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Holzprüfung

[119] Holzprüfung (Holzuntersuchungen). Die Eigenschaften des Holzes, welche seinen bautechnischen Wert bestimmen, deren Erprobung daher sowohl für den Techniker als auch für den Forstmann von Bedeutung ist, sind I. die Festigkeit und II. das Verhalten gegen Feuchtigkeit. Ferner kommen bei der Auswahl unter den verschiedenen Holzarten zu einem bestimmten Verwendungszweck III. die Gewichtsverhältnisse in Frage. Das Verhalten gegen Feuchtigkeit ist hierbei nach drei Richtungen hin von Bedeutung, und[119] zwar insofern, als 1. mit dem Feuchtigkeitsgehalt des Holzes auch dessen Festigkeit und 2. infolge Schwindens und Quellens dessen Rauminhalt sich ändern und 3. die Dauerhaftigkeit des Holzes in vielen Fällen der Verwendung von der Widerstandsfähigkeit gegen wechselnden Zutritt von Feuchtigkeit und Luft abhängt. Der Einfluß des Feuchtigkeitsgehaltes auf die Festigkeit ist durch Parallelversuche mit lufttrockenen und nassen Proben zu ermitteln. Seine Untersuchung bildet somit einen Teil der Festigkeitsversuche, erfordert daneben aber die Ermittlung des Feuchtigkeitsgehaltes und des Wasseraufnahmevermögens.

Die vollständige Untersuchung des Holzes auf seinen technischen Wert umfaßt somit die Ermittlung folgender Eigenschaften:

I. Die Festigkeitseigenschaften. 1. Druckversuche werden in der Regel in der Weise ausgeführt, daß die Druckrichtung mit der Längsrichtung des Stammes oder der Faserrichtung zusammenfällt. Sie umfassen dann bei größeren Probenlängen auch die Knickversuche. – Als Probenform sind bei Prüfung ganzer Stämme vereinzelt Platten verwendet, die den ganzen Querschnitt des entrindeten Stammes umfassen. Sie bieten den Vorteil, daß das Ergebnis unbeeinflußt ist von den Unterschieden in der Festigkeit des Holzes an den verschiedenen Stellen des Stammquerschnittes; dagegen haben sie den großen Nachteil, daß die Scheiben beim Trocknen reißen und das Ergebnis des Druckversuches dann durch die Größe und den Verlauf der Risse beeinflußt ist [1]. Zweckmäßiger ist es daher, Proben mit quadratischem Querschnitt in Form von Platten [2], Würfeln oder Prismen aus dem Stamm herauszuschneiden. Am gebräuchlichsten ist die Verwendung von Würfeln. Der Internationale Verband für die Materialprüfung der Technik hat ihn 1906 zu Brüssel zur Bestimmung der Bruchspannung vorgeschlagen, während zu Elastizitätsbestimmungen Prismen verwendet werden sollen, deren Länge gleich der dreifachen Querschnittskante ist [3]. Die Höhenverminderung soll auf den Spiegelflächen und Wölbflächen getrennt ermittelt werden. Die Meßlänge soll hierbei gleich der Querschnittskante sein und symmetrisch zur Mitte liegen. Diese Vorschrift ist gegeben, weil die Höhenverminderungen zu gering ermittelt werden, wenn die Endquerschnitte der Meßlänge der Druckfläche zu nahe liegen [1]. Die letzteren sind zur Erzielung gleichmäßiger Kraftübertragung entweder durch gutgeführte Sägenschnitte oder durch sorgfältiges Behobeln herzurichten [1], [3], [4]. Bei Untersuchung ganzer Stämme sind die Proben wie folgt zu entnehmen:

a) zur Ermittlung von Durchschnittswerten für die Druckfestigkeit nach Fig. 1 derart, daß eine Diagonale der quadratischen Druckfläche einen Halbmesser des Stammquerschnittes bildet, und

b) bei Sonderuntersuchungen, z.B. um den Einfluß des Alters des Holzes auf dessen Festigkeit zu ermitteln, nach Fig. 2 derart, daß immer zwei Seiten möglichst tangential zu den Jahresringen liegen [3], [5]–[8].

Bei Beurteilung der Ergebnisse aus den Versuchen nach a) ist in Rücksicht zu ziehen, in welchen Anteilen die Probe aus Splint- und Kernholz besteht. – Aus einzelnen bereits zugeschnittenen Hölzern (Bauholz) sind die Druckproben tunlichst so zu entnehmen, daß die Markröhre nicht innerhalb des Probekörpers liegt. Druckversuche mit Krastrichtung senkrecht zu den Fasern, auch »Härteprüfungen« genannt [4], [9], sollen die Widerstandsfähigkeit des Holzes bei der Verwendung zu Unterlagen als Eisenbahnschwellen und im Holzverband erweisen. Bei ihnen wird daher auch nur ein Teil der Druckfläche belastet und die Zusammendrückung ermittelt.

2. Biegeversuche werden an prismatischen Proben ausgeführt, wobei die beiden Probenenden zweckmäßig durch Rollen unterstützt sind und die Belastung als Einzellast in der Mitte angreift. Oertliche Verdrückungen sind durch Zwischenlagen aus hartem Holz zu verhüten. Die Abmessungen der letzteren müssen zu denen der Probe in einem bestimmten Verhältnis stehen, damit die Ergebnisse vergleichbar bleiben [8]–[12]. Daher soll nach den Konferenzbeschlüssen [3] die Länge der Zwischenlagen über den Auflagern gleich der Probenhöhe, über dem Kraftangriff gleich einem Zehntel der Stützweite und die Dicke gleich einem Drittel der Probenhöhe sein. Von Einfluß auf das Ergebnis sind das Verhältnis zwischen Höhe des Probenquerschnittes und Stützweite sowie die Lage der Jahresringe zur Krastrichtung (s. Fig. 3, a–c). Nach Wijkander erzielte die Beanspruchung nach a) größere Bruchlast und geringere Durchbiegung als Beanspruchungen nach b) und c) [9]. Tetmajer fand nach c) größere Bruchlasten als nach b). Nach den Konferenzbeschlüssen sollen daher bei Untersuchungen ganzer Stämme die Biegeproben derart entnommen werden, daß eine Diagonale des quadratischen Querschnittes einen Halbmesser des Stammes bildet. Von den entfallenden vier Proben sollen mindestens zwei diametral gegenüberliegende derart geprüft werden, daß eine der beiden radialen Schnittflächen auf der Zugseite liegt. Auch bei den aus einzelnen Holzstücken entnommenen Biegeproben sollen die Jahresringe tunlichst zu der einen Seite, der Zugseite, senkrecht stehen. Die Stützweite soll mindestens gleich der achtfachen Höhe sein und im allgemeinen 1,5 m betragen. Zum vollständigen Biegeversuch gehört die Bestimmung der Proportionalitätsgrenze, des Elastizitätsmoduls, der Bruchlast, d.h. der höchsten von dem Probestabe getragenen Belastung – einzelne Brüche von Faserbündeln oder Flächenabschieferungen sind noch nicht als Bruch anzusehen – und der Biegungsarbeit bis zur Höchstlast [8]–[11]. – [120] Johnson hält nicht die gesamte bis zum Bruch geleistete Arbeit für maßgebend zur Beurteilung des Holzes, sondern nur die Arbeit bis zur Biege- oder Streckgrenze [12].

3. Zugversuche werden in der Regel auf Proben beschränkt, die in der Längsrichtung aus dem Stamm entnommen sind. Bei ihrer Durchführung entstehen besondere Schwierigkeiten in der Einspannung der Stabenden. Wie die letzteren auch angeordnet sein mögen, in allen Fällen ist die Belastung durch die Schubfestigkeit in der Längsrichtung von außen auf den Zerreißquerschnitt zu übertragen. Da nun die Zugfestigkeit in der Längsrichtung so erheblich größer ist als die Schubfestigkeit, so müssen die Stabköpfe im Verhältnis zum Zerreißquerschnitt außerordentlich lang gehalten werden. Ferner empfiehlt es sich, die Einspannung so zu wählen, daß sie seitlichen Druck auf die Kopffläche ausübt, damit der Widerstand gegen Herausziehen des Stabteiles mit dem Zerreißquerschnitt aus. den stärkeren Köpfen infolge Ueberwindung der Schubfestigkeit erhöht wird. – Nach diesen Gesichtspunkten sind die Stabformen von Bauschinger [11], des Lichterfelder Materialprüfungsamtes nach Martens [13], von Tetmajer [10], von Wijkander [9] und von Johnson [12] bemessen. Alle arbeiten mit Flachstäben, deren Köpfe bei den drei erstgenannten mit Schrauben zwischen Druckplatten eingepreßt sind, bei den beiden letzteren zwischen Beißkeilen liegen. Warren [14] verwendet Rundstäbe mit langen flachen Köpfen. Sie werden eingespannt, indem die Schultern der Stabköpfe als Widerlager dienen. Die Proben werden am bellen aus Spaltstücken herausgearbeitet [3], damit die Jahresringschichten parallel zu den Staboberflächen liegen und nicht ausschiefern. Die Breitseiten stehen entweder senkrecht oder tangential zu den Jahresringen. Die Dicke der Stäbe soll 1 cm, die Breite mindestens 2 cm, die Versuchslänge 22 cm betragen.

Wie nebenstehende Tabelle erkennen läßt, bestehen bestimmte Beziehungen zwischen den verschiedenen Festigkeiten einer und derselben Holzart, und zwar sind für schweizerische Hölzer (Tetmajer) nahezu die gleichen Werte erhalten wie für schwedische (Wijkander).

4. Spaltversuche. Die Proben erhalten die von Nördlinger [15] eingeführte Form, Fig. 4 mit Spaltflächen A B C radial und tangential zu den Jahresringen, wobei die Kraft P bestimmt wird, die in den Nuten R angreifend zum Auseinanderreißen der beiden Schenkel erforderlich ist. Die Abmessungen sind bei allen Proben gleich zu wählen, zumal die Federkraft, mit der die auseinander gespannten Schenkel sich wieder zu vereinigen, d.h. gerade zu richten, streben, von bedeutendem Einfluß auf die Haltbarkeit sind. Die Konferenzbeschlüsse haben folgende Werte angenommen: a = 2,5 cm, b = 5,0 cm, h = 4,0 cm, l = 5,0 cm und w = 1,5 cm. Reicht das Probematerial zur Erzielung der Länge l = 5 cm nicht hin, so wird die von Rudeloff vorgeschlagene Anordnung (Fig. 5) verwendet [8]. Zur Lastübertragung dienen hierbei unter vollständigem Ausschluß der Federkraft die eisernen Schenkel S, die mittels eiserner Bügel B und Keilverbindung K fest an die Probe angeschlossen und durch die Nasen N gegen Verschieben nach außen gesichert sind.

5. Scherversuche. Nach der Anzahl der gleichzeitig auf Abscheren beanspruchten Querschnitte sind einschnittige [11], [16] und zweischnittige [4], [9] Vorrichtungen zu unterscheiden (s. Scherversuch). Nach den Konferenzbeschlüssen [3] sollen die einschnittigen verwendet und die Scherfestigkeit soll sowohl radial als auch tangential zu den Jahresringen ermittelt werden. Der Angriff der Belastung soll in beiden Fällen von Hirn (Querschnittsfläche des Stammes) aus erfolgen. Beeinträchtigt wird das Ergebnis stets dadurch, daß die unter den Scherbacken liegenden Holzteile zerdrückt werden, so daß die Backen in die Probe eindringen und der auf Abscheren beanspruchte Querschnitt sich vermindert. Die Eindrucktiefe läßt sich zwar ermitteln, es ist aber Gebrauch, sie unberücksichtigt zu lassen und die Scherspannung aus der Höchstlast und dem ursprünglichen vollen Querschnitt zu berechnen. Mit zunehmender Breite der Scherbacke nimmt die Eindrucktiefe zwar ab; dann wachsen aber die unvermeidlichen Biegungsspannungen, die das Ergebnis des Scherversuches stark beeinflussen können. Daher empfiehlt es sich, die Scherbacken möglichst schmal und die Scherfläche in Richtung der Scherkraft möglichst klein zu wählen, damit die zum Abscheren erforderliche Kraft eine im Verhältnis der Druckfestigkeit des Holzes möglich kleine Flächenbelastung der Scherbacken ergibt [16]. Nach den Konferenzbeschlüssen sollen daher die Scherbacken nicht über 1 cm breit sein und ihre[121] Angriffsflächen senkrecht zur Kraftrichtung stehen, also nicht messerartig abgeschrägt sein. Die Breite der Proben (Scherfläche) soll bei radialem Schnitt nicht über 5 cm, bei tangentialem Schnitt nicht über 3 cm betragen, ihre Länge in der Kraftrichtung soll gleich der vierfachen Breite der Scherbacken sein.

Von wesentlichem Einfluß auf die Ergebnisse der Festigkeitsversuche mit Holz ist neben der Form der Proben die Geschwindigkeit, mit der die Belastung gesteigert wird, die Lagerdauer nach dem Fällen und der Feuchtigkeitsgehalt des Holzes. Dem Einfluß der Belastungsgeschwindigkeit ist zur Erzielung vergleichbarer Ergebnisse dadurch Rechnung zu tragen, daß man die Belastung in der Zeiteinheit um gleich viel steigert – nach den Konferenzbeschlüssen [3] in der Minute um 20 kg/qcm – und die bleibende Formänderung erst dann feststellt, wenn sie während einer Minute Entlastungsdauer keine Abnahme mehr zeigt. Der Einfluß der Lagerdauer nach dem Fällen scheint innerhalb eines Jahres beendet zu sein; er äußert sich in Zunahme der Fertigkeit und Abnahme der Biegungsarbeit. Mit wachsendem Feuchtigkeitsgehalt nimmt die Fertigkeit ab; daher empfiehlt es sich, die Versuche im allgemeinen an lufttrockenen Proben auszuführen, ihren Feuchtigkeitsgehalt zur Zeit der Prüfung festzustellen, 12% als Normalfeuchtigkeitsgehalt anzunehmen und die Beobachtungswerte auf ihn umzurechnen, soweit die Verhältnisse über den Einfluß des Feuchtigkeitsgehaltes bereits erforscht sind.

II. Die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes, ausgedrückt in Hundertteilen des vollständigen Trockengewichtes, soll möglichst unmittelbar an den ganzen Festigkeitsproben erfolgen oder, wenn diese zu groß sind, an 2–5 cm dicken Scheiben, die möglichst nahe der Bruchstelle quer zur Probe mittels Handsäge von ihr zu entnehmen sind. Die Trocknung ist bei 95–98° C. so lange fortzusetzen, bis keine größeren Gewichtsunterschiede als 0,3% des Trockengewichtes mehr festzustellen sind.

III. Das Raumgewicht wird entweder aus dem Gewicht und den Abmessungen sauber bearbeiteter, rißfreier Proben berechnet oder mittels Eintauchverfahrens (Friedrichsches Präzisionsxylometer) nach der verdrängten Wassermenge bestimmt. Dünne scheibenförmige Proben sind hierbei durch Bestreichen mit Leinöl oder durch Eintauchen in eine Lösung von Paraffin und Benzol gegen Wasseraufnahme zu schützen. Die hierbei eintretende Volumenänderung ist so gering, daß sie nicht in Rechnung gezogen werden braucht.

IV. Das Schwinden und Quellen des Holzes bei Aenderung seines Feuchtigkeitsgehaltes wird entweder an Stücken beliebiger Form mittels Eintauchverfahrens oder durch Berechnung aus den Längenänderungen prismatischer Proben senkrecht und tangential zu den Jahresringen sowie längs zum Stamm ermittelt. Die Gewichtsveränderungen sind ebenfalls festzustellen. An jeder der sechs Prismenflächen sind in deren Mittellinien zwei Messungen auf 0,1 mm vorzunehmen, und zwar sind festzustellen entweder die Gesamtlängen der Mittellinien an sorgfältig bearbeiteten Prismen oder die Größe besonderer durch Strichmarken abgegrenzter Meßlängen.

Literatur: [1] Rudeloff, Ein Beitrag zur Vereinheitlichung der Verfahren zur Prüfung von Holz, Mitteilungen a. d. techn. Versuchsanstalten zu Berlin 1901, S. 270. – [2] Hadek und Janke, Untersuchungen über die Elastizität und Festigkeit des österreichischen Bauholzes, 1. Fichte Südtirols, Wien 1900, S. 50. – [3] Rudeloff, Aufteilung einheitlicher Methoden für die Prüfung von Holz, Bericht, vorgelegt dem Internationalen Verbände für die Materialprüfung der Technik, Brüssel 1906. – [4] Johnson, Progress in timber physic. 1898, Zirkular 18, S. 6. – [5] Martens, Handbuch der Materialienkunde, 1898, S. 110. – [6] Fernow, Allgemeine Forst- und Jagdzeitung 1898, S. 373. – [7] Schwappach, ebend., S. 414. – [8] Rudeloff, Der heutige Stand der Holzuntersuchungen und die Vereinheitlichung der Prüfungsverfahren, Mitteilungen a. d. techn. Versuchsanstalten zu Berlin 1899, S. 186. – [9] Wijkander, Untersuchung der Festigkeitseigenschaften schwedischer Holzarten, Göteborg 1897. – [10] Tetmajer, Mitteilungen der Materialprüfungsanstalt am schweiz. Polytechnikum in Zürich, Heft 2, 1896. – [11] Bauschinger, Mitteilungen a. d. mech.-techn. Laboratorium der Technischen Hochschule zu München, Heft 9. – [12] Johnson, Timber Physics, Teil 1, Washington 1892. – [13] Rudeloff, Mitteilungen a. d. Kgl. techn. Versuchsanstalten zu Berlin 1887, Ergänzungsheft 3, S. 14. – [14] Warren, Australian Timbers, Sydney 1892, S. 14. – [15] Nördlinger, Die technischen Eigenschaften des Holzes, 1860. – [16] Rudeloff, Versuche mit afrikanischen Hölzern, Mitteilungen a. d. Kgl. techn. Versuchsanstalten zu Berlin 1895, S. 133.

Rudeloff.

Fig. 1., Fig. 2., Fig. 3.

Fig. 4., Fig. 5.