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Holz ist ein allgegenwärtiges Material, das seit den frühesten Zeiten im Bauwesen verwendet wird. Holz ist ein erneuerbares und nachhaltiges Baumaterial, das im Maschinenbau für den Bau von Einfamilienhäusern sowie für die Einrahmung von Trennwänden und anderen nichttragenden Elementen in Gewerbe- und Industriegebäuden weit verbreitet ist.
Aufgrund seines natürlichen Ursprungs hat Holz mechanische Eigenschaften, die an die einzelnen Baumarten gebunden sind. Der Feuchtigkeitsgehalt und andere Variablen, z. B. das Vorhandensein von Defekten. Für eine bestimmte Anwendung muss ein Konstrukteur die zu erwartenden Belastungen eines Holzelements oder einer Holzstruktur sorgfältig abwägen, um eine maximale Wirksamkeit des Materials zu gewährleisten.
In diesem Video wird veranschaulicht, wie die mechanischen Eigenschaften verschiedener Holzarten getestet und ihr Spannungs-Dehnungs-Verhalten und ihre Biegeleistung bestimmt werden können.
Holz besteht aus länglichen, runden oder rechteckigen röhrenartigen Zellen, die viel länger als breit sind. Im Inneren der Wand befinden sich mehrere Schichten aus Mikrofibrillen, die Bündel von Zellulosepolymeren sind.
Mikrofibrillenketten sind innerhalb der Schichten der Wände in unterschiedlichen Richtungen ausgerichtet. Die mittlere Wand mit ihren Ketten, die entlang der längeren Dimension der Zelle ausgerichtet sind, sorgt für den größten Teil der Festigkeit der Zelle, während die diagonalen Ketten der Innen- und Außenwände für Stabilität sorgen. Lignin bindet die Cellulosepolymere sowie die Mikrofibrillenketten und die Zellen der Wände zusammen. Durch die Bündelungswirkung vieler Zellen untereinander ergibt sich ein sehr stabiler Baustoff.
Holz ist ein biologisches Material und daher sehr anfällig für Umweltzerfall und Schädlingsbefall. Ein Großteil des heute verwendeten Holzes wird mit Chemikalien vorbehandelt, um es vor Umwelteinflüssen und Insektenbefall zu schützen.
Holz ist ein inhomogenes Material, das sich durch eine Vielzahl von Unvollkommenheiten oder Defekten auszeichnet, wie z. B. Äste und Risse. Infolgedessen werden große Sicherheitsfaktoren oder Verhältnisse der Bemessungsfestigkeit zur tatsächlichen Endfestigkeit verwendet, um große Unterschiede in den technischen Eigenschaften verschiedener Holzstücke zu berücksichtigen.
Holz ist aufgrund seiner zellulären Beschaffenheit ein orthotroper Werkstoff, der unterschiedliche Eigenschaften entlang der Längs- bzw. der Querachse in Bezug auf die Faserrichtung aufweist. In der Folge verhält sich das Material anders gegenüber Belastungen, die parallel oder senkrecht zur Holzfaser stehen. Die orthotropen Eigenschaften von Holz können durch verschiedene Methoden verbessert werden.
Laminate wie Sperrholz bestehen aus Schichten mit Fasern, die in senkrechter Richtung ausgerichtet sind, was zu einem isotropen Material führt. Alternativ wird Brettschichtholz aus dünnen Faserstreifen hergestellt, die in die gleiche Richtung ausgerichtet und unter Druck verklebt werden, wobei es seine Festigkeit aus der Verteilung von Defekten bezieht.
Die zelluläre Zusammensetzung des Holzes ist auch für das freie Wasser in den Zellhöhlen und das an die Zellwände gebundene Wasser verantwortlich. Folglich ist der Feuchtigkeitsgehalt ein Schlüsselparameter bei der Bestimmung der Holzfestigkeit, und im Allgemeinen führt die Feuchtigkeitsreduzierung zu einer Erhöhung der Festigkeit. Volumenänderungen im Zusammenhang mit dem Trocknen können zu ungleichmäßiger Schrumpfung und Verzerrung führen, z. B. Verdrehung, Wölbung, Schale oder Krümmung.
Da es sich bei Holz um einen polymeren Werkstoff handelt, neigt es zudem zu Kriechen oder bei ständiger Belastung zu einer kontinuierlichen viskosen Verformung. Wenn die Last gelöst wird, wird der größte Teil der Verformung wiederhergestellt. Das hat zur Folge, dass Holz bei kurzer Belastungsdauer in der Regel deutlich höhere Belastungen aushalten kann. Da all diese Faktoren für die Verwendung in der täglichen Konstruktion zu komplex wären, verwenden wir für strukturelle Zwecke Folgendes: eine statistische Analyse der endgültigen fehlerfreien Festigkeitswerte für viele Holzarten, Korrekturen des Feuchtigkeitsgehalts und Festigkeitskennzahlen basierend auf der Holzqualität, um festigkeitsmindernde Effekte zu korrigieren.
Die für die meisten Hölzer üblichen Eigenschaften sind zur leichteren Bezugnahme in tabellarischer Form veröffentlicht. Diese Eigenschaften sind: zulässige Biegespannung, Zug parallel zum Korn, horizontale Scherung, Kompression senkrecht zum Korn, Kompression parallel zum Korn, und Elastizitätsmodul. Neben den grundsätzlichen orientierungsspezifischen Eigenschaften der Holzart sollte ersichtlich sein, dass sich nicht jedes Holz unter Belastung gleich verhält.
Nachdem Sie nun die physikalischen Eigenschaften von Holz und die Prinzipien der Holzprüfung verstanden haben, lassen Sie uns diese verwenden, um einige Tests durchzuführen.
Bevor Sie beginnen, wählen Sie drei Holzsorten zum Vergleich aus. Bereiten Sie für jede Sorte zwei Kompressionswürfelproben mit nominalen Kantenabmessungen von 3,5 Zoll vor. Stellen Sie sicher, dass die Würfel frei von Fehlern sind und ihre gegenüberliegenden Oberflächen parallel sind. Von jeder Sorte ist eine Probe für die Prüfung mit einer Belastung parallel zum Getreide zu markieren, und die restlichen Proben für die Prüfung mit einer senkrecht zum Getreide aufgebrachten Belastung.
Die Höhe der Belastungsrichtung jedes Prüflings ist mit einem Messschieber zu messen. Wiederholen Sie die Messung an einigen Stellen, um den ungefähren Durchschnitt zu ermitteln. Wenn Sie fertig sind, verwenden Sie das gleiche Verfahren, um die Querschnittsabmessungen jeder Probe zu bestimmen.
Richten Sie die Universalprüfmaschine wie im JoVE-Video gezeigt bezüglich der Materialkonstanten ein. Zentrieren Sie dann eine Probe vorsichtig in der richtigen Ausrichtung auf der Druckplatte. Senken Sie die Traverse ab, bis eine leichte Last aufgebracht wird, und verwenden Sie dann die Feinsteuerung, um die Last so nahe wie möglich an Null zu bringen.
Bringen Sie nun die Drucklast mit einer Belastungsrate von 40 psi pro Sekunde auf. Der Druckversuch kann bei zunehmender Belastung und mit erheblicher sichtbarer Dehnung der Probe mehrere Minuten dauern. Lassen Sie den Test so lange fortsetzen, bis eine offensichtliche maximale Belastung erreicht ist.
Notieren Sie die maximale Belastung, wenn der Test abgeschlossen ist, und wiederholen Sie den Vorgang für die verbleibenden Proben.
Führen Sie einen weiteren Druckversuch durch, und wenden Sie diesmal die Last senkrecht zur Körnung der Probe an. Wiederholen Sie den Vorgang für die anderen Holzsorten.
Bereiten Sie nun einige Hundeknochenproben mit den gleichen drei Holzarten vor. Bereiten Sie einen Satz Proben vor, bei dem das Korn parallel zur langen Dimension verläuft, und einen zweiten Satz, bei dem das Korn senkrecht zur langen Dimension verläuft.
Führen Sie Zugversuche an allen sechs Proben durch, wie im JoVE-Video über die Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften von Stahl gezeigt.
Besorgen Sie sich von jeder Holzsorte ein zwei mal vier Stück mit einer Länge von etwa 24 Zoll. Installieren Sie die Vierpunkt-Biegeprüfeinrichtung auf der Universalprüfmaschine. Sobald das Gerät fertig ist, starten Sie die Prüfmaschine. Passen Sie die Prüfeinstellungen an, um die Lasten und Traversenwerte aufzuzeichnen und die maximale Last zu erfassen. Setzen Sie die Probe in das Gerät ein und lassen Sie die obere Traverse fallen, bis das Gerät gerade beginnt, den Holzbalken zu berühren.
Bringen Sie die Last mit einer Geschwindigkeit von 2.000 Pfund pro Minute auf, bis der Balken bricht. Notieren Sie die Fehlerlast, wenn der Test abgeschlossen ist, und wiederholen Sie den Test für die verbleibenden Proben.
Verwenden Sie eine Tabelle, um die Ergebnisse für die Druck-, Zug- und Biegetests zusammenzufassen. Normalisieren Sie anschließend in jeder Spalte die Daten auf den Maximalwert, und erstellen Sie eine neue Tabelle.
Werfen Sie nun einen Blick auf Ihre Ergebnisse. Wie alle Ergebnisse übereinstimmend zeigen, ist Eiche das stärkste Holz, gefolgt von Fichte und Südkiefer. Bei den beiden wichtigsten Eigenschaften, Biegefestigkeit und Kompression parallel zur Maserung, scheint die Fichte mit etwa 87 % und die Südkiefer mit etwa 78 % so stark wie die Eiche zu sein. Angesichts des sehr großen Preisunterschieds zwischen den Wäldern ist die südliche Kiefer als billigste von ihnen eine sehr effiziente Wahl.
Die Holzprüfung ist im Bauwesen von größter Bedeutung, um die Fähigkeit der endgültigen Entwürfe zu bewerten, Belastungen und Dehnungen während des Routinegebrauchs standzuhalten, um die Produktsicherheit und die Einhaltung internationaler Normen zu gewährleisten.
Bei einem Vierpunktbiegeversuch wird ein einfach gelagerter Balken an seinem dritten Punkt mit zwei gleichpunktigen Lasten belastet, was zu einem zentralen Teil mit konstantem Moment und null Schub führt. Dieser Test ist entscheidend für Bodensysteme, bei denen die Strukturelemente des Holzes hauptsächlich durch Biegespannungen belastet werden.
Bis vor kurzem waren Holzkonstruktionen auf drei oder vier Stockwerke in einer Wohnung oder einem kleinen Bürogebäude beschränkt. Die Entwicklung von Brettsperrholz hat zur Entwicklung von Tragsystemen geführt, die acht oder mehr Stockwerke erreichen können. Viel höhere Gebäude, in der Größenordnung von 20 Stockwerken, befinden sich noch in der Entwicklung.
Sie haben gerade die Einführung in die Holzprüfung von JoVE gesehen. Sie sollten jetzt die technischen Eigenschaften von Holz verstehen und wissen, wie Sie Zug-, Druck- und Biegetests an Holzproben durchführen.
Danke fürs Zuschauen!
