Institut für Holzforschung
der Universität München
Winzererstr. 45, 80797 München
Verfahrensentwicklung und Erprobung zur maschinellen Schnittholzsortierung
P. Glos und R. Diebold 1994
zur maschinellen Schnittholzsortierung
Abschlußbericht 89 505
Die Untersuchung wurde gefördert mit Mitteln des Bundesministers für Forschung und Technologie
Projekt Nr. L 0319386 A
Projektträger Biologie, Energie, Ökologie BEO
Forschungszentrum Jülich GmbH
P. Glos und R. Diebold Institut für Holzforschung
Universität München 1994
Inhaltsverzeichnis
Seite
1. Aufgabenstellung 1 2. Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde 3
3. Planung und Ablauf des Vorhabens 3
3.1 Allgemeines. 3 3.2 Systemkonzeption und Systementwicklung 4
3.3 Systemerprobung 5 4. Wissenschaftlicher und technischer Stand 6
5. Zusammenarbeit mit anderen Stellen 8
6. Ergebnisse 9 6.1 Allgemeines 9 6.2 Systemkonzeption 10
6.3 Systementwicklung 12 6.3.1 Versuchsprogramm 12
6.3.2 Versuchsdurchführung 13
6.3.3 Ergebnisse 14 6.4 Systemerprobung 17
6.4.1 Versuchsprogramm 17 6.4.2 Versuchsdurchführung 19
6.4.3 Ergebnisse 22
6.4.3.2 Untersuchungen zur Festlegung der Maschinen-
einstellwerte 22 6.4.3.3 Untersuchungen zur Überprüfung der Maschinen-
einstellwerte 25 6.4.3.4 Diskussion 26 7. Verwendbarkeit der Ergebnisse 27 8. Fortschritte bei anderen Stellen 28 9. Veröffentlichung der Ergebnisse 29
10. Literaturverzeichnis 31 11. Anhang
15 Tabellen 44 37 Bilder 59
1. Aufgabenstellung
Holz ist ein natürlicher und nachhaltig nachwachsender Roh- und Werkstoff. Er bin- det C02, ist energiesparend herstell- und nutzbar und darüberhinaus, einfach und C02-neutral zu entsorgen. Er erfüllt die Anforderungen einer ökonomisch-ökologi- schen Kreislaufwirtschaft in hervorragender Weise. Dadurch gewinnt Holz eine ein- zigartige Legitimation, im Interesse einer nachhaltigen Umweltvorsorge verstärkt als Roh-, Werk- und Baustoff genutzt zu werden. Einer angemessenen vermehrten Holznutzung stehen jedoch zum Teil auch technische Schwierigkeiten entgegen:
Wie bei jedem natürlich erzeugten Produkt streuen die Eigenschaften von Holz in Abhängigkeit von den jeweiligen biotischen und abiotischen Wachstumsbedingun- gen in weiten Grenzen. Für eine hochwertige technische Verwendung, z.B. als Bau- holz, muß es deshalb nach vorgegebenen Qualitätsanforderungen klassifiziert und dafür Stück für Stück sortiert werden. Diese Sortierung erfolgt bisher "visuell" durch Begutachtung nach Augenschein, wobei die heute geltenden Sortierkriterien zum Teil seit über 50 Jahren unverändert bestehen.
Die visuelle Sortierung von Bauholz hat sich in der Vergangeheit durchaus bewährt, jedoch gewinnen die Nachteile, mit denen die visuelle Sortierung grundsätzlich behaftet ist, mit steigenden Anforderungen an die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Baukonstruktionen zunehmend an Gewicht: Wesentliche festigkeitsbestimmen- de Einflüsse, wie z.B. die Rohdichte des Holzes, können über eine visuelle Sortie- rung nicht erfaßt werden. Darüberhinaus muß die visuelle Sortierung, um praktisch anwendbar zu sein, mit einem einfachen Satz von Regeln auskommen. Dadurch können auch prinzipiell meßbare Einflußgrößen und deren Wechselwirkungen nur bedingt erfaßt werden. Die visuelle Sortierung ist deshalb mit einer gewissen Un- scharfe behaftet. Darunter leidet die Wirtschaftlichkeit der Sortierung. Zudem hängt die Einstufung von der persönlichen Entscheidung des Sortieres ab, wodurch die Sortierung nur in Grenzen objektiv ist.
Zur Lösung dieser Problematik bietet sich die maschinelle Schnittholzsortierung an, die seit vielen Jahren diskutiert, wissenschaftlich untersucht und seit etwa 1970 in
einigen europäischen Ländern auch industriell eingesetzt wird. In der Bundesrepu- blik Deutschland konnte sich die maschinelle Sortierung bislang allerdings nicht durchsetzen, weil, wie in einer 1987 durchgeführten Umfrage des Bundesminis- teriums für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten bestätigt wurde,
die bisherigen Stoff- und Anwendungsnormen keine Option für die maschi- nelle Sortierung enthielten und diese dadurch bauaufsichtlich nicht möglich war und
die bislang auf dem Markt befindlichen Sortiermaschinen aus Australien, USA, Großbritannien und anderen Ländern bezüglich technischer Konzep- tion, Preis und Leistung nicht auf die Struktur und den Bedarf der einheimi- schen Holzwirtschaft zugeschnitten sind.
Auf Wunsch und unter Mitarbeit der Holzwirtschaft wurde die nationale Sortiervor- schrift DIN 4074 "Sortierung von Nadelholz nach der Tragfähigkeit" inzwischen überarbeitet. Die im September 1989 erschienene Neuausgabe dieser Norm erlaubt nunmehr auch die maschinelle Schnittholzsortierung. Darüberhinaus wurde im Hin- blick auf den europäischen Binnenmarkt inzwischen auch eine Europäische Norm zur maschinellen Holzsortierung erarbeitet (EN 519 "Bauholz für tragende Zwecke").
Spätestens mit Einführung der europäischen Normen wird die einheimische Holz- wirtschaft Holz maschinell sortieren müssen, um dem dann zu erwartenden Import- druck maschinell sortierten Holzes begegnen zu können.
Nachdem die derzeit auf dem Markt befindlichen ausländischen Sortiermaschinen einerseits dem Bedarf der einheimischen Holzwirtschaft nicht voll entsprechen und andererseits, wie zahlreiche jüngere Untersuchungen gezeigt haben, wesentliche Verbesserungen möglich erscheinen, sollte hier ein dem heutigen technischen Stand entsprechendes und auf den deutschen und europäischen Markt zugeschnit- tenes Verfahren zur maschinellen Schnittholzsortierung entwickelt und erprobt werden.
Die deutsche Holzwirtschaft beschäftigt in über 40.000 Betrieben etwa 490.000 Mit- arbeiter. Insbesondere der schnittholzerzeugende und -verarbeitende Bereich ist mit durchschnittlich 10 Beschäftigten je Betrieb extrem kleinbetrieblich strukturiert. Die Struktur behindert in hohem Maße industrieinterne Forschung und Entwicklung, da insbesondere das dafür erforderliche Personal in der Regel nicht zur Verfügung steht.
Deshalb ist die Holzwirtschaft in besonders hohem Maße auf Verbundforschungs- förderung unter Einschaltung universitärer und außeruniversitärer Forschungsstellen angewiesen.
Die Entwicklung eines Verfahrens zur maschinellen Schnittholzsortierung erfordert neben holztechnologischen Kenntnissen auch spezifisches maschinenbautechni- sches Know-how. Dafür war die Zusammenarbeit mit einem Industriepartner aus dem Maschinenbau erforderlich. Mit Unterstützung der Deutschen Gesellschaft für Holzforschung e.V. in München wurden alle in Frage kommenden Zulieferfirmen der Holzindustrie angesprochen. Die Firma Fagus-GreCon Greten GmbH in Alfeld er- klärte sich zur Zusammenarbeit bereit.
Da die Schnittholzsortierung von Bauholz bauaufsichtlich relevant ist, war es notwendig, begleitend zur Entwicklung eines neuen Sortiervorhabens die Modifizie- rung der dafür relevanten Normen in die Wege zu leiten, um die industrielle An- wendbarkeit des zu entwickelnden Verfahrens sicherzustellen.
3. Planung und Ablauf des Vorhabens
3.1 Allgemeines
Das Vorhaben wurde in Kooperation mit dem Industriepartner Firma Fagus GreCon
Greten GmbH, Alfeld, durchgeführt. Aufgaben, Rechte und Pflichten der Partner wurden in einem Kooperationsvertrag detailliert geregelt.
Im Rahmen der interdisziplinären Entwicklungsarbeit war das Institut für Holzfor- schung für alle holztechnologischen und sortierungstechnischen Aspekte sowie für die Durchführung der während der Entwicklungs- und Erprobungsphase notwendi- gen umfangreichen Holzuntersuchungen einschließlich der Festigkeitsprüfungen von sortiertem Schnittholz zuständig. Der Ablauf des Forschungsvorhabens wurde in 3 Teilbereiche gegliedert:
- Systemkonzeption - Systementwicklung - Systemerprobung
3.2 Systemkonzeption und Systementwicklung
In einem ersten Arbeitsschritt war zusammen mit dem Projektpartner zu klären, welche Marktanforderungen (z.B. gewünschter Automatisierungsgrad, Durchlaufge- schwindigkeit, Bandbreite der Holzabmessungen, Oberflächenbeschaffenheit und Feuchte des Holzes) an eine Sortiermaschine gestellt werden. Daneben waren durch eine Analyse des aktuellen wissenschaftlichen und technischen Kenntnisstan- des und, soweit erforderlich, durch eigene Zusatzversuche, die geeigneten
Sortierprinzipien und Maschinenkonfigurationen auszuwählen.
Ziel der ersten beiden Arbeitsschritte war der Entwurf eines Maschinenkonzeptes sowie der Bau eines ersten Prototypen einer Sortiermaschine.
Dazu wurden folgende Arbeiten durchgeführt:
Auswertung der nationalen und internationalen Literatur.
Interviews mit Vertretern von Sägewerken, Holzleimbaubetrieben, Zimmerei- und Holzbaubetrieben zur Feststellung deren Anforderungen.
Erfahrungsaustausch mit Vertetern ausländischer Prüfstellen, die mit der Entwicklung betraut sind.
Durchführung von über 800 Laborversuchen zur Klärung grundlegender Fragen zur Systemkonzeption. Unter anderem wurden folgende Fragen untersucht:
Einfluß der Stützweite, der Orientierung und der Oberflächenbe- schaffenheit des Holzes bei der Biegeprüfung auf die Korrelation zwischen Biege-Elastizitätsmodul und Festigkeit
Einfluß der Verformung des Holzes
Einfluß der Auflagerbedingungen des Holzes
3.3 Systemerprobung
Auf den Erfahrungen aufbauend, die mit dem I.Prototypen der Sortiermaschine ge- wonnen wurden, wurde ein verbesserter 2. Prototyp hergestellt. Nach einer Vor- erprobung im Werk, bei der die Grundfunktionen der Maschine durch Vergleich mit Laborversuchen überprüft wurden, sind zwei Maschinen dieses Typs in 2 Holzleim- baubetrieben installiert worden. Dort wurden unter praktischen Bedingungen Sor- tierversuche durchgeführt. Zum Nachweis der Eignung und Zuverlässigkeit des Sor- tierverfahrens waren über 1000 Festigkeitsprüfungen an sortierten Hölzern durch- zuführen. Im Hinblick auf den Hauptanwendungsbereich maschinell sortierten Hol- zes, der vor allem bei hochbeanspruchten Konstruktionen, insbesondere im Holz- leimbau und bei Nagelplattenkonstruktionen gesehen wird, sollte dabei aus folgen- den Gründen die Zugfestigkeit der Hölzer geprüft werden:
Die Zugfestigkeit reagiert besonders empfindlich auf Holzfehler und ist daher grundsätzlich die am besten geeignete Prüfgröße
Auch bei biegebeanspruchten Brettschichtholzträgern oder Nagelplatten- bindern ist die Festigkeit der zugbeanspruchten Hölzer im Biege-Zugbereich in der Regel für die Tragfähigkeit des Bauteils bestimmend.
Sämtliche Untersuchungen sollten in Anlehnung an die Anforderungen in DIN 4074 Teil 3 und EN 519 durchgeführt werden, um die nationale und internationale Akzep-
tanz der Ergebnisse sicherzustellen.
Da in Deutschland bislang keine Versuchseinrichtung für Zugprüfungen von Schnitt- holz in Gebrauchsabmessungen nach EN 408 "Holzbauwerke - Vollholz und Brett- schichtholz, wie in EN 519 gefordert, zur Verfügung stand, mußte eine geeignete Prüfeinrichtung konstruiert und gebaut werden.
Um das hier zu entwickelnde Sortierverfahren möglichst rasch und effizient in der Holzbaupraxis einsetzen zu können, wurde der Projektpartner begleitend zur laufen- den Forschungsarbeit unterstützt, einen Antrag auf Erteilung des DIN-Prüf- und Überwachungszeichens für die Sortiermaschine nach DIN 4074 Teil 3 "Sortierung von Nadelholz nach der Tragfähigkeit - Sortiermaschinen" zu stellen. Gleichzeitig wurde ein Vorschlag zur Ergänzung der nationalen Norm DIN 1052 "Holzbauwerke,
Berechnung und Ausführung" dahingehend erarbeitet, daß in Verbindung mit der DIN 4074 die maschinelle Sortierung aufgenommen wird und für die neuen Sortier- klassen MS 13 und MS 17 erhöhte zulässige Bemessungswerte festgelegt werden.
4. Wissenschaftlicher und technischer Stand
In den letzten Jahrzehnten wurden überwiegend in Australien, in Nordamerika und in verschiedenen europäischen Ländern Verfahren zur maschinellen Holzsortierung untersucht und über 20 verschiedene Sortiermaschinen entwickelt. Industriell einge- setzt werden derzeit weltweit etwa 12 verschiedene Fabrikate, davon einige aller- dings nur in Form eines bzw. weniger Prototypen. 6 verschiedene Fabrikate stellen über 90% aller industriell eingesetzten Sortiermaschinen. Bei allen 6 Typen handelt es sich um sogenannte Biegemaschinen.
In europäischen Ländern werden derzeit vor allem 3 Biegemaschinentypen einge- setzt (Computermatic seit 1969, Rau-te Timgrader seit 1974, Cook Bolinders SG seit 1979), die als Sortierparameter den minimalen örtlichen Elastizitätsmodul verwenden.
Der wissenschaftliche und technische Stand der Entwicklung kann auf der Grundlage der 188 ausgewerteten Veröffentlichungen und der persönlichen Informationen wie folgt zusammengefaßt werden:
Der Elastizitätsmodul ist der mit den Festigkeitseigenschaften am höchsten korrelierte Einzel-Sortierparameter.
Der Elastizitätsmodul kann grundsätzlich statisch nach dem Biegeprinzip oder dynamisch mittels Schwingungsverfahren oder Ultraschall- bzw. Stoß- wellenverfahren ermittelt werden.
Beim Biegeverfahren werden bisher Spannweiten zwischen etwa 500 mm und 1100 mm eingesetzt. Die Biegeprüfung mit konstanter Durchbiegung und zugehöriger Kraftmessung bewährte sich besser als eine konstant aufgebrachte Kraft mit variabler Durchbiegung, weil dabei in das zu prüfende Holz weniger störende Schwingungen induziert werden. Eventuelle Verfor- mungen des Holzes müssen erfasst und berücksichtigt werden, entweder durch Doppelbiegung in 2 Richtungen oder durch zusätzliche Messung und rechnerische Berücksichtigung. Das Biegeverfahren ist empfindlich gegen- über Dickentoleranzen des Holzes.
Im Gegensatz zum Biegeverfahren werden Schwingungs-, Ultraschall- oder Stoßwellenverfahren für automatische on-line Sortierverfahren bisher nicht angewendet. Neben noch ungelösten Kopplungsproblemen konnte vor allem der Nachweis der zuverlässigen Erfassung von Fehlstellen im Holz bisher noch nicht erbracht werden. Die Schwierigkeiten liegen darin, daß Schwin- gungsverfahren in der Regel nur Aussagen über das durchschnittliche Ma- terialverhalten erlauben, also nicht über örtliche Fehlstellen und daß bei Ultraschallverfahren wegen des besonderen Dämpfungsverhaltens von Holz nicht die bei anderen Anwendungen bewährten hohen Frequenzen einge- setzt werden können, und die erforderlichen niedrigeren Frequenzen im Bereich von etwa 10-50 kHz örtliche Fehlstellen ebenfalls nicht zuverlässig detektieren.
Sortierparametern, insbesondere die Kombination Elastizitätsmodul und Ästigkeit, mit der Festigkeit von Holz signifikant höher korreliert ist als der Elastizitätsmodul allein.
Entwicklungen, dies technisch umzusetzen, sind bisher nicht bekannt gewor- den.
Vorliegende Untersuchungen zeigen ferner, daß andere Kombinationen von Sortierparametern, wie z.B. die bei einer finnischen Entwicklung (Finnograder II) genutzte Kombination der Sortierparameter Rohdichte, Ästigkeit und Fa- serabweichung, bestenfalls die Güte der Korrelation wie der Elastizitätsmodul allein, aber nicht die Güte der Kombination Elastizitätsmodul und Ästigkeit erreichen.
Äste können wegen deren etwa 2,5-fach höheren Rohdichte im Vergleich zum umgebenden Holz zuverlässig mit Durchstrahlungsverfahren bestimmt werden, wobei die Dicke und die Feuchte des durchstrahlten Holzes bekannt sein müssen. Die in anderen Anwendungsbereichen bereits eingesetzten Verfahren der Asterkennung über optische Erfassung der Holzoberflächen werden zur Festigkeitssortierung von Holz bisher nicht angewendet. Dem stehen bisher der erhebliche meßtechnische Aufwand bei der Erfassung aller 4 Holzoberflächen und vor allem die noch nicht ausreichende Zuverlässigkeit des Verfahrens auch bei sägerauhem, verfärbtem oder verschmutztem Holz entgegen.
5. Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Die praxisgerechte Entwicklung und Erprobung eines neuen Verfahrens zur Schnitt- holzsortierung erforderte eine Zusammenarbeit mit den potentiellen Nutzern, also den Schnittholz be- und verarbeitenden Bereichen der Holzwirtschaft, sowie den für die Genehmigung zum Betreiben des Sortierverfahrens zuständigen Stellen.
Gesellschaft für Holzforschung, München, initiierten Arbeitskreis, dem u.a. Vertreter der Vereinigung Deutscher Sägewerksverbände, des Bundes Deutscher Zimmer- meister, des Bundesverbandes Deutscher Fertigbau, der Studiengemeinschaft Holzleimbau und des Bundesverbandes der Nagelplattenverwender angehörten.
Die Zusammenarbeit mit Genehmigungsbehörden erstreckte sich auf den beim Normenausschuß Holzwirtschaft und Möbel (DIN-NHM) eingerichteten Beratungs- ausschuß zu DIN 4074 Teil 3 u. 4 sowie auf die für die Überwachung von Holz- leimbaubetrieben zuständige Forschungs- und Materialprüfanstalt Baden-Württem- berg (FMPA).
6. Ergebnisse
6.1 Allgemeines
Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens war die Entwicklung und Erprobung eines Verfahrens zur maschinellen Schnittholzsortierung in Kooperation mit dem Projektpartner Firma Fagus GreCon Greten GmbH, Alfeld.
Die Darstellung der Ergebnisse beschränkt sich im folgenden auf die Arbeiten, die im Rahmen der vereinbarten Arbeitsteilung verantwortlich vom Institut für Holzfor- schung durchzuführen waren.
Die Darstellung des Sortierverfahrens insgesamt einschließlich einer detaillierten Darstellung der dafür entwickelten Sortiermaschine ist Gegenstand des Berichtes des Projektpartners.
Die Ergebnisse werden im folgenden getrennt nach den Arbeitsschritten System- konzeption, Systementwicklung und Systemerprobung dargestellt. Bei der Mittei- lung von Versuchsergebnissen werden zum besseren Verständnis jeweils auch das zugehörige Versuchsprogramm und die Versuchsdurchführung erläutert.
6.2 Sytemkonzeption
Die Analyse der Marktanforderungen und des technischen Kenntnisstandes führte zu folgenden Entscheidungen:
Entwicklung eines Sortierverfahrens, das den Anforderungen eines Systems mit maschinenbezogener Überwachung genügt.
Die europäische Norm EN 519 sieht grundsätzlich zwei verschiedene Syste- me der maschinellen Holzsortierung vor. Ein System mit maschinenbezoge- ner (machine controlled System) und ein System mit produktbezogener Überwachung (Output controlled System).
Das System mit produktbezogener Überwachung bietet dem Betreiber der Sortieranlage Möglichkeiten, die Maschineneinstellung individuell auf das verfügbare Holzangebot hin zu optimieren, um damit beispielsweise eine bessere Ausbeute in höheren Sortierklassen zu erreichen. Dies bedingt jedoch eine laufende, umfangreiche Kontrolle des sortierten Holzes. Deshalb
ist dieses System in der Regel nur dann wirtschaftlich, wenn große Mengen Schnittholz mit einheitlichen Querschnittsabmessungen zu sortieren sind, wie dies beispielsweise in Nordamerika der Fall ist.
Unter europäischen Verhältnissen, bei denen in der Regel eine größere An- zahl von Holzabmessungen in jeweils kleineren Mengen sortiert werden, wür- de der Aufwand den möglichen Nutzen übersteigen. Für europäische Ver- hältnisse wurde deshalb das sogenannte System mit maschinenbezogener Überwachung entwickelt, das sich im wesentlichen auf die Kontrolle der Sor- tiermaschine beschränkt. Dieses Verfahren ist daher beim laufenden Betrieb wesentlich weniger aufwendig, es stellt aber wesentlich höhere Anforderun- gen an die Genauigkeit der Sortiermaschine, deren Zuverlässigkeit durch umfangreiche Untersuchungen nachzuweisen ist.
Da eine für ein System mit maschinenbezogener Überwachung geeignete
Sortiermaschine ohne weiteres auch in einem System mit produktbezogener Überwachung eingesetzt werden kann, aber nicht umgekehrt, sind mit der Entscheidung für ein für maschinenbezogene Überwachung geeignetes Sor- tierverfahren sowohl die Anforderungen der mitteleuropäischen Holzwirt- schaft erfüllt, als auch alle Optionen für den Export offengehalten.
Entwicklung eines Sortierverfahrens unter Verwendung der Sortierparameter Elastizitätsmodul, Ästigkeit und Rohdichte. Bestimmung des Elastizitäts- moduls nach dem Biegeverfahren; Bestimmung der Ästigkeit und Rohdichte nach dem Durchstrahlungsverfahren.
Diese Kombination von Sortierparametern ergibt nach allen vorliegenden Erkenntnissen die höchstmögliche Sortierqualität. Sie führt zur bestmöglichen Einstufung des Holzes in die neuen europäischen Festigkeitsklassen, in denen neben der Festigkeit aus Gründen einer ausgewogenen Bemessung auch der Elastizitätsmodul und die Rohdichte abgestuft werden. (Der
Elastizitätsmodul ist maßgebend für die Stabilitäts- und Verformungsnach- weise, die Rohdichte wird beim Nachweis der Anschlüsse berücksichtigt).
Das Biege- und Durchstrahlungsverfahren wurden gewählt, weil deren Zuver- lässigkeit durch mehrjährige Erfahrungen gesichert und nachgewiesen ist.
Die weltweit erstmalige Kombination des Sortierparameters Elastizitätsmodul mit den weiteren Sortierparametern Ästigkeit und Rohdichte überwindet ei- nen großen Nachteil der bisherigen Biegemaschinen: Bei der reinen Biege- maschine kann der Anfangs- und Endbereich des zu sortierenden Holzes nicht vollständig erfaßt werden. Die Parameter Ästigkeit und Rohdichte wer- den dagegen über die gesamte Holzlänge ermittelt. Dadurch kann die Sor- tierentscheidung vollautomatisch und zuverlässig über die gesamte Holz- länge erfolgen; die bisher erforderliche visuelle Zusatzkontrolle der Anfangs- und Endbereiche der Hölzer kann damit entfallen.
Auslegung der Sortiermaschine für Holzabmessungen bis 60 x 300 mm2.
6.3 Systementwicklung
6.3.1 Versuchsprogramm
Bei der maschinellen Holzsortierung nach dem Biegeverfahren wird die Biegestei- figkeit als Maß für den Biege-Elastizitästmodul des Holzes herangezogen.
Für die Optimierung des Biegeverfahrens war der Einfluß unterschiedlicher Rand- und Prüfbedingungen (Samson, 1986) auf die Bestimmung des Biege-Elastizitäts- moduls des Holzes zu untersuchen. Als Entscheidungskriterium sollten die jewei- ligen Korrelationen zur Festigkeit ermitteln werden. Folgende Einflußparameter wurden in die Untersuchung einbezogen:
Bearbeitungszustand des Holzes gehobelte Oberfläche sägerauhe Oberfläche
Lage der Jahrringe des Querschnitts in der Prüfmaschine (Querschnittslage);
"rechte" Seite bzw. "linke" Seite auf der zugbeanspruchten Seite des Prüfkörpers bei Prüfung flachkant
Auflagerbedingungen des Prüfkörpers (freie Auflagerung, eingespannte Auf- lagerung (mit aufgezwungener Vorkrümmung des Prüfkörpers)
Stützweite; bei Flachkantprüfung wurden 1 = 500, 700 und 900 mm untersucht
Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wurden sämtliche Prüfvarianten an den gleichen Prüfkörpern untersucht. Es wurden insgesamt 54 Prüfkörper mit den Querschnittsabmessungen 63/133 mm2 (ungehobelt) bzw.
50/120 mm2 (gehobelt) untersucht. Unter Hobelung wird dabei das "Abrichten" und
vierseitige Hobeln der Querschnitte verstanden, wodurch Verformungen der säge- rauhen Hölzer im wesentlichen beseitigt wurden. Nach Abschluß aller Biegeprü- fungen wurde jeweils die Zugfestigkeit des Prüfkörpers bestimmt. Unter Berücksich- tigung von 16 Prüfvarianten (vgl. Tabelle 1) waren damit insgesamt 864 Versuche durchzuführen.
6.3.2 Versuchsdurchführung
Bild 1 zeigt das Prinzip der Biegeeinrichtung mit variabler Stützweite und der Mög- lichkeit variabler Randeinspannung. Die Auflagerrollen wurden gewählt, um die Ver- hältnisse in der späteren Sortiermaschine zu simulieren.
In Anlehnung an die Arbeit von Samson (1986) wurden die 3 Rollen am Auflager unten und oben (Einspannung) so angeordnet, daß dem Prüfkörper in der vertika- len Auflagerebene eine Neigung von a=3° aufgeprägt werden konnte. Damit wurde dem flachkant eingelegten Prüfkörper nach dem kraftschlüssigen Heranfahren der oberen Auflagerrollen bereits im "unbelasteten" Zustand eine Durchbiegung auf- gezwungen.
Durch diese Art der Prüfung sollte der Einfluß evtl. vorhandener Vorverformungen minimiert werden.
Bild 2 zeigt die jeweilige Lage, sowie die Belastungshchtung des Prüfkörpers bei der Prüfung. In Tabelle 1 sind sämtliche Prüfungsvarianten und Arten der Elastizi- tätsmodulbestimmung zusammengestellt. Der Biege-Elastizitätsmodul wurde jeweils bis zu etwa einem Drittel der zu erwartenden Bruchlast bestimmt. Dabei wurde mit Hilfe zweier Induktivaufnehmer eine Kraft-Durchbiegungskurve aufgenommen. Kraft- einleitung und Durchbiegungsmessung erfolgten in allen Fällen an ein und dersel- ben Stelle des Holzquerschnitts.
Die Zugfestigkeit der Hölzer wurde nach Abschluß aller Biege-Elastizitätsmodulbe- stimmungen mit einer 500 kN-Prüfmaschine bestimmt. Zur Ermittlung des Zug-Ela- stizitätsmoduls wurde dabei gleichzeitig mit Hilfe zweier Induktivwegaufnehmer eine Kraft-Verformungskurve aufgenommen.
6.3.3 Ergebnisse
Tabelle 1 zeigt die Korrelationskoeffizienten zwischen Biege-Elastizitätsmodul und der Zugfestigkeit in Abhängigkeit vom Bearbeitungszustand, von der Lage des Prüf- körpers bei der Prüfung, von der Auflagerbedingung und von der Stützweite. Dabei ergaben sich folgende Erkenntnisse:
Die freie Auflagerung schneidet bei den geprüften Stützweiten besser ab als die Einspannung.
Der Einfluß der Lage des Prüfkörpers ist bei freier Auflagerung unbedeutend.
Kurze Stützweiten führen zu schlechteren Korrelationskoeffizienten.
Verformungen sowie Dickentoleranzen, wie sie bei ungehobelten Hölzern auftreten, wirken sich ungünstig auf die Bestimmung des Elastizitätsmoduls und damit auf die Korrelation zur Festigkeit aus.
Aufgrund dieser Ergebnisse wurden für die Biegeeinrichtung der Sortiermaschine folgende Festlegungen getroffen:
- Art der Auflagerung: Als Auflagerung wird jeweils nur ein Walzenpaar gewählt. (System der freien Auflagerung).
- Sortierprinzip: Der Elastizitätsmodul wird nur in einer Belastungsrich- tung bestimmt. Evtl. vorhandene Vorkrümmungen wer- den meßtechnisch erfaßt.
- Auflagerstützweite: Es wird eine Auflagerstützweite von 1 = 700 mm gewählt.
Damit können einerseits die durch die Biegeprüfung nicht beurteilbaren Brettenden kurz gehalten werden, andererseits ist der Einfluß des Schubmoduls noch so gering, daß er die Elastizitätsmodulbestimmung nicht ungünstig beeinflußt.
- Meßtechnik: Eine Dicken- und Krümmungsmessung muß integriert werden, da Maßtoleranzen sowie Verformungen der Höl- zer zu nicht tolerierbaren Fehlmessungen bei der Elasti- zitätsmodul-Bestimmung führen würden.
Für die Sortiermaschine ergab sich damit folgende Gesamtkonzeption für die Be- stimmung der drei gewählten Sortierparameter Biege-Elastizitätsmodul, Rohdichte und Ästigkeit (Bild 3):
Bestimmung des Elastizitätsmoduls
Der Biege-Elastizitätsmodul wird über eine Spannweite von 700 mm bei mittiger Beanspruchung und vorgegebener Durchbiegung flachkant in einem 10mm-Raster ermittelt, ausschließlich 700 mm langer Anfangs- und Endbereiche des zu sor- tierenden Holzes.
Folgende Parameter werden gemessen:
Dicke des zu sortierenden Holzes mit Laser-Abstandsmeßköpfen, natürliche Krümmung des zu sortierenden Holzes in Biegerichtung über eine Spannweite von 700 mm mit Laser-Abstandsmeßköpfen, Durchbiegung des zu sortierenden Holzes mittels eines induktiven Wegaufnehmersystems,
Rückstellkraft der Druckwalze mit zwei Kraftmeßdosen.
Die Durchbiegung wird in Abhängigkeit von den Abmessungen des zu sortierenden Holzes voreingestellt und in Abhängigkeit von der gemessenen Rückstellkraft der Druckwalze so geregelt, daß eine vorgegebene Biegebeanspruchung im Holz nicht überschritten wird.
Die beweglichen Anpresswalzen werden über regelbare Balgzylinder zugesteuert.
Der Pressdruck wird in Abhängigkeit von den Holzabmessungen so eingestellt, daß eine vorgegebene Querdruckbeanspruchung nicht überschritten wird.
Bestimmung der Rohdichte
Die Bestimmung der Rohdichte erfolgt mittels einer in der Maschine integrierten Röntgeneinrichtung. Für die Durchstrahlung werden weiche Röntgenstrahlen ver- wendet. Das Meßprinzip beruht auf der Schwächung der Röntgenstrahlung durch Absorption im Meßgut. Die Absorption ist eine Funktion der Flächenmasse des zu sortierenden Holzes. Unter der Flächenmasse versteht man ein Produkt aus Roh- dichte und Dicke. Ist die Absorption, die Holzfeuchte und die Dicke bekannt, kann daraus direkt die Rohdichte des Holzes bestimmt werden.
Bestimmung der Ästigkeit
Die Ästigkeit wird durch Grauwertbildverarbeitung des Röntgenbildes bestimmt.
Dazu wird ein Röntgenbild über die gesamte Länge des zu sortierenden Holzes erzeugt. Weil die Rohdichte von Ästen ca. 2.5-fach höher ist, als die Rohdichte des astfreien Holzes, ist die Absorption der Strahlung im Bereich von Ästen größer. Auf diese Weise werden die Äste erkannt und mit entsprechenden Algorithmen können Größe- und Lagebestimmungen durchgeführt werden.
Diese Methode der Astmessung ist unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Holzes, und somit auch für ungehobelte, verfärbte oder verschmutzte Hölzer uneingeschränkt anwendbar.
Einen Eindruck von der Effizienz der gewählten Sortierparameter geben am Beispiel der 380 Brettlamellen des Teilkollektivs 2 aus Abschnitt 6.4 die Bilder 4 bis 9.
Bild 4 zeigt die Korrelation zwischen dem von der Sortiermaschine ermittelten minimalen Biege-Elastizitätsmodul und dem nach EN 408 bestimmten Zug-Elasti- zitätsmodul.
Bild 5 zeigt die Korrelation zwischen der von der Sortiermaschine und der im Labor nach DIN 52182 ermittelten Rohdichte der Brettlamellen.
Bild 6 zeigt die Korrelation zwischen dem von der Sortiermaschine in Anlehnung an DIN 4074 bestimmten Wert der Ästigkeit (Kriterium Astansammlung) und der für
den gleichen Bereich visuell nach DIN 4074 ermittelten Ästigkeit.
Im Mittel wird der gleiche Wert der Ästigkeit bestimmt, wobei die Einzelwerte jedoch bis über 50% abweichen. Dies ist auf die unterschiedliche Meßmethode zurückzu- führen. Während nach DIN 4074 der kantenparallele Astdurchmesser an den Brett- oberflächen bestimmt wird, erfaßt die Sortiermaschine den kantenparallelen Wert der Projektion des gesamten Astes. Je nach Astbild kann sich dabei ein größerer oder kleinerer Wert ergeben. Daß die beiden Astmeßmethoden bezüglich der Sor- tierschärfe gleichwertig sind, zeigen die Bilder 7 und 8, in denen der Zusam- menahng zwischen den beiden Astmeßverfahren und der Zugfestigkeit der Brettla- mellen dargestellt ist. Die Korrelationskoeffizienten liegen mit etwa r = -0,5 in beiden Fällen in der gleichen Größenordnung.
Als statistisch gleichwertig erwies sich eine einfachere Erfassung der Äste durch Verwendung der unmittelbar verfügbaren Meßwerte der Durchstrahlungseinheit
(Bild 9). Deshalb wurde diese Methode der Asterfassung der weiteren Auswertung zugrundegelegt.
6.4 Systemerprobung
6.4.1 Versuchsprogramm
Nach Fertigstellung des Prototyps 2 wurden Versuche durchgeführt, in denen die Grundfunktionen der Maschine überprüft und die in DIN 4074 und EN 519 geforder- te Eignung und Reproduzierbarkeit des Sortierverfahrens nachgewiesen wurde.
Diese Untersuchungen wurden für folgenden Anwendungsbereich konzipiert:
Brettlamellen aus Fichte, 135 mm bis 220 mm breit Dicke 33 - 38 mm
Holzfeuchte u= 8- 12%
Holztemperatur 20° - 30° C
Holzverformungen entsprechend DIN 4074
Sortierklassen MS 10, MS 13, MS 17
Durchlaufgeschwindigkeit v= 80 m/min und 120 m/min.
In zwei voneinander unabhängigen Teilkollektiven wurden ingesamt 1005 Brett- lamellen mit den 3 Querschnittsabmessungen 36 x 135 mm2, 36 x 175 mm2 und 36 x 220 mm2 geprüft (siehe Tabelle 2 und Bilder 10 bis 13).
Das erste Teilkollektiv mit 625 Prüfkörpern diente zur Überprüfung der Grund- funktionen der Sortiermaschine sowie zur Festlegung der Sortierkriterien ein- schließlich der Sortierklassengrenzwerte.
Anhand des zweiten Teilkollektivs mit 380 Prüfkörpern wurden die auf der Grund- lage des ersten Teilkollektivs festgelegten Klassifizierungsregeln überprüft.
Die für die Untersuchung benötigten Brettlamellen, die jeweils eine Länge von 4 bis 5 m aufwiesen, wurden als zufällige Stichproben der laufenden Produktion der bei- den für die Erprobung des Verfahrens ausgewählten Holzleimbaubetriebe entnom- men.
Die Brettlamellen stammen etwa je zur Hälfte aus Deutschland und aus Skandi- navien.
Die für die Optimierung des Systems vorgesehenen 625 Brettlamellen des Teil- kollektivs 1 wurden nach der Vorhobelung, aber noch vor der Sortierung ent- nommen. Sie stellen damit eine repräsentative Stichprobe der in den Holzleim- baubetrieben verwendeten Brettlamellen dar und können somit zur Beurteilung der möglichen sortierklassenbezogenen Ausbeute der maschinellen Sortierung sowie für einen Vergleich zwischen maschineller und visueller Sortierung herangezogen werden.
Die für die Versuche zur Überprüfung der Einstellwerte vorgesehenen 380 Brett- lamellen des Teilkollektivs 2 waren dagegen dem Untersuchungsziel entsprechend dem bereits maschinell sortierten Holz der Sortierklassen MS 10 bis MS 17 zu entnehmen. Sie sind damit repräsentative Stichproben der jeweiligen maschinellen
Sortierklassen, stellen aber bezogen auf die Grundgesamtheit ein zu höherer Holz- qualität hin verschobenes Kollektiv dar.
Zur Charakterisierung der allgemeinen Holzqualität der untersuchten Brettlamellen wird in den Bildern 14 bis 18 die Verteilung der Ästigkeit, der Rohdichte, der Holz- feuchte, der Zugfestigkeit und des Zug-Elastizitätsmoduls dieser Lamellen angege- ben.
6.4.2 Versuchsdurchführung
Die in die Untersuchung einbezogenen Brettlamellen wurden jeweils zweifach bei Durchlaufgeschwindigkeiten von v = 80 m/min und v = 120 m/min maschinell sor- tiert. Gemessen wurde der Biege-Elastizitätsmodul unter Berücksichtigung der Längskrümmung, die Astgröße und -läge sowie die Rohdichte. Um die maschinelle Sortierung mit entsprechenden visuellen Sortierungen vergleichen und gleichzeitig die von der Sortiermaschine ermittelten Daten überprüfen zu können, wurde für jedes Brett zusätzlich die Ästigkeit nach verschiedenen visuellen Sortiernormen sowie die Rohdichte nach DIN 52182 "Bestimmung der Rohdichte" und die Holz- feuchte nach DIN 52183 "Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes" bestimmt. An- schließend wurde die Zugfestigkeit nach EN 408 ermittelt.
Bestimmung der Rohdichte
Von jedem Prüfkörper wurde die Normal-Rohdichte R12 und die Darrdichte R0 nach DIN 52182 bestimmt.
Die Rohdichte R12 wurde aus der Masse und den Abmessungen des Prüfkörpers berechnet. Die Darrdichte R0 wurde nach der Festigkeitsprüfung an einer aus jedem Prüfkörper in der Nähe der Bruchstelle entnommenen und den ganzen Querschnitt umfassenden etwa 2 cm dicken Holzscheibe ermittelt.
Bestimmung der Ästigkeit
Die Ästigkeit stellt in der Regel das entscheidende Sortierkriterium der visuellen Festigkeitssortierung dar. Der festigkeitsmindernde Einfluß der Äste hängt in hohem
Maße von den Querschnittsabmessungen der Hölzer und der Art der Beanspru- chung ab. Dementsprechend sind in DIN 4074 für Kanthölzer und Bretter verschie- dene Bestimmungsmethoden eingeführt worden, und auch die in ausländischen Normen üblichen Regeln zur Erfassung der Ästigkeit unterscheiden sich je nach Art der hauptsächlich verwendeten Holzquerschnitte und ihrer typischen Anwendun- gen. Die Ästigkeit der Prüfkörper wurde hier nach folgenden, in europäischen und außereuropäischen Sortierregeln vorherrschenden, Methoden bestimmt:
- DIN 4074 - Kantholzsortierung und Brettsortierung;
Kriterium Einzelast und Astansammlung;
- SIA-Norm 164 - Kantholzsortierung
Kriterium Einzelast und Astansammlung;
- KAR-Methode - Knot-Area-Ratio - (Astflächenverhältnis), - Kriterium Einzelast und Astansammlung
- ECE - Norm - Kombination Total KAR und Margin KAR
Bestimmung der Holzfeuchte
Die Holzfeuchte der Prüfkörper wurde nach DIN 52183 gravimetrisch an einem etwa 2 cm breiten Probestreifen bestimmt, der den gesamten Probenquerschnitt erfaßte und sofort nach dem Versuch in Bruchnähe aus dem Prüfkörper herausgeschnitten wurde.
Bestimmung der Zugfestigkeit und des Zug-Elastizitätsmoduls
Die Zugprüfung erfolgte nach EN 408 in einer im Rahmen dieses Forschungsvorha- bens entwickelten und hergestellten Prüfeinrichtung. Eine Gesamtansicht der
Zugprüfeinrichtung zeigt Bild 19. Das Prüfschema ist in Bild 20 skizziert. In Bild 21 ist ein Prüfprotokoll eines Zugversuchs dargestellt.
Die maschinell sortierte Brettlamelle wurde mit einer freien Prüflänge vom Neun- fachen der Prüfkörperbreite so in die Prüfmaschine eingebracht, daß sich die Brett-
querschnitte mit dem minimalen Elastizitätsmodul und der größten Ästigkeit in der freien Prüflänge der Probe befanden.
Wo dies ausnahmsweise wegen der erforderlichen Einspannlänge der Zugproben nicht möglich war, wurde bei der weiteren Auswertung der minimale Elastizitäts- modul und die größte Ästigkeit im Bereich der freien Prüflänge herangezogen.
Die Zugfestigkeit ßz wurde wie folgt berechnet.
F: Bruchkraft [N]
A: Querschittsfläche des Prüfkörpers [mm2]
Die Meßbasis für die Bestimmung des Elastizitätsmoduls betrug nach EN 408 das Fünffache der Prüfkörperbreite.
Die Dehnung der Probe wurde mittels zweier Wegmeßeinrichtungen, die zu beiden Seiten der Zugprüfkörper angebracht waren, gemessen. Aus dem arithmetischen Mittel der beiden Dehnungsmessungen wurde der Zug-Elastizitätsmodul Ez wie folgt berechnet:
v 6 F
t z A ' 6 V mit
v: Meßbasis im Zugversuch (5*b) [mm]
A: Querschnittsfläche des Prüfkörpers [mm2] 6F: Kraftdifferenz im elastischen Bereich [N]
6v: der Kraftdifferenz entsprechende Dehnung [mm]
6.4.3 Ergebnisse
6.4.3.1 Allgemeines
Die Verteilung der Ästigkeit, der Rohdichte, der Holzfeuchte, der Zugfestigkeit und des Zug-Elastizitätsmoduls der untersuchten Proben ist in den Bildern 14 bis 18 dargestellt.
6.4.3.2 Untersuchungen zur Festlegung der Maschineneinstellwerte
Festlegung des Sortierparameters
Als Grundlage zur Festlegung der Maschineneinstellwerte wurden 625 Stück 4 bis 5 m lange Brettlamellen jeweils bei Durchlaufgeschwindigkeiten von 80 m/min und 120 m/min maschinell sortiert. Als Ergebnis der maschinellen Sortierung standen von jedem Brett der Verlauf des Sortier-Elastizitätsmoduls in Brettlängsrichtung, die Rohdichte im astfreien Bereich und die Verteilung der Ästigkeit in Brettquer- und längsrichtung zur Verfügung. Als mögliche Sortierparameter wurden daraus der mi- nimale Elastizitätsmodul, der mittlere Elastizitätsmodul, die mittlere Rohdichte und verschiedene Astparameter (Einzelast, Astansammlung, Lage im Querschnitt) be- stimmt. Über eine multiple Korrelations- und Regressionsrechnung mit der Zielgröße Zugfestigkeit wurde daraus der am besten geeignete Satz von Parametern ausge- wählt.
Als maschineller Sortierparameter, nach dem das Holz klassifiziert wird, wurde der aus diesen Parametern über die zugehörige Regressionsfunktion berechnete Schätzwert für die Zugfestigkeit festgelegt. Die Einstufung des Holzes in eine Sortierklasse erfolgt dann durch Vergleich des maschinellen Sortierparameters mit vorgegebenen Sortierklassengrenzwerten.
Festlegung der Sortierklassengrenzwerte
Die DIN 4074 enthält keine Angaben zur Festlegung der Sortierklassengrenzwerte
und keine Anforderungen an die Festigkeit von Holz einer bestimmten Sortierklasse.
Es liegen auch keine anderen nationalen Normen oder Richtlinien vor, die hierzu explizit Angaben machen.
Für die Festlegung von Sortierklassengrenzwerten wurden deshalb hier folgende zwei Kriterien herangezogen:
Vergleich der charakteristischen Festigkeits- und Steifigkeitswerte mit denen von visuell nach DIN 4074 sortiertem Holz.
Vorliegende europäische Normentwürfe, insbesondere EN 338 Bauholz für tragende Zwecke - Festigkeitsklassen
EN 384 Bauholz für tragende Zwecke - Bestimmung charakteristischer Festigkeits-, Steifigkeits- und Rohdichtewerte
Umfragen in der Holzwirtschaft ergaben, daß folgende Zuordnung der maschinellen Sortierklassen nach DIN 4074 zu den in EN 338 "Bauholz - Festigkeitsklassen" eu- ropäisch genormten Festigkeitsklassen gewünscht werden:
MS 10 - C 24 MS 13 - C 35 MS 17 - C 40
Daraus ergeben sich folgende Anforderungen an die charakteristischen Werte der Zugfestigkeit, ermittelt nach den Regeln der EN 384 "Bauholz - Bestimmung charak- teristischer Steifigkeits- und Rohdichtewerte":
MS 10 - 14 N/mm2 MS 13 - 21 N/mm2 MS 17 - 24 N/mm2
Die Auswertung der Versuchsergebnisse von Teilkollektiv 1 zeigte, daß diese Anfor-
derungen zuverlässig erfüllt werden, wenn für den maschinellen Sortierparameter S folgende Sortierklassengrenzwerte gewählt werden (vgl. hierzu Tabellen 13 bis 15):
MS 10 - 18 <; S < 31 MS 13 - 31 ^ S < 40 MS 17 - 40 * S
Zugfestigkeit, Zug-E-Modul und Rohdichte bei visueller Sortierung nach DIN 4074
Um Angaben über die charakteristischen Festigkeits- und Steifigkeitswerte von vi- suell sortiertem Holz zu erhalten und um eine Vergleichsmöglichkeit für die Lei- stungsfähigkeit der maschinellen Sortierung zu erhalten, wurden die 625 Brettlamel- len des Teilkollektivs 1 zusätzlich visuell nach DIN 4074 sortiert. Das Ergebnis der visuellen Sortierung ist in den Tabellen 3 bis 7 dargestellt. Den Mittelwert, die Standardabweichung und die in Anlehnung an EN 384 parameterfrei bestimmte 5%- Fraktile der Zugfestigkeit in Abhängigkeit von der Sortierklasse und von den Holz- abmessungen zeigen die Tabellen 3 und 4. Die Bilder 22 bis 25 zeigen, getrennt nach den 3 Holzabmessungen, den Zusammenhang zwischen der Zugfestigkeit und der Ästigkeit, dem wichtigsten visuellen Sortierparameter. Mittelwert und Standardabweichung des Zug-Elastizitätsmoduls in Abhängigkeit von der Sortier- klasse und von den Holzabmessungen sind aus Tabelle 5 zu ersehen. Bild 26 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Zug-Elastizitätsmodul und der Ästigkeit.
Die Verteilung der Rohdichte der visuell sortierten Bretter zeigen in Abhängigkeit von der Sortierklasse und den Holzabmessungen die Tabellen 6 und 7. Bild 27 zeigt, daß zwischen der Rohdichte und der Ästigkeit praktisch kein Zusammenhang besteht.
Zugfestigkeit, Zug-Elastizitätsmodul und Rohdichte bei maschineller Sortierung
Das Ergebnis der maschinellen Sortierung ist in den Tabellen 8 bis 12 und den Bildern 28 bis 33 dargestellt.
Den Mittelwert, die Standardabweichung und die in Anlehnung an EN 384 parame- terfrei bestimmte 5%-Fraktile der Zugfestigkeit in Abhängigkeit von der Sortierklasse und von den Holzabmessungen zeigen die Tabellen 8 und 9. Die Verteilung der Einzelergebnisse zeigen die Bilder 28 bis 31.
Mittelwert und Standardabweichung des Zug-Elastizitätsmoduls in Abhängigkeit von der Sortierklasse und den Holzabmessungen sind aus Tabelle 10 zu ersehen. Die Einzelergebisse sind, zusammengefaßt für alle Holzabmessungen, in Bild 32 dar- gestellt.
Die Verteilung der Rohdichte in Abhängigkeit von der Sortierklasse und den Holz- abmessungen ist in den Tabellen 11 und 12 und, ebenfalls zusammengefaßt für al- le Holzabmessungen, in Bild 33 wiedergegeben.
6.4.3.3 Untersuchungen zur Überprüfung der Maschineneinstellwerte
Nachdem der Algorithmus zur Berechnung des maschinellen Sortierparameters aus den einzelnen Meßgrößen sowie die Sortierklassengrenzwerte für die Sortierklassen MS 10, MS 13 und MS 17 festgelegt waren, wurde in einem Holzleimbaubetrieb ei- ne unabhängige Stichprobe entsprechend maschinell sortierter Brettlamellen ent- nommen (Teilkollektiv 2), und zwar
151 Brettlamellen der Sortierklasse MS 17 120 Brettlamellen der Sortierklasse MS 13 109 Brettlamellen der Sortierklasse MS 10
Die Verteilung der Ästigkeit, der Rohdichte, der Zugfestigkeit und des Zug-Elasti- zitätsmoduls der untersuchten Proben ist in den Bildern 14, 15, 17 und 18 dar- gestellt.
Die Holzfeuchte der Proben zum Zeitpunkt der maschinellen Sortierung sowie zum Zeitpunkt der Zugprüfung entsprach den am Teilkollektiv 1 ermittelten Werten
(Bild 16).
Die charakteristischen Festigkeits-, Steifigkeits- und Rohdichtewerte des Teilkollek- tivs 2 sind in den Tabellen 8 bis 12 zusammengestellt. Die Tabellen 8 und 9 zeigen den Mittelwert, die Standardabweichung und die 5%-Fraktile der
Zugfestigkeit in Abhängigkeit von der Sortierklasse und von den Holzabmessungen.
Der Zusammenhang zwischen der Zugfestigkeit und dem maschinellen Sortierpara- meter wird darüberhinaus grafisch in den Bildern 34 bis 37 dargestellt.
Tabelle 10 enthält den Mittelwert und die Standardabweichung des Zug-Elastizi- tätsmoduls in Abhängigkeit von der Sortierklasse und von den Holzabmessungen.
Die Tabellen 11 und 12 geben den Mittelwert, die Standardabweichung und die 5%-Fraktile der Rohdichte der Brettlamellen wieder.
6.4.3.4 Diskussion
Der Vergleich der visuell und maschinell erzielbaren Sortierergebnisse belegt die deutlich höhere Leistungsfähigkeit des hier entwickelten maschinellen Sortierverfah- rens: Es eröffnet die Möglichkeit, Schnittholz mit deutlich höheren charakteristi- schen Festigkeits-, Steifigkeits- und Rohdichtewerten bereitzustellen, bei gleichzeitig größerer Ausbeute in den höheren Festigkeitsklassen.
Ein Vergleich der in den Tabellen 4 und 9 zusammengestellten Festigkeitswerte zeigt:
Die charakteristischen Werte für die Zugfestigkeit liegen bei maschinell sortiertem Holz in den Sortierklassen MS17 und MS13 bei 30,6 N/mm2 und 22,9 N/mm2, ge- genüber 17,7 N/mm2 bei einer Sortierung des gleichen Holzes in die höchste vi- suelle Sortierklasse S 13. Das entspricht einer Steigerung um 70 bzw. 29%.
Gleichzeitig liegt die Ausbeute in den maschinellen Sortierklassen MS17 und MS13 bei über 45% gegenüber 36% in der visuellen Sortierklasse S13. Auch ist der Anteil der Hölzer, die nicht in die Sortierklasse S10 und besser eingestuft werden können, bei maschineller Sortierung geringer als bei der visuellen Sortierung.
Die Überprüfung des Sortierverfahrens durch 380 unabhängige Versuche führte zu vergleichbaren Ergebnissen. Damit ist die Zuverlässigkeit des Sortierverfahrens nachgewiesen.
7. Verwertbarkeit der Ergebnisse
Die vorliegenden Ergebnisse belegen die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit des hier entwickelten und erprobten Verfahrens zur maschinellen Schnittholzsortie- rung. Sie bilden eine ausreichende Grundlage für den Bau und den Betrieb einer praxisreifen Sortiermaschine.
Um das hier zu entwickelnde Sortierverfahren möglichst rasch und effizient der Holzbaupraxis zur Verfügung stellen zu können, wurde der Projektpartner beglei- tend zur laufenden Forschungsarbeit unterstützt, einen Antrag auf Erteilung des DIN- Prüf- und Überwachungszeichens für die Sortiermaschine nach DIN 4074 Teil 3 zu stellen. Die dafür zuständige Deutsche Gesellschaft für Warenkennzeichnung GmbH (DGWK) erteilte diese Genehmigung mit Datum vom 12.01.1994.
Darüberhinaus bildeten die hier durchgeführten Festigkeitsprüfungen die wissen- schaftliche Grundlage zur Erstellung eines Ergänzungsblattes A1 zur nationalen Norm DIN 1052 "Holzbauwerke, Berechnung und Ausführung". Mit diesem Ergän- zungsblatt werden die neuen maschinellen Sortierklassen MS 7, MS 10, MS 13 und MS 17 eingeführt und für die Sortierklassen MS 13 und MS 17 werden zulässige Spannungen und Rechenwerte für Elastizitäts- und Schubmoduln eingeführt, die bis zu 30% über den bisher gültigen Höchstwerten liegen. Das Ergänzungsblatt DIN 1052 A1 liegt in einem ersten Entwurf vor, die bauaufsichtliche Zustimmung ist in Aussicht gestellt. Diese neuen Regelungen gelten herstellerunabhängig für alle Sortierverfahren, die die Anforderungen der bestehenden Normen erfüllen und kommen damit der gesamten Schnittholz be- und verarbeitenden Holzwirtschaft zugute.
Inzwischen wird maschinell sortiertes Schnittholz der Klassen MS 13 und MS 17 be- reits in einem Bauvorhaben eingesetzt. Die dafür erforderliche bauaufsichtliche Zulassung im Einzelfall wurde von der Obersten Baubehörde des Landes Baden- Württemberg erteilt.
8. Fortschritte bei anderen Stellen,
die während der Durchführung des Vorhabens auf diesem Gebiet bekannt geworden sind
Die erfolgreiche Durchführung dieses Forschungsvorhabens und die Berichterstat- tung darüber auf nationalen und internationalen Arbeitssitzungen und Kongressen haben im In- und Ausland zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten aus- gelöst.
Insbesondere ist bekannt geworden, daß die Hersteller und Betreiber der bisher im europäischen Ausland eingesetzten Sortiermaschinen Untersuchungen in Gang ge- setzt haben, um die bestehenden Maschinen um- bzw. nachzurüsten, um deren Sortierqualität zu erhöhen. Über solche Initiativen wird aus Frankreich, Groß- britannien, Schweden und Norwegen berichtet.
Diese Untersuchungen umfassen eine Verbesserung des dynamischen Verhaltens der Maschinen, um störende Eigenschwingungen des zu sortierenden Holzes zu reduzieren, eine Verbesserung der Meßsensorik und der Auswertung der Meßdaten sowie die Ergänzung der Biegemaschinen um Module zur Asterfassung.
Alle bekannt gewordenen Entwicklungen befinden sich noch in einer Vorerpro- bungsphase, keine dieser Entwicklungen geht über den technischen Stand des hier entwickelten Sortierverfahrens hinaus.
Darüberhinaus ist bekannt geworden, daß ein deutscher Holzbearbeitungsmaschi- nenhersteller in Zusammenarbeit mit einer niederländischen Forschungsstelle ein Sortierverfahren entwickelt, das die gleichen Sortierparameter (Elastizitätsmodul, Ästigkeit, Rohdichte) benutzt wie das hier entwickelte Verfahren, wobei der Elasti- zitätsmodul dort über Messen von Längsschwingungen, die Ästigkeit über Oberflä-
chen-Scanning und die Rohdichte über Gewichts- und Volumenbestimmung ermit- telt werden. Auch diese Entwicklung befindet sich offenbar noch in einer Vorerpro- bungsphase.
Insgesamt kann festgestellt werden, daß die maschinelle Holzsortierung und die damit verbundenen höheren Holzqualitäten im In- und Ausland auf stark zunehmen- des Interesse stoßen. Aus vielen Ländern wird über Pilotprojekte berichtet, in denen der Nutzen der maschinellen Sortierung untersucht wird.
9. Veröffentlichung der Ergebnisse
Die Fachöffentlichkeit wurde über vorliegende Ergebnisse durch Vorträge auf Ver- anstaltungen holzwirtschaftlicher Verbände (Sägewerksverbände, Bund Deutscher Zimmermeister, Studiengemeinschaft Hclzleimbau, Verband der Nagelplattenver- wender) sowie auf nationalen und internationalen Fachtagungen (Fachtagung "Voll- automatische Sortierung von Holz", Stuttgart-Vainhingen, 22.10.92; Internationales Seminar für die Sägewerksindustrie, Rosenheim, 11. - 14.01.93; 15. Dreiländer- Holztagung, Garmisch, 21. - 23.09.93; Betriebsführer-Seminar Holztechnikum Kuchl,
18. - 20.01.94; Deutscher Holzbautag 94 Nürnberg, 28.04. - 01.05. 1994) laufend unterrichtet.
Neben der Veröffentlichung in den entsprechenden Tagungsunterlagen erfolgten bislang 2 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften:
Glos, P., Diebold, R. (1994):
Maschinelle Sortierung nach DIN 4074 zugelassen - Neue Chancen für den Holzleimbau
Mikado 2 (7/8) 79-83 Diebold, R., Glos, P. (1994):
Verbesserte Holznutzung durch neuartige maschinelle Festigkeitssortierung.
Holz als Roh- und Werkstoff 52 (5); im Druck
Darüberhinaus wurden die vorliegenden Ergebnisse den Arbeitsgremien der Nor- menausschüsse NABau und NHM zur Verfügung gestellt. Sie bildeten die wissen- schaftliche Grundlage für die Erarbeitung der in einem ersten Entwurf vorliegenden Ergänzung der für die Holzverwendung im Bauwesen zentralen Norm DIN 1052 und ermöglichte zudem die Aufnahme der maschinellen Holzsortierung in die Richtlinie zur Anwendung von DINV ENV 1995 Teil 1-1 "Eurocode 5: Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken", die noch 1994 herausgegeben und bauaufsichtlich eingeführt werden soll.
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