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Formholz in der Baukonstruktion
Gefäss:
Holz kann man nur sägen oder hobeln, und wenn man es verbiegt, zerbricht es. So lautet die weitläufige Meinung über das Baumaterial Holz. Eine neue Technologie erlaubt es, Holz so zu bearbeiten und zu verformen, dass es unter hohem Biegedruck nicht bricht.
Wälder stellen eine Ressource dar, deren jährliches Stoffaufkommen weltweit dasjenige der Industrie übertrifft. Die gesamte Biomasse wird auf etwa 50 Milliarden Tonnen pro Jahr geschätzt, die zum überwiegenden Teil in Wäldern in Form von Wurzeln, Stämmen, Ästen und Blattwerk produziert wird. Wälder gehören aber nicht zu den grössten, sondern auch zu den billigsten Stoffproduzenten der Erde. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass der Wald nicht als Stoff-, sondern als Querschnittsproduzent betrachtet wird. Hinzu kommen die Nachteile, die der technischen Verwendung des Baustoffes Holz entgegenstehen. Insbesondere handelt es sich dabei um:
- das geringe Festigkeitsspektrum im Vergleich zu anderen Strukturwerkstoffen;
- die Richtungsabhängigkeit oder Anisotropie;
- die geringe Dauerhaftigkeit bewitterter Bauteile.
Festigkeit von Holz und Pressholz
Festigkeit und Steifigkeit spielen eine herausragende Rolle bei tragenden Anwendungen. Um den Anforderungen an tragende Baustoffe gerecht zu werden, wird die Festigkeit von Holz für bautechnische Anwendungen apparativ sortiert. In der Tat weist die Streuung der mechanischen Eigenschaften von Rund- und Schnittholz ungefähr einen Faktor von fünf und zwei bezüglich der Festigkeit beziehungsweise der Steifigkeit auf. Verglichen mit anderen Baustoffen weisen die Festigkeitsklassen von Schnitt- und Brettschichtholz ein geringes Verhältnis von 1,7 zwischen der höchsten und der niedrigsten Klasse auf mit einer Stufung von etwa 1,3.
Untersuchungen zur Holzqualität belegen, dass Festigkeit und Steifigkeit längs zur Faser entscheidend von der Dichte abhängen. Die Unterschiede zwischen einzelnen Holzarten – etwa Balsa verglichen mit Tropenholz oder der reinen Zellwand – belaufen sich auf etwa eine Zehnerpotenz. Die Sortierung von Nadelholz erfolgt in einem schmalen Bereich zwischen 380 und 500 Kilogramm pro Kubikmeter. Der Vergleich von Bauholz mit faserparallelem, astfreiem Holz fördert nochmals einen Faktor zwei bis drei zutage, sodass das Festigkeitspotenzial reichlich mehr als eine Zehnerpotenz beträgt.
Es ist allgemein bekannt, dass Holz bei einer Temperatur von etwa 140 Grad Celsius einer Verdichtung quer zur Faser unterzogen werden kann. Voraussetzung hierfür ist das poröse Zellgefüge, das mit einem Druck von etwa fünf Megapascal zusammengepresst werden kann, nachdem das Lignin thermisch erweicht worden ist. Beim Pressen erhöhen sich Festigkeit und Steifigkeit proportional zur Dichte; grob gesprochen um einen Faktor zwei bis drei für heimisches Nadelholz. Verdichtung in Querrichtung behält die Anisotropie bei und verstärkt den Grad der Richtungsabhängigkeit sogar. Die konstruktiv wichtige Querdruckfestigkeit profitiert in hohem Masse von der Verdichtung.
Vorbetrachtungen über Holzquerschnitte
Neben den mechanischen Eigenschaften des Holzes ist die strukturelle und wirtschaftliche Leistungsfähigkeit des Querschnitts wichtig. Seine Herstellung wird durch traditionelle Bearbeitungsverfahren bestimmt.
Strukturbauteile übertragen Kräfte und Momente unter Berücksichtigung der Gebrauchstauglichkeit. Dies erfolgt durch ein Produkt aus zwei Faktoren: der Festigkeit, die linear in die Berechnung eingeht, und der Geometrie, die sich in der Potenz auswirkt. Auf diese Weise kann die Bemessung tragender Bauteile durch die Vergrösserung des Querschnittes weit wirkungsvoller erfolgen als durch die Wahl einer höheren Festigkeitsklasse.
Standardisierte Querschnitte aus Metall und Kunststoff erzielen hohe Flächenmomente bei geringem Flächeninhalt, was eine sparsame Verwendung des Materials bedeutet. Das Selbstverständnis des runden und rechteckigen Vollholzquerschnitts verstellt den Blick auf dessen geringe Materialeffizienz. In dieser Hinsicht zeigt der Vergleich dieser Querschnitte mit technischen Profilen ein Verhältnis von 1:15, das sich einerseits aus den Verlusten im Sägewerk und andererseits durch das geringe Flächenmoment des Vollquerschnitts gegenüber dem Profil zusammensetzt.Mit anderen Worten, die Wettbewerbsfähigkeit des Rohstoffes ist ausgezeichnet, sie geht jedoch bei der Transformation des Rohholzes in Querschnitte verloren. Demzufolge muss ein technischer Querschnitt drei Bedingungen zu erfüllen:
- Er darf in Längs- und Querrichtung nicht durch die Baummasse begrenzt werden.
- Er muss effizient sein, das heisst ein grosses Flächenmoment bei kleinem Flächeninhalt aufweisen.
- Er muss in einem preiswerten Massenproduk-tionsverfahren hergestellt werden können.
Schnittholz erfüllt die Bedingung eins und zwei nicht, Leimholz nicht die Punkte zwei und drei, sodass erst das im Anschluss vorgestellte Formholz, das auf einer neuen Betrachtungsweise des Holzes als zellulären Materials beruht, alle drei Bedingungen erfüllt.
Holz als zelluläres Material
Dass Holz ein leicht zu bearbeitendes Material sei, ist eine weitverbreitete Meinung. Das Gegenteil trifft jedoch zu. In der Tat kann Holz mit wenig Kraft und Energie leicht gesägt, gehobelt, gefräst und geschliffen werden, die spanende Materialbearbeitung ist aber im Vergleich zu spanlosen Herstelltechnologien wie Walzen, Giessen, Formen, Tiefziehen, Strangpressen und dergleichen weit weniger wirtschaftlich. Voraussetzung für diese Verfahren ist die Verformbarkeit des Materials, die mit Hilfe von Wärme noch gesteigert werden kann. Holz ist mit einer Bruchdehnung von etwa ein Prozent sehr spröde. Sie fällt ein bis zwei Zehnerpotenzen geringer aus als jene von Metallen oder Kunststoffen.
Ist Holz tatsächlich so spröde? Im letzten Abschnitt wurde darauf hingewiesen, dass Holz unter Wärme und Druck um etwa 50 Prozent quer zur Faser verdichtet werden kann, was mit einer Faltung der Zellwände einhergeht. Von nicht geringerer Bedeutung ist die Tatsache, dass die Verdichtung bei geeignetem Prozessregime wieder rückgängig gemacht und fixiert werden kann, sodass unter diesen Bedingungen nunmehr eine Bruchdehnung von 100 Prozent vorhanden ist. Die Zellstruktur des Holzes fördert eine neue Betrachtungsweise als «schaumstoffartiges» Material, das nun in der Tat leicht bearbeitet werden kann. Ausgehend von diesen Überlegungen werden am Institut für Stahl- und Holzbau der Technischen Universität Dresden massive Platten aus verdichtetem Holz hergestellt, die danach unter Wärme und Feuchtigkeit zu Profilen geformt werden, wobei die Faltung der Zellwände teilweise rückgängig gemacht wird. Der Krümmungsradius des Profils hängt von der vorherigen Verdichtung ab. Bei einem Verdichtungsgrad von 50 Prozent darf die Grösse des inneren Krümmungsradius verfahrensbedingt die Wanddicke des Profils nicht unterschreiten. Im Prinzip sind auf diese Weise alle abwickelbaren Formen in beliebiger Länge und Querabmessung herstellbar.
Die Ressourcenproduktivität von Holz und damit die Wettbewerbsfähigkeit werden durch dieses Vorgehen beträchtlich verbessert.