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Holz und Holzwerkstoffe Master ETHZ – BAUG – HS2013
Parenchymzellen: Speicherung Stoffe, Wundreaktion, Harzprod, lebend, in Strahlen Tüpfel: Hoftüpfel: Verbindung zwischen Tracheiden; Transport, verschliessbar (Schutz), Reagieren auf Druckunterschiede.
Einfache Tüpfeln: verbinden andere Zellen bleiben aber offen nach Holzernte
L A U B H O L Z ( L H ) ZE L L ENS TR U K T U R ( H Ö H E R EN T WI C K EL T )
Gefäse: grossporig, dünn, tot, für Wassertransport
Durchbrechung Einfach oder Leiterförmig → Röhrenstruktur mehrere Meter lang Hor. Intervaskuläre Tüpfel
Fasern/Fasertracheiden: dick, eng, Stabilität → grössere Diversifikation durch Anpassung der Zelltypen. zB Libriformfaser nur für Festigkeit Unterteilung der LH: Grösse/Anordnung der Gefässe:
Grosse Poren: Besserer Wassertransport, aber Risiko eines Zusammenbruchs
Holzstrahlen: Höher und grössere Variabilität als bei NH, aus Parenchymzellen, Speicherung Reservestoffe, rad. Transport, Wundreakt.
H O L ZZ EL L WA ND
Mittellamelle: Kitt, „Zwischenwand“ Primärwand: 1. Wand, Wachstum, ausdehnbar Sekundärwände: Nach voller Ausdehnung, Zellen tot, um Druck standzuhalten werden 3 Schichten aufgebaut: Zellulosefibrillen haben verschiedene Ausrichtung (Mikrofibirllenwinkel→ mech. Eigenschaft, je vertikaler desto besser), S2 ist massgebend, im Spätholz viel dicker. → E-Modul steigt mit Alter des Baumes (Produkt. MFA 45° → 10°)
S1: 50-90° S2: 0-45° (60°) Frühholz, Gefässe: dünn Spätholz dick Juvenil: 20-40°, Adult: 0-20° Druckholz 30-60° S3: 50-90° juvenil: absolut früher gebildet, als Baum noch jung war, also jetzt älteres Holz
Chemismus der Zellwandpolymere: (Lignin/Hemiz. Untersch NH/LH) Zellulose: Gerüstsubstanz, 2 Glukoseringe, Polymere 40% Baustoff Zellwand, Struktur mit linearer Anordnung (Fibrillen) → sehr steif, Ausrichtung massgebend, Zugf. Hemizellulose: Verbindung Zellulose/Lignin , Monosacharide mit 30% Seitenketten, Gerüst, Reservestoffe Lignin: Alkohole komplexe Makromoleküle, nachträglich in 25% Zellwand → Verholzung. Allg für Druckfestigkeit NH höherer Ligninanteil, LH höherer Hemiz. Rest: Harz, Fette, Eiweisse
EIGENSCHAFTEN VON HO LZ V AR I AB IL IT ÄT H O L Z EI G EN S CH A F T EN
Struktur Holz auf versch. Längessklaen, Chemismus, Zuwachsdynamik → Kern/Splintholz, Reaktionsholz, Wachstumsspannungen, Holzfehler
VE R K ER NU NG ( S P L I N TH O L Z→ K E R NH O L Z ) Nur äusserer Teil des Stammes für Wassertransport (Splintholz)→ Nachträglicher Gefässverschluss durch Parenchymzellen: Verstopfung der Leitungsbahnen, Thyllenbildung (wachsen durch Tüpfel, balonartig) → Abwehr und Verkernung (Kernholz) Obligatorisch: Genetisch, Kern weniger feucht, erhöhte Dauerhaftigkeit/Schutz
Mikroorganismen durch chem. Einlagerung in Zellwand Teils Erkennbar durch Farbe (Kiefer, Duglasie, Eiche) Nicht erkennbar: Fichte, Tanne, Birke Fakultativ: Falschkernbildung durch äussere Einflüsse (Verletzung) Keine Erhöhung der Dauerhaftigkeit (Buche, Esche) da Einlagerung nur in Lumen und nicht Zellwand. Färbung nicht entlang Jahrringen.
WA C H S TU M S P A N NU NG E N
T+R: Druckspannungen gegen aussen (Wachstum) Long: Zugspannungen gegen aussen (Vorspannung gegen Wind) Aufbau der Spannungen durch Differenzierungsprozess der Zellen
R EA K TI O NS H O L Z
Um Stämme/Äste aufzurichten, Änderung Wachstungsrichtung. Entstehen während Zelldifferenzierung (MFA normal 10-15°) Druckholz: NH, Druckspannungen → 30-50°, Ligninanteil hoch Zugholz: LH, Zugspannugen → MFA 0° , häufig zus. G-Schicht
D ICH T E
Rohdichte: ( ) u: Holzfeuchte Darrdichte: Raumdichtezahl: Weiter gibt es noch Reindichte Beziehungen: - Frühholz leichter ( ) als Spätholz ( ) - Nadelholz leichter ( ) als Laubholz ( ) - Baum weiter oben ist weniger Dicht - Je breiter Jahrringe bei Nadelbäumen desto kleiner die Darrdichte - Bei Laubbäumen: Ringporer Dichte höher je grösser Jahrringbreite Zerstrpor.: kein Einfluss Zunehmende Dichte: steigende Festigkeit, E, Quellung, Wärmeleitzahl
H O L Z F EU CH T E
Holz ist hygroskopisch: Wasseraufnahme durch Sorbtion (gebunden) und durch Kapillarkräfte (freies Wasser) von gross zu engen Kapillaren
Holzfeuchte:
Darrtrocken: kein Wasser in Holz (u=0%) Fasersättigung: Bei ca. 20-30-35%, bis hier Schwellen und Schwinden Wassersättigung: Zelllumina und Wände sind voll gefüllt (freies Wasser)
Grenze Wasser in Zellwand gesättigt/Zelllumina
Sorptionsverhalten: Bestimmte rel. Luftfeuchte führt zu bestimmter Holzfeuchte. (an Luft) → SIA 265/1 s16 Hysterese vorhanden. (Desorption 1-2% höhere Holzfeuchte)
→ Entstehendes Feuchteprofil über Querschnitt da Diffusion langsam. Schwindungsanisotropie: Holz ist anisotrop → Quellen unterschiedlich: (Faserorientierung, Zelluloseorient (Zug/Druckholz), Chemie, Dichte) Längs: , Radial: , Tangential: Quellung steigt mit zunehmender Dichte, Dickenquellung von Spanplatten, MDF daher deutlich höher als Vollholz Quellung bei Holzwerkstoffen irreversibel, bei Vollholz nicht. → Verwendung auf Bau nach Anwendung innen (12%) bis aussen (20%) SIA265 s22 Quellen → Spannungen → pl. Verformungen, Festigkeit → Risse! Zunehmende Holzfeuchte: sinkt Festigkeit, steigt Wärmeleitfähigkeit und Anfälligkeit Pilzbefall. Schwind/Quellgrössen → SIA 265/1 s15
M ECH AN IS CH E E IG EN S CH AF T EN
Einfluss durch: Beanspruchungsart, Struktur (Jahrring, Faser-Lastwinkel, Äste, Schädigung), Dichte, Feuchte, Temperatur, Pilzbefall, Schnittart ect. Zug: linear elastisch bis , grosse Streuung, (pl) Druck: gleicher E-Modul, Festigkeit etwa halb so gross wie Zug Dehnung: Unter Nadelholz etwas weniger fest wie Laubholz, je dichter desto fester Festigkeit senkrecht zur Faser nur noch 1/10-1/20 so fest. E-Module:
Nadelholz 1 : 1.7 : 20 Laubholz 1 : 1.7 : 13
Festigkeit Nadelholz: Holzfeuchte:
Grössen → Siehe auch SIA 265 s25, s27 oder SIA 265/1 s35ff Je höher MFA desto kleiner E und Festigkeit, grössere Duktilität Wärmdämmung: Vollholz 0.13 , Faserdämmpl 0.045 Zeitabhänigkeit: Holz ist viskoelastisch → Kriechen /Spannungsrelaxation Dauerstandfestigkeit Anisotropie Eigenschaften abhängig von Richtung Wegen Strukturellen Aufbau. Fasern in Längsrichtung Quellen/Schwinden, Festigkeit. , , E-Modul, Härte
Holz und Holzwerkstoffe Master ETHZ – BAUG – HS2013
20. Januar 2013 S e i t e | 2 Christoph Hager
HOLZWERKSTOFFE Zerlegen von Holz und wieder zusammenfügen (häufig mithilfe Leim)
Querzug bei Lochblechen da Verformung behindert, Verminderung Tragwiderstand
VO L L H O L Z B A S I S
Massivholzplatten (Leimholzplatten) Einflussgrössen: Güte des Holzes, Art Längsverbindung, Schichtenaufbau, Schnittrichtung der Lagen, Technologie (Leimanteil, Pressdruck) Anwendung: Schaltafeln, Decken Bretter stapeln: Problem mit Verbindungen (hor/vertikal) Verdübelter Balken: Erhöhung Steifigkeit zwischen Brettern Brettschichtholz: Verleimung innen MelaminHarnstoffaldehydharz oder aussen Resorcinformaldehydharz (braun) / Polyurethan(Isocyanatharz) (helle/transp. Farbe) Längsverbindung mit Keilzinken Gibt auch kombinierte QS (SIA 265/1 s28) Einsatz: Träger mit grossen Spannweiten Brettstapel: Hochkant, verbunden mit Nägel/Schrauben, Buchedübel Einsatz: Hauptsächlich im Wohnungsbau (Decken, Wände) Durch Verbindung: Systemtragwirkung SIA 265 5.7 Liegende BSH: → Querzug in Leimfugen → Externe Vorspannung Brettsperrholz/Dickholz: zB 5-Lagig, Spannungen analog Steifigkeiten Einsatz: Wand/Deckenelemente, Fahrbahnplatten
F U R NI ER
Lagenholzwerkstoff, für Bau, Formenbau, Sport, Möbel, Fahrzeuge Schichtholz, Sperrholz, Sternholz, je nach Faserrichtung in Lagen. Aus Schälfurnier (Fichte, Lärche, Buche), Schälen nach Dämpfen. 1-3mm Anwendung: Furnierschichtholz LVL (Laminated Veneer Lumber) Kerto S (alle Lagen faserparallel) Tragende Konstr: Balken, FW, Stützen, Schalung, Verstärkungen… Kerto Q (einige Lagen senkrecht, Schwindet weniger in Querrichtung) Trägt auch Quer, Absperrwirkung: Scheiben, Beläge, Balken, Knoten Furnierstreifen, PSL (Larallel Strand Lumber) Parallam Stützen, Unterzüge, FW
S P A N WE R K S TO F F E
Allg: Sehr verbreitet, Rohstoff aus Resten, Altholz, Pflanzen. Höhere Homogenität, Dichte sehr unterschiedlich Herstellung: Späne, Beleimen, Fliessbildung, Vorpressen, Pressen Verschiedene Rohdichteprofile (Deckschicht dichter) Klassifizierung: Herstellung, Oberfläche, Form, Grösse Teilchen, Plattenaufbau, Verwendungszweck
Quellung: dichteabh. (zunehmend), deutlicher als bei Vollholz und irrev. Anwendung: OSB (Oriented strand board) Späne 0.6x35x75mm, Streuung dann mit Hitze verpresst Rahmenbau als Beplankung, als Stege von Trägern LSL (Laminated Strand Lumber) Als Gurte von Trägern Waferboard, Spezialanwendungen (elektr., Widerstand, ultradick…)
Oder Waben. Kombination von Holzwerkstoffen/anderen Materialien Mehrschichtiges Material meist mit hochfesten Decklagen (OSB, MDF) und Mittellage aus leichtem Kern (Einteilung danach) Kern auch aus Schaumstoff, Wabenartig Anwendung: Träger, Verbundplatten, Parkettböden, Vorgespannte Bauteile aus Massivholz oder HWS
WO O D P L A S T I C S C O M P O S I T ES ( WP C )
Mischung aus Kunststoffen, Holzpartikeln, Nebenkomponenten Herstellung über Profilextrusion (Kunststoffindustrie), dimensionsstabil Anwendung: Fassadenverkleidung, Terrassenböden, Fenster
V ER G L E ICH
EN G IN E ER ED WO O D P R O D U CT S
Gruppe von Holzwerkstoffen als primären Ersatz für Vollholz im Bau Werden vorwiegend mit Phenolharz oder Isocyanat feuchtebest. verklebt Vorteile: Grosse und variable Abmessungen, Höhere Dimensionsstabilität, Teilweise höhere Festigkeit da Bereiche mit Defekten aussortiert werden können.
B EM ES S U N G H O L Z W ER KS T O F F E
SIA 265/1 Kap 7, s29ff
Holz und Holzwerkstoffe Master ETHZ – BAUG – HS2013
20. Januar 2013 S e i t e | 3 Christoph Hager
VERKLEBUNG Ü B ER S ICH T Klebstoff = nichtmetallische Werkstoffe die andere Werstoffe durch Oberflächenhaftung (Adhäsion) und innere Festigkeit (Kohäsion) verbinden, ohne sich inneres Gefüge der Körper wesentlich verändert. Nichtflüchtige Bestandteile: Bindemittel Pigmente, Füllstoffe, Streckmittel, Zusatzmittel Flüchtige Bestandteile: Lösungsmittel, Dispersionsmittel, Verdünnungsmittel
E I N TE I L U NG :
→ Siehe auch SIA 265 s
Oder: natürlich auf Basis von Eiweiss, Polysachariden, Kautschuk synthetisch auf Basis duroplastisch (HF, MF, PF, RF Formaldehyd-Harze, PUR) oder thermoplastisch härt. Harzen (Polyvynilacatat PVA)
B ED EU TU NG
Wichtig für modernen Holzbau, für Holzwerkstoffe, Verbindungen und Fugendichtungen.
AN F O R D ER U N G EN
Ausreichende Zug und Scherfestigkeit
Klima und Chemikalienbeständigkeit
Leicht und schnell auftragbar, rasch benetzen
Arm an quellendem (Wasser) oder destruktiven Reaktionen (Säure) sein
Abbinden kontrollierbar und schnell Härten
Klebfuge darf nicht verhungern (Eindringen in Holz)
→ SIA 265s79ff, Feuchteklassen s22
KL EB S T O F F AU F T R AG
Menge: Normal: ca 200g/m2, Folien: 80g/m2, BSH und sägerauer Flächen: 400g/m2, Holzpartikelwerkstoffe: 8-16% Festharz Vollflächige Verklebung: Holzwerkstoffe Punktförmige Verklebung: Holzpartikelwerkstoffe Einflussgrössen: Holzfeuchte, Oberflächengüte, Pressdruck, Temp/Luft, Profil Holzteile, Wechselklima (Delaminierung). Verfombarkeit (BSH nicht mit HF verkleben) Wirkprinzip beim Bruch: Versagen aufgrund Kohäsion (Im Bauteil) und nicht infolge Adhäsion (In Klebstofffuge)
VE R L E I M U NG S K L A S S E N
→ Entsprechend Feuchtebeanspruchung V20: unter 15%, innen → UF, PVA V100: unter 18%, Boden, Dach → PF, PMDI, MF, RF V100G: bis 21% inkl Pilzschutzmittel Aussen: - nicht einsetzbar sind Spanplatten, OSB, Massivholz (Durchgehende Risse), - Einsetzbar: Dreischichtige Massivholzpl., Sperrholz…
HOLZSCHUTZ G EF ÄH R D U N G E N
→ Witterungseinflüsse/Optische Eigenschaften (Feuchte, Sonneneinstrahlung, Temp, Wind), Dimensionsstabilität, Biologische Prozesse (Pilze, Insekten, Mikroorgranismen), Brandschutz Gefährdungsklassen: Innen, aussen, Erdkontakt, Meerwasser → trocken (Insekten), gel. bis st. Feucht (Insekten, Pilze), Meeresmuscheln Andere Definition in SIA 265 s22!
P I L Z E
Holzfärbende Pilze: Bläuepilze (30-180%, 15-35°C) Schimmelpilze (30-150%, 0-50°C) Zerstörende Pilze: Braunfäule: Abbau Zellulose, an NH, Abn. Festigkeit, Würfelbruch Modefäule: bei hoher Feuchte (Erd), Aufgew. Oberfl., Würfelbr. Weissfäule: Abbau von Lignin, Zellulose, an LH, Zerfaserung Anforderungen Lebensbedingungen: Geeignetes Substrat, Feuchte, Temperatur (0-45), geringer Anspruch an Licht, Sauerstoff für Stoffwechsel
Direkte Bewitterung, Luftfeuchtigkeit, Wärme, UV-Strahlung
S T AT IS CH N ICH T W IR KS AM – V ER S CH L EIS S T EI L E
F A S S A D E
Verwitterung: Sonnenstrahlung Haupturgrund (chem. Veränder. durch UV) Verfärbung: Sonne → kurzzeitig Vergilbung Vor Beregnung geschützt → langzeitig dunkle Braunfärbung Nicht geschützt → langzeitig Verbleichung, Vergrauung Wetterseite: Meist Nordwest
WEI T ER E TE I L E
Beläge, Geländer, Einhausungen
S T AT IS CH WI R KS AM – T R AG EN D E S T R U KT U R
P H Ä N O M E NE
Problem: Reduktion Tragwiderstand bei dauernder Feuchte, Biol Abbauprozess durch Pilze.
Vorausstzg: 1. Holz als Nahrungsgrundlage 2. Wasser resp. Mindestholzfeuchte über 20% (30-70%) 3. Sauerstoff 4. Temperatur über 0°C (20°C) 5. Anwesenheit lebendiger Organismen → Ausschluss einer Komponente verhindert Problem Vorhandene Holzfeuchte: SIA 265 s22 Rel. Luftfeuchte, Umgebung, Temperatur, Holz, Behandlung Ausgleichsfeuchte infolge Makroklima SIA 265/1 s16 Mikroklima infolge Topografie, Lage, Beschattung, Vegetat. Massnahme: bauliche, konstrukvie Massnahmen, Anstriche Anwesenheit Organismen: Massnahme: Chemischer Holzschutz Schwindrisse: Infolge Strahlungswirkung (Intensität, Lage, Winkel, Farbe)
TR A G S TR U K T U R D I R EK T B E WI T T ER T
Problem: Fugen/Spalten → Feuchtenester, Schwindrisse, lok. Probleme Hygroskopisches Verhalten → Aufsteigende Feuchte Massnahme: Einhausung/Überdachung gesamte Struktur (Dach) Abdecken der Tragstruktur (Fahrbahn) Einhausung einzelner Querschnitte (Bleche, Bretterschirm)
D ETA I L A U S B I L D U NG
→ Schutz vor Durchfeuchtung und Fechtewechsel Wasser: Direkt ableiten, Verhindern dass Wasser eindringt, Vermeiden Rückprallwasser, kein Kontakt mit Feuchten Teilen/Boden, Gute Durchlüftung, Bauphysik (Dampfbremse, Kondenswasser, Hinterlüftung) Konstruktives: Dach: 30° schräger Regen → genügend Überstand Blechabdeckung Bretterschirm Abdeckung Gurte Kältebrücke:
Normbrandkurve meist nach ISO 843 (Eurocode) Möglichkeiten: Kühlen, Isolieren, Verbund Schutzziele: Sicherheit (Personen + Sachen) Entstehung vorbeugen, Ausbreitung begrenzen, Tragsicherheit über Zeit gewährleisten, Feuerwehr Tote: 5-8/Mio EW, sehr wenig im Vergleich zu anderen Todesursachen Konzepte: Baulich, Brandabschnitte (passiv), Enteckung/Löschen (aktiv)
B R AN D S CH U T Z N O R M EN
Vorschriften: Richtlinien Baupordukte, EN, EC, nat. Vorschriften (VKF) VKF 2003: Brennbare Tragwerke (Holzbau) bis 6 Geschosse Bis 3 Gesch. EI30, 4 Gesch. ab EI60 mit Verkleidung Brandkennziffer [1-6 Brennbarkeitsgrade].[1-3 Qualmgrade] höher=besser Neu nach EN: Brennbarkeitsklassen A-F, Rauchentwicklung s1-s3, Abtropfen/Abfallen d0-d2 (je tiefer je besser)
B AU S T O F F V ER H A L T E N
Eigensch.: Brennbar, massive Querschnitte günstig Model: Verlust der Querschnittsfläche (Bei hohen Temp Verlust Festigkeit/Steifigkeit) Problem: Holz ist brennbar, Entzündung und Vergrösserung Brandlast Durchbrand Wände/Decken, Hohlräume. Abbrand 0.8mm/min Schutz: Massive QS (A/V), nbb Verkleidung, Hohlräume nbb stopfen, Sprinkleranlage, Isolation Löschwasser
B EM ES S U N G
F EU ER WI D ER S TA ND
Feuerwiderstand: R (Tragwiderst.), E (Dichtigkeit), I (Isolation) Klasseneinteilung in Schritten von 30min
Durchstrahlungsverfahren → Dichte, innere Defekte, Astigkeit Informationen zu Dichteverteilung, Feuchtebestimmung, Strahlung! Unempfindlich verschmutzte Oberflächen, helle Äste werden erkannt, niedrigere Messgenauigkeit. - Röntgen, Gammastrahlen - Radar - Mikrowellen Alternativ mit Wägung (einfach, keine Feuchte, globale Info) Optische Verfahren → Astigkeit Hohe Messgenauigkeit, Schmutz als Äste, Helle Äste schwierig - Oberflächen Scanning (Mit Kamera, Erkennungsproblem) - Laser Scanning - Infrarot-Thrmographie - Computerrtomographie (Stämme) Fazit: → Kombinierte Verfahren, direkt kombiniert in Maschinen
Kontrollen: Produktbezogen überwacht (Amerika): kont. Stichproben, hoher Prüfaufwand, teuer, Einstellung Maschinen nach Prüfergebnissen, für grosse Holzmengen gleicher Grösse Maschinenbezogen überwacht (Europa): für unterschiedliche Abmessungen Überprüfung/Überwachung der Sortiermaschine, Maschinenparameter wichtig (grosse Untersuchungen)
ER S C H EI NU NG S S O R TI ER U N G
KEINE Festigkeitssortierung! Kriterien ähnlich, aber anderes Ziel → einheitliche Oberfläche → Ausschreibung nach Festigkeitsklasse FK und ggf nach Erscheinung QK