DGZfP-Berichtsband 100-CD Fachtagung Bauwerksdiagnose Poster 18 Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen 23.-24. Februar 2006, Berlin

Ultraschall-Echo-Technik zur Ortung von Minderdicken und Schäden in Holzbauteilen

A. Hasenstab, M. Krause,

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin ZfP an Holzbauteilen, Fehlstellen, Minderdicken, Ultraschall-Echo, Fäulnis, Bauwesen 1 Kurzfassung Zur Ortung von Minderdicken und Schäden in Holzbauteilen wurden Ultraschall-Echomessungen mit Punktkontaktprüfköpfen durchgeführt, die zur Ankopplung keine Koppelmittel erfordern.

Die Lokalisierung von nicht sichtbaren Minderdicken und Schäden (z.B. Innenfäule oder baulich unzugängliche Oberflächenfäule) ist von großer Bedeutung.

Mit der zerstörungsfreien Ultraschalltechnik können Minderdicken durch ein Echo kürzerer Laufzeit, sowie Schäden indirekt über eine Abschattung des Rückwandecho geortet werden.

2 Einleitung und Problemstellung Studien haben ergeben, dass zu über 60 % des Umsatzes der deutschen Bauwirtschaft durch das Bauen im Bestand erwirtschaftet wird, worunter vor allem Umbaumaßnahmen, Renovierungen und Aufstockungen verstanden werden.

Für eine genaue Planung mit statischen Berechnungen ist es erforderlich, möglichst genaue Angaben über die bestehende Konstruktion zu erhalten. Neben Stahl und Mauerwerk trifft man beim Bauen im Bestand vor allem auf Holzbauteile, welche besonders genau betrachtet werden müssen. Im allgemeinen wird die schönste und ungeschädigte Seite eines Bauteils als Sichtseite eingebaut. Besonders wenn Holz wiederverwendet wird ist nicht bekannt, ob eine Schwächung des Querschnitts durch Verkämmungen, Verzapfungen und Verblattungen durch die vorherige Konstruktion oder gar eine Schädigung besteht.

Oft ist es in der Praxis durch Einbauten nicht möglich, von allen Seiten visuell das Bauteil zu untersuchen, aber durch die Wiedernutzung der Teile aus einem früheren Gewerk können bereits konstruktionsbedingte Aussparungen und Löcher vorhanden sein. Zudem können Schadstellen im Inneren von Holzbauteilen (z.B. Innenfäule) oder baulich unzugängliche Oberflächenfäule vorhanden sein, welche von außen schlecht erkannt werden können und bei einer ausgeprägten Schädigung zu einem plötzlichen Versagen des Bauteils führen können.

DGZfP-Berichtsband 100-CD Fachtagung Bauwerksdiagnose Poster 18 Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen 23.-24. Februar 2006, Berlin 3 Stand der Technik der Prüfverfahren für Holz

Um Minderdicken, Aussparungen und Schäden wie Innenfäule und baulich unzugängliche Oberflächenfäule zu orten wird zerstörungsarm vor allem die Bohrwiderstandsmethode (Abbildung 1) angewendet und Bohrkerne entnommen. Bei diesen Ergebnissen handelt es sich um Punktmessungen, welche bei der Interpretation viel Erfahrung erfordern. Selten wird auch der Auszieh- oder Eindringwiderstand mit der Ausziehwiderstandsmessung oder Penetrationsanalyse untersucht. Zerstörungsfrei wird neben der visuellen Prüfung auch der Belastungsversuch, die Durchstrahlungs- und die Ultraschalldurchschallungstechnik verwendet [6], [7], [8], [9], [10]. Bei den beiden letztgenannten ist eine beidseitige Zugänglichkeit des Bauteils erforderlich. Ultraschall - Durchschallung erfordert zudem eine beidseitige direkte Ankopplung am Bauteil, was die Anwendbarkeit des Verfahrens stark begrenzt. Für Untersuchungen mit der Ultraschall-Echotechnik (Abbildung 2) muss nur eine Bauteilseite zugänglich sein.

Abbildung 2: Ultraschallecho mit einer Sende-Empfangseinheit mit Punktkontakt-Echo

4 Ultraschall-Echo-Verfahren Die niederfrequente Ultraschall-Echotechnik wird seit Jahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Betonbauteilen erfolgreich angewendet. Im Rahmen der Prüfungen an Beton ist es möglich, Spannglieder, Rückwände, Materialinhomgenitäten und Hohlstellen zu orten [2], [3], [4]. Das Ultraschall-Echoverfahren beruht auf der Reflexion der Schallwellen an Werkstoffinhomogenitäten wie der Bauteilrückwand oder an anderen Grenzflächen. Aus den empfangenen Signalen kann indirekt eine Aussage über den Bauteilzustand oder innere Schäden getroffen werden, wobei die Laufzeitmessungen mittels einer Kalibrierung der Geschwindigkeit an einer bekannten Bauteilabmessung in eine Tiefe umgerechnet werden können. Ebenso kann die Gleichmäßigkeit der Bauteildicke von einer zugänglichen Seite aus untersucht werden. Für die Anwendung des Verfahrens muss der akustisch anisotrope Aufbau des Holzes und die damit verbundenen Einflüsse auf die Schallausbreitung (Anisotropie) beachtet werden, was Gegenstand umfangreicher Untersuchungen war [19, 20]

Abbildung 1: Holzbalken mit Kernfäulnis und Ergebnis einer Bohrwiderstandsmessung,[1].

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Die geringe Dichte von Holz (ρKiefer<<ρBeton<<ρStahl) wird durch eine hohe Lufteinschlussdichte verursacht, was leistungsstarke, niederfrequente Prüfköpfe (50-200 kHz) erforderlich macht. Eine niedrige Frequenz ergibt eine geringe Schallschwächung des Signals, hat aber eine große Wellenlänge zur Folge, was eine geringere Auflösung zur Folge hat (Größenordnung halbe Wellenlänge). Zum Anregen der Transversalwellen wird eine Sende-Empfangseinheit bestehend aus 12 Punktkontakt-Prüfköpfen als Sender und 12 Prüfköpfen als Empfänger verwendet (Abbildung 4). Dieser Prüfkopf hat den Vorteil, dass kein Koppelmittel erforderlich ist und somit eine schnellere Messung ohne Verunreinigung der Messfläche möglich ist. Der Prüfkopf wird mit 55 kHz angeregt, was bei einer Messrichtung

senkrecht zur Faser mit v = 1,4 km/s und fc

=λ

eine Wellenlänge von 2,5 cm ergibt.

Abbildung 4: Transversalwellenprüfkopf mit einem Array von Punktkontaktprüfköpfen zum Betrieb ohne Koppelmittel, roter Pfeil entspricht Polarisation der Transversalwellen.

Abbildung 3: Ultraschallprüfgerät mit koppelmittelfreien Punktkontaktprüfköpfen der Firma ACSYS im Einsatz.

DGZfP-Berichtsband 100-CD Fachtagung Bauwerksdiagnose Poster 18 Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen 23.-24. Februar 2006, Berlin 5 Anwendungsbeispiele und Ergebnisse Folgend werden Messungen an Holzstützen eines historischen Klosters und an einem Dachstuhl aus dem 17. Jahrhundert (Kemptner Dach) vorgestellt.

5.1 Stütze mit Aussparung senkrecht zur Tragrichtung

In der Südscheune eines historischen Klosters wurden Messungen an Stützen mit einer identischen Aussparung senkrecht zur Tragrichtung (Abbildung 5) durchgeführt. Die Ergebnisse an einer Stütze (Fichte, 23,5 cm x 29,5 cm) sind als B-Bilder in Abbildung 6 dargestellt.

Der dunkle Bereich im oberen Teil des Bildes entsteht durch Oberflächenwellen, die bei einer Ankopplung von Sender und Empfänger auf einer Bauteilseite immer vorhanden sind.

Besonders deutlich ist das Echo an der Rückseite der Stütze, das hier als dunkle Linie bei 345 µs zu erkennen ist. Schwach ist im linken Teil des Bildes ein Vielfachecho bei 680 µs zu erkennen. Echos mit einer Laufzeit von 180 µs können einem Schwindriss im Holz zugeordnet werden. Ab etwa der Hälfte der Messlinie fallen mehrere Echos mit gleicher, kürzerer Laufzeit auf. Wenn die Bauteilabmessungen an einer Stelle bekannt sind, kann über die Laufzeit die Schallgeschwindigkeit bestimmt werden.

)(2)()(

tLaufzeitxStreckevgkeitGeschwindi ⋅

=

skm

smm

txv 36,1

34522352=

⋅=

⋅=

μ

Mit dieser bekannten Geschwindigkeit können die Echos einer Bauteildicke zugeordnet werden.

)()(21)( tLaufzeitvgkeitGeschwindixkeBauteildic ⋅⋅=

mmss

kmtvx 17325536,121

21

=⋅⋅=⋅⋅= μ

Die reale Bauteildicke war 18,0 cm, die errechnete 17,3 cm (4% Unterschied). Die genaue Lage der Aussparung ist mit schwarzen Linien im Ergebnis eingezeichnet, durch eine sehr raue Oberfläche ist neben der Aussparung keine Rückwand detektierbar, im weiteren Verlauf aber schon. Eine genauere Information über die Intensität der Echos kann den Laufzeit-Bildern (A- Bilder) entnommen werden.

Abbildung 5: Schrägansicht Stütze 1 (21,5 cm x 29,5 cm) mit Aussparung senkrecht zur Tragrichtung und Messlinie

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Abbildung 6: B-Bild der Messung entlang Stütze 2 (Fichte, 23,5 cm x 29,5 cm) mit Echos an Bauteilrückwand, Schwindriss und Aussparung, die Zahlen stellen die Lage der A-Bilder in Abbildung 7 dar.

Abbildung 7: A-Bilder (Intensität über die Laufzeit aufgetragen) mit Position der Messlinie im B-Bild (Abbildung 6 unten)

Im A-Bild links oben (Position 1) deutliches Rückwandecho, schwaches Vielfachecho.

Im A-Bild links (Position 2) Echo von Riss, Aussparung und schwaches scheinbares Rückwandecho, was durch große Prüfkopfbreite verursacht wird.

In allen A-Bildern rechts ist die Rückwand zu erkennen, wobei bei Position 3 sowohl Oberflächenwellen als auch Echos von anderen Reflektoren zu sehen sind. Das A-Bild rechts mittig (Position 4) zeigt Echos vom Schwindriss und der Rückwand, das A-Bild rechts unten (Position 5) nur ein klares Rückwandecho.

1 2 3 4 5

1 3 2 4 5

DGZfP-Berichtsband 100-CD Fachtagung Bauwerksdiagnose Poster 18 Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen 23.-24. Februar 2006, Berlin Mit den Messungen konnte gezeigt werden, dass Aussparungen senkrecht zur Tragrichtung von der Bauteilrückseite eindeutig geortet werden können.

5.2 Stütze mit Aussparung parallel zur Tragrichtung

Eine weitere Prüfaufgabe ist die Ortung von Aussparungen mit der Lage parallel zur Tragrichtung an Stützen. In Abbildung 8 ist die Zeichnung der Draufsicht einer Stütze zu sehen, in Abbildung 9 das zugehörige B-Bild, bei dem sowohl die Echos von den Aussparungen wie auch von der Rückwand zu sehen sind. Zum besseren Verständnis von Abbildung 9 sind die realen Bauteilabmessungen als punktierte, rote Linie eingezeichnet. Als punktierte Linie ist die Position der Laufzeit-Bilder (Abbildung 10, Abbildung 11, Abbildung 12) dargestellt.

Anhand der Laufzeit-Bilder kann deutlich das Echo der Minderdicke (Abbildung 10), das Echo an der Bauteilrückseite (Abbildung 11) und das Echo an der zweiten Minderdicke (Abbildung 12) dargestellt werden.

Abbildung 8: Draufsicht Stütze mit Aussparungen parallel zur Tragrichtung (Angaben in cm) und Position der später dargestellten A-Bilder

Abbildung 9: B-Bild einer Messung senkrecht zur Tragrichtung an Stütze (Abbildung 8) und gepunktete Linie der Position der später dargestellten A-Bilder

A1 A2 A3

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Abbildung 12: A-Bild A3 aus der Messung Abbildung 9 bei Position 28 cm (erste Linie im Bereich der rechten Minderdicke) mit deutlichem Echo von Minderdicke und noch schwachem Echo von Rückwand

Eine Messung an derselben Stütze von der gegenüberliegenden Seite ergab in der Bauteilmitte ein Rückwandecho, in den Randbereichen wie erwartet kein deutbares Echo. Dies ist mit einer Überlagerung der Echos mit Oberflächenwellen zu erklären.

Weitere Messungen an Stützen mit Aussparungen parallel zur Tragrichtung ergaben, dass eine Aussparung am Rand mit einer Breite von 3,5 cm und eine Tiefe von 2 cm bei einer Stützendicke von 21 cm detektiert werden konnte, eine Aussparung mit einer Breite von 2,5 cm dagegen nicht.

Abbildung 10: A-Bild A1 aus der Messung Abbildung 9 bei Position 1 cm (ganz links) mit deutlichem Echo der Minderdicke

Abbildung 11: A-Bild A2 aus der Messung Abbildung 9 bei Position 25 cm (etwa Mitte) mit deutlichem Echo der Rückwand

DGZfP-Berichtsband 100-CD Fachtagung Bauwerksdiagnose Poster 18 Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen 23.-24. Februar 2006, Berlin 5.3 Balken mit Holzdübeln, Aussparung und Schädigung

Abbildung 13: Kemptner Dach aus dem 17. Jahrhundert mit zwei Reparaturstellen, an denen Messungen mit Ultraschallecho durchgeführt wurden.

An einem Dachstuhl aus dem 17. Jahrhundert (Kemptner Dach) wird anhand von Anschauungsbeispielen praktisch gezeigt, wie Schäden an Holzkonstruktionen denkmalpflegerisch korrekt durch zimmermannsmäßige Reparaturen behoben werden können. Die Ergebnisse von Messungen mit Ultraschallecho einer solchen Reparaturstelle werden nachgfolgend vorgestellt.

Abbildung 14: B-Bild von Messung entlang Reparatur an Sparren mit Holzdübeln; links mit deutlichem Rückwandecho an vollem Querschnitt, Auffälligkeit durch Holzdübel (linker Pfeil) und abgeschatteter Rückwand durch Aussparung und Schädigung. Echos geringer Intensität durch Schwindriss.

Riss

Schädigung

Riss

Rückwandecho

DGZfP-Berichtsband 100-CD Fachtagung Bauwerksdiagnose Poster 18 Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen 23.-24. Februar 2006, Berlin Die Messung entlang des Balkens mit Holzdübeln senkrecht zur Messrichtung, Aussparung in geringer Tiefe und Schädigung durch Fäule ist in Abbildung 14 als B-Bild zu sehen.

Dabei ist eindeutig im ungeschädigten Bereich die Bauteilrückwand und ein Schwindriss zu erkennen. Die Lage der Holzdübel zeichnet sich durch einen Bereich mit intensiven Signalen verschiedener Laufzeiten ab. Bis zur Aussparung ist die Rückwand noch schwach zu erkennen. Die Aussparung selbst verursacht eine so geringe Bauteildicke, dass ein etwaiges Echo an der Aussparung durch Oberflächenwellen überlagert wird. Nach der Aussparung ist der Balken sichtbar durch Fäule zersetzt und somit wird die Rückwand abgeschattet.

Mit der Messung konnte gezeigt werden, dass die Bauteilrückseite, die Lage von Holzdübeln und indirekt eine Schädigung geortet werden konnte.

6 Zusammenfassung und Anwendungsmöglichkeiten

Es ist möglich, Niederfrequenz-Ultraschall in Echotechnik sowohl mit Longitudinal- als auch mit Transversalwellen an Holz erfolgreich anzuwenden. Damit gelingt es, Störstellen und Minderdicken auch dann zu lokalisieren, wenn nur eine Bauteilseite zugänglich ist. Mit einer Kombination der beschriebenen Verfahren kann ein Schaden rationell festgestellt werden: Das Ultraschall-Echoverfahren dient zur Untersuchung großer Bereiche. Damit können unter bestimmten Bedingungen, z. B. eine zugängliche, rissarme, ungeschädigte Oberfläche, schnell Areale mit Auffälligkeiten bestimmt werden. Diese Bereiche können dann mit der Bohrwiderstandsmethode hinsichtlich der Tiefenlage und der Art des Defekts genauer bestimmt werden. Sehr detaillierte Aussagen können zusätzlich mit Radiografie erzielt werden [15]. Messungen an den hier vorgestellten Stützen und Holzbalken mit Transversalwellen ergeben, dass von ungeschädigten Bauteilen mit einer Dicke von 22,5 cm ein Rückwandecho und ein Vielfachecho empfangen werden kann (z.B. Abbildung 6, links). Sind bei sonst gleichen Bedingungen Echos mit kürzerer Laufzeit zu empfangen (Abbildung 6, mitte), kann auf eine Minderdicke geschlossen werden. Sind keine Echos zu empfangen (Abbildung 14 rechts), kann es sich um eine Schädigung handeln und genauere Untersuchungen sind erforderlich (z.B. mit der Bohrwiderstandsmethode). Mit den Untersuchungen konnte eine von außen nicht sichtbare Schädigung des Balkens geortet werden. Da der Balken inzwischen trocken ist, besteht keine weitere Gefahr durch Moderfäule.

zerstörungsfreie Untersuchung von Holzkonstruktionen (Fachwerke, Holzbalkendecken, Dachstühle)

Früherkennung und Eingrenzung von Schäden

Ortung von Minderdicken (Aussparungen, Zapfenlöcher)

Kostenabschätzung bei Instandsetzung

zerstörungsfreie Dokumentation und Integritätsprüfung des Bauteilzustandes

Tabelle 1: Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens.

DGZfP-Berichtsband 100-CD Fachtagung Bauwerksdiagnose Poster 18 Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen 23.-24. Februar 2006, Berlin Die bisher erzielten Ergebnisse bei der zerstörungsfreien Prüfung von Holzbauteilen mit dem Ultraschallecho-Verfahren bedeuten einen enormen Fortschritt. Das Verfahren besitzt ein großes Potenzial für die Baupraxis. Holzbauteile unterscheiden sich jedoch in vielfältiger Hinsicht, wie z. B. Holzart, individuell unterschiedliches Wachstum, Anteil Kernholz und Splint, Art des Sägens aus dem Stamm.

Das alles hat einen Einfluss auf die akustischen Eigenschaften des Holzes und damit auf die Deutlichkeit der Ergebnisse. Für die systematische Anwendung des Verfahrens in der Praxis sind also noch grundlegende Untersuchungen der Randbedingungen und die systematische Aufstellung eines Schadenskataloges erforderlich. 7 Danksagung Hier möchten wir Dr. Otto Kroggel und Jan Lutz von der TU Darmstadt für die Unterstützung des Einsatzes bei den Messungen in Thierhaupten sowie für den fruchtbaren Ergebnisaustausch danken. Auch besonderem Dank gilt Herrn Martim Saar vom Bayerischen Landesamt für Denkmalpflege für die gute Erläuterung der Denkmalpflege und die Bereitstellung der Versuchsobjekte im Kloster Thierhaupten.

8 Literatur

[3] Krause, M., Mielentz, M., Milmann, B., Wiggenhauser, H., Müller, W., Schmitz, V.: Ultrasonic image of concrete members using an array system. NDT & E International 34 (6) (2001) pp. 403-408

[1] Görlacher, R., Hättrich, R.: Die Bohrwiderstandsmessung. Bauen mit Holz (1990), H. 6, S. 455-459]

[2] Krause, M., Mielentz, F., Milmann, B., Wiggenhauser, H., Müller, W.: Spannkanal-untersuchung mit bildgebenden Ultraschallecho-Verfahren. DGZfP (Hrsg.); Fachtagung Bauwerksdiagnose - Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen, 21.-22. Januar 1999 in München, DGZfP-Berichtsband 66-CD (1999) Poster 2

[4] Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM): ZfPBau-Kompendium. http://www.bam.de/zfpbau-kompendium.htm (2004)

[5] Kothe, E.: Auswirkung von Holzschäden durch Pilze und Insekten auf die Standsicherheit von Holzbauwerken - eine Bestandsaufnahme. Bautechnik 75 (1998), H 8, S. 552-558

[6] Wenzel, F., Kleinmanns, J.: Sonderforschungsbereich 315, Historische Holztragwerke, Untersuchungen, Berechnungen und Instandsetzen. Universität Karlsruhe (1999)

[7] Hasenstab, A.: Die Hohlstellenortung bei Holzbauteilen mit dem Ultraschallverfahren, Diplomarbeit an der Technischen Universität Berlin, unveröffentlicht (2002)

DGZfP-Berichtsband 100-CD Fachtagung Bauwerksdiagnose Poster 18 Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen 23.-24. Februar 2006, Berlin [8] Hasenstab, A., Rieck, C., Hillemeier, B., Krause, M.: Hohlstellenortung in Holzbalken

mit dem Ultraschallverfahren. DGZfP-Jahrestagung 06.-08. Mai 2002 in Weimar, DGZfP-Berichtsband auf CD: Plakat 32, Berlin (2002)

[9] Hasenstab, A., Rieck, C., Hillemeier, B., Krause, M.: Use of low frequency Ultrasound Echo Technique to Determine Cavities in Wooden Constructions. DGZfP (Ed.); International Symposium Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE) in Berlin, Germany, September 16-19, 2003, Proceedings on BB 85-CD, P51, Berlin (2003)

[10] Hasenstab, A., Krause, M.: Ultraschallechoverfahren an Holz. Cziesielski, E. (Hrsg.); Bauphysik-Kalender 2004, Berlin: Ernst und Sohn (2004) Kap. C1, 2 Strukturaufklärung, Abschn. 2.5, S. 352-358

[12] Niemz, P., Kucera, L.J.: Untersuchung zum Einfluss des Faserwinkels auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in Holz. Holz als Roh- und Werkstoff 57 (1999) S. 225

[13] Erler, K.: Alte Holzbauwerke beurteilen und Sanieren. Berlin: Verlag für Bauwesen Berlin, München (1993)

[14] Panzer, T., Sachkundiger für bekämpfenden Holzschutz. Persönliche Mitteilung, (2001)

[15] Hasenstab, A., Osterloh, K., Robbel, J., Krause, M., Ewert, U., Hillemeier, B.:Mobile Röntgenblitzröhre zum Auffinden von Holzschäden, DGZfP-Jahrestagung 17.-19. Mai 2004 in Salzburg, DGZfP-Berichtsband auf CD: Plakat 15, Berlin (2004)

[16] Eckstein, D., Saß U.: Bohrwiderstandsmessung an Laubbäumen und ihre holzanatomische Interpretation. Holz als Roh- und Werkstoff 52 (1994), S. 279-286.

[17] Schwarze, F., Rabe, C., Ferner, D. und S. Fink: Schalltomographische Untersuchung an pilzinfizierten Bäumen. Der Wald. Hannover: Deutscher Landwirtschaftsverlag (2004) S. 2-7.

[18] Thümmler, U.: Holzuntersuchung mit der Bohrwiderstandsmethode. Bauen mit Holz 12 (1991) S. 942-945.

[19] Hasenstab, A., Krause, M., Rieck, C. und B. Hillemeier: Materialuntersuchung an Holz mit niederfrequenter Ultraschall-Echotechnik. In Tagungsband der DGZfP-Jahrestagung 17.-19. Mai 2004 in Salzburg, DGZfP-Berichtsband auf CD, Vortrag 87, Berlin (2004).

[20] Hasenstab, A., Hillemeier, B. und M. Krause: Defect Localisation in Wood with Low Frequency Ultrasonic Echo Technique. In: Proceedings of 14th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood, 02.-04.05.05, Hannover.

[11] Kollmann, F.: Technologie des Holzes und der Holzwerkstoffe, 2. Auflage, Berlin: Springer Verlag (1951)