Technologie des Holzes

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1 Bauen mit Holz Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer Seminar 4 SWS (Diplom A) oder 6 LP (Master A) Hörerkreise: A / BI / FCM / LA Leistungen: Laborpraktika (1. Hausarbeit) + mündl. Prüfung am Semesterende

2 Unterthema Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 2

3 Festigkeiten Relative Änderung des Elastizitätsmoduls von Holz bei Temperatureinwirkung nach Sulzberger Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 3

4 Festigkeiten Minderung der mechanischen Holzeigenschaften bei 100 C gegenüber den Werten bei 20 C (nach (Glos & Henrici, 1990)) Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 4

5 Restquerschnitt einer Holzstütze nach 60 min Brandbelastung Querschnitt Brandeinwirkung auf einen Biegebalken Restquerschnitt kalt Tragfähig Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 5

6 Querschnitt Restquerschnitt einer Holzstütze nach 60 min Brandbelastung Holz Pyrolysefront Holzkohle Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 6

7 Querschnitt Restquerschnitt einer Holzstütze nach 60 min Brandbelastung Abbrandrate: abhängig von der Temperatureinwirkung Holz Pyrolysefront abhängig von der Holzart für Fichte: β 0.7 mm/min. Einfluss der Holzfeuchte und der Rohdichte gering Holzkohle Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 7

8 Querschnitt Restquerschnitt einer Holzstütze nach 60 min Brandbelastung Intaktes Holz Holz Pyrolysefront Holzkohle Pyrolyse: Zersetzung des Holzes unter Bildung von Holzkohle und brennbaren Gasen (ab ca. 250 C) Kohleschicht schützt das innere Holz vor Wärmeeinwirkung (geringe Wärmeleitfähigkeit) Die Holzkohleschicht wird von oben her oxidiert und abgetragen, wächst aber aus der PF nach Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 8

9 Querschnitt 100 C 150 C 270 C 290 C Erwärmung des Materials, Holztrocknung, Verlust an freiem und gebundenem Wasser Abbau des Lignins und der Hemizellulose, Beginn der Veränderung der Zellulose, Bildung von Zersetzungsgasen Selbstentzündung möglich Zersetzung der Zellulose. Starke Bildung von Zersetzungsgasen Beginn der Bildung eine Holzkohlen-schicht. Mit Pilotflamme kann Gas entzündet werden. Gewichtsverlust des Holzes steigt rapide (bis 39 M-%) Intaktes Holz Pyrolyse: Zersetzung des Holzes unter Bildung von Holzkohle und brennbaren Gasen (ab ca. 250 C) Kohleschicht schützt das innere Holz vor Wärmeeinwirkung (geringe Wärmeleitfähigkeit) Die Holzkohleschicht wird von oben her oxidiert und abgetragen, wächst aber aus der PF nach Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 9

10 Querschnitt 400 C 500 C 700 C 1100 C Flammenausbreitung an der Oberfläche; maximale Bildung brennbarer Gase Starke Bildung glühender ligninreicher Schichten; Brandausbreitung in die Holztiefe Abbrennen des Holzkohlenrückstandes; vollständiges Abbrennen der Zersetzungsgase an der Oberfläche. Produktion der brennbaren Zersetzungsprodukte beendet; Material vollständig zerstört, es bleiben nicht brennbare mineralische Bestandteile des Holzes in Asche zurück Intaktes Holz Pyrolyse: Zersetzung des Holzes unter Bildung von Holzkohle und brennbaren Gasen (ab ca. 250 C) Kohleschicht schützt das innere Holz vor Wärmeeinwirkung (geringe Wärmeleitfähigkeit) Die Holzkohleschicht wird von oben her oxidiert und abgetragen, wächst aber aus der PF nach Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 10

11 Querschnitt Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 11

12 Querschnitt Restquerschnitt einer Holzstütze nach 60 min Brandbelastung Bemessung: Methode mit reduziertem Querschnitt F = A f Methode mit reduzierten Festigkeiten F = A f Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 12

13 Werkstoffe im Brandfall Nagelplatten sind eine gefährliche Schwachstelle des Binders. Tragfähigkeitsverlust im Brandfall; Verkohlung des Holzes durch hohe Wärmeleitfähigkeit des Nagels. Außerdem: plastische Verformung von Verbindungselementen aus Stahl. Die Anschlüsse müssen daher gesondert geschützt werden Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 13

14 Chemischer Brandschutz Ablation Abtragung einer Schicht Holzschicht wird imprägniert mit Flammschutzadditiven. Entzündung behindern Verbrennung erschweren, Verkohlungsfördern feuerstickend Am besten durch Kesseldruckverfahren einbringbar. Einbringmengen > 200g/m² bzw. > 40 kg/m³ Intumeszenz Dämmschichtbildner Schutz vor hoher Temperaturbeanspruchung. Aufschäumen einer Schicht Reduktion der Sauerstoffzufuhr Reduktion der Wärmeleitfähigkeit ++ Applikation wie Anstrichstoff durch Streichen Spritzen, Rollen -- relativ empfindliche Oberfläche. Theoretischer Schutz: bei Stahl 60 min bei Holz 12 min Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 14

15 Intumeszenz im Brandversuch Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 15

16 Thermoholz Thermoholz (Thermisch modifiziertes Holz) Durch Teilpyrolyse in sauerstoffarmer Atmosphäre (1-2 Tage bei 170 C bis 250 C) Partieller Abbau von Hemizellulosen Dauerhafte Veränderung über den gesamten Querschnitt Veränderung hydrophiler OH- Gruppen + Verringerung des Q/S-Maß + Erhöhung der Dauerhaftigkeit - Verringerung der Festigkeit durch Versprödung - Schwierige Verklebbarkeit Dunkle Farbe / Rauchiger Geruch Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 16

17 Modifizierte Hölzer Warum? Nachteile des Werkstoffes: Holz weißt wachstumsbedingte Anomalien auf (Drehwuchs, Äste,etc.) welche die Festigkeitswerte mindern; Holz ist nicht formstabil, es schwindet und quillt; Holz kann anfällig gegen Holz zerstörende Pilze und Insekten sein. Astigkeit A=a/h darrtrocken wassergelagert Braunfäule Sägeblättling Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 17

18 Modifizierte Hölzer Warum? Kompensationsmöglichkeiten: Anomalien werden herausgeschnitten, die guten Stücke neu zusammengesetzt (BSH, KVH, etc.); Hölzer werden aufgetrennt und wieder verleimt, so dass der Werkstoff homogener wird (Sperrholz, Brettsperrholz, Furnierschichtholz, etc.); Einsatz dauerhafter Holzarten (sowohl heimische Arten, wie auch tropische Hölzer) oder Behandlung mit Holzschutzmitteln Modifizierung von Holz Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 18

19 Modifizierte Hölzer Definition Holzlexikon 2010 Veränderung der Zellwand des Holzes sowohl als Maßnahme zum Schutz des Holzes durch Erhöhung der Dauerhaftigkeit gegen Pilzbefall als auch zur Verbesserung von Dimensionsstabilität und Stehvermögen durch Verringerung von Quellung und Schwindung im Sinne einer Holzvergütung Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 19

20 Modifizierte Hölzer Grundsätzliche Verfahren a. CMT (Chemically modified timber = chemisch modifiziertes Holz) b. TMT (Thermally modified timber = thermisch modifiziertes Holz) c. Modifizierung durch Einlagerung von z.b. Harzen oder Wachsen Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 20

21 Modifizierte Hölzer CMT durch Acetylierung Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 21

22 Modifizierte Hölzer CMT durch Acetylierung Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 22

23 Modifizierte Hölzer CMT durch Acetylierung Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 23

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28 Quellen S.3-4 Niemz, P.;Sonderegger, W. (2017): Holzphysik. Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe. Carl Hanser Fachbuchverlag S.5 Frangi, A. ETH Zürich, Institut für Baustatik und Konstruktion IBK; Schopbach, H.(2016): Ungeschützte Holzbauteile im Brandfall. Holzbau Quadriga. 5/2016. S. 51 S.6 Schopbach, H.(2016):Ungeschützte Holzbauteile im Brandfall.Holzbau Qadriga. 5/2016. S. 50 S.7 Frangi A, Zürich S.8 S.12 S Richter, C. S.15 Dennis Röver S.17 baumarkt.de, D. Röver, T. Huckfeldt, R. Klopfer S.18 Sägewerk Rombach, Stylepark, Baulexikon, Glaswelt S.19 Accoya S.20 Accsys, Thermoholz Deutschland, Dauerholz S.21 Universität Canterbury, Sailer, SHR S DBU Forschungsprojekt S.24 SHR Niederlande S.25 Jüdisches Museum Berlin S.26 Accsys S.27 Lehrgebiet Tragwerk und Material, TU KL Technologie des Holzes Dipl.-Ing. Dennis Röver Dipl.-Ing. Reiner Klopfer 28