Schwinden und Quellen von Holz
-
Holz hat besondere Eigenschaften
-
Wasser ist die bestimmende Größe
-
Schwinden und Quellen wirken nur unterhalb der
Fasersättigungsfeuchte
"
Nicht nur der Zimmermann, auch das Holz arbeitet
." So einfach
erklärt der Zimmermann jede Formänderung am Holz, die sich augenscheinlich und
stetig mit Rissen zeigt.
Ist das Arbeiten beim Zimmermanns so eine Sache, das Arbeiten des Holzes ist
jedenfalls stetig und berechenbar.
Holz hat besondere Eigenschaften.
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Holz ist porös.
Seine Porosität ist als physikalische
Größe das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen vom Stoff
"Holz".
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Holz nimmt Wasser auf.
Es nimmt Wasser aus der Luft
durch Sorption auf oder gibt es durch Desorption an die Luft ab. Dies
bezeichnet man als hygroskopische Eigenschaft des Holzes.
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Holz bewegt sich.
Holz schwindet und quillt.In den
Hauptrichtungen, axial, radial und tangential, geschieht dies jedoch
unterschiedlich. Das nennt man Anisotropie.
Diese besonderen Eigenschaften des Holzes sind in Wechselwirkung mit dem
Umgebungsklima und untereinander wirksam.
| Die Kenngröße zur Beurteilung des Wasseranteils
ist |
der Feuchtegehalt
im Holz: u =
|
m
u
- m
dtr
m
dtr
|
x 100 (%)
|
|
| u = Feuchtegehalt |
|
m
u
= Masse des Holzes in feuchten
Zustand
|
|
m
dtr
= Masse des Holzes im darrtrockenen
Zustand
|
| Qu: DIN 52183 |
|
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Begriffe zur
Holzfeuchte und der Feuchtebereich
|
| Begriff |
Holzfeuchte in
Masse-% |
Anmerkungen |
| saftfrisches Holz /
naß |
< 50 bis
> 100
|
frisch gefällt |
| fasergesättigt |
< 28 bis 32 (Eiche
25%) |
Gleichgewichtsfeuchte bei 100% rel. Luftfeuchte,
u
(gl)
|
| halbtrocken |
< 20 bis 30 |
. |
| lufttrocken |
< 0 bis 20 |
. |
| darrtrocken |
0 |
bei 103 °C
getrocknet |
Qu. n.a. Dr. H.-J.Rafalski, Seminar Sachkunde bek.
Holzschutz
|
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Sorptionsisotherme von Holz für 20°C
. Zwischen der relativen
Luftfeuchte (φ) und der Holzfeuchte (ω) besteht eine
Wechslwirkung. Ablesebeispiel: Eine Raumluftfeuchte von 50% ergibt eine
Gleichgewichtsholzfeuchte von ca. 10%.
Bild: proHolz Austria
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trocken verbautes
Holz = wenig Bewegung
|
| an
Baukonstruktion |
sichert dies
positive Effekte |
| Holzdachkonstruktion |
für Hausbock
unattraktiv |
| Holzkonstruktionen |
Außenhaut dicht |
| späterer
Trockenbau |
ohne Risse |
|
Wasser ist die bestimmende Größe.
Das so genannte Arbeiten von Holz wird von der im Holz enthaltenen
Wassermenge bestimmt, der jeweiligen Holzfeuchte. Das Maß der Holzfeuchte
u
wird in Masse-% angegeben und wird auf das Trockengewicht
(Darrgewicht) einer Holzart bezogen.
Wann führt eine Änderung der Holzfeuchte zu einer Formänderung am Holz,
welche wichtige Wechselbeziehungen sind zu beachten?
Im frischen Zustand kann Holz je nach seiner Anatomie große Mengen Wasser
enthalten. Holzartabhängig kann dies bei über 100 % der Trockenmasse liegen. Im
Zuge des Trocknens von Holz, nach seiner Fällung, wird bald ein Punkt der
Fasersättigung
erreicht, der einer umgebenden (gesättigten)
Luftfeuchtigkeit von 100 % entspricht. Alle Zellhohlräume sind frei von
flüssigem Wasser.
Ab hier (holzartbedingt 35-22% = i.M. 30%) sind die hygroskopischen
Eigenschaften des Holzes wirksam (hygroskopischer Bereich). Das Verhältnis von
Holzfeuchte zu umgebenden Klima ist bestimmt. Es besteht eine
Gleichgewichtsfeuchte.
Abhängig von der das Holz umgebenden Luftfeuchte,
verringert sich bei geringerer Luftfeuchte der Wassergehalt des Holzes, es
trocknet, desorbiert Wasser. Es schwindet.
Bei absolut trockener Luft wird das Holz frei von Wasser, es ist
darrtrocken. Dann ist alles freie Wasser verschwunden, nur noch chemisch
gebundenes Wasser könnte im Holz enthalten sein. Dieser Zustand wird bei einer
Trocknung im Wärmeofen bei 103 °C erreicht. Höhere Temperaturen würden auch
chemisch gebundenes Wasser freisetzen.
Dieser Vorgang beim Trockenen des Holzes ist umkehrbar. Holz wird bei
ansteigender Luftfeuchte wieder mehr Wasser in sich aufnehmen, es adsorbiert
Wasser. Dies führt wiederum zu einer Formänderung. Nunmehr quillt das Holz.
Diese berechenbare Wechselbeziehung zwischen Holz und der umgebender
Klimatik unterhalb des Fasersättigungspunktes ist in der Sorbtionsisotherme
(rechts oben) dargestellt. Dabei nimmt Holz als hygroskopischer Stoff
entsprechend den Sorptionsthermen aus der Umgebung Feuchtigkeit auf.
Die Sorptionskurven
zeigen die sich natürlich einstellende Feuchtigkeit von Stoffen in
Abhängigkeit
der Raumluftfeuchte und -temperatur, wobei zwischen der Feuchteaufnahme
(Absorption)
und der Feuchteabgabe (Desorption) unterschieden werden muß. Die Kurven
dieser beiden Vorgänge unterscheiden sich durch eine Hysterese (in Abb. 2 nicht
dargestellt).
|
Fasersättigungsbereich
wichtiger Holzarten (Bau) Holzfeuchte in
Masse-%
|
| Fichte, Tanne |
30-34 |
| Kiefer, Lärche |
26-28 |
| Buche |
32-35 |
| Eiche |
23-25 |
Schwinden und Quellen wirken nur unterhalb der Fasersättigungsfeuchte
Formänderungen des Holzes finden erst unterhalb der Fasersättigung statt,
dazu ist die Holzfeuchte darunter von Interesse. Hinsichtlich der Verwendung
von Holz an der Baukonstruktion interessiert der Bereich des Umgebungsklimas im
überdachten und beheizten Gebäude. An der Sorptionsisotherme (rechts)
abgelesen, stellt sich bei einem Normwohnklima von 20 °C mit rel. Luftfeuchte
von 50 % für dort verbautes Holz eine Gleichgewichtsholzfeuchte bei u=10 %
ein.
Im Zuge der Verwendung muß dieser Zustand durch natürliche oder künstliche
Trocknung vorbereitet werden. Ziel ist dabei, den Bereich der Holzfeuchte zu
erreichen, welcher nach dem Verbau bei der späteren Nutzung zu erwarten ist. Am
Holz sollen nach dem Verbau Formänderungen und damit vor allen Dingen die
Rißbildung größtmöglich gemindert werden.
|
Quellmaße von Fichtenholz in Richtung der drei Hauptachsen in
Abhängigkeit von der Gleichgewichtsholzfeuchte
(nach Noack/Schwab)
|
|
|
Differntielles
Quell- oder Schwindmaß bei Änderung der Holzfeuchtigkeit um 1 %
je % Holzfeuchteänderung
|
| Holzart |
längs |
radial |
tangential |
| Fichte |
0,01 |
0,19 |
0,36 |
| Tanne |
0,01 |
0,14 |
0,28 |
| Kiefer |
0,01 |
0,19 |
0,36 |
| Lärche |
0,01 |
0,14 |
0,30 |
| Douglasie |
0,01 |
0,15 |
0,27 |
| Eiche |
0,01 |
0,18 |
0,34 |
| Buche |
0,013 |
0,20 |
0,41 |
|
|
|
|
Rechnerische Bestimmung der
Quell- und Schwindverformung
|
| tangential: |
|
bzw. |
|
| radial: |
|
bzw. |
|
| Mittelwert: |
|
bzw. |
|
|
= Feuchtigkeitsunterschied |
|
b = Breite, h =
Höhe
|
= Querschnittsabmessungen |
|
E (t = tangential, r
= radial)
|
= Quellmaß |
|
|
Quellung und
Schwindung von Holz nach DIN 52184
|
Trocknungsschwindmaße in % beim Schwinden von Fasersättigung auf
eine
|
maximales
Quellmaß in %
(dieses Maß ist in der Praxis von geringem
Interesse)
|
Holzfeuchte
u = 12 M-%
|
Holzfeuchte
u =17 M-%
|
| Holzart |
längs |
radial |
tangential |
radial |
tangential |
radial |
tangential |
| Fichte |
0,2 -0,4 |
3,7 |
8,5 |
2,0 |
4,0 |
1,0 |
2,0 |
| Tanne |
0,1 |
3,8 |
7,6 |
2,0 |
5,0 |
1,3 |
3,6 |
| Kiefer |
0,2 - 0,4 |
4,2 |
8,3 |
3,0 |
4,5 |
2,0 |
2,7 |
| Lärche |
0,3 |
3,3 |
7,7 |
3,0 |
4,5 |
2,3 |
3,0 |
| Douglasie |
0,3 |
4,2 |
7,4 |
2,5 |
4,0 |
1,8 |
2,7 |
| Eiche |
0,4 |
4,0 |
8,0 |
4,0 |
7,5 |
3,2 |
5,7 |
| Buche |
0,2 -0,6 |
6,2 |
13,4 |
4,5 |
9,5 |
3,5 |
7,4 |
- P.Niemz,
IfB Woodphyscs
, ETH Zürich - Baustoffsammlung
der Fakultät für Architektur der TU München
Datenbank
- GDH e.V
http://www.holzhandel.de
|
|
Daraus resultieren die vielen Baubestimmungen zu der
Einbaufeuchte von Holz
.
Die Kräfte, denen das Konstruktionsholz bei der Schwindung oder Quellung
ausgesetzt ist, sind so ernorm, daß Bauschäden vorprogrammiert sind, wenn
zwischen Holzfeuchte beim Verbau und der danach nutzungsbedingt wirkenden
Klimatik der Umgebung zu große Unterschiede bestehen. Die Einbaufeuchte von
Konstruktionsholz wurde daher in DIN 18343 bei max.18% festgeschrieben.
Aufgrund der Struktur des Holzes ist das Schwinden und Quellen je nach
Richtung unterschiedlich. Im Bereich zwischen 5 und 25% Holzfeuchte besteht
eine Linearität. Während in der Faserlängsrichtung nur eine sehr geringe
Längenänderung erfolgt (0,1%), ist dies in der Querrichtung ausgeprägter. Wegen
der Jahrringstruktur des Holzes ist die Bewegung tangential (längs der
Jahrringe) größer (10%) als quer in Richtung der Markstrahlen (5%).
Bei einer Holzfeuchteänderung von 1 % beträgt das ideelle Schwindmaß unserer
einheimischen Nadelhölzer i.M.
-
radial
etwa 0,16% je % Holzfeuchteänderung,
-
tangential
etwa 0,32% je % Holzfeuchteänderung.
Longitudinal, in Faserrichtung längs, werden Quellen und Schwinden in der
Praxis vernachlässigt. Wichtig sind nur die tangentiale und radiale
Richtung,. Gemittelt aus differentiellem Quell- und Schwindmaß nimmt man für
europäische Nadelhölzer einfachheitshalber einen Wert von 0,24 % pro 1 %
Holzfeuchteänderung an.
|
Im Bild links sieht man die
Formänderungen entsprechend der Schnittaufteilung an einem Baumstamm nach
dem Zuschnitt und nach der Trocknung von nass auf Normalklima. Rechts im
Bild die Formänderung von Kantholz aus 4-stieligem Einschnitt, ebensfalls
nach Trocknung. Die äußere Form ist der nasse Querschnitt vom ganzen Baum
bzw. Kantholz. Fotos: Dr. Kürsten
|
Bestimmung der Quellung und Schwindung in der DIN
52184:1979-5
Die Bestimmung der Quellung und Schwindung wird in der DIN 52184:1979-5
geregelt. Besonders für die praktische Holzverwendung sind wichtig
-
a) die Maße des trockenen Holzes in den drei anatomischen
Richtungen bei Änderung des Umgebungsklimas (
differentielle Quellung,
Quellungskoeffizient
) und
-
b) die Schwindung des Holzes beim Trockenen vom nassen
(frischen) auf den normalklimatisierten Zustand
(
Trocknungs-Schwindmaß
).
Lineares Quellmaß α:
Maßänderung in einer bestimmten
holzanatomischen Richtung bei Zunahme der Holzfeuchte
u
1
auf
u
2
bezogen auf ´den darrtrockenen Zustand
u
0
= 0%
l
0,
l
1,
l
2
sind die Maße des Holzes in einer bestimmten Richtung bei den
Holzfeuchten
u
0,
u
1
und
u
2.
Ein Sonderfall ist das
maximale Quellmaß
α
max
bei Quellung von darrtrocken auf nass.
l
w
ist das Maß des nassen Holzes, dessen
Holzfeuchte über der Fasersättigung liegt, in einer bestimmten anatomischen
Richtung.
Lineares Quellmaß β:
Maßänderung in einer bestimmten
holzanatomischen Richtung bei Abnahme der Holzfeuchte
u
1
auf
u
2
bezogen auf den nassen Zustand.
Ein Sonderfall ist das
Trocknungs-Schwindmaß
β
N
bei Trocknung von auf den
normalklimatisierten Zustand.
l
N
ist das Maß des Holzes in einer bestimmten
Richtung nach Lagerung im Normalklima DIN 50014-20/65-1 (20 ±1°C und 65 ±3%
relativer Luftfeuchte)
Volumenquellmaß α
v
:
ergibt sich aus den linearen
Quellmaßen der 3 Hauptrichtungen des Holzes:
so ergibt sich näherungsweise
α
v
≈
α
t
+ α
r
+ α
l
bzw. α
v
≈ α
t
+ α
r
Volumenschwindmaß α
v
:
ergibt sich aus den linearen
Quellmaßen der 3 Hauptrichtungen des Holzes:
Quellungskoeffizient
h:
ist das prozentuale Quellmaß des
Holzes je 1 % relative Luftfeuchteänderung im für die praktische
Holverwendung wichtigen relativen Luftfeuchtebereich.
Hierbei stehem die Indizes F (feucht) T (trocken) für die innerhalb
der angegebenen Granzen wählbare Einstellung des Feuchtklimas bei 20°C und
80% ≤ φ
F
≤ 90%, bzw. des Trockenklimas bei 20°C
und 83% ≤ φ
T
≤ 40%.
l
F
ist
das Maß des Holzes im Feuchtklima und
l
T
das Maß des
Holzes im Trockenklima, jeweils nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes.
Differentielle Quellung
q:
ist das prozentuale Quellmaß des
Holzes je 1 % relative Luftfeuchteänderung im für die praktische
Holverwendung wichtigen relativen Luftfeuchtebereich.
u
F
ist das Maß des Holzes im Feuchtklima und
u
T
das Maß des Holzes im Trockenklima, jeweils nach
Erreichen des Gleichgewichtszustandes.
Quellungsanisotropie
A q:
Schnittholzquerschnitte verformen
sich bei Änderung der Holzfeuchte im Querschnitt. Das liegt darin, daß die
Kanten selten parallel zu den holzanatomischen Richtungen liegen. Der
Quotient aus den differenziellen Quellungen in tangentialer und in radialer
Richtung dient der Abschätzung von Verformungen bei der praktischen
Holzverwendung.
Anisotropie der Trocknungs-Schindmaße
A
β
:
bezeichnet den Quotienten aus den Trocknungs-Schwindmaßen in tangentialer und
in radialer Richtung. Er dient der Abschätzung von Querschnittsverformungen
bei der Holztrocknung.
|
aus DIN 1052
|
Die DIN 1052 zu Schwinden und Quellen
DIN 1052:2008 werden für das Schwinden und Quellen von Vollholz gemittelte
Rechenwerte vorgeben. Dies trägt der Tatsche Rechnung, daß bei der statischen
Berechnung der Winkel der Jahrringe zu den Kanten des Schnittholzes noch
unbekannt ist.
Für das Bauholz heimischer Nadel- und Laubholzarten wird ein mittleres
Schwindmaß für die radiale und tangentiale Richtung von 0,24 je 1% Änderung
der Holzfeuchte unterhalb des Fasersättigungsbereiches angegeben.
Literatur
- Jügen Sell, Eigenschaften und Kenngrößen von Holz, 1997,
Baufachverlag Lignum Zürich
- Ulf Lohmann, Holzhandbuch, 1998, DRW-Verlag
- DIN 52184, 1979, Beuth-Verlag Berlin
- Din 1052, 2004, Beuth-Verlag Berlin
-
P. Niemz, Wood Physics,
www.ifb.ethz.ch
-
Gesamtverband Deutscher Holzhandel e.V
http://www.holzhandel.de
-
Baustoffsammlung der Fakultät für Architektur der TU München
Datenbank
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