Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe

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Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe

Author(s):

Niemz, Peter Publication Date:

2016

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https://doi.org/10.3929/ethz-a-010635628

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1

1 Zusammenfassende Übung (Prüfungsvorbereitung) Prüfung mündlich, 30 Minuten

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,

Osteuropa (inkl.

Russland) 24%

Nord- und Westeuropa

3%

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

3

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

Hans Carl von Carlowitz (1645- 1714)

erstes geschlossenes Buch zur Forstwirtschaft, begründete Begriff der Nachhaltigkeit

16

5

17

derzeit Trend zur verstärkten Holznutzung,

Holzmangel in Aussicht, durch derzeitige Wirtschaftskrise aber etwas vermindert

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

Probleme mit zunehmender Nutzung von Holz für Energie (Holzheizungen, aktuell 2 neue Grossägewerke),

Fa. Schilliger hat 2009 neues

Grosssägewerk in Frankreich gekauft (von Klenk aus Konkurs), 15Mio Euro

Holzverbrauch Schweiz

Verbrauch von Holz in Schweiz in Tm

Jahr Stammholz Industrie- holz

Brennholz Gesamt- menge

1920 1340 0 1990 3330

1930 1360 0 1490 2850

1940 1600 0 2200 3800

1950 1455 290 1600 3345

1960 1815 480 1320 3615

1970 2418 784 717 3919

1980 2877 689 809 4384

1990 4488 895 879 6262

2000 6801 811 1626 9238

22

Abb.: Holzerntesortimente und –mengen der Schweiz von

2008 und 2009 (Bundesamt für Statistik) 2008: 924.754 m³

2009: 1.065.854 m³ 2008: 466.689 m³

2009: 481.963 m³

1990 1995 2001

Einzelraumheizung mit Holz 2727 3127 3088 Gebäudeheizung mit Holz 3388 2273 2766 Automatische Feuerungen

mit Holz

2831 4517 6125

Feuerungen mit Holzanteilen 652 1259 1132

Holzkohlenutzung 0 0 0

Entwicklung der Holzenergienutzung in der Schweiz in TJ. (Quelle: Schweize- rische Statistik der Erneuerbaren Energien 2001; Bundesamt für Energie)

Holzenergienutzung in der Schweiz

Holz im Vergleich zu anderen

Baumaterialien

7

Holz Beton Backs tein Stahl Aluminium

Mittlerer relativer Energieverbrauch (Holz = 1) ausgewählter Rohstoffe zur Herstellung pro Tonne Fertigprodukt. (Quelle: Corrim Report 1976; Koch 1991)

Glas 13..14

Stahl 23…24

Aluminium 120

Wärmedämmleistung von Holz

1217 418

0.3 1

2.3 3.1

6

9.2

12 12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Schaumstoff Fichtenholz Kunststoff Backstein Glas Beton Baustahl Aluminium

relative Dicke 1217 418

Relative Schichtdicke ausgewählter Baustoffe mit gleicher Wärmedämmung (Quelle: Dubbel 1974)

0.13 0.9

2.4 3.3

5

9.5

17 19

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Beton

Backstein Glas Kunststoff Baustahl Aluminium Fichtenholz Spannbeton

Reisslänge in km

Reisslänge von Holz und anderen Baustoffen

74

Reisslänge ausgewählter Baustoffe (Quelle: Dubbel 1974)

Rheinbrücke in Säckingen

Schrothaus aus Massivholz in Deutschland (Oberlausitz)

32

9

33 34

Wasserrohrleitung aus Holz

35

Spruce Gans (450 Passagiere) 1942

Spruce Goose: Die HK-1, auch »Fichtengans« genannt, besteht zu 95% aus Holz

36

37 38

Holzkirche in Frutillar, Südchile, ca. 150 Jahre alt

Teil eines Propellers (Wassmer) für heute Sportflugzeuge

40

11 Gerüst aus Bambus (Thailand)

Holzhaus in Austin/Texas

Holzbrücke aus Brettsichtholz, Emmental Fahrbahnplatte aus Brettschichtholz

Achterbahn in Holz

13

Gebäude auf Golfplatz in Korea

(Blumer-Lehmann) Gebäude auf Golfplatz in Korea (Blumer-Lehmann)

J. Natterer, Schreverdingen/D

Natterer, Schreverdingen/D

15

Holzhaus, Appenzell, Fassade mit Schindeln, rechts erneuert, links 70 Jahre alt

Vorteile von Holzbauten

Vorteile von Holzbauten (Massivholzplatten, Massivbau (gedübelte Elemente oder Brettstappel) bei Erdbeben (Grosseinsatz nach Erdbeben in Italien)

Auch Hochhäuser zunehmend aus Holz, ganze Siedlungen Hallen, Schulen (Schilliger liefert nach England) Brandverhalten günstig, technische Lösungen geschaffen

Ökologische Bedeutung von Wald

und Holz

17 Massenbilanz beim Wachstum von

Holz CO2- Speicherung in einem m ³

Holz

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

kg/ m3

Trockengewicht Holz

Kohlenstoff CO2 Äquivalente

1 Kapitel II

Anatomie und Chemie des Holzes und der Holzwerkstoffe

Anatomischer Aufbau des Holzes

Alerce, 1500 Jahre alt in Südargentinien, extrem pilzresistent

Über Millionen von Jahren optimierte Struktur Mamutbaum

Naturwald in Südargentinien Tropischer Regenwald Guyana

Tropischer Regenwald Guyana

3

Eucalyptus Plantage, Chile Gummibaumplantage Vietnam

Schweizer Holz

Nordeuropa/Norddeutschland

(geringere Durchmesser)

Mischwald (Schweiz) Buchenwald (Ostsee)

Juveniles (junges) und adultes Holz (altes Holz)

Feuchtetansport im lebenden Baum nur im

Splint, Kernholz ist totes Holz

5

Spätholz

Frühholz

Kernholz Splint

Jahrring Mark

Querschnitt von Holz Jahrringe/Zuwachszonen

Kernholzbäume:

regelmäßige Farbkernbildung;

Splint ist feuchter als der Kern: Kiefer, Lärche, Eiche Kernreifholzbäume:

Zwischen Farbkern und Splint

liegt Übergangszone geringere Feuchte als der Splint, farblich nicht zu unterscheiden: Weide, Esche mit Braunkern

Reifholzbäume:helles Kernholz; über dem gesamten Querschnitt kein Farbunterschied;

Splint ist feuchter als der Kern: Fichte,Tanne.

Splintholzbäume: keine Farb- und Feuchteunterschiede Aspe, Birke, Erle und Weißbuche.

•Bei uns Jahrringe (Bildung Sommer/Winter)

•In Tropen ohne Jahreszeitwechsel Zuwachszonen

RT

LR LT

T L

R

niemz_abb_2_01.cdr

Hauptschnittrichtungen des Holzes, Holz ist orthotrop

L-in Faserrichtung; R-radial, T-tangential

Strukturelemente des Holzes

Anatomischer Aufbau des Holzes

Laubholz Nadelholz 1 2 3 4 5 6

Laubholz

1 Gefässe (ringförmig) 2 Gefässe (leiterförmig) 3 Libriformfaser Nadelholz

4 Tracheide (Frühholz) 5 Tracheide (Spätholz)

6 Holzstrahl 7 Holzstrahl

Nadelholz (älter als Laubholz)

Dichteverteilung Früh-Spätholz bei Douglasie

Nadelholz (Fichte)

7

Tüpfel (dient Feuchtetransport in transversaler Richtung) Hoftüpfel

Laubholz (stärker differenziert als Nadelholz)

Thyllen

Laubholz (Nothofagus alpina)

Thyllen und phenolische Einlagerungen

Jahrringe

ringporig: grosse Frühholzgefässe, kleine Spätholzgefässe ringporig: grosse Frühholzgefässe, kleine Spätholzgefässe

zerstreutporig: mittelgrosse über den Jahrring etwa gleichgrosse Gefässe zerstreutporig: mittelgrosse über den Jahrring etwa gleichgrosse Gefässe

(Eiche, Esche) (Ahorn, Birke, Erle, Pappel)

Jahrringbildung ringporige Laubhölzer (Breite Jahrring hohe

Dichte) Jahrringbildung zerstreutporige Laubhölzer (kein

Zusammenhang Jahrringbreite-Dichte)

9

Jahrringbildung Nadelholz (Kiefer, Lärche, Douglasie) Zellwandaufbau des Holzes

(Hohlräume in Zellwandschichten)

S₂ verantwortlich für mechanische Eigenschaften

Verteilung des Lignins in Zellwand

Ligninanteil Laubholz

•gemässigte Zonen:

18-25%

•Tropische:25-32%

Nadelholz

•Normalholz 25-32%

•Druckholz 31-41%

•Anfall enormen Mengen Lignin in Cellstoffwerken

Veränderung des Aufbaus des Holzes

Adultes Holz (alt) Juveniles Holz (jung) Druckholz (Nadelholz)

Verteilung der Fibrillenwinkel in der

Zellwand Holzfaser, Foto: I. Burgert

Strukturebenen und deren Bedeutung

Hierarchische Struktur von Nadelholz (University of Canterbury, New Zealand) Baum (0.1-1m)

Brett 10….100mm Jahrringe:0.5…15mm Tracheiden :20-40μm Zellwand

1-5µm

Moleküle:<1nm

•Baum (Biomechanik)

•Makroskopisch (Jahrringe, Faserrichtung, Äste)

•Mikroskopisch (Frühholz, Spätholz, Porosität)

•Submikroskopisch (Zellwandaufbau, Winkel in S2)

•Chemische Struktur (Zellulose, Lignin, Inhaltstoffe, Kristallinität)

Mikrofibrillen: 3…10nm

Strukturmodell von Holz

(Feinbau),

11

Struktur-Eigenschafts-Beziehungen innerhalb einer Holzart auf Makroebene

 Siehe auch Dissertationen von R. Wimmer (1991) und I. Burgert (2000)

Wagenführ, Hänsel und Niemz (1988)

Einfluss des Holzstrahlanteils auf die radiale Zugfestigkeit

Burgert (2000)

Faserlänge als Funktion des Baumalters (Douglasie)

Jozsa und Middleton;

Forintek (1994) Optimum etwa bei 40%

•Faserlänge steigt mit Alter

•Faserlänge steigt mit Höhe

Mikrofibrillenwinkel-Verteilung (Pinus radiata)

Jozsa und Middleton; Forintek (1994)

Radiale Mikrofibrillenwinkel-Profile (ermittelt mit SilviScan)

Radial position [mm]. Zero = close to the pith Radial position [mm]. Zero = close to the pith

Eibe Fichte

Keunecke (2008)

Mechanische Kennwerte von Einzelfasern

Keunecke et al. (2008)

Einfluss Extraktstoffanteil auf Holzfeuchte

Popper, Niemz, Eberle, Torres (2007)

Einfluss der Extraktstoffe auf Ufs, Up und Um bei Fasersättigung

0 5 10 15 20 25 30 35

0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 EtOH-Toluol Extrakt %

Wassergehalt U% Ufs%

Ufs-Regress.

Up%

Up-Regress.

Um%

Um-Regress.

Korrelation zwischen chemischer Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften

Genutzt für

• Abschätzung mechanischer Eigenschaften (MOE)

• Chemische Zusammensetzung (Cellulose, Lignin, …)

Thumm (2002)

13

FE Modellierung Struktur-Eigenschaften

 Mechanische Eigenschaften

 Diss. K. Persson, Lund (2000)

 Diss. M. Sedighi-Gilani, Lausanne (2006)

 E. Landis, Maine/USA u.a.

 Feuchte- und Wärmetransport

 Diss. Harington, Neuseeland (2002): Hygroelastische Eigenschaften

 Diss. Frandsen, Dänemark (2007): Modellierung mechan. Feuchtetransport

 S. Svensson, Dänemark (2008): Modellierung Feuchtetransport

 Carmeliet, Zillig, Derome, Schweiz/Belgien/Kanada: Multiscale Modelling

 Diss. Gereke, ETH Zürich (2009): Verformung Massivholzplatten

 Herrmann, IfB (Eindringen Klebstoff, Pilzbefall, Mechanik)

 Hofstetter, TU Wien und viele andere

Zunehmend Wissenschaftler mit Ausbildungen in Physik, Mechanik, Bauwesen und Elektrotechnik im Bereich Modellierung tätig

Komponente Eigenschaft Mean engineering constant value

Volume fraction for 12% M.C.

Cellulose

E₁(GPa) 150

44.5

E₂(GPa) 17.5

G₁₂(GPa) 4.5

21 .01

32 .5

Hemicellulose

E₁(GPa) 16

31.6

E₂(GPa) 3.5

G12(GPa) 1.5

21 .1

3 .4

Lignin E (GPa) 2.75

23.9

ν .33

Mechanische Eigenschaften der Holzkomponenten von Fichte nach Kent Persson

E-Fichte ca. 10 GPa, Zugfestigkeit Fichte: 80N/mm², Faser: 700-800N/mm²

Chemische Struktur des Holzes

Holz ist ein makromolekularer Werkstoff Hauptkomponenten:

•Cellulose: 40-60%

•Hemicellulose: 6-27%

•Lignin: 18-41% (Nadelholz 25-32%; Laubholz 18-25%)

•Inhaltstoffe (Extraktstoffe): 0,3-10%

Elementarzusammensetzung:

•50% Kohlenstoff

•43% Sauerstoff

•6% Wasserstoff

•1% Stickstoff und Mineralien

Struktur der Cellulose

Hemicellulose Struktur Lignin

Zellwandaufbau

Zellwandaufbau 3. Holzwerkstoffe

15 Einteilung von Holz und

Holzwerkstoffen Einteilung von Vollholz

Holzwerkstoffe

Zusammensetzung:

•Holz (etwa 90%)

•Klebstoff oder teilweise mechanisches Verbindungsmittel);

Klebstoffanteil bis zu 10-16%

•Zusatzstoffe (Brandschutzmittel, Farbe, Hydrophobierungsmittel,

Russ (für Reduzierung der elektrostatischen Aufladung)

•8-10% Wasser (Holzfeuchte)

Einteilung von Holzwerkstoffen

Engineered Wood Products (Produkte für Bauwesen, Vollholzersatz)

Einteilung von Werkstoffen auf Vollholzbasis

Werkstoffe auf Vollholzbasis





 Brettschichtholz Lamelliertes Holz (einschliesslich Profile) Kreuzbalken

plattenförmig stabförmig Verbund-Elemente



Hohlkastenträger Elemente mit Wärme- / Schall- dämmung



 einschichtig mehrschichtig

Struktureller Aufbau von Werkstoffen

Brettstapelbauweise

a.) Brettstapelbauweise gedübelt b.) Brettstapelbauweise, Schwalbenschwanzverbindung

a

b Struktureller Aufbau ausgewählter Werkstoffe auf Vollholzbasis

Struktureller Aufbau von Werkstoffen auf Vollholzbasis

Lamelliertes Holz Brettschichtholz

Massivholzplatte (fünfschichtig)

Hohlkastenprofile

Holzwände (gedübelt, genagelt)

Bretter, schichtweise senkrecht zueinander gelagert, verdübelt mit Hartholzdübeln); Fa. Thoma Holz, Österreich, Fa. Nägeli/CH Gleiches Prinzip auch mit Aluminiumnägeln üblich

Feuerwiderstand bis zu 180 Minuten durch die Dicke der Wand erreicht

17

Genutete und durch mechanische Verbindungen (Gratleiste) verbundenen Elemente

Rauhe Oberfläche reduziert Wärmeleitfähigkeit des Elementes, verbesserte Wärmedämmung

Hohlkastendecke

System Lucido: Holz hinter einer Glashaut angeordnet durch die Strahlung des Lichtes wird Holz erwärmt nachts wird diese Wärme langsam in das Rauminnere abgegeben

Mit lichtaktiven Holzwänden können die Wärmeverluste auch bei geringen Wandstärken während der Heizperiode gegen Null gebracht werden

Verbundsysteme

19 Dendro Ligth Platte mit HDF

Decklage

Einteilung von Werkstoffen auf Furnierbasis

Lagenholzwerkstoffe

(Parallam) Verdichtung /

Klebstoffgehalt

Furnier- Partikel- Werkstoffe

Faserverlauf in den Furnierlagen





 parallel (Schichtholz, LVL) unter einem Winkel von 90°

(Sperrholz) unter einem Winkel von 15°

(Sternholz)







unverdichtet (Normal-Lagen- holz)

verdichtet (Presslagenholz) verdichtet und mit Kunstharz getränkt (Kunstharz-Press- lagenholz)

Strukturmodelle von Lagenholz

Schichtholz Sperrholz Sternholz

Parallam

Lagenholz

Einflussfaktoren auf die Eigenschaften

Furnierdicke Winkel zwischen Kraftrichtung und Faserrichtung der Decklage

Festigkeit Zugfestigkeit

0°

30°

Sternholz 60°

90°

Sperrholz Schichtholz

Wesentliche Einflussfaktoren auf die Eigenschaften von Lagenholz (Niemz 1993)

E-Modul, Zug- festigkeit

Druck- festigkeit Biege- und Zugfestigkeit Druckfestigkeit

Festharzgehalt Rohdichte der

Platte

Festigkeit Festigkeit

Einteilung von Werkstoffen auf Spanbasis

Spanwerkstoffe

Herstellungs- Verfahren







 flachgepresst kalandriert stranggepresst Formteile

Spanart / Orientierung

















 Schneidspäne Schlagspäne Fremdspäne Normalspan- Deckschicht Feinspan- Deckschicht Wafer Flake Laminated Strand Lumber (LSL) Oriented Structural Board

Querschnitts- struktur









 einschichtig dreischichtig mehrschichtig stufenlos homogene Quer- schnittsstruktur

Rohdichte





 niedrig mittel hoch

Klebstoff- / Bindemittelart





 pressblank geschliffen beschichtet Formaldehyd-

abgabe















 Harnstoffharz Phenolharz Melaminharz Isocyanatharz Mischharze Zement Gips Tannine







 sehr niedrig niedrig mittel hoch





 feuchtegeschützt biogeschützt schwer brennbar Oberfläche Beständigkeit

Strukturmodell von Spanplatten

1 2 3

Typische Rohdichteprofile 1. Homogene Spanplatte 2. Spanplatte mit deutlicher

Differenzierung zwischen Deck- und Mittelschicht

3. Spanplatte mit geringer Differenzierung zwischen Deck- und Mittelschicht

Einflussfaktoren

Spanplatteneigenschaften (1)

Spanlänge Biege- festigkeit Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene

Festigkeit

Spanbreite Biege-, Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene

Spandicke Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene

Biegefestigkeit

Rohdichte des Holzes Biege-, Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene

Biege-, Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene mittlere Rohdichte der Platte Festharzanteil

Festigkeit Biegefestigkeit, Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene

Einflussfaktoren

Spanplatteneigenschaften (2)

Rohdichte der Platte Anteil an Holzresten

Spandicke Paraffinanteil

Festharzanteil Rohdichte der Deckschicht

QuellungE-Modul der Platte

21 Partikelabmessungen für

Holzwerkstoffe

Partikelart Spanlänge (l in mm)

Spanbreite (b in mm)

Spandicke (d in mm)

Schlankheitsgrad (= l/d)

Streudichte in kg/m³ Sonderwerkstoffe

Strands für LSL 300 25 0,8-1 300 50-70 Strands für OSB 40-80 4-10 0,3-0,8 50-130 30-50

Wafer 36-72 12-35 kA 45-90 40-60

Scrimber kA

übliche Spanplatten

De-Normalspäne 5-10 - 0,2-0,3 20-50 60-120 De-Feinstspäne 3-6 - 0,1-0,25 15-40 120-180 Schleifstaub 0,4-0,6 - - - 160-200 Fräs-; Hobelspäne 5-15 2,5-5 0,25-0,8 5-60 50-130 Gattersägespäne 2-5 1,0-2 0,4-1 2-10 120-180

Einteilung von Werkstoffen auf Faserstoffbasis

Faserwerkstoffe

sonstige

Sonderbehandlung (z.B. Lochen) Querschnitts-

struktur









 einschichtig dreischichtig mehrschichtig stufenlos homogene Quer- schnittsstruktur Rohdichte







 weich mittlere Dichte hart extrahart

Klebstoffart







 Harnstoffharz Phenolharz Bitumen holzeigene Binde- mittel

Formaldehyd- abgabe







 sehr niedrig niedrig mittel hoch





 pressblank geschliffen beschichtet Oberfläche





 feuchtegeschützt biogeschützt schwer brennbar Beständigkeit

Strukturmodell von Faserplatten

1 2 3

Typische Rohdichteprofile

1. Faserplatte mittlerer Dichte mit homogenem Aufbau

2. Faserplatte mittlerer Dichte mit ausgeprägter Dichtedifferenzierung

3. Harte Faserplatte (Nassverfahren), links:

glatte Seite, rechts: Siebseite

Einflussfaktoren auf die Faserplatteneigenschaften

Mahlgrad Festharzanteil mittlere Rohdichte

Rohdichte der Deckschicht

mittlere Rohdichte Festharzanteil, Paraffinanteil

Quellung

Wärmeleitzahl

Festigkeit E-Modul Biegefestigkeit Biege-E-Modul

Festigkeit E-Modul Festigkeit E-Modul

Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe

Vollholz-

mittellage Spanplatten-

mittellage

Hohlraum- mittellage

Schaumstoff- mittellage

Strukturmodell von Verbundwerkstoffen

Randleiste Wabe

Randleiste Schaumstoff

Furnier

Faserplatte Vollholz

Spanplatte Faserplatte

Furnier Faserplatte

Wabenmittellagen Leichte Mehrschichtplatte aus

Balsa

23 Einflussfaktoren auf die

Verbundwerkstoffeigenschaften

E-Modul der Deckschicht E-Modul der Mittellage Beplankungsgrad

E-Modul der Platte

E-Modul der PlatteE-Modul der Platte

E-Modul der Platte

Strukturmerkmale von Engineered Wood Products

Produkt Strukturelemente Überwiegende

Anwendung OSB

= Spanwerkstoff lange Späne

l = 75...100 mm, b = 5...30 mm d = 0,3...0,65 mm

Platten differenzierter Dicke und Qualität

LSL

= Spanwerkstoff

extra lange Späne l = 300 mm, b = 25 mm d = 0,8-1 mm

Platten (bis 140 mm Dicke), Profile, Balken Structure Frame

= Spanwerkstoff Wafer

l = 20...30 mm, b = 20...30 mm d = 1 mm

Platten

Scrimber

= Spanwerkstoff durch Quetschen gefertigte

Partikel Balken

Strukturmerkmale von Engineered Wood Products

Produkt Strukturelemente Überwiegende

Anwendung LVL

= Lagenholz Furnierlagen

d = 2,5...4 mm Platten, Balken

PSL

= Lagenholz Furnierstreifen b = 13 mm;

l = 0,6-2,5 m

Balken

COM-PLY

= Verbundwerkstoff Spanplatte

beplankt mit Schichtholzlagen Balken

Spezialprodukte (WPC, Holzkeramik…..)

•WPC (Wood Plasic Composites)

•Vergütetes Holz (Thermisch, chemisch modifiziert mit Essigsäure , Ameisensäure, imprägniert mit Nanopartikeln)

Holzkeramik

Verdichtet und thermisch vergütet

Holzkeramik

Holz pyrolisiert und danach keramisiert, Nutzung der Porenstruktur

Silikatisierte Radiata Pine (feuerresistent)

Holz - Polymer - Verbundwerkstoffe

Eins a tzs toffe

Nebenkomponenten

•Hilfstoffe

•Zusatzmittel

•Additive

Hauptkomponenten

•Polymer

•Holzpartikel Komponenten

25

Polymer

•PP

•PE

•PVC

Cellulose

•Holzspäne

•Holzfasern

•Holzstaub

•Papier

Hauptkomponenten

Komponenten

Hilfsstoffe

•Fließmittel

•Trennmittel

Zusatzmittel

•Flammschutzmittel

•biologische Schutzmittel

•UV-Stabilisatoren

•Antistatika

•Antioxidationsmittel

Additive

•Haftvermittler

•Schaumbildner

Nebenkomponenten

Komponenten

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Dehnung

Spannung

Matrix Faser Verbund N/mm²

Bruchdehnung

Verbund Bruchdehnung Matrix Bruchdehnung

Faser Verbundwerkstoff WPC

Verstärkungsfasern

•Flachs

•Hanf

•Sisal

•Jute

•Kenaf

•Ramie

•Baumwolle

•Holz

Einfluss: Partikelgeometrie

Formung Formung

WPC mit holzartiger Oberflächenstruktur Anwendungsbereiche

Brücken

Anwendungsbereiche WPC

27

Holzwerkstoffproduktion in Europa (2005)

50,45 Mio m³, 2008: 55Mio m³ 63% Spanplatten

5% OSB 22% MDF 6% Sperrholz 4% Faserdämmplatten 4 Mio Tonnen Klebstoffe

Anlagenkapazität 890.000m³ bis 1 Mio m³/Anlage und Jahr bei Konti- Presse

Holzindustrie 2008‐Übersicht

6‐9% Rückgang zu 2007

Spanplatten 34,5 Mio m³in Europa MDF 12.1 Mio m³ in Europa OSB 3.3 Miom³in Europa

Hard and softboard 2.7 Mio m³, (kein Rückgang bei  Dämmstoffen)

Sperrholz 175.000 m³

Umsatz aller deutschen Holzwerkstoffhersteller  5.1Mia Euro Gesamt Holzwerkstoffe: 55.9 Mio m³

Gesamt Schnittholz: 123 Mio m³ WPC 26.000 Tonnen

2011: Erholung der Industrie, Gesamtlich aber reduziert

Hausbau mit OSB,USA

Halle in Metz

Golf Ressort in Südkoera

(Blumer-Lehmann)

Holzbau mit OSB, Glunz AG Einsatz zementgebundener Spanplatten im Innenausbau, Flughafen Zürich

29 Haus in Massivbau aus Holz

Nägeli Holzbau, Gais

300m ³ Holz

1 Physik des Holzes und der

Holzwerkstoffe

Peter Niemz IfB; Holzphysik

Leistungsfähigkeit von Holz

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

Saldome, Saline Riburg/Schweiz

Montagehalle, Pilatuswerke Stans, aus Brettschichtholz Halle Pilatuswerke, Trägerhöhe 1m

Das sollte nicht geschehen

3

Bad Reichenhall, Einsturz Eislaufhalle, Winter 2006

1. Geschichte der Holznutzung und

Holzforschung Eisenhütte im Erzgebirge/D Holznutzung,

Übernutzung der Wälder, Holzmangel

12

Holländerfloss vor Unkel am Rhein/D

13

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)

14

Geschichte der Holzforschung

• Um 1700 erste Sägemühlen (Einblattgatter, kombiniert mit Getreidemühlen)

• 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)

15

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

5

Geschichte der Physik des Holzes

Ab 1950: Klauditz, Kehr, Plath, Fahrni: Eigenschaften von Spanplatten

Ab 1960: Beallu.a. Schallemission, zerstörungsfreie Prüfung

Seit 80er Jahre letztes Jahrhundert:

Persson, Gustafsson, Serrano, Hanhijärvi, Svensson, Omarsson, Landis, u.a. Bruchverhalten, FE- Modellierung Struktur-Eigenschaften Holz und Holzwerkstoffe (Schweden, Finnland, Neuseeland, Australien, USA, Deutschland Schweiz), zunehmend Bearbeitung durch Physiker, Mechaniker,

Bauingenieure, weniger reine Forst- und Holztechnologen

Prüfmaschine aus den Anfängen der Holzforschung Geschichte der Physik des Holzes

Hermann Knuchel Albert Frey-Wyssling Hans Heinrich Bosshard 1884-1964 1900-1966 1925-1996

Starke Orientierung auf Holzbiologie/Zellwand/Holzfehler Fred Fahrni: 1907-1970: Grundlagen für Spanplattenherstellung

Bekannte Holzforscher ETH

22

Hetzer (1846-1911, 1906 Patent für geleimte Holzbinder)

Josef Bodig (Ungarn/USA)

Forschung in USA für Flugzeugbau (2010), Propeller aus Holz, keine Erkennung im Radar

Krieg Irak, diese Forschung auch während 2. Weltkrieg

7

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

[%]

m 100 m u m

dtr dtr

u 



[%]

m 100 m f m

u dtr

u 



Kenngrössen der Feuchte

3.1 Kenngrössen der Feuchte 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 flüssigen Wasser

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

3.2.1 Holz als kapillarporöser Stoff

1)

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

REM- Aufnahme Nadelholz (Fichte)

9

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

Porenanteile Tüpfel (dient Feuchtetransport senkrecht zur

Faser, schliessen sich bei Trocknung)

11

Tüpfelverschluss-Holzfeuchte, verschlossene Tüpfel

reduzieren die Feuchteaufnahme

Feuchtetransport auch über Holzstrahlen

Thyllen

Laubholz (Nothofagus alpina) 3.3.2 Flüssigkeitstransport in Kapillaren

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

Gesetze des Flüssigkeitstransportes in Kapillaren

cos σ π r 2 K    

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 g

ρ h π r S²   _FI

g ρ h π r cos σ π r

2     2  max FI

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 g ρ r

cos σ h 2

FI

max  



  

r cos σ Δp_K2  

Maximale Steighöhe in Kapillaren:

Diffusion

m²/s Unterhalb Fasersättigung Feuchtetransport überwiegend durch Diffusion

13

Diffusion (Kollmann)

Dicke

g_d – pro Zeit- und Flächeneinheit transportierte Feuchtemenge

d – Dicke

1 – gegebener Zustand 2 – gesuchter Zustand Temperatur

g_d – pro Zeit- und Flächeneinheit transportierte Feuchtemenge t– Temperatur

1 – gegebener Zustand 2 – gesuchter Zustand

Schnittrichtung

g_d – pro Zeit- und Flächeneinheit transportierte Feuchtemenge a – Hirnflächenanteil

1 – gegebener Zustand 2 – gesuchter Zustand

1,5

1 2 d,2 d,1

d d g g



 





2 1 d,2 d,1 g g

t

t

 

 2 1

d,2 d,1

a a 1 5

1 g g



 

•Einfluss der Dicke und Dichte der Probe

•Faserrichtung

•Temperatur

•Holzfeuchte

Diffusion

Dichteeinfluss auf Diffusion

g_d– pro Zeit- und Flächeneinheit transportierte Feuchtemenge

– Rohdichte 1 – gegebener Zustand 2 – gesuchter Zustand 1,5

1 2 d,2 d,1

ρ ρ g

g 

 





Flüssigkeitstransport in Holz

g_w– pro Zeit- und Flächeneinheit bewegte Feuchtemenge K_F– Feuchteleitzahl in kg/mh%

du/dx– Feuchtegefälle im Querschnitt in %/m

_o, _o– Viskosität bzw. Oberflächenspannung bei 0 °C

_t, _t– Viskosität bzw. Oberflächenspannung bei t °C K_F,O, K_F,t– Feuchteleitzahl bei 0 °C bzw. t °C

h]

[kg/m dx K du

gw F ²

t o t O o F, t

F, σ

σ η K η

K  

Bei Holz reine Kapillarbewegung nicht möglich, durchgehende (verbundene Kapillaren, luftgefüllte) Kombination

•Kapillare Feuchtebewegung

•Diffusion (Fick`sche Gesetze)

Flüssigkeitstransport in Holz Multi Fick-scher Ansatz (Svensson, Frandsen 2007)

•Feuchtetransport in Zellwand durch Diffusion

•Flüssigkeitstransport in Zelle

•Berücksichtigung Hystereseeffekt

Diffusion Diffusion

15

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

Diffusion

59

Einfluss des Faserwinkels und der Jahrringneigung auf Diffuionswiderstandsfaktor

►ring angle

►grain angle

60

Influence of grain and annual ring angle (µ)

►ring angle

►grain angle

61

61

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

y = 26.67x + 106.17 R² = 0.87

y = 16.37x + 11.16 R² = 0.75 0

50 100 150 200 250 300

0 1 2 3 4 5 6

Number of glue lines [-]

Water vapour resistance factor [-]

dry cup (0-65) wet cup (100-65) Linear (dry cup) Linear (wet cup)

Einfluss von Klebfugen in Massivholzplatten

FE-Modellierung Feuchtetransport durch Massivholzplatte bei Diffusion

Svensson, Frandsen (2007)

Gemessene und berechnete Feuchteverteilung bei Diffusion von Wasserdampf (Silikagel-27^oC/87% rel.

Luftfeuchte), Fichte

17

0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Height [cm]

Water concentration [cm]

1 d 3 d 7 d 14 d 21 d 34 d 49 d 70 d

Feuchtekonzentration an verklebtem Holz (dreischichtig, Epoxydharz)

FE-Modellierung Feuchtetransport durch Massivholzplatte bei Diffusion

Gereke, ETH Zürich (2009)

20^oC/65% 20^oC/100%

3.3 Feuchtigkeitsaufnahme und -abgabe von Holz 3.3.1 Feuchteaufnahme durch Sorption

Einfluss der chem. Komponenten des Holzes

3.3.1.1 Phasen der Sorption Erste Sorption von Douglasie

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

Kapillarkondensation

pr– Sättigungsdruck über den Kapillaren

pe– Sättigungsdruck über ebenen

Flüssigkeitsoberflächen

_D– Dampfdichte r– Kapillarradius

– Oberflächenspannung

– Benetzungsrandwinkel

_Fl – Flüssigkeitsdichte r ρ p

ρ 2σ e

r ^{e Fl}

D

e p

p ^{ }



 







Sättigungsdruck über Kapillare geringer als über ebener Oberfläche

19

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

Modelle für Sorptionstheorien

• Hailwood –Horrobin (nur Chemisorption, Adsorption)

• BET

• Longimur

• Kollmann (1968)

Sorptionsisothermen bei 20°C

0 8 16 24 32

0 20 40 60 80 100

rel. Luftfeuchtigkeit  (%)

Wassergehalt u (%)

Fichtenholz

Massivholzplatten

Spanplatten

MDF

Phasen der Adsorption von Holz

Einfluss Material Sorptionsverhalten von Fichte und Eibe

-Einfluss Extraktstoffe-

Einfluss der Dichte auf das Sorptionsverhalten von MDF (kalt verdichtet, dann erwärmt ; Plattenverstellung Thömen AHB, Biel)

77

Rel. humidity

EMC (%)

Willeitner and Schwab (1993)

Einfluss der Holzart (Extraktstoffe) Einfluss Extraktstoffe auf Sporption

Anteil

Art