4. Prüfung von Bauteilen
4.5 mechanische Verfahren
4.5.1 Bohrkernentnahme
Ursprünglich wurden Bohrkerne für dendrochronologische Untersuchungen entnommen. Doch schnell entwickelte sich die Nutzung auch für die Analyse von schadhaften Bereichen.
Die Bohrkernentnahme kann zur Untersuchung des inneren Zustandes von verbautem Konstruktionsholz verwendet werden. Anhand der Bohrkerne können Schäden und Schadensumfang erkannt und tragende Restquerschnitte ermittelt werden. Die entstehende Zerstörung durch Bohrlöcher beispielsweise mit einem Durchmesser von 20 bis 30 mm muss berücksichtigt werden.
Das bedeutet, die Bohrkernentnahme ist nicht für stark beanspruchte Querschnitte geeignet.
Bei sehr starken Schädigungen empfiehlt sich der Einsatz der Bohrkernentnahme nicht, da das Holz beim Bohren im Bohrer zerfällt und nicht mehr für eine Untersuchung der Schadensursachen geeignet ist.
Prinzip
Beim Bohrkernverfahren werden mit Hilfe einer Fräse / eines hohlen Kernbohrers zylindrische Proben entnommen.
Abb. 4.5: Bohrer zur Bohrkernentnahme (∅ 20 mm) Abb. 4.6: Bohrkernentnahme an einem (Kraft, Pribbernow 2006) Stamm
Anwendung
Die Anwendungsbereiche der von Holz entnommenen Bohrkerne sind vielseitig.
Kerne ab 4 mm Durchmesser eignen sich zur visuellen Untersuchung. Bohrkerne mit 15 bis 25 mm Durchmesser (nach Lißner, Rug 2000) werden zur Bestimmung der Druckfestigkeit, Rohdichte und Holzfeuchte entnommen (siehe auch Tab. 4.4). Das Verfahren eignet sich gut für den praktischen Einsatz im Hinblick auf die Bewertung der aktuellen Tragfähigkeit von Altholz.
In Tab. 4.4 sind weiterführende Untersuchungen zusammengestellt für die die entnommenden Proben genutzt werden können. Bei der Beurteilung der Ergebnisse ist allerdings zu berücksichtigen, dass durch die Bohrkernentnahme nur ein kleiner Teil des Bauteils untersucht wird.
Tab. 4.4: Weiterführende Untersuchungen an Bohrkernen (nach Kraft, Pribbernow 2006), S.101 Untersuchungskategorie
(Untersuchungsart)
Detailuntersuchung
Visuell, ohne Geräte Makroskopische Holzartenbestimmung Splint- und Kernholzanteil
Insektenbefall Pilzbefall
Restquerschnittermittlung
Visuell, mit Mikroskop mikroskopische Holzartenbestimmung mikroskopische Bestimmung von Pilze Labortechnisch, chemisch Holzschutzmittelart
Eindringtiefe von Holzschutzmitteln Holzangreifende Medien (Säuren, gelöste Salze): Art des Mediums, Dicke der geschädigten Schicht (Eindringtiefe) Labortechnisch, gerätetechnisch Bestimmung des Feuchtegehalts nach DIN 52183
Rohdichtebestimmung nach DIN 52182
Druck- und Zugprüfungen (Festigkeitsbestimmung) Dendrochronologisch Alter des Baumes bei der Fällung
Herkunft des Holzes
4.5.1.1 Festigkeitsprüfung an Bohrkernen nach Erler
Die Prüfung der Druckfestigkeit erfolgt in einer Prüfmaschine, wo die Proben in spezielle Konkavbacken eingelegt werden (Abb. 4.7). Für die Ermittlung der Druckfestigkeit sind die Erfassung der Geometrie des Probekörpers und seine Wägung notwendig. Die Wägung dient neben der Berechnung der Rohdichte auch der Ermittlung der Holzfeuchte.
Abb. 4.7: Bohrkern – Druckprüfung; links: Bohrkern in Druckschalen mit Ausrundeungen zur Druckprüfung längs zur Faser, rechts: Skizze mit geometrischen Daten Angaben für Druckplatten bei
einem Bohrkern mit d = 15 mm (Erler 2004)
Nach Erler (2004) ist erwiesen, dass Bohrkerne bereits ab d = 15 mm in Bezug auf die Druckfestigkeit längs zur Faser gute Korrelationen zu den Festigkeiten der üblich genormten Quader (Prüfung nach DIN 521285) aufweisen.
Bei der Druckfestigkeitsprüfung längs zur Faser werden die Bohrkerne in Druckplatten mit Ausrundungen mit dem Durchmesser der Bohrkerne gelegt und bis zum Bruch belastet.
Zur Berechnung der Bruchspannung = Druckfestigkeit gilt nach Erler (2004):
l b
F
dB
= max ×
σ
(Gl. 4.3)Aus der Kreisgeometrie ist:
( )
22 r2 r t
b= ⋅ − − (Gl. 4.4) maxF … maximale Belastung in N
b … Belastungsbreite in mm l … Bohrkernlänge in mm r … Bohrkernradius in mm
t … Nuttiefe der Prüfbacken in mm (t = 2,5 mm)
Für einen Bohrkerndurchmesser von d = 15 mm ergibt sich mit einem Kreisausschnitt der Druckbacken von 2,5 mm Höhe eine Druckbreite von 11,18 mm.
Die Entnahme eines Bohrkerns ist aber zweifelsohne nicht zerstörungsfrei. Das entstandene Loch kann aber nach der Bohrkernentnahme wieder mit passenden Neuholzpfropfen verschlossen werden.
Es fällt je nach Bauteil stärker oder schwächer ins Gewicht.
4.5.2 Bohrwiderstandsmessung
Eine Methode, die den Zustand und die relative Festigkeit im Inneren von Holzbauteilen fast zerstörungsfrei ermittelt, ist die Bohrwiderstandsmessung.
Prinzip
Bei der Bohrwiderstandsmessung wird der Widerstand einer Bohrnadel von 1.5 mm Durchmesser (Bohrspitze 3 mm), die mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit und Drehzahl in das Holz eindringt, gemessen. Die erhaltenen Messdaten korrelieren mit der Struktur und dem Zustand des Holzes.
Dabei sind Einflüsse wie Rohdichte, Holzfeuchte, pathologische Veränderung des Holzes sowie verfahrensbedingte Parameter zu berücksichtigen. Bei steigender Holzfeuchte nimmt der Bohrwiderstand zu, wobei seine Amplitude und der Anteil hochfrequenter Schwankungen abnehmen.
Der Anteil hochfrequenter Schwankungen in einem Bohrwiderstandsprofil nimmt mit steigender Vorschubgeschwindigkeit zu.
Anwendung
Die Bohrwiderstandsmessung wird zur Ermittlung des Rohdichteprofils in Holzwerkstoffen, für die Erkennung von Fehlern in verbautem Holz sowie zur Beurteilung von Fäulen beim stehenden Baum angewendet. Eine Braunfäule führt im Vergleich zur Weissfäule bereits bei einem geringeren Masseverlust zu einer Bohrwiderstandsabnahme. Das Gerät hinterlässt zwar nur ein kleines Bohrloch, welches jedoch bis zu max. 40 cm lang sein kann; es arbeitet also nicht gänzlich zerstörungsfrei.
Mann erhält zudem nur Kenntnisse über eine ziemlich schmale dafür lange Zone im Holz.
Abb. 4.8: a Resistograph mit Peripherie-Geräten; b Bohrnadelspitze
Abb. 4.9: Bohrprofil eines Stammes mit einer Faulstelle
4.5.3 Eindringwiderstandsmessung
Die Eindringwiderstandsmessung bzw. Messung der Schlagbruchfestigkeit von Holz in oberflächennahen Bereichen wurde bereits Mitte der 1970er Jahre entwickelt. Es ist ein weitgehend zerstörungsarmes Prüfverfahren zur Erkennung von Schäden und Schadensumfang im oberflächennahen Bereich sowie zur Schätzung der Festigkeit und Rohdichte von verbautem Konstruktionsholz.
Ein häufig verwendetes Messgerät ist das Polidyn 6J von der Firma Proceq (Kraft, Pribbernow 2006).
Prinzip
Das Verfahren beruht auf der Grundlage, dass jeder Feststoff einer von außen einwirkenden Kraft einen inneren Widerstand entgegenstellt.
Beim Pylodin wird die Eindringtiefe eines Stiftes gemessen, welche stets mit einer definierten Kraft durch das Lösen einer zuvor gespannten Feder in das Holz geschossen wird. Die Eindringtiefe des Stiftes ist auf einer Skala ablesbar und weist eine gute Korrelation zur Rohdichte – und damit zur Druckfestigkeit auf. Sie sowie die Härte des Holzes stehen in Relation zueinander. Eine durch einen Pilzbefall bedingte Verminderung der Dichte kann so festgestellt werden.
Verglichen mit Ergebnissen aus umfangreichen Untersuchungen an fehlerfreien Proben können qualitative Aussagen über die Festigkeit der untersuchten Hölzer gemacht werden. Bedingt durch die geringe Länge des Schlagstiftes werden nur die äußeren 2 cm des Querschnitts erfasst.
Für ausgewählte Holzarten und Holzfeuchten liegen Kalibrierungen mit zugeordneten Eindringtiefen vor. Die Beziehung zwischen Eindringtiefe des Gerätes Pilodyn 6J (Firma Proceq, Zürich) und der Rohdichte für Fichte wurde von Görlacher (1987) festgestellt mit (Erler 2004):
855
Die Eindringwiderstandsmessung eignet sich zur Untersuchung von verbautem Konstruktionsholz und bietet eine Alternative zu den üblichen Bestimmungen der Rohdichte nach DIN 52 182, die mit zerstörender Probenentnahme verbunden ist. Bei Untersuchungen hochbeanspruchter Bauteile, bei denen keine Schwächung durch Probenentnahme möglich ist, ist die Eindringwiderstandsmessung neben der sehr kostenintensiven Bohrwiderstandsmessung die einzige Möglichkeit, um objektivere Aussagen zur Festigkeit machen zu können, als mit herkömmlichen Methoden, z.B. Eintreiben einer Messerklinge.
Bei gefrorenem und stark ausgetrocknetem Holz kann das Holzprüfgerät zur Eindringwiderstandsmessung nicht eingesetzt werden. Die Methode ist dafür auch im Unterwasserbereich einsatzfähig, so z.B. zur Beurteilung von Pfählen (Niemz und Matejak, 2002).
Mit Hilfe des Pilodyn kann die Härte an der Oberfläche des Holzes, resp. im oberflächennahen Bereich festgestellt werden, über den Untergrund erhält man keine Daten. Das Gerät hinterlässt relativ grosse Löcher und arbeitet somit nicht gänzlich zerstörungsfrei.
Abb. 4.10: links: Messung der Eindringtiefe mit Polidyn 6J (Firma Proceq, Zürich), rechts:
Detailaufnahme des Messkopfes des Pilodyn mit ausgefahrener Nadel