Holzphysik - Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe

Peter Niemz, Walter Sonderegger

Holzphysik

Holzphysik - Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe

2017

580 Seiten

Format: PDF

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ISBN: 9783446445468

 

Vorwort

6

Inhalt

10

1 Einführung

19

2 Geschichte der Physik des Holzes

28

3 Übersicht zu physikalischen Eigenschaften des Holzes und wichtigen Einflussfaktoren

37

4 Struktur und Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

40

4.1 Vorbemerkungen

40

4.2 Einteilung von Holz und Holzwerkstoffen

41

4.2.1 Holz

41

4.2.2 Holzwerkstoffe

42

4.2.2.1 Werkstoffe auf Vollholzbasis

43

4.2.2.2 Lagenholz/Furnierwerkstoffe

44

4.2.2.3 Spanwerkstoffe

45

4.2.2.4 Faserwerkstoffe

45

4.2.2.5 Verbundplatten

46

4.3 Stofflich-struktureller Aufbau von Holz und Holzwerkstoffen

46

4.3.1 Holz

47

4.3.1.1 Chemischer Aufbau

47

4.3.1.2 Struktureller Aufbau

47

4.3.2 Holzwerkstoffe

50

4.3.2.1 Werkstoffe auf Vollholzbasis

50

4.3.2.2 Werkstoffe auf Furnierbasis

50

4.3.2.3 Werkstoffe auf Spanbasis

52

4.3.2.4 Werkstoffe auf Faserbasis

54

4.3.2.5 Verbundwerkstoffe

56

4.3.2.6 Wood Plastic Composites

57

4.4 Wechselwirkung zwischen Struktur und Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

58

4.4.1 Holz

58

4.4.2 Holzwerkstoffe

60

4.4.2.1 Brettschichtholz/lamelliertes Holz

60

4.4.2.2 Lagenholz/Massivholzplatten

60

4.4.2.3 Spanplatten

62

4.4.2.4 Faserplatten

64

4.4.2.5 Verbundplatten

66

5 Verhalten von Holz und Holzwerkstoffen gegenüber Feuchte

70

5.1 Kenngrößen der Holzfeuchte

70

5.2 Grundlagen der Feuchteaufnahme und -abgabe

71

5.2.1 Holz als kapillarporöser Stoff

71

5.2.2 Flüssigkeitstransport in kapillarporösen Systemen, Gas- und Wasserpermeabilität

76

5.2.2.1 Flüssigkeitstransport in senkrechten Kapillaren

76

5.2.2.2 Flüssigkeitstransport in Holz

78

5.2.2.3 Messung der Gas- und Flüssigkeitspermeabilität

80

5.2.2.4 Diffusion

81

5.3 Feuchteaufnahme und -abgabe von Holz

86

5.3.1 Grenzbereiche des Systems Holz-Wasser

86

5.3.2 Feuchteaufnahme durch Sorption

87

5.3.2.1 Phasen der Sorption

87

5.3.2.2 Fasersättigungsbereich

90

5.3.2.3 Modelle zur Beschreibung des Sorptionsverhaltens

91

5.3.2.4 Sorptionsisothermen ausgewählter Holzarten und Werkstoffe

92

5.3.3 Maximaler Feuchtegehalt von Holz

97

5.4 Quell- und Schwindverhalten von Holz und Holzwerkstoffen

101

5.4.1 Quell- und Schwindverhalten von Holz

101

5.4.1.1 Grundlagen

101

5.4.1.2 Kenngrößen

108

5.4.2 Quell- und Schwindverhalten von Holzwerkstoffen

111

5.4.3 Auswirkungen des Quell- und Schwindverhaltens von Holz und Holzwerkstoffen

112

5.4.3.1 Holz

112

5.4.3.2 Holzwerkstoffe

114

5.5 Holzphysikalische Probleme der Trocknung von Schnittholz

115

5.5.1 Physikalische Vorgänge beim Feuchtetransport

115

5.5.2 Spannungen und Rissbildung

116

5.5.3 Zellkollaps

120

5.6 Verfahren zur Bestimmung des Feuchtegehalts von Holz und Holzwerkstoffen

120

5.6.1 Übersicht

120

5.6.2 Darrmethode

123

5.6.3 Extraktions- oder Destillationsverfahren

124

5.6.4 Widerstandsmessverfahren

125

5.6.5 Dielektrisches Messverfahren

125

5.6.6 Mikrowellen-Verfahren

126

5.6.7 Radiometrische Verfahren und sonstige Verfahren (Kernspintomographie, Neutronen, Röntgen)

126

5.6.8 Spektrometrisches Verfahren

127

5.6.9 Chemisches Verfahren

127

5.6.10 Hygroskopisches Verfahren

127

5.7 Feuchteverteilung im Holz und Ausgleichsfeuchte von Holz im praktischen Gebrauch

128

5.7.1 Feuchteverteilung im lebenden Stamm

128

5.7.2 Ausgleichsfeuchte von Holz im praktischen Gebrauch und Einfluss der Bauteilgeometrie

129

5.8 Bedeutung der Holzfeuchte

133

6 Dichte von Holz und Holzwerkstoffen

139

6.1 Kenngrößen der Dichte

139

6.1.1 Rohdichte

140

6.1.2 Darrdichte (Darr-Rohdichte)

141

6.1.3 Raumdichtezahl

141

6.1.4 Reindichte

142

6.1.5 Porenanteil (Hohlraumanteil)

142

6.1.6 Streudichte/Schüttdichte

143

6.1.7 Flächenbezogene Masse

144

6.1.8 Rohdichteprofil senkrecht zur Plattenebene

144

6.2 Einflüsse auf die Dichte und die Dichteverteilung von Holz und Holzwerkstoffen

145

6.2.1 Holz

145

6.2.1.1 Einfluss der Holzart

145

6.2.1.2 Einfluss von Wuchs- und Standortbedingungen sowie der soziologischen Stellung des Baumes im Bestand

146

6.2.1.3 Einfluss struktureller Parameter

147

6.2.2 Span- und Faserplatten

151

6.3 Verfahren zur Dichtebestimmung

152

6.3.1 Konventionelle Methoden

152

6.3.2 Dichtebestimmung mittels elektromagnetischer Wellen und anderen Verfahren

154

6.3.3 Bestimmung des Dichteprofils an Holzwerkstoffen

158

6.3.3.1 Fräsmethode

158

6.3.3.2 Bohrmethode

158

6.3.3.3 Hobelmethode

159

6.3.3.4 Röntgenmethode

159

6.3.3.5 Messung von Dichteprofilen mittels Gamma- oder Röntgenstrahlen

159

6.3.4 Bestimmung der Streu- und Schüttdichte von Partikeln

160

6.3.5 Bestimmung des Porenanteiles und der Porengrößenverteilung in?Holzwerkstoffen

160

6.3.5.1 Quecksilberdruckporosimetrie

160

6.3.5.2 Gasadsorption

161

6.3.5.3 Sonstige Verfahren

161

6.4 Einfluss der Dichte auf die Eigenschaften des Holzes

161

7 Thermische Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

165

7.1 Wärmeleitfähigkeit

165

7.2 Spezifische Wärmekapazität

169

7.3 Temperaturleitfähigkeit

171

7.4 Wärmeausdehnung

172

7.5 Brandverhalten

174

7.5.1 Grundlagen

174

7.5.2 Brandverhalten

178

7.6 Einfluss der Temperatur auf die Eigenschaften des Holzes

183

7.6.1 Kurzzeitige Temperatureinwirkungen

183

7.6.2 Langzeitige Temperatureinwirkung

186

7.7 Nutzung thermischer Eigenschaften des Holzes zur Qualitätskontrolle

187

8 Elektrische Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

192

8.1 Elektrischer Widerstand und Leitfähigkeit

192

8.1.1 Kenngrößen

192

8.1.2 Einflüsse auf den elektrischen Widerstand von Holz

193

8.1.3 Prüfverfahren und praktische Nutzung

196

8.2 Dielektrische Eigenschaften

197

8.2.1 Kenngrößen

197

8.2.2 Einflüsse auf die Dielektrizitätskonstante von Holz

197

8.2.3 Prüfverfahren und praktische Nutzung

199

8.3 Piezoelektrische Eigenschaften

200

8.3.1 Kenngrößen

200

8.3.2 Einflüsse auf den Piezomodul von Holz

200

8.3.3 Prüfverfahren und praktische Nutzung

201

8.4 Magnetische Eigenschaften

202

8.5 Elektrostatische Aufladungen

202

9 Akustische Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

205

9.1 Übersicht

205

9.2 Arten und Ausbreitungsformen von Wellen

205

9.3 Schallgeschwindigkeit

206

9.3.1 Kenngrößen

206

9.3.2 Weitere Kenngrößen

210

9.3.3 Einflüsse auf die Schallgeschwindigkeit

212

9.3.4 Ausgewählte Gerätesysteme

214

9.4 Schalldämpfung oder Schallabsorption

216

9.5 Schalldämmung

217

9.6 Schallemission

217

9.6.1 Kenngrößen

217

9.6.2 Einflüsse auf die Schallemission und praktische Nutzung der Schallemissionsanalyse

219

9.6.3 Messsysteme zur Schallemissionsanalyse

224

9.7 Eigenfrequenz und Modalanalyse

227

9.7.1 Bestimmung des Zug-/Druck-Elastizitätsmoduls

227

9.7.2 Bestimmung des Biege-Elastizitätsmoduls

228

9.7.3 Bestimmung des Torsionsmoduls

229

10 Reibungseigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

234

11 Optische Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

238

11.1 Farbe

238

11.1.1 Kennwerte der Farbe

238

11.1.2 Farbänderung

240

11.1.2.1 Wirkung von transparenten Beschichtungen

240

11.1.2.2 Alterung in Innenräumen

240

11.1.2.3 Farbänderung bei Freibewitterung

243

11.2 Sonstige optische Eigenschaften (Tracheideffekt)

243

11.3 Spektrometrische Eigenschaften

244

12 Korrosionsverhalten und Alterung von Holz und Holzwerkstoffen

251

12.1 Übersicht

251

12.2 Einfluss des Klimas und Bestimmung der Klimabeständigkeit

252

12.2.1 Holz

252

12.2.2 Holzwerkstoffe

256

12.3 Alterung von Holz und Holzwerkstoffen

259

12.3.1 Vollholz

259

12.3.2 Holzwerkstoffe

260

12.4 Einfluss der mechanischen Vorbeanspruchung

261

12.5 Einfluss aggressiver Medien

262

12.5.1 Wasser

263

12.5.2 Chemikalien

263

12.5.3 Metalle

264

13 Elastomechanische und inelastische Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

267

13.1 Übersicht

267

13.2 Elastische Eigenschaften

267

13.2.1 Elastizitätsgesetz und Spannungs-Dehnungs-Diagramm (Hookesches Gesetz)

267

13.2.1.1 Allgemeine Grundlagen im eindimensionalen Belastungsfall

267

13.2.1.2 Verallgemeinertes Hookesches Gesetz für orthotrope Werkstoffe

270

13.2.2 Zur Orthotropie des Holzes und der Holzwerkstoffe

275

13.2.3 Tensortransformation

279

13.3 Kenngrößen und deren Messung

282

13.3.1 Elastizitätsmodul (E-Modul)

282

13.3.1.1 Statische Methoden

282

13.3.1.2 Dynamischer E-Modul aus Durchschallung, Eigenfrequenzmessung (Modalanalyse)

285

13.3.2 Schubmodul

286

13.3.2.1 Kenngröße

286

13.3.2.2 Prüfung

287

13.3.3 Poissonzahl

288

13.3.3.1 Kenngröße

288

13.3.3.2 Prüfung

290

13.3.4 Knickung

290

13.3.4.1 Elastische Knickfälle nach Euler

290

13.3.4.2 Nichtelastisches Knicken nach Tetmajer

292

13.4 Materialkennwerte und Einflussfaktoren

292

13.4.1 Übersicht

292

13.4.2 E-Modul und Schubmodul

295

13.4.2.1 Einflussfaktoren

295

13.4.3 Poissonzahlen

300

13.5 Rheologische Eigenschaften

301

13.5.1 Übersicht

301

13.5.2 Kriechen

303

13.5.2.1 Physikalische Ursachen

303

13.5.2.2 Kenngrößen/Prüfung

306

13.5.2.3 Einflussfaktoren

310

13.5.3 Mechanosorptives Verhalten von Holz

318

13.5.4 Spannungsrelaxation

322

13.5.4.1 Physikalische Ursachen

322

13.5.4.2 Kenngrößen/Prüfung

322

13.5.4.3 Einflussfaktoren und Materialkennwerte

323

13.5.5 Dauerstandfestigkeit

325

13.5.5.1 Physikalische Ursachen

325

13.5.5.2 Kenngrößen/Prüfung

325

13.5.5.3 Einflussfaktoren und Materialkennwerte

325

13.5.6 Rheologische Modelle

327

14 Festigkeitseigenschaften

337

14.1 Übersicht

337

14.2 Wirkung wesentlicher Einflussfaktoren

341

14.2.1 Struktur des Holzes

341

14.2.1.1 Faser-Last-Winkel/Schnittrichtung

341

14.2.1.2 Rohdichte und Jahrringe

342

14.2.1.3 Astigkeit/Druckholz/Kerbspannungen

344

14.2.2 Klimatische Bedingungen

346

14.2.3 Alterung

350

14.2.4 Vorgeschichte des Holzes

350

14.2.5 Einfluss von Gamma- und Röntgenstrahlung

352

14.2.6 Prüfmethodik

353

14.2.6.1 Belastungsdauer und Belastungsgeschwindigkeit

353

14.2.6.2 Belastungsart

354

14.2.6.3 Probengeometrie

354

14.3 Phänomenologische Beschreibung des Bruchverhaltens von Holz und Holzwerkstoffen

359

14.3.1 Vollholz

359

14.3.2 Holzwerkstoffe

362

14.3.2.1 Brettschichtholz, Massivholzplatten, Sperrholz

362

14.3.2.2 Partikelwerkstoffe

363

14.4 Ausgewählte Grundlagen der Bruchmechanik

366

14.4.1 Übersicht

366

14.4.2 Prüfmethodik

368

14.4.3 Materialkennwerte und Einflussfaktoren

371

14.5 Festigkeitseigenschaften

375

14.5.1 Übersicht

375

14.5.2 Plastische Eigenschaften

378

14.5.3 Zugfestigkeit

380

14.5.4 Druckfestigkeit

383

14.5.5 Biegefestigkeit

385

14.5.6 Scherfestigkeit

389

14.5.7 Torsionsfestigkeit

392

14.5.8 Spaltfestigkeit

393

14.5.9 Nagel- und Schraubenausziehwiderstand

395

14.5.10 Schlagzähigkeit

396

14.5.11 Dauerschwingfestigkeit

399

14.5.12 Härte und Abnutzungswiderstand

401

14.5.12.1 Härte

401

14.5.12.2 Statische Härteprüfung

402

14.5.12.3 Dynamische Härteprüfung

403

14.5.12.4 Einflussfaktoren und Materialkennwerte

404

14.5.13 Abnutzungswiderstand

405

14.5.13.1 Kenngrößen/Prüfverfahren

406

14.5.13.2 Einflussfaktoren und Materialkennwerte

407

15 Neue innovative Prüfverfahren

416

15.1 Übersicht

416

15.2 Einfluss der Skalierung auf das Messergebnis

417

15.3 Bauteilprüfung und biaxiale Belastung

423

15.4 Messsysteme für Prüfungen im Mikrobereich

424

15.4.1 Dehnungsmessungen

424

15.4.2 In-situ-Testversuche mittels Elektronenmikroskop oder unter Stereomikroskop, Mikro-CT oder im Synchrotron

425

15.4.3 Neutronenradiographie und -tomographie

427

15.4.4 Sylviscan

428

15.5 Messsysteme für Prüfungen im Nanobereich und sonstige Methoden

429

15.5.1 Nanoindentierung

429

15.5.2 Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA)

430

15.6 Messsysteme für Messungen im Nanobereich

430

15.6.1 RAMAN-Spektroskopie

431

15.6.2 Rasterkraftmikroskopie

433

16 Spannungen und Verformungen in Holz und Holzwerkstoffen

438

16.1 Wuchsspannungen im Vollholz, Mikrobrüche durch mechanische Belastung

439

16.1.1 Frostrisse

439

16.1.2 Risse infolge von Saugspannungen

439

16.1.3 Wuchsspannungen

439

16.1.4 Verformungen durch Zug- und Druckholz

441

16.1.5 Risse infolge mechanischer Beanspruchung (Sturmschäden)

441

16.2 Spannungen und Verformungen von Holzwerkstoffen (Eigenspannungen)

442

16.2.1 Partikelwerkstoffe

442

16.2.2 Werkstoffe auf Vollholzbasis

444

16.3 Spannungen durch äußere, klimatische Einflüsse

446

17 Nutzung holzphysikalischer Eigenschaften zur Online-Qualitätskontrolle

449

18 Modellierung von Holz und Holzwerkstoffen: Möglichkeiten und Grenzen

455

18.1 Vorbemerkungen

455

18.2 Holz und Holzwerkstoffe

457

18.2.1 Grenzen der Berechenbarkeit

457

18.2.2 Vollholz

460

18.2.3 Holzwerkstoffe

463

18.2.3.1 Lagenholz (Sperrholz, Brettsperrholz)

463

18.2.3.2 Verbundplatten

466

18.2.3.3 Spanplatten

468

18.2.3.4 Faserplatten

474

18.2.3.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

475

18.3 Durch Feuchtewechsel induzierte Spannungen, Verformungen und Versagensvorgänge

476

18.3.1 Ausgewählte FE-Modelle für die Spannungsberechnung

476

18.3.2 Quellung zwischen den Jahrringen

477

18.3.3 Verformung mehrschichtiger Platten

480

18.4 Feuchte- und Wärmetransport

482

19 Verzeichnis wichtiger Kennwerte und Eigenschaften

489

19.1 Allgemeine Kennwerte und Grundlagen

489

19.1.1 Nutzungsklassen von Holz nach Eurocode 5/DIN EN 1995-1-1 und Gebrauchsklassen und Dauerhaftigkeitsklassen

489

19.1.2 Kennzeichnung von Holzwerkstoffen

491

19.1.3 Brandverhalten von Holz und Holzwerkstoffen

492

19.1.4 Holzschädlinge

495

19.2 Eigenschaften von Vollholz

496

19.2.1 Kennwerte von Holz nach DIN 68364:2005

496

19.2.2 Eigenschaften von Vollholz

502

19.2.3 Charakteristische Kennwerte von Vollholz

503

19.2.4 Güteanforderungen

507

19.2.4.1 Güteanforderungen an Rund- und Schnittholz (Nadelholz)

507

19.2.4.2 Güteanforderungen an Rund- und Schnittholz (Laubholz)

510

19.2.4.3 Güteanforderungen an Rund- und Schnittholz (Nadelholz und Laubholz)

512

19.2.5 Güteanforderungen an Baurundholz

514

19.2.6 Kennwerte von vergütetem Holz

517

19.2.7 Kennwerte für Quellung und Tränkbarkeit

522

19.2.8 Eigenschaften verschiedener Rindenarten

525

19.2.9 Kennwerte für die Berücksichtigung der Belastungsdauer

526

19.3 Eigenschaften von ausgewählten Holzwerkstoffen

528

19.4 Prüfverfahren zur Ermittlung ausgewählter Festigkeitseigenschaften

541

19.5 Dampfdruck und relative Luftfeuchte

555

19.6 Quellung in Lösungen

555

20 Verzeichnis ausgewählter Normen, Symbole und weiterführender Literatur

559

20.1 Normen

559

20.1.1 Vollholz

559

20.1.2 Holzwerkstoffe

561

20.1.3 Verklebung

566

20.1.4 Holzschutz

567

20.1.5 Formaldehydbestimmung

568

20.1.6 Holzbau

569

20.1.7 Dämmstoffe

570

20.1.8 WPC

570

20.2 Wichtige Symbole

571

20.3 Ausgewählte weiterführende Literatur

571

Index

574

 

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