropen Aufbaus andern sich die Eigenschaften des Holzes je nach Belastungsrichtung. Querschnitt: der Querschnitt eines Baumstammes hat im Normalfall eine annahernd kreisrunde Form. Die jiingsten Teile des Baumes befinden sich im Inneren. Zentral liegt die Markréhre. Die einzelnen Jahrringe des Baumes sind mit blossem Auge als konzentrische Ringe zu erkennen. Der Querschnitt weist eine netzférmige Textur auf, da das dominierende axiale Gewebe durchtrennt ist. Die Holzstrahlen verlaufen von Innen nach Aussen Uber die Jahrringgrenzen hinweg. Radialschnitt: Diese Schnittebene entsteht, wenn man ein Stammsegment von der Mitte her wie eine Torte aufteilt, im einfachsten Falle also in der Mitte von Markréhre bis Rinde durchtrennt. Der Radialschnitt zeigt die Kreuzung der axialen und radialen Gewebe. Die Holzstrahlen verlaufen in horizontaler Richtung. Tangentialschnitt: Er entsteht, wenn wir den Langsschnitt im ausseren Bereich des Stammsegments setzen. Die einzelnen Jahrringe sind nicht mehr so leicht zu erkennen, da sie nun unregelmassig sfladerig* in Erscheinung treten. Typisch fiir diese Schnittebene ist, dass die radial verlaufenden Holzstrahlen nun im Querschnitt zu sehen sind. Je nach Breite der Holzstrahlen kann man langs verlaufende Streifen oder Spindeln erkennen. Porigkeit Auch ohne Mikroskop sind im Holzquerschnitt zum Teil Poren erkennbar (Abbildung 6). Dies trifft nicht fur die Nadelhdlzer zu, da der Durchmesser der Tracheiden zu klein ist und diese selbst mit Lupe nur selten zu sehen sind. Die ,Lécher* die man im Holz der Nadelbaume makroskopisch erkennen kann, sind Harzkanale. Harzkanale sind ein Instrument zum Schutz des Holzes z.B. fur die Abwehr von Borkenkafern. Das in den Kanalen enthaltene Harz verklebt die Insekten. Die Féhren verfiigen Uber viele Harzkandle, besonders im Spatholz, Tanne und Eibe dagegen weisen im gesunden Holz keine Harzkanéle auf. T9098 gore weitringig Abbildung 6: Muster in der Jahrringbildung von Nadelhdlzern (links), ringporigen (Mitte) und zerstreutporigen (rechts) Laubhdlzern. Die obere Zeichnung stellt jeweils einen sehr engen, die untere einen breiten Jahrring dar. Die Laubhdélzer verfiigen Uber spezielle Zellen, die fiir die Wasserleitung verantwortlich sind. Diese axial verlaufenden Zellen werden Gefaésse genannt und besitzen einen deutlich grésseren Durchmesser als die Fasern des Grundgewebes, so dass sie teilweise schon mit blossem Auge, auf jeden Fall aber mit der Lupe, erkennbar sind. Man unterteilt die Laubhdélzer je nach Grésse und Anordnung der Gefasse in zwei Hauptgruppen: Zerstreutporer und Ringporer. Die Zerstreutporer besitzen mittelgrosse Gefasse, die tber den gesamten Jahrring annahernd gleichmassig verteilt sind und in ihrem Durchmesser weitgehend konstant bleiben. Die Ringporer dagegen weisen im Frithholz 1-3 sehr grosse Gefasse, die einen Durchmesser von Uber einem halben Millimeter besitzen kénnen, im weiteren Verlauf des Jahrrings jedoch nur noch einige kleine bis mittelgrosse Spatholzgefasse auf. Strukturell ergibt sich deshalb im Querschnitt ein deutlich sichtbarer Ring aus Friihholzporen, der fur diese Holzgruppe namensgebend war. Ahnlich wie der Spatholzanteil der Nadelbaume bleibt die Breite der Friihholzgefasse auch bei sich andernden Jahrringbreiten weitgehend konstant (vergleiche Abbildung 6). In unseren Breiten Uberwiegt der Typus Zerstreutporer. Lediglich die Baumarten Eiche, Ulme, Robinie, Esche und Edelkastanie haben ein ringporiges Holz. In den Tropen kehrt sich dieses Verhaltnis um und fast alle Baumarten besitzen ein ringporiges Erscheinungsbild. Die grossen Durchmesser der Friihholzgefasse haben den Vorteil, sehr viel mehr Wasser in deutlich kirzerer Zeit zu leiten, bergen aber auch das Risiko eines Zusammenbruchs der Leitungsbahnen (Embolien) auf Grund von Wassermangel oder Lufteinbruch. Reaktionsholz An Stéammen von Nadel- und Laubbaumen, die geneigt bzw. starken Windbelastungen ausgesetzt sind, findet man genauso wie an Asten einen besonders ausgeformten Holztyp, das Reaktionsholz. Dieses hat die Aufgabe, die urspriingliche Wachstumsrichtung von Ast und Stamm beizubehalten bzw. wiederherzustellen. Die Ausbildung von Reaktionsholz fuhrt oft zu einer einseitigen Férderung des Wachstums: der Stamm- bzw. Astquerschnitt ist nicht mehr rund, sondern exzentrisch geformt. In Nadelbaumen wird das Reaktionsholz auch Druckholz genannt, da es an der der Belastung abgewandten Seite (Lee-Seite) den Stamm oder Ast in die entsprechende Richtung ,driicken* soll. In den Laubbaéumen dagegen wird das Reaktionsholz an der Luv-Seite der Belastung, also z.B. auf der Astoberseite, gebildet und entsprechend Zugholz genannt. Die Zellen des Reaktionsholzes weichen 10 von den ,normalen“ Fasern in Aufbau und Zusammensetzung etwas ab und verandern dadurch auch entscheidend die Holzeigenschaften. Die Folge sind entsprechende Schwierigkeiten und Einschrankungen bei Bearbeitung und Verwendung von Stammholz mit Reaktionsholzanteilen. 1.2 Mikroskopischer Aufbau von Nadel- und Laubholz Nadelholz Das Nadelholz besteht aus nur zwei Zelltypen. Den Hauptanteil nehmen dabei die Tracheiden (90 - 95%), den Rest Parenchymzellen ein. Im Gegensatz zum Laubholz besitzt das Nadelholz also nur wenige Zelltypen, die dafuir in der Lage sind, mehrere Funktionen auf einmal zu Ubernehmen. Die Tracheiden sind ,Alleskénner“ und sowohl zur Wasserleitung fahig, als auch fiir die mechanische Stabilitat von Nadelholz verantwortlich. Die Tracheiden sterben schon bald nach ihrer Entstehung ab und sind in Funktion stets tot. Die Langstracheiden (Abbildung 7) sind axial verlaufende, langgestreckte Zellen, die im Inneren ein Lumen besitzen, also ,hohl“ sind. Das im Lumen trans- portierte Wasser kann Uber Verbindungen zwischen den Tracheiden, sogenannte Tupfel, weitergeleitet werden. Spiralverdickungen grosse kleine Fenstertupfel einseitig Hoftupfel Hoftupfel behdfte Tupfel Abbildung 7: Schematische Darstellung einer Frihholztracheide mit verschiedenen Tipfelarten und schraubenférmigen Verdickungen. Die Verbindung zwischen zwei Tracheiden nennt man Hoftiipfel (Abbildung 8). Sie besitzen einen auf Druckunterschiede reagierenden Schliessmechanismus. Ein Deckplattchen (Torus) ist im Tupfel- inneren (Porus) an aus Zellulose bestehenden Margofaden aufgehangt. Kommt es zu einem Luft- einbruch in das Wasserleitsystem wird der Torus durch den entstehenden Unterdruck auf den Porus gedriickt und verschliesst so die Zellverbindung ohne Energieaufwand. Margo | i. Porus ——__> Torus —— Abbildung 8: Schematische Darstellung der Tupfelarten zwischen zwei Zellen. Links: einfacher Tupfel. Rechts: Hoftiipfel. Die Spatholztracheiden sind etwas englumiger und dickwandiger als die Friihholztracheiden. Neben den Langstracheiden existieren in einigen Baumarten auch Quertracheiden. Sie befinden sich an den oberen oder unteren Enden der Holzstrahlen. Die Holzstrahlen sind Zellverbande, die in radialer Richtung den Holzkérper durchziehen. 1 Der zweite wichtige Zelltyp des Nadelholzes ist die Parenchymzelle. Diese Zellen sind im Splintholz stets lebend und haben die Hauptaufgaben Beladung, Speicherung und Entladung von Reservestoffen. Die Lange der Parenchymzellen ist meist deutlich geringer als die der Tracheiden. Die Holzstrahlen bestehen zum Uberwiegenden Teil aus Parenchymzellen. Die Parenchymzellen sind untereinander mit einfachen Tupfeln verbunden (Abbildung 8). Zwischen den Parenchymzellen und den Tracheiden existieren ebenfalls Tupfelverbindungen, die eine besondere Form haben kénnen (Bsp. Fenstertiipfel bei Féhrenarten; Abbildung 7). Auch in den Harzkanalen befinden sich Parenchymzellen. Sie werden Epithelzellen genannt und sind in der Lage, Harz auszuscheiden. Laubholz Im Gegensatz zum Nadelholz gibt es beim Laubholz viele verschiedene Zelltypen und damit eine Arbeitsteilung. Das wiederum axial verlaufende Grundgewebe besteht aus Fasern. Je nach Entwicklungstyp handelt sich um Libriformfasern, Fasertracheiden oder vasizentrische Tracheiden, wobei in einer Holzart auch mehrere Fasertypen vorkommen kénnen. Der am weitesten differenzierte Fasertyp ist die Libriformfaser. Sie ist ausschliesslich fur die Festigkeit zustandig. Die Fasertracheide dagegen ist wie bereits der Name verrat, funktionell der Nadelholz-Tracheide noch sehr ahnlich und Ubernimmt neben Festigkeits- auch Wasserleitungsaufgaben. Der Hauptteil der Wasserleitung erfolgt jedoch, wie bereits erwahnt, Uber die Gefasse. Ein Gefass kann im Falle einer ringporigen Baumart bis zu mehreren Metern lang sein und besteht aus einer Vielzahl von Gefassgliedern, die nur wenige Zehntel Millimeter lang sind (Abbildung 9). Die Gefassglieder sind entweder unten wie oben vollig offen (einfache Gefassdurchbrechung) oder sind mit einer leiterformigen Gefassdurchbrechung verbunden, so dass das Wasser auf einfache Art und Weise transportiert werden kann. Zusdatzlich gibt es einen horizontalen Wassertransport Uber intervaskulare Tupfel. Die Gefassglieder besitzen eine recht diinne, vergleichsweise stark lignifizierte Zellwand und sind wie die Fasern bei Beginn ihrer Funktionserfillung bereits tot. leiterférmige Gefassdurchbrechung einfache Schrauben- Gefassdurchbrechung verdickungen Abbildung 9: Gefassglied aus dem Frithholz (a) und dem Spatholz (b). Im Gegensatz zu den einreihigen Holzstrahlen der Nadelhdizer, finden sich im Laubholz zum Teil recht breite Holzstrahlen, die im Tangentialschnitt durch ein Holzsttick einen spindelformigen Umriss annehmen. Sie bestehen ausschliesslich aus lebenden Parenchymzellen. Im Laubholz findet man aber auch axial ausgerichtetes Parenchym. Diese Zellen liegen entweder vereinzelt, in Bandern oder um Gefasse herum verteilt vor. Fir Tropenhdlzer ist ein ,augenférmiges* Umfliessen der Leitungsbahnen sehr typisch. Das Axialparenchym hat neben der Speicherfunktion auch die Aufgabe der Stoffausscheidung (z.B. Kristalle). 12 2. Holzwerkstoffe 2.1 Ubersicht zu den Holzwerkstoffen Holzwerkstoffe entstehen durch Zerlegen des Holzes und anschliessendes Zusammenfiigen der entstandenen Teile in geeigneter Weise, haufig (aber nicht ausschliesslich) mit Hilfe von Klebstoffen. Zusammensetzung der Holzwerkstoffe Holz Bindemittel Zusatzstoffe — (Holzanaloge Materialien: — synthetische Klebstoffe — Paraffin z. B. Stroh, Bagasse etc.) (HF, PF. IC) — Holzschutzmittel — mineralische Bindemittel — Brandschutzmittel ~ holzeigene Bindernittel - sonstige Zusatzstoffe — mechanische Verbindungs- (Russ, Farbe etc.) mittel (Diibel, Nut-Feder, Schwalbenschwanz etc.) Abbildung 12: Zusammensetzung von Holzwerkstoffen. Tabelle 3: Holz- und Klebstoff-Anteile verschiedener Holzwerkstoffe. Material Holzanteil in % Leimanteil in % Brettschichtholz 95-97 3-5 Massivholzplatte 95-97 3-5 Spanplatte 86-93 7-14 Faserplatte 86-100 0-16 (bei HDF bis 16%, bei leichten MDF je nach Klebstoffart z.T. deutlich héher) Furnierwerkstoffe 20-95 5-(80) (hohe Anteile bei kunstharzimpragniertem Holz) Die Anforderungen an die Holzqualitat sind bei den verschiedenen Holzwerkstoffen sehr differenziert. Allgemein steigen die Anforderungen an die Holzqualitat mit sinkendem Aufschlussgrad des Holzes. Sie sind bei Brettschichtholz und Lagenhdélzern deutlich hoher als bei Spanplatten. Vollholz Vollholz kann in unvergiitetes und vergiitetes Vollholz eingeteilt werden. Zu Vollholz werden Schnittholz (einschliesslich getrocknetes), Furnier und Rundholz gezahit. Im Bauwesen wird fur getrocknetes und meist vorsortiertes Holz haufig der Begriff Konstruktionsvollholz gebraucht. Zunehmende Bedeutung erlangt auch vergiitetes Holz. Die Vergiitung kann z.B. erfolgen durch: e = Druck (Erhohung der Dichte und damit auch der Festigkeit, teilweise mit thermischer oder hydrothermischer Vorbehandlung kombiniert). e = =Trankung mit Kunstharzen zur Erhéhung der Harte und des Abriebwiderstandes oder mit Schutzmitteln gegen Feuer und Holzschdadlinge. * Thermische oder hydrothermische Vergiitung, Vergtitung in heissem Ol, Methylierung oder Acetylierung, thermische Vergtitung und gleichzeitige Zugabe von Harzen aus Holz zwecks Verbesserung des Quell- und Schwindverhaltens und der Dauerhaftigkeit (und somit Reduzierung des Einsatzes von Holzschutzmitteln). 15 Holzwerkstoffe Das Holz kann durch Auftrennung in Strukturelemente von sehr unterschiedlicher Grésse zerlegt werden: Tafel der Holzelemente [Schnittholz | jdinneBretter] | Furnier ‘grobe Spiine jA| idickes Furnier Hotewalle Strands Feinspan fwtetef ®. Sars een Fasern Staub Zellulose eg CtyoH HOH OO TH Oy ! ~—ot Abbildung 13: Strukturelemente von Holzwerkstoffen nach Marra (1972), zitiert in Dunky und Niemz (2002). Mit der Grosse dieser Strukturelemente andern sich auch wesentlich die Eigenschaften des daraus gefertigten Werkstoffes. So verringert sich mit zunehmendem Aufschluss des Holzes die Festigkeit. Tabelle 4: Einfluss der Strukturauflésung auf die Eigenschaften von Holzwerkstoffen (vom Schnittholz zur Faserplatte). Vollholz Holzwerkstoff Festigkeit kx Aufschlussgrad —==z7] Homogenitat —==2_] Isotropie —===Z_] Energieeinsatz ==] Umweltbeeintrachtigung Warmedammung —— Oberflachengiite =z] Die Homogenitat, die Warmedammung, die Isotropie und die Oberflachenqualitat steigen dabei gleichzeitig ebenso wie der notwendige Energieaufwand und die Umweltbeeintrachtigung. Die Eigenschaften von Holzwerkstoffen lassen sich Uber die Struktur in einem weiten Bereich variieren. Holzwerkstoffe kénnen in die folgenden Gruppen eingeteilt werden: 16 Werkstoffe aus Holz Voltholz~ Furnier- Span- Faser- Verbund- Werkstoffe Werkstotfe Werkstoffe Werkstoffe Werkstoffe ~ Massivholeplatten ~ Furnier-Schichtholz = Spanplatte ~ mitteldichte Faser- ~ Tischlerplatte ~ Brettschichtholz (Laminated Veneer ~ Oriented Strand Platte (MDF) — Stébchenspertholz (SH) Lumber, LVL) Board (OSB) ~ Pordse Faserplatte — Parkett-Verbund- ~ Kreuzbalken — Spertholz ~ Spanstreifenholz (SB) platen ~ Lamelliertes Holz ~ Furnierstreifenholz (Laminated Strand — Harte Faserplatte = Sperttiren ~ Brettstapelplatten (Parallam) Lumber, LSL) (HB) ~ ete. ~ vorgefertigte Ele- ~ Waferboard mente ~ Strangpressplatte ~ Scrimber ~ Spezialplatten Abbildung 14: Einteilung von Holzwerkstoffen. 2.2 Werkstoffe auf Vollholzbasis Werkstoffe auf Vollholzbasis gewinnen seit dem Ende der achtziger Jahre zunehmend an Bedeutung. Gefordert wird diese Entwicklung durch die wachsende Bedeutung des Holzes als 6kologischer Baustoff. Abbildung 15 zeigt eine Einteilung der Werkstoffe auf Vollholzbasis. Zu dieser Gruppe gehéren (s. auch Abbildung 16): Massivholzplatten (ein- oder mehrschichtig, oft auch als Leimholzplatten bezeichnet; fur das Bauwesen werden Platten im Format bis zu 3m x 12 m x 0,5 m (Dicke) gefertigt, iber 12 cm Dicke werden die Platten meist als Hohlraumkonstruktion ausgefuhrt). Elemente in Brettstapelkonstruktion (genagelt, gediibelt, geklebt, Schwalbenschwanz- verbindung). Stabférmige, verklebte Elemente (lamelliertes Holz, Brettschichtholz, Profile; zunehmend im Bauwesen eingesetzt). Verbundelemente wie Kastentrager. Letztere gewinnen im Holzbau als Leichtbauprinzip an Bedeutung. Dabei werden die Hohlraume teilweise mit Sand (Erhéhung der Schalldammung) oder mit Dammstoffen (z.B. Faserdammplatten; Erzielung einer erhéhten Warmedammung) ausgefilllt. Werkstoffe auf Vollholzbasis plattenformig stabformig Verbund-Elemente - einschichtig - Brettschichtholz — Hohlkastentrager — mehrschichtig - Lamelliertes Holz — Elemente mit Warme- / Schall- (einschliesslich Profile) dammung — Kreuzbalken Abbildung 15: Einteilung von Werkstoffen auf Vollholzbasis. 17 2.4 Werkstoffe auf Spanbasis Werkstoffe auf Spanbasis sind heute der weltweit dominierende Holzwerkstoff. Abbildung 19 zeigt eine Ubersicht. Die Klassifizierung erfolgt nach EN 309. Klassifizierungsmerkmale sind: e das Herstellungsverfahren (flachgepresst, kalandergepresst, stranggepresst). e die Oberflachenbeschaffenheit (roh, geschliffen, flussigbeschichtet, pressbeschichtet). e die Form (flach, profilierte Oberflache, profilierter Rand). e die Grosse der Teilchen (Spanplatte, grossflachige Spane (Wafer), lange schlanke Spane (OSB), andere Spane). e der Plattenaufbau (einschichtig, mehrschichtig, etc.). e der Verwendungszweck (allgemeine Zwecke, tragende oder aussteifende Zwecke, spezielle Zwecke). Spanwerkstoffe Herstellungs- Spanart 7 ‘Querschnit Klebstofi7 Formaldehyde Toke SR] Ce | (SSE ] [_rowce | [ERERSEL | [PERE™] [[comaacte |] [aesinaine | ~flachgepresst. ~ Schneidspine —— einschichtig ~ niedtig —Hamstofharz - sehrniedrig ~ pressblank ~ feuchtege schatzt ~ kalandriert = Schlagspane ~ ckeischichtig mel ~ Phenolhare ~ niedtig ~ geschiffen ~ biogeschutzt ~ stranggepresst - Fremdspine - mehrschichtig hoch -Melaminharz ~ mittel ~ beschichtet ~ schwer brennbar ~ Formtele = Normalspan- ~ stufenlos = Isocyanatharz hoch Deckschicht _— homogene Quer- ~ Mischharze ~ Feinspan- ‘schnittsstruktur ~ Zement Deckschicht - Gips ~ Water ~ Tannine ~ Flake ~ Laminated Strand Lumber sl) ~ Oriented Structural Board Abbildung 19: Einteilung von Werkstoffen auf Spanbasis (Niemz 1993). Neben konventionellen Spanplatten (EN 312) und OSB (EN 300) werden heute eine Vielzahl von Spezialplatten kundenspezifisch in kleinen Mengen gefertigt. Auf diesem Gebiet hat es ebenso grosse Fortschritte gegeben, wie im Bereich der Engineered Wood Products. Als Beispiele seien genannt: e Platten mit reduziertem elektrischen Widerstand (Zugabe von Russ) zur Verminderung dielektrischer Aufladungen (z. B. fir Fussbéden in Computerarbeitsraumen). e Platten mit homogener Mittelschicht fur Profilierungen. e Platten mit besonders heller Deckschicht (entrindetes Holz) fir Mébelfronten. e Extrem leichte, nach dem Flachpressverfahren hergestellte Spanplatten mit Rohdichten von 300 - 400 kg/m*. e Hoher verdichtete Platten aus Laubholz fiir Bodenplatten. e Extrem dicke, nach dem Flachpressverfahren gefertigte Platten fur den Hausbau (z.B. Homogen 80, 80 mm dick). Vielfach werden Komplettsysteme fiir das Bauwesen von den Herstellern angeboten. Klassische Spanplatten werden heute in einer sehr grossen Variabilitat in einem breiten Rohdichteprofil gefertigt. Dunne, nach dem Kalanderverfahren hergestellte Spanplatten und stranggepresste Spanplatten haben fiir Spezialzwecke einen festen Markt. Dunne Spanplatten und MDF werden aber auch zunehmend in kontinuierlichen Pressen im mm-Bereich (bei MDF bis 1,5mm) hergestellt. Zahlreiche Hersteller haben eine bauaufsichtliche Zulassung und fur den Hersteller spezifische Kennwerte zur statischen Berechnung. 20 2.5 Werkstoffe auf Faserbasis Nach EN 216 werden Faserplatten wie folgt unterteilt (Abbildung 20): e Porése Faserplatten (SB) e Porése Faserplatten mit zusatzlichen Eigenschaften (SB.1) e Mittelharte Faserplatten geringer Dichte (MB.L) e Mittelharte Faserplatten hoher Dichte (MB.H) e Mittelharte Faserplatten hoher Dichte mit zusatzlichen Eigenschaften (MB.I) e Harte Faserplatten (HB) e Harte Faserplatten mit zusatzlichen Eigenschaften (HB.I) e Mitteldichte Faserplatten (MDF) e Mitteldichte Faserplatten mit zusatzlichen Eigenschaften (MDF.1) Faserwerkstoffe [ I I I [ | Rohdichte ] [ Querschnitts- [ Klebstoffart ] | Oberfliche | Bestindigkeit ] [ sonstige | | Fomagooye ~ weich ~ einschichtig ~ Hamstothare ~ pressblank = feuchtegeschitzt_ —~ Sonderbehandlung ~ sehrriedvig ~ mitlere Dichte ~ dreischichtig ~ Phenolhare ~ geschitien = biogeschutt (@.8. Lochen) ~ niedrig ~ hart ~ metrschichtig ~ Bitumen ~ beschichtet = schwer brennbar = mite ~ extrahart ~ stufenlos ~ hdlzeigene Binde- = hoch = homogene Quer tel schnittsstruktur Abbildung 20: Einteilung von Werkstoffen auf Faserstoffbasis (Niemz 1993). Auch auf diesem Gebiet wurden wesentliche Fortschritte im Bereich von Spezialprodukten erreicht. Zu nennen sind hier insbesondere MDF (Medium Density Fiberboard). Es gelang, die Rohdichte fur spezielle Einsatzbereiche (Dachplatten, Wandplatten) auf bis zu 350 kgim* zu reduzieren. Der Vorteil liegt, neben der geringen Dichte, in einem niedrigen Diffusionswiderstand. Dammplatten auf der Basis der MDF-Technologie mit einer Dichte bis zu 150 kgim* werden industriell gefertigt. Dabei wird Isocyanat als Bindemittel eingesetzt. Auf Basis der MDF-Technologie gefertigte Dammplatten haben im Vergleich zu den nach dem Nassverfahren gefertigten Platten eine héhere Druckfestigkeit und eine verbesserte Oberflachenqualitat. Ebenso werden Dammplatten auf Faserbasis unter Zugabe thermoplastischer Fasern nach einer in der Textiltechnik Ublichen Technologie gefertigt. 2.6 Verbundwerkstoffe Eine zunehmende Bedeutung gewinnen auch Spezialprodukte wie: Trager aus Holz und Holzwerkstoffen. e Verbundplatten mit Decklagen aus Holz oder Holzwerkstoffen und Kernen aus Holzwerkstoffen, Schaum stoffen oder Waben. OSB mit MDF (HDF)-Decklagen. Mehrschichtig aufgebaute Parkettbdéden. Lamellierte Fensterkanteln (zum Teil mit Innenlagen aus Schaumstoffen) Vorgespannte Bauteile aus Massivholz oder auch Holzwerkstoffen. Dabei handelt es sich um ein mehrschichtiges Material, mit meist hochfesten Decklagen und einer Mittellage aus einem leichteren Kern. Abbildung 21 zeigt eine Einteilung von Verbundwerkstoffen und in Abbildung 22 sind verschiedene Strukturmodelle dargestellt. 21 Verbundwerkstoffe Vollholz- Spanplatten- Hohlraum- Schaumstoff- mittellage mittellage mittellage mittellage Abbildung 21: Einteilung von Verbundwerkstoffen. Faserplatte Furnier Furnier Spanplatte Faceplate Faserplatte Abbildung 22: Strukturmodelle von Verbundwerkstoffen (verschiedene Kombinationen von Deck- und Mittellagen). 2.7 Engineered Wood Products Unter Engineered Wood Products wird eine Gruppe von Holzwerkstoffen verstanden, die primar dem Ersatz von Vollholz im Bauwesen dient. Sie werden als stabférmige (Uberwiegend Scrimber, Parallam) oder auch flachige Elemente (LSL, LVL) angeboten, welche auch zu stabférmigen Elementen aufgetrennt werden kénnen. Als Vorteile im Vergleich zu Vollholz werden genannt: e Sehr grosse und variable Apmessungen (insbesondere Langen), da endlos gefertigt. e Keine Verformungen durch Trocknungsspannungen. «Eine z.T. hohere Festigkeit als Vollholz, da keine Defekte (wie Aste) die Festigkeit vermindern. Die unter der Bezeichnung Engineered Wood Products gefertigten Produkte werden Uberwiegend mit Phenolharz oder Isocyanat feuchtebestandig verklebt. Tabelle 5 zeigt ausgew4hlte strukturelle Parameter von Engineered Wood Products. Strukturell handelt es sich dabei um Weiterentwicklungen von bekannten Werkstoffen auf der Basis von Spanen (LSL) oder Furnier (LVL, PSL). Fir diese Werkstoffe gelten weitgehend die wissenschaftlichen Grundlagen von Spanplatten und Lagenholz. Die mechanischen Eigenschaften von Engineered Wood Products liegen im Bereich von Vollholz oder dariiber. Bei diesen Produkten ist ein deutlicher Einfluss der Belastungsrichtung vorhanden (z.B. Biegung in und senkrecht zur Plattenebene). 22 KAPITEL III: Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe 1. Koordinatensystem Bei der Betrachtung des Holzes unterscheiden wir drei Schnittebenen. Die Beurteilung und Bestimmung von Holzeigenschaften ist stark von der Belastungsrichtung bzw. Bezugsebene abhangig. Das bedeutet, dass es sich bei Holz um ein inhomogenes und anisotropes Material handelt. L RT Abbildung 1a: Vollholz LR Belastungsrichtungen: T L Longitudinal | R Radial T- Tangential R Schnittebenen: LT- Tangentialflache, Fladerschnitt RT- Querschnitt, Hirnflache LR- Radialflache, Riftschnitt Ax, a Z “Oo Uy, x G, 7 | ow IN Ax, 1b) Holzwerkstoffe (haufig gilt fur die Indizes auch: 1 - x = in Herstellungsrichtung oder in Faserrichtung der Decklagen; 2 — y = senkrecht zur Herstellungsrichtung oder zur Faserrichtung der Decklagen; 3 —z = senkrecht zur Plattenebene) Abbildung 23: Koordinatensysteme von Holz und Holzwerkstoffen. 25 2. Dichte Die Rohdichte beeinflusst nahezu alle Eigenschaften massgeblich (z.B. Festigkeit, Schwind- und QuellmaRe, Warmeleitfahigkeit). So steigen mit zunehmender Dichte Festigkeit und Quellung sowie die Warmeleitzahl. Die Dichte variiert zwischen den einzelnen Holzarten in einem weiten Bereich von 100 kg/m? (Balsa) bis 1200 kg/m? (Pockholz). Infolge des hygroskopischen Verhaltens des Holzes ist die Dichte feuchteabhangig (s. Graphik). Es sollte daher immer bei der Angabe der Dichte auch die Holzfeuchte mit angegeben werden. Die Rohdichte berechnet sich zu (vgl. DIN 52182): p Rohdichte — ly ‘ 3 m Masse Pu = Vv in kg/m Vv Volumen “ u Holzfeuchte [%] Neben der Rohdichte werden noch weitere Dichten fur die Dichtebestimmung von Holz verwendet: - Darrdichte (Rohdichte im darrtrockenen Zustand: Masse darrtrocken/Volumen darrtrocken). - Normal-Rohdichte (Rohdichte im Normalklima bei 20°C/65% rel. Luftfeuchte, fur die meisten europaischen Hélzer entspricht dies einer Holzfeuchte von ca. 12%). - Raumdichtezahl (Masse darrtrocken/Volumen im maximal gequollenen Zustand (= oberhalb Fasersattigung)). - Reindichte (Masse des darrtrockenen Holzes/Volumen der reinen Zellwand, ohne Hohlraume). Die Reindichte betragt fur alle Holzarten einheitlich ca. 1500 kg/m*. 16 gicm 13 42 10 09 08 07 06 o5 Rohdichte 0,3 02 O 5 101520 304050 100 150200 % 400 Feuchtegehalt Abbildung 24: Einfluss des Feuchtegehaltes auf die Rohdichte. Die Rohdichte von Brettschichtholz und Sperrholz liegt im Bereich der Dichte des eingesetzten Holzes. Bei Partikelwerkstoffen kann die Rohdichte von 150 kg/m® bis 1050 kg/m? variieren. Spanplatten und MDF haben ein typisches Rohdichteprofil senkrecht zur Plattenebene, das durch Partikelstruktur, Feuchte und Presstechnik stark variiert werden kann. Mit der Rohdichte steigen die Festigkeit, der E-Modul und die Schallgeschwindigkeit. Durch Erhéhung der Deckschichtrohdichte bei Holzwerkstoffen kénnen die Biegefestigkeit und der Biege-E-Modul erhéht werden, gleichzeitig wirkt sich eine geschlossene Deckschicht positiv auf die Beschichtbarkeit aus. Fur die Schmalflachen- bearbeitung wird meist ein relativ homogenes Rohdichteprofil mit einer geschlossenen, nicht zu porigen Mittelschicht angestrebt. Die Rohdichte ist eine der dominierenden Einflussgréssen. 26 3. Holzfeuchte, Quellen und Schwinden Definition Kenngrésse zur Beurteilung des Wasseranteils ist der Feuchtegehalt (DIN 52183). Dieser berechnet sich zu: w Feuchtegehalt (fruher mit u bezeichnet (DIN 52183)) Mg — Moy —2—*. .100 (%) m. Masse des Holzes im feuchten Zustand o= May | Mate Masse des Holzes im darrtrockenen Zustand Grenzzustande des Systems Holz-Wasser Holz ist ein kapillarporéses System. Sowohl in die Makro- als auch die Mikroporen (Poren im Zellwandsystem) des Holzes kénnen sich Wassermolekille einlagern. Wr unterscheiden 3 Grenzzustande des Systems Holz — Wasser: - Darrtrocken: Es ist kein Wasser im Holz vorhanden, Holzfeuchte 0%. - Fasersattigung: Das gesamte Mikrosystem der Zellwand (intermicellare und interfibrillare Hohlraume) ist maximal mit Wasser gefillt. Die Holzfeuchte liegt etwa bei 28%; ein gewisser Einfluss der Holzart ist vorhanden. - Wassersattigung: Das Mikro- und Makrosystem des Holzes ist maximal mit Wasser gefiullt. Die Holzfeuchte liegt je nach Dichte des Holzes zwischen 770% (Balsa) und 31% (Pockholz). Der Uber Sorption bis zur Fasersattigung aufgenommene Wasseranteil im Holz wird als gebundenes Wasser bezeichnet. Das oberhalb des Fasersattigungsbereiches eingelagerte Wasser wird als freies Wasser bezeichnet. Sorptionsverhalten Holz ist hygroskopisch und nimmt Wasser aus der Luft durch Sorption auf bzw. gibt dieses durch Desorption an die Luft ab. Dies gilt bis zu einer relativen Luftfeuchte von 100%. Bei dieser Luftfeuchte ist der sogenannte Fasersattigungsbereich erreicht. Einer bestimmten Temperatur und rel. Luftfeuchte ist also eine holzartenspezifische Holzfeuchte zugeordnet. Wird die rel. Luftfeuchte reduziert, kommt es zur Desorption. Zwischen Adsorption und Desorption ist ein Hysterese-Effekt vorhanden, d.h. bei Desorption ist die Holzfeuchte um 1-2% héher als bei der Adsorption. Sorptionsisothermen bei 20°C 32 Fichtenholz = 24 = Spanplatten 3 = 4 3 16 % 5 Massivholzplatten g Z 3 Y of 0 20 40 60 80 100 rel. Luftfeuchtigkeit © (%) a) 27 Rotbuche Quetlung Oo 10 20 30 40 7,50 a) Holz feuchte \. SS \ SS WN \\ ‘\ \ =~ Sey my N) Wy mI I Li IY AY Abbildung 27: Quellung von Holz (a) und Auswirkungen auf die Verformung (b). Wird Holz beim Quellen bzw. Schwinden behindert (z.B. bei senkrecht zueinander verklebten Schichten in Massivholzplatten), entstehen innere Spannungen, die zu plastischen Verformungen und bei Uberschreiten der Festigkeit schlieRlich zu Rissen fuhren kénnen. Neben den inneren Spannungen im Material entstehen bei fester Einspannung der Proben auch erhebliche Quelldriicke (5-10N/mm ?), So wurde das Quellen des Holzes bereits in der Antike zum Sprengen von Steinen verwendet. Die Quellungsanisotropie des Holzes filhrt dazu, dass sich das trocknende Holz bei schrag verlaufenden Jahrringen stark verzieht. Auch lokale Inhomogenitaten (Dichteschwankungen, abweichende Jahrringlagen) fulhren bei langzeitiger Wechselklimalagerung zu unruhigen Oberflachen. Durch Oberflachenbeschichtung kann die Feuchteaufnahme des Holzes deutlich verzégert werden. Bei Holzwerkstoffen ist die Langenquellung leicht héher als bei Vollholz in Faserrichtung, da_ eine gewisse Quellung der Partikel senkrecht zur Faserrichtung in die Quellung in Plattenebene eingeht. Die Dickenquellung ist bei Spanplatten, Faserplatten und OSB deutlich hdher als die von Vollholz, da die verdichteten Partikeln (Dichte der Holzwerkstoffe ist héher als die von Vollholz) zurtickquellen. Die Langenquellung von MDF ist etwas geringer als die von Spanplatten. Bei OSB in Orientierungsrichtung der Spane ist sie niedriger als senkrecht dazu. Die Quellung wird durch die Verleimungsgiite und den Anteil an Hydrophobierungsmittel bestimmt. Dies ist auf das Riickquellen der beim Pressen verdichteten Partikeln zuriickzufuhren (,spring back”-Effekt). Dieser Effekt tritt auch bei der Befeuchtung von verdichtetem Vollholz (Pressvollholz) auf. Auch dieses Holz quillt bei Wasserlagerung starker als unverdichtetes Holz, wenn es nicht spezifisch modifiziert wurde. Die Holzfeuchte sollte vor dem Einsatz des Holzes der Ausgleichsfeuchte im spateren Einsatz weitgehend 30 angepasst werden, um Quellen und Schwinden sowie Formanderungen und Rissbildung zu minimieren. Tabelle 7: Prozentuale Quellung in % / % Feuchteanderung fiir ausgewahlte Holzwerkstoffe. Quell- /Schwindmass in %/% in Plattenebene/ Lange Senkrecht zur Plattenebene/ Material Faserrichtung Sperrholz 0,02 0,30 Spanplatte Phenolharz 0,025 0,45 Andere Harze | 0,015 (0,30) 0,70 (0,85) Brettschichtholz ” 0,01 0,24 MDF (0,15..0,20) (0,80) () unveréffentlichte Messungen Niemz Tabelle 8: Holzfeuchte im praktischen Gebrauch. Einsatzfall Holzfeuchte in % Schnittholz fur &10 Wohnraummobel Schnittholz im Innenbereich 8 Schnittholz fur Bauzwecke, 12-18 unbeheizt Inneneinbauten &12 Heizkérperverkleidungen 6-8 Bedeutung der Holzfeuchte Die Holzfeuchte beeinflusst alle Eigenschaften des Holzes wesentlich. Mit zunehmender Holzfeuchte sinkt die Festigkeit, steigt die Warmeleitfahigkeit und erhdht sich die Anfalligkeit gegeniber holzzerstérenden Pilzen. Die Bauteilgrésse hat einen deutlichen Einfluss auf die Gleichgewichts- feuchte und das Quell- und Schwindverhalten. Bei grossen Querschnittsabmessungen (z.B. bei Brettschichtholz) wird bei Klimawechsel die dem Klima entsprechende Gleichgewichtsfeuchte meist nur in den Randzonen erreicht. Im Ergebnis eines sich Uber dem Holzquerschnitt einstellenden Feuchteprofiles entstehen innere Spannungen, Verformungen und bei Uberschreiten der Festigkeit haufig Risse. Durch die Uberlagerung von dusseren mechanischen Beanspruchungen und inneren Spannungen kann das Verhalten von Bauteilen wesentlich beeinflusst werden. Dies hat z.B. Einfluss auf das Kriechen oder auch auf die Festigkeit von unter Dauerlast beanspruchten Holzkonstruktionen. So kann es durch Uberlagerung von mechanischer Zugbelastung und Schwinden in den Randzonen eines Balkens dazu kommen, dass Holz in der Trocknungsphase unter Dauerlast versagt, da sich mechanische Belastung und Schwindspannungen addieren, in der Befeuchtungsphase dagegen kein Versagen auftritt, da sich Zugbelastung und Quellungspannungen subtrahieren. Elastomechanische Eigenschaften Bedingt durch den orthotropen Aufbau des Holzes (unterschiedliche Eigenschaften in den Hauptschnittrichtungen: langs, radial, tangential) sind, je nach Auflésungsgrad der Struktur des nativen Holzes und der Struktur des daraus gefertigten Holzwerkstoffes, auch die Eigenschaften von Holzwerkstoffen mehr oder weniger orthotrop. Bei Furnierschichtholz, Massivholzplatten und auch bei OSB ist ein deutlicher Einfluss in der Orientierung der Decklagen zur Belastungsrichtung vorhanden. Senkrecht zur Faserrichtung (Probenlangsachse) belastete Lagen (z.B. Mittellagen bei Massivholzplatten, querliegende Lagen bei LVL) haben deutlich niedrigere Festigkeitseigenschaften als in Faserrichtung belastete Lagen. Werkstoffe auf Vollholzbasis (Brettschichtholz, Massivholzplatten) sind aus diesem Grunde empfindlich gegen Schub und gegen Zug senkrecht zur Faser. 31 Bei konventionellen Span- und Faserplatten sind herstellungsbedingt in Fertigungsrichtung etwa um 10 % hohere mechanische Eigenschaften und eine niedrigere Quellung vorhanden als senkrecht dazu. Dies ist auf eine gewisse Partikelorientierung beim Streuvorgang zuritickzufuhren. Infolge des viskoelastischen Charakters von Holzwerkstoffen sind alle Eigenschaften zusatzlich zeitabhangig. Dies gilt sowohl fiir die Kenngréssen des elastischen Verhaltens (E-Modul, Schubmodul) als auch fur die Festigkeit (z.B. Biege-, Zug-, Druckfestigkeit). 4. |Thermische Eigenschaften Zu den thermischen Eigenschaften zahlen: e Wéarmeleitfahigkeit/Warmekapazitat e Warmeausdehnung e — Brandverhalten Holz hat eine geringe Warmeleitzahl, ist daher gut als Dammmaterial einsetzbar. Die thermische Ausdehnung ist gering und wird praktisch meist vernachlassigt. Holz ist brennbar, bei grossen Abmessungen bildet sich jedoch eine Holzkohleschicht, die das Weiterbrennen verhindert. Ein starker Festigkeitsverlust, wie er bei Stahl bei grosser Hitze auftritt, ist bei Holz nicht vorhanden. 5. _Elastische Eigenschaften Die Elastizitat ist die Eigenschaft fester Korper, einer durch aussere Krafte bewirkten Verformung entgegen zu wirken. Nimmt der Kérper nach der Entlastung seine Ursprungsform vollstandig wieder an, so spricht man von einem ideal elastischen Korper. Zwischen Spannung und Dehnung besteht bei ideal elastischen K6rpern ein linearer Zusammenhang (Hookesches Gesetz). Die elastischen Eigenschaften sind beim Einsatz von Holz im Zusammenhang mit der Gebrauchstauglichkeit massgebend. Bei der Dimensionierung muss sichergestellt werden, dass ein Bauteil nicht nur eine geniigende Festigkeit besitzt, sondern die aufzunehmenden Krafte ohne unzulassige Verformung aufnehmen respektive Ubertragen kann. ¢o 628 Nimm@L 4 S22 | ! 75 ps 1 ' 60 i | | / | ! 45 pe 1 2 |W 2 Druck 5 Sap \ Bao p22 4 1 | 15 L tga - S]-€, | E é \ 0 _E plastisch| Abbildung 28: Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Vollholz bei Zug- und Druckbelastung. Holz und auch Holzwerkstoffe sind ein orthotropes Material. Wir haben bei Vollholz 3 E-Moduli (E., Er, Er) , 3 Schubmoduli (Gert, Gir, Grr) und 6 Poissonsche Zahlen. Analoges gilt fur Holzwerkstoffe. Es gilt das Hookesche Gesetz, bei Beriicksichtigung der Orthotropie das erweiterte Hookesche Gesetz. 32 6. Festigkeitseigenschaften Ubersicht Wichtige Festigkeitseigenschaften sind Zug-, Druck-, Biege-, Scherfestigkeit und auch die Brinellharte; zunehmende Bedeutung gewinnt fur Holz und Holzwerkstoffe auch die Bruchmechanik. Bei Vollholz ist bei Kleinen, fehlerfreien Proben die Zugfestigkeit in Faserrichtung etwa doppelt so hoch wie die Druckfestigkeit. Die Biegefestigkeit liegt zwischen beiden. Die Festigkeit in Faserrichtung ist deutlich héher als senkrecht zur Faserrichtung. Sie ist radial hoher als tangential. Pozgai, Chonavec, Kuriatko und Babiak (1993) geben z. B. fur Fichte folgendes Verhaltnis an: Zugfestigkeit: tangential: radial: langs 11,3: 44 (1,7 Nimm? : 2,2 Nimm? : 74,4 Nimm’), fur die Druckfestigkeit: tangential: radial: langs = 1: 0,85: 8,5 (4,0 Nimm?: 3,4 Nimm?: 34,1 N/mm ). Mit zunehmendem Winkel zwischen Probenlangsachse und Faserrichtung (Faser-Last-Winkel) sinken die elastischen Konstanten und die Festigkeit deutlich ab. Der Einfluss des Faser-Last-Winkels kann nach dem Gesetz von Hankinson nach (Niemz 1993) beschrieben werden. c= Sma P * F naxS F pax P SIN” P+ Oyq,8 COS” P Dabei sind: Gna Festigkeit parallel zur Faser OnaS Festigkeit senkrecht zur Faser 9 Winkel n Exponent, abhangig von der Belastungsart Der Winkel zwischen radialer und tangentialer Richtung wird auch als Jahrringneigung bezeichnet und ist z.B. bei Schubbelastung in der RT-Ebene von Bedeutung. Die Festigkeit bei Nadelholz ist in der RT-Ebene etwa unter einem Winkel von 45 Grad am geringsten, radial nahezu doppelt so hoch wie tangential. An Bauholz (z.B. DIN EN 338) sind die charakteristischen Festigkeitswerte der Festigkeitsklasse C16 bei Druck (fiir Nadelholz z.B. 16 N/mm?) dagegen héher als bei Zug (10 N/mm’), was u.a. auf die im Bauholz vorhandenen Aste zuriickzufulhren ist. Fur Rundholz ist eine um etwa 10% héhere Festigkeit als fur Schnittholz anzusetzen, da die Fasern nicht angeschnitten sind. Sehr gering sind die Druckfestigkeit und die Zugfestigkeit senkrecht zur Faserrichtung. Die charakteristischen Werte der Druckfestigkeit senkrecht zur Faser liegen bei dieser Festigkeitsklasse nur bei 2,2 N/mm?. Die Eigenschaften von Holzwerkstoffen sind stark abhangig von deren Struktur, sie k6énnen teilweise bereist rechnerisch vorausbestimmt werden (Massivholzplatten; Sperrholz). Alle Eigenschaften sind stark feuchteabhangig. Mit zunehmender Holzfeuchte, etwa oberhalb von 5 - 8%, sinkt die Festigkeit bis zur Fasersattigung etwa linear ab. Nach Angaben des US Forest Products Laboratory bewirkt 1% Holzfeuchteanderung im Holzfeuchtebereich von 8 - 18% folgende Abnahme der Holzeigenschaften: e Druckfestigkeit: 6% e Zugfestigkeit: 3% e Biegefestigkeit: 4% Weitere Einfliisse auf die Festigkeit sind: e Temperatur: Die Festigkeit sinkt mit steigender Temperatur. e Mechanische oder klimatische Vorbeanspruchungen (z.B. bei Lagerung im Wechselklima). e Bauteilgrésse. 2ug-/Druckfestigkeit Fur die Zugfestigkeit gilt: F max On = A 35 Die Druckfestigkeit (og) berechnet sich analog der Zugfestigkeit aus dem Quotienten Bruchkraft (Fmax) zu Querschnittsflache (A). Bei Druckbelastung ist zwischen der Belastung in Faserrichtung und senkrecht dazu zu unterscheiden. Bei Druck senkrecht zur Faserrichtung wird meist die Spannung bei einer bestimmten Verdichtung/Zusammendriickung (z.B. 5 %) gepriift, da sich Holz stark zusammendriicken lasst und kein eigentlicher Bruch entsteht. Die Druckfestigkeit in Faserrichtung von Vollholz liegt etwa bei der Halfte der Zugfestigkeit in Faserrichtung (siehe Einfhrung). Die Druckfestigkeit senkrecht zur Faserrichtung ist sehr gering. Bei Nadelholz kommt es bei Druck in radialer Richtung zum Verdichten des Frihholzes. Im Holzbau muss daher bei Querdruckbelastung das senkrecht zur Faserrichtung beanspruchte Element haufig verstarkt werden, um ein Uberschreiten der Bruchspannung senkrecht zur Faser zu verhindern. Biegefestigkeit Tabelle 10: Formeln zur Berechnung der Biegefestigkeit. ; M, M, Biegemoment allgemein Opp = WW, Ww, Widerstandsmoment on _Biegefestigkeit (N/mm?) 1 Fmax Bruchkraft (N) / / Fax Is Stiitzweite Dreipunkt-Biegung Opp = be b Probenbreite > Ah Probenhéhe F. Vierpunkt-Biegung a 4 (Belastung in oop = Drittelspunkten) ~ Die gebrauchlichsten Belastungsfalle bei der Materialpriifung sind der Dreipunkt-Versuch (Trager auf 2 Stitzen mit mittiger Einzellast) und der Vierpunkt-Versuch (Trager auf 2 Stiitzen und Krafteinleitung Uber 2 Punkte). Bei Biegung treten Zug- und Druckspannungen in den Randzonen auf. Je nach Belastungsfall sind bei Einwirkung von Querkraften (z.B. bei Dreipunktbiegung) Schubspannungen vorhanden, die in der neutralen Faser das Maximum erreichen. Dreipunktbelastung _ be AF E= 4bh? Af 2 3LLL? AF &b-h® Af a) 36 yams, b) Abbildung 29: Biegebelastung: a) Drei-und Vierpunktbiegung; b) Idealisierte Normal- und Schubspannungen bei Dreipunktbiegung. Bei der Vierpunktbelastung ist der mittlere Bereich zwischen den beiden Kraften schubspannungsfrei. Schubspannungen treten dort nur in den Randbereichen zwischen den Auflagern und dem Krafteintrag auf. Daher kann bei Vierpunktbelastung unter Zugrundelegung der Durchbiegung im schubspannungsfreien Bereich ein E-Modul bei reiner Biegung ermittelt werden. Bei Dreipunktbelastung ist das Ergebnis dagegen durch die auftretenden Querkrafte immer vom Schubeinfluss Uberlagert. Der Biege-E-Modul ist also in diesem Falle vom Verhdltnis Stutzweite zu Dicke abhangig. Mit zunehmender Belastung verschiebt sich infolge der Unterschiede zwischen Zug- und Druckfestigkeit bei Vollholz die Spannungsnulllinie in Richtung Zugzone, bei Holzpartikel- werkstoffen ist dies nicht der Fall, da Zug- und Druckfestigkeit etwa in gleicher Gréssenordnung liegen. Scherfestigkeit Die Scherfestigkeit ist der Widerstand, den ein Kérper einer Verschiebung zweier aneinander liegender (angrenzender) Flachen entgegensetzt. Bei Scherbelastung wirken zwei gegenlaufig angreifende Kraftepaare. Die Scherfestigkeit berechnet sich zu: T Scherfestigkeit (N/mm?) F max T= a:b Fmax Bruchlast (N) ab Querschnittsabmessungen Es gibt analog den 3 Schnittebenen von Holz 3 Scherebenen, die jeweils durch Belastung quer und senkrecht zur Faserrichtung entstehen kénnen. Innerhalb (Scherflache LR oder LT) einer Scherebene ist die Scherfestigkeit bei Belastung parallel zur Faserrichtung grésser als bei Belastung senkrecht zur Faserrichtung. Beim Scheren in der Hirnflache (Belastung senkrecht zur Faser; Scherflache RT) kommt es zunachst zu einer starken Verdichtung des Holzes, da die Druckfestigkeit senkrecht zur Faser gering ist. Erst nach dem Verdichten kommt es zum eigentlichen Scheren. Ein eigentlicher Scherbruch wird in dieser Scherebene kaum erreicht. Es wird dabei letztlich die Scherfestigkeit des verdichteten Holzes gepriit. Tabelle 11: Poissonsche Konstanten fiir Laub- und Nadelhdlzer nach Bodig und Jayne (1993). 1. Index: Richtung der Kraft. 2. Index: Richtung der Dehnung. Poissonsche Konstante Laubholz Nadelholz Ur 0,37 0,37 Hur 0,42 0,50 Het 0,47 0,67 Hie 0,35 0,33 Here 0,041 0,044 Br 0,033 0,027 37 i i Faserverlaut: Kriechzahl k, rh I BB o 14 28 42 56 70 Belastungsdauer t [d] Abbildung 30: Vergleich der Kriechverformung von dreischichtigen Massivholzplatten im Wechsel- klima bei 20°C/85% rel. Luftfeuchte und 20°C/35% rel. Luftfeuchte und einem Belastungsgrad von 35% der Bruchlast bei Belastung in (p) und senkrecht (rw) zur Faserrichtung der Decklagen (Dube in IHD - Holzwerkstoff-Kolloquium 1999, zitiert in Dunky und Niemz (2002)). Bei Zugbelastung steigt die Dehnung der Probe in der Adsorptionsphase (Probe quillt und wird durch den Kriechvorgang langer). In der Desorptionsphase wird die Probe durch das Schwinden kirzer und das Kriechen langer. Die Gesamtverformung steigt bei mittlerer Last in der Befeuchtungsphase und sinkt in der Trocknungsphase. Die Abnahme in der Desorptionsphase ist niedriger als der Anstieg in der Adsorptionsphase. Bei Druckbelastung steigt die Kriechverformung in der Trocknungsphase (Probe schwindet und kriecht, wird also kirzer); in der Befeuchtungsphase wird sie durch das Quellen langer und das Kriechen kirzer. Der Gesamteffekt ist also analog der Zugbelastung, die Verformung erfolgt aber in umgekehrter Richtung. Die gesamte Kriechverformung bei Klimawechsel (Hillkurve von Adsorption und Desorption) steigt dagegen kontinuierlich mit der Zeit an. Analoge Effekte treten bei der Spannungsrelaxation auf. Bei Vollholz, Brettschichtholz und Sperrholz ist die Kriechverformung im Wechselklima héher als im Konstantklima. Bei Spanplatten ist im allgemeinen die Kriechverformung im Konstantklima hdher als im Wechselklima (gleiche Sorptionsmaxima vorausgesetzt). Die Gesamtverformung setzt sich aus: - elastischer Verformung - elastischer Nachwirkung und - plastischer Verformung zusammen. An der plastischen Verformung sind auch Mikrobriiche beteiligt. Sie steigt mit zunehmender Feuchte. Spanplatten haben im Gegensatz zu Voll- und Sperrholz im feuchten Konstantklina eine héhere Kriechverformung als im Wechselklima (bei gleichen Sorptionsmaxima). Der Klebstoff wirkt sich deutlich auf das Kriechverhalten aus. Bei PF-Harzen wirkt sich deren hygroskopisches Verhalten deutlich auf die Kriechverformung aus (das im PF vorhandene Alkali ist hygroskopisch). Harnstoffharz kriecht weniger als Phenolharz oder Isocyanat; PVA-Klebstoffe neigen sehr stark zum Kriechen. Die Kriechverformung steigt Uber Jahre hinweg an. Eine Erhéhung der Last bewirkt einen Anstieg der Kriechverformung. Spannungsrelaxation Wird eine Probe konstant verformt, so sinkt die zur Aufrechterhaltung der Verformung erforderliche Spannung mit zunehmender Zeit ab. Man_ spricht dabei von Spannungsrelaxation. Spannungsrelaxation tritt z.B. bei vorgespannten Holzkonstruktionen wie Briicken auf, sie liegt etwa in der Gréssenordnung der Kriechverformung. Dauerstandfestigkeit Die Dauerstandfestigkeit ist die Spannung, mit der ein Werkstoff bei unendlich langer Belastungsdauer gerade noch belastet werden kann ohne zu brechen. Auch hier wirken die gleichen Einflussgréssen, die bereits fur das Kriechen und die Relaxation beschrieben wurden. Die Dauerstandfestigkeit liegt im Normalklima bei ca. 60 % der Kurzzeitfestigkeit. 40 IV. Ubungsaufgaben (in loser Folge; teils mit und teils ohne Lésung) 1) Aus welchen Substanzen besteht das Holz anteilmassig und welches sind deren Funktionen? Antwort: Zellulose (40 — 55 %): Geriiststoff der Holzfasern, kettenférmig, einachsig ausgerichtet (> Anisotropie); fur Zugfestigkeit verantwortlich. Hemizellulosen (15 — 35 %): Gertiststoffe, Reservestoffe. Lignin (20 — 30 %): Kittstoff, der in Zellulosegeriist eingelagert wird; bewirkt die Verholzung; fur Druckfestigkeit verantwortlich. Harze, Fette, Eiweisse (2 — 7 %): Schutz, Konservierung. 2) Beschreiben Sie den anatomischen Aufbau von Holz im makroskopischen Bereich. 3) Nennen und erlautern Sie wichtige mikroskopische Strukturmerkmale von Laub- und Nadelholz. 4) Erlautern Sie den submikroskopischen Aufbau von Holz. 5) Was sind Holzwerkstoffe? Erlautern Sie deren Einteilung und nennen Sie 4 wichtige Holzwerkstoffe. 6) Welche Dichten werden beim Holz unterschieden (Name + Definition)? Antwort: Reindichte: Dichte der Zellwandsubstanz. Betragt bei allen Hélzem zwischen 1500 und 1600 kg/m”. Rohdichte: Holzmasse pro Volumen des Holzes (inkl. Porensysteme). Die Rohdichte ist feuchteabhangig. Darrdichte: Rohdichte des vollstandig getrockneten Holzes. Raumdichtezahl: Darrmasse pro Volumen des Holzes im fasergesattigten Zustand. 7) Erlautern Sie die viskoelastischen Eigenschaften von Holz. Antwort: Kriechen, Spannungsrelaxation, Dauerstandfestigkeit. 8) Erlautern Sie das Spannungs- und Dehnungsverhalten von Vollholz bei Zug- und Druck- belastung in Faserrichtung. Anwort: Skizze; Zugfestigkeit ca. doppelt so gross wie Druckfestigkeit. 9) Welchen Einfluss hat die Dichte des Holzes auf das Quellen und Schwinden sowie die Festigkeitseigenschaften? (Skizzen und kurze Erlauterungen) Antwort: Mit zunehmender Dichte erhdht sich das Quellen und Schwinden, da mehr Wasser (Volumen %) in die Holzsubstanz (Zellwande) eingelagert wird. Mit zunehmender Dichte nimmt auch die Festigkeit des Holzes zu. 10) Welche Vorteile bieten Holzwerkstoffe gegeniiber Vollholz? Antwort: Vergiitung des Holzes: z.B. Homogenisierung der Festigkeitseigenschaften, geringeres Quell- und Schwindverhalten. Verwendung von Abfallholz. a4 11) 12) 13) 14) 15) Welche Vor- bzw. Nachteile (je 3) besitzt Holz gegenUber anderen Baumaterialien (z.B. Beton)? Antwort: Vorteile: Geringe Rohdichte bei grosser Festigkeit, leichte Transportierbarkeit und Bearbeit- barkeit, guter Warmeschutz, gute Bestandigkeit in standig trockenem oder nassem Zustand, kurze Montagezeit, Méglichkeit zur spateren Wiederverwendung, biologisch abbaubar. Nachteile: Geringe Bestandigkeit bei Wechselklimalagerung, verhaltnismassig grosse Form- anderungen, inhomogen und anisotrop, leichte Zerstérbarkeit durch Feuer, pflanzliche und tierische Schadlinge. Berechnen sie unter Verwendung der differentiellen Quellmasse (Tabelle 6) die Quellung eines Brettes (1m x 1m) bei freier Quellung: a) wenn Bretter mit stehenden Jahrringen verklebt wurden (Quellung radial). . bis zum Fasersattigungsbereich. . wie gross ist die Quellung dariiber. b) wenn Bretter mit liegenden Jahrringen verklebt wurden (Quellung tangential). . bis zum Fasersattigungsbereich. . wie gross ist die Quellung dariiber. c) Wie gross ist die Langenquellung. Zeichnen Sie schematisch ein Feuchteprofil senkrecht zur Plattebene einer Holzplatte aus Fichte auf, die zunachst bis zur Gleichgewichtsfeuchte gleichmassig im Normalklima (20°C/65% rel. Luftfeuchte) klimatisiert wurde und danach fiir etwa 2 Wochen in einem trockeneren Klima (20°C/30% rel. Luftfeuchte) gelagert wurde. Welche Feuchte ergibt sich unmittelbar an der Probenoberflache, welche in der Plattenmitte? Beschriften in der Abbildung die drei Hauptrichtungen und die drei Hauptebenen von Holz mithilfe der Abkirzungen L, R und T (fiir ,,longitudinal", ,,radial“, tangential“) CO Cc) Berechen Sie die Dimensionen und das Volumen eines Fichtenbrettes mit den Abmessungen 3000 mm (longitudinal) x 150 mm (radial) x 22 mm (tangential) bei Anderung der Holzfeuchte von 6% auf 14%, bei Anderung der Holzfeuchte von 14% auf 32% (Fasersattigung), bei Anderung der Holzfeuchte von 32% auf 49%. Zu verwendende Kennwerte (differentielle Quellung der Fichte): Radial 0,11%/% Feuchte- anderung; tangential 0,25%/% Feuchteanderung; longitudinal: 0,009%/% Feuchteanderung. Bitte geben Sie das Ergebnis jeweils in [mm] an (auf zwei Dezimalstellen genau). 42 21) Skizzieren Sie das Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Vollholz, das im Zug- und im Druckversuch in longitudinaler Richtung belastet wurde, bis zum Erreichen der Maximallast. Geben Sie grob das Verhaltnis zwischen tangentialer, radialer und longitudinaler Zugfestigkeit von Fichtenholz an. Antwort: 90 Nimm* 75 -|-_— _E plastisch | Verhaltnis Zugfestigkeit Fichte (Skript S. 35): 1(T):1.3(R) : 44 (L). 22) Skizzieren Sie in einem Diagramm die Holzfeuchtigkeit von Fichtenholz in Abhangigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit (fir rel. Luftfeuchtigkeiten von 0 bis 100%; das Holz ist komplett von Luft umgeben). Kennzeichnen Sie in diesem Diagramm auch die drei Phasen des Sorptionsvorgangs. Wie nennt man die Grenzzustande des Systems Holz/Wasser bei 0% und bei 100% relativer Luftfeuchtigkeit? Antwort: Sorptionsisothermen bai 20°C 22 Fichtenholz Spanplatten’ \ Massivhotzplatten, Wassergehalt u (%) MDF a 20 40 60 0 on rel. Luftteuchtigkelt & () Darrtrocken, Fasersattigung 45 23) 24) 25) 26) be ~ mm - (25 mm) Ein Buchenstab wird im 4-Punkt Biegeversuch gepriift. Der Stab ist 40 cm lang, 25 mm hoch und 20 mm breit. Als Maximalkraft wird ein Wert von 3.5 KN erreicht. Berechnen Sie die Biegefestigkeit unter Verwendung folgender Gleichung: Fax ,l Oe = a 3 6) Antwort: 3500N 400mm 2 3 = 112 N/mm? 6 Sind die in der Tabelle genannten Eigenschaften bei Vollholz oder bei einer Faserplatte grésser? Vervollstandigen Sie die Tabelle mit den Symbolen ,,<“ oder ,,>“: Vollholz__Faserplatte Festigkeit Aufschlussgrad Homogenitat lsotropie Energieeinsatz Umweltbeeintrachtigung Warm edammung Oberfiachengiite Erlautern sie die Wasseraufnahme des Holzes durch Sorption und Kapillarkrafte. Bis zu welchem Feuchtebereich tritt Sorption auf? Welche Grenzzustande des Systems Holz/Wasser gibt es? Antwort: Sorption: Wasseraufnahme aus der Luft; es stellt sich entsprechend Temperatur und rel. Luftfeuchte eine Gleichgewichtsfeuchte ein. Phasen: Chemiesorption, Physisorption oder physikalische Sorption (Adsorption), Kapillarkondensation (Kondensation des Wassers in den Kapillaren); Wasserabgabe durch Desorption. Wasseraufnahme/Abgabe aus Luft bis zur Fasersattigung (ca. 30% Holzfeuchte), das Wasser in diesem Bereich wird als gebundenes Wasser bezeichnet; daritber Wasseraufnahme durch kapillare Zugspannungen (auch als freies Wasser bezeichnet). Grenzzustande: Darrtrocken, Fasersattigung, Wassersattigung. Nennen Sie 3 wicl le Einflussfaktoren auf die Holzfestigkeit und erlautern Sie, wie sie die Holzfestigkeit beeinflussen. Antwort: Dichte: Mit zunehmender Dichte steigt die Festigkeit. Faserwinkel bzw. Faser-Last-Winkel (Winkel zwischen Belastungsrichtung (Druck, Zug) und Faserrichtung): Mit zunehmendem Winkel starker Abfall der Festigkeit. Holzfeuchte: Abnahme der Festigkeit mit Zunahme der Feuchte (bis Fasersattigung); oberhalb der Fasersattigung hat die Feuchte kaum mehr einen Einfluss auf die Festigkeit. Jahrringlage: Radiale Festigkeit grésser als tangentiale. 46 27) 28) 29) 30) Holz zeigt beim Ejinwirken einer Kraft viskoelastisches Verhalten. Nennen und skizzieren Sie in Abhangigkeit von der Zeit die drei Phasen der Kriechverformung bis zum Bruch. Antwort: Primar-, Sekundar-, Tertiarperiode. Kriech~ e(t) bruch Sekundar- | Tertidr~ periode _| periode Teilen Sie die Holzwerkstoffe auf Grund der Grosse der einzelnen Bestandteile (erhalten durch Zuschnitt oder anderweitigen Aufschluss des Holzes) in vier Kategorien ein. Nennen Sie fiir jede Kategorie ein Beispiel eines Holzwerkstoffes mit Verwendungs- zweck. Antwort: Vollholzwerkstoffe (z.B. Brettschichtholz (Balken, Trager); Massivholzplatten (Wand- und Deckenelemente)). Furnierwerkstoffe (z.B. Sperrholz, Furnierschichtholz (Mébel)). Spanwerkstoffe (z.B. Spanplatten (Mébel), OSB (Wand- und Bodenelemente)). Faserwerkstoffe (z.B. porése Faserplatten (Warme- und Schallschutz); MDF (Mébel)). Zeigen Sie anhand eines Diagramms, wie der Holzfeuchtigkeitsgehalt die Zug-, Biege- und Druckfestigkeit von Nadelholz (in Faserlangsrichtung) beeinflusst. Warum wirkt sich eine Holzfeuchtigkeitsanderung unterhalb des Fasersattigungspunktes anders auf die Festigkeit auf als diejenige oberhalb des Fasersattigungspunktes? Antwort: siehe Skript ,Werkstoffe im Bauwesen“, S. 82 (Abb. 5.13). Unterhalb des Fasersattigungspunktes wird Wasser von den Zellwanden aufgenommen, die dadurch quellen und erweichen. Oberhalb des Fasersattigungspunktes wird die Festigkeit nicht mehr durch die Feuchtigkeit beeinflusst, da Feuchtigkeit nur noch als freies Zellwasser aufgenommen wird. Bei einem Fichtenbrett ist der E-Modul in Faserlangsrichtung (12000 N/mm2) 20mal so gross wie der E-Modul senkrecht zur Faserrichtung. Berechnen Sie, wie gross der E- Modul naherungsweise ist, wenn die Belastungsrichtung um 20° von der Faserlangs- richtung abweicht. Antwort: 12000 = 600 N 5 N Eas) = NW mu aN = 7362 5 12000 -(sin(20°))° + 600 =(cos(20°))? mm mre mre 47