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Artikel

Autor(en): Peter Niemz (ETH Zürich)
Redaktion: WSL, Schweiz
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Einsatzmöglichkeiten von Holzwerkstoffen im Bauwesen

Vollholz, Holzwerkstoffe und auch vergütetes Vollholz (Thermowood, Öl-Hitze-behandeltes Holz, mit Harzen imprägniertes Holz) gewinnen im Bauwesen zunehmend an Bedeutung. Forciert wurde diese Entwicklung einerseits durch das gewachsene Umweltdenken (die zunehmende Bedeutung ökologischer Aspekte) und andererseits durch die ständige Suche nach neuen Absatzgebieten für Holzwerkstoffe (vorhandene Überkapazitäten).

Aufbau und Einteilung der Holzwerkstoffe

Dachkonstruktion aus Holzelementen
Abb. 1 - Kuppelbau aus 580 Kubikmetern Brettschichtholz.
Foto: Häring, Pratteln / LIGNUM

Unter Holzwerkstoffen versteht man diejenigen Produkte, die aus Holz oder verholzten Materialien (z.B. Bagasse, Rapsstroh) durch Zerkleinerung und anschliessendes Zusammenfügen erzeugt werden. Die Eigenschaften von Holzwerkstoffen (z.B. Festigkeit, EModul, Wärmedämmverhalten, Brandverhalten) lassen sich durch eine Veränderung der Struktur in einem weiten Bereich verändern.

Durch Verwendung von Zement als Bindemittel kann zum Beispiel eine sehr hohe Witterungsbeständigkeit erreicht werden. Teilweise werden auch Brandschutzmittel zugegeben.

 
Zusammensetzung der Holzwerkstoffe
Abb. 2 - Zusammensetzung von Holzwerkstoffen.
 
Werkstoffe aus Holz
Abb. 3 - Einteilung von Holzwerkstoffen.
 

Eigenschaften von Holzwerkstoffen

a) Verhalten gegenüber Feuchte

Holzwerkstoffe nehmen insbesondere im Bereich oberhalb von 65 bis 70% relativer Luftfeuchte, also dem Bereich der Kapillarkondensation, sehr stark Feuchte auf. Die Gleichgewichtsfeuchte von Holzwerkstoffen variiert sehr stark. Sie liegt, bedingt durch die Technologie der Herstellung (Einwirkung von erhöhter Temperatur, Wärmebehandlung bzw. Wärme-Druckbehandlung) bei Spanplatten und MDF meist niedriger als bei Vollholz.

Bei phenolharzgebundenen Werkstoffen steigt sie oberhalb von 65% relativer Luftfeuchte durch das hydrophile Verhalten des im Harz enthaltenen Alkalis stark an. Da bei Spanplatten und MDF das Holz bei der Herstellung stark verdichtet wird (Rohdichte Fichte etwa 450 kg/m3, Rohdichte einer Spanplatte etwa 700 kg/m3), kommt es insbesondere bei Feuchteeinwirkung oberhalb von 65 bis 70% relativer Luftfeuchte zu einer starken Dickenquellung. Die Dickenquellung ist höher als diejenige von Holz und nur teilweise reversibel, da die verdichteten Partikeln irreversibel zurückquellen (Spring-back-Effekt).

Die Längenquellung von Holzwerkstoffen in Plattenebene ist geringer als die von Vollholz senkrecht zur Faserrichtung, aber etwas höher als die von Vollholz in Faserrichtung. Insbesondere bei längerer Wassereinwirkung führt die Dickenquellung dazu, dass Fussbodenplatten nach Wasserschäden auszuwechseln sind. Andererseits treten auch erhebliche Quelldrücke auf, die bei behinderter Quellung auch zum Öffnen von Fugen durch plastische Verformungen (z.B. bei Parkett) führen.

Bei Rissbildung (z.B. frei bewitterte Teile von Brettschichtholzträgern) oder Elementen mit ständig hoher Holzfeuchte (Richtwert Holzfeuchte höher als 20%) kann es zu Pilzbefall kommen. Bei einseitiger, asymmetrischer Feuchteeinwirkung kommt es zum Plattenverzug (z.B. bei grossformatigen Massivholzplatten).

In letzter Zeit gewann die Verwendung von Hitze-behandeltem Holz, acethyliertem Holz oder auch Öl-Hitze-behandeltem Holz an Bedeutung. Dabei werden z.B. bei der Wärmebehandlung Hemicellulosen abgebaut. Die Gleichgewichtsfeuchte und die Quellung eines solchermassen behandelten Holzes sinkt, die Pilzresistenz erhöht sich.

b) Mechanische Eigenschaften

Tabelle 1 zeigt ausgewählte mechanische Eigenschaften verschiedener Holzwerkstoffe. Moderne Werkstoffe kommen dabei durchaus in den Bereich von Nadelholz, teilweise liegen sie darüber. Je nach Aufbau variieren die Eigenschaften von Holzwerkstoffen sehr stark. Für Spezialzwecke wie Verstärkungen können sie durchaus wirtschaftlich sein (z.B. Verstärkung von Nadelholz zwecks Aufnahme von Druckspannungen).

 Tab. 1 - Ausgewählte Kenngrössen verschiedener Holzwerkstoffe (Abkürzungen siehe Abb. 3)
Eigenschaft Spanplatte
MDF
OSB (Europa)
LVL
LSL
Massivholz-
platte 
PSL
Rohdichte (kg/m3)
680-700
760-790
660-700
660-700
650
450
660
E-Modul (N/mm2)
parallel
senkrecht

2000-3000
4000-4500

7000
1850
13'000-16'000
12'000

5000-7000
1000-3000
1400-15'000
Biegefestigkeit (N/mm2)
parallel
senkrecht

20-22
33-38

36
20-25
   
30-50
10-30
 
Schubmodul (N/mm2)
flach
hochkant


100-180
1000-1500

100-200
600-1000

300
1100

500
500


2300

200
600-700


780-800

Übersicht: wichtige Holzwerkstoffe

a) Werkstoffe auf Vollholzbasis
Profile aus lamelliertem Holz
Abb. 4 - Profile aus lamelliertem Holz.
 
Holz-Parkett und seine Farbenvielfalt
Abb. 5 - Holz-Parkett und seine Farbenvielfalt.
Foto: ISP, Heimberg / LIGNUM

Auf diesem Gebiet erfolgten in den letzten Jahren zahlreiche Neuentwicklungen. Dies betrifft insbesondere:

  • Brettschichtholz
  • Kreuzbalken
  • lamelliertes Holz (z.B. für Fensterkanteln)
  • Massivholzplatten (einschichtig, mehrschichtig, Sandwich- Aufbau) bis hin zu fertigen Bauelementen auf Basis von Massivholzplatten (Wände, Decken z.B. im Format 3000 mm x 12500 mm und 100 bis 500 mm Dicke der Firma Schilliger) und im zunehmenden Masse auch
  • vorgefertigte Elemente für das Bauwesen.

Als Vorteile sind zu nennen:

  • die Fertigung grösserer Abmessungen und nahezu beliebiger Formen (z.B. bei Brettschichtholz auch gekrümmte Formen)
  • eine gezielte Festigkeitsbeeinflussung (z.B. bei Verwendung von maschinell vorsortiertem Holz) entsprechend der mechanischen Beanspruchung bei Brettschichtholz (erhöhte Festigkeit in den Randlagen)
  • die Möglichkeit einer Verwendung geringwertigerer Holzsortimente in statisch weniger beanspruchten Zonen (Mittellagen) oder die Sortierung nach optischen Gesichtspunkten bei Massivholzplatten
  • eine geringe Veränderung des Dampfdiffusionswiderstandes (dieser wird durch die Verleimung um 15,3% im Vergleich zu naturbelassenem Holz erhöht)
b) Engineered Wood Products

Unter Engineered Wood Products versteht man eine Gruppe von Holzwerkstoffen, die primär dem Ersatz von Vollholz im Bauwesen dienen. Sie werden als stabförmige (überwiegend Scrimber, Parallam) oder auch flächige Elemente (LSL; LVL) angeboten, welche sich auch zu stabförmigen Elementen aufgetrennen lassen.

  • Furnierschichtholz (Laminated veneer lumber, LVL)
    Darunter verstehen wir Furnierschichtholz (aus Nadelholz), mit überwiegend faserparallel angeordneten Lagen. Die Fertigung erfolgt heute zum Teil bereits in kontinuierlichen Pressen. Das Material wird sowohl als Plattenmaterial als auch für Balken (Brücken, Treppenbau) verwendet.
  • Furnierstreifenholz (Parallel strand lumber; Parallam, PSL)
    Dabei handelt es sich um einen Furnierwerkstoff, der aus Schälfurnier gefertigt wird. Das Furnier (etwa 3 mm dick) wird in etwa 13 mm breite und bis zu 2,5 m lange Streifen geschnitten, beleimt und zu Profilen verklebt. Das Material wird für Balken, vielfach auch für Verstärkungen zur Aufnahme von Druckkräften eingesetzt.
  • Spanstreifenholz (Laminated strand lumber, LSL)
    Darunter wird ein Spezialprodukt von OSB (Oriented strand board) mit extrem langen (etwa 300 mm) Spänen verstanden. Als Rohstoff wird meist Aspe verwendet.
  • Scrimber
    Dabei handelt es sich um Werkstoffe, die aus relativ langen, durch Zerquetschen hergestellten "Partikeln" unter Anwendung von Druck und Wärme verleimt werden.
  • Verbundsysteme (z.B. Com-ply)
    Hierunter werden z.B. die im Bauwesen eingesetzten Träger mit Stegen aus Spanplatten und Zug- oder Druckgurten aus Furnierschichtholz oder auch Vollholz verstanden. Auch Verbundplatten mit Kernen aus Holz und Holzwerkstoffen sowie hochfesten Decklagen können in diese Gruppe eingeordnet werden.

Als Vorteile im Vergleich zu Vollholz werden genannt:

  • sehr grosse und variable Abmessungen (insbesondere Längen)
  • keine Verformungen durch Trocknungsspannungen
  • eine zum Teil höhere Festigkeit als Vollholz, da keine Defekte wie Äste die Festigkeit vermindern

Einsatz von Holz und Holzwerkstoffen im Bauwesen

Holz und Holzwerkstoffe gewinnen im Rahmen des Trends zur stärkeren Berücksichtigung ökologischer Fragen an Bedeutung. So werden verstärkt Massivholzplatten, Brettstapelelemente, Faserdämmplatten eingesetzt. Im Fassadenbereich werden verstärkt unbehandelte Materialien (Vollholz, Massivholzplatten) verwendet. Ebenso werden vorgefertigte Elemente auf Basis von Hohlkastenkonstruktionen hergestellt (z.B. Steko). Heute ist es möglich, komplette Häuser aus Holzwerkstoffen zu fertigen. So werden z.B. in den USA mehrgeschossige Bauten (zum Teil ganze Strassenzeilen) auf Basis einer Rahmenbauweise und Beplankung mit OSB gefertigt. Wenn man Werkstoffe für konstruktive Zwecke einsetzt, ist eine bauaufsichtliche Zulassung erforderlich.

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