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altbausanierung und modernisierung - Technische Universität

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ALTBAUSANIERUNG UND INSTANDSETZUNGSTHEORIE
MANUSKRIPT ZUR VORLESUNG
METHODISCHE INSTANDSETZUNG VON BAUWERKEN II
TECHNISCHE
UNIVERSITÄT
DARMSTADT
ALTBAUSANIERUNG UND MODERNISIERUNG
METHODISCHE INSTANDSETZUNG VON BAUWERKEN
INSTANDSETZUNGSMETHODIK II –
UNTERSUCHUNGSVERFAHREN
KARSTEN TICHELMANN
ULRICH GRIMMINGER
VERSUCHSANSTALT
FÜR HOLZ- UND
TROCKENBAU
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FÜR HOLZ- UND
TROCKENBAU
METHODISCHE INSTANDSETZUNGSTHEORIE VON
BAUWERKEN
INHALTSVERZEICHNIS
4
Untersuchungsverfahren........................................................................................................ 3
4.1
Lokalisierung und Klassifizierung von Schäden ....................................................... 6
4.1.1
Visuelle Untersuchung.............................................................................. 6
4.1.2
Abklopfen, Abbeilen ................................................................................. 7
4.1.3
Identifizierung von Holzschädlingen ........................................................ 7
4.1.4
Bohrkernverfahren..................................................................................... 7
4.1.5
Endoskopie ................................................................................................ 8
4.1.6
Ultraschall-Querdurchschallung (Abtastverfahren) ................................. 9
4.1.8
Thermografie (Thermovision) ................................................................... 11
4.2
Bestimmung der Holzart............................................................................................ 12
4.2.1
Mikroskopische Untersuchung ................................................................. 13
4.3
Altersbestimmung ..................................................................................................... 13
4.4
Bestimmung der vorhandenen Schutzeigenschaften von Anstrichen ...................... 14
4.4.1
Keilschnitt.................................................................................................. 14
4.4.2
Gitterschnitt .............................................................................................. 14
4.5
Holzschutzmittelbestimmung ................................................................................... 15
4.6
Bestimmung der Holzfeuchte.................................................................................... 16
4.6.1
Direkte Verfahren zur Holzfeuchtebestimmung ....................................... 16
4.6.2
Indirekte Verfahren zur Feuchtebestimmung ........................................... 17
4.7
Bestimmung des Elastizitätsmoduls ......................................................................... 21
4.7.2
Bestimmung des E-Moduls über dynamische Beanspruchung............... 23
4.8
Ultraschall-Längsdurchschallung .............................................................................. 24
4.8.1
Theoretische Grundlagen.......................................................................... 24
4.8.2
Festigkeitssortierung................................................................................. 26
4.8.3
Klassifizierung von Konstruktionsholz im Bestand .................................. 27
4.9
Bestimmung der Holz-Rohdichte .............................................................................. 29
4.9.1
Rohdichtebestimmung nach DIN 52 182 ................................................. 29
4.9.2
Ausziehwiderstandsmessung.................................................................... 30
4.9.3
Eindringwiderstandsmessung ................................................................... 32
4.9.4
Durchstrahlungsverfahren......................................................................... 33
5.1
Bohrkernverfahren ..................................................................................................... 34
5.2
Bohrwiderstandsmethode ......................................................................................... 37
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FÜR HOLZ- UND
TROCKENBAU
Untersuchungsverfahren
Die Untersuchung an Bauteilen und Baustoffen im Bestand, hat die Einschätzung der vorhandenen Tragfähigkeit und der Beurteilung der Standsicherheit alter Bausubstanz zum Ziel. Es
gilt, die vorhandenen Schäden zu lokalisieren und hinsichtlich Art, Umfang des Schadens sowie dessen Auswirkungen auf benachbarte Bauteile und die Gesamtstruktur zu bewerten.
Ergebnis der Schadensanalyse sind hinreichend sichere Aussagen, ob die Standsicherheit bzw.
die Gebrauchs- und Funktionstüchtigkeit der einzelnen Bauteile und der gesamten Konstruktion gewährleistet sind. Eine Abschätzung der Restlebensdauer der Bauteile sollte angestrebt
werden. Bisher beschränkten sich die Untersuchungen im Bestand vornehmlich auf die Feststellung, wie stark beispielsweise das in Tragkonstruktionen eingebaute Holz durch Pilze und
Insekten zerstört ist oder ob sichtbare Schädigungen durch chemische oder mechanische Einflüsse vorliegen. Ferner wird eine Klassifizierung nach den optisch festellbaren Inhomogenitäten des Baustoffs (z.B. bei Holz: Ästigkeit, Faserneigung, Jahrringbreite, Drehwuchs, usw.), die
i.a. eine ausreichende Korrelation zur Festigkeit aufweisen, vorgenommen. Bezüglich der
Festlegung der zulässigen Grenzwerte werden teilweise noch historisch begründete Erfahrungswerte angewandt. Danach erfolgt die Einteilung lokaler Bereiche oder des Gesamtbauteils in "tragfähig" oder "nicht tragfähig". Für die tragfähigen Hölzer gelten als Maßstab die
zulässigen Spannungen der Normen- und Regelwerke. So sind dies im Holzbau die Sortierklasse S10 nach DIN 1052 in Verbindung mit DIN 4074.
Eine visuelle Einschätzung ist bei Bauteilen und Baustoffen nicht immer ausreichend möglich,
da die Bauteile oftmals nicht hinreichend eingesehen werden können und verdeckte oder
innenliegende Schäden unentdeckt bleiben. Weiterhin hängt die Qualität der Funktionstüchtigkeits-Abschätzung im hohen Maße von der subjektiven Einschätzung der begutachtenden
Person ab. Dieses Vorgehen - im Prinzip eine nachträgliche rein visuelle Sortierung der zum
Teil schwer einsehbaren Bauelemente - stellt keine befriedigende Lösung dar, da es mit einem
hohem probabilistischen Anteil sowohl zur Überschätzung als auch zur Unterschätzung der
vorhandenen Tragfähigkeit kommen kann. Ersteres führt zu einer unzulässigen Reduzierung
des Sicherheitsniveaus, letzteres bewirkt einen unwirtschaftlichen und unökologischen Austausch bzw. Verstärkungsmaßnahmen oder führt gar zur Auffassung, eine Sanierung sei unrentabel, was zum Abriss des Bauwerks und somit auch zum Verlust von Wohnraum führen
kann, obwohl die vorhandenen Bauteile noch ausreichende Tragreserven besitzen. Es sind
daher zuverlässigere Bewertungskriterien notwendig, zumindest für Bauteile, die im Sinne der
Standsicherheit eine tragende Funktion erfüllen. Geeignete Untersuchungsmethoden müssen
eine Klassifizierung des im Bestand befindlichen Bauteils bzw. verbauten Baustoffe nach der
Tragfähigkeit ermöglichen, ähnlich wie dies für neues Holz nach DIN 4074 gefordert wird.
Wesentliche, die Tragfähigkeit und Verformbarkeit von Bauteilen von bestimmenden Einflüsse
sind jedoch der visuellen Einschätzung nicht oder nur sehr schwer zugänglich. So weisen die
Parameter Elastizitätsmodul und/oder Rohdichte höhere Korrelationen zur Festigkeit der
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meisten Baustoffe auf und erweisen sich als die zuverlässigeren Kenngrößen für eine Tragfähigkeitseinschätzung, gegenüber den visuellen Parametern.
So kommt bei Holzbauteilen der Ermittlung des Elastizitätsmoduls parallel zur Faser bzw. des
Biege-Elastizitätsmoduls eine besondere Bedeutung zu, da dieser sehr gute Korrelationen zur
Biegefestigkeit aufweisen. Besondere Gewichtung erhält die Einschätzung der elastischen Eigenschaften, da mit der EN 338 eine europäische Norm in Vorbereitung ist, die neben der
Festigkeit auch die Steifigkeitseigenschaften zum Sortierkriterium für Bauholz vorgibt und
somit der Tatsache Rechnung trägt, dass bei der Dimensionierung von Biegeträgern in der
Regel der Durchbiegungsnachweis maßgebend ist.
Bei gering belasteten oder konstruktiven Bauelementen wird auch in Zukunft die visuelle Begutachtung/Einschätzung und z.B. die zusätzliche Bestimmung der Feuchte oftmals ausreichen. Die Ermittlung der Rohdichte, Druck- und Zugfestigkeit und/oder des Elastizitätsmodul
ist dann erforderlich, wenn dem Bauteilteil eine maßgebliche Tragfunktion in der Konstruktion
zukommt. Dann sind weitergehende Untersuchungen zur Einhaltung eines definierten Sicherheitsniveaus, zur Aufspürung vorhandener Tragreserven und aus Gründen der Wirtschaftlichkeit notwendig.
Techniken und Prüfmethoden zur Ermittlung der Materialkennwerte von den gebräuchlichen
Baustoffen stehen zur Verfügung oder befinden sich derzeit in der Entwicklung. Besonders für
die Bereiche der Schadensanalyse und Bauzustandsbewertung werden in großem Umfang
Untersuchungsverfahren angeboten. Es gilt diese bezüglich der sicheren Einschätzung der
mechanischen und bauphysikalischen Eigenschaften des Werkstoffs, der Praxistauglichkeit
und des Arbeitsaufwandes zu beurteilen.
Ziel der nachfolgenden Beschreibung vorhandener Messverfahren, welche zur Schadenslokalisierung dienen und Kennwerte der mechanischen Qualität von Bauholz ermitteln und somit
die Überprüfung des Tragwerkszustandes bestehender Konstruktionen ermöglichen, ist die
generelle Vorgehensweise beispielhaft aufzuzeigen. Maßgebende Kriterien und Anforderungen zur Eignung der Verfahren zur "in situ"-Diagnostik sind, die
1. hinreichende Genauigkeit des Verfahrens
2. Eindeutigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse
3. zerstörungsfreie, bzw. weitgehend zerstörungsarme Arbeitsweise, denn erst solche Verfahren ermöglichen eine substanzschonende Untersuchung
4. Praxistauglichkeit und der Einsatz unter beengten Bedingungen
5. Wirtschaftlichkeit
6. ökologische Unbedenklichkeit
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KENNGRÖSSE
Untersuchung der Bausubstanz:
Lokalisierung und Klassifizierung von
Schäden
Bestimmung der Holzart
Altersbestimmung
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VERFAHREN (ARBEITSWEISE)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Visuelle Untersuchung (zf)
Abklopfen (zf)
Abbeilen (z)
Endoskopie (za)
Ultraschall-Querdurchschallung(zf)
Bohrkernentnahme (z)
Thermografie (zf)
Bohrwiderstandsmessung (za)
PH-Wert-Analyse (zf)
Schädlingsidentifizierung (za)
Vergleichsbildanalyse (zf)
Makroskopische/Mikroskopische Untersuchung (za)
• Dendrochronologie (z)
• Radiokarbonmethode (za)
• Mikroskopie (za)
Bestimmung der Schutzeigenschaften von • Keilschnitt (za)
Anstrichen
• Gitterschnitt (za)
Holzschutzbestimmung
• Dünnschicht - Chromatographie (za)
Bestimmung der Holzfeuchte
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Darr-Methode (gravimetrisch, DIN 52 183) (z)
Karl-Fischer-Titration (z)
Elektrische Widerstandsmessung (za)
Thermische Leitfähigkeit (za)
Neutronenstrahlung (zf)
Betastrahlung (zf)
Gammastrahlung (za)
Röntgenstrahlung (zf)
Schall-Impuls-Messung(zf)
Kapazitive Verfahren (z)
Bestimmung des E-Moduls
•
•
•
•
Biegeelastizitätsmodul nach DIN 52 186 (z)
"in situ"-Belastungsversuch (zf)
Impuls-Laufzeitmessung (zf)
Biege-/Längsschwingungsmessung (zf)
Bestimmung der Rohdichte
•
•
•
•
•
Rohdichtenbestimmung nach DIN 52 182 (z)
Bohrwiderstandmessung (za)
Ausziehwiderstandsmessung (za)
Eindringwiderstandsmessung (za)
Durchstrahlungsverfahren (zf)
• direkte Verfahren
• indirekte Verfahren
• Durchstrahlungsverfahren
Tabelle 5.:
Übersicht der Untersuchungsverfahren für Holz
Legende:
(z) zerstörend
(za) zerstörungsarm
(zf) zerstörungsfrei
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ForschungsEntwicklungs- und
Materialprüfanstalt
El-Lissitzky-Str. 1
D-64287 Darmstadt
Tel. 06151 / 16 41 31
Fax 06151 / 16 24 45
4.1
Lokalisierung und Klassifizierung von Schäden
4.1.1 Visuelle Untersuchung
Die visuelle Untersuchung, die mit jeder Schadensanalyse der Bausubstanz einhergeht, ist in
der Durchführung eine einfache, weitgehend zerstörungsfreie und kostengünstige Untersuchungsmethode und die zwingend notwendige Grundlage für weitere Prüfungen bzw. Substanzuntersuchungen. Durch sie erhält man einen Eindruck vom Gesamtzustand der Konstruktion und des Holzes, einen ersten Überblick über Art, Umfang und Auswirkung der vorhandenen Schäden.
Im Rahmen der visuellen Untersuchung werden alle zugänglichen Bauteile auf Pilz- und Insektenbefall, Durchfeuchtung, Verwitterung, auf chemische Zersetzung und auf Schäden
durch Überbelastung, Durchbiegungen, Verdrehungen, Ausknickungen, Risse, u.a. untersucht.
Das System der Lastabtragung und Aussteifung ist zu ermitteln. Der Zustand der einsehbaren
Anschlüsse und Knotenpunkte wird begutachtet, Wand-, Decken- und Dachaufbauten sind
hinsichtlich Konstruktion, Dimensionierung und Materialien zu bestimmen. Auf nachträgliche
Veränderungen sowie Um- und Anbauten der Bausubstanz ist zu achten.
Manche Bauschäden zeigen typische, immer wiederkehrende Erscheinungsbilder, so dass neben dem Lokalisieren der Schäden durch eine Analogiestudie (Vergleichsbildanalyse) auch
Rückschlüsse auf die verursachenden Mechanismen gezogen werden können. Dies ist beispielweise bei der Schädlingsidentifizierung, bei Rissbildern im Mauerwerk oder charakteristischen Versagenserscheinungen möglich. Hierbei lässt sich allein aus der Betrachtung und
Analyse des Schadensbildes sowie des Umfeldes häufig die Schadensursache ableiten und
sicher bestimmen. Maßgebend für die Qualität der visuellen Untersuchung ist die Erfahrung
und Kompetenz des Beurteilenden. Die festgestellten Schäden werden in Abhängigkeit von
Art und Umfang dokumentiert und in Schadensklassen eingeteilt. Nicht einsehbare oder nicht
eindeutig bewertbare Stellen werden gekennzeichnet und sind durch geeignete weitergehende Methoden/Verfahren später zu untersuchen.
Ziel dieser nachfolgenden Untersuchung im Rahmen der Schadenslokalisierung ist es, Aussagen hinsichtlich der Ausdehnung von vorgefundenen Schadensbereichen innerhalb von Holzbauteilen zu bestätigen oder zu quantifizieren sowie die Lokalisierung vermuteter, nicht sichtbarer Schäden und Aussagen über den inneren Zustand der verbauten Hölzer zu gewinnen.
Eine Methode zur systematischen Klassifizierung lokaler Schäden und Ableitung des globalen
Bauzustandes wurde in Teil 1 vorgestellt.
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4.1.2 Abklopfen, Abbeilen
Hinweise auf den inneren Zustand eines Holzbauteiles erhalten erfahrene Fachleute durch den
Klang, der beim Anschlagen an Splint oder Kern mit einem Hammer entsteht. Diese Methode
ist weitgehend zerstörungsarm, die qualitativen Aussagen sind jedoch stark von der subjektiven Einschätzung und dem Erfahrungshorizont des Prüfers gefärbt und sind nicht reproduzierbar. Eine Festigkeitsklassifizierung ist nicht möglich. Die Ausdehnung der Schädigungen durch
Pilze oder Insekten ist durch Abbeilen feststellbar. Die Gefahr beim Abbeilen besteht allerdings
darin, dass zuviel Holz abgeschlagen wird und der Querschnitt unnötig geschwächt wird.
Weitere qualitative Eindrücke über das Tragverhalten von Holzbalken können z.B. aus dem
Schwingungsverhalten der Konstruktion gewonnen werden.
4.1.3 Identifizierung von Holzschädlingen
Angemessene und wirksame Bekämpfungsmaßnahmen erfordern bei vorgefundenem biotischem Befall die genaue Identifizierung des Schädlings. Gerade bei den pflanzlichen Schädlingen kann der Bekämpfungsaufwand je nach Spezies sehr unterschiedlich sein. Aus dem
Schadensbild, dem Fruchtkörperaussehen und ggf. den Sporen lässt sich meist schon auf die
Art des Pilzbefalles schließen. Die Bestimmung erfolgt im Allgemeinen nach dem Muster der
Vergleichsbildanalyse. Dies gilt entsprechend für tierische Schädlinge, die sich an den charakteristischen Schlupflochformen und -größe sowie dem Verlauf der Fraßgänge bestimmen
lassen.
Zur genauen Schädlingsidentifizierung ist jedoch große Erfahrung erforderlich. Oftmals muss
eine Diagnose durch Laboruntersuchungen untermauert werden.
4.1.4 Bohrkernverfahren
Bohrkernuntersuchungen liefern Hinweise auf den inneren Zustand von Holzbauteilen. Man
wählt in der Regel solche Zonen, bei denen eine Zerstörung vermutet wird. An den zylindrischen Bohrkernen können weiterhin eine Vielzahl von Untersuchungen durchgeführt werden.
Die Rohdichte und der Feuchtegehalt von Holz können an Bohrkernen nach den Vorgaben
von DIN 52 182 und DIN 52 183 sehr genau bestimmt werden. Zur Altersbestimmung von
Holz können Bohrkerne entnommen werden, wenn kein zerstörtes Holz vorhanden ist, das
das Abschneiden einer Hirnholzscheibe erlaubt. Anhand des gesunden Querschnittes kann die
Tragfähigkeit des Holzes überprüft werden. Die Ergebnisse durchgeführter Untersuchungen
sind in 3.6. beschrieben.
Bohrkernanalysen lassen nur örtlich begrenzte Angaben bis zu einer Tiefe von ca.30 cm zu.
Die zylindrischen Bohrkerne (∅ ca. 1,2 - 2,0 cm) sind mit einem Hohlbohrer zu entnehmen.
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Diese haben einen Außendurchmesser von 2,0 - 3,0 cm. Um einen auswertbaren Bohrkern zu
erhalten, muss die einwandfreie Führung des Bohrers ohne Verkantung, mit Hilfe eines Führungsrohres oder Ansetzstutzens gesichert werden. Die Bohrung erfolgt mit niedriger Drehzahl, um die Erwärmung des Bohrkerns möglichst gering zu halten und somit die nachträgliche
Holzfeuchtebestimmung nicht zu verfälschen. Aus dem gleichen Grund sollen weitere Bohrkerne erst nach Abkühlen des Hohlbohrers gezogen werden. Bei Hohlbohrern mit schlechtem
Schliff, besteht die Gefahr, dass die Oberfläche des Bohrkerns verkohlt. Die entnommenen
Proben sind zu beschriften und so zu verpacken, dass Feuchteverluste verhindert werden. In
sichtbar durch Pilze oder Insekten beschädigten Zonen empfiehlt sich die Bohrkernentnahme
nicht, da die Bohrkerne sofort zerfallen und weitere Untersuchungen damit nicht möglich sind.
Die Bohrlöcher sind anschließend mit konischen Hartholzdübeln zu verschließen. Da die Bohrkernentnahme einen zerstörenden Eingriff in die Bausubstanz bedeutet und eine Querschnittsschwächung (ca. 10%) des Bauteils zur Folge hat, sollten Bohrkerne nur begrenzt entnommen
werden, und auch nur wenn es keine andere Möglichkeit gibt, wirtschaftlich Aussagen über
den Bauteilzustand zu erhalten.
4.1.5 Endoskopie
Das Endoskop ist ein optisches Gerät, das in der Medizin seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt wird und im Bauwesen seit einigen Jahren etabliert ist. In all den Bereich, die mit dem
Auge nicht begutachtet werden können, ohne das mehr oder weniger stark zerstörend in die
Bausubstanz eingegriffen wird, bietet sich die Endoskopie als zerstörungsarme Werkstoffprüfung zur Untersuchung und Bewertung von Bausubstanz, Schichtenfolge und Materialzustand
an. Endoskope lassen sich nach starren und flexiblen optischen Systemen klassifizieren. Starre
Endoskope bestehen aus einem unbeweglichen Rohr, das ein Linsensystem zum Bildtransport
und einen Glasfiberstrang zum Lichttransport oder nur Glasfiberstränge zum Bild - und Lichttransport beinhaltet. Flexible Endoskope bestehen aus einem biegsamen Schlauch (z.B. Metallgeflecht), der die für Bild- und Lichttransport nötigen Glasfiberstränge umhüllt. Am einen
Ende des Endoskops befindet sich ein Objektiv, das verschiedenste Gesichtsfelder und Blickrichtungen zulässt. Am gleichen Ende befindet sich die Lichtquelle, die die notwendige Beleuchtung zur Untersuchung der Hohlräume liefert. Das andere Ende des Endoskops kann
sowohl mit einer Augenmuschel zur direkten Untersuchung als auch mit Kamera und Videogerät, die eine spätere Auswertung der Bilder zulassen, versehen werden. Die Endoskopie
nimmt im Bereich der Bestandsuntersuchung und Schadensanalyse eine bedeutende Stellung
ein. Sie ermöglicht die nahezu zerstörungsfreie Untersuchung von Hohlräumen und Bereichen,
die dem menschlichen Auge ansonsten nur durch zerstörende Maßnahmen zugänglich wären.
Einziger Eingriff in die Bausubstanz sind die Bohrlöcher mit Durchmessern kleiner 20 mm abhängig von den verwendeten Endoskopen -, die die erforderlichen Öffnungskanäle für die
Endoskopie schaffen bzw. den Zugang zu vorhandenen Hohlräumen ermöglichen. Die Bohrlöcher sind mit sauberem Bohrschnitt so herzustellen, dass ein Zerspleißen der Holzfasern vermieden wird. Weiterhin ist das Spangut möglichst aus den Bohrlöchern zu entfernen. Der
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Grund dafür ist, dass Spangut oder durch Bohren beschädigte Holzfasern möglicherweise als
Schädigungen infolge von Pilz- oder Insektenbefall gehalten werden kann.
Die Anwendung der Endoskopie erfordert große Erfahrung und Routine, vor allem was die
Interpretation der Bilder angeht. So ist es beispielsweise möglich, dass Spinnweben für Myzelstränge eines Pilzes oder Spangut als Fraßmehl von Insektenbefall gehalten werden und
dadurch eine Freilegungsmaßnahme in Gang gesetzt wird, die sich im nachhinein als unbegründet erweist. Die Bohrlöcher sind nach abgeschlossener Begutachtung mit Hartholzdübeln
zu verschließen.
Ein wichtiger Einsatzbereich der Endoskopie im Bauwesen ist die Untersuchung von Holzdecken, im Besonderen die Untersuchung von Balkenköpfen im Auflagerbereich. Zustand und
Abmessungen der Holzbalken sowie der Deckenaufbau können zerstörungsarm untersucht
werden, ohne dass Bewohner übermäßig durch Lärm- oder Staubentwicklung gestört werden.
Eine Räumung von Wohnungen- und Betriebsstätten ist nicht nötig.
Der Zeitaufwand beträgt bei Verwendung von Kameras oder Videogeräten - die Auswertung
der Bilder erfolgt nicht vor Ort - nur wenige Stunden pro Wohnung. Mit Schnittsonden ist
zudem durch die vorhandenen Bohrlöcher eine Entnahme von Holzproben möglich. Die Endoskopie liefert also früh erste Anhaltspunkte und Entscheidungsgrundlagen dafür, ob und mit
welchem Aufwand das untersuchte Objekt sanierbar ist.
Als Nachteil der Endoskopie muss genannt werden, dass der Zustand von Holzbauteilen nur
stichprobenartig erfasst wird. Die Lage der Bohrlöcher ist daher sehr gezielt und überlegt auszuwählen, um von dem vorgefundenen lokalen Befund auf den Globalzustand des Einzelbauteils oder der Konstruktion schließen zu können.
4.1.6 Ultraschall-Querdurchschallung (Abtastverfahren)
Ein Verfahren zur zerstörungsfreien Lokalisierung äußerlich nicht sichtbarer Holzschädigungen
mittels Ultraschall haben Klingsch und Neum [11] vorgestellt. In anderen Werkstoffbereichen
wird dieses Verfahren schon lange erfolgreich zur Lokalisierung von Schädigungen im Inneren
von Bauteilen angewandt. Für den Werkstoff Holz wurde es bisher nur wenig und mit nicht
überzeugender Qualität eingesetzt. Grund dafür ist die im Vergleich zu anderen Werkstoffen
größere Inhomogenität von Holz und die ausgeprägten Ultraschallstreuungen sowie die Entwicklung von Störechos im Holz. Die im Bereich der Werkstoffprüfung von homogenen Materialien, vornehmlich Stahl, üblicherweise verwendeten Ultraschallgeräte werden den besonderen Eigenschaften des Werkstoffes Holz nicht gerecht. Die Geräte haben eine ungenügende
Sende- und Empfangskapazität, und die Sendefrequenzen liegen in einem ungeeigneten
Bereich.
Im Rahmen einer Untersuchung [11] haben Klingsch und Neum ein Ultraschallgerät modifiziert, dass auf die besonderen Anforderungen des Werkstoffes Holz abgestimmt wurde.
Aufbauend auf den Neuentwicklungen eines niederfrequenten Schmalbandsenders wurde ein
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modifiziertes Sende- und Empfangssystem für den Anwendungsbereich Holz erarbeitet. Es
basiert auf dem Verfahren der Impulsdurchschallung, wobei die Durchschallung quer zur Faserrichtung erfolgt. Die maximale durchschallbare Dicke beträgt 350-400 mm. Gegenüber
anderen Geräten wurde die untere Sendefrequenz gesenkt, die Sende- und Empfangsleistungen wurden erhöht, und es wurden andere niederfrequente Prüfköpfe verwendet.
Das zu untersuchende Holzbauteil wird mit Sender und Empfänger mittels Kontaktgel versehen. Dazu muss das Bauteil allerdings von mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten zugänglich sein. Dann werden Ultraschallimpulse auf einer durch die Lage von Sender und
Empfänger festgelegten Achse durch das Bauteil geschickt. Auf einem Oszillographen werden
die Empfangssignale entlang dieser Achse direkt abgebildet. Die Signalhöhe (Echo) ist proportional zur Holzgüte bzw. antiproportional zum Grad der Schädigung. Form und Intensität der
auf dem Oszillographen dargestellten Empfangssignale liefern qualitative Informationen zu
Lage und Umfang der Schäden. Innerhalb enger Grenzen sind quantitative Aussagen zum
Schädigungsgrad möglich. Das Verfahren ist vor Ort einsetzbar. Von Nachteil ist allerdings,
dass die zu untersuchenden Bauteile wegen der notwendigen Impulsdurchschallung von mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten zugänglich sein müssen, die Entwicklung von Störechos bei zunehmender Inhomogenität des Holzes sowie die noch ungenügende Praxiserprobung des Gerätes.
4.1.7 Bohrwiderstandsmessung
Dieses Bohrverfahren ermöglicht die fast zerstörungsfreie Untersuchung des inneren Zustandes von eingebauten Hölzern. Es wurde von den Ingenieuren Kamm und Voß aus Bad
Oeynhausen entwickelt und in ein spezielles Bohrgerät umgesetzt.
Eine Bohrnadel mit einem Durchmesser von 1,5 mm bis 3 mm wird mit hoher Umdrehungszahl und konstanter, wählbarer Vorschubgeschwindigkeit in das zu untersuchende Holz gebohrt. Jeweils nach 1/10 mm Vorschubweg wird die Leistungsabgabe gemessen und mit einem im Gerät eingebauten Schreiber aufgezeichnet. Gleichzeitig werden auf einem Sichtfeld
die Leistungsabgabe und auch der bis dahin zurückgelegte Bohrweg angezeigt. Als Ergebnis
der Bohrung erhält man eine aufgezeichnete Leistungsabgabekurve, die dem Dichteprofil des
Holzes entlang des Bohrweges entspricht. Über Vergleichskurven von Hölzern, deren innerer
Zustand genau bekannt ist, wird die Ergebniskurve bewertet und durch Vergleichsbildanalysen
auf den aktuellen Zustand des untersuchten Holzes geschlossen. Die Leistungsabgabe des
Bohrmotors wird somit als Maß für den Bohrwiderstand während des Bohrvorganges aufgezeichnet. Die aufgezeichneten Spannungen setzen sich zusammen aus der Leistungsabgabe
des Bohrmotors im Leerlauf und der zusätzlichen Leistungsabgabe während des Bohrvorganges. Die Schwankungen der Leistungsabgabe des Bohrmotors durch Holz können durch die
unterschiedlichen Rohdichten von Früh- und Spätholz erklärt werden. Die mittlere Rohdichte
ist also vom mittleren Bohrwiderstand abhängig.
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Schädigungen durch Pilze oder Insekten haben charakteristische Dichteänderungen des Holzes
zur Folge. Mit Erfahrung in der Auswertung der Leistungsabgabekurve lassen sich diese Schädigungsursachen mit ausreichender Sicherheit bestimmen. Auch die Lage der Schädigungen
lässt sich exakt lokalisieren, da die Leistungsabgabekurve über den Weg im Maßstab 1:1 aufgezeichnet wird.
Weitere Anwendungen der Bohrwiderstandsmessung sind die Ermittlung der Ausdehnung und
Verläufe von Rissen, die Bestimmung der Geometrie verdeckter zimmermannsmäßiger Holzverbindungen, wie die Abmessung von Zapfenlöchern, ohne Beeinträchtigung der Tragfähigkeit der Anschlüsse und die Bestimmung des Aufbaus mehrschichtiger Konstruktionen aus
Holz oder Holzwerkstoffen. Die Kenntnis der genauen Geometrie von Holzverbindungen ist
für den statischen Nachweis einer Konstruktion von Bedeutung. Die letzte Anwendung setzt
allerdings voraus, dass innenliegende Hohlräume eine bestimmte Ausdehnung von ca. 6 cm
nicht überschreiten. Andernfalls ist infolge der mangelnden Führung im Bohrloch mit einem
"verlaufen" der Bohrnadel zu rechnen.
4.1.8 Thermografie (Thermovision)
Mit der Thermographie werden von den zu untersuchenden Objekten Wärmebilder (Thermogramme) erzeugt. Bei den gebräuchlichen Thermografiegeräten gelangt die vom Objekt ausgestrahlte Wärmestrahlung über ein besonders durchlässiges Objekt zu einem hochempfindlichen Detektor. Von diesem werden die natürlichen Wärmestrahlen in Videosignale umgewandelt, die über einen Verstärker auf einem Monitor sichtbar gemacht werden. Die verschiedenen Wärmebereiche werden durch unterschiedliche Grautöne bzw. Farbtöne bei
Farbmonitoren dargestellt. Ein Thermovisionsgerät besteht aus einer Infrarot-Optik und dem
Infrarot-Wiedergabegerät. Die Auswertung der Aufnahmen erfolgt entweder sofort vom Bildschirm oder mit Hilfe von Fotografie oder Videoaufzeichnungen nach Ablauf der Untersuchungen.
Die Thermovision erfüllt im Bereich der Altbausanierung einige wichtige Aufgaben. Mit ihrer
Hilfe werden Mängel an Isolierungen, Wärmebrücken, Leckagen und Zonen mit großen
Wärmeverlusten - Indikatoren für Feuchteschäden und energetische Mängel - sichtbar gemacht. Weiterhin lassen sich auch Schäden an Rohrleitungs- oder Heizungssystemen orten.
Daneben wird das unterschiedliche Wärmeverhalten der verschiedenen Baustoffe dazu genutzt, unter Verputz liegende Fachwerke zerstörungsfrei zu untersuchen. Um besonders
scharfe Thermogramme zu erhalten, in denen die Fachwerkstrukturen gut zu erkennen sind,
nennen Schweer und Volk [12] zwei Möglichkeiten.
Zum einen nutzt man das unterschiedliche Wärmespeichervermögen von Holz zu dem Ausfachungsmaterial. Im Sommer wird die zu untersuchende Wand durch intensive Sonneneinstrahlung aufgeheizt. Am Ende der Einstrahlungszeit stellen sich aufgrund des unterschiedlichen Wärmespeichervermögens unterschiedliche Oberflächentemperaturen der Wand ein, die
auf der Infrarotaufnahme als Hell-Dunkel-Kontraste sichtbar werden. Nachteil dieses Verfah11
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rens ist, dass IR-Untersuchungen dieser Art nur an sonnigen Sommertagen an Süd- und Westseiten von Gebäuden durchführbar sind, und zwar beschränkt auf den Zeitraum zwischen
Ende der Besonnung und Anfang der Auskühlung.
Zum anderen nutzt man die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit der verschiedenen Materialien. Dieses Verfahren kommt im Winter zur Anwendung. Die Innenräume des zu untersuchenden Gebäudes werden gleichmäßig auf eine Temperatur von ca. +20°C aufgeheizt. Somit
stellt sich zwischen Innen- und Außenwand überall die gleiche Temperaturdifferenz ein. Abhängig von den Wärmedämm- bzw. Wärmeleiteigenschaften der Wandmaterialien verändert
sich jedoch die Oberflächentemperatur der Außenwand. Auch diese Unterschiede sind als
Hell-Dunkel-Kontraste auf IR-Aufnahmen sichtbar. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die
Anwendung auf die Wintermonate beschränkt ist. Zudem müssen leerstehende Räume und
Dachstühle oder sogar ganze Gebäude extra aufgeheizt werden, um verwertbare Aufnahmen
zu erhalten.
Auswertung und Ergebnisse der IR-Aufnahmen hängen wesentlich vom Wandaufbau ab.
Besonders problematisch wird es nach [12], wenn:
• der Außenputz zu dick (>7 cm) ist
• das Fachwerk durch Holz oder Materialien mit vergleichbarer Wärmeleitfähigkeit wie Holz
ausgefacht wurde
• eine hinterlüftete Fassade vorhanden ist
• eine Wärmedämmung zwischen Fachwerk und Putz eingebracht wurde
Sind die erforderlichen Randbedingungen eingehalten, ermöglicht die Thermografie die Untersuchung unter Putz liegender Fachwerke, ohne diese freizulegen und den Putz abschlagen zu
müssen. Die Entscheidung, der Fachwerkfreilegung wird ebenso erleichtert wie die Frage, wie
sich eine Freilegung auf die bauliche oder landschaftliche Gestaltung der Umgebung auswirken würde. Als wesentlicher Nachteil dieses zerstörungfreien Verfahrens sind die hohen
Einsatzkosten zu nennen.
4.2
Bestimmung der Holzart
Die Holzart kann über Merkmale wie Holzfärbung (Farbe der Kernholzes, Farbe des Splintholzes), Faserverlauf, Jahrringabstand, Baststücke (falls noch vorhanden), Verteilung und Größenordnung der Poren u.a. bestimmt werden. Ist das Holzbauteil nicht in dem Maße zugänglich, dass die entscheidenden Merkmale sichtbar sind, so sind makroskopische Untersuchungen z.B. an Bohrkernen notwendig, die im Zusammenhang mit der Alters- oder Rohdichtenbestimmung entnommen wurden.
12
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4.2.1 Mikroskopische Untersuchung
Aufgrund der Interpretation von mikroskopischen Untersuchungsergebnissen der Holzstruktur
lassen sich Rückschlüsse auf die Holzart ziehen. Für die Bestimmung der wichtigsten einheimischen Holzarten ist ein Bestimmungsschlüssel ausgearbeitet worden, der außer den mikroskopischen Merkmalen Hinweise auf das makroskopische Aussehen enthält. Damit sollte es
möglich sein, die wichtigsten mitteleuropäischen Nutzhölzer zu bestimmen. Jedoch unterscheiden sich einige Holzarten in ihren Strukturmerkmalen nur wenig, so dass die Identifizierung durch den Vergleich größerer Holzproben, an denen Unterschiede meist leicht entdeckt werden können, wesentlich vereinfacht wird.
4.3
Altersbestimmung
Für die kunst- und baugeschichtliche Einordnung von Bauwerken ist es wichtig, die Daten
ihrer Entstehungszeit zu kennen. Die Kenntnis dieser Daten lässt zudem Rückschlüsse auf
jeweils nur zu bestimmten Zeiten angewandte Konstruktionen und Materialien zu. Anhaltspunkte für das Alter liefern Urkunden, in das Bauwerk eingearbeitete Jahreszahlen oder konstruktive Merkmale. Weitere Möglichkeiten, das Alter eines Bauwerkes zu bestimmen, sind die
Radiokarbonmethode und das dendrochronologische Verfahren.
Die Radiokarbonmethode - auch C 14-Methode - beruht auf dem Prinzip, dass aus dem Stickstoff aus der Atmosphäre aufgrund der kosmischen Ultrastrahlung fortlaufend in kleinen
Mengen das radioaktive Kohlenstoffisotop C 14 erzeugt wird. Die Halbwertzeit dieses Isotops
beträgt 5568 Jahre. Aus der noch vorhandenen Radioaktivität des C 14 - Kohlenstoffisotops
kann das ungefähre Alter (± 50 Jahre) bestimmt werden. Dieses Verfahren funktioniert nicht
nur bei Holz sondern bei allen kohlenstoffhaltigen Materialien.
Bei dem dendrochronologischen Verfahren wird das Fälldatum von Hölzern über die
spezifische Variation die Jahrringbreite bestimmt. Grundlage sind die unterschiedlichen
Wuchsdaten der Bäume je nach Jahresklima. Für verschiedene Landschaften wurden aus
Untersuchungen an Baumstämmen, überlappend in der Zeit und weit zurückreichend,
Standardkurven ermittelt. An Hölzern, deren Alter bestimmt werden soll, wird die Breite der
Jahresringe bestimmt und im Maßstab der Standardkurve eine Einzelkurve erstellt. Die beiden
Kurven werden nach dem Deckungsprinzip verglichen. Dort, wo Standard- und Einzelkurve
voll oder weitgehend identisch sind, kann man am äußersten Jahresring der Einzelkurve im
günstigsten Fall, wenn der äußerste Splintjahresring, der Bast am untersuchenden Holz vorhanden ist, das Fälljahr bestimmen. Günstig zur Untersuchung sind flache Querschnittsscheiben. Oftmals ist es aber nicht möglich, Hirnholzflächen anzuschneiden. In diesem Fall
werden entsprechend lange Bohrkerne entnommen und die Jahrringbreiten an den Kernen
gemessen. Unter optimalen Bedingungen (alle Splintjahrringe bis zum Bast vorhanden,
13
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Jahrringbreiten nicht gleichmäßig, 80 bis 100 Jahrringe) ist mit der Dendrochronologie eine
nahezu exakte Datierung möglich, ansonsten erreicht man Genauigkeiten von ± 5 Jahren.
Für Eiche existieren für große Teile von Europa Standardkurven, für andere Holzarten sind
solche Kurven nur spärlich vorhanden bzw. werden derzeit erstellt.
4.4
Bestimmung der vorhandenen Schutzeigenschaften von Anstrichen
Stark der Witterung ausgesetzte Bauteile, (z.B. Holzfenster, Außenbekleidungen) werden auf
die Wirksamkeit vorhandener Schutzanstriche und Holzschutzmittel untersucht. Filmdicke und
Haftung von Anstrichen werden geprüft, beides wichtige Kriterien für deren schützende
Funktion.
4.4.1 Keilschnitt
Die Dicke eines Anstriches von Holzbauteilen (Fenster, Türen, u.a.) ist ein wichtiges Kriterium
für dessen Schutzfunktion. Mit dem Keilschnittverfahren wird die Filmdicke von Anstrichen
bestimmt. Nach DIN 50986 [21] ist die Anstrichdicke mittels Keilschnitt an mindestens drei
Stellen im Prüfbereich zu bestimmen. Mit einer Spezialschneide wird in den Anstrich samt
Untergrund eine Furche geschnitten. Der Schnittwinkel α ist durch die Führung der Schneide
festgelegt. Die Breite b des von oben sichtbaren Schrägschnittes wird mit einer Messlupe gemessen. Die Dicke s der Beschichtung ergibt sich zu s = b ⋅ tan(α ). Bei einem Schnittwinkel
unter
α=45° entspricht die gemessene Breite b der Schichtdicke s.
4.4.2 Gitterschnitt
Neben der Filmdicke ist die Haftfestigkeit ein weiteres wesentliches Kriterium für die Haltbarkeit eines Anstriches. Auf dem Untergrund wird diese durch die Haftung und durch die
Sprödigkeit der Schicht bestimmt. Ein Maß hierfür ist, inwieweit sich der Anstrich mit einem
Messer kreuzweise schneiden lässt, ohne dass die Flanken vom Untergrund abspringen. Enge
kreuzweise angelegte Schnitte werden als Gitterschnitt bezeichnet. Nach DIN 53151 [20] wird
der Gitterschnitt an mindestens drei Stellen im Prüfbereich geprüft. Mit einem
Mehrschneidengerät wird ein 5 oder 10 mm breites Schnittband durch die Beschichtung bis
auf den Untergrund gezogen. Ein zweites Schnittband wird im rechten Winkel dazu angelegt.
Es entsteht ein Gitter mit 25 Quadraten. Abgesprungene Bestandteile des Anstriches werden
abgebürstet und eventuell mit einem Klebestreifentest verschärft. Mit einer Lupe wird dann
festgestellt, ob und wie viel Anstrichteile aus den einzelnen Quadraten abgeplatzt sind.
14
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Die Auswertung und die Ermittlung der Schutzwirkung erfolgt durch den Vergleich mit
typischen Schnittbildern, für die Kennwertbereiche Gt0 bis Gt4 folgendermaßen festgelegt
sind:
Gt0:
Gt1:
Gt2:
Gt3:
Gt4:
glatte Schnittränder, keine Abplatzungen
Abplatzungen ca. 5 Flächenprozent an Schnittkreuzungen
Abplatzungen ca. 15 Flächenprozent an Kreuzungen und Schnitträndern
Abplatzungen ca. 35 Flächenprozent, Quadrate vereinzelt abgeplatzt
Abplatzungen ca. 65 Flächenprozent, Quadrate vermehrt abgeplatzt
Beide Verfahren, Keilschnitt wie Gitterschnitt, sind eine einfache und kostengünstige Methode
zur Bestimmung der vorhandenen Schutzwirkung einen Anstrichs auf Holzbauteilen. Als
Nachteil ist die lokale Zerstörung zu nennen, die ausgebessert werden muss.
4.5
Holzschutzmittelbestimmung
Biotische Zerstörung von Holz ist nichts anderes als sein Abbau durch Insekten,
Mikroorganismen wie Pilze oder Bakterien. Das Holz kann davor durch fungizide oder
bakterizide Holzschutzmittel, wie z.B. toxische Salze oder organische (ölige) Gifte, geschützt
werden.
Kommt es beispielsweise ohne konstruktive Mängel zur Fäulnis von Holz, dann liegt die Vermutung nahe, dass kein oder zu wenig Holzschutzmittel vorhanden ist. Werden anderseits
hohe toxische Schadstoffkonzentrationen in der Raumluft gemessen, so ist zu überprüfen, ob
diese auf ausgasende Holzschutzmittel zurückzuführen sind. Um dies festzustellen, werden
Proben durch Dünnschicht-Chromatographie (DC) nach DIN 52161 auf Schutzmittel untersucht. Etwaige Schutzmittel werden durch ein Lösungsmittel (z.B. Aceton) aus der fein geraspelten Holzprobe gelöst. Das gewonnene Extrakt wird auf 1 ml isoliert. Von dieser Lösung
werden dann 5/1000 ml mit einer Feinpipette auf eine Trägerplatte mit einer 0,25 mm starken
Schicht aus Kieselgel und Fluoreszenz-Indikator aufgetragen. Nach dem Verdunsten des Lösungsmittels wird die Trägerplatte in einen DC- Tank, der mit einem Laufmittel (z.B. Benzol
oder n-Heptan) 1 cm hoch gefüllt ist, senkrecht eingestellt. Das Laufmittel steigt kapillar im
Kieselgel der Trägerplatte nach oben, erfasst dabei das aufgetragene Extrakt und führt es über
eine bestimmte Laufstrecke mit, zu erkennen durch Fluoreszenz unter UV-Licht. Gleiches erfolgt mit bekannten Schutzmitteln, die ebenfalls aufpipetiert werden. Über den Vergleich der
unterschiedlichen Laufstrecken kann das Holzschutzmittel identifiziert werden.
Weitere Verfahren zur Bestimmung von vorhandenen Holzschutzmitteln arbeiten auf Basis
von Reagenzien oder Indikatorlösungen.
15
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4.6
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Bestimmung der Holzfeuchte
Die Holzfeuchte kann auf viele Arten bestimmt werden. Kober und Plinke haben in [13] zahlreiche Möglichkeiten zur Bestimmung der Feuchte an Holz, Holzwerkstoffen und Baustoffen
zusammengestellt. Einige dieser Verfahren werden im Folgenden näher beschrieben. Die
Feuchte eines Baustoffes kann direkt oder indirekt bestimmt werden. Den indirekten Verfahren ist gemeinsam, dass ein Zusammenhang zwischen der Materialfeuchte und der gemessenen physikalischen Größe experimentell ermittelt werden muss bzw. bekannt ist. Als Vergleichsmessung wird in der Regel die gravimetrische Methode herangezogen.
4.6.1 Direkte Verfahren zur Holzfeuchtebestimmung
Die gravimetrische Bestimmung der Holzfeuchte ist ein direktes Verfahren, welches nach DIN
52 186 genormt ist. Eine Baustoffprobe wird aus dem zu untersuchenden Holzbauteil entnommen und mit einer Präzisionswaage gewogen. Dann wird die Probe in einen Trockenschrank gegeben und bei einer Temperatur von 103°C getrocknet. Hölzer mit größeren Anteilen an flüchtigen Inhaltsstoffen (Harze, ätherische Öle u.a.) sind mit entsprechend niedrigeren Temperaturen von ca. 50°C bis zur Gewichtskonstanz zu trocknen. Nach Erreichen der
Gewichtskonstanz wird die Probe erneut gewogen.
Die Holzfeuchte ergibt sich zu:
m − m0
uH = u
⋅ 100
m0
mit
[%]
(1)
mu : Masse der feuchten Probe in g
m0 : Masse der darrtrockenen Probe in g
uH : Holzfeuchte in Massenprozent
Es handelt sich hierbei um ein sehr genaues zerstörendes Verfahren zur Bestimmung der
Holzfeuchte welches nicht vor Ort durchgeführt werden kann. Als Materialproben können die
bei Bohrkernanalysen anfallenden Bohrkerne herangezogen werden.
Ein weiteres direktes Verfahren ist die sogenannte Karl-Fischer-Titration. Dieses Verfahren
ermöglicht die absolute Mengenbestimmung von in einer Lösung enthaltenem Wasser. Eine
Baustoffprobe wird aus dem zu untersuchenden Bauteil entnommen. Sie sollte höchstens ein
Volumen von einigen cm³ haben oder aber sorgfältig zerkleinert sein. Das in der Probe enthaltene Wasser wird mit Methanol aus der Probe extrahiert. In die entstandene Lösung wird
das Karl-Fischer-Reagenz eingeträufelt. Dieses Reagenz ist ein sogenanntes Redoxsystem, das
je nach Oxidationszustand farblos oder braun ist. Da das gelöste Wasser bei der einsetzenden
Titrationsreaktion aufgezehrt wird, bleibt die hohe Hygroskopizität der Lösung erhalten. Der
16
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Wasserentzug erfolgt mit größtmöglicher Geschwindigkeit. Der Zeitpunkt, zudem das Wasser
in der Lösung komplett umgesetzt ist, ist durch einen Farbumschlag, durch eine Änderung der
Leitfähigkeit der Lösung oder durch einen Wechsel der Polarisationsverhältnisse zweier Platinelektroden erkennbar. Dieses Verfahren findet bei Holz und Holzwerkstoffen kaum
Anwendung.
4.6.2 Indirekte Verfahren zur Feuchtebestimmung
Das für Holz und Holzwerkstoffe verbreitetste indirekte Verfahren zur Ermittlung der Holzfeuchte ist die elektrische Widerstandsmessung. Zwei Elektroden werden in einem definierten
Abstand in das Holz geschlagen oder an der Oberfläche befestigt. Bei der elektrischen Widerstandsmessung wird der elektrische Strom gemessen, der sich aufgrund der im Holz vorhandenen Feuchtigkeit und dem sich damit ergebenden Widerstands durch das Holz fließt. Der
elektrische Widerstand fließt jedoch nicht nur eine Abhängigkeit von der Holzfeuchte auf,
sondern unterliegt ebenfalls maßgeblich den Einflüssen der Temperatur und der Holzart. Die
Messcharakteristik ergibt, dass sich im Feuchtigkeitsbereich unterhalb der Fasersättigung
(etwa < 30%), der elektrische Widerstand in Abhängigkeit von der Holzfeuchte sehr stark
verändert. Oberhalb des Fasersättigungsbereiches werden diese Veränderungen immer kleiner. Da die Messgeräte den Bereich unterhalb der Fasersättigung fein auflösen, hat dies zur
Folge, dass im Bereich oberhalb von 30% Holzfeuchte die Messgenauigkeit der Geräte geringer wird. In den Grenzen der Holzfeuchte von 4% bis 20% wird innerhalb jeder Holzgruppe
zusammengefassten Holzarten eine Messgenauigkeit von ± 0,5% erreicht. Zwischen 20% und
30% muss man von einer Messwerttoleranz von ± 1% ausgehen. Oberhalb des holzspezifischen Fassersättigungsbereiches fällt die Messgenauigkeit auf ± 3% bis 4% ab.
Je nach Wahl der Elektroden kann die Holzfeuchte im Holz oder im oberflächennahen Bereich
bestimmt werden. Die gebräuchlichsten Elektroden sind:
• Hand- oder Einschlagelektrode
• Hammer-Einschlag-Elektrode
• Ramm-Elektrode
Um die Gefahr der ungewollten oberflächennahen Messung auszuschließen, ist darauf zu
achten, dass die Elektroden bis zur Spitze isoliert sind. Durch den Einsatz von Ramm-Hohlhammersonden mit teflonisolierten Messnadeln sind Messungen in verschiedenen Tiefen bis
zu 50 mm einer Bohle oder einem Balken möglich. Unter Baustellenbedingungen hat sich das
Verfahren der Feuchtebestimmung über die elektrische Widerstandsmessung bewährt und ist
für die Anforderungen der Praxis hinreichend genau.
Ein anderes Verfahren nutzt den Umstand aus, dass sich die Wärmeleitfähigkeit grob strukturierter Materialien wie Holz in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt ändert. Als physikalische
Größe, die eine Aussage über den Feuchtegehalt zulassen, können die Spannung an einem
temperaturabhängigen Widerstand oder die Temperatur des Messobjektes gemessen werden.
17
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Bei der zweiten Möglichkeit wird über einen im zu untersuchenden Material eingebetteten
Heizwiderstand Wärme eingebracht und nach einiger Zeit die Temperaturerhöhung im Messobjekt am Heizwiderstand bestimmt. Die Messung kann statisch oder dynamisch erfolgen. Bei
der statischen Messung wird eine konstante Heizleistung eingebracht. Nach einiger Zeit stellt
sich ein stationäres Temperaturfeld mit der höchsten Temperatur am Widerstand ein. Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des untersuchten Materials ist, desto höher ist die Temperatur des
Heizwiderstandes. Über die Temperatur am Heizwiderstand kann also auf die Wärmeleitfähigkeit und damit auch auf den Feuchtegehalt geschlossen werden. Die dynamische Methode
arbeitet ähnlich, nur wertet sie nicht die Endtemperatur sondern, nach kurzer Anlaufzeit, die
Anstiegstemperatur aus.
4.6.3 Durchstrahlungsverfahren zur Feuchtebestimmung
Weitere Verfahren bestimmen den Feuchtegehalt mittels Durchstrahlung. Diese Techniken
stehen teilweise noch in der Entwicklung und werden nach Auffassung des Verfassers infolge
der komplexen Handhabbarkeit und den erforderlichen Strahlenschutzmaßnahmen für die
Untersuchungen von Holzbauteilen im Bestand keine Bedeutung haben. Da sie den Stand der
Entwicklung aufzeigen werden diese zur Vollständigkeit aufgeführt.
Bei der Ermittlung der Feuchte durch Neutronenstrahlung wird der Effekt ausgenutzt, dass
schnelle Neutronen an Wasserstoffatomen auf "thermische Geschwindigkeit" abgebremst
werden. Durch die Auslösung elektrischer Impulse können die abgebremsten Neutronen mit
Heliumzählrohren nachgewiesen und gezählt werden. Die Anzahl der abgebremsten
Neutronen ist direkt proportional zur Feuchtigkeit des Holzes. Aus den Messwerten lassen sich
über ein Histogramm Pläne und Zonen gleicher Feuchtigkeit erstellen. Absolute Feuchtigkeitsgehalte erhält man mit diesem Verfahren nicht. Dieses Verfahren hat im Rahmen der "in
situ"-Diagnostik keine praktische Relevanz.
Ein anderes Durchstrahlungsverfahren nutzt die Betastrahlung zur Bestimmung des Feuchtegehaltes. Hierbei wird das Prinzip ausgenutzt, dass Wasserstoff aufgrund seines hohen Ladungs - Massenverhältnisses durchgehende Betastrahlung deutlich mehr schwächt als die
anderen Elemente, aus denen Holz besteht. Die Feuchtemessung kann in Form einer Transmissionsmessung durchgeführt werden, d.h. das Messobjekt befindet sich zwischen Strahlenquelle und Empfänger. Als Strahlenquelle wird ein radioaktives Nuklid, i. d. R. Strontium 90
verwendet. Die Strahlung durchdringt das zu untersuchende Material, wird teilweise absorbiert und gestreut und erreicht geschwächt den hinter der Probe angebrachten Detektor, der
aus einem Szintillatorkristall und einem Photomultiplier besteht. In Holz haben Betastrahlen
nur eine geringe Reichweite in der Größenordnung von einem Zentimeter. Da eine Messung
nur möglich ist, wenn ein nennenswerter Teil der von der Quelle ausgesandten Strahlung den
Detektor erreicht, ist dieses Verfahren auf dünne plattenartige Bauteile oder Holzwerkstoffplatten geeignet.
18
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Die Feuchtebestimmung durch Gammastrahlung basiert ebenfalls auf dem Prinzip, dass
Strahlung beim Durchgang durch Material jeder Art durch Streuung und Absorption geschwächt wird, bei feuchtem Material mehr als bei sonst gleichen Bedingungen ohne Feuchtigkeit. Als Strahlungsquelle wird ein radioaktives Nuklid verwendet - z.B. Isotope von
Americium, Cäsium u.a. -, der Detektor besteht aus einem Szintillationskristall und einem
Photomuliplier. Im Detektor absorbierte Gammaquanten lösen je nach Energie des Quantums
unterschiedlich starke Lichtblitze aus. Die Häufigkeit der Lichtblitze, die Zählrate, ist ein Maß
für die Intensität der Strahlung. Zur Bestimmung der Feuchte wird die Intensität der Strahlung
vor und nach dem Durchgang durch die Probe verglichen und daraus die Gesamtdichte ermittelt. Ist die Dichte der Probe im trockenen Zustand bekannt, kann der Wassergehalt errechnet werden. Da die Zählrate wesentlich von der Schwächung in der Probe selbst beeinflusst wird, ist es auch erforderlich den Schwächungskoeffizienten im trockenen Zustand zu
bestimmen.
Kober und Mehlhorn [14] haben eine Messvorrichtung zur Feuchtemessung mit Gammastrahlung entwickelt. Die Zählrate ohne und mit Messobjekt wird bestimmt. Unter der Voraussetzung, dass die Schwächungskoeffizienten für die trockene Probe und für Wasser bekannt
sind, kann aus
F = F0 ⋅ e −μ⋅s −μw ⋅sw
(2)
nach Umstellung von Gleichung (2) die Schichtdicke sw (sw bezeichnet die Wassermenge im
Strahlengang, zusammengezogen auf eine Schicht flüssigen Wassers unter normalen Bedingungen) des Wassers bestimmt werden:
⎛F ⎞
ln⎜ 0 ⎟ − μ ⋅ s
F
sw = ⎝ ⎠
μw
F:
F0 :
µ:
µw :
s:
sw :
Strahlungsflussdichte, entsprechend Zählrate nach Durchgang durch das Messobjekt
Zählrate ohne Messobjekt (Anordnung wie bei Messung von F)
Schwächungskoeffizient des
Probenmaterials (trocken)
Schwächungskoeffizient von Wasser
Schichtdicke des Probenmaterials (Messlänge)
Schichtdicke des Wassers
Die Feuchte ergibt sich schließlich aus
s ⋅d
u = w w [%]
s⋅ d
u:
dw :
d:
(3)
(4)
Wassergehalt, bezogen auf die Trockenmasse
Dichte von Wasser unter Normalbedingungen
Dichte des Probenmaterials (trocken)
19
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Die Dichte und der Schwächungskoeffizient der trockenen Probe sind notwendig zur Feuchtebestimmung. Da für die Sonden im zu untersuchenden Material Bohrungen angebracht werden müssen, können aus den anfallenden Bohrkernen diese beiden Größen bestimmt werden.
Untersuchungen mit der entwickelten Messvorrichtung haben gezeigt, dass eine Feuchtebestimmung mit hoher räumlicher Auflösung möglich ist. Inwieweit unterschiedliche Materialien durch Korrekturfaktoren zu berücksichtigen sind, ist noch zu prüfen. Der Einsatz dieses
Verfahrens hat sich in den Bereichen der Feuchtededektierung von Mauerwerk, Stahlbeton
und Asphalt bewährt. Untersuchungen zur Feuchtelokalisierung und Feuchtequantifizierung
von Holz und Holzwerkstoffen werden derzeit durchgeführt. Eine praxisrelevante Anwendung
wäre für Holzbalkendecken und Holztafelwände denkbar.
Auch Röntgenstrahlung wird zur Feuchtemessung genutzt. Zwei Verfahren sind hier zu nennen, die herkömmliche Röntgen-Photographie (RP) und die Röntgen-Computertomographie
(RCT). Sie unterscheiden sich durch die Messwertaufnahme und die weitere Verarbeitung. Bei
der RP befindet sich das Messobjekt im Strahlengang zwischen Quelle und einem Planfilm.
Bereiche unterschiedlicher Belichtung werden durch Variationen der Massendichte einschließlich der Feuchteverteilung hervorgerufen. Die Auswertung der Filme erfolgt mit normaloptischen Verfahren. Auch bei der RCT befindet sich das Messobjekt im Strahlengang zwischen
Quelle und Planfilm. Um jeweils nur einen kleinen Raumbereich des Messobjektes zu erfassen,
wird der Strahl entsprechend ausgeblendet. Im Unterschied zur RP wird das Messobjekt aus
vielen Richtungen, die alle senkrecht auf einer gemeinsamen Achse stehen, durchstrahlt und
die Messergebnisse samt Position in einem Computer gespeichert. Aus der Vielzahl der Messergebnisse können Schwankungen des Absorptionsvermögens für Röntgenstrahlung in beliebigen Ebenen des Messobjektes wiedergegeben werden. Eine dreidimensionale Wiedergabe
des absorbierenden Messobjektes ist möglich. Eine Anwendung dieses Verfahren wird auf die
laborative Untersuchung beschränkt bleiben.
Eine weitere Möglichkeit zur Feuchtebestimmung bietet die Messung der
Schallgeschwindigkeit in dem zu untersuchenden Messobjekt. In Festkörpern ist die Schallgeschwindigkeit unter anderem von der Dichte und dem Elastizitätsmodul abhängig, und diese
beiden Größen werden durch den Feuchtegehalt beeinflusst. Ein piezoelektrischer Schallgeber
und ein Beschleunigungsaufnehmer werden an zwei Stellen des Messobjektes über einen definierten Weg angebracht. Ein Schallimpuls wird durch das Messobjekt gesendet und die Laufzeit gemessen. Nach entsprechender Kalibrierung kann aus der Laufzeit des Schallimpulses auf
den Wassergehalt geschlossen werden. Da jedoch über den Messweg zwischen Ein- und Ausleitung der Schallwelle bei stark inhomogenen Stoffen wie Holz die Rohdichte und auch das
Elastizitätsmodul sehr streuen können ist die Anwendbarkeit für die hier zu untersuchende
Problemstellung sehr fraglich. Die Praxisrelevanz des Verfahrens wird aus diesen Gründen
nicht weiter untersucht.
Eine andere Möglichkeit zur Feuchtemessung bieten Hochfrequenz und kapazitive Verfahren.
Das Messobjekt wird als Dielektrikum zwischen die Elektroden eines Kondensators gebracht.
Zwischen den Elektroden bildet sich ein mehr oder weniger homogenes elektrisches Wechselfeld aus. In diesem Feld findet ein Wechsel von Polarisation und Relaxation der Dipole statt.
20
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Dieser Vorgang kann durch die Dielektrizitätszahl und den Verlustfaktor beschrieben werden.
Dielektrizitätszahl und Verlustfaktor werden unterschiedlich stark sowohl von der Frequenz
des Wechselfeldes als auch von der Temperatur beeinflusst und sind stark vom Wassergehalt
des Messobjektes abhängig. Dieser Zusammenhang wird zur Feuchtemessung genutzt. Gemessen wird der Betrag und die Phasenlage des fließenden Stroms, woraus direkt die
Impedanz (Impedanz: Scheinwiderstand beim Wechselstrom) des Kondensators bestimmt
werden kann. Beim so genannten Resonanzverfahren kann die Impedanz auch aus der
Änderung der Parameter eines aus dem kapazitiven Messwertaufnehmers und einer
Induktivität gebildeten Schwingkreises ermittelt werden. Auch dieses Verfahren ist in dem
derzeitigen Entwicklungsstand nicht zur "in situ"-Feuchtediagnostik geeignet. Für weitergehende Informationen wird auf die Literatur [14] verwiesen.
4.7
Bestimmung des Elastizitätsmoduls
Der Elastizitätsmodul parallel zur Faser E|| bzw. der Biege-Elastizitätsmodul EB sind Werkstoffkenngröße, die zur Beurteilung der Holzgüte herangezogen werden können. Der Bestimmung
des Biege-Elastizitätsmoduls kommt eine besondere Bedeutung zu, da dieser eine gute Korrelation zur Biegefestigkeit aufweist und durch die DIN 52186 [19] eine Norm für dessen Ermittlung bei statischer Beanspruchung vorliegt. Der Elastizitätsmodul parallel zur Faser lässt
sich mit den weiter unten aufgeführten Verfahren der Längsdurchschallung unter dynamischer
Beanspruchung bestimmen. Da sich beide E-Module nur geringfügig voneinander unterscheiden, kann für baupraktische Belange mit einem Wert gerechnet werden. Die Kenntnis der
elastischen Eigenschaften ist von Vorteil, da bei Konstruktionen aus Holz oftmals der Verformungsnachweis maßgebend ist.
4.7.1 Bestimmung des E-Moduls über statische Beanspruchung
Die Bestimmung über eine statische Beanspruchung ist in DIN 52 186 genormt. Eine Probe
wird durch die Last in Probenmitte bei fehlerfreiem Holz oder durch zwei Lasten in den
Drittelspunkten der Probe - bei Gebrauchsholz (Kantholz, Rundholz) - belastet.
Die Stützweite soll mindestens l = 15⋅h sein, um den Einfluss der Querkraft zurücktreten zu
lassen. Die Gesamtlänge der Probe soll L = l + 3⋅h betragen. Aus der sich ergebenden Verformung, der Belastung und der Geometrie wird mit Hilfe der Elastizitätstheorie der E-Modul
berechnet. Für eine Belastung in Probenmitte ergibt sich der Biege - Elastizitätsmodul zu:
EB =
l3
ΔF
⋅
4 ⋅ b ⋅ h3 Δf
(5)
21
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Für eine Belastung in den Drittelspunkten ergibt sich:
EB =
l:
l':
b:
h:
ΔF :
Δf:
EB:
2 ⋅ l3 − l ⋅ l′2 + l′3 ΔF
⋅
Δf
8 ⋅ b ⋅ h3
(6)
Stützweite in mm
Abstand der Kraftangriffspunkte in mm
Probenbreite in mm
Probenhöhe in mm
beliebige Kraftdifferenz in N
die der Kraftdifferenz entsprechende Durchbiegung in Probenmitte in mm
Biegeelastizitätsmodul in N/mm²
Nach [7] ist dieses Verfahren auch vor Ort, d.h. in der Konstruktion, möglich. Um den Aufwand gering zu halten, werden kleine Belastungen verwendet, die leicht und schnell aufgebracht werden können. Die daraus resultierenden kleinen Verformungen erfordern genaue
Messvorrichtungen. Die Bezugspunkte, gegenüber denen die Verformungen bestimmt werden, sollten alle auf dem Balken liegen, um Messfehler zu vermeiden. Eine Messvorrichtung,
die dies ermöglicht, ist in Abbildung 24 dargestellt. Eine Messschiene wird an zwei Punkten
möglichst in der Systemmittellinie des Balkens befestigt. Zwischen diesen beiden Punkten wird
eine Messuhr angeschraubt. Wird nun auf den Balken eine Biegebelastung aufgebracht, so
kann die Verformung f innerhalb der Biegelinie über den Messbereich l1 ermittelt werden.
Nach Messung der Durchbiegung f (→ Abb. 25) kann der E-Modul aus folgender Formel berechnet werden:
⎡
⎤
2
P ⋅ l13 ⎢⎢
a ⋅ b ⋅l
E ⎛ h ⎞ ⎥⎥
f=
⋅ −0,5 + 6 ⋅ 2
+ κ ⋅ ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟
48 ⋅ EI ⎢
G ⎝ l1 ⎠ ⎥
l ⋅ l1
3⎥
1424
⎢
Korrekturfaktor ⎦
⎣
(7)
Für den Sonderfall, dass die Einzellast in Feldmitte angreift, gilt:
⎡
⎤
2⎥
⎢
⎛
⎞
l
E h
⋅ ⎢ −0,5 + 1,5 ⋅ + κ ⋅ ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎥
f=
48 ⋅ EI ⎢
l1
G ⎝ l1 ⎠ ⎥
14243 ⎥
⎢
Korrekturfaktor ⎦
⎣
P ⋅ l13
f:
P:
E:
G:
a,b:
l:
(8)
Durchbiegung
Belastung
Elastizitätsmodul
Schubmodul
Abstand der Einzellast von den Auflagern
Stützweite des Balkens
22
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l1:
h:
κ:
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Messlänge
Querschnittshöhe
Schubverteilungszahl (für Rechteckquerschnitte kann κ = 1.2 angenommen werden)
Da die nach DIN 52186 geforderte Mindeststützweite von 15 ⋅ h bei eingebauten Balken oft
nicht einzuhalten ist, werden die gemessenen Durchbiegungen unterschiedlich stark von
Schubverformungen beeinflusst. Dieser Einfluss muss durch einen Korrekturfaktor berücksichtigt werden. In den Gleichungen (14) und (15) ist dieser Faktor enthalten und gekennzeichnet. Für den Quotienten aus E-Modul und Schubmodul wird für Nadelholz E/G = 20 angenommen, für Eiche E/G = 12,5. Das Verfahren kann bei geeigneter Anordnung der Belastung
und entsprechenden Formeln der Stabstatik auch bei Durchlaufträgern angewendet werden.
Problematisch an dem Verfahren ist, dass zum einen die Balkenabmessungen genau bekannt
sein müssen. Zum anderen muss gewährleistet sein, dass die Balken an den Auflagern annähernd frei drehbar sind. Beides sind Bedingungen, die in einer Altbaukonstruktion nur
schwer erfüllbar sind und somit dem Verfahren eine stark eingeschränkte Praxisrelevanz zukommen lassen.
4.7.2 Bestimmung des E-Moduls über dynamische Beanspruchung
Zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls E|| über eine dynamische Belastung bieten sich zwei
Wege an:
Zum einen kann aus der Schwingungszeit einer Biege- oder Längsschwingung, Rohdichte und
Geometrie der Probe der dynamische E-Modul ermittelt werden. Ein Stab wird durch einen
Schlag oder Stoß in Schwingungen versetzt. Unter bestimmten Auflagerbedingungen, die dem
Körper erlauben, frei zu schwingen, stellen sich nach kurzer Zeit Eigenschwingungen 1. oder
höherer Ordnung ein. Ein Beschleunigungsaufnehmer misst die Schwingungen über längere
Zeit und gibt nach ihrem Abklingen die Schwingungsdauer an.
Nach [9] wurde der Elastizitätsmodul dynamisch nach diesem Verfahren mit dem Messgerät
Grindo-Sonic MK3 (J.W. Lemmens-Elektronica) und nach DIN 52 186 an fehlerfreien Proben
und an Hölzern in Bauholzqualität ermittelt und die Ergebnisse dann verglichen. Da die DIN
52 186 keine Korrektur des Schubeinflusses auf die Durchbiegung vorsieht, musste in
Gleichung (8) der Faktor κ ⋅ E/G für einen Vergleich der beiden Prüfverfahren gleich Null gesetzt werden. Dieser Term war unter der Voraussetzung, dass die nach DIN 52 186 geforderte
Mindeststützweite l > 15⋅ h eingehalten wird, vernachlässigbar. Das Verfahren ist zur
Bestimmung des Elastizitätsmoduls unter Laborbedingungen durchaus geeignet. Vor Ort
scheidet es jedoch aus, da es fast unmöglich ist, ein Bauteil in einer Konstruktion so in geordnete Schwingungen zu versetzen, dass eindeutig reproduzierbare Messergebnisse erzielt werden können. Weiterhin werden die Störungen durch Auflagereinflüsse zu groß. Zu einer maschinellen Sortierung nach DIN 4074 scheint dieses Verfahren nach [9] dagegen gut geeignet.
23
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Der zweite Weg, über eine dynamische Belastung den Elastizitätsmodul zu ermitteln, besteht
darin, durch einen Ultraschallimpuls oder durch ein einmaliges Anschlagen mit einem Hammer
in dem zu untersuchenden Bauteil eine Longitudinalwelle zu erzeugen.
4.8
Ultraschall-Längsdurchschallung
4.8.1 Theoretische Grundlagen
Beim dem Verfahren der Längsdurchschallung wird durch einen Ultraschallimpuls ein Stab zu
Längsschwingungen angeregt, also eine Longitudinalwelle in dem zu untersuchenden Prüfkörper erzeugt
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v einer solchen Welle ist in einem isotropen, homogenen
Stab abhängig vom Elastizitätsmodul E und der Rohdichte ρ. Es gilt:
Edyn =v² ⋅ ρ
(14)
solange die Wellenlänge größer ist als die Abmessungen des Körpers rechtwinklig zur Längsrichtung, in der die Wellenausbreitung gemessen wird. Bei der Materialprüfung von annähernd homogen, isotropen Materialien wie Stahl hat sich das Ultraschall-Impuls-Echo-Verfahren insbesondere für die Identifizierung von örtlichen Fehlstellen bewährt. Während in
einem homogenen Festkörper die Schallwellen praktisch keine Absorption erleiden, werden sie
an jedem Hohlraum nahezu vollständig reflektiert. Auf diese Weise ist es möglich, an Hand
der Abschwächung der Schallintensität Risse oder Spalten, deren Dicke in Richtung der
Schallausbreitung nur 10-6 mm beträgt, noch sicher nachzuweisen [6].
Holz ist für Ultraschall jedoch nur mäßig durchlässig, was eine Anwendung des Impuls-EchoVerfahrens auf sehr geringe Probenabmessungen beschränkt. Der Schallwellenwiderstand R
des Holzes, der definiert ist als das Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit
R=v⋅ρ
(15)
unterscheidet sich, im Gegensatz zu Stahl, nur mäßig von dem Schallwellenwiderstand der
Luft. Das bedeutet, dass die Reflexion des Schalls an einer äußeren Grenzfläche Holz-Luft
geringer ist. Außerdem ist bei Holz die Schwächung der Schallwellen infolge Streuung und
Absorption bei den hohen Frequenzen des Ultraschalls im Gegensatz zu dem akustischen Frequenzbereich sehr groß. Dies hängt mit der Struktur und Porosität des Holzes zusammen und
nimmt mit höheren Frequenzen zu. Die Streuung beruht primär darauf, dass der hochpolymere Werkstoff ein Gefüge mit vielen kleinen "Fehlstellen" aufweist, an deren Grenzflächen sich der Schallwiderstand ändert, weil dort Stoffelemente unterschiedlicher Dichte und
Elastizität aufeinandertreffen (Faserung, Porosität, Risse, Äste, Früh- und Spätholzgrenzen,
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usw.). Die zweite Ursache der Schallschwächung, die Absorption, ergibt sich aus der Umwandlung der Schallenergie in Wärme infolge innerer Reibungsvorgänge. Vergleichend ist die
Schallschwächung bei identischen Frequenzen um mindestens zwei Zehnerpotenzen größer
als bei Stahl und somit das Echo sehr gering. Daher bezeichnet man Holz auch als schallweich.
Man verwendet aus diesem Grunde zweckmäßigerweise bei größeren Holzproben das Verfahren der "entkoppelten Längsdurchschallung", bei dem anstelle des kombiniertem Prüfkopfes zwei Prüfköpfe verwandt werden, die nach Sender und Empfänger getrennt sind, und
arbeitet im allgemeinen mit niedrigen Ultraschallfrequenzen im Bereich von 35-50 kHz. Dieses
Durchschallungsverfahren ist ein Impulsverfahren, bei dem in schneller Folge außerordentlich
kurze Ultraschallimpulse, die aus nur wenigen Hochfrequenzschwingungen bestehen, von
einem Sender-Prüfkopf eingestrahlt und einem gesonderten Empfänger-Prüfkopf an der gegenüberliegenden Seite in verminderter Stärke und verzögerter Laufzeit wieder aufgenommen
werden. Aus dem zeitlichen und örtlichen Abstand von Sende- und Empfangssignal sowie
unter Berücksichtigung des sich aus der Ablenkfrequenz ergebenden Messbereiches lässt sich
die Laufzeit des Impulses messen und die Durchschallungsgeschwindigkeit ermitteln. Unter
der Voraussetzung, dass die Rohdichte bekannt ist, ergibt sich der dynamische Elastizitätsmodul Edyn parallel zur Faser des durchschallten Holzkörpers nach Gl. (1). Die in dieser Form
angeregte Longitudinalwelle erzeugt sehr kleine Verformungen, die den Bereich der "vollkommenen Elastizität" nicht überschreiten. Geht man über das Gebiet der kleinen Spannungen hinaus, wie das bei der statischen Ermittlungsweise die Regel ist, sind mit den elastischen
Formänderungen stets kleine plastische Deformationen verbunden. Zudem werden die auftretenden Spannungen auch bei rasch aufgebrachter Last durch den Effekt des Kriechens teilweise abgebaut. Der dynamische Elastizitätsmodul Edyn ist nach [2] in der Regel um ca. 7%
größer als der statische Elastizitätsmodul Estat
Die für Gl. (14) erforderliche mittlere Rohdichte ist für Holz jedoch im Rahmen einer zerstörungsfreien Prüfung nur schwer bestimmbar. Weiterhin werden die die Laufzeit beeinflussenden Parameter wie Holzfeuchte, Temperatur und Geometrie des Probekörpers nicht erfasst.
So wächst die Impulslaufzeit mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt an. Vor diesem Hintergrund untersuchte Sandoz [3] den Zusammenhang zwischen Laufzeit und den mechanischen
Eigenschaften, wobei kein signifikanter Einfluss der Dichte auf die Durchschallungsgeschwindigkeit festgestellt wird. Aus den nichtlinearen Regressionsanalysen ermittelt sich Edyn zu:
Edyn,1 =
K1
1
− K2
v2
(16)
Die Konstanten K1 und K2 ergeben sich hier in Abhängigkeit der Querschnittsgeometrie aus
der Regressionsanalyse. Da weiterhin die vorhandene Holzfeuchte u und die Temperatur T des
Holzes Einfluss auf die elastischen Eigenschaften haben, ist die Bestimmung eines Referenzref
Elastizitätsmoduls Edyn (u=12%, T=20°C) erforderlich.
25
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ref
Zur Ermittlung des Referenzwertes Edyn kann der Einfluss der Holzfeuchte nach [1] mit
Gl. (17)
Edyn, 2
Edyn,1
für
=
82 − u2
82 − u1
(17)
5% ≤ u ≤ 30 %
und der Einfluss der Temperatur nach [10] mit Gl. (18):
ref
Edyn
(Tm )
Edyn,2
für
= 1, 038 − 0 , 00188 ⋅ Tm
20 ° C ≤ Tm ≤ 150 ° C
(18)
ermittelt werden. Ohne Berücksichtigung des Einflusses der Rohdichte ergaben die Untersuchungen von Kessel und Sandoz [4] an 333 Kanthölzern aus den Regressionsanalysen
Korrelationskoeffizienten von r = 0,800 bis 0,834 in Abhängigkeit der Querschnittsgeometrie.
Die Regressionsgleichung die den Zusammenhang zwischen Dichte und Laufzeit beschreibt
ergab sich zu
ρ=
K1
v − K2
2
(19)
mit einem Korrelationskoeffizienten von r = 0,42. Die Ergebnisse dieser Untersuchung weisen
daraufhin, dass mit der Längsdurchschallung ein Verfahren zur Ermittlung des Elastizitätsmoduls parallel zur Faser und der Biegefestigkeit vorliegt.
4.8.2 Festigkeitssortierung
In Deutschland kommt bei der Festigkeitssortierung von Schnittholz in der Regel die visuelle
Sortierung zum Einsatz, wobei die Kriterien in der DIN 4074 festgehalten sind.
Studien nach [5] belegen zudem, dass das Ziel einer Festigkeitssortierung nach diesen Kriterien
bei Anwendung der in Deutschland, Österreich, Frankreich und der Schweiz vorliegenden
Normenwerken nicht erreicht wird, da die einzelnen Normen mit ähnlichen Parametern arbeiten. Diese Situation hat dazu geführt, praktisch nur Vollholz der Sortierklasse S10 mit einer
zulässigen Biegespannung von 1,0 kN/cm² verarbeitet wird, da die Anwendung der höheren
Festigkeitsklassen bei den auf Sicherheit bedachten Tragwerksplanern nur selten Berücksichtigung findet. Ein zuverlässiges Messverfahren zur effizienten Nachsortierung von Hölzern,
denen aufgrund ihrer Anordnung im Bauwerk höhere Lasten zugeordnet werden, kann diesen
Umstand beseitigen.
26
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Für jedes einzelne Tragglied, das klassifizierbar ist, muss die Sicherheit ausreichend hoch sein,
um die auftretenden Beanspruchungen mit angemessener Zuverlässigkeit aufnehmen zu
können. Als Sicherheit wird hier das Verhältnis von Biegebruchspannung zu zulässiger Spannung verstanden. Festigkeitsklassen bzw. Sortierklassen, wie sie in der DIN 4074 bezeichnet
werden, unterscheiden sich im wesentlichen durch die geforderten charakteristischen Werte
der darin eingeordneten Hölzer. Als charakteristischer Festigkeitswert wird die untere
5%-Fraktile der Festigkeitsverteilung des sortierten Holzes verstanden. Der charakteristische
Festigkeitswert ist also in diesem Fall die Biegefestigkeit, die von 5% der Proben unterschritten
wird.
Der Sicherheitsfaktor wird in Anlehnung an den Eurocode mit Teilsicherheiten von 2,2 angenommen. Kessel und Sandoz [4] wählten den Faktor 2,25.
4.8.3 Klassifizierung von Konstruktionsholz im Bestand
Die "in situ"-Diagnostik als Bestandteil der Bauzustandsuntersuchung hat zum Ziel, das Holz
im verbauten Zustand einer Festigkeitsklasse zuzuordnen und darüber sichere Aussagen zur
Standsicherheit abzuleiten. Oftmals muss für einzelne Hölzer, die schon über Jahrhunderte
ihre Last getragen haben, eine erhöhte Tragfähigkeit nachgewiesen werden. Liegen die rechnerischen Beanspruchungen über den zulässigen Spannungen, kommt es bei Anwendung der
entsprechenden Normen zu unnötigen Verstärkungen, unwirtschaftlichen Instandsetzungen
oder gar zum Abbruch intakter Bausubstanz.
Im Gegensatz zur Schnittholzklassifizierung gilt es im Bestand nicht nur die globalen mechanischen Eigenschaften zu ermitteln, sondern auch lokale, auf die Standsicherheit des Bauteils
einflussnehmende Schädigungen zu erfassen. Eine maßgebende Randbedingung des im Bestand zu untersuchenden Holzes ist, dass eine Ankopplung an die Hirnholzfläche weitgehend
nicht möglich und man auf die Oberflächeneinleitung des Impulses angewiesen ist. Bei dieser
Einleitungsart verbleiben jedoch Unsicherheiten bei der Übertragbarkeit der Ergebnisse der
Messungen auf das Gesamtvolumen des untersuchten Bauteils. So werden beispielsweise bei
Befall von Kernfäule, die aus der im oberflächennahen Bereich entlanglaufenden Impulswelle
abgeleiteten mechanischen Eigenschaften überschätzt. Ebenfalls erweist sich in der Bewertung
der vorhandenen Tragfähigkeit eine oberflächlich begrenzte Festigkeitsminderung infolge
Verwitterung oder biotischen Befalls als problematisch. Die begrenzte Ankopplungstiefe und
die defekte Oberflächenstruktur des Holzes verhindert ein tieferes Einleiten der Schallwelle in
den Querschnitt, so dass der möglicherweise noch ausreichend tragfähige Kernquerschnitt
nicht bewertet werden kann.
Entsprechend der Festigkeitssortierung von Schnittholz erhält man sehr gute Messergebnisse,
sobald für die Ankopplung beidseitig Hirnholzflächen zur Verfügung stehen, unter der Voraussetzung, dass diese keine Schäden an den Einleitungsstellen aufweisen. Da die Festigkeiten
von altem Konstruktionsholz den Werten für neues Holz entsprechen [7], also keine merklichen Festigkeitsverluste infolge Alterung eintreten, lassen sprunghafte Laufzeitänderungen bei
Kern-, Rand- und Diagonalmessungen auf Schädigungen schließen. Die günstigen Randbe27
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dingungen der Hirnholzankopplung findet man jedoch nur selten, beispielsweise bei Sattelhölzern in Glockentürmen, vor.
Bei geschädigten Hölzern liegen die Werte aus den Laufzeitmessungen zum Teil jedoch deutlich über den Werten nach DIN 52 186. Dies ist dadurch zu erklären, dass bei Hölzern mit
über Querschnitt und Länge stark streuendem Elastizitätsmodul, infolge natürlicher Inhomogenität oder Schädigungen, die Laufzeit im Wesentlichen durch die Regionen mit hoher
Steifigkeit beeinflusst wird. Die induzierte Longitudinalwelle sucht sich ihren Weg durch die
steifen Areale des Querschnitts. Hierzu reichen schon einzelne Bereiche in Bohlenstärke > 4
cm aus. Dessen muss man sich bei Ultraschall-Laufzeitmessungen an geschädigten Holzbauteilen immer bewusst sein. Für die Untersuchungen im Bestand ist eine gründliche visuelle
Vorbegutachtung der Hölzer, Erfahrung in Handhabung und Einsatz von Impulslaufzeitmessungen sowie der Einschätzung der Messergebnisse unerlässlich. Zur Schadenslokalisierung ist das Verfahren folglich nicht geeignet.
4.8.4 Zusammenfassung
Die für das Messergebnis maßgebenden Einflussgrößen sind:
•
•
•
•
•
•
die Querschnittsgeometrie
die Messlänge
Art und Qualität der Ankopplung
Frequenz des Ultraschallimpulses
Holzart
Holzfeuchte und Temperatur
Die Größe der Durchschallungsgeschwindigkeit erweist sich für Schnittholz als ein zuverlässiges Sortierkriterium. Sie weist durchweg höhere Korrelationen zu den mechanischen Eigenschaften auf und lässt somit differenziertere Aussagen zu als die visuelle Sortierung. Durch das
beschriebene Sortierverfahren kann die Trennschärfe der Klassifizierung erhöht werden und
die Ausbeute in den hohen Güteklassen unter Einhaltung ausreichender Sicherheiten verbessert werden, wenn auch nicht in dem Maße wie dies bei der Sortierung durch mechanische
Biegeprüfung erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist die Mobilität des Verfahrens, das an jedem
beliebigen Ort, z.B. in der Sägerei, am Abbundplatz oder im Gebäudebestand eingesetzt werden kann.
28
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4.9
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Bestimmung der Holz-Rohdichte
Die Rohdichte ist ebenfalls eine wichtige Kenngröße zur Beurteilung der Holzgüte, da sie eine
gute Korrelation zur Holzfestigkeit aufweist.
4.9.1 Rohdichtebestimmung nach DIN 52 182
In der Regel wird die Rohdichte nach DIN 52 182 bestimmt. Von einer Holzprobe, DIN 52 182
empfiehlt würfel- oder quaderförmige Proben, deren Größe sich je nach Untersuchungszweck
richtet, wird das Volumen und die Masse bestimmt. Die Rohdichte ergibt sich danach zu:
ρu =
ρu :
mu :
Vu :
mu
Vu
[g/cm3]
(9)
Rohdichte bei einem Feuchtegehalt u
Probenmasse bei einem Feuchtegehalt u
Probenvolumen bei Feuchtegehalt u
Da die Rohdichte abhängig ist vom Feuchtegehalt des Holzes, ist dieser immer als Index u auf
1% mit anzugeben.
Dieses Verfahren zur Ermittlung der Rohdichte ist sehr genau. Allerdings können die Rohdichten von eingebautem Holz mit dieser Methode nur zerstörend bestimmt werden. Die
benötigten Proben können ebenfalls durch Bohrkernentnahme gewonnen werden. Da die
Rohdichte stark über Länge und Querschnitt streuen kann, sind pro Bauteil mehrere Proben
erforderlich, um zuverlässige Aussagen treffen zu können. Dadurch wird das Bauteil relativ
stark geschädigt.
Da im Besonderen die Festigkeitseigenschaften von stark beanspruchten Holzbauteilen
interessieren, können schon geringe Querschnittsschwächungen die Tragfähigkeit entscheidend mindern. Daher sind zerstörungsfreie Prüfverfahren, welche das Bauteil nicht oder nur
wenig schädigen, dieser Methode vorzuziehen.
Weitere, zerstörungsarme Verfahren zur Bestimmung der Rohdichte sind:
• die Ausziehwiderstandsmessung
• die Eindringwiderstandsmessung.
• die Bohrwiderstandsmessung
29
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4.9.2 Ausziehwiderstandsmessung
Der Ausziehwiderstandsmessung liegt die Überlegung zu Grunde, dass die Kraft, die man
benötigt, um einen Nagel oder eine Schraube aus dem Holz zu ziehen, von der Rohdichte des
Holzes abhängt. Von Görlacher [17] wurde ein einfaches Messgerät entwickelt, das es erlaubt,
die Ausziehkraft einer Schraube vor Ort zu bestimmen. Dieses Messgerät besteht aus einer
Messuhr, einem horizontal liegenden Stahlzylinder und einer den Stahlzylinder in vertikaler
Richtung durchstoßenden speziellen Holzschraube. Bei dieser speziellen Schraube handelt es
sich um eine selbstbohrende Langschaftschraube. Dieses Schraube besitzt am Gewindeansatz
(ca. 50 mm von der Schraubenspitze entfernt) eine Verdickung des Schaftes auf 6,3 mm, die
beim Eindrehen der Schraube das Loch so aufweitet, dass sich der gewindefreie Schraubenschaft (d = 5,2 mm) weitgehend reibungsfrei dreht. Dadurch ist gewährleistet, dass bei einer
Ausziehbeanspruchung Kräfte nur im Gewindebereich anfallen und bei unterschiedlichen Einschraubtiefen gleiche Randbedingungen vorliegen. Die eigentliche Gewindelänge von 50 mm
ist auf 30 mm begrenzt, um die Ausziehkräfte und die Prüflänge zu reduzieren.
Der horizontal liegende Stahlzylinder (Außendurchmesser 120 mm, Wanddicke 44 mm) verhindert beim Einbohren der Schraube ins Holz, dass diese ab einer bestimmten Einschraubtiefe
weiter ins Holz eindringt. Ein weiteres Eindrehen der Schraube ist nur unter erhöhtem Kraftaufwand möglich, wodurch der Stahlzylinder in vertikaler Richtung zusammengedrückt und in
horizontaler Richtung aufgeweitet wird. Dabei entstehen im Schraubenschaft Zugbeanspruchungen, die über das Schraubengewinde in das Holz eingeleitet werden. Wird die Scherfestigkeit des Holzes im Bereich der Gewindegänge überschritten, schert das Holz entlang des
Schraubengewindes ab. Die zugehörige Aufweitung des Stahlzylinders wird durch die Messuhr mit 1/100 mm Ablesegenauigkeit gemessen. Mittels einer Eichkurve für das Messgerät
kann aus der Zylinderaufweitung eine Kraft bestimmt werden, die in etwa der Schraubenausziehkraft bei einer reinen Ausziehbeanspruchung entspricht. Mit Hilfe von Distanzstücken, die
zwischen dem Schraubenkopf und dem Stahlzylinder eingebracht werden, können verschiedene Einschraubtiefen erreicht werden.
Mit diesem Gerät werden an dem zu untersuchenden Bauteil an zwei Stellen Ausziehversuche
in Tiefen von 5 cm, 9 cm und wenn möglich 13 cm durchgeführt, also 4 bis 6 Messungen für
ein Bauteil. Die Einschraubtiefe von 5 cm bewirkt, dass sich der Gewindeansatz der Schraube
mindestens 2 cm unter der Holzoberfläche befindet. Dadurch wird verhindert, dass beim
Herausziehen der Schraube die Holzoberfläche aufreißt und die Messergebnisse verfälscht
werden. Aus den 4 bis 6 ermittelten Ausziehkräften wird wegen der Rohdichteschwankungen
innerhalb eines Bauteiles der Mittelwert gebildet.
30
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Den Zusammenhang zwischen der gemittelten Ausziehkraft und der Rohdichte gibt Görlacher
mit folgender Regressionsgleichung an:
ρ n = 0. 0788 ⋅ FZM, 2 + 0. 108
(10)
r = 0.77
ρn :
M,2
Z
F
r:
Normalrohdichte in g/cm3
gemittelte Ausziehkraft in kN
Korrelationskoeffizient
:
Die Gleichung der zugehörigen 5 % - Fraktile lautet:
ρ n, 5% = 0. 0788 ⋅ FZ + 0 . 060
ρn,5% :
FZ :
(11)
Mindestrohdichte in g/cm3
gemittelte Ausziehkraft in kN
Der Einfluss der Holzfeuchte auf die Größe der Ausziehkräfte wird durch einen Korrekturfaktor
berücksichtigt. Görlacher gibt diesen Korrekturfaktor, mit dem die Ausziehkräfte zu multiplizieren sind, an mit:
kf = (1 + 0.027 ⋅ (u-12%))
u:
kf:
(12)
Feuchtegehalt in %
Korrekturfaktor
Liegen also für ein Holzbauteil an zwei unabhängigen Messstellen Ausziehwiderstandsmessungen für verschiedene Einschraubtiefen vor, so kann mit dem Mittelwert dieser Messwerte mit den Gleichungen (11) und (12) mit 95 % Wahrscheinlichkeit eine Mindestrohdichte
angegeben werden. Die Gleichungen (10), (11) und (12) wurden von Görlacher durch Ausziehversuche und Rohdichtebestimmungen nach DIN 52 182 [18] an 100 im Normalklima
gelagerten Probekörpern aus Fichtenholz mit unterschiedlichen Abmessungen ermittelt. Die
Ergebnisse der Versuche zeigen, dass die Ausziehwiderstandsmessung zur Abschätzung der
Rohdichte durchaus geeignet ist. Dieses Verfahren ist weitgehend zerstörungsfrei. Auch
Meierhofer [16] hat Untersuchungen über den Zusammenhang zwischen Schraubenauszugfestigkeit und Tragfähigkeit durchgeführt. Er kommt im Gegensatz zu Görlacher zu der
Erkenntnis, dass aus der Schraubenauszugsfestigkeit nur mit ungenügender Genauigkeit auf
Festigkeitsparameter geschlossen werden kann. Der Grund für dieses Ergebnis ist vor allem
darin zu sehen, dass Meierhofer weniger Messungen je Probe durchgeführt hat und nicht
Mittelwerte sondern die Einzelmessungen zur Regressionsrechnung herangezogen hat. Die
Einzelmessungen weisen im Vergleich zu Mittelwerten aus den Einzelwerten eine deutlich
schlechtere Korrelation zu den Holzeigenschaften auf.
31
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4.9.3 Eindringwiderstandsmessung
Bei der Eindringwiderstandsmessung wird versucht, über die Eindringtiefe eines Stahlstiftes,
der durch Freisetzen einer definierten Energie in das zu untersuchende Holz eingetrieben wird,
auf die Rohdichte zu schließen. Das Gerät, mit dem der Stahlstift in das Holz eingetrieben und
die Eindringtiefe gemessen wird, wurde von der Firma Proceq S.A., Zürich, entwickelt. Es handelt sich um das Holzprüfgerät Pilodyn. Verfügbar sind Geräte mit verschiedenen Schlagenergien (6J, 12J, 18J) und verschiedenen Stiftdurchmessern (2mm - 3mm). Die Eindringtiefe
des Stiftes kann auf einer Skala direkt am Messgerät abgelesen werden.
Erfolgreiche Anwendung fand das Gerät bisher bei der Untersuchung stehender Bäume, bei
der Untersuchung von Bauholz im Hinblick auf eine Gütesortierung und bei der Untersuchung
von Rundhölzern in Konstruktionen in Holzmastenbauweise zur Ermittlung der Restfestigkeit.
Görlacher [17] hat, ausgehend von diesen Erfahrungen, Untersuchungen durchgeführt, die
zeigen sollten, ob die Eindringwiderstandsmessung zur Abschätzung der Rohdichte bei Bauholz geeignet ist. Er hat für seine Untersuchungen das Gerät Pilodyn 6J verwendet. Ziel der
Untersuchungen war eine Regressionsgleichung für die Rohdichte in Abhängigkeit von der
Eindringtiefe. Ebenfalls untersucht wurde der Einfluss des Jahrringverlaufs und der Holzfeuchte
auf die Eindringtiefe. Schließlich sollte auch die Anzahl der Messungen bestimmt werden, die
zur Erzielung ausreichend statistisch gesicherter Ergebnisse notwendig ist. Aus Eindringwiderstandsmessungen und Rohdichtebestimmungen nach DIN 52182 an über zweihundert Proben
aus neuem Fichtenholz wurde eine Regressionsgleichung abgeleitet, die den Zusammenhang
zwischen Eindringtiefe und Rohdichte, abhängig von der Anzahl der Messungen und vom
Korrelationskoeffizienten, angibt. Die Anzahl der Messungen, ab denen sich der Korrelationskoeffizient kaum noch ändert, wird von Görlacher mit 8 bis 10 Messungen angegeben. Der
Einfluss des Jahrringverlaufes auf die Eindringtiefe ist vernachlässigbar. Dagegen muss der
Einfluss des Feuchtegehaltes auf die Eindringtiefe berücksichtigt werden.
Inwieweit diese Untersuchungen auf altes Konstruktionsholz übertragbar sind, ist noch nicht
vollständig geklärt. Es liegen zwar erste Ergebnisse an altem Konstruktionsholz vor, aber die
Anzahl der Messungen ist noch nicht ausreichend, um gesicherte Aussagen machen zu
können. Eine Abschätzung der Rohdichte ist mit diesem Verfahren für den Oberflächenbereich
dennoch möglich. Für eingebautes Holz wird nach [17] folgendes Vorgehen vorgeschlagen:
1. Festlegung der Messpunkte im Untersuchungsbereich und Definition einer für dieses Bauteil geforderten Mindestrohdichte (in Ableitung aus der geforderten Mindestfestigkeit)
2. Durchführung von zunächst mindestens zwei Eindringwiderstandsmessungen je Messstelle
3. Berechnung eines gewählten Fraktilwertes (z.B. 5% Fraktile) unter Berücksichtigung der
Mittelwertbildung aus n Messungen und der Holzfeuchte
4. Vergleich mit der geforderten Mindestrohdichte
32
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Liegt die ermittelte Rohdichte über der geforderten, dann sind keine weiteren Messungen
notwendig. Ansonsten sind weitere Messungen durchzuführen. Ab 8 - 10 Messungen ergibt
sich jedoch kaum noch eine Verbesserung des Korrelationskoeffizienten, so dass mehr
Messungen überflüssig sind.
Dennoch bleiben Unsicherheiten bei der Übertragbarkeit der lokalen Messungen auf die Rohdichteverteilung und somit auf die Festigkeit des Gesamtbauteils. So wird beispielsweise bei
dem Befall von Kernfäule die aus der Oberflächenrohdichte abgeleitete Holzfestigkeit überschätzt, andererseits führen durch tierischen Befall hervorgerufene oberflächliche Fraßgänge
zu einer Unterschätzung der auf den Gesamtquerschnitt übertragenen Holzfestigkeit.
4.9.4 Durchstrahlungsverfahren
Bei dem Durchstrahlungsverfahren wird die Schwächung der Strahlung eines Radionuklids
durch Absorption im Messgut benutzt, um auf Dichte zu schließen. Dabei befindet sich der
Strahler auf der einen und das Messgerät auf der anderen Seite des Messgutes. Die Absorption und damit die gemessene Strahlenintensität hinter dem Messgut ist eine Funktion der
Flächenmasse. Bei bekannter Dicke des Messgutes lässt sich aus der Flächenmasse die Dichte
ρ ermitteln. Der Zusammenhang zwischen der hinter dem Messgut gemessenen Intensität I
und der Flächenmasse ist für ein enges Strahlenbündel gegeben durch
I = I 0 ⋅ e − μ⋅d ⋅ρ
mit
I0 :
I:
μ:
d:
ρ:
(13)
Intensität der einfallenden Strahlung
Intensität der durch den Absorber
geschwächten Strahlung
Massenschwächungskoeffizient [cm2/g]
Dicke [cm]
Dichte [g/cm3 ].
Da nicht die Rohdichte selbst als Sortierparameter bestimmt wird, sondern der Rohdichteunterschied zwischen Ast und astfreien Holz die Grundlage dieses Verfahrens bildet, können
festigkeitsmindernde Einflüsse nur dann erfasst werden, wenn eine Rohdichteänderung damit
verbunden ist. Andere Merkmale müssen nach wie vor visuell beurteilt werden. Voraussetzung für die Anwendung des Verfahrens auch bei unterschiedlicher Holzfeuchte wäre der
Nachweis, dass keine Veränderung des Rohdichteverhältnisses gegeben ist.
33
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Bohrkernverfahren
Beim Bohrkernverfahren werden mit Hilfe einer Zylinderfräse zylindrische Proben entnommen.
Die Anwendungsbereiche der von Holz entnommenen Bohrkerne sind vielfältig. Sie werden
im Zusammenhang mit dem Dynstat- (Biegefestigkeit) und dem Spreizdübelverfahren
(Druckfestigkeit) benötigt. Bei dem hier beschriebenen Verfahren werden Bohrkerne zur
direkten Bestimmung der Druckfestigkeit entnommen. Die Prüfung erfolgt in einer Druckprüfmaschine, wo die Proben in spezielle Konkavbacken eingelegt werden. Weiterhin ist für
die Ermittlung der Druckfestigkeit die Erfassung der Geometrie des Probekörpers und seine
Wägung notwendig. Die Wägung dient neben der Berechnung der Rohdichte nach DIN
52182 auch der Ermittlung der Holzfeuchte (mit Hilfe der Darrmethode nach DIN 52183).
Durch Verwendung einer Zylinderfräse können die Proben herausgeschnitten werden und
weisen so eine exakte geometrische Form auf. Die so gewonnenen Proben (15-20mm
Durchmesser) besitzen einen gleich bleibenden Durchmesser, ausreichende Schnitttiefe und
eine konstante Zylinderform. Die Wahl des Bohrkerndurchmessers hängt dabei von folgenden
Überlegungen ab:
• möglichst geringe Querschnittsschwächung der Bauteile;
• ausreichende Größe zur Gewährleistung einer guten Qualität der Bohrkerne;
• je größer der Durchmesser der Zylinderfräse, desto notwendiger Führung durch einen
Ständer.
Das Verfahren ist vor drei Jahren von Rug/Seemann für die Festigkeitssortierung bzw. Festigkeitsklassifizierung von verbautem Holz entwickelt worden /90/. In die in Abb. 32 dargestellten Stahlbacken werden die Bohrkerne so eingelegt, dass die Belastung parallel zur Faser
erfolgt.
Die maximale Druckspannung σD kann so nach folgender Formel berechnet werden:
σD = max F / b×L
max F
b
L
(1)
- maximale Druckkraft
- siehe Bild
- siehe Bild
Bei einer Drehung der Bohrkerne um 90º (Druckrichtung senkrecht zur Faserrichtung) kann
auch die Querdruckfestigkeit geprüft werden. Die Belastung erfolgte bisher in Anlehnung an
die TGL 25106/06 so, dass der Bruch nach ca. sechzig Sekunden eintrat (heute DIN 52 185).
Die Proben werden beschriftet (Ort, Bauteil, Feuchte) und bis zur Prüfung in diffusionsdichten
Behältern aufbewahrt.
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MANUSKRIPT ZUR VORLESUNG
METHODISCHE INSTANDSETZUNG VON BAUWERKEN II
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Bewertung
Das Verfahren eignet sich gut für den praktischen Einsatz zur Bewertung der Tragfähigkeit
von Altholz. Aus Holz mit noch vorhandener Tragfähigkeit lassen sich Bohrkerne mit ausreichender Qualität entnehmen. Können keine Bohrkerne entnommen werden oder zerfallen
diese in einzelne kleine Stücke, ist dies ein Anzeichen für den fast vollständigen Verlust der
Tragfähigkeit des untersuchten Bauteils, jedoch nicht unbedingt der gesamten Konstruktion.
Bestimmte Vorrichtungen oder Hilfsmittel, wie spezielle Bohrständer oder Greifer zur Probenentnahme, verbessern und erleichtern das Verfahren.
Beim Bohrkernverfahren ist eine direkte Festigkeitsermittlung vor Ort nicht möglich. Die entsprechenden Werte können nur in Zusammenarbeit mit einer Prüfanstalt ermittelt werden.
Eine weitere Beeinträchtigung, vor allem beim Einsatz in leerstehenden Gebäuden und großen
Dachräumen, stellt die Elektroenergieabhängigkeit dar, da bei größeren Objekten auch Bohrgeräte mit Akkumulator nicht ausreichend sind.
Im Rahmen der Untersuchungen von Rug/ Seemann wurde festgestellt, dass bei Bohrkernen
ein Bruchbild entsteht, das den Normproben gleicht. Beim Vergleich der Mittelwerte der
Festigkeitswerte von Bohrkernen und Normproben nach DIN 52 180 lag das Verhältnis:
σBohrkern/σNormprobe =
1,18 (Eiche)
1,01 (Buche),
1,25 (Fichte).
Stahlbacken zur Prüfung der Bohrkerne (d = 15 mm)
50
=L
max F
15
11,2
b
15
r = 7,5
[ mm ]
2,5
=t
d = 15
8
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Die Streuungen betrugen 8% (Eiche), 15% (Buche), 12% (Fichte). Die Abbildung zeigt die
Korrelation zwischen den Druckfestigkeiten in Abhängigkeit von der Anzahl der Versuchsserien.
Gegenüberstellung der Druckfestigkeit der Bohrkerne mit der Druckfestigkeit der Normproben
σNormprobe
[ N/mm² ]
70
60
50
40
y = 1,0 * x
30
Lineare Regression: y = ax + b
r - Korrelationskoeffizient
I
20
I-III
I-II
10
10
a
Reihe n
20
30
b
r
I
8
1,215 -14,64 0,98
I - II
14
1,207 -13,36 0,97
I - III
23
1,09
40
σBohrkern
50
- 5,83 0,83
60
70
[ N/mm² ]
Das Verhältnis der Festigkeit der Bohrkerne zur Festigkeit der Normproben nähert sich mit
zunehmender Serienzahl dem Wert von 1/0,97 = 1,03.
Die einfache Umrechnungsformel
σBohrkern = 1,0 * σNormprobe
(2)
liegt im Vertrauensbereich von 95%. Damit ist es möglich, zur Ermittlung der Festigkeit von
verbautem Holz leicht entnehmbare Bohrkerne anstatt quaderförmige Normproben prüfen zu
lassen.
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5.2
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Bohrwiderstandsmethode
Mit der Entwicklung der Bohrwiderstandsmethode entsprach man der Forderung, den inneren
Zustand historischer Holzbauteile so zerstörungsarm wie möglich aufzunehmen. Das Ergebnis
einer Bohrwiderstandsmessung stellt die in Bild 34 abgebildete Kurve dar. Es wird mit einer
speziell angeschliffenen Bohrnadel mit 1,5 Millimeter Durchmesser der Bohrwiderstand
(Kurvenachsen: Eindringwiderstand über Querschnittsbreite) des Holzes gemessen. Die ca.
drei Millimeter breite Spitze wird dabei mit hoher Umdrehungszahl und konstanter Vorschubgeschwindigkeit (sechs Stufen von 20 bis 120 mm/min) in das Holz gebohrt. Da die Vorschubgeschwindigkeit über den gesamten Querschnitt gewährleistet wird, haben unterschiedlich dichte und in Korrelation damit unterschiedlich feste Querschnittsbereiche eine differenzierte Leistungsabgabe des Motors zur Folge, die in Form einer Dichtekurve aufgezeichnet
wird. Die Messdaten werden dabei in 1/10 Millimeter Vorschubweg aufgenommen. Es liegen
von /91/ und /92/ bereits Untersuchungsergebnisse zur qualitativen und quantitativen Wertung der Messergebnisse vor.
Kurve einer Bohrwiderstandsmessung
100
%
50
%
0
%
0
mm
100
mm
200
mm
300
mm
400
mm
37
Tiefe
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Gesundheitswesen
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