Einfluss der Holzfeuchte auf EModul und Biegefestigkeit ... · An Biegestäben aus Fichte, Rotbuche, Esche und Ahorn wurde der Einfluss der Holzfeuchte im Bereich zwischen 9 und ca

65Aus der Forschung

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Laubholz wird in zunehmendem Umfang durch die Forst-wirtschaft bereitgestellt. Derzeit wird der überwiegende Teil

noch energetisch genutzt, während größere Mengen stofflich im Bauwesen eingesetzt werden könnten. Dem stehen jedoch deutlich erhöhte Kosten im Vergleich zu Nadelholz entgegen. Nur Kon-struktionen, bei denen auch die höheren Festigkeitseigenschaften des Nadelholzes ausgenutzt werden, sind wirtschaftlich effektiv. Um Holz konstruktiv einzusetzen, wird eine komplexe Material-

Einfluss der Holzfeuchte auf EModul und Biegefestigkeit ausgewählter heimischer HolzartenAn Biegestäben aus Fichte, Rotbuche, Esche und Ahorn wurde der Einfluss der Holzfeuchte im Bereich zwischen 9 und ca. 20 Prozent bestimmt. Es konnte der erwartete lineare Abfall der Eigenschaften in den geprüften Bereich nachgewiesen werden. Die ermittelten Kennwerte erlauben es, Korrekturfaktoren für den Feuchteeinfluss einzuführen. Die Unterschiede innerhalb der geprüften Holzarten sind gering. Die E-Module der Laubhölzer liegen eher im unteren Bereich der in der Literatur angegebenen Werte. Peter Niemz 1)

charakterisierung benötigt; ein wichtiger Teil ist dabei die Kenntnis des Einflusses der Holzfeuchte. Allgemein sind die Unterschiede der E-Module von Laub- und Nadelholz vergleichsweise gering, größer sind die Unterschiede in der Festigkeit. Es ist bekannt, dass E-Modul und Biegefestigkeit im Bereich von 10 Prozent bis zur Fa-sersättigung mit steigender Holzfeuchte linear abfallen. Bei Zugbe-lastung steigt die Festigkeit von darrtrocken bis etwa 10 Prozent zunächst an und fällt danach linear bis zum Fasersättigungsbereich

1) Prof. Dr. Peter niemz ist leiter der gruppe Holzphysik im insti-tut für baustoffe, etH zürich

p tabelle 1: zusammenstellung von Kennwerten für die geprüften Holzarten nach Wagenführ (2006)

u tabelle 2: rohdichte, Holz-feuchte, e-Modul und biegefes-tigkeit von Fichte bei 50, 65, 80 und 95 Prozent rel. luftfeuch-tigkeit

u tabelle 3: rohdichte, Holz-feuchte, e-Modul und biegefes-tigkeit von rotbuche bei 50, 65, 80 und 95 Prozent rel. luft-feuchtigkeit

Holzart Rohdichte in

kg/m3 E-Modul in N/mm2

Biegefestigkeit in N/mm2

Fichte 330-470-680 7300-11000-21400

49-78-136

Rotbuche 540-720-910 10000-16000-18000

74-123-210

Esche 450-690-860 4400-13400-18100

58-120-210

Ahorn 530-630-790 6400-9400-15200

50-95-140

50% 11667 1418 0.122 94 12 0.126 8.79% 0.0052 0.059 449 47 0.104 65% 10622 1216 0.114 81 9 0.105 11.7% NA NA 441 35 0.078 80% 10076 1135 0.113 67 8 0.125 14.7% 0.0039 0.0267 444 39 0.088 95% 8816 1220 0.138 51 8 0.148 18.95% 0.0246 0.1297 452 35 0.078

50% 14054 2627 0.187 127 28 0.219 8.73% 0.0021 0.0245 689 53 0.077 65% 12634 2580 0.204 110 23 0.205 12.3% NA NA 688 48 0.070 80% 11910 2368 0.199 92 15 0.162 15.78% 0.0093 0.0589 691 52 0.076 95% 10246 2060 0.201 70 12 0.175 20.81% 0.0189 0.0908 692 52 0.075

50% 13089 2483 0.190 124 22 0.181 8.48% 0.0023 0.0269 643 42 0.065 65% 13029 2289 0.176 112 15 0.134 11.4% NA NA 645 45 0.069 80% 12486 2420 0.194 93 14 0.147 15.28% 0.0057 0.0371 642 40 0.063 95% 9680 1875 0.194 65 10 0.152 21.32% 0.0068 0.0317 643 39 0.060

u abb. 1: einfluss der Holzfeuchte auf ausgewählte eigenschaften von Holz (Wood Handbook 2010): a-zug parallel zur Faser, b-bie-gung, C-Druck parallel zur Faser, D-Druck senkrecht zur Faser, e-zug senkrecht zur Faser




Fichte 330-470-680 7300-11000-21400

49-78-136

Rotbuche 540-720-910 10000-16000-18000

74-123-210

Esche 450-690-860 4400-13400-18100

58-120-210

Ahorn 530-630-790 6400-9400-15200

50-95-140

50% 11667 1418 0.122 94 12 0.126 8.79% 0.0052 0.059 449 47 0.104 65% 10622 1216 0.114 81 9 0.105 11.7% NA NA 441 35 0.078 80% 10076 1135 0.113 67 8 0.125 14.7% 0.0039 0.0267 444 39 0.088 95% 8816 1220 0.138 51 8 0.148 18.95% 0.0246 0.1297 452 35 0.078

50% 14054 2627 0.187 127 28 0.219 8.73% 0.0021 0.0245 689 53 0.077 65% 12634 2580 0.204 110 23 0.205 12.3% NA NA 688 48 0.070 80% 11910 2368 0.199 92 15 0.162 15.78% 0.0093 0.0589 691 52 0.076 95% 10246 2060 0.201 70 12 0.175 20.81% 0.0189 0.0908 692 52 0.075

50% 13089 2483 0.190 124 22 0.181 8.48% 0.0023 0.0269 643 42 0.065 65% 13029 2289 0.176 112 15 0.134 11.4% NA NA 645 45 0.069 80% 12486 2420 0.194 93 14 0.147 15.28% 0.0057 0.0371 642 40 0.063 95% 9680 1875 0.194 65 10 0.152 21.32% 0.0068 0.0317 643 39 0.060

Fichte, Temperatur 20 °CE – Modul

N / mm2Biegefestigkeit

N / mm2Holzfeuchte ω

%Rohdichte

kg / m3

rel. LF x s v- x s v- x s v- x s v-

x = Mittelwert, s = Standardabweichung, v = Variationskoeffizient, rel. LF = relative Luftfeuchte-




Fichte 330-470-680 7300-11000-21400

49-78-136

Rotbuche 540-720-910 10000-16000-18000

74-123-210

Esche 450-690-860 4400-13400-18100

58-120-210

Ahorn 530-630-790 6400-9400-15200

50-95-140

50% 11667 1418 0.122 94 12 0.126 8.79% 0.0052 0.059 449 47 0.104 65% 10622 1216 0.114 81 9 0.105 11.7% NA NA 441 35 0.078 80% 10076 1135 0.113 67 8 0.125 14.7% 0.0039 0.0267 444 39 0.088 95% 8816 1220 0.138 51 8 0.148 18.95% 0.0246 0.1297 452 35 0.078

50% 14054 2627 0.187 127 28 0.219 8.73% 0.0021 0.0245 689 53 0.077 65% 12634 2580 0.204 110 23 0.205 12.3% NA NA 688 48 0.070 80% 11910 2368 0.199 92 15 0.162 15.78% 0.0093 0.0589 691 52 0.076 95% 10246 2060 0.201 70 12 0.175 20.81% 0.0189 0.0908 692 52 0.075

50% 13089 2483 0.190 124 22 0.181 8.48% 0.0023 0.0269 643 42 0.065 65% 13029 2289 0.176 112 15 0.134 11.4% NA NA 645 45 0.069 80% 12486 2420 0.194 93 14 0.147 15.28% 0.0057 0.0371 642 40 0.063 95% 9680 1875 0.194 65 10 0.152 21.32% 0.0068 0.0317 643 39 0.060


Buche, Temperatur 20 °CE – Modul



%Rohdichte

kg / m3

x s v- x s v- x s v- x s v-rel. LF

66 Aus der Forschung

11.2014

t tabelle 4: rohdichte, Holz-feuchte, e-Modul und biegefes-tigkeit von esche bei 50, 65, 80 und 95 Prozent rel. luftfeuch-tigkeit

t tabelle 5: rohdichte, Holz-feuchte, e-Modul und biegefes-tigkeit von ahorn bei 50, 65, 80 und 95 Prozent rel. luftfeuch-tigkeit

p tabelle 6: Koeffizienten der linearen regression des zusammen-hangs zwischen biege-e-Modul und Holzfeuchte nach e=a0+a1ω(-)

p tabelle 7: Koeffizienten der linearen regression des zusammen-hangs zwischen biege-e-Modul und Holzfeuchte nach sbb=a0+a1ω(-)

50% 13099 1891 0.144 122 32 0.262 8.41% 0.0009 0.0109 643 28 0.043 65% 12683 1569 0.124 110 13 0.121 11.8% NA NA 642 29 0.045 80% 12091 1776 0.147 97 14 0.147 15.11% 0.0028 0.0187 649 27 0.042 95% 10688 1375 0.129 74 10 0.134 21.47% 0.0031 0.0145 645 27 0.042

Holzart A0 A1 R2 Fichte -27985 14148 0.999 Buche -31461 16823 0.995 Esche -26188 15687 0.8542 Ahorn -18427 14724 0.9881

Holzart A0 A1 R2 Fichte -426.62 130.92 0.997 Buche -479.21 168.84 0.999 Esche -462.4 163.53 1.0 Ahorn -372.32 153.48 0.99

50% 13099 1891 0.144 122 32 0.262 8.41% 0.0009 0.0109 643 28 0.043 65% 12683 1569 0.124 110 13 0.121 11.8% NA NA 642 29 0.045 80% 12091 1776 0.147 97 14 0.147 15.11% 0.0028 0.0187 649 27 0.042 95% 10688 1375 0.129 74 10 0.134 21.47% 0.0031 0.0145 645 27 0.042



Folgende Koeffizienten einer linearen regression biege-e-Modul-Holzfeuchte (dimensionslos) wurden bestimmt:

ab. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte die Feuchteabhän-gigkeit für ausgewählte heimische Holzarten bei Biegebelastung innerhalb des hygroskopischen Bereiches quantifiziert werden.

Versuchsmaterial und Methodik Proben wurden aus Fichte (Pi-cea abies K.), Rotbuche (Fagus sylvatica L.), Ahorn (Acer pseudo-plantanus L.) und Esche (Fraxinus exelsior L.) gefertigt. Das ver-wendet Holz stammte von Bäumen aus dem Raum Zürich. Die Messungen erfolgten an Biegestäben nach DIN 52186. Je 25 Prüf-körper wurden in klimatisierten Räumen bei 20 °C und 50, 65, 80 und 93 Prozent rel. Luftfeuchte bis zum Erreichen des Gleichge-wichtszustandes klimatisiert. Danach erfolgte mittels Darrmethode die Bestimmung der Holzfeuchte. Es wurden Biege-E-Modul und

p abb. 2: einfluss der Holzfeuchte auf den e-Modul bei biegebelastung p abbildung 3: einfluss der Holzfeuchte auf die biegefestigkeit

Biegefestigkeit nach DIN 52186 bei Dreipunktbelastung ermittelt. Die Bereiche von darrtrocken bis etwa 8 Prozent, sowie oberhalb der Fasersättigung, wurden ausgegliedert. Bei den daraus resultie-renden Holzfeuchten, die in der praktischen Nutzung von großer Bedeutung sind, zeigt sich der in der Einleitung erwähnte lineare Zusammenhang (siehe Wood Handbook (2010), Niemz (1993)).

Nach der Bestimmung des E-Modul, der Biegefestigkeit und der Holzfeuchte wurde die lineare Korrelation zwischen Feuchte und E-Modul sowie Feuchte und Biegefestigkeit, bestimmt. Die Holz-feuchte wurde dazu als dimensionslose Größe eingesetzt.

E= a0+a1 x ω(-) (Gl.(1))sbB= a0+a1xω(-) (Gl.(2))




Fichte 330-470-680 7300-11000-21400

49-78-136

Rotbuche 540-720-910 10000-16000-18000

74-123-210

Esche 450-690-860 4400-13400-18100

58-120-210

Ahorn 530-630-790 6400-9400-15200

50-95-140

50% 11667 1418 0.122 94 12 0.126 8.79% 0.0052 0.059 449 47 0.104 65% 10622 1216 0.114 81 9 0.105 11.7% NA NA 441 35 0.078 80% 10076 1135 0.113 67 8 0.125 14.7% 0.0039 0.0267 444 39 0.088 95% 8816 1220 0.138 51 8 0.148 18.95% 0.0246 0.1297 452 35 0.078

50% 14054 2627 0.187 127 28 0.219 8.73% 0.0021 0.0245 689 53 0.077 65% 12634 2580 0.204 110 23 0.205 12.3% NA NA 688 48 0.070 80% 11910 2368 0.199 92 15 0.162 15.78% 0.0093 0.0589 691 52 0.076 95% 10246 2060 0.201 70 12 0.175 20.81% 0.0189 0.0908 692 52 0.075

50% 13089 2483 0.190 124 22 0.181 8.48% 0.0023 0.0269 643 42 0.065 65% 13029 2289 0.176 112 15 0.134 11.4% NA NA 645 45 0.069 80% 12486 2420 0.194 93 14 0.147 15.28% 0.0057 0.0371 642 40 0.063 95% 9680 1875 0.194 65 10 0.152 21.32% 0.0068 0.0317 643 39 0.060


Esche, Temperatur 20 °CE – Modul



%Rohdichte

kg / m3


50% 13099 1891 0.144 122 32 0.262 8.41% 0.0009 0.0109 643 28 0.043 65% 12683 1569 0.124 110 13 0.121 11.8% NA NA 642 29 0.045 80% 12091 1776 0.147 97 14 0.147 15.11% 0.0028 0.0187 649 27 0.042 95% 10688 1375 0.129 74 10 0.134 21.47% 0.0031 0.0145 645 27 0.042





Ahorn, Temperatur 20 °CE – Modul



%Rohdichte

kg / m3

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Tabelle 1 zeigt eine Zusammenstellung der Kennwerte der unter-suchten Holzarten im Normalklima. Die E-Module liegen bei Laub-holz trotz der wesentlich höheren Rohdichte nur wenig höher als bei Fichte. Durch eine Sortierung der Fichte können aber durchaus auch deutlich höhere E-Module sichergestellt werden. Das deckt sich mit zahlreichen eigenen Messungen an Laubholz gut. Die prak-tische Differenzierung im E-Modul ist oft relativ gering, in der Fes-tigkeit dagegen höher. Das deckt sich mit Erfahrungen von Betrie-ben, die Nadel- und Laubholz im konstruktiven Bereich einsetzen.

Versuchsergebnisse Tabelle 2-5 und Abbildung 2-3 zeigen die Ver-suchsergebnisse. Mit zunehmender Holzfeuchte nehmen E-Modul und Biegefestigkeit im untersuchten Feuchtebereich stark ab. Die Daten können mittels linearer Korrelation gut beschrieben werden, wie anhand des Bestimmtheitsmaßes R2 in Tabelle 6 zu sehen ist. Sowohl der E-Modul als auch die Biegefestigkeit der untersuchten Laubhölzer liegen um etwa 30 Prozent über den Werten der Fich-te. Die Werte korrelieren zudem für alle Holzarten sehr stark mit der Holzfeuchte (siehe Tabelle 7). Dabei muss allerdings festgestellt werden, dass auch die untersuchte Fichte vergleichsweise niedri-ge mechanische Kennwerte hat. Es ist bekannt, dass die Wuchs-bedingungen stark eingehen. Bei Fichte ist auch bekannt, dass der E-Modul im äußeren (der Rinde zugewandtem) Stammteil durch die schmaleren Jahrringe und die damit höhere Rohdichte höher ist als im marknahen Bereich. Durch eine maschinelle Sortierung kann also sowohl bei Laub- als auch bei Nadelholz eine Anhebung der Mittelwerte erreicht werden. Bei Brettschichtholz aus Nadel-holz ist dies in großen Betrieben üblich. Die Variabilität der Werte für Fichte in Abhängigkeit vom Standort und der Lage im Stamm zeigten auch Arbeiten von Sonderegger et al. (2008a, 2008b) deut-lich. Die Ergebnisse der 3 Laubholzarten liegen alle im sehr engen Bereich. Die Mittelwerte liegen im Vergleich zu den Literaturwerten eher im unteren bis mittleren Bereich (siehe z. B. Wagenführ 2006).

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen An Fichte, Rot-buche, Esche, und Ahorn wurden bei variabler Holzfeuchte der E-Modul und die Biegefestigkeit bestimmt. Im untersuchten Be-reich von 8 bis ca. 22 Prozent Holzfeuchte sinken E-Modul und Bie-gefestigkeit mit zunehmender Holzfeuchte linear. Die Differenzie-rung zwischen den geprüften Laubhölzern war relativ gering. Das zeigt, dass analog zu Nadelholz eine Sortierung nach der Festigkeit analog den EN Normen anzustreben ist. Bei der Verarbeitung von Laubholz für Brettschichtholz ist dies teilweise bereits Stand der Technik. So sortiert ein Schweizer Hersteller von Brettschichtholz aus Esche und Rotbuche diese mit Ultraschall vor der Verklebung vor. Die im vorliegenden Versuch gewonnenen Daten können für die Abschätzung des Einflusses der Holzfeuchte bei mechanischer Belastung verwendet werden. u www.ethz.ch

LiteraturverzeichnisAutorenkollektiv: Wood Handbook, Madison 2010Ozyhar, T.: Moisture and time dependent orthotropic mechanical characterization of beech wood. Dissertation, ETH Zürich 2013Niemz, P .: Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe. DRW Ver-lag 1993Sonderegger, W.; Martienssen, A.; Nitsche, Ch.; Ozyhar, T. ; Niemz, P: Investigations on physical mechanical behaviour of sucramore map-le (Acer pseudoplatanus L.). Eur. J. Wood Products (2013)71:91-99Sonderegger, W.; Mandallaz, D.; Niemz, P.: An investigation of the influence of selected factors on the properties of spruce wood. Wood Sc. Technol (2008a) 42:281–298Sonderegger, W.; Alter, P.; Niemz, P.: Untersuchungen zu aus-gewählten Eigenschaften von Fichtenklangholz aus GraubündenHolz Roh Werkst (2008b) 66: 345–354Wagenführ, R. : Holzatlas. 6. Auflage, Fachbuchverlag 2006Sell, J.: Eigenschaften und Kenngrössen von Holzarten. Lignum, Baufachverlag 1989

11·2014

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FertigungstechnikTopstar in derArbeitsplattenfertigungSeite 22

MaschinenkomponentenEnergie für Drive ControllerSeite 34

Absaug- und FiltertechnikEffektive AbsaugungSeite 58

Holzverarbeitung verlangt Robustheit (12)

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