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Dauerhafte Holzbauten bei chemisch-aggressiver Beanspruchung holzbau handbuch Reihe 1, Teil 8, Folge 2 2 Naturtalent: Der Werkstoff Holz 2.1 Chemischer Aufbau Der chemische Aufbau von Holz wird nach stehend unter den Aspekten Elementarzusammensetzung und Bestandteile betrachtet. Die Elementarzusammensetzung, somit die enthaltenen chemischen Substanzen, ist für unterschiedliche Holzarten sowie für verschiedene Bestandteile eines Baumes wie Stamm, Äste oder Wurzel weitgehend konstant. Es kann von nachstehenden Durchschnittswerten ausgegangen werden: Tabelle 2.1 Elementarzusammensetzung von Holz 4 Chemisches Element Anteil Kohlenstoff ca. 50% Sauerstoff ca. 43% Wasserstoff ca. 6% Stickstoff und Mineralien ca. 1% Die chemischen Bestandteile von Holz umfassen im wesentlichen die drei zellwandaufbauenden Stoffe Cellulose, Polyosen und Lignin. Diese drei Substanzen sind hochmolekular und verleihen aufgrund ihrer Struktur den Zellwänden des Holzes ihre Festigkeit. Cellulose Sie stellt die Gerüstsubstanz der Holzzellwände dar und dient vornehmlich der Zugfestigkeit. Die langen fadenförmigen Molekülketten sind zu Einheiten, den sogenannten Fibrillen, zusammengelagert. Die Funktion der Cellulose kann vereinfacht mit der Wirkung der Bewehrung in Stahlbeton verglichen werden. Lignin Lignin ist die eigentliche „verholzende“ Komponente der Zellwand. Es besteht aus vernetzten Makromolekülen, die den Zellwänden des Holzes durch Ausfüllen der Hohlräume zwischen den Fibrillen der Cellulose die Druckfestigkeit verleihen. Polyosen Polyosen sind kurzkettige Moleküle. Ihre Funktion kann verallgemeinert als Kittsubstanz oder Verbindungsmittel zwischen den Gerüstsubstanzen Cellulose und Lignin angesehen werden. Neben den zellwandaufbauenden Molekülen kommen eine Reihe von Inhalts- Kollabierte Siebzellen Bastparenchym Tätige Siebzellen Kambium Frühholz mit dünnwandigen Tracheiden Jahrringgrenze Spätholz mit dickwandigen Tracheiden und Harzgang (HZ) Mehrreihiger Holzstrahl mit Harzgang Tangentialschnitt Einreihiger Holzstrahl (HS) Abbildung 2.1 Räumliche Darstellung Nadelbaum [24] stoffen wie u.a. Harze, Öle, Fette, Gerbstoffe, Kautschuk oder Säuren vor. Diese Stoffe weisen in den jeweiligen Nadel- und Laubholzarten sehr unterschiedliche Zusammensetzung auf und sind verantwortlich z.B. für Farbgebung, Geruch, Oberflächenbeschaffenheit oder Widerstandsfähigkeit gegen Pilze und Insekten. 2.2 Anatomischer Aufbau Holz im Sinne des technischen Bau- und Werkstoffes wird durch das sekundäre Dauergewebe von Stämmen und Ästen gebildet. Der Holzkörper besteht aus Millionen einzelner Zellen mit unterschiedlicher Größe, Art und Verteilung. Gleichartige Zellen können in größeren Verbänden, dem Gewebe, auftreten. Hinsichtlich ihrer Funktion werden die Gewebearten in drei Gruppen unterschieden: • mechanische Festigung • Nährstoffleitung und -transport • Speicherfunktion Bei Nadelhölzern wird das Festigungsgewebe durch Tracheiden gebildet, die zugleich dem Nährstofftransport dienen. Laubhölzer hingegen besitzen als festigende Struktur Libriformfasern und teils Fasertracheiden, während der Nährstofftransport durch separate Gefäße übernommen wird. Radialschnitt ML Querschnitt Mittellamelle ML Sekundärwände S1 und S2 Primärwand P Tertiärwand T Abbildung 2.2 Submikroskopischer Zellenaufbau [1] Abbildung 2.2 zeigt schematisch die verschiedenen Schichten von Holzzellwänden (Tracheiden des Nadelholzes sowie Libriformfasern bei Laubhölzern). Diese Darstellung lässt die hohe Resistenz von Holz als „High-Tech-Verbundwerkstoff“ in besonderer Weise erahnen. Die einzelnen Wandschichten (Mittellamelle ML, Primärwand P, Sekundärwände S1 und S2, Tertiärwand T) mit unterschiedlicher Richtung der Holzfasern umschlingen und festigen sich gegenseitig. T S2 S1 P
Dauerhafte Holzbauten bei chemisch-aggressiver Beanspruchung holzbau handbuch Reihe 1, Teil 8, Folge 2 Das Speichergewebe besteht bei allen Hölzern aus den sog. Parenchymzellen (= Speicherzellen). Größtenteils verlaufen die Holzfasern in Längsrichtung zur Stammachse. In Querrichtung hierzu („radial“) zeigen sich als Holzstrahlen bezeichnete Zellbänder. Diese Zellen übernehmen die radiale Leitung und Speicherung von organischen Stoffen. 2.3 Technische Eigenschaften Für die physikalischen und technologischen Eigenschaften des Holzes sind zunächst das Festigkeits- und Nährstoffleitgewebe verantwortlich. Insbesondere bei Anwendungen in chemisch-aggressiven Medien verleihen weitere technische Eigenschaften dem Werkstoff Holz im Vergleich mit konkurrierenden Bau- und Werkstoffen eine herausragende Stellung. Hierzu zählen Dauerhaftigkeit, thermisches Verhalten, Resistenz gegenüber festen, flüssigen und gasförmigen Umgebungsstoffen oder antibakterielle Wirkung. 2.3.1 Verhalten des Holzes gegenüber Temperatureinflüssen Bei Temperaturschwankungen unterliegen Stoffe jeglicher Art Dimensionsschwankungen. Der materialspezifische Längenausdehnungskoeffizient ist bei Holz im Vergleich zu anderen Werkstoffen sehr gering und braucht für Standsicherheitsbetrachtungen daher im Regelfall nicht berücksichtigt zu werden. 25 20 15 10 5 0 0 Alu V2A Guss Holz Poly- Poly- PVC Guss Holz amid äthylen Abbildung 2.3.a Längenausdehnungskoeffizienten konstruktiver Baustoffe Auch bei hohen Temperaturen tritt über längere Zeiträume hinweg keine thermische Zersetzung ein. Erst oberhalb von 60–80 °C finden allmähliche, mit steigender Temperatur sich beschleunigende chemische Veränderungsprozesse statt. Bei den behandelten Bauwerksarten in der vorliegenden Schrift treten über längere Zeiträume im Regelfall Temperaturen bis zu 60 °C auf. Hieraus resultieren keinerlei negative Auswirkungen auf Festigkeitsverhalten und Dimensionsstabilität des Baustoffes Holz. Aus den Abbildungen 2.3.a und 2.3.b ist zu erkennen, dass das Längenausdehnungsverhalten bei Werkstoffen aus Kunststoff gegenüber Metall und Holz erheblich abweicht. So wird etwa im Automobilbau ein verstärkter Einsatz von neu entwickelten Holz- und Holzverbundwerkstoffen angestrebt. Chemisch-aggressive Medien wirken häufig in Gasform bzw. in Verbindung mit Wasserdampf auf die umgebende Baukonstruktion ein. Bei der Entstehung von Tauwasser unterliegen konstruktive Werkstoffe einer nochmalig verstärkten chemischen und mechanischen Beanspruchung. Die Bildung von Tauwasser hängt von den Faktoren Oberflächentemperatur Hüllfläche, Innentemperatur sowie relative Luftfeuchte im Innenraum ab. Aufgrund seines anatomischen Aufbaues mit dünnen Zellwänden und zwischenliegenden Hohlräumen ist der Werkstoff Holz das Vorbild vieler synthetischer Dämmstoffe. Neben hoher Festigkeit besitzt er Längenausdehnungskoeffzient a [10 –6/K] Längenausdehnungskoeffzient a [10 –6/K] 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Abb. 2.3.b Vergleich Längenausdehnungskoeffizienten Kunststoffe, Guss und Holz Tabelle 2.2 Raumseitige Oberflächentemperatur und Grenzfeuchte für Tauwasserausfall an verschiedenen Baustoffen bei ϑa = 0 °C, ϑ l = 20 °C, Materialstärke 100 mm Baustoff Wärmeleit- Oberflächen- Grenzfeuchte fähigkeit λ temperatur rel. Luftf. [W/mK] innen ϑi [°C] ϕ [%] Aluminium 200 4,7 36,7 Stahl 60 4,8 37,0 Guss 50 4,8 37,0 V2A-Stahl 15 5,3 38,1 Beton 2,1 8,2 46,1 Polyethylen 0,4 13,8 67,6 Nadelholz 0,13 17,1 84,1 hiermit sehr gute Wärmedämmeigenschaften. Tabelle 2.2 verdeutlicht diese Zusammenhänge. Ausgehend von einer Temperatur innen 20 °C und außen 0 °C werden die Oberflächentemperaturen für mehrere Baustoffe mit einer Materialstärke von 100 mm ausgewiesen. Zugleich ist jeweils der Grenzfeuchtegehalt der Innenluft enthalten, ab welcher mit Tau- bzw. Schwitzwasserbildung gerechnet werden muss. Unter diesen vorgegebenen klimatischen Voraussetzungen wäre beispielsweise bei Einsatz von Stahl oder Guss ab einer Luftfeuchte von 37–38%, welche durchaus als „trocken“ gilt, mit Schwitzwasser an Bauteiloberflächen zu rechnen. In nahezu allen Anwendungsfällen dieser Schrift werden solche Grenzwerte deutlich überschritten. Bei Verwendung von Holz ist bei den obigen Klimabedingungen mit Tauwasser beginnend ab ca. 84% Luftfeuchte zu rechnen. Dieser als „schwül“ empfundene Wert wird in vielen Anwendungen in Industrie, Technik und Freizeit höchstens kurzfristig erreicht. Konstruktionen in Holz bleiben daher in vielen Anwendungsfällen auch ohne zusätzliche Wärmedämmschichten tauwasserfrei. 5
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