Holzphysik

Vorwort

Inhalt

1 Einführung

2 Geschichte der Physik des Holzes

3 Übersicht zu physikalischen Eigenschaften des Holzes und wichtigen Einflussfaktoren

4 Struktur und Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

4.1 Vorbemerkungen

4.2 Einteilung von Holz und Holzwerkstoffen

4.2.1 Holz

4.2.2 Holzwerkstoffe

4.2.2.1 Werkstoffe auf Vollholzbasis

4.2.2.2 Lagenholz/Furnierwerkstoffe

4.2.2.3 Spanwerkstoffe

4.2.2.4 Faserwerkstoffe

4.2.2.5 Verbundplatten

4.3 Stofflich-struktureller Aufbau von Holz und Holzwerkstoffen

4.3.1 Holz

4.3.1.1 Chemischer Aufbau

4.3.1.2 Struktureller Aufbau

4.3.2 Holzwerkstoffe

4.3.2.1 Werkstoffe auf Vollholzbasis

4.3.2.2 Werkstoffe auf Furnierbasis

4.3.2.3 Werkstoffe auf Spanbasis

4.3.2.4 Werkstoffe auf Faserbasis

4.3.2.5 Verbundwerkstoffe

4.3.2.6 Wood Plastic Composites

4.4 Wechselwirkung zwischen Struktur und Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

4.4.1 Holz

4.4.2 Holzwerkstoffe

4.4.2.1 Brettschichtholz/lamelliertes Holz

4.4.2.2 Lagenholz/Massivholzplatten

4.4.2.3 Spanplatten

4.4.2.4 Faserplatten

4.4.2.5 Verbundplatten

5 Verhalten von Holz und Holzwerkstoffen gegenüber Feuchte

5.1 Kenngrößen der Holzfeuchte

5.2 Grundlagen der Feuchteaufnahme und -abgabe

5.2.1 Holz als kapillarporöser Stoff

5.2.2 Flüssigkeitstransport in kapillarporösen Systemen, Gas- und Wasserpermeabilität

5.2.2.1 Flüssigkeitstransport in senkrechten Kapillaren

5.2.2.2 Flüssigkeitstransport in Holz

5.2.2.3 Messung der Gas- und Flüssigkeitspermeabilität

5.2.2.4 Diffusion

5.3 Feuchteaufnahme und -abgabe von Holz

5.3.1 Grenzbereiche des Systems Holz-Wasser

5.3.2 Feuchteaufnahme durch Sorption

5.3.2.1 Phasen der Sorption

5.3.2.2 Fasersättigungsbereich

5.3.2.3 Modelle zur Beschreibung des Sorptionsverhaltens

5.3.2.4 Sorptionsisothermen ausgewählter Holzarten und Werkstoffe

5.3.3 Maximaler Feuchtegehalt von Holz

5.4 Quell- und Schwindverhalten von Holz und Holzwerkstoffen

5.4.1 Quell- und Schwindverhalten von Holz

5.4.1.1 Grundlagen

5.4.1.2 Kenngrößen

5.4.2 Quell- und Schwindverhalten von Holzwerkstoffen

5.4.3 Auswirkungen des Quell- und Schwindverhaltens von Holz und Holzwerkstoffen

5.4.3.1 Holz

5.4.3.2 Holzwerkstoffe

5.5 Holzphysikalische Probleme der Trocknung von Schnittholz

5.5.1 Physikalische Vorgänge beim Feuchtetransport

5.5.2 Spannungen und Rissbildung

5.5.3 Zellkollaps

5.6 Verfahren zur Bestimmung des Feuchtegehalts von Holz und Holzwerkstoffen

5.6.1 Übersicht

5.6.2 Darrmethode

5.6.3 Extraktions- oder Destillationsverfahren

5.6.4 Widerstandsmessverfahren

5.6.5 Dielektrisches Messverfahren

5.6.6 Mikrowellen-Verfahren

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

5.6.8 Spektrometrisches Verfahren

5.6.9 Chemisches Verfahren

5.6.10 Hygroskopisches Verfahren

5.7 Feuchteverteilung im Holz und Ausgleichsfeuchte von Holz im praktischen Gebrauch

5.7.1 Feuchteverteilung im lebenden Stamm

5.7.2 Ausgleichsfeuchte von Holz im praktischen Gebrauch und Einfluss der Bauteilgeometrie

5.8 Bedeutung der Holzfeuchte

6 Dichte von Holz und Holzwerkstoffen

6.1 Kenngrößen der Dichte

6.1.1 Rohdichte

6.1.2 Darrdichte (Darr-Rohdichte)

6.1.3 Raumdichtezahl

6.1.4 Reindichte

6.1.5 Porenanteil (Hohlraumanteil)

6.1.6 Streudichte/Schüttdichte

6.1.7 Flächenbezogene Masse

6.1.8 Rohdichteprofil senkrecht zur Plattenebene

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

6.2.1 Holz

6.2.1.1 Einfluss der Holzart

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

6.2.1.3 Einfluss struktureller Parameter

6.2.2 Span- und Faserplatten

6.3 Verfahren zur Dichtebestimmung

6.3.1 Konventionelle Methoden

6.3.2 Dichtebestimmung mittels elektromagnetischer Wellen und anderen Verfahren

6.3.3 Bestimmung des Dichteprofils an Holzwerkstoffen

6.3.3.1 Fräsmethode

6.3.3.2 Bohrmethode

6.3.3.3 Hobelmethode

6.3.3.4 Röntgenmethode

6.3.3.5 Messung von Dichteprofilen mittels Gamma- oder Röntgenstrahlen

6.3.4 Bestimmung der Streu- und Schüttdichte von Partikeln

6.3.5 Bestimmung des Porenanteiles und der Porengrößenverteilung in?Holzwerkstoffen

6.3.5.1 Quecksilberdruckporosimetrie

6.3.5.2 Gasadsorption

6.3.5.3 Sonstige Verfahren

6.4 Einfluss der Dichte auf die Eigenschaften des Holzes

7 Thermische Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

7.1 Wärmeleitfähigkeit

7.2 Spezifische Wärmekapazität

7.3 Temperaturleitfähigkeit

7.4 Wärmeausdehnung

7.5 Brandverhalten

7.5.1 Grundlagen

7.5.2 Brandverhalten

7.6 Einfluss der Temperatur auf die Eigenschaften des Holzes

7.6.1 Kurzzeitige Temperatureinwirkungen

7.6.2 Langzeitige Temperatureinwirkung

7.7 Nutzung thermischer Eigenschaften des Holzes zur Qualitätskontrolle

8 Elektrische Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

8.1 Elektrischer Widerstand und Leitfähigkeit

8.1.1 Kenngrößen

8.1.2 Einflüsse auf den elektrischen Widerstand von Holz

8.1.3 Prüfverfahren und praktische Nutzung

8.2 Dielektrische Eigenschaften

8.2.1 Kenngrößen

8.2.2 Einflüsse auf die Dielektrizitätskonstante von Holz

8.2.3 Prüfverfahren und praktische Nutzung

8.3 Piezoelektrische Eigenschaften

8.3.1 Kenngrößen

8.3.2 Einflüsse auf den Piezomodul von Holz

8.3.3 Prüfverfahren und praktische Nutzung

8.4 Magnetische Eigenschaften

8.5 Elektrostatische Aufladungen

9 Akustische Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

9.1 Übersicht

9.2 Arten und Ausbreitungsformen von Wellen

9.3 Schallgeschwindigkeit

9.3.1 Kenngrößen

9.3.2 Weitere Kenngrößen

9.3.3 Einflüsse auf die Schallgeschwindigkeit

9.3.4 Ausgewählte Gerätesysteme

9.4 Schalldämpfung oder Schallabsorption

9.5 Schalldämmung

9.6 Schallemission

9.6.1 Kenngrößen

9.6.2 Einflüsse auf die Schallemission und praktische Nutzung der Schallemissionsanalyse

9.6.3 Messsysteme zur Schallemissionsanalyse

9.7 Eigenfrequenz und Modalanalyse

9.7.1 Bestimmung des Zug-/Druck-Elastizitätsmoduls

9.7.2 Bestimmung des Biege-Elastizitätsmoduls

9.7.3 Bestimmung des Torsionsmoduls

10 Reibungseigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

11 Optische Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

11.1 Farbe

11.1.1 Kennwerte der Farbe

11.1.2 Farbänderung

11.1.2.1 Wirkung von transparenten Beschichtungen

11.1.2.2 Alterung in Innenräumen

11.1.2.3 Farbänderung bei Freibewitterung

11.2 Sonstige optische Eigenschaften (Tracheideffekt)

11.3 Spektrometrische Eigenschaften

12 Korrosionsverhalten und Alterung von Holz und Holzwerkstoffen

12.1 Übersicht

12.2 Einfluss des Klimas und Bestimmung der Klimabeständigkeit

12.2.1 Holz

12.2.2 Holzwerkstoffe

12.3 Alterung von Holz und Holzwerkstoffen

12.3.1 Vollholz

12.3.2 Holzwerkstoffe

12.4 Einfluss der mechanischen Vorbeanspruchung

12.5 Einfluss aggressiver Medien

12.5.1 Wasser

12.5.2 Chemikalien

12.5.3 Metalle

13 Elastomechanische und inelastische Eigenschaften von Holz und Holzwerkstoffen

13.1 Übersicht

13.2 Elastische Eigenschaften

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

13.2.1.1 Allgemeine Grundlagen im eindimensionalen Belastungsfall

13.2.1.2 Verallgemeinertes Hookesches Gesetz für orthotrope Werkstoffe

13.2.2 Zur Orthotropie des Holzes und der Holzwerkstoffe

13.2.3 Tensortransformation

13.3 Kenngrößen und deren Messung

13.3.1 Elastizitätsmodul (E-Modul)

13.3.1.1 Statische Methoden

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

13.3.2 Schubmodul

13.3.2.1 Kenngröße

13.3.2.2 Prüfung

13.3.3 Poissonzahl

13.3.3.1 Kenngröße

13.3.3.2 Prüfung

13.3.4 Knickung

13.3.4.1 Elastische Knickfälle nach Euler

13.3.4.2 Nichtelastisches Knicken nach Tetmajer

13.4 Materialkennwerte und Einflussfaktoren

13.4.1 Übersicht

13.4.2 E-Modul und Schubmodul

13.4.2.1 Einflussfaktoren

13.4.3 Poissonzahlen

13.5 Rheologische Eigenschaften

13.5.1 Übersicht

13.5.2 Kriechen

13.5.2.1 Physikalische Ursachen

13.5.2.2 Kenngrößen/Prüfung

13.5.2.3 Einflussfaktoren

13.5.3 Mechanosorptives Verhalten von Holz

13.5.4 Spannungsrelaxation

13.5.4.1 Physikalische Ursachen

13.5.4.2 Kenngrößen/Prüfung

13.5.4.3 Einflussfaktoren und Materialkennwerte

13.5.5 Dauerstandfestigkeit

13.5.5.1 Physikalische Ursachen

13.5.5.2 Kenngrößen/Prüfung

13.5.5.3 Einflussfaktoren und Materialkennwerte

13.5.6 Rheologische Modelle

14 Festigkeitseigenschaften

14.1 Übersicht

14.2 Wirkung wesentlicher Einflussfaktoren

14.2.1 Struktur des Holzes

14.2.1.1 Faser-Last-Winkel/Schnittrichtung

14.2.1.2 Rohdichte und Jahrringe

14.2.1.3 Astigkeit/Druckholz/Kerbspannungen

14.2.2 Klimatische Bedingungen

14.2.3 Alterung

14.2.4 Vorgeschichte des Holzes

14.2.5 Einfluss von Gamma- und Röntgenstrahlung

14.2.6 Prüfmethodik

14.2.6.1 Belastungsdauer und Belastungsgeschwindigkeit

14.2.6.2 Belastungsart

14.2.6.3 Probengeometrie

14.3 Phänomenologische Beschreibung des Bruchverhaltens von Holz und Holzwerkstoffen

14.3.1 Vollholz

14.3.2 Holzwerkstoffe

14.3.2.1 Brettschichtholz, Massivholzplatten, Sperrholz

14.3.2.2 Partikelwerkstoffe

14.4 Ausgewählte Grundlagen der Bruchmechanik

14.4.1 Übersicht

14.4.2 Prüfmethodik

14.4.3 Materialkennwerte und Einflussfaktoren

14.5 Festigkeitseigenschaften

14.5.1 Übersicht

14.5.2 Plastische Eigenschaften

14.5.3 Zugfestigkeit

14.5.4 Druckfestigkeit

14.5.5 Biegefestigkeit

14.5.6 Scherfestigkeit

14.5.7 Torsionsfestigkeit

14.5.8 Spaltfestigkeit

14.5.9 Nagel- und Schraubenausziehwiderstand

14.5.10 Schlagzähigkeit

14.5.11 Dauerschwingfestigkeit

14.5.12 Härte und Abnutzungswiderstand

14.5.12.1 Härte

14.5.12.2 Statische Härteprüfung

14.5.12.3 Dynamische Härteprüfung

14.5.12.4 Einflussfaktoren und Materialkennwerte

14.5.13 Abnutzungswiderstand

14.5.13.1 Kenngrößen/Prüfverfahren

14.5.13.2 Einflussfaktoren und Materialkennwerte

15 Neue innovative Prüfverfahren

15.1 Übersicht

15.2 Einfluss der Skalierung auf das Messergebnis

15.3 Bauteilprüfung und biaxiale Belastung

15.4 Messsysteme für Prüfungen im Mikrobereich

15.4.1 Dehnungsmessungen

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

15.4.3 Neutronenradiographie und -tomographie

15.4.4 Sylviscan

15.5 Messsysteme für Prüfungen im Nanobereich und sonstige Methoden

15.5.1 Nanoindentierung

15.5.2 Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA)

15.6 Messsysteme für Messungen im Nanobereich

15.6.1 RAMAN-Spektroskopie

15.6.2 Rasterkraftmikroskopie

16 Spannungen und Verformungen in Holz und Holzwerkstoffen

16.1 Wuchsspannungen im Vollholz, Mikrobrüche durch mechanische Belastung

16.1.1 Frostrisse

16.1.2 Risse infolge von Saugspannungen

16.1.3 Wuchsspannungen

16.1.4 Verformungen durch Zug- und Druckholz

16.1.5 Risse infolge mechanischer Beanspruchung (Sturmschäden)

16.2 Spannungen und Verformungen von Holzwerkstoffen (Eigenspannungen)

16.2.1 Partikelwerkstoffe

16.2.2 Werkstoffe auf Vollholzbasis

16.3 Spannungen durch äußere, klimatische Einflüsse

17 Nutzung holzphysikalischer Eigenschaften zur Online-Qualitätskontrolle

18 Modellierung von Holz und Holzwerkstoffen: Möglichkeiten und Grenzen

18.1 Vorbemerkungen

18.2 Holz und Holzwerkstoffe

18.2.1 Grenzen der Berechenbarkeit

18.2.2 Vollholz

18.2.3 Holzwerkstoffe

18.2.3.1 Lagenholz (Sperrholz, Brettsperrholz)

18.2.3.2 Verbundplatten

18.2.3.3 Spanplatten

18.2.3.4 Faserplatten

18.2.3.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

18.3 Durch Feuchtewechsel induzierte Spannungen, Verformungen und Versagensvorgänge

18.3.1 Ausgewählte FE-Modelle für die Spannungsberechnung

18.3.2 Quellung zwischen den Jahrringen

18.3.3 Verformung mehrschichtiger Platten

18.4 Feuchte- und Wärmetransport

19 Verzeichnis wichtiger Kennwerte und Eigenschaften

19.1 Allgemeine Kennwerte und Grundlagen

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

19.1.2 Kennzeichnung von Holzwerkstoffen

19.1.3 Brandverhalten von Holz und Holzwerkstoffen

19.1.4 Holzschädlinge

19.2 Eigenschaften von Vollholz

19.2.1 Kennwerte von Holz nach DIN 68364:2005

19.2.2 Eigenschaften von Vollholz

19.2.3 Charakteristische Kennwerte von Vollholz

19.2.4 Güteanforderungen

19.2.4.1 Güteanforderungen an Rund- und Schnittholz (Nadelholz)

19.2.4.2 Güteanforderungen an Rund- und Schnittholz (Laubholz)

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

19.2.5 Güteanforderungen an Baurundholz

19.2.6 Kennwerte von vergütetem Holz

19.2.7 Kennwerte für Quellung und Tränkbarkeit

19.2.8 Eigenschaften verschiedener Rindenarten

19.2.9 Kennwerte für die Berücksichtigung der Belastungsdauer

19.3 Eigenschaften von ausgewählten Holzwerkstoffen

19.4 Prüfverfahren zur Ermittlung ausgewählter Festigkeitseigenschaften

19.5 Dampfdruck und relative Luftfeuchte

19.6 Quellung in Lösungen

20 Verzeichnis ausgewählter Normen, Symbole und weiterführender Literatur

20.1 Normen

20.1.1 Vollholz

20.1.2 Holzwerkstoffe

20.1.3 Verklebung

20.1.4 Holzschutz

20.1.5 Formaldehydbestimmung

20.1.6 Holzbau

20.1.7 Dämmstoffe

20.1.8 WPC

20.2 Wichtige Symbole

20.3 Ausgewählte weiterführende Literatur

Index