Holz: Struktur und Eigenschaften

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Holz: Struktur und Eigenschaften

Author(s):

Niemz, Peter; Zürcher, Ernst Publication Date:

2016

Permanent Link:

https://doi.org/10.3929/ethz-a-010635713

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In Copyright - Non-Commercial Use Permitted

Kapitel I Einführung

Der Baustoff Holz

•25.000-30.000 verschieden Holzarten weltweit

•Verschiedene Waldsystheme

•Plantagenanteil steigt Baum von Tule, Mexico

•2000 Jahre alt

•42 hoch

•Durchmesser: 14,05m

•Volumen: 817m³

•Gewicht: 636 Tonnen

Holz im Vergleich zu anderen Werkstoffen

Weltproduktion

Stahl: 0,8 Mia t/a Aluminium: 0,02 Mia t Kunststoff: 0,09 Mia t

Holz: 3,01 Mia m³, davon 1,4 Mia Nutzholz, Holzvorrat: 306 Mia m³ Quelle: H. Schulz,

Historischer Überblick zur Holznutzung

7

Holz ist einer der ältesten, vom Menschen genutzten Werkstoffe

In einem Tagebau in Deutschland wurden 1997 400.000 Jahre alte Wurfspeere aus Holz gefunden

Beim Ötzi (5300 Jahre alt) wurden 1991 17 Holzarten mit spezifischen Eigenschaften gefunden

Auf Holzmangel wurde in Geschichte vielfach verwiesen (bei Verbrennung des Buda war es schwierig genügend Holz zu beschaffen);

Radkau: Holz wie ein Naturstoff Geschichte schreibt; Oekom Verlag, München 2007

• Bis 1800: Wald meist als Viehweide und Brennholzlieferant

• Holz wichtigster Baustoff für Schiffsbau, als Brennstoff, war Basis der industriellen Revolution (Eisenverhüttung, Glasherstellung), (Kirche Santa Maria de la Salute in Venedig auf 1,25Mio Pfählen gebaut)

Anwendungen:

• Vor Aufkommen der Petrochemie: chemischer Rohstoff : Gewinnung Holzkohle, Teer, Pottasche für die Glasherstellung,

• Basismaterial für Bauwesen, Schiffe, Maschinen

Übernutzung der Wälder

8

9 10

Eisenhütte im Erzgebirge/D mit Holznutzung

11

Getriebe aus Holz

12

13 14

Intensive Holznutzung führte zu Problemen bei Holzbereitstellung

• Langsamer Aufbau einer gezielten Forstwirtschaft

• von Carlowitz (Forstmeister) begründete Begriff der Nachhaltigkeit, 1732 Buch publiziert

• Cotta (1763-1844) gründete erste Forstfakultät in Tharandt/Deutschland

• Aufkommen der Forstwirtschaft an Unis (1855 Forstfakultät an der ETH, 2002 geschlossen)

Hans Carl von Carlowitz (1645- 1714)

erstes geschlossenes Buch zur Forstwirtschaft, begründete Begriff der Nachhaltigkeit

16

17

derzeit Trend zur verstärkten Holznutzung, stofflich, energetisch, chemisch,

schon erste Aussagen, dass wieder Holzmangel entstehen könnte (Resteverwertung in Plattenindustrie, Probleme mit Materialbereitstellung) (analog Mittelalter, 2. Weltkrieg)

Aufkommen der Plantagenwirtschaft auch in Europa (derzeit Südamerika, Australien, Neuseeland, teilweise Spanien)

Holzzuwachs: 10 Mio m³/a Holznutzung: 4,5 Mio m³/a Holzverbrauch: 9 Mio m³/a

Aktuell zeichnen sich seit 2006 Versorgungsengpässe ab, jedoch seit 2009 Einfluss Wirtschaftskrise, Rückgang 15% der Produktion teilweise (Kronospan, Schliessung Sägewerk Chur 2010, Schliessung Borregard)

Probleme mit zunehmender Nutzung von Holz für Energie (Holzheizungen), auch chemische Nutzung in Vorbereitung Fa. Schilliger hat 2009 neues Grosssägewerk in Frankreich gekauft (von Klenk aus Konkurs), 15Mio

Probleme mit starken Franken Holzverbrauch Schweiz

21 22

Industiell gefertigter Flügel (2. Weltkrieg)

23

Holz im Bergbau

Bau Holzhaus in Südamerika (Rahmenbauweise)

Teil eines Propellers (Wassmer) für heute Sportflugzeuge

28

Sibelius -Halle, Lathi

Gebäude auf Golfplatz in Korea (Blumer-Lehmann) Neue Monte Rosa Hütte (Schilliger Holz)

Physik des Holzes

Peter Niemz IfB; Holzphysik

Leistungsfähigkeit von Holz

Holzkonstruktion auf Hannover-Messe (J. Natterer, EPFL)

1. Geschichte der Holznutzung und

Holzforschung

Intensive Holznutzung führte im Mittelalter zu Problemen bei

Holzbereitstellung

• Langsamer Aufbau einer gezielten Forstwirtschaft

• von Carlowitz (Forstmeister) begründete Begriff der Nachhaltigkeit, 1732 Buch publiziert

• Cotta (1763-1844) gründete erste Forstfakultät in Tharandt/Deutschland

• Aufkommen der Forstwirtschaft an Unis (1855 Forstfakultät an der ETH, 2002 geschlossen (fusioniert mit Uwis, kein eigener Studiengang mehr)

5

Geschichte der Holzforschung

• Erste Kapitel über Holzeigenschaften in Enzyklopädien zwischen 1700-1800

• Um1790 Hartig Messung des Heizwertes

• Nördlinger 1860:Technische Eigenschaften der Hölzer

• etwa 1850 Forstfakultäten, Holzforschung zunächst im Forst angesiedelt (ETH 1855)

• Holzforschung als eigene Wissenschaft (zwischen ersten und 2. Weltkrieg)

6

Geschichte der Physik des Holzes

Arbeiten zur Holzphysik:

um 1800 Buffon: Festigkeitseigenschaften 1848: Chevandier: Wertheim: Beziehung Feuchte-Dichte 1850: Struwe: Thermische Ausdehnung des Holzes 1896:Vollbehr: Quellen und Schwinden 1921:Hankinson: Formeln Einfluss Faserrichtung 1923: Höring:Gleitzahlen

1932: Mörath:Härtemessung

1935: Roth: Rheologisches Verhalten von Holz 1938: Ivanow: Dauerfestigkeit von Holz

1938: Nilakantan: Magnetische Eigenschaften von Holz 1946: Weatherwax und Stamm: Thermische Eigenschaften von Holz

Geschichte der Physik des Holzes

Prüfmaschine aus den Anfängen der Holzforschung Geschichte der Physik des Holzes

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Hermann Knuchel Albert Frey-Wyssling Hans Heinrich Bosshard 1884-1964 1900-1988 1925-1996

Starke Orientierung auf Holzbiologie/Zellwand/Holzfehler, Mikrotechnologie (Bosshard)

Fred Fahrni: 1907-1970: Grundlagen für Spanplattenherstellung (Ingenieurbüro in Zürich, Patente Novopanspanplatte, weltweit produziert)

Bekannte Holzforscher ETH Josef Bodig 1934-2007 (Ungarn/USA)

2. Physikalische Eigenschaften des Holzes und wichtige Einflussfaktoren

2. Physikalische Eigenschaften des Holzes und wichtige Einflussfaktoren

• UV Strahlung

3. Verhalten von Holz gegenüber Feuchte

u – Feuchtegehalt

m_u– Masse des feuchten Holzes mdtr– Masse des darrtrockenen Holzes

f – Feuchteanteil

m_u– Masse des feuchten Holzes mdtr– Masse des darrtrockenen Holzes 3.1 Kenngrössen der Feuchte

Feuchteverteilung im Holz

Einfluss der Dichte des Holzes auf maximale Holzfeuchte

3.2 Grundlagen der Feuchteaufnahme

• Holz ist eine System von miteinander verbundenen Kapillaren

• Wasserleitung erfolgt über Mikro- und Makrosystem

• Mikrosystem (Zellwandsystem) verantwortlich für Wasseraufnahme aus der Luft (Sorption)

• Makrosystem Transport von flüssigem Wasser

• Bei Holzwerkstoffen Einfluss des Klebstoffes und der Herstellungsbedingungen auf das Sorptionsverhalten vorhanden (z.B. Temperatur bei Trocknung, Verdichtung und damit Strukturänderung)

Holz als kapillarporöser Stoff

1)

1) Länge, markiert durch nicht perforierte Endwände bei Rotbuche 0,8-2m (bestehen aus Gefässgliedern)

REM- Aufnahme Nadelholz (Fichte)

Mechanisch isolierte Faser Holzfaser

Strukturmodell von Holz (Feinbau) Porensystem des Holzes

Verteilung nach Siau (1995):

Nadelholz: Tracheidendurchmesser 10 bis 50 μm.

Poren im Zellwandsystem:0.3 - 60 nm.

Tüpfelöffnungen.

NH: 0.02 - 4 μm LH: 5 - 170 μm)

Durchmesser Gefässe Laubholz: 50 - 400 μm (Frühholz) und 20 - 50 μm (Spätholz) Messung Porengrössenverteilung:

Quecksilber-Druck-Porosimetorie: 58000 - 1.8 nm (gwisser Einfluss Probengrösse, Flaschenhalseffekt) Gasadsorption: geringere Porenradien

Anlagerung von Wasser an OH-Gruppen der Cellulose Cellulose

Hemicellulosen (niedermolekularer, für

Wasseraufnahme verantwortlich, hydrophyl, amorph) Hemicellulose

Polyosen umgeben Cellulose Mikrofibrillen

Tüpfel (dient Feuchtetransport senkrecht zur

Faser, schliessen sich bei Trocknung)

Thyllen, verhindern den Feuchtetransport

(verthylltes Holz schwer imprägnierbar z.B. Robine, Edelkastanie)

Feuchtetransport auch über Holzstrahlen

Thyllen Laubholz (Nothofagus alpina)

3.3 Formen der Wasseraufnahme von Holz

a) Wasseraufnahme aus der Luft (Sorption, Desorption) b) Wasseraufnahme durch Kapillarkräfte (flüssiges Wasser)

a) Flüssigkeitstransport in Kapillaren

Gesetze des Flüssigkeitstransportes in Kapillaren

K – Kapillarkraft r – Kapillarradius

– Oberflächenspannung

– Benetzungsrandwinkel

S – Schwerkraft r – Kapillarradius

h_max – maximale Steighöhe

_FI – Dichte der Flüssigkeit g – Erdbeschleunigung

r– Kapillarradius,– Oberflächenspannung

– Benetzungsrandwinkel, h_max– maximale Steighöhe

_FI– Dichte der Flüssigkeit, g– Erdbeschleunigung

Druck in Kapillare abhängig vom Durchmesser;

je geringer Durchmesser, umso höher Druck Also folgt:

enge Kapillaren saugen weite Kapillaren aus, also Flüssigkeitstransport in Richtung weit nach eng

Maximaler Feuchtegehalt von Holz

(4/18) umax – maximaler Feuchtegehalt uF – Feuchtegehalt im Fasersättigungsbereich in %

dtr – Darrdichte in kg/m³

(4/19)

C – Porenanteil

dtr – Darrdichte in kg/m3

r – Reindichte in kg/m³

(4/20)

C – Porenanteil

dtr – Darrdichte in kg/m³

Maximaler Feuchtegehalt von Holz

Flüssigkeitstransport in Kapillaren

r – Kapillarradius

 – Oberflächenspannung

 – Benetzungsrandwinkel h_max – maximale Steighöhe

_FI – Dichte der Flüssigkeit g – Erdbeschleunigung

In Kapillaren ist der Druck geringer als über ebener Oberfläche

p_K – Druckänderung über den Kapillaren r– Kapillarradius

 – Oberflächenspannung

 – Benetzungsrandwinkel

Maximale Steighöhe in Kapillaren:

Wasseraufnahmekoeffizient von Holz

b) Flüssigkeitsaufnahme durch Sorption

Fasersättigungsbereich

Fasersättigungsbereich= Bereich, in dem das Mikrosystem maximal mit Wasser gefüllt ist (entspricht 100% rel. Luftfeuchte)

Phasen der Sorption

• Chemisorption: Bildung monomolekularer

Schicht, Anlagerung an OH Gruppen der Cellulose (0-6%

Holzfeuchte, rel. Luftfeuchte unter 20%), kaum Quellung Bindung Wasser durch van der Waalsche Kräfte, Wärme wird frei

• Physisorption/Adsorption: Bildung polymolekularer Schicht; (6-15% Holzfeuchte, unter 75% rel. Luftfeuchte), Wärmeentwicklung lässt gegenüber Chemisorption nach

• Kapillarkondensation: Sättigungsdruck in Mikrokapillare ist niedriger als über ebener Fläche in Makrokapillaren, Wasserdampf kondensiert und schlägt sich als Flüssigkeit an Oberfläche nieder, Luftfeuchte 75- 100%), geht simultan mit Bildung polymolekularer Schichten vonstatten, Bereiche überschneiden sich

3.3.1.2 Sorptionsisothermen Feuchteaufnahme durch Sorption

Einfluss der chem. Komponenten des Holzes

Modelle für Sorptionstheorien

• Hailwood –Horrobin (nur Chemisorption, Adsorption)

• BET

• Longimur

• Kollmann (1968)

Sorptionsverhalten tropischer Hölzer (berechnet nach Hailwood-Horrobin)

Kapillarkondensation

pr– Sättigungsdruck über den Kapillaren

pe– Sättigungsdruck über ebenen

Flüssigkeitsoberflächen

_D– Dampfdichte r– Kapillarradius

– Oberflächenspannung

– Benetzungsrandwinkel

_Fl – Flüssigkeitsdichte

Sättigungsdruck über Kapillare geringer als über ebener Oberfläche

Kapillarradien, bei denen bei 23^oC Kapillarkondensation eintritt

Rel. Dampfdruck Kapillarradius in

% cm

99,9 1,06x10

90 1,01x10

50 1,54x10

40 1,16x10

30 0,85x10

Sorptionsisothermen Erste Sorption von Douglasie

Gleichgewichtsfeuchte von Holz bei 20^oC und variabler Luftfeuchte

Holzart Gleichgewichtsfeuchte in %

bei rel. Luftfeuchte

35% 50% 65% 80% 95%

Bilinga x 6.5 8.6 11.1 16.9 22.9

Bongossi x 6.5 9.0 11.5 17.5 23.8

Canalete x 5.8 7.7 9.8 14.5 19.1

Danta x 6.9 9.1 11.6 17.3 24.1

Doussié x 5.3 7.0 8.6 12.0 15.5

Makassar x 6.3 8.3 10.5 15.8 22.7

Mansonia x 6.1 8.2 10.6 16.2 23.3

Merbau x 7.6 9.7 12.0 17.0 22.9

Okoumé x 6.3 8.5 11.1 17.2 25.6

Ramin x 6.3 8.4 10.9 16.8 26.1

Weisses Lauan x 6.4 8.5 11.0 16.8 23.8

Wengé x 5.9 7.8 9.8 14.2 17.2

Zebrano x 6.1 8.2 10.6 16.2 24.5

Legende:

Sorptionsverhalten tropischer Hölzer

Sorptionsverhalten von Fichte und Eibe -Einfluss Extraktstoffe-

Rel. humidity

EMC (%)

Willeitner und Schwab (1993)

Einfluss des Extraktstoffanteils auf die Fasersättigung FSB

Einfluss der Holzart (Extraktstoffe)

Sorptionsisothermen

Bei salzbehandeltem Holz wird die dem Fasersättigungsbereich zugeordnete Holzfeuchte bereits bei 75-76% r.L. erreicht

Sorptionsverhalten von Kochsalz

Einfluss der Wärmebehandlung

Pinus radiata (24h)

Sorptionsisothermen

Sorptionsverhalten von Spanplatten und MDF Einfluss der Dichte auf Sorptionsverhalten

Fasersättigungsbereich

Phasen der Adsorption von Holz

Einfluss Werkstoff

c) Diffusion (erzeugt durch Dampfdruckgefälle)

unterhalb Fasersättigung Wassertransport durch Diffusion

Langsamer Prozess Trocknung von Holz

Holzfeuchtetransport in Wänden

abhängig von Holzfeuchte

abhängig von Struktur (Dichte, Schnittrichtung)

bei geklebten Elementen Einfluss Fugen, Nuten, Risse, Klebstoffart und Klebfugendicke

66

Einfluss des Faserwinkels und der Jahrringneigung auf Diffusionswiderstandsfaktor

►ring angle

►grain angle

65/100 65/0 35/0

Holzart Richtung μ μ μ

Buche tangential 33.0 169.5 816.9

Buche radial 14.8 61.7 167.9

Buche axial 1.9 12.4 12.4

Fichte tangential 17.9 103.1 296.7

Fichte radial 14.4 89.5 196.5

Fichte axial 1.1 9.6 8.9

Diffusionswiderstandszahl µ

Gibt an, um welchen Faktor dichter ist als eine

gleich dicke Luftschicht Influence of grain and annual ring angle (µ)

►ring angle

►grain angle

69

69

Number of adhesive films in each layer

Diffusion resistance µ

Beech veneer without adhesive

5 layers 3 layers

Influence of the number of layers and the number of adhesive films (Frühwald 1973)

April 2011 Diffusion processes at glued joints evaluated by Neutron Imaging

Einflussfaktoren auf Feuchteänderung in Bauteilen aus Holz

Material (Dichte, chemische Zusammensetzung, Schnittrichtung)

Querschnittsgrösse (Feuchtetransport überwiegend durch Diffusion)

Oberflächenbehandlung (Beschichtung)

praktisch sind grosse Querschnitte nie in der Feuchte ausgeglichen, wenn die Luftfeuchte schwankt, stets Feuchte- Profil vorhanden

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

03.07.2006 10.07.2006 17.07.2006 24.07.2006 31.07.2006 07.08.2006 14.08.2006 21.08.2006 28.08.2006 04.09.2006 11.09.2006 18.09.2006 25.09.2006 02.10.2006 09.10.2006 16.10.2006 23.10.2006 30.10.2006 06.11.2006 13.11.2006 20.11.2006 27.11.2006 04.12.2006 11.12.2006 18.12.2006 25.12.2006 01.01.2007 08.01.2007 15.01.2007 22.01.2007 29.01.2007 05.02.2007

rel. Lufetfeuchte in % Temperaturi n °C

Datum

Luftfeuchteschankungen führen zu Feuchteänderungen an Oberfläche

Auswirkung auf Festigkeit:

Feuchteänderung an der Oberfläche (0,1mm tief) bei Klimaänderung von 20/50% auf 20/30%), Gemessen mit NIR Spektroskopie (sehr schnelle Feuchteänderung)

Holzfeuchte in verschiedenen Tiefen, Klimasprung

zwischen 85 und 65% rel. Luftfeuchte Eindringverhalten von Holzschutzmitteln (Druckimprägnierung)

3.4. Quell- und Schwindverhalten von Holz

Bereiche der Quellung/Schwindung

• 0-7% Holzfeuchte: gering

• 7-Fasersättigung:gross

• > Fasersättigung, kaum Quellung, Schwindung, teilweise aber Zellkollaps (kein Schwinden, Zusammenbrechen der Zellwände durch kapillare Zugspannungen,

• Tritt bei bestimmten Holzarten bei der Trocknung auf

Einfluss Hydratwasser (Bereich Chemiesorption) im Bereich Chemiesorption keine Quellung

Quell-und Schwindverhalten von Holz Maximales Quell-(α) und Schwindmass (β)

Bei beliebiger Feuchteänderung

Quell- und Schwindverhalten von Holz Für die Volumenquellung _Vgilt:

Für die Volumenschwindung _Vgilt:

Für die maximale Volumenschwindung _max,Vgilt näherungsweise:

Für die maximale Volumenquellung _max,Vgilt näherungsweise:

l – längs r – radial t – tangential

Quell- und Schwindverhalten von Holz

Umrechnung von in und umgekehrt^:

Berechnung der maximalen Volumenquellung Vnach empirischen Erfahrungen aus dem Feuchtegehalt im Fasersättigungsbereich und der Darrdichte:

u_F – Feuchtegehalt im Fasersättigungsbereich in %

_dtr – Darrdichte in kg/m³

Quell-und Schwindverhalten von Holz

Quell-und Schwindverhalten von Holz Quell-und Schwindverhalten von Holz

Quellmass αrvon Buche und Fichte in radialer Richtung für die Imprägniermittelvarianten

A – Wasser, B – NP1 + Wasser, C – NP2 + Wasser, D – Wasser + Alkohol

+ Aceton, E – NP2 + Wasser + Alkohol + Aceton, F – Wasser + Netzmittel 1, G – NP1 + Wasser + Netzmittel 1, 

H – Aliphat, I – NP3 + Aliphat (unpolare Stoffe)

Quell- und Schwindverhalten von Holz

•Quellung ist

•Dichteabhängig

•Einfluss

Mikrofibrillenwinkel

•Einfluss Inhaltstoffe

•Andere Parameter

behinderte Quellung (entstehen von inneren Spannungen)

Quelldruck gemessen bis 20N/mm² (in Faserrichtung), Senkrecht 2-3N/mm² Grossteil der Spannungen wird durch Plastische Verformungen Abgebaut, theoretisch um Vielfaches höher, ger geme

als gemessegemessene

Quelldruck ist niedriger als gemessene Eigenspannungen

Herauswittern von Holzstrahlen

Quell- und Schwindverhalten von Holz und Holzwerkstoffen

Unzureichende Berücksichtigung der Quellung in einer Wandverkleidung

Verformung eines Rahmens bei Eibe durch Druckholz (grössere Längsschwindung als normales Holz)

Zellkollaps

Verformung des Holzes durch kapillare

Zugspannungen, tritt oberhalb des Fasersättigungs- Bereiches auf, Ursache: reine Kapillarkräfte (Zugspannungen), kein Quellen/Schwinden

Wirkung einer behinderten Quellung Rissöffnung durch behinderte Quellung

Rissbildung in einer Türfüllung durch behindertes Schwinden

durch Quellung zerstörter Beton

Quell- und Schwindverhalten von Holzwerkstoffen

• Keine lineare Abhängigkeit von Holzfeuchte im gesamten Bereich der Sorptionsisotherme wie bei Vollholz

Holzwerkstoff Aus- richtun

g der Proben

Normal- Rohdich te [kg/m³]

Differentielle Quellung [%/%]

in Plattenebene

senkrech t zur Plattene

bene 35 –

95% rLF 35 – 80% rLF

80 – 95% rLF

65 – 95% rLF

MDF roh, 18 mm 756

v = 0.4 0.016 v = 3.6

0.040 v = 2.8

0.010 v = 7.4

1.07 v = 2.1 OSB 3, 18 mm parallel¹ 630

v = 4.4 0.016 v = 17.3

0.028 v = 9.0

0.011 v = 29.5

0.98 v = 10.7 quer¹ 649

v = 2.5 0.018 v = 9.3

0.034 v = 8.4

0.011 v = 18.8

0.91 v = 10.7 Rohspan V20, 8

mm 733

v = 1.1 0.040 v = 2.5

0.049 v = 3.6

0.036 v = 3.1

1.22 v = 3.9 Rohspan V20, 18

mm 649

v = 1.9 0.027 v = 11.3

0.036 v = 8.0

0.023 v =18.8

0.93 v = 4.6 Differentielle Quellung von Holzwerkstoffen

Quell-und Schwindverhalten von Holz Rohdichte-Quellung für Holzwerkstoffe

Quellung von Holzwerkstoffen Holzwerkstoffe

Quellmasse von Holzwerkstoffen

•Die Quellung ist dichteabhängig, Quellung steigt mit zunehmender Dichte

•Dickenquellung von Spanplatten und MDF daher deutlich höher als von Vollholz

•Dickenquellung von Holzpartikelwerkstoffenist weitgehend irreversibel, Quellung von Vollholzreversibel

3.5. Auswirkungen des Quell- und Schwindverhaltens von Holz und Holzwerkstoffen

Auswirkungen des Quell- und Schwindverhaltens von Holz und Holzwerkstoffen

Auswirkungen des Quell- und Schwindverhaltens von Holz und Holzwerkstoffen

3.6 Ausgewählte physikalische Probleme der Holztrocknung

Physikalische Vorgänge beim Feuchtetransport Feuchteprofil bei Trocknung

Spannungen und Rissbildung bei Trocknung

Innenrisse von Holz durch zu schnelle Trocknung in Randzonen am Beginn der Trocknung

Feuchteänderungen im Raumklima

• Schnelle Änderung direkt an der Oberfläche

• Langsame Änderung Inneren bei grossen Querschnitten (Feuchteprofile und Spannungen entstehen)

Temperatur und rel. Luftfeuchte in Zürich im Freien

Temperatur und rel. Luftfeuchte in beheiztem Raum

(Museum Genf) Änderung der Holzfeuchte an der Oberfläche (0,1mm

Eindringtiefe)

bei Buche und Klimaänderung 23/50-20/20, Massenänderung und Oberflächenfeuchte, Mittelwerte

Feuchte an Oberfläche von Buche bei Befeuchtung von 23°C/35% rel. Luftfeuchte auf 20°C/90% rel. Luftfeuchte,

Mittelwert und Standardabweichung

Einfluss der Probengrösse auf die Durchfeuchtung Bei grossen Querschnitten: Ausgleichsfeuchte wird nur am Rand erreicht, daher Feuchteprofil und innere Spannungen

Feuchteänderung bei grossen Querschnitt (Brettschichtholz)

Klima 20^oC/65%-2^oC/90% Feuchteänderung in einem Brettschichtholzträger bei Klimaänderung 20^oC/65% auf 20^oC/85%

Geometry:

h = 100 mm or 300 mm b = 90 mm

Material:

Glulam made of Spruce of grade C35 with density 475 kg/m³at 12% moisture content

P

h/2 h/2

h

3.5h 3.5h

h/2

Einfluss von Feuchteschwankungen auf die Festigkeit von Kantholz (Gustafsson)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Time, year

Failure load Pf, kN

Short term failure load vs time of year for end- notched beams stored in an open shelter.

h = 100 mm h = 300 mm stored in open shelter stored at RH = 65 % stored at RH = 85 %

Wi Sp Su Au Wi Sp Su Au Wi Sp

1995.0 1995.5 1996.0 1996.5 1997.0 1997.5 1998.0 Überlagerung: Zugspannungen (niedrige Luftfeuchte, Schwinden) + äussere Belastung= Zug+Zug Druck (Quellen)+Zug

3.7 Verfahren zur Bestimmung des Feuchtegehaltes von

Holz und Holzwerkstoffen Übersicht

Darrmethode = Basismethode

u – Feuchtegehalt m_u – Masse des feuchten Holzes mdtr – Masse des darrtrockenen Holzes

Extraktions- und Destillationsverfahren

Extraktions- und Destillationsverfahren

Bestimmung des Feuchtegehaltes beim Extraktions- oder Destillationsverfahren:

m_w – Wassermasse in g mu – Masse der feuchten Probe in g

Nutzung für harzreiche Hölzer

NIR Spektroskopie

Hygroskopisches Verfahren Ausgewählte Verfahren

3.8 Feuchteverteilung im Holz und Ausgleichsfeuchte im praktischen Einsatz

Holzfeuchte im lebenden Stamm

Holzfeuchte im lebenden Stamm Holzfeuchte im lebenden Stamm

Ausgleichsfeuchte im praktischen Einsatz Ausgleichsfeuchte im praktischen Einsatz

3.9 Bedeutung der Holzfeuchte Einfluss der Holzfeuchte auf E-Modul von Vollholz (Keunecke 2007)

4. Dichte von Holz und Holzwerkstoffen 4.1 Kenngrössen der Dichte

Dichte :

 – Dichte m – Masse V – Volumen Rohdichte _u:

mu – Masse des Holzes beim Feuchtegehalt u V_u – äusseres Volumen des Holzes beim Feuchtegehalt

u

4.1 Kenngrössen der Dichte 4.1 Kenngrössen der Dichte Darrdichte _dtr:

m_dtr – Masse des darrtrockenen Holzes Vdtr – Volumen des darrtrockenen Holzes Umrechnung der Rohdichte _u

_Vu – Volumenquellmass in % bei u u – Feuchtegehalt in % Näherungsgleichung bei Feuchtegehalten bis zu 25%:

4.1 Kenngrössen der Dichte Raumdichtezahl R:

m_dtr – Masse des darrtrockenen Holzes Vmax– Volumen des maximal gequollenen Holzes Umrechung der Raumdichtezahl R in die Darrdichte dtr:

oder

_V – Volumenquellmass in %

_V – Volumenschwindmass in %

4.1 Kenngrössen der Dichte

Reindichte r:

Porenanteil C

_dtr – Darrdichte

_r – Reindichte

_dtr – Darrdichte in kg/m³

4.1 Kenngrössen der Dichte

Flächenbezogene Masse m_F: m_F – Flächenmasse m – Masse A – Fläche

Wird bei Holzwerkstoffen zur Qualitätskontrolle verwendet

4.1 Kenngrössen der Dichte

4.2 Einflüsse auf die Dichte und die Dichteverteilung Starke Streuung der Messwerte bei Vollholz

(Einfluss von Standort, Boden, Klima, Lage im Stamm etc.)

4.2.1 Holz

4.2.1 Holz 4.2.1 Holz

Einfluss der Lage/Klima auf die Dichte

Standort Höhe über NN Dichte in kg/m3 Jahrringbreite in mm

Voralpen Etwa 700 480 2-4mm

Flims 1000-1050 435 1,94-2,0

Thusis 1500-1600 391 1,97-2,3

Obersaxen 1500-1600 411 1,18-1,60

Dichteverteilung in der Schweiz (Fichte)

Dichteverteilung in der Schweiz (Fichte)

Dichteverteilung von Holz in der Schweiz nach Standorten (Deublin, ETH 2010), gemessen an ganzen Brettern

Verteilung der Eigenschaften von Kiefer in Schweden (Grönlund et al. 1992)

Standort Dichte Jahrringbreite

Juvenil Adult Südschweden (Smaland) 556 2,04 1,26 Nordschweden (Norbotten,

Lappland)

510 1,76 1,12

Dichte Entfernung von Rinde (Voralpen)

Dichte -Jahrringbreite (Voralpen)

Dichte Höhe im Stamm (Voralpen)

4.2.1 Holz

Eibe

Fichte

4.2.1 Holz 4.2.1 Holz

4.2.1 Holz 4.2.1 Holz

4.2.1 Holz 4.4 Dichte Holzwerkstoffe

4.2.2 Span- und Faserplatten

4.3 Verfahren zur Dichtebestimmung Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe

4.3.1 Volumenbestimmung mit Überlaufgefäss oder Pyknometer 4.3.2 Dichtebestimmung mittels elektromagnetischer Wellen

Dichtebestimmung mittels elektromagnetischer Wellen:

J_O – Zählrate in Luft JN – Nulleffekt J – Zählrate mit Absorber

/ – Massenschwächungskoeffizient d – Dicke der durchstrahlten Probe

4.3.2 Dichtebestimmung mittels elektromagnetischer Wellen Computertomographie einer Maserknolle

CT Fichte; in verschiedener Tiefe geschnitten 4.3.3 Bestimmung des Dichteprofiles

4.3.3 Bestimmung des Dichteprofiles 4.3.3 Bestimmung des Dichteprofiles

4.3.3 Bestimmung des Dichteprofiles 4.4 Einfluss der Dichte

Niemz und Sonderegger 2003, basierend auf Sell (1989)

Einfluss der Rohdichte auf die Biegefestigkeit von Spanplatten (Grundström und Niemz 1999)

5. Thermische Eigenschaften

5.1 Wärmeleitfähigkeit

Wärmeleitfähigkeit von Holz senkrecht (_) und parallel (_) zur Faserrichtung bei einem Feuchtegehalt von 12% nach Kollmann:

– Rohdichte in kg/m³

Wärmemenge, die durch einen Würfel von 1m Kantenlänge in einer Stunde fliesst, wenn zwischen beiden Seiten 1K Temperaturdifferenz vorliegt

5.1 Wärmeleitfähigkeit

5.1 Wärmeleitfähigkeit 5.1 Wärmeleitfähigkeit

Korrelation Rohdichte- Wärmeleitzahl für 103 Holzarten (aus Sell, Holzeigenschaften)

5.1 Wärmeleitfähigkeit

5.1 Wärmeleitfähigkeit Einfluss des Feuchtegehaltes auf die Wärmeleitfähigkeit:

_1,2 – Wärmeleitfähigkeit bei den Feuchtegehalten u₁ und u2

u₁, u₂– Feuchtegehalt in den Zuständen 1 und 2

5.2 Spezifische Wärmekapazität Wärmemenge, die erforderlich ist, um 1kg um 1 K zu erwärmen

(darrtrocken etwa 1300 J/(kg.K) weitgehend dichteunabhängig, aber Feuchteeinfluss)

5.2 Spezifische Wärmekapazität 5.3 Temperaturleitfähigkeit

Temperaturleitfähigkeit:

c – spezifische Wärmekapazität in kJ/kgK

 – Rohdichte in kg/m³

 – Wärmeleitfähigkeit in W/mK

5.3 Temperaturleitfähigkeit Vergleich Wärmedämmverhalten Holzfaserdämmstoff-Mineralwolle

Mineralwolle Cellulosefasern

Sommerlicher Wärmeschutz Faserdämmplatten (Siempelkamp)

5.4 Wärmeausdehnung

Wärmeausdehnung:

l – Längenänderung l_o – Ausgangslänge

t – Temperaturdifferenz in K

Gesamtlänge l2nach Temperaturerhöhung von t1auf t2:

l1– Ausgangslänge

5.4 Wärmeausdehnung

Wärmeausdehnungszahl (_w) verschiedener Holzwerkstoffe im

Bereich zwischen +60 und -40°C Sondergger und Niemz Holz als Roh -und Werkstoff, 2006

_w [m/(m · K) ·

10^-6]

w.feuchtekor rigiert

[m/(m · K) · 10^-6]

v [%] R²

Sperrholz:

Fassadenplatte Lärche, 22.5 mm

3.7 (3.6) 4.2 (+0.5) 27.1 0.997

MDF, 18 mm 5.9 (6.0) 6.8 (+0.9) 9.9 0.998

OSB, 18 mm 5.5 (5.4) 6.3 (+0.8) 19.4 0.999

Rohspan V20, 8 mm 5.2 (5.0) 7.2 (+2.0) 33.7 0.994 Rohspan V20, 18 mm 5.3 (5.3) 6.2 (+0.9) 22.1 0.998 Rohspan V20, 30 mm 5.8 (6.0) 6.9 (+1.1) 14.9 0.998 Rohspan V313, 19 mm 5.2 (5.3) 6.4 (+1.2) 19.2 0.997

Sonderegger und Niemz 2006

5.4 Wärmeausdehnung

Beziehung zwischen der Wärmeausdehnungszahl, der Schnittrichtung und der Darrdichte nach Weatherwax:

_Wrad– Wärmeausdehnung radial

_Wtan– Wärmeausdehnung tangential

_dtr – Darrdichte in kg/m³

_ – Wärmeausdehnung quer zur Faserrichtung

5.4 Wärmeausdehnung 5.5 Brandverhalten

Brandverhalten von Holz

Holz ist brennbar, Baustoffklasse B Einfluss der Dichte

• Dichte≤ 300kg/m

sehr gut brennbar

• Dichte 300-1000 ≥kg/m

mittelmässig brennbar

• Dichte >1000kg/m

schlecht brennbar

• Abbrandgeschwindigkeit: 0,7mm/min Holzwerkstoffe 0,65-1mm/min (Sperrholz)

Brandverhalten

• Unbehandeltes Holz unter 2mm Dicke B2 (normal brennbar)

• Dicke über 12mm B1 (schwer entflammbar)

• Erhöhung Brandresistenz durch Schutzanstriche, Imprägnierungen

Abbrandgeschwindigkeit gemäss EN 1995-1-2

Holzart ₀ [mm/Min.] _n [mm/Min.]

Nadelholz und Buche

BSH mit einer charakt. Rohdichte von ≥ 290 kg/m³ 0.65 0.7 Vollholz mit einer charakt. Rohdichte von ≥ 290 kg/m³ 0.65 0.8 Laubholz

Vollholz oder Brettschichtholz mit einer

charakteristischen Rohdichte von ≥ 290 kg/m³ 0.65 0.7 Vollholz oder Brettschichtholz mit einer

charakteristischen Rohdichte von ≥ 450 kg/m³ 0.5 0.55 Furnierschichtholz

mit einer charakt. Rohdichte von ≥480 kg/m³ 0.65 0.7 Platten

Holzbekleidungen Sperrholz

Holzwerkstoffplatten ausser Sperrholz

0.9 1.0 0.9

- - -

Grundlagen

• Flammpunkt: Temperatur, bei der Holz infolge thermischer Zersetzung bei vorhandener Flamme zu brennen beginnt (oberhalb 225^oC bei Holz mittlerer Dichte,

Gasentwicklung, dann Entzündung, oberhalb 260^oC brennen)

• Brennpunkt: Temperatur, bei der Holz bei bleibender Flamme ohne äussere Einwirkung weiterbrennt

• Zündpunkt: Temperatur, bei der Holzgase sich bei Sauerstoffzufuhr entzünden

• Selbstentzündung: Entzündung von Partikeln durch Tätigkeit von Mikroorganismen (z.B. Hackschnitzellager)

• Holzkohle: brennt etwa bei 300^oC

Brandverhalten von Bauteilen

• Bauteile werden nach Feuerwiderstandsklassen eingestuft (Zeit die Bauteil definiertem Feuer widerstehen muss)

•

F 30 feuerhemmend F 60 feuerbeständig F 120 hoch feuerbeständig

5.5. Brandverhalten

Bildung einer Holzkohleschicht an Oberfläche, Temperatur im Inneren max.100^oC

Verformung von Stahl nach Brand, Holz behält Restfestigkeit

5.5. Brandverhalten 5.5. Brandverhalten

5.5. Brandverhalten 5.5.1 Grundlagen

5.5.2 Heizwert, Verbrennung von Holz Heizwert:

H_o – oberer Heizwert H_u – unterer Heizwert V – Verdampfungswärme Abhängigkeit von Heizwert und Feuchtegehalt des Holzes nach Seeger:

H_u – unterer Heizwert in kcal/kg u – Feuchtegehalt in %

5.5.2 Heizwert, Verbrennung von Holz

5.5.2 Heizwert, Verbrennung von Holz 5.6 Einfluss der Temperatur auf die Eigenschaften des Holzes

5.6 Einfluss der Temperatur auf die Eigenschaften des

Holzes Einfluss der Temperatur auf die Biegefestigkeit von

Holzwerkstoffen Sonderegger und Niemz Holz als Roh- und Werkstoff 2006

5.6 Einfluss der Temperatur auf die Eigenschaften des

Holzes Thermographie von Holzwänden im Winter (innen

20^oC/65%RH)

Geschlitzte Holzkonstruktion

Brettstapelkonstruktion

Massivholzkonstruktion

6. Elektrische Eigenschaften von Holz und

Holzwerkstoffen 6.1 Elektrische Leitfähigkeit

Spezifischer elektrischer Widerstand :

R – elektrischer Widerstand A – Querschnittsfläche l – Länge Leitfähigkeit G:

R – elektrischer Widerstand Spezifische Leitfähigkeit κ:

G – Leitfähigkeit A – Querschnittsfläche l – Länge

6.1 Elektrische Leitfähigkeit 6.1 Elektrische Leitfähigkeit

6.1 Elektrische Leitfähigkeit 6.2 Dielektrische Eigenschaften

Relative Dielektrizitätskonstante εrel:

ε – Dielektrizitätskonstante des Werkstoffes ε_Vakuum– Dielektrizitätskonstante des Vakuums

6.2 Dielektrische Eigenschaften 6.2 Dielektrische Eigenschaften

6.2 Dielektrische Eigenschaften 6.3 Piezoelektrische Eigenschaften

Piezomodul d:

dQ– differentielle Ladungstrennung in C dP – differentielle Beanspruchung in N

6.3 Piezoelektrische Eigenschaften

d34 d35 34-Krafteintrag tangential, 35-Krafteintrag in Faserrichtung

6.4 Magnetische Eigenschaften

Suszeptibilität Sm:

Holz ist diamagnetisch Sm= -0,2 bis-0,5x10⁶

6.5 Elektrostatische Aufladung 7. Akustische Eigenschaften Schallwellen

Wellenformen Nutzung für Messung

•E-Modul

•G-Modul

PN1

7.1 Schallgeschwindigkeit

Schallgeschwindigkeit einer Longitudinalwelle cL:

(8/1)

Schallgeschwindigkeit einer einseitig behinderten Longitudinalwelle cDL(Platte):

(8/2)

Schallgeschwindigkeit einer zweiseitig behinderten Longitudinalwelle c_D(Stab, dessen Breite und Dicke klein gegenüber der Wellenlänge ist):

(8/3)

c – Schallgeschwindigkeit ρ– Rohdichte E – Elastizitätsmodul μ– Poissonsche Konstante

7.1 Schallgeschwindigkeit Wellenlänge λ:

c – Schallgeschwindigkeit in m/s f – Frequenz in s^-1

Dämpfung der Schallwellen:

P_Normal – Schallamplitude des Vergleichsnormals

PMessobjekt– Schallamplitude des Messobjektes

7.1 Schallgeschwindigkeit Einfluss Faserwinkel längs/senkrecht zur Faser (Fichte)

Einfluss Winkel r-t auf den E-Modul Niemz, Clauss, Herbers: Holztechnologie 2009

7.1 Schallgeschwindigkeit

7.2 Schallabsorption

Schallabsorption S:

K_s – nicht reflektierte Schall-Leistung K_a – auftreffende Schall-Leistung

7.3 Schallabsorption

Schallabsorption ist Verhältnis von nicht reflektierter zu auftreffender Schalleistung, entsteht durch Dissipation und Transmission, steigt mit der Porigkeit (Faserplatten gut geeignet)

7.4 Schalldämmung Schalldämmung:

D – Schalldämm-Mass

P1– auf das Bauteil treffende Schall-Leistung P₂– auf der Rückseite abgestrahlte Schall-Leistung

Schalldämmung entsteht durch Reflexion und Dissipation Schalldämmung steigt mit Quadrat der Frequenz und mit Flächenmasse, daher schwere Konstruktionen einsetzen

7.5 Schallemission

Kaiser Schofield

7.5 Schallemission

Messung von Mikrobrüchen weit unterhalb der Bruchlast mit piezoelektrischem Aufnehmer

Schallemissionssensor

7.5 Schallemission

7.5 Schallemission 7.5 Schallemission

7.5 Schallemission 7.5 Schallemission

Beispiele für Schallemission (Ortung)

optisch ermittelte Verzerrung der Probe

Optische (VIC) Darstellung der Verzerrung und gemessene Schallemission an OSB bei Zug

Plywood

LVL

Plywood

7.6 Eigenfrequenzmessung 7.6 Eigenfrequenzmessung

Bei Längsschwingungdes Stabes unter Vernachlässigung der Querkontraktion gilt:

∂u – Verschiebung des Querschnitts in der Zeit t x – Lage des Querschnitts

ρ – Rohdichte E – Elastizitätsmodul Nach Umformung lässt sich der E-Modul folgendermassen berechnen:

l – Stablänge f – Eigenfrequenz

n – Ordnung der Schwingungen, in der Regel 1

7.6 Eigenfrequenzmessung Biegeschwingung

7.6 Eigenfrequenzmessung :

E – Elastizitätsmodul G_xy – Schubmodul in Biegeebene ρ – Rohdichte

l – Stablänge

i – Trägheitsradius in Richtung der Biegeschwingung

f – Frequenz

K₁, K₂, m_n– Konstanten (abhängig von der Ordnung der Schwingung) s – Formfaktor (für isotrope Rechteckquerschnitte 1,20; bei Holz 1,06)

7.6 Eigenfrequenzmessung

Torsionsmodul G_t:

f – Eigenfrequenz l – Stablänge ρ – Rohdichte

8. Reibungseigenschaften

8. Reibungseigenschaften

Kräfteverhältnisse bei der Haft- und Gleitreibung:

F_H – benötigte Kraft zur Überwindung der Haftreibung FG – benötigte Kraft zur Überwindung der Gleitreibung

FN – Normalkraft

μ_o – Reibungszahl (Koeffizient der Haftreibung) μ – Reibungszahl (Koeffizient der Gleitreibung)

8. Reibungseigenschaften

8. Reibungseigenschaften 8. Reibungseigenschaften

Haftreibung bei KF Platten gering!!

9. Optische Eigenschaften Farbmessung CIELab

Anwendung Farbmessung

•Alterung des Holzes (die meisten Hölzer dunkeln nach, helle Vergilben (Ahorn, Birke), einige werden heller (Teak, Thermoholz)

•Wirksam ist UV Licht und Sauerstoff. Chemische Reaktion von Stoffen, die im UV Bereich stärker reagieren (Lignin), durch UV Absorber Verbesserung der Lichtbeständigkeit

270

Farbänderung bei Holzalterung

Alterung= Eigenschaftsänderung

Stark abhängig von Lagerbedingungen

Bei gleichbleibendem günstigem Innenklima keine Schädigung (ggf. Insektenbefall)

Farbänderung: Nachdunklen vieler Holzarten durch Sauerstoff

Eiche: graubraun,

Mahagoni, Kirschbaum: Farbvertiefung

Ahorn, Birke: Vergilbung, geräuchertes Holz farbstabiler als Thermoholz

Nadelhölzer: rot-braune Färbung im Kern

Quelle: Holz Lexikon 2003

271

Farbänderung von Holz im simulierten Innenklima

(Oltean, Teischinger, Hansmann, 2007)

272

Beispiele für Farbänderung

Quelle: Pitt. 33 Farbtafeln Parkett, Holzmann Verlag 2010

9.2 Spektrometrische Eigenschaften 9.2 Spektrometrische Eigenschaften

9.2 Spektrometrische Eigenschaften Korrelation Spektroskopie-Festigkeit

Nutzung: Holzwerkstoffe, Vollholz,

10. Korrosionsverhalten und Alterung von Holz und

Holzwerkstoffen 10.1 Einfluss Klima

• Verwitterung von Holz durch UV Strahlung, Regen und Pilz

• Abbau Lignin an Oberfläche, Verfärbung (zunächst braun, dann grau), Auswaschen der abgebauten Holzsubstanzen

(Unterschiede zwischen Jahrringen, Frühholz eher als Spätholz)

• Später Schwarzfärbung durch Pilze

Farbänderung als Funktion der Himmelsrichtung

Farbänderung als Funktion der Dauer der Bewitterung

durch UV Strahlung verfärbte Oberfläche von Fichte

Verwitterungsprozess der unbehandelten Probe

Verwitterungsprozess der mit Soda behandelten Probe

Verwitterungsprozess der mit Osmo Color behandelten Probe

Massivholzplatte nach 3jähriger Freibewitterung

•Bläuepilze auf Thermoholz

•Bläue tritt auch bei bei nassem Einstapeln auf, nur Verfärbung keine mechanische Schädigung

Brettstapelkonstruktion nach 3 jähriger Freibewitterung

Pilzbefall an mit Teeröl imprägnierter Eisenbahnschwelle (auch Holzschutzmittel werden durch Pilze abgebaut)

286

10.1 Einfluss des Klimas 10.1 Einfluss des Klimas

10.1 Einfluss des Klimas 10.1 Einfluss des Klimas

10.1 Einfluss des Klimas

Mechanische Vorbeanspruchung von Holz

Nach Mönck gilt:

• Nach 20 jähriger Dauerbelastung Reduzierung auf 0,9-0,6 des Ausgangswertes

• Risse:

1. Mittelmässige Risse: Reduzierung des tragenden Querschnittes auf 0,95

2. Bei erheblichen Rissen: exakte Nachrechnung

6 May 2010 Strength estimation of aged wood by means of ultrasonic devices kranitzk@ethz.ch

ca. 150 Jahre altes Holz

Foto: Matti AG

6 May 2010 Strength estimation of aged wood by means of ultrasonic devices kranitzk@ethz.ch

Eigenschaften altes und neues Holz

R² = 0.54

R² = 0.55

5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000

300 350 400 450 500 550 600

MOE [MPa]

density [kg/m³]

old new Linear (old) Linear (new)

10.2 Testung Fäule in verbautem Holz mit Bohrwiderstandsmessung 10.3 Einfluss aggressiver Medien

•Holz hat im Vergleich zu Metall hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber Chemikalien (z.B. Düngemittel)

•Beim Kontakt mit Metallen Korrosion feuchte- und holzarten- abhängig; gerbstoffreiche Hölzer höhere Korrosion

(Eiche, Kastanie)

Saldome, Saline Riburg/Schweiz

Holzoberfläche nach Salzwassereinwirkung (Schweden)

Holzoberfläche in einer Textilverarbeitungsmaschine nach

Chemikalieneinwirkung (USA) Holzoberfläche in einer Textilverarbeitungsmaschine nach Chemikalieneinwirkung (USA)

10.3 Einfluss der aggressiver Medien 11. Elastomechanische und rheologische Eigenschaften

11.1 Grundlagen des Bruchverhaltens

Kennwerte

Bruchzähigkeit

Bruchenergie (Flächenintegral unter Risskurve)

12.1.1 Bruchmechanik

11.1.1 Bruchmechanik

K_c – Bruchzähigkeit σ_c – Bruchspannung in N/mm2 a_c – kritische Risslänge in mm K_Ic – Bruchzähigkeit im Lastfall I

F_K – Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Rissgeometrie, Prüfkörpergeometrie und der Lastart

a – Risslänge in mm w – Probenhöhe in mm y(a/w) – Geometriefunktion

Kennwerte Bruchzähigkeit Holzwerkstoffe

Fracture thougness (Bodig und Jayne 1993)

• Mode I (kN/m

)

TR TL RT TR LR LT

Balsa 102

Birch 513

Red Oak 370

Douglas fir 373 281 323 323 2450 2200

• Mode II

Douglas fir 1667 1057

Einfluss der Mikrostruktur bei Vollholz (Fichte)

Kennwerte Fichtenholz (kleine, fehlerfreie Proben)

Balken/Bretter: Einfluss Äste, Faserwinkel,

Dichteschwankungen etc., Festigkeit geringer als kleine Proben

Kennwerte der chem. Komponenten (nach K. Persson)

Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Einzelfasern bei Variation des Mikrofibrillenwinkels von 1bis 46 Grad