Holz I - Aufbau und Eigenschaften

Geschichte und Konstruktionsbeispiele

• Übliche Bauteile aus Holz:

  • Dachstühle

  • Fachwerkkonstruktionen

  • Bodenbeläge

  • Fenster und Türen

  • Beplankungen

• Wichtige Aspekte für Holzkonstruktionen:

  • Fachgerechte Konstruktion

  • Holzartengerechte Pflege und Nutzung

• Häufige Schäden:

  • Unverträgliche Beschichtungen

  • Mangelnder konstruktiver Holzschutz

  • Unangemessener oder mangelhafter chemischer Holzschutz

• Beispiele für Holzbau:

  • Fachwerkhäuser (Kiel, Münster)

  • Moderne Einfamilienhäuser in Holzrahmenbauweise (Weimar, 2017)

• Prozentualer Anteil von Holzbauten:

  • Ein- und Zweifamilienhäuser: 27,8% (2024), Mehrgeschossig 7,5% (2024), ca. 10% in 2000, SH: ca. 20%

  • Nichtwohngebäude: ca. 21,7%, ca. 2% in 2000, SH: ca. 22%

• Holzverwendung im Bauwesen:

  • Ca. 2/3 des Holzes wird in der Modernisierung und Sanierung verwendet

  • Neubau Wohnbau (2020): Deutschland Durchschnitt = 20,4 % (Vj. 18,7 %)

• Holz als tragendes Element:

  • Dachkonstruktionen mit großen Spannweiten (Schildergasse Köln)

  • Holzbrücke bei Essing (Kehlheim) über die Altmühl

  • Holz für Ingenieurbauten: Ehem. Antennenstation bei Berlin

  • Holz für Wegkonstruktionen: Steg am Sportboothafen Strande

• Neue Ansätze:

  • Holz-Hybrid-Bauweise

Grundlagen – Werkstoff Holz

• Vorteile von Holz:

  • Ökologisch: Speicherung von CO_2, nachwachsend

  • Wirtschaftlichkeit: Materialkosten, Baugeschwindigkeit

  • Konstruktiv: Günstiges Verhältnis Rohdichte/Festigkeit

• Nachteile von Holz:

  • Steigende Holznachfrage kann zu steigender Abholzung führen.

  • Förderung von Monokulturen und nicht-heimischen Baumbeständen (z.B. Fichte, Kiefer, Douglasie).

  • Restriktiver Wechsel zu heimischen Laubbäldern (z.B. Eiche, Buche).

  • Kahlschläge führen zu fehlender Temperatur- und Feuchteregulierung.

  • Fehlende Biomasse durch Totholz führt zu weniger Nachhaltigkeit.

• Waldfläche in Deutschland:

  • Etwa ein Drittel (ca. 100.000 km²)

• Forstanteile liefern:

  • Mehr als 70 Mio. m³ nutzbares Holz

• Baumarten in Deutschland:

  • 72 Baumarten, davon wirtschaftlich genutzt: 26 Laubbaumarten, 7 Nadelbaumarten

• Gewerbliche Nutzung:

  • Ca. 41% Laubholz, 59% Nadelholz

• Bestandteile des Holzstammes:

  • Rinde: ca. 10 – 20% des Baumvolumens, innen der lebende Bast, außen die abgestorbene Borke

    • Aufgaben der Rinde:

      • Schutz gegen Austrocknung und Schädigungen von außen (mechanisch oder durch Tiere)

      • Transport und Speicherung von Nährstoffen (Assimilate)

  • Kambium:

    • Schwer zu erkennen, wenige Zellen dick

    • Zuständig für Dickenwachstum

    • Produziert Rindenzellen (außen) und Holzzellen (innen) während der Vegetationszeiten

    • Muss bei Imprägnierung vollständig entfernt werden (schlechte Durchlässigkeit)

  • Holz:

    • Größter Teil des Baumes

    • Gesamtes Material innerhalb der Kambiumhülle

    • Sichtbare Merkmale:

      • Zuwachszonen (Jahresringe)

      • Kern- und Splintholz

      • Zellen und Zellgewebe

      • Holzstrahlen

      • Harzkanäle

• Holz - Zuwachszonen:

  • Entstehen durch klimatische Einflüsse

    • Jahreszeitenklima (gemäßigtes Klima): regelmäßiger Zuwachs → Jahresringe

    • Monsun/Trockenzeiten (Subtropen): unregelmäßiger Zuwachs → Zuwachs nicht einzelnen Jahren zuzuordnen

    • Tageszeitenklima (Tropen): gleichmäßiger Zuwachs → keine Unterschiede erkennbar

• Holz - Jahresringe:

  • Unterteilung bei Laubhölzern (LH) und Nadelhölzern (NH) in:

    • Frühholz

    • Spätholz

  • Zusätzlich bei LH in:

    • ringporig

    • halbringporig

    • zerstreutporig

• Holz – Früh- und Spätholz:

  • Frühholz:

    • Entsteht im Frühjahr bis Frühsommer

    • Dünnwandige, großlumige Zellen für raschen Wassertransport

  • Spätholz:

    • Entsteht im Sommer bis Frühherbst

    • Dickwandige, kleinlumige Zellen für Festigkeit

    • Erhebliche Festigkeits- und Farbunterschiede zwischen Früh- und Spätholz (besonders bei Nadelhölzern)

• Holz – Porigkeit (Laubhölzer):

  • Ringporige Hölzer (Eiche, Esche, Robinie):

    • Weite, ringförmig angeordnete Gefäße im Frühholz (als Poren erkennbar)

    • Englumigere Gefäße im Spätholz

  • Halbringporige Hölzer (Nussbaum, Kirsche):

    • Weitlumigere Gefäße verstärkt im Frühholz, aber auch im Spätholz

    • Keine klare Trennung wie bei ringporigen Hölzern

  • Zerstreutporige Hölzer (Rotbuche, Ahorn, Linde):

    • Keine Unterschiede in der Gefäßanordnung zwischen Früh- und Spätholz

• Holz – Splintholz:

  • Äußere Jahrringe

  • Enthält lebende Speicherzellen

  • Heller als das restliche Holz

  • Geringe Dauerhaftigkeit gegen Pilze und Insekten

  • Hohe Holzfeuchte

• Holz – Kernholz:

  • Innere Jahrringe

  • Keine lebenden Zellen mehr

  • Durch Einlagerung von Stoffen dunkler und widerstandsfähiger gegen Pilze und Insekten

  • Weniger Feuchtigkeit als Splintholz

• Kern-, Splint- und Reifholzbäume:

  • Kernholzbäume:

    • Regelmäßige Farbkernbildung

    • Splint hell und feucht (u > 50 – 100 %)

    • Kern dunkel und trockener (u ≤ 35 %)

    • Beispiele: Kiefer, Lärche, Eiche

  • Reifholzbäume:

    • Heller Kernholz

    • Kernholz geringerer Wassergehalt (u ≤ 35 %) als Splintholz (u > 50 – 100 %)

    • Kein Farbunterschied

    • Beispiele: Fichte, Rotbuche

  • Splintholzbäume:

    • Keine ausgeprägte Kernholzbildung

    • Keine Farb- oder Feuchteunterschiede zwischen Kern und Splint (u > 50 – 100 %)

    • Beispiele: Bergahorn, Birke, Erle

Grundlagen – Holzaufbau

• Holzaufbau (NH):

  • Zellen und Zellgewebe

  • Holzstrahlen

  • Harzkanäle (NH)

• Zellarten (NH)

• Holzaufbau (LH):

  • Zellen und Zellgewebe

  • Holzstrahlen

  • Harzkanäle (LH)

• Zellarten (LH)

• Hoftüpfel:

  • Öffnungen für den Stofftransport zwischen Zellen

  • Radialer Transport zwischen Tracheiden und Holzstrahlzellen

  • Bei Kiefern: Fenstertüpfel statt Hoftüpfel in den Kreuzungsfeldern

  • Bei Laubhölzern: Radialer Nährstofftransport durch Hoftüpfel (kleinere Öffnungen, aber zahlreicher)

• Tüpfelverschluss und Thyllenbildung:

  • Bei Verkernung oder Lufteinbruch verschließen Hoftüpfel vollständig

  • Bei Laubhölzern bilden sich Thyllen (blasenförmige Auswüchse) in den Gefäßen, die den Transportweg absperren

  • Starke Verthyllung bei Eiche und Robinie

  • Verschlüsse sind wichtig bei der Imprägnierung (schlechte Imprägnierung bei Fichte und verkernten Holzbereichen)

  • Splint von Kiefer gut imprägnierbar durch große Fenstertüpfel und guten radialen Stofftransport

Bestandteile des Holzes

• Elemente:

  • Kohlenstoff (ca. 50%)

  • Sauerstoff (ca. 43%)

  • Wasserstoff (ca. 6%)

  • Stickstoff und andere Stoffe (< 1%)

• Moleküle:

  • Zellulose

  • Lignin

  • Polyosen (Hemizellulosen)

  • Begleit- und Extraktstoffe

• Vergleich mit Stahlbeton:

  • Zellulose = Bewehrung

  • Lignin = Beton

  • Polyosen = Fasern oder Haftvermittler

  • Extraktstoffe = Gesteinskörnung

• Prozentuale Anteile:

• Zellulose:

  • Anteil: 40-50%

  • Gerüstsubstanz der Zellwände, besteht aus Zuckermolekülen

  • Biege- und Zugfestigkeit (vergleichbar mit Bewehrung im Stahlbeton)

• Lignin:

  • Anteil: 20-35%

  • Steift die Zellwände aus, gibt Festigkeit

  • Druck- und Abriebfestigkeit (vergleichbar mit Beton im Stahlbeton)

• Polyosen (Hemicellulosen):

  • Anteil: 15–35%

  • Ähnlich den Zellulosen, aber kleinere Moleküle aus unterschiedlichen Zuckern

  • Gerüstsubstanz, Verbindungen zwischen Cellulose und Lignin sowie den Zellwänden

• Extraktstoffe:

  • Geringer Anteil bei einheimischen Hölzern (1–3%), höher bei tropischen Hölzern (1-15%)

  • Verleihen den Holzarten typische Eigenschaften

  • Bedeutung für Befall durch Schadorganismen (Proteine für Hausbocklarve, Stärke für Splintholzkäfer)

  • Einige Ablagerungsprodukte im Kernholz wirken gegenüber Insekten und Pilzen schützend (z.B. Thujaplicin im Holz der Western Red Cedar)

• Extraktstoffe im Splintholz:

  • Zucker, Stärke, Eiweiße und Fette für Stoffwechselprozesse im lebenden Baum

  • Höhere Anfälligkeit des Splintholzes gegen holzzerstörende Pilze und Insekten

• Extraktstoffe im Kernholz:

  • In den Zellwänden eingelagert

  • Verantwortlich für Farbe, Geruch, Oberflächenbeschaffenheit und Dauerhaftigkeit der jeweiligen Holzart

Holzphysikalische Eigenschaften

• Schnittrichtungen:

  • Querschnitt/Hirnschnitt

  • Radialschnitt/Spiegelschnitt

  • Tangentialschnitt/Fladerschnitt

• Rohdichte:

  • Jede Holzart hat eine durchschnittliche Rohdichte \rho

  • Berechnung bei Feuchtegehalt u = 0% als \rho0 und bei u = 15% als \rho{15}: \rho = \frac{m}{V} [g/cm^3], wobei m = Masse und V = Volumen

  • Zusammenhänge:

    • Enge Beziehung zwischen Rohdichte und Holzfestigkeit

    • Hohe Rohdichte → geringeres Porenvolumen und hohe natürliche Dauerhaftigkeit (Ausnahme: Rotbuche)

  • Mittlere Rohdichte \rho_{15} der wichtigsten einheimischen Hölzer nach DIN EN 350-2: Bereich von 440 – 760 kg/m³

• Holzfeuchte:

  • Holz enthält immer Wasser (außer kurzzeitig technisch entzogen)

  • Auswirkungen steigender Holzfeuchte:

    • Sinkende Festigkeitseigenschaften

    • Sinkende Widerstandsfähigkeit gegen Pilze und Insekten

    • Sinkende Tränkbarkeit (bei u < 20% nur ölige HSM; bei u > 20% nur wässrige HSM)

    • Steigende Quellwirkung

  • Arten des Wassers im Holz:

    • Freies Wasser in Zellhohlräumen (kaum Bindungskräfte, für Pilze frei verfügbar)

    • Gebundenes Wasser in den Zellwänden:

      • Chemosorption bei u ≈ 0 – 6 % (monomolekulare Schicht)

      • Adsorption bei u ≈ 6 – 15 % (mehrfach molekulare Schichten)

      • Kapillarkondensation bei u > 15% (viele molekulare Schichten)

  • Einflussfaktoren auf die Holzfeuchte:

    • Niederschläge

    • Hygroskopizität (Wasseraufnahme/Abgabe an die Luft → Gleichgewichtsfeuchte)

    • Kapillare Wasseraufnahme bei Holzkontakt zu Feuchtebereichen

    • Wasseraufnahme durch Pilzmyzel (Echter Hausschwamm)

• Holzfeuchte u [M.-%]:

  • Prozentuales Verhältnis der Wassermasse zur Trockenmasse

  • Berechnung: u = \frac{mu – m0}{m_0} * 100% (mu = Holzfeuchtmasse, m0 = Holztrockenmasse)

• Holzfeuchte - Definitionen:

  • Wassersättigung

  • Fasersättigung

  • Darrzustand

  • Fasersättigung: Robinie ≈ 20 %, Weißeiche ≈ 24 %, Fichte ≈ 31 %, Pappel ≈ 37 %

• Holzfeuchte – Messverfahren:

  • Darrmethode: Trocknung bis zur Massekonstanz (genaueste Methode)

  • Elektrische Widerstandsmessung: Nur bei Holzfeuchten unterhalb der Fasersättigungß genau. Freies Wasser verfälscht die Messergebnisse.

• Holzfeuchte – Gleichgewichtsfeuchte:

  • Nach Trocknung bis zur Fasersättigung stellt sich in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit eine Gleichgewichtsfeuchte ein.

  • Beispiel: Normales Raumklima (40 bis 60% relative Luftfeuchte) → Holzfeuchte von ca. 7 bis 12 %

• Holzfeuchte – Schwinden und Quellen:

  • Schwund bei Trocknung von Fasersättigung bis darrtrocken im Mittel:

    • Längs: 0,2 %

    • Radial: 5,0 %

    • Tangential: 10,0 %

  • Das Schwinden führt aufgrund der anisotropen Eigenschaften zu Verzerrungen.

• Einschnittarten:

  • Kantholz:

    • Markstück

    • Markdurchschnitten mit Streifmark (markgetrennt)

    • Doppelt markdurchschnitten mit Streifmark an Kante

    • Markfrei, ohne Streifmark

    • Riftstück

    • Übliche Stärken: 6 zu 20 cm, z. B. 10/16 cm, 12/20 cm (max. d/b: 1/3)

  • Bretter (Auswahl):

    • Scharfschnitt (baumweise geordnet = Klotzbretter)

    • Rift- oder Resonanzschnitt (Bretter haben stehende Jahrringe = Markbretter oder Riftbretter)

    • Namen nach Lage in Stamm, Jahrringverlauf und Markttrennung

    • Besäumte Bretter

    • Parallelbretter

• Rissneigung:

  • Zu schnelle Trocknung → Zellkollaps (viele kleine Risse, reduzierte Festigkeit)

  • Hölzer mit starken Wuchsspannungen → schonende Trocknung oder Entspannung (z.B. Dämpfen von Rotbuche)

• Maßnahmen zum Spannungsabbau im Holz:

  • Einschlag im Winter (geringerer Wassergehalt)

  • Einschnitt erst nach längerer Lagerung (langsame Trocknung)

  • Markröhre beim Einschnitt heraustrennen (herzgetrennte Ware)

  • Holz radial einschneiden (nur stehende Jahrringe)

Dauerhaftigkeit von Holz

• Anfälligkeit und Dauerhaftigkeit:

  • Basiert auf Feuchteaufnahme und nährstoffreichen Inhaltsstoffen

  • Splintholz ist anfälliger als Kernholz

  • Kernholz von Farbkernhölzern ist besonders dauerhaft (verminderte Feuchteaufnahme, biozide Einlagerungen → Harze, Wachse, Gerbstoffe)

• Holzartspezifische Widerstandsfähigkeit:

  • Geregelt in DIN EN 350-2 (Dauerhaftigkeitsklassen 1 bis 5)

  • Vor jeder Anwendung prüfen (chemischer Holzschutz kann vermieden werden)

  • Natürliche Dauerhaftigkeit kann innerhalb einer Holzart schwanken

• Gebrauchsklassen (GK) nach DIN 68800-1 (früher: Gefährdungsklassen):

  • GK 0: Keine Gefährdung durch Insekten, Pilze oder Moderfäule (Holz unter Dach, trocken)

  • GK 1: Geringe Gefährdung durch Insekten (Holz unter Dach, trocken)

  • GK 2: Mäßige Gefährdung durch Insekten und Pilze (Holz unter Dach, gelegentlich feucht)

  • GK 3: Deutliche Gefährdung durch Insekten, Pilze und Moderfäule (Holz im Außenbereich, der Bewitterung ausgesetzt), unterteilt in:

    • 3.1: Schnelle Trocknung möglich

    • 3.2