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Kriechverhalten von Holz

Definition


Das Kriechverhalten von Holz wird unter dem wissenschaftlichen Großbegriff „Rheologie“ untersucht, welcher sich mit Verformungs - und Fließverhalten von Materie befasst.
Hier beschreibt man mit dem Begriff „Fließen“ die fortwährende Deformation von Material aufgrund Einwirkung äußerer Kräfte.

 

Einflussgrößen


Vor allem bei Holz gibt es einige wichtige Einflussgrößen zu beachten:

  • Wirkende Kraft
  • Rohdichte (Holzart)
  • Holzfeuchtigkeit
  • Temperatur
  • Dauer der Beanspruchung

Allgemein nähert man sich der Erfassung und der Berechnung des Verformungsverhaltens mit Hilfe eines Spannungs- / Dehnungsdiagrammes. Dabei geht man von zwei Grundannahmen aus
Retardation  = konstante Dehnung    / sich verändernde Spannung
Relaxation    = konstante Spannung  / sich verändernde Dehnung
Letzteres steht für das eigentliche Kriechen.

 

Holz gleich Gel?


Nun zur Frage warum Holz kriecht und was eigentlich bei dem Vorgang passiert.
Seit einiger Zeit spricht man von Holz als „kapillar-poröses Gel“, was eine relativ abstrakte Bezeichnung ist und sich aufgrund einiger wissenschaftlicher Definitionen ergibt (was aber hier zu weit führen würde). Jedoch fest steht: Holz hat eine innere, zugängliche Hohlraumstruktur und besteht aus Makromolekülen (Lignine, Zellulose, Hemizellulosen) welche das Gerüst oder auch Netz des Holzes bilden. Und genau hier ist es anfällig für Veränderungen.
Belastet man das Holz durch eine Kraft, bewirkt sie auf submikroskopischer Ebene entweder eine Streckung der Molekülketten oder einen Bruch von chemischen Bindungen, die sich im nächsten Augenblick, an anderer Stelle, wieder verbinden. Dies ist (kurz gesagt) die Ursache dafür, dass Holz sich bis zu einem gewissen Grad verformt. Eine zunehmende Durchbiegung z.B. ist also als Kriechverhalten charakterisiert.
Kriechverhalten von Holz: Der wissenschaftlichen Großbegriff ... 1-2-do Wissen
Auf dem Bild, zur Verfügung gestellt von bender_3000, sieht man eine fortschreitende Durchbiegung im Anfangsstadium – Belastung des Regalbrettes durch das Gewicht der Holzkiste.

 

Der Clou


Das spannende am Kriechverhalten von Holz ist, dass es sich bei Entlastung, also bei Entnahme der Kraft oder Last, wieder zurückbildet. Das heißt es hat auch elastische Eigenschaften.
Allerdings: nicht ohne Grenzen. Ist die Belastungshöhe – bzw. Dauer zu enorm, die Wiederholung der Belastung zu häufig, oder die Materialeigenschaft zu schlecht, kommt es ab einem gewissen Punkt zum Bruch, womit wir bei einer plastischen Verformung sind.

 

Rheologische Modelle


Diese Modelle sind vereinfachende Abbildungen der Wirklichkeit und versuchen das Verformungsverhalten zu veranschaulichen und zu beschreiben.
Das sogenannte "Burger-Modell" wird oft zur Beschreibung des Verhaltens von Holz herangezogen.
Dank dieser Modelle kann man im Endeffekt auf die verschiedenen Kennwerte schließen wie Kriechzahl, Kriechfaktor, Kriechgrenze, Kriechmodul welche in Din-Normen festgehalten sind und bei der Prüfung von z.b. Bauteilen aus Holz oder Holzwerkstoffen herangezogen werden. Ein Beispiel kann man sich auf den Internetseiten Fraunhofer IRB Fachportale anschauen.

(Bei Holzwerkstoffen kommt hinzu, dass man die einzelnen Eigenschaften des Klebharzes und evtl. der Beschichtungsmaterialien beachten muss und wie diese im Verbund mit Holz wirken)
Allgemein kann man bei HWS davon ausgehen, dass die Kriechverformung mit zunehmender Größe und Form der Strukturelemente (Späne) sinkt.

 

Wiederholte (zyklische) Belastungen – Materialermüdung


Wenn man Holz wiederholt und mit gleichbleibender Kraft belastet wird die Verformung insgesamt größer, aber nach jeder einzelnen Belastung wird die bleibende Verformung immer kleiner. Das kann man sich so vorstellen wie eine Treppe deren Stufen mit zunehmender Höhe immer niedriger werden.
Aufgrund einer entstehenden Materialermüdung wird allerdings auch die benötigte Kraft um eine Verformung zu erreichen kleiner. Schlussfolgerung aus dieser Erkenntnis:
Ein Regalbrett mit schweren Büchern darauf biegt sich. Um es wieder optisch „flott“ zu machen, entnimmt man die Bücher, dreht das Regalbrett um und stellt die Bücher wieder darauf. Nach der Zeit hat sich das Regalbrett wieder gebogen und man beginnt von Neuem...
Aber: man benötigt immer weniger Bücher um das gleiche Durchbiegungsergebnis zu erhalten (benötigte Kraft für Verformung wird kleiner) oder, wenn man immer dieselbe Anzahl an Büchern nimmt, wird die Durchbiegung schneller erreicht.
Und irgendwann, wahrscheinlich wenn man gerade nicht damit rechnet, kommt es zum Bruch, weil die Materialermüdung zu weit fortgeschritten ist.


Interessante, wissenschaftliche Literatur zu diesem Thema bietet F. Kollmann – Beziehungen zwischen rheologischen und Sorptionseigenschaften von Holz.

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