Holz und Holzwerkstoffe Master ETHZ – BAUG – HS2013

20. Januar 2013 S e i t e | 1 Christoph Hager

HOLZ UND HOLZWERKSTOFFE © chager - Version 1.0 Prof. Burgert, Steigert, Frangi, Fontana ETHZ

EINFÜHRUNG → Nachwachsend, ästhetisch, Verfügbar, günstig, leicht, hoher E-Modul, hohe Festigkeit // grosse Streuung Eig., brennbar, nicht dauerhaft, dimensionsstabil, dämmend Schweiz: 1.1 Mio ha Waldfläche, 365 Mio Holzvorrat, 5.1 Mio Nutzung, 0.26 Zuwchs, 12 Arten Nadelbäume, 40+ Arten Laubbäume Bauwesen: NH: Fichte, Kiefer, Tanne, Duglasie, Lärche LH: Eiche, Buche, Esche

AUFBAU DES HOLZES

MAKROSTRUKTUR Kambium: nach innen Holzzellen (Xylem), nach aussen Bastzellen (Phloem), Hauptleitung für Photosynthese-produkte (Zucker) abwärts

Aufbau: Rinde, Kambium, Splintholz, Kernholz, Kern Kambium: Schmale Schicht lebender Zellen → sek. Dickenwachstum Beeinflusst durch: Gen, Klima, Wetter, , , Hormone Jahrringe: Frühholz (Frühling) → optimiert für Wassertransport Geringe Dichte Zellen Dünne Zellwände, gr. Poren (NH) sind auf Gr. Und Zahlreichere Gefässe (LH) Funktion Spätholz → optimiert für mechanische Stabiliät ausgerichtet Gegenteilig oben Tropenholz hat keine Jahrringe

NA D E L H O L Z ( NH ) ZE L L ENS TR U K T U R

90 % aus Tracheiden: Wasserleitung, mech. Stabilität, tot, 3mm x 30 m,

Früholz weitlumig dünnwandig (Wassertransport), Spätholz englumig, dickwandig (Festigkeit)

Parenchymzellen: Speicherung Stoffe, Wundreaktion, Harzprod, lebend, in Strahlen Tüpfel: Hoftüpfel: Verbindung zwischen Tracheiden; Transport, verschliessbar (Schutz), Reagieren auf Druckunterschiede.

Einfache Tüpfeln: verbinden andere Zellen bleiben aber offen nach Holzernte

L A U B H O L Z ( L H ) ZE L L ENS TR U K T U R ( H Ö H E R EN T WI C K EL T )

Gefäse: grossporig, dünn, tot, für Wassertransport

Durchbrechung Einfach oder Leiterförmig → Röhrenstruktur mehrere Meter lang Hor. Intervaskuläre Tüpfel

Fasern/Fasertracheiden: dick, eng, Stabilität → grössere Diversifikation durch Anpassung der Zelltypen. zB Libriformfaser nur für Festigkeit Unterteilung der LH: Grösse/Anordnung der Gefässe:

Grosse Poren: Besserer Wassertransport, aber Risiko eines Zusammenbruchs

Holzstrahlen: Höher und grössere Variabilität als bei NH, aus Parenchymzellen, Speicherung Reservestoffe, rad. Transport, Wundreakt.

H O L ZZ EL L WA ND

Mittellamelle: Kitt, „Zwischenwand“ Primärwand: 1. Wand, Wachstum, ausdehnbar Sekundärwände: Nach voller Ausdehnung, Zellen tot, um Druck standzuhalten werden 3 Schichten aufgebaut: Zellulosefibrillen haben verschiedene Ausrichtung (Mikrofibirllenwinkel→ mech. Eigenschaft, je vertikaler desto besser), S2 ist massgebend, im Spätholz viel dicker. → E-Modul steigt mit Alter des Baumes (Produkt. MFA 45° → 10°)

S1: 50-90° S2: 0-45° (60°) Frühholz, Gefässe: dünn Spätholz dick Juvenil: 20-40°, Adult: 0-20° Druckholz 30-60° S3: 50-90° juvenil: absolut früher gebildet, als Baum noch jung war, also jetzt älteres Holz

Chemismus der Zellwandpolymere: (Lignin/Hemiz. Untersch NH/LH) Zellulose: Gerüstsubstanz, 2 Glukoseringe, Polymere 40% Baustoff Zellwand, Struktur mit linearer Anordnung (Fibrillen) → sehr steif, Ausrichtung massgebend, Zugf. Hemizellulose: Verbindung Zellulose/Lignin , Monosacharide mit 30% Seitenketten, Gerüst, Reservestoffe Lignin: Alkohole komplexe Makromoleküle, nachträglich in 25% Zellwand → Verholzung. Allg für Druckfestigkeit NH höherer Ligninanteil, LH höherer Hemiz. Rest: Harz, Fette, Eiweisse

EIGENSCHAFTEN VON HO LZ V AR I AB IL IT ÄT H O L Z EI G EN S CH A F T EN

Struktur Holz auf versch. Längessklaen, Chemismus, Zuwachsdynamik → Kern/Splintholz, Reaktionsholz, Wachstumsspannungen, Holzfehler

VE R K ER NU NG ( S P L I N TH O L Z→ K E R NH O L Z ) Nur äusserer Teil des Stammes für Wassertransport (Splintholz)→ Nachträglicher Gefässverschluss durch Parenchymzellen: Verstopfung der Leitungsbahnen, Thyllenbildung (wachsen durch Tüpfel, balonartig) → Abwehr und Verkernung (Kernholz) Obligatorisch: Genetisch, Kern weniger feucht, erhöhte Dauerhaftigkeit/Schutz

Mikroorganismen durch chem. Einlagerung in Zellwand Teils Erkennbar durch Farbe (Kiefer, Duglasie, Eiche) Nicht erkennbar: Fichte, Tanne, Birke Fakultativ: Falschkernbildung durch äussere Einflüsse (Verletzung) Keine Erhöhung der Dauerhaftigkeit (Buche, Esche) da Einlagerung nur in Lumen und nicht Zellwand. Färbung nicht entlang Jahrringen.

WA C H S TU M S P A N NU NG E N

T+R: Druckspannungen gegen aussen (Wachstum) Long: Zugspannungen gegen aussen (Vorspannung gegen Wind) Aufbau der Spannungen durch Differenzierungsprozess der Zellen

R EA K TI O NS H O L Z

Um Stämme/Äste aufzurichten, Änderung Wachstungsrichtung. Entstehen während Zelldifferenzierung (MFA normal 10-15°) Druckholz: NH, Druckspannungen → 30-50°, Ligninanteil hoch Zugholz: LH, Zugspannugen → MFA 0° , häufig zus. G-Schicht

D ICH T E

Rohdichte: ( ) u: Holzfeuchte Darrdichte: Raumdichtezahl: Weiter gibt es noch Reindichte Beziehungen: - Frühholz leichter ( ) als Spätholz ( ) - Nadelholz leichter ( ) als Laubholz ( ) - Baum weiter oben ist weniger Dicht - Je breiter Jahrringe bei Nadelbäumen desto kleiner die Darrdichte - Bei Laubbäumen: Ringporer Dichte höher je grösser Jahrringbreite Zerstrpor.: kein Einfluss Zunehmende Dichte: steigende Festigkeit, E, Quellung, Wärmeleitzahl

H O L Z F EU CH T E

Holz ist hygroskopisch: Wasseraufnahme durch Sorbtion (gebunden) und durch Kapillarkräfte (freies Wasser) von gross zu engen Kapillaren

Holzfeuchte:

Darrtrocken: kein Wasser in Holz (u=0%) Fasersättigung: Bei ca. 20-30-35%, bis hier Schwellen und Schwinden Wassersättigung: Zelllumina und Wände sind voll gefüllt (freies Wasser)

Grenze Wasser in Zellwand gesättigt/Zelllumina

Sorptionsverhalten: Bestimmte rel. Luftfeuchte führt zu bestimmter Holzfeuchte. (an Luft) → SIA 265/1 s16 Hysterese vorhanden. (Desorption 1-2% höhere Holzfeuchte)

→ Entstehendes Feuchteprofil über Querschnitt da Diffusion langsam. Schwindungsanisotropie: Holz ist anisotrop → Quellen unterschiedlich: (Faserorientierung, Zelluloseorient (Zug/Druckholz), Chemie, Dichte) Längs: , Radial: , Tangential: Quellung steigt mit zunehmender Dichte, Dickenquellung von Spanplatten, MDF daher deutlich höher als Vollholz Quellung bei Holzwerkstoffen irreversibel, bei Vollholz nicht. → Verwendung auf Bau nach Anwendung innen (12%) bis aussen (20%) SIA265 s22 Quellen → Spannungen → pl. Verformungen, Festigkeit → Risse! Zunehmende Holzfeuchte: sinkt Festigkeit, steigt Wärmeleitfähigkeit und Anfälligkeit Pilzbefall. Schwind/Quellgrössen → SIA 265/1 s15

M ECH AN IS CH E E IG EN S CH AF T EN

Einfluss durch: Beanspruchungsart, Struktur (Jahrring, Faser-Lastwinkel, Äste, Schädigung), Dichte, Feuchte, Temperatur, Pilzbefall, Schnittart ect. Zug: linear elastisch bis , grosse Streuung, (pl) Druck: gleicher E-Modul, Festigkeit etwa halb so gross wie Zug Dehnung: Unter Nadelholz etwas weniger fest wie Laubholz, je dichter desto fester Festigkeit senkrecht zur Faser nur noch 1/10-1/20 so fest. E-Module:

Nadelholz 1 : 1.7 : 20 Laubholz 1 : 1.7 : 13

Festigkeit Nadelholz: Holzfeuchte:

Grössen → Siehe auch SIA 265 s25, s27 oder SIA 265/1 s35ff Je höher MFA desto kleiner E und Festigkeit, grössere Duktilität Wärmdämmung: Vollholz 0.13 , Faserdämmpl 0.045 Zeitabhänigkeit: Holz ist viskoelastisch → Kriechen /Spannungsrelaxation Dauerstandfestigkeit Anisotropie Eigenschaften abhängig von Richtung Wegen Strukturellen Aufbau. Fasern in Längsrichtung Quellen/Schwinden, Festigkeit. , , E-Modul, Härte

Holz und Holzwerkstoffe Master ETHZ – BAUG – HS2013

20. Januar 2013 S e i t e | 2 Christoph Hager

HOLZWERKSTOFFE Zerlegen von Holz und wieder zusammenfügen (häufig mithilfe Leim)

EIG EN S CH AF T EN

→ Bessere Ausnützung Rohstoffe und Eigenschaftsoptimierung (Nivellierung schlechte Eigenschaften, gute Aspekte hervorheben)

Ü B E R S I C H T

Je kleiner Teile desdo bessere Ausnutzung des Holzes

Je tiefer in Struktur, desto bessere, homogenere Eigenschaften

(Homogenität, Isotropie, Wärmedämmung, Oberflächengüte, E-Modul nimmt zu, Festigkeit nimmt ab)

Allgemein sinken Anforderung am Holzqualität mit Aufschlussgrad

Es wird mehr Leim benötigt für kleinere Strukturen (Spanplatte, MDF)

H O L Z W ER KS T O F F E

Übersicht

VO L L H O L Z /S C H NI T TH O L Z ( E I G . K E I N E H WS )

Rundholz: Problem wegen Form, Verbindungen Schnittholz Konstruktionsholz (Dachstuhl, Balken, Pfetten, Gerüste..)

Verschleissteile (Fassade, Beläge…) Latte: [ ] Brett: (Arten → SIA 265/1 s24) Bohle: Vollholz: (Kantholz) Problem: Masshaltigkeit wegen Schwinden/Quellen → Eigenspannungen → Krümmungen, Verwölbung, Verwindung → Risse → Aussehen, Masshaltigkeit, Formstabilität Bsp Fassade: Kältebrücke (Kaltluft in innenliegendem Hohlraum) Wasserdampfkonvkt (warem Raumluft im Kaltbereich Wand)

Lösung: Deckelschalung/Bretterschrim (Bewegung möglich) Bsp Verbindungen:

Querzug bei Lochblechen da Verformung behindert, Verminderung Tragwiderstand

VO L L H O L Z B A S I S

Massivholzplatten (Leimholzplatten) Einflussgrössen: Güte des Holzes, Art Längsverbindung, Schichtenaufbau, Schnittrichtung der Lagen, Technologie (Leimanteil, Pressdruck) Anwendung: Schaltafeln, Decken Bretter stapeln: Problem mit Verbindungen (hor/vertikal) Verdübelter Balken: Erhöhung Steifigkeit zwischen Brettern Brettschichtholz: Verleimung innen MelaminHarnstoffaldehydharz oder aussen Resorcinformaldehydharz (braun) / Polyurethan(Isocyanatharz) (helle/transp. Farbe) Längsverbindung mit Keilzinken Gibt auch kombinierte QS (SIA 265/1 s28) Einsatz: Träger mit grossen Spannweiten Brettstapel: Hochkant, verbunden mit Nägel/Schrauben, Buchedübel Einsatz: Hauptsächlich im Wohnungsbau (Decken, Wände) Durch Verbindung: Systemtragwirkung SIA 265 5.7 Liegende BSH: → Querzug in Leimfugen → Externe Vorspannung Brettsperrholz/Dickholz: zB 5-Lagig, Spannungen analog Steifigkeiten Einsatz: Wand/Deckenelemente, Fahrbahnplatten

F U R NI ER

Lagenholzwerkstoff, für Bau, Formenbau, Sport, Möbel, Fahrzeuge Schichtholz, Sperrholz, Sternholz, je nach Faserrichtung in Lagen. Aus Schälfurnier (Fichte, Lärche, Buche), Schälen nach Dämpfen. 1-3mm Anwendung: Furnierschichtholz LVL (Laminated Veneer Lumber) Kerto S (alle Lagen faserparallel) Tragende Konstr: Balken, FW, Stützen, Schalung, Verstärkungen… Kerto Q (einige Lagen senkrecht, Schwindet weniger in Querrichtung) Trägt auch Quer, Absperrwirkung: Scheiben, Beläge, Balken, Knoten Furnierstreifen, PSL (Larallel Strand Lumber) Parallam Stützen, Unterzüge, FW

S P A N WE R K S TO F F E

Allg: Sehr verbreitet, Rohstoff aus Resten, Altholz, Pflanzen. Höhere Homogenität, Dichte sehr unterschiedlich Herstellung: Späne, Beleimen, Fliessbildung, Vorpressen, Pressen Verschiedene Rohdichteprofile (Deckschicht dichter) Klassifizierung: Herstellung, Oberfläche, Form, Grösse Teilchen, Plattenaufbau, Verwendungszweck

Quellung: dichteabh. (zunehmend), deutlicher als bei Vollholz und irrev. Anwendung: OSB (Oriented strand board) Späne 0.6x35x75mm, Streuung dann mit Hitze verpresst Rahmenbau als Beplankung, als Stege von Trägern LSL (Laminated Strand Lumber) Als Gurte von Trägern Waferboard, Spezialanwendungen (elektr., Widerstand, ultradick…)

F A S E R B A S I S

Nassverfahren (HDF, unsym. Dichteprofil), Trockenverfahren (MDF) Anwendung: Dach, Wandplatten, Dämmplatten, Bodenplatten

VE R B U ND WE R K S TO F F E

Oder Waben. Kombination von Holzwerkstoffen/anderen Materialien Mehrschichtiges Material meist mit hochfesten Decklagen (OSB, MDF) und Mittellage aus leichtem Kern (Einteilung danach) Kern auch aus Schaumstoff, Wabenartig Anwendung: Träger, Verbundplatten, Parkettböden, Vorgespannte Bauteile aus Massivholz oder HWS

WO O D P L A S T I C S C O M P O S I T ES ( WP C )

Mischung aus Kunststoffen, Holzpartikeln, Nebenkomponenten Herstellung über Profilextrusion (Kunststoffindustrie), dimensionsstabil Anwendung: Fassadenverkleidung, Terrassenböden, Fenster

V ER G L E ICH

EN G IN E ER ED WO O D P R O D U CT S

Gruppe von Holzwerkstoffen als primären Ersatz für Vollholz im Bau Werden vorwiegend mit Phenolharz oder Isocyanat feuchtebest. verklebt Vorteile: Grosse und variable Abmessungen, Höhere Dimensionsstabilität, Teilweise höhere Festigkeit da Bereiche mit Defekten aussortiert werden können.

B EM ES S U N G H O L Z W ER KS T O F F E

SIA 265/1 Kap 7, s29ff

Holz und Holzwerkstoffe Master ETHZ – BAUG – HS2013

20. Januar 2013 S e i t e | 3 Christoph Hager

VERKLEBUNG Ü B ER S ICH T Klebstoff = nichtmetallische Werkstoffe die andere Werstoffe durch Oberflächenhaftung (Adhäsion) und innere Festigkeit (Kohäsion) verbinden, ohne sich inneres Gefüge der Körper wesentlich verändert. Nichtflüchtige Bestandteile: Bindemittel Pigmente, Füllstoffe, Streckmittel, Zusatzmittel Flüchtige Bestandteile: Lösungsmittel, Dispersionsmittel, Verdünnungsmittel

E I N TE I L U NG :

→ Siehe auch SIA 265 s

Oder: natürlich auf Basis von Eiweiss, Polysachariden, Kautschuk synthetisch auf Basis duroplastisch (HF, MF, PF, RF Formaldehyd-Harze, PUR) oder thermoplastisch härt. Harzen (Polyvynilacatat PVA)

B ED EU TU NG

Wichtig für modernen Holzbau, für Holzwerkstoffe, Verbindungen und Fugendichtungen.

AN F O R D ER U N G EN

Ausreichende Zug und Scherfestigkeit

Klima und Chemikalienbeständigkeit

Leicht und schnell auftragbar, rasch benetzen

Arm an quellendem (Wasser) oder destruktiven Reaktionen (Säure) sein

Abbinden kontrollierbar und schnell Härten

Klebfuge darf nicht verhungern (Eindringen in Holz)

→ SIA 265s79ff, Feuchteklassen s22

KL EB S T O F F AU F T R AG

Menge: Normal: ca 200g/m2, Folien: 80g/m2, BSH und sägerauer Flächen: 400g/m2, Holzpartikelwerkstoffe: 8-16% Festharz Vollflächige Verklebung: Holzwerkstoffe Punktförmige Verklebung: Holzpartikelwerkstoffe Einflussgrössen: Holzfeuchte, Oberflächengüte, Pressdruck, Temp/Luft, Profil Holzteile, Wechselklima (Delaminierung). Verfombarkeit (BSH nicht mit HF verkleben) Wirkprinzip beim Bruch: Versagen aufgrund Kohäsion (Im Bauteil) und nicht infolge Adhäsion (In Klebstofffuge)

VE R L E I M U NG S K L A S S E N

→ Entsprechend Feuchtebeanspruchung V20: unter 15%, innen → UF, PVA V100: unter 18%, Boden, Dach → PF, PMDI, MF, RF V100G: bis 21% inkl Pilzschutzmittel Aussen: - nicht einsetzbar sind Spanplatten, OSB, Massivholz (Durchgehende Risse), - Einsetzbar: Dreischichtige Massivholzpl., Sperrholz…

HOLZSCHUTZ G EF ÄH R D U N G E N

→ Witterungseinflüsse/Optische Eigenschaften (Feuchte, Sonneneinstrahlung, Temp, Wind), Dimensionsstabilität, Biologische Prozesse (Pilze, Insekten, Mikroorgranismen), Brandschutz Gefährdungsklassen: Innen, aussen, Erdkontakt, Meerwasser → trocken (Insekten), gel. bis st. Feucht (Insekten, Pilze), Meeresmuscheln Andere Definition in SIA 265 s22!

P I L Z E

Holzfärbende Pilze: Bläuepilze (30-180%, 15-35°C) Schimmelpilze (30-150%, 0-50°C) Zerstörende Pilze: Braunfäule: Abbau Zellulose, an NH, Abn. Festigkeit, Würfelbruch Modefäule: bei hoher Feuchte (Erd), Aufgew. Oberfl., Würfelbr. Weissfäule: Abbau von Lignin, Zellulose, an LH, Zerfaserung Anforderungen Lebensbedingungen: Geeignetes Substrat, Feuchte, Temperatur (0-45), geringer Anspruch an Licht, Sauerstoff für Stoffwechsel

T I E R I S C H E S C H Ä D L I NG E

Hausbockkäfer, Nagekäfer, Brauner Splintholzkäfer, Holzwespen

H O L Z S CH U T Z M AS S N AH M EN → keine Verhinderung biol. Abbaubarkeit Holz, sondern Verzögerung, Aufschiebung.

NA T Ü R L I C H E R H O L ZS C H U T Z

→ Wahl von geeignetem Holz: Abstimmung Holz mit geeigneter Dauerhaftigkeit gegen pot. Gefährdung (Kernholz verwenden von Robine, Eiche, evtl. Lärche, Kiefer, Douglasie)

K O NS TR U K TI V ER H O L Z S C H U TZ

→ Schutz vor Feuchte (Wetterschutz, Tau, Spritzwasser) Zustände Vermeiden die Befeuchtung, Pilz/Insektenbefall begünstigen (Dachvorstand, Abstand Boden, Verschleissschicht Fenster, Bordüre)

C H EM I S C H ER H O L ZS C H U T Z

→ Letze Anzuwendende Möglichkeit Holzschutzmittel: spezifische Wirkung, geringe Dosen, langandauernde Wirkung, kein Fisch/Bienengift, biol Abbaubar Wirkstoffe: Wasserlösliche (Chrom, Fluor, Arsen..) Steinkohleteeröl (Biozide Wirkung) Lösemittellösliche (Organische Verbindungen, Lasuren) Einbringverfahren:

Tränkbarkeit (Eindringtiefen): Oberflächen, Rand, Tiefen,, Vollschutz gut tränkbar = Buche, Kiefer (Splint), schlecht tränkbar: Eiche (Kern), Fichte (Nadelholz: verschliessen Tüpfel nach Ernten, schlecht tränkbar) Prüfzeichen: B Bläuepilze, I Insekten, E Fäule … Entsorgung: naturbelassenes Holz normal, sonst häufig KVA

H O L ZM O D I F I K A TI O N ( Z EL L W Ä ND E)

Problem: Wasseraufn., Dimensionsstabilität, Dauerhaftigkeit, UV Eigenschaften: Wasseraufnahme (Hygroskopizität) Resistenz gegen biot, abiotische Einflüsse Chemisch: Belegung/Verknüpfung Hydroxilgruppe, Ausfüllen Hohlräume: Acetylierung (Essigsäureanhydrid, stinkt) Polymere (Polymerisation von Monomeren/niedermol. Harze) Imprägnierung mit Silanverb. (gelförmig) Verkieselung (Alkalisilikate versteinern Oberfläche) Thermisch: Verringerte Ausgleichsfeuchte, bessere Dimensionsst. dunklere Farbe, Verminderung Festigk., mehr spröd

WEI T ER ES

Organisatorischer Schutz (Einbaufeuchte, Fällzeitpunkt, Nasslagerung)

Biologischer Schutz

Physikalischer Schutz (Anstriche, Beschichtungen → Wetterschutz)

Brandschutz (105°C Thermische Zersetzung, 200-275 Flammpunkt, 270 Brennpunkt, 330-350 Zündpunkt) Brandverhalten infolge Brennbarkeitsgrad 1-6 und Qualmgrad → Brandkennziffer X.Y (Je höher desto besser)

DAUERHAFTIGKEIT B EA NS P R U C H U NG

Direkte Bewitterung, Luftfeuchtigkeit, Wärme, UV-Strahlung

S T AT IS CH N ICH T W IR KS AM – V ER S CH L EIS S T EI L E

F A S S A D E

Verwitterung: Sonnenstrahlung Haupturgrund (chem. Veränder. durch UV) Verfärbung: Sonne → kurzzeitig Vergilbung Vor Beregnung geschützt → langzeitig dunkle Braunfärbung Nicht geschützt → langzeitig Verbleichung, Vergrauung Wetterseite: Meist Nordwest

WEI T ER E TE I L E

Beläge, Geländer, Einhausungen

S T AT IS CH WI R KS AM – T R AG EN D E S T R U KT U R

P H Ä N O M E NE

Problem: Reduktion Tragwiderstand bei dauernder Feuchte, Biol Abbauprozess durch Pilze.

Vorausstzg: 1. Holz als Nahrungsgrundlage 2. Wasser resp. Mindestholzfeuchte über 20% (30-70%) 3. Sauerstoff 4. Temperatur über 0°C (20°C) 5. Anwesenheit lebendiger Organismen → Ausschluss einer Komponente verhindert Problem Vorhandene Holzfeuchte: SIA 265 s22 Rel. Luftfeuchte, Umgebung, Temperatur, Holz, Behandlung Ausgleichsfeuchte infolge Makroklima SIA 265/1 s16 Mikroklima infolge Topografie, Lage, Beschattung, Vegetat. Massnahme: bauliche, konstrukvie Massnahmen, Anstriche Anwesenheit Organismen: Massnahme: Chemischer Holzschutz Schwindrisse: Infolge Strahlungswirkung (Intensität, Lage, Winkel, Farbe)

TR A G S TR U K T U R D I R EK T B E WI T T ER T

Problem: Fugen/Spalten → Feuchtenester, Schwindrisse, lok. Probleme Hygroskopisches Verhalten → Aufsteigende Feuchte Massnahme: Einhausung/Überdachung gesamte Struktur (Dach) Abdecken der Tragstruktur (Fahrbahn) Einhausung einzelner Querschnitte (Bleche, Bretterschirm)

D ETA I L A U S B I L D U NG

→ Schutz vor Durchfeuchtung und Fechtewechsel Wasser: Direkt ableiten, Verhindern dass Wasser eindringt, Vermeiden Rückprallwasser, kein Kontakt mit Feuchten Teilen/Boden, Gute Durchlüftung, Bauphysik (Dampfbremse, Kondenswasser, Hinterlüftung) Konstruktives: Dach: 30° schräger Regen → genügend Überstand Blechabdeckung Bretterschirm Abdeckung Gurte Kältebrücke:

Wasserdampfkonvektion:

BRANDSCHUTZ AL L G EM EIN ES

Feuer: Feuer, Hitze, Rauch, Gase Einflussgrössen: Brandlast, Ventilationsbed., Brandraum, Brandbekämp. Phasen:

Normbrandkurve meist nach ISO 843 (Eurocode) Möglichkeiten: Kühlen, Isolieren, Verbund Schutzziele: Sicherheit (Personen + Sachen) Entstehung vorbeugen, Ausbreitung begrenzen, Tragsicherheit über Zeit gewährleisten, Feuerwehr Tote: 5-8/Mio EW, sehr wenig im Vergleich zu anderen Todesursachen Konzepte: Baulich, Brandabschnitte (passiv), Enteckung/Löschen (aktiv)

B R AN D S CH U T Z N O R M EN

Vorschriften: Richtlinien Baupordukte, EN, EC, nat. Vorschriften (VKF) VKF 2003: Brennbare Tragwerke (Holzbau) bis 6 Geschosse Bis 3 Gesch. EI30, 4 Gesch. ab EI60 mit Verkleidung Brandkennziffer [1-6 Brennbarkeitsgrade].[1-3 Qualmgrade] höher=besser Neu nach EN: Brennbarkeitsklassen A-F, Rauchentwicklung s1-s3, Abtropfen/Abfallen d0-d2 (je tiefer je besser)

B AU S T O F F V ER H A L T E N

Eigensch.: Brennbar, massive Querschnitte günstig Model: Verlust der Querschnittsfläche (Bei hohen Temp Verlust Festigkeit/Steifigkeit) Problem: Holz ist brennbar, Entzündung und Vergrösserung Brandlast Durchbrand Wände/Decken, Hohlräume. Abbrand 0.8mm/min Schutz: Massive QS (A/V), nbb Verkleidung, Hohlräume nbb stopfen, Sprinkleranlage, Isolation Löschwasser

B EM ES S U N G

F EU ER WI D ER S TA ND

Feuerwiderstand: R (Tragwiderst.), E (Dichtigkeit), I (Isolation) Klasseneinteilung in Schritten von 30min

NA C H WEI S E

Ofenversuche, Berechnung SN/EC, Verwendung geprüfte Bauteile

R EC H N ER I S C H ER NA C H WE I S

SIA 265, 4.5, s36

{ } SIA 260 (17)

(

)

→ Ideeller Restquerschnitt anhand SIA 265 4.5, s37 Bsp Einfacher Balken:

GZT:

GZG: (

) (

)

SIA 265 3.2.2.2 Brand: …

F EU E R S CH U T Z M IT T E L /AN S T R I CH E

Zweck → Verzögert Entflammung, red. Abbrand im behandelten Bereich Salzhaltige Feuerschutzmittel (Halogene) zur Imprägnierung Dämmschichtbildende Anstriche (Schäumen unter Hitze auf) Verbindungen: keine Aussenliegende Stahlteile, Randabstände → EC5 Aussenwände: Verhindern Brandausbreitung Fassade, Decke

EI - G L ÄS E R

→ Verhindern zu grösser Erhitzung ( ) Grosse Eigenspannungen → Drahlgals, Verbundglas, Vorgespannt, Gel

Holz und Holzwerkstoffe Master ETHZ – BAUG – HS2013

20. Januar 2013 S e i t e | 4 Christoph Hager

STRUKTURFEHLER UND S ORTIERUNG S O R T I ER U N G

G R U ND S Ä T ZE

Weshalb? Bauwesen verlangt zuverlässige Produkte, garantierte Eigenschaften, gleichmässige Qualität Parameter: Tragsicherheit, Gebrauchstauglichkeit, Ästhetik, Wirtschaftlichkeit Sortiment: Verinfachte Abläufe, Rasche Lieferung durch Lager, Kontr. Holzfeuchte, Standard-QS/Längen, Homogene Gruppen Lösungen: Waldbauliche Massnahmen (50-100J), Sortierung und Klassierung, Optimales Zerlegen und Zusammenfügen (BSH höherer Minimalwert als bei Vollholz) Rahmenbed: Dimensionsorientiert/Auftragsorientiert, Negativauslese Zunehmend nach CEN CE-Zeichen) Viele KMU, wenig Interesse an FK>C24,

BSH mit hoher Festigkeit häufig importiert

P R O D U K TI O N VO N B A U H O L Z

Holzernte, Zwischenlagerung (ohne Rinde, Nass, Folien), Transport, Rundholzlager, Ablängen/Entrinden, Optimierung Einschnitt (Blockband, Kreis, Doppelbesäumkreis, Gattersäge), Trocknung (Luft ½ Jahr 30.-/Künstlich 14d, 130.-), Sortierung, Keilzinken/Kappanlage, Hobelung, Qualitätskontrolle, Verpackung.

NO R M EN

CH: SIA 265, DIN 4074…, D: DIN 4074…, EU: CEN EN… → SIA 3 Klassen NH, 1 Klasse LH (neu auch mit S7-13, LS10/13) Standard-Teilsicherhetisbeiwerte…

5% Fraktil ( ) Mittelwert unter normierten Bedingungen (20°C, 65% RH)

B R U C H V ER H A L TE N

Holz normalerweise spröd, auf Druck plastisch Bauholz Zug und Druckfestigkeit (wegen Ästen) etwa gleich

S T R U KT U R F EH L ER

WU C H S F EH L ER /M E R K M A L E B A U M

Krummschaftigkeit, Gabelwuchs, Abholzigkeit, Exzentrischer Wuchs, Drehwuchs, Spannrückigkeit(Hohlkehligkeit), Astigkeit, Reaktionsholz, Streifschaden, T-Kerbe/Amulette, Rose(Astnarben), Beulen, Wimmerwuchs, Rindenschaden, Erntefehler (Rückeschäden, Fallschäden)

S TR U K T U R M ER K M A L / VI S U EL L E S O R TI ER U NG H O L Z

→ SIA 265/1 s18-27 Wuchsmerkmale: Jahrring (Mass für Rohdichte) Äste (Abfall Festigkeit bei mehr Ästen) Reaktionsholz (höhere Dichte, Längsschwinden, Härte) Schrägfasrigkeit (Festigkeit) Überwallungen, Harztaschen Mech. Schädigung: Stauchung, Quetschung, Querrisse, Längsrisse Biot. Schädigung: Pilze, Insekten (Holzwurm, Hausbock, Holzwespe) Vögel, Wildschäden Verarbeitung: Längskrümmung, Verdrehung, Querkrümmung Schnittart (Markstück, (Doppelt) Markdurchschnitten, Markfrei, Riftstück), Holzfeuchte, Kante → Klassierung

G EE I G N E TE S O R TI ER K R I T ER I E N

Korrelationen: (je grösser r desto besser)

→ E-Modul wichtig, auch als Einzelkriterium

S O R TI E R A R TE N

Visuell: (De)klassierung aufgrund Unzulänglichkeiten, schnell, Abhänig von Person, Reproduzierbarkeit, Äste Hauptkriterium (Schwache Korrelation) Apparativ Unterstütz Visuell: Maschinell: Dichte, Astigkeit, E-Modul (stat oder dyn), zudem Feuchte, Abmessungen

M A S C H I N EL L E S O R TI ER U N G

Mechanische Belastungsverfahren → Effektive Belastung, repr. Festigkeit, teuer, keine Kanthölzer, Bauteilenden n. geprüft - Stress Grading (Biege E-Modul Bretter, über Rollen, vmax 50-300m/min, max75mm) - Proof Loading (In Grade Testing, 4-Punkt-Biegeprüfung) Dynamische Verfahren → ( ) Hohe Genauigkeit/Reprodzierbarkeit, Alle QS, mobil, unklar wo Schwachstelle - Stress Wave (Eigenfrequenz, Schwingungen) ( ) Längs zB mit Handgeräten/Hammer Flexurale (mit Nadel und Taster) Biegeschwingungen:

(

) nur für Labor geeinget (Länge, Sensor..)

- Ultraschall (Schallaufzeit, Schallschw. infolge Feuchte, Äste, MFA, Masse)

( )

( )( ) Näherung:

Durchstrahlungsverfahren → Dichte, innere Defekte, Astigkeit Informationen zu Dichteverteilung, Feuchtebestimmung, Strahlung! Unempfindlich verschmutzte Oberflächen, helle Äste werden erkannt, niedrigere Messgenauigkeit. - Röntgen, Gammastrahlen - Radar - Mikrowellen Alternativ mit Wägung (einfach, keine Feuchte, globale Info) Optische Verfahren → Astigkeit Hohe Messgenauigkeit, Schmutz als Äste, Helle Äste schwierig - Oberflächen Scanning (Mit Kamera, Erkennungsproblem) - Laser Scanning - Infrarot-Thrmographie - Computerrtomographie (Stämme) Fazit: → Kombinierte Verfahren, direkt kombiniert in Maschinen

Kontrollen: Produktbezogen überwacht (Amerika): kont. Stichproben, hoher Prüfaufwand, teuer, Einstellung Maschinen nach Prüfergebnissen, für grosse Holzmengen gleicher Grösse Maschinenbezogen überwacht (Europa): für unterschiedliche Abmessungen Überprüfung/Überwachung der Sortiermaschine, Maschinenparameter wichtig (grosse Untersuchungen)

ER S C H EI NU NG S S O R TI ER U N G

KEINE Festigkeitssortierung! Kriterien ähnlich, aber anderes Ziel → einheitliche Oberfläche → Ausschreibung nach Festigkeitsklasse FK und ggf nach Erscheinung QK

VORTRÄGE S CH AL L S CH U T Z

A R T EN

Luftschall

Trittschall

A NF O R D E R U NG E N NA C H N O R M

→ SIA 181:2006 Luftschall: ⏟

⏟

Normwert + Erhöhte Anforderungen : Bauteilkennwerte, Korrektur Dimension, Volumen, Labormessung

Trittschall:

⏟

⏟

Normwert - Erhöhte Anforderungen : Bauteilkennwerte, Korrektur Dimension, Volumen, Labormessung

MATERIALWAHL / EIGENSCHAFTEN KR IT E R I E N

Mechanische Eigenschaften Physikalische/Chemische Eig.

Herstellung/Bearbeitbarkeit Oberflächeneigenschaften

Ästhetische Eigenschaften Kosten und Verfügbarkeit

E I G E NS C H A F T EN V O N WE R K S TO F F E N

Mechanische E-Modul, Festigkeit, Streckgrenze, Härte, Dehnung, …

Physikalische Dichte, Temp, Leitfähigkeit, Kapazitäten, … Umwelt Oxidations-, Korrosions-, Verschleiss-Geschwindigkeit Produktion Verarbeitbarkeit, Energie, CO2-Bilanz Ästhetik Wirtschaftlich Preis, Verfügbarkeit

EIG EN S CH AF T EN - A B H ÄN G IK E IT EN

E-Modul/Dichte proportional v.a. unter sich (Ausser Metalle)

/Dichte proportional über alles

E-Modul/ proportional unter sich (Ausser Beton, Elastomere)

proportional etwa (Keramiken, Foame allg. tiefer)

VERFORMBARKEIT S P AN N U N G S Z U S T ÄN D E

Zugspannung ⁄

Schubspannung Zugdehnung Querdehnung

Querkontraktion

Gleitwinkel ⁄ Volumenänderung ⁄

Beziehung ( ) ( )

V ER S U CH E

3-Punkt Biegung

4-Punkt Biegung

Schwingung

√

Freier Stab mit Masse in Mitte

Schall längs Werkstück

Schub

Vollrohr mit Torsion

S P AN N U N G S D EH N U N G S V ER H A L T E N

P R O B L EM A TI K D E R Q U E R S C H NI T TS VE R F O R M U NG

Nominell: QS bleibt konstant, kleine Verformungen

Wahr: QS verzerrt, real bei grossen Verformungen

D I A G R A M M E

ZE I TA B H Ä NI G I ES V ER H A L TE N

Elastisch: temporäre, reversible Verformung

Plastisch: bleibende Verformung

Viskoelastisch: Erholung über gewisse Zeit

Kriechen: Spannung konstant → Dehnung wird grösser ( )

Relaxation: Dehnung konstant → Spannung nimmt ab ( )

QUELLEN Vorlesungsunterlagen Holz und Holzwerkstoffe HS13, ETHZ

Zusammenfassung Werkstoffe I, ETHZ

Skript Holz und Holzwerkstoffe, Werkstoffe I, EHTZ

In altem Skript gibt es noch einige Übungsaufgaben

PRÜFUNG Viele relativ offen gestellte Fragen, nicht besonders schwierig, aber auch nicht unterschätzen!

Holz und Holzwerkstoffe Master ETHZ – BAUG – HS2013

20. Januar 2013 S e i t e | 5 Christoph Hager

BILDER/DIAGRAMME

Spanbasis:

Faserbasis: