Schäden an Holzdächern von Biogasbehältern

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1 25. Hanseatische Sanierungstage 25 Jahre Feuchte & Altbausanierung Heringsdorf 2014 Schäden an Holzdächern von Biogasbehältern D. Krause Groß Belitz Zusammenfassung In den vergangenen 2 Jahren wurden durch den Verfasser im Auftrag von Versicherungsgesellschaften Schäden (Einsturz) von Holzdächern von Behältern (Fermenter, Nachgärer, Gärrestelager) von 7 Biogasanlagen nach einer Standzeit von 5 Monaten bis 9 Jahre in den Ländern Mecklenburg-Vorpommern, Brandenburg und Schleswig- Holstein untersucht. Bis dahin lagen zu solchen Schadensfällen keine bekannten veröffentlichten Untersuchungen, Unterlagen, Zahlen- oder Faktenmaterial vor. Die Begutachtungen wurden wissenschaftlich begleitet durch die Hochschule Wismar, Frau Prof. Dr. rer. nat. Claudia von Laar und die Fa. MICOR, Labor für mikrobielle Prozesse und Materialkunde, Frau Dr. Constanze Messal aus Rostock. Es stellte sich heraus, dass die Zusammenhänge des Schadensmechanismus im Holz unter dem Einfluss aggressiver Medien sehr komplex sind und mit den bisherigen Erkenntnissen zur Mazeration nicht zu erklären waren. Darüber hinaus gibt es statische Probleme beim Einsatz von Bauholz unter den in den Behältern extremen Bedingungen, die normativ und regelgerecht kaum erfasst werden können. Inzwischen liegen einige Veröffentlichungen [2], [6] [8], [11], [12] zu einzelnen Schadensfällen vor, in denen die daraus gewonnenen Erkenntnisse dokumentiert werden. Dieser Beitrag stellt den aktuellen Stand der Untersuchungsergebnisse dar und beschreibt die bisher bekannten Auswirkungen von Chemikalien auf die Eigenschaften von Holzbauteilen und Holzbestandteilen sowie die Probleme bei der statischen Berechnung dieser Holzkonstruktionen.

2 1 Technische und naturwissenschaftliche Vorbemerkungen 1.1 Holzdachkonstruktionen Im Folgenden eine kurze, allgemeine Darstellung zur Konstruktion und Funktion eines Holzdachs in einem Biogas-Fermenter/Nachgärer/Gärrestelager, einer viel verbreiteten Bauweise. Die dem Verfasser bekannten Holzdächer bestehen i.d.r. aus rd Holzbalken/Sparren aus Nadelholz (Fichte/Tanne), die sternförmig zwischen der Wandung des Behälters (auf Metall-Konsolen, Balkenschuhen, Aussparungen oder auf dem Behälterrand) und einer Beton- oder Holz-Mittelsäule mit einer Länge von i.d.r. rd m aufliegen. Auf diesen Balken sind mit Luftspalt Schalungsbretter genagelt, die z.t. mit einer Vliesmatte belegt ist (gilt für Fermenter/Nachgärer). Davon abweichend gibt es Konstruktionen, bei denen die Holzschalung nur partiell verlegt ist oder statt Schalung/Vlies nur ein grobmaschiges Netz gespannt ist (überwiegend bei Gärrestelagern). Bild 1: Aufbau eines Fermenters mit Holzdach (Schnitt) Bild 2: Draufsicht

3 Bild 3: Innenansicht Mit der Aufnahme der Lasten der Gasspeicher- und Wetterschutzfolien sowie von Mannlasten bei Errichtung der Anlage bzw. im Reparatur- und im Störungsfall (z.b. Stromausfall) ist eine statische tragende Funktion der Holzbalken gegeben. Eine zweite Funktion ist es, zusammen mit der Schalung und der Vliesschicht bzw. dem Netz eine Besiedlungsfläche für die sog. Thiobakterien zu schaffen. Deren Aufgabe und Funktion im nächsten Punkt. 2.2 Chemische Prozesse in Biogasbehältern Biogas ist eine sehr komplexe, von vielen Faktoren abhängige Mischung verschiedener Gase und chemischer Elemente und Verbindungen. Neben den Hauptbestandteilen Methan (CH 4 ) und Kohlendioxid (CO 2 ) finden sich als Nebenprodukte auch Stickstoff (N), Sauerstoff (O 2 ), Schwefelwasserstoff (H 2 S), Wasserstoff (H 2 ) und Ammoniak (NH 3 ). Weitere Elemente und Verbindungen sind im Substrat nachweisbar (z.b. Phosphate, Ammonium, Chloride, Sulfate, Nitrate, Calcium, Kalium und Silizium). Das qualitative und quantitative Auftreten der verschiedenen Elemente und Verbindungen ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig, so z.b. von Zusammensetzung des Gärsubstrates und der Fahrweise der Anlagen und ist meines Wissens weitgehend unerforscht. Schwefelwasserstoff (H 2 S) kann man als das kritischste Nebenprodukt bezeichnen, da es stark toxisch ist und bei dessen Verbrennung in den Gasturbinen Schwefelsäure entsteht und deshalb zwingend entfernt werden muss. Neben der sog. externen Entschwefelung (die hier nicht betrachtet wird) kommt hier die Funktion des Holzdachs inkl. Schalung/Vlies/Netz als Besiedlungsfläche für die Thiobakterien zum Tragen. Thiobakterien, auch als schwefeloxidierende Bakterien/Schwefelbakterien/Sulfurikanten bezeichnet, gehören zu den gram-negativen,

4 nicht Sporen bildenden Bakterien, von denen 8 bekannte Spezies existieren. Die einzelnen Spezies siedeln sich bei unterschiedlichem ph-wert und ausreichender Substratzufuhr nacheinander an, bis bei ph-werten unter 1 nur noch T. Thiooxidans lebensfähig ist [25]. Bei diesem als interne Entschwefelung bezeichneten Prozess verbrauchen die Thiobakterien im erwünschten Normalfall den im Gärprozess entstehenden Schwefelwasserstoff als Energiequelle und produzieren unter Zugabe von Luftsauerstoff (der in den Behälter eingeblasen wird) während dieser mikrobiologischen Oxidation elementaren Schwefel und Sulfat. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist, dass bei diesem Prozess auch Schwefelsäure und Schwefelwasserstoffsäure entstehen. Dies wird durch die folgenden chemischen Gleichungen dargestellt: Gleichung 1: 2 H 2 S + O 2 2 H 2 O + 2S (der gewünschte Prozess zur Entfernung von H 2 S: Entstehung von Schwefel und Wasser durch die Einblasung von Luftsauerstoff) Gleichung 2: H 2 S + H 2 O H 3 O+ + HS (ein unerwünschter aber permanenter Prozess im Gärraum: Entstehung von saurer und korrosiver Schwefelwasserstoffsäure durch Lösung von H 2 S in Wasser, welches im Gärraum reichlich vorhanden ist) Gleichung 3: S + H 2 O + O 2 - Thio`s H 2 SO 4 (der als kritischste zu bewertende Prozess: Produktion von Schwefelsäure aus Schwefel und Sauerstoff unter Mitwirkung der Thiobakterien) Die o.g. unterschiedlichen Lebensbedingungen der Thiobakterien abhängig vom ph- Wert spielten bei der Untersuchung der Schadensfälle eine wichtige Rolle. Das diese chemischen Prozesse in bekannter Weise hochkorrosiv gegenüber Beton und Metallen sind, ist seit Jahrzehnten allgemein auch aus der Abwassertechnik - bekannt [40], [41]. Völlig unbeachtet wurde deren Wirkung auf Holz, obwohl es zum verwandten Thema Mazeration bzw. Holzkorrosion zahlreiche Untersuchungen und Veröffentlichungen gibt [27] [35]. Dies bildete daher auch den Ausgangspunkt meiner Untersuchungen. 2.3 Holzfeuchte und Holzfestigkeit Holz ist ein hygroskopischer Werkstoff, der Feuchte aus der Umgebung aufnimmt oder abgibt. Die Holzfeuchte hängt von der Umgebungsfeuchte, meist der Umgebungsluft ab: je trockener die Umgebung ist, desto trockener wird das Holz und je feuchter die Umgebung ist, desto feuchter wird auch das Holz. Im Falle der Umgebungsluft gibt es

5 einen direkten Zusammenhang zwischen relativer Luftfeuchte, Temperatur und Holzfeuchte. Wenn das Umgebungsklima (Temperatur und Luftfeuchte) einigermaßen konstant sind, und lange genug auf das Holz einwirken, stellt sich eine bestimmte Holzfeuchte ein. Dieser Wert wird als Gleichgewichtsfeuchte (u gl ) bezeichnet. Die Holzfeuchte, die sich bei 100% relativer Luftfeuchte einstellt, nennt man Fasersättigung. Fichtenholz mit einer durchschnittlichen Rohdichte von r 0 = kg/m³ hat bei 100 % Luftfeuchte eine relative Holzfeuchte von rd. 33 % (Zellwände mit Wasser gefüllt). Es enthält damit bei 25 % Holzfeuchte (Wert für die Nutzungsklasse 3) rd. 100 kg/m³ Wasser und bei 33 % Holzfeuchte rd. 140 kg/m³ Wasser mehr als darrtrocken. Damit wird ein Holzbalken von 0,1 x 0,3 x 10 m bei 25 % Holzfeuchte mit rd. 30 kg und bei 33 % Holzfeuchte mit rd. 43 kg Wasser zusätzlich belastet. Frisch eingeschlagene Nadelhölzer enthalten im Durchschnitt 55-70% Wasser bezogen auf das Holz im darrtrockenen Zustand. Dabei enthält der Kern etwa 35-50%, der Splint etwa % Wasser [23]. Das u max beträgt für Fichte rd. 200 % (Zellen mit Wasser gefüllt = Nasslagerung). Außer der Zunahme des Eigengewichts von Holzbauteilen bei steigender Holzfeuchte ist bekannt, dass das Holz bei einer erhöhten Holzfeuchte auch seine Festigkeit verliert und die Rohdichte sinkt. Praktische Rechenwerte dafür sind [26]: zwischen dem Feuchtegehalt von 8% bis 20% bis zur Fasersättigung (darüber bleibt sie konstant) sinkt die Holzfestigkeit linear ab, damit sinkt bei Zunahme der Holzfeuchte um 1 % o die Druckfestigkeit in Faserrichtung um 6 % o die Druckfestigkeit rechtwinklig zur Faserrichtung um 5 % o die Biegefestigkeit in Faserrichtung um 4 % o die Zugfestigkeit in Faserrichtung um 2,5 % o die Zugfestigkeit rechtwinklig zur Faserrichtung um 2 % o die Schubfestigkeit rechtwinklig zur Faserrichtung um 2,5 % o das Elastizitätsmodul in Faserrichtung um 1,5 % D.h. rein rechnerisch sinkt die Biegefestigkeit als relevante Größe für die Holzbalken bei einer Zunahme der Holzfeuchte von 25 % (Wert für die Nutzungsklasse 3) auf 33 % (Fasersättigung) um rd. 32 %.

6 3 Die Schadensfälle Nachfolgend eine Kurzbeschreibung der untersuchten Schadensfälle. 3.1 Mecklenburg-Vorpommern Mai 2012 Bruch von 3 der Dachsparren nach einer Standzeit von rd. 6 Jahren. Beim Ablegen des Foliendachs zur Reparatur kam es dann zum Bruch 4 weiterer Sparren, so dass im Februar 2012 das komplette Dach des Fermenters erneuert werden musste. Die Begutachtung im Mai Da im 2. Fermenter durch das Schauglas ebenfalls schon gebrochene Sparren sichtbar waren, wurde dieses Dach im August 2012 ebenfalls erneuert. Die Holzbauteile aus diesem 2. Fermenter waren Gegenstand der Untersuchungen durch Frau Prof. Claudia von Laar, Hochschule Wismar. Die bisherigen Untersuchungsergebnisse sind z.t. in [2], [6] und [8] veröffentlicht und auf der Homepage des Verfassers zum download erhältlich. Bild 4: Ansicht Rückbau Sparren aus Bild 5: Neubau Dach Fermenter 1 Fermenter Brandenburg Juli 2013 Abrutschen eines Sparrens aus der Halterung am Behälterrand des Fermenters nach einer Standzeit von rd. 5 Jahren im Mai 2013 mit der Folge des allmählichen Absturzes weiter Sparren bis zum Einsturz beim Erfassen der Schalung/Vliesschicht durch den Paddelgigant. Bruch weiterer Sparren beim Rückbau. Begutachtung parallel zum Rückbau im Juli 2013, veröffentlicht in [7] und [11]

7 Bild 6: Dachkonstruktion nach Rückbau Bild 7: Ansicht Fermenter nach Einsturz/Teilrückbau 3.3 Schleswig-Holstein Dezember 2013 Bruch von insgesamt 6 Sparren im Bereich eines Sparrenwechsels nach einer Standzeit von rd. 3,5 Jahren in Verbindung mit der Ablage des Foliendachs nach einem Stromausfall im Oktober Die Sparrenwechsel war eingebaut worden, um das darunter befindlichen Rührwerk im Reparaturfall austauschen zu können ohne die gesamte Dachkonstruktion entfernen zu müssen. Bild 8: Skizze Nachgärer mit Schadensbereich, die roten Kreise bezeichnen die Bruchstellen des Sparrens am Wechsel

8 Bild 9: gebrochene Sparren am Wechsel Bild 10: Detail Bruchstelle 3.4 Schleswig-Holstein Januar 2014 Bruch der hölzernen Mittelstütze in ca. 2/3 ihrer Höhe des Nachgärers nach einer Standzeit von rd. 3 Jahren mit der Folge des Einsturzes der gesamten Dachkonstruktion im November Untersuchung im Januar Bild 11: Innenansicht mit neuer Mittelstütze Bild 12: Bruchstelle, Draufsicht Bild 13: Bruchstelle nach Sägeschnitt Bild 14: Detail Querschnitt

9 3.5. Schleswig-Holstein März 2014 Einbruch der Dachkonstruktion eines Gärrestelagers nach 2 Jahren Standzeit (Sturmeinwirkung). Bild 15: Einbruchbereich Bild 16: Detail Sparrenbruchstelle 3.6 Mecklenburg-Vorpommern März 2014 Bruch von 3 Sparren (2 weitere angebrochen) eines Gärrestelagers nach wenigen Monaten Standzeit (Sturmeinwirkung). Bild 17: Ansicht nach Öffnung Bild 18: Bergung eines gebrochenen Sparrens 3.7 Mecklenburg-Vorpommern März 2014 Bruch eines Sparrens eines Fermenters nach 9 Jahren Standzeit (baugleich mit Fermenter aus Pkt. 3.1)

10 Bild 19: Ansicht Bruchsparren 4 Bild 20: Detail Bruchstelle Ergebnisse der Untersuchungen 4.1 Visuelle Feststellungen An allen untersuchten Objekten war zu erkennen, das die Holzbauteile mit verschieden Ablagerungen mit sehr differenziertem Aussehen und unterschiedlicher Stärke belegt waren. Dabei war deutlich zu unterscheiden zwischen den Holzbauteilen, die ausschließlich mit dem entstehenden Gas und solchen, die mehr oder weniger mit dem Gärsubstrat in Kontakt gekommen waren. Die Farbe der Beläge ging von einem hellen Gelb bis zu dunklen, fast schwarzen Tönen. Die Beläge waren überwiegend mit Wasser gesättigt. Des Weiteren wurde festgestellt: eine schwärzlich/bräunliche Verfärbungen der Holzoberfläche eine aufgefaserte Holzoberfläche ein meistens sehr kurzfaseriges Bruchbild der Sparren eine z.t. sichtbar starke Durchbiegung der Sparren Der Schadensfall im Januar 2014 in SH ist hier gesondert zu betrachten, da sich die Bruchstelle der Mittelstütze permanent innerhalb des Substrats befand. Bild 21: kurzfaserige Brüche Bild 22: dto. im Detail

11 Bild 23: aufgefaserte Oberfläche Bild 24: diverse Ablagerungen Bild 25: dünne, krustige bzw.. Bild 26:. mehrere cm starke Ablagerungen 4.2 Ergebnisse der chemischen und mikroskopischen Untersuchungen Die Untersuchung der Holzbauteile aus den Schadensfällen auf ihren Gehalt an chemischen Elementen und Verbindungen belegt eine sehr differenzierte Belastung. Auch die ermittelten ph-werte variierten je nach Objekt und Einbausituation der Hölzer. Die nachfolgende Tabelle 1 beinhaltet eine Auswahl typischer Werte von insgesamt 20 Holzproben aus 7 Schadensfällen. Tabelle 1: Bandbreite der chemischen Analysen der Holzproben Gehalt mg/kg Holz Nitrat Sulfat Chlorid Ammonium Phosphat ph-wert ,31 7,8 (10) (100) (100) (20) (20) rd. 5,0 in (Referenzwert, aus [6], [8])

12 In der Auswertung war erkennbar, dass die aus Bruchzonen bzw. sichtbar geschädigten Holzabschnitten aus Fermentern bzw. Nachgärern stammenden Proben eine deutlich höhere Belastung mit o.g. Elementen aufwiesen und der ph-wert deutlich im sauren Bereich lag. Holzproben aus Gärrestelagern bzw. nur mit kurzer Verweildauer im Behälter wichen davon deutlich ab. Die durchgeführten REM/EDX-Analysen (Rasterelektronen-mikroskopische Energiedispersive Röntgenspektroskopie) der Beläge ergab eine deutliche Dominanz des Elements Schwefel in den gelben Ablagerungen, wogegen die mit dem Gärsubstrat in Verbindung gekommenen Holzteile einen Mix aus diversen Elementen aufwiesen. Eine differenzierte Analyse - auch zur Verteilung der Belastungen über den Holzquerschnitt - enthalten die Untersuchungen von Frau Prof. von Laar [8]. Bild 27: Analyseergebnis der gelben Ablagerungen Bild 28: Analyseergebnis einer Probe mit Kontakt zum Gärsubstrat Mit diesen Ergebnisse war zweifelsfrei belegt, dass es auf das Holz einen sog. sauren Angriff gegeben hatte, d.h. vermutlich einen säurehydrolytischer Abbau der Kohlenhydrate Cellulose und Hemicellulose. Vom Prinzip ist dieser Prozess aus der Cellulosegewinnung aus Holz bei der Papier-herstellung bekannt. Wie jedoch dieser Abbau erfolgt ist im Detail unbekannt und sollte durch eine weitere wissenschaftliche Forschung ermittelt werden. Nach Schwar [35] erfolgt bei Einwirkung sauer reagierender Salzlösungen ein Abbau vorrangig von Hemizellulose. Unter den Voraussetzungen, dass sich die meiste Salzlösung in der Primärwand und Sekundärwand 1 und sich die höchste HemizelluloseKonzentration in diesem Bereich befindet, muss es besonders dort bei entsprechen-den ph - Werten zur Reduzierung der Festigkeit kommen. Wenn die Beanspruchung > Beanspruchbarkeit (Widerstand) ist, muss es zur Schädigung, in diesem Fall zur Korrosion (Verlust des Faserverbundes) bzw. zur Reduzierung der Holzfestigkeit im Oberflächenbereich kommen. Nach den bisherigen Erkenntnissen aus mikroskopischen Untersuchungen (Auflichtund TEM-Mikroskopie) scheint die Schädigung der Mittellamelle verantwortlich zu sein für die Auflösung des Zellverbundes. Unter der Mittellamelle versteht man eine dünne plasmaartige Schicht aus Pektinen zwischen benachbarten pflanzlichen Zellen. Durch diese Struktur werden benachbarte Zellen regelrecht miteinander verklebt. Wie

13 diese Schädigung erfolgt, ist bis dato nicht bekannt. Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Untersuchungen war, dass die Schädigung des Holzes in keinem Fall durch pilzliche oder bakterielle Organismen erfolgt ist. Bild 29: Lichtmikroskopische Aufnahmen mit Rissen im Zellverbund mit eingelagertem Substrat 4.3 Ermittelte Holzfeuchten und Rohdichten Die Ermittlung der Holzfeuchten erfolgt mittels der DARR-Methode [13]. Die gemessenen Werte lagen bei den direkt nach dem Ausbau entnommenen Sparren zwischen 110 und 150 % rel. Feuchte, bei denen schon 4-6 Wochen im Freien lagernden betrug diese immer noch %. Differenzierte Analysen - auch zur Verteilung der Holzfeuchten über den Holzquerschnitt dazu wiederum in [8]. Damit liegt die rel. Holzfeuchte deutlich über der zu erwartenden Ausgleichsfeuchte von 33 %. Diese hohe Holzfeuchtigkeit ist das Resultat mehrerer Ursachen: eine nahezu mit Wasserdampf gesättigte Raumluft im Behälter, d.h. eine Holzauffeuchtung bis zur Fasersättigung Wasser aus den chemischen Prozessen der Entschwefelung (siehe dazu unter Pkt. 2.2, Gleichung 1) die hygroskopische Wirkung der anhaftenden Salzverbindungen kondensierendes, abtropfendes Wasser von der Gasspeicherfolie Dieses Wasser bedeutet natürlich eine enorme zusätzliche Belastung der Sparren bezüglich ihrer Durchbiegung und der Biegespannung.

14 Die ermittelten Rohdichten r0 lagen überwiegend im mittleren Bereich, nur teilweise am unteren Bereich für die normalen Rohdichten von Fichte und ließen kaum Probleme erkennen. Da jedoch die Rohdichte je nach Lage der Holzproben im Baumstamm (innen-außen, unten oben) stark differiert, hätten zur Bewertung der ermittelten Werte Referenzproben aus den Hölzern vor Einbau in die Behälter geprüft werden müssen, die natürlich nicht zur Verfügung standen. 4.4 Bewertungen der statischen Berechnungen und der Holzqualität In allen 7 Schadensfällen (und einem weiteren bekannt gewordenen Fall im Land NRW) wurden die statischen Berechnungen der eingestürzten Behälter verlangt und eingesehen. Die baurechtlichen Grundlagen der statischen Berechnungen sind dabei in den Ländern sehr unterschiedlich, sie reicht von nicht erforderlich bis hin zur Absegnung durch einen Prüfstatiker. In den untersuchten Fällen lagen diese den Anlagenbetreibern z.t. nicht zu Baubeginn und auch nicht zum Zeitpunkt der Untersuchungen vor und wurden erst nach dem Schadensfall auf Anforderung angefertigt. Alle Berechnungen endeten mit den Aussagen, das alle Nachweise eingehalten wer-den (mit Ausnahme der Gebrauchstauglichkeit = Durchbiegung, die meistens überschritten wurde, was aber generell als unbedenklich gewertet wurde). Allen vorgelegten statischen Berechnungen war gemeinsam, dass sie nicht von den praxisrelevanten Zuständen und Belastungen der Holzbauteile in den Behältern ausgegangen waren und demzufolge alle als falsch bewertet wurden. Begründung: Die Sparren waren für die Berechnungen nach EC5 (DIN EN , Eurocode 5 Holzbau) bzw. DIN 1052 (Holzbauwerke Berechnung und Ausführung) in die Nutzungsklasse 3 (NKL 3) eingestuft. Die DIN 1052 beschreibt diese Nutzungsklassen 3 wie folgt: Nutzungsklasse 3: Sie erfasst Klimabedingungen, die zu höheren Holzfeuchten führen als in Nutzungsklasse 2 angegeben, z.b. für Konstruktionen, die der Witterung ausgesetzt sind. Anmerkung: In Nutzungsklasse 2 übersteigt der mittlere Feuchtegehalt der meisten Nadelhölzer nicht 20 %. In der Nutzungsklasse 3 sollte die Einbaufeuchte höchstens 25 % betragen. Wie oben dargestellt, wurde die rel. Holzfeuchte im Nutzungszustand mit bis zu 150 % ermittelt. Unterstellt man eine gewisse Unkenntnis über die o.g. zusätzlichen Wasserbelastungen, hätte man wenigstens mit der Ausgleichsfeuchte von 33 % rechnen müssen. Dies berücksichtigen aber die normalen computergestützten Statik-Programme nach meiner Kenntnis nicht, so dass hier nur eine Berechnung per Hand möglich ist.

15 Die zusätzlich anzunehmenden Lasten wie o zusätzliches Wasser im Holz o Beläge aus Schwefel etc., ebenfalls mit Wasser belastet wurden nicht oder mit zu geringen Werten angesetzt. Es erfolgte keine Abminderung durch die auf Grund der hohen Holzfeuchten zu berechnende geringere Rohdichte und Holzfestigkeit (was eigentlich bekannt sein sollte). Dass auch die Temperatur einen Einfluss auf die Holzfestigkeit hat, soll nur ergänzend erwähnt werden. Es war keine Abminderung der Holzfestigkeit durch die chemischen Prozesse vorgenommen worden (was bis dato als unbekannt angenommen werden kann). In Einzelfällen war o für die Berechnungen nur die NKL 2 angenommen worden o falsche Maße für die Auflagertiefe am Behälterrand angesetzt worden o ein eingebauter Wechsel am Sparren statisch nicht nachgewiesen o in der Statik die Aussage enthalten: Die Balkendecke ist nicht begehbar! in mehreren Fällen waren die Dimensionen der Sparren durch den Baufirma eigenmächtig verändert ohne dieselben rechnerisch zu überprüfen Bild 30: NKL 3? Bild 31: Auflagetiefe 2-3 cm (statt gerechneter 8 cm)

16 Bild 32: 2-3 cm-dicke, nasse Ablagerungen Bild 33: zulässige Durchbiegung? Die eigenen Berechnungen mit den realen Lasten führten für alle untersuchten Konstruktionen zu einem teilweise deutlichen Überschreiten der Biegespannung und einer nicht mehr zu akzeptierenden Überschreitung der Durchbiegung. Ein weiteres Problem ist, dass bekannte Eigenschaften des Baustoffs Holz nicht beachtet wurden. Holz verändert je nach Feuchtegehalt seine Form (Schwinden und Quellen). Diese Formänderungen sind über die gesamte Länge des Holzbalkens (bzw. Sparrens) nicht homogen sondern stark abhängig u.a. vom Wuchs des Baumes (z.b. den unterschiedlichen Abstand der Jahresringe auf den verschiedenen bewitterten Seiten) und von der Einschnittart des Balkens. Dieses ungleichmäßige Quellen bei der Aufnahme von Wasser führt in den vielen Fällen zum sog. Verziehen des Balkens. Dabei können sich Holzbalken mit einstieligem Einschnitt je nach Wuchs des Baumes und der Geradlinigkeit des Einschnitts in unterschiedliche Richtungen verziehen. Bei der Verwendung herzgetrennter oder kerngetrennter Hölzer ist die Richtung des Verwerfens vorgegeben. Mit der Planung und Ausschreibung der Leistungen zur Errichtung der Dachkonstruktion muss auch die Einschnittart vorgegeben werden. Gibt es keine Vorgabe für die Einschnittart, so ist nach DIN 4071 Sortierung von Holz nach der Tragfähigkeit - Teil 1: Nadelschnittholz immer die Einschnittart einstielig vorgegeben [44]. Dies wurde in den untersuchten Fällen nicht eingehalten, es wurden für die Dachtragwerke sowohl kerngetrennte als auch einstielige Hölzer nebeneinander verbaut. Statische Berechnungen solcher Holzbauteile (als Biegeträger benannt) setzen immer voraus, dass es kein seitliches Ausweichen gibt. Dazu gibt es in den statischen Berechnungen z.b. die programmbedingte Angabe Der Druckgurt ist kontinuierlich gehalten. D.h., dass es weder an den Auflagern noch im Verlauf der Träger zu einem seitlichen Auswerfen/Verschieben kommen darf. Ansonsten besteht die Gefahr des Kippens (Biege-Drill-Knicken) auf Grund der auftretenden Torsionskräfte. Sparren mit

17 einer Länge von m müssen sich unter den gegebenen Bedingungen unweigerlich verziehen. Dies und die klimatischen Bedingungen in einem Biogasbehälter sollten einem Tragwerksplaner bekannt sein, wenn er seine Berechnungen anstellt. D.h. die statischen Berechnungen für diese Holzdächer hätten seitliche Aussteifungen enthalten müssen. Damit wird eine Voraussetzung für die Gültigkeit der geprüften statischen Berechnung, nämlich die Vorgabe des kontinuierliches Einhalten des Druckgurtes nicht eingehalten, was die Berechnungen mangelhaft macht. Auch andere Vorgaben der DIN 4071 wie z.b. Ästigkeit und Drehwuchs wurden teilweise nicht beachtet. Es muss nach den Untersuchungen eingeschätzt werden, dass die Qualität des verwendeten Holzes und deren Kontrolle keine entscheidende Rolle spielte. Ergänzend sei erwähnt, dass ein chemischer Holzschutz in keinem Fall vorhanden, ja nicht einmal angedacht war. Dies wäre aber auch nur ein rein baurechtliches Problem, weil man eingeführte Technische Baubestimmungen (hier die DIN u. 2) nicht beachtet hat und vertraglich hätte ausschließen müssen. Eine Wirksamkeit wäre diesem nach meiner Meinung ohnehin nicht zuzuschreiben. 5 Zusammenfassung und Ausblick Eingangs muss erwähnt werden, dass es sich hier um die Untersuchungsergebnisse von nur 7 Schadensfällen handelt. Daraus allgemein gültige Schlussfolgerungen für alle Biogasbehälter mit einem Holzdach zu ziehen erscheint gewagt. Trotzdem lassen diese Schadensfälle folgendes erkennen: Es gibt generelle bedenkliche Probleme und Nachholbedarf bei den statischen Berechnungen und den Holzqualitäten. Die Kombination von Schwefelsäure und hoher Holzfeuchte führt zum Einwandern der Schwefelsäure in das Holz durch Diffusion. Damit gibt ein biochemisches Problem, das die Holzstruktur angreift und zerstört. Die damit verbundene Reduzierung der Holzfestigkeit in diesem Ausmaß war bisher im Wesentlichen unbekannt und konnte bei den statischen Berechnungen daher nicht berücksichtigt worden. Inwieweit dies überhaupt in Zahlen erfassbar ist, wäre zu ermitteln. Aus den bisher untersuchten Schadensfällen werden auf jeden Fall die Komplexität der Problematik und der Zusammenhang zwischen der eigentlichen Gasproduktion und den unerwünschten Nebeneffekten deutlich.

18 Es bleiben zahlreiche Fragen unbeantwortet, wie Welchen Einfluss haben die Zusammensetzung des Gärsubstrats und die Fahrweise der Anlagen auf die Entstehung von Schwefelwasserstoff Wie kausal ist der Zusammenhang zwischen der Abnahme der Rohdichte und der Holzfestigkeit a) durch die hohe Holzfeuchte und b) durch die biochemische Zersetzung und wie kann dies bei den statischen Berechnungen erfasst werden? In welchen Zeiträumen spielen sich die biochemischen Zersetzungen der Holzstruktur ab? Welchen Einfluss hat die Holzqualität? Die Holzart (Fichte oder Tanne)? Der Holzeinschnitt? Welche Rolle spielen die anderen chemischen Verbindungen bei der Holzzerstörung Ist Holz überhaupt unter diesen Einflüssen ein dauerhaft brauchbarer Baustoff oder ist ein Holzdach ein Verschleißteil mit einer mittleren Lebensdauer von 5 Jahren? Kann man Holz so modifizieren, dass es diesen Angriffen widersteht? Was sind Alternativen? Wie groß ist eigentlich das Problem in der Branche wenn es ein Problem ist? Wieviel Schadensfälle gab es in den letzten 5 Jahren? Es ist nicht einmal zuverlässig bekannt wieviel Biogasanlagen es in Deutschland gibt. Die vom Fachverband Biogas e.v. veröffentlichten Branchenzahlen benennen rd Biogasanlagen Ende 2013 [23]. Bleibt offen, wieviel Behälter (Fermenter, Nachgärer; Gärrestelager) gehören dazu? Und wieviel davon haben ein Holzdach? Welche Bauweisen gibt es? Wieviel Planungs- und Herstellerfirmen gibt es? Auch die wissenschaftliche Erforschung der Ursachen steckt quasi noch in den Anfängen, die eigentlich die Grundlage zur Beantwortung vieler der aufgeworfenen Fragen bringen sollte. Diese Fragen können nicht durch einen einzigen Sachverständigen beantwortet werden sondern dies ist Aufgabe vieler Fachgebiete. Dazu gehört zum vorrangig eine solide Forschung, um die detaillierten Ursachen dieser Holzschäden zu ermitteln und zum anderen, brauchbare Lösungen zu finden. Bildnachweise: alle Detlef Krause außer: 1, 2: Bauunterlagen der untersuchten Anlage 15: Versicherung 27-29: Fa. Micor

19 Literaturquellen und weiterführende Literatur: [1] Krause, Detlef: Gutachten über Holzschäden an einer Biogasanlage v [2] Krause, Detlef: Schäden an tragenden Holzbauteilen in Biogasanlagen in: Schützen & Erhalten, Fachzeitschrift des DHBV e.v., Nr. 2/2013, S [3] Kristin Baumgart (B.Eng.), "Holz in Biogas-Fermentern Grundlagenermittlung und Recherche zu Fermentern in Biogasanlagen unter besonderer Berücksichtigung von Decken in Holzbauweise", Studienarbeit an der Hoch-schule Wismar, Fachbereich Bauingenieurwesen, Wintersemester 2012/13, Betreuung: Prof. Dr. rer. nat. Claudia von Laar [4] Kristin Baumgart (Msc.), "Holzbauteile aus einem Biogas-Fermenter - eine Schadensanalyse", Masterarbeit an der Hochschule Wismar, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, 2013, Betreuung: Prof. Dr. rer. nat. Claudia von Laar [5] Krause, Detlef: Gutachten über Holzschäden an einer Biogasanlage v [6] von Laar, Claudia/Krause, Detlef: Holzschäden an tragenden Bauteilen einer Biogasanlage durch aggressive Chemikalien Eine Ausnahme? in: Tagungsband der 24. Hanseatischen Sanierungstage, Beuth Verlag Berlin, Forum Altbausanierung 8 [7] Krause, Detlef: Holzschäden an tragenden Bauteilen durch aggressive Chemikalien ein Praxisbericht, Weiterbildungstag Deutscher Holzschutzfachverband Landesverband Berlin-Brandenburg e.v [8] von Laar, Claudia: Schadensfall Holzbalkendecke Materialzerstörung in einem Biogasfermenter, in: Der Bausachverständige, Ausgabe 6/2013, Fraunhofer IRB Verlag / Bundesanzeiger Verlag [9] Krause, Detlef: Gutachten über Holzschäden an einer Biogasanlage v [10] Krause, Detlef: Gutachten über Holzschäden an einer Biogasanlage v [11] Krause, Detlef, "Schäden an Holzdachtragwerken von Biogasbehältern - Ausnahme oder Regel" in: Der Bausachverständige, Ausgabe 1/2014, Fraunhofer IRB Verlag / Bundesanzeiger Verlag [12] Krause, Detlef, Holzschäden an Dachtragwerken von Biogasanlagen Ausnahme oder Regel?, Vortrag und Manuskript zur Internationale Bio und Deponiegas Fachtagung Bayreuth [13] Krause, Detlef, "Schäden an Holzdächern von Biogasbehältern", Ursachen und Zusammenhänge der Zerstörung von Holzdachtragwerken von Fermentern - Statische Besonderheiten - Biochemische Prozesse, Deutsche Holzschutztagung Aus Forschung und Praxis, Braunschweig, 18. und 19. September 2014 [14] "Extrembedingungen - Schäden an Holzdächern von Biogasbehältern" in: Holz kurier 42.14, Quelle: [15]"Schäden an Holzbauteilen von Biogasanlagen", Interview für das BiogasJournal 5_14, Quelle:

20 [16] DIN EN :2002: Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz Teil 1: Bestimmung durch Darrverfahren, Deutsche Fassung [17] DIN , -2, -5: : Sortierung von Holz nach der Tragfähigkeit [18] DIN 1052: , Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken Allgemeine Bemessungsregeln und Bemessungsregeln für den Hoch-bau [19] DIN EN (Eurocode 5) Bemessung und Konstruktion von Holzbauten Teil 1-1: Allgemeine Regeln und Regeln für den Hochbau [20] DIN EN 338: , Bauholz für tragende Zwecke Festigkeitsklassen [21] DIN EN 1912: , Bauholz für tragende Zwecke - Festigkeitsklassen - Zuordnung von visuellen Sortierklassen und Holzarten [22] DIN Holzschutz Teil Allgemeines (Oktober 2011) Teil 2 Vorbeugende bauliche Maßnahmen im Hochbau (Februar 2012) Teil 3 Vorbeugender Schutz von Holz mit Holzschutzmitteln (Februar 2012) Teil 4 Bekämpfungs- und Sanierungsmaßnahmen gegen Holz zerstörende Pilze und Insekten (Februar 2012) [23] GESTIS-Stoffdatenbank: Gefahrstoffinformationssystem der deutschen gesetzlichen Unfallversicherung [24] GD Holz/von Thünen-Institut, Merkblattreihe Holzarten, Blatt 57, Fichte [25] Wagenführ, Rudi: Holzatlas, Fachbuchverlag Leipzig [26] Gesamtverband Deutscher Holzhandel e.v. [27] Fachverband Biogas e.v. [28] Weismann, D. u. Lohse, M.: Sulfid-Praxishandbuch der Abwassertechnik Biogene Korrosion, Geruch, Gefahr verhindern und Kosten beherrschen, Vulkan Verlag 2007 [29] Holzbau-Taschenbuch. 8. Auflage, Band 1, Halász, R.v.; Scheer, C. [30] Besold, G Systematische Untersuchungen der Wirkung aggressiver Gase auf Fichtenholz. Dissertation Universität München [31] Erler, K.: Bauzustandsanalyse und Beurteilung der Tragfähigkeit von Holzkonstruktionen unter besonderer Berücksichtigung der Korrosion des Holzes. Ingenieurhochschule Wismar, Habilitation, Wismar [32] Erler, K Korrosion von Vollholz und Brettschichtholz. Bautechnik 75-8, S [33] Erler, K Chemische Korrosion von Holz und Holzkonstruktionen. Bauforschung T 2916 Frauenhofer IRB [34] Erler, K., Alte Holzbauwerke, Huss Medien GmbH, Verlag Bauwesen, 3. Auflage 2004 [35] Fengel, D.; Bartels, H.J Über die Einwirkung von Säuren auf Fichtenholz. Holzforschung 34 6, S [36] Fengel, D.; Hardell H.-L Systematische Untersuchungen der Wirkung aggressiver Gase auf Fichtenholz, Teil 4: Elektronenmikroskopische Beobachtungen. Holz als Roh- und Werkstoff 41, S

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