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Biegeverhalten von Holz - Referat
1.1…Motivation des Themas:
Die Materie Holz interessiert mich im Allgemeinen und da ich selbst schon seit meiner Kindheit mit diesem Werkstoff zu tun habe. Es ist ein vielseitig einsetzbares Material (z.B.: Energiegewinnung, komplexe Konstruktionen, etc.). Es wird auch für den Bau von Stühlen verwendet. Wir haben zuhause einen Stuhl von Michael Thonet mit einer gebogenen Rückenlehne. Durch das schon bestehende Interesse an diesem Material und der Faszination, wie Thonet es verarbeitet hat, habe ich mich für dieses Thema entschieden.
1.2…Welche Fragestellung will ich untersuchen:
Ich habe mich für folgende Fragestellungen entschieden:
- Aufbau und Struktur von Holz
- Warum lassen sich nasse Hölzer besser biegen als im trockenen Zustand?
- Wieso behält es eine gebogene Form bei (z.B.: Ein Stuhl mit einer gebogenen Lehne)?
- Biegeunterschied zwischen nassen und trockenen Holzstäben (siehe Experiment)?
1.3…Untersuchungsmethodik:
Die Fragestellungen werde ich durch ein Experiment, Informationen aus Büchern, von Internetseiten und anderen Medien untersuchen. Des Weiteren werde ich mich an zwei Spezialisten der Holzverarbeitung wenden und mir dort Ratschläge zum Aufbau und zur Durchführung des Experimentes holen. Im Anhang befinden sich Quellenverweise und die Versuchsaufzeichnungen, die sich nicht auf den Computer haben übertragen lassen.
1.4…Experiment – Durchführung, Erwartungen:
Das Experiment wird mit zwei verschieden Holzarten (Buche und Erle) durchgeführt, wobei sich Buche besser biegen lässt als Erle . Es werden fünfzig Stäbe zugeschnitten (150mmx24mmx24mm). Von jeder Holzart werden fünfzehn Stäbe für ca. neunundsechzig Stunden in kaltes Wasser (7,9 °C) getaucht. Das hat zufolge, dass sie Wasser in sich aufnehmen und sich die Eigenschaft des Holzes verändert. Die getränkten Stäbe werden einzeln, mit einem Ende, in eine Vorrichtung eingespannt. Am anderen Ende des Stabes wird ein Seil angebracht. Mit diesem Seil wird der Stab gezogen und gedehnt, bis dieser bricht.
Vermutlich werden die Stäbe am Einspannungspunkt brechen. Durch die veränderten Eigenschaften des Holzes (Masse, Dichte, Feuchtigkeitsgehalt), die durch das aufgenommene Wasser zu erklären sind, wird sich das Biegeverhalten der Nasshölzer mit dem Biegeverhalten der Trockenhölzer unterscheiden. Jedoch könnte es passieren das nicht jeder Stab an derselben Stelle bricht, weil Äste oder schief gewachsene Fasern vorhanden sind.
In diesem Experiment wird „brechen“ so definiert, dass es als brechen gilt, sobald der Stab äußerliche Merkmale aufweist, die auf einen Bruch deuten (z.B.: Das Holz fängt an zu splittern.)
Das Experiment wird Fotodokumentiert und die Biegung mit einem, an dem Holzstab, angebrachten Stift auf ein Papier übertragen. Die dokumentierten Biegungen werden auf DIN4 Blätter übertragen, um sie besser vergleichen zu können, und dem Anhang hinzugefügt.
Hauptteil
2.1…Experiment
2.1.1…Experiment – Ergebnisse:
Es wurden zwar 50 Stäbe angefertigt. Jedoch habe ich nur 32 Ergebnisse dokumentieren könne, weil bei dem Versuch zwei Stäbe in der Mitte gebrochen sind und diese Ergebnisse nicht gültig sind. Des Weiteren habe Ich in der Schule nur vier Durchgänge vorgeführt und die Restlichen Stäbe wurden als Brennholz verwendet.
Buche(trocken)
Bei ca. 16 Nm (Drehmoment)
Biegung c in cm
1 2,82
2 2,92
3 3,01
4 3,24
5 2,84
Ø 3.0
Buche(nass)
Bei <15 Nm (Drehmoment)
Biegung c in cm
1 4,48
2 5,1
3 4,8
4 5,7
5 5,4
6 5,7
7 5,4
8 5,5
9 4,6
10 4,7
11 5,3
12 5,1
Ø 5,6
Erle(trocken)
Bei ca. 16 Nm (Drehmoment)
Biegung c in cm
1 2,93
2 2,92
3 2,01
4 2,01
5 2,31
6 3,22
7 2,31
Ø 2,53
Erle(nass)
Bei < 14Nm (Drehmoment)
Biegung c in cm
1 3,01
2 3,22
3 3,5
4 3,34
5 3,75
6 4,27
7 4,26
8 3,72
Ø 3,4
Die Tabellen stellen die Zusammenfassung der Ergebnisse des Experimentes dar.
2.1.2…Experiment – Auswertung:
Trockene Buchenstäbe lassen sich durchschnittlich um 3.0 cm biegen. Dafür wird ein Drehmoment von ca. 16 Nm benötig. Im nassen Zustand lassen sich die Buchenstäbe durchschnittlich um 5.6 cm (86% mehr als trockene Buchenstäbe) biegen, jedoch wird dafür ein wesentlich kleineres Drehmoment benötigt. Die Werte für das Drehmoment variieren vermutlich zwischen 8 Nm und 11 Nm, weil es manche Stäbe gab die bei ca. 9 Nm gebrochen sind und wiederum welche die bei ca. 11 Nm gebrochen sind.
Erle ließ sich im trockenen Zustand durchschnitt um 2.5 cm biegen und man benötigte einen ähnlichen Drehmoment wie bei trockenen Buchstäben (ca. 16 Nm). Im nassen Zustand lassen sich die Erlenstäbe durchschnittlich um 3,4 cm (36% mehr als trockene Erlenstäbe) biegen.
Die Stäbe brachen aber nicht immer gleich. Die trockenen Buchenstäbe zeigten nur leichte risse. Die trockenen Erlenstäbe brachen so, dass sie sich komplett vom eingespannten Teil lösten.
Im nassen Zustand brachen beide Holzarten fast identisch, d.h. sie zeigten kleine Risse bis hin zu größeren Absplitterungen.
2.1.3…Experiment – Deutung:
Annahme: Da die Hölzer Wasser aufgenommen haben, hat sich ihre Masse vergrößert und damit auch die Dichte der Stäbe. In den folgenden Tabellen habe ich die Unterschiede zwischen trockenen und nassen Stäben dokumentiert. Die Masse m (in Kg) habe ich mit einer normalen Haushaltswaage ermittelt und die Maße der Stäbe mit einem herkömmlichen Zollstock. Maße der Stäbe:
- a= 150mm
- b= 24mm
- c= 24mm
= 150mm*24mm*24mm = 86400mm³  0.0000864m³
Masse in kg trockener Stab nasser Stab
Buche 0.100 0.125
Erle 0.050 0.075
Abbildung 1: Masse vorher/nachher
in Wörtern:
Dichte in kg/m³ trockener Stab nasser Stab
Buche 1157,41 1446,76
Erle 578,7 868,06
Abbildung 2: Dichte vorher/nachher
Buche und Erle haben in den neunundsechzig Stunden 25g Wasser aufgenommen und die Dichte hat sich bei beiden Holzarten um 280.35kg/m³ erhöht. Dies lässt sich dadurch erklären, dass Holz ein poröser Werkstoff ist, d.h. er hat viele Hohlräume(Abbildung 3, Seite 7). Bevor sich die Hohlräume mit Wasser füllen, nehmen die Zellen soviel Wasser auf bis ihre maximale Kapazität erreicht ist (Fasersättigung) . Holz ist auch ein elastischer Werkstoff. Durch das Speichern des Wassers nimmt es an Masse zu. Das hat zu Folge, dass sich die Dichte vergrößert, weil die Dichte vom Volumen und von der Masse des Objektes abhängt. Die Dichte verändert sich ausschließlich durch das „gebundene Wasser“ . Das „gebundene Wasser“ lässt die Holzstäbe aufquellen, d.h. sie verändern ihre Maße.
 Da die Stäbe durch das Lagern im Wasser aufgequollen sind, wurden sie auf ihre Ursprungsmaße (150mm*24mm*24mm) gehobelt.
Buche lässt sich weiter biegen als Erle. Sei es im trockenem Zustand oder im nassen Zustand.
2.1.4…Experiment – Biegeunterschied zwischen Nass und Trocken:
Die Holzstäbe haben im Trockenen Zustand einen Feuchtigkeitsgehalt von ca. 15%, weil sie Luft getrocknet sind. Der Biegewiderstand der Holzstäbe ist noch wesentlich größer als im nassen Zustand (Siehe 2.1.1).
Je höher der Ligninanteil im Holz ist, desto Härter ist es. Das Wasser weicht das Lignin auf und senkt den Biegewiderstand „[…]Lignin erweicht und der Biegewiderstand sinkt...“ (Siehe Cd, Holz E1.pdf, Seite 13).
Es gibt zwei verschiedene Arten von Wasser im Holz. Es gibt einmal das „Freie Wasser“ und einmal das „gebundene Wasser“. Das freie Wasser wird in den Zellenhohlräumen gelagert und hat keine Auswirkungen auf physikalische Eigenschaften des Holzes. Das gebundene Wasser wird in den Zellenwänden gelagert. Das Wasser in den Zellwänden ist für die Veränderung der Maße der Holzstäbe verantwortlich und der Wasseranteil in den Zellwänden beeinflussen die physikalischen Eigenschaften von Holz. Das Erweichen des Lignins ist nur möglich, weil es fest mit der Zellulose in den Zellwänden verbunden ist.
2.2… Aufbau von Holz:
Jede Holzart hat verschieden ausgebildete und angeordnete Kanäle in das Zellengefüge eingebettet und ebenfalls die Zellen sind leicht unterschiedlich. Bestandteile der Zellen bzw. die chemischen Verbindungen sind ca. 50% aus Kohlenstoff, ca. 43% aus Sauerstoff, ca. 6 % aus Wasserstoff und < 1 % aus Stickstoff und Mineralien aufgebaut.
Aus diesen vier Grundstoffen setzen sich die drei Hauptbaustoffe von Holz zusammen. Die Anteile(Siehe: Abbildung 5, Seit 9) von jedem Hauptbaustoff variieren: Zellulose (40-60%), Lignin (20-40%), Holzpolyosen (ca.20%) und zusätzlich enthält Holz noch so genannte Holzinhaltsstoffe (0,3-10%). Unter diesen Begriff fasst man ätherische Öle, Harze, Stärke, Fette, Gerbstoffe, Mineralstoffe.
Zellulose (weißer Zellstoff) wird aus Wasser, Kohlendioxid mit Hilfe der Sonnenenergie gebildet und bildet die Grundsubstanz der Zellwand.
Lignin (von lateinisch lignum: das Holz) lagert sich in den verholzten Zwischenräumen ein, verbindet diese und verleiht dadurch dem Holz seine Festigkeit. Es ist ein strukturierter Füllstoff, der das pflanzliche Gewebe erst zum Holz macht und in zahlreichen unterschiedlichen chemischen Varianten existiert. Der komplexe und hochpolymere Stoff ist chemisch und physikalisch fest mit der Cellulose verbunden.
Holzpolyosen sind Kohlenhydrate. Sie erfüllen zahlreiche Aufgaben in der Zellwand: Sie dienen als Reservestoff, Stützstoff im Zellwandgerüst und als Klebstoff in der Zellmembran.
2.3…Warum behält es seine gebogene Form bei:
Holz, das gebogen wird, behält nicht von alleine die gebogene Form bei. Durch das „gebundene Wasser“ wurde das Lignin aufgeweicht und der Biegewiderstand wurde gesenkt. Das Holz wird in die erwünschte Form gebogen und fixiert. Es gibt mehrere Möglichkeiten um dem Holz die Feuchtigkeit zu entziehen. Eine Möglichkeit wäre das fixierte Objekt in einen Raum, wessen Feuchtigkeitsgehalt zwischen ca. 9-15% liegt (Durchschnittswert von Wohnungen), zu lagern und abzuwarten bis sich der Feuchtigkeitsgehalt im Holz dem der Umgebung angepasst hat. Eine weitere Methode um die Feuchtigkeit aus dem Holz zubekommen ist es zu erhitzen. Dies lässt sich am besten Anhand eines Beispieles erklären: Skier werden immer noch aus Holz gebaut. Die Skier werden gebogen und an einer Stahlschablone(Die Vorderseite der Skier sind hochgebogen) befestigt. Diese Stahlschablone wird erhitzt um das Holz zu trocknen. Diese Vorgehensweise ist zeitsparender, aber auch riskanter. Wenn man das Holz zu schnell erhitzt könnten Risse entstehen.
Wenn das Holz einen Feuchtigkeitsgehalt >20% hat kann man es defixieren und ohne zusätzliche Hilfsmittel lagern, weil ab >30% ist das „freie Wasser“ aus den Zellenhohlräume und Gefäßen entwichen und das „gebundene Wasser“ in den Zellen fängt an zu entweichen bis der Fuchtigkeitsgehalt im Holz dem der Umgebung gleicht.
Mit dem Entweichen des Wassers aus den Zellen trocknet das Lignin, welches dem Holz wieder seine Härte und Festigkeit verleiht. Holz erreicht eine maximale Härte wenn es „darrtrocken“ ist, d.h. wenn das Holz eine Feuchtigkeit von 0% besitzt.
Dieses Referat wurde eingesandt vom User: LuckyStrik3
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