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Verfahren zum Prüfen und Klassifizieren von Bauholz Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Prüfen und Klassifizieren von Bauholz rechteckigen Querschnittes
nach seiner Festigkeit.
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Bisher wurde Holz für Bauzwecke nach dem Gewicht und verschiedenen
sichtbaren Eigenschaften, wie Astbildung, Unterbrechungen, Maserung usw. durch Personen
sortiert, die mit der Anwendung der Richtlinien für diese Art des Sortierens mehr
oder weniger vertraut waren und die Holzklasse lediglich durch Besichtigung festsetzten,
ohne irgendwelche genauere Prüfung durchzuführen.
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Holz ist ein Naturgewächs, dessen Festigkeit für Belastung stark
wechselt. Bisher konnte diese Festigkeit nur durch Belastung eines Holzstückes bis
zum Bruch bestimmt werden. Dabei wurde für die bestimmte Holzart eine typische Bruchzahl
bestimmt, die bei Festigkeitsberechnungen als grundlegender Beanspruchungswert für
jede Holzart Geltung hatte, wobei außerdem zur Ermittlung der zulässigen Beanspruchungswerte
durch Anwendung bestimmter Formeln die Wachstumscharakteristiken des Holzes, wie
z. B. Äste, in Betracht gezogen wurden. Da die Festigkeitseigenschaften von Holz
in weiten Grenzen schwanken, ist es hierbei notwendig, mit verhältnismäßig hohen
Sicherheitsfaktoren zu rechnen, die gewährleisten, daß das schwächste Tragglied
eines Tragwerkes die auf es entfallende Belastung mit Sicherheit aufnehmen kann.
Infolgedessen werden Tragglieder, die an sich eine höhere Festigkeit aufweisen,
deren Festigkeit aber nicht festgestellt wird, größer als notwendig bemessen, damit
gewährleistet ist, daß die Tragglieder geringerer Festigkeit, die genau so aussehen
wie die Stücke größerer Festigkeit, die auf sie entfallende Last aufnehmen können.
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Im Holzbau wurde ferner im allgemeinen angenommen, daß Wachstumscharakteristiken,
wie z. B.
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Äste, die Steifigkeit oder die Elastizität eines Baugliedes nicht
beeinflussen. Die Steifigkeit wird vielmehr als feststehende Zahl für die Holzarten
angesehen.
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Demgegenüber konnte festgestellt werden, daß in bezug auf die Steifigkeit
(E-Wert) von Holzgliedern derselben Art beträchtliche Unterschiede bestehen, und
daß diese Unterschiede ein Anzeichen für die Bruchfestigkeit und damit für die zulässige
Spannung bilden. Es wurde durch Biegung der Stücke unter kontrollierten Bedingungen
und Ermittlungen des wahren E-Wertes (Verhältnis der Spannung zur Durchbiegung)
sowie anschließendes Zerbrechen der Stücke festgestellt, daß mit größer werdender
Steifigkeit auch die Bruchfestigkeit zunimmt. Die nachstehende Tabelle wurde auf
Grund einer Prüfung
von 600 Stücken Bauholz aus zwei Klassen aufgestellt. Bei den
Prüfungen wurde zunächst der E-Wert und anschließend die Bruchfestigkeit durch Zerbrechen
der Sücke mit großer Genauigkeit bestimmt.
| Durchschnitt- |
| E-Wert liche Bruchzahl |
| (kg cm2) (kg'cm2) |
| Weniger als 98,400 .. 315 |
| 98,400 bis 112,500 ... . 400 |
| 112,500 bis 126,500 .. . 500 |
| Über 126,500 . . . 620 |
Die untersuchten Stücke hatten verschiedene Querschnittsabmessungen. Einige hatten
einen Sollquerschnitt von 5 x 10 cm, andere von 5 x 15 cm, 5 X 20 cm und 5 X 25
cm. Es wurde somit gefunden, daß eine zuverlässige Kenntnis der Bruchfestigkeit
von Holzstücken auch erhalten werden kann, ohne daß ein Holzstück bis zum Bruch
belastet und dabei zerstört werden muß. Demgemäß liegt der Erfindung der Gedanke
zugrunde, die Bruchfestigkeit des Holzes durch eine meßbare Eigenschaft, nämlich
die Steifigkeit, anzuzeigen und die Steifigkeit dabei durch eine schnell erfolgende
Belastung zu bestimmen, die
einerseits groß genug ist, um eine geringe,
nicht merkbare Schwächung zu erbringen und andererseits so klein ist, daß die Faserbeanspruchung
an der Proportionalitätsgrenze der zu prüfenden Holzart nicht überschritten wird.
Unter Proportionalitätsgrenze wird dabei die Beanspruchung je Flächeneinheit verstanden,
bei der die Verformung des Holzes schneller größer zu werden beginnt, als die aufgebrachte
Last, vgl. »The Mechanical Properties of Wood« von Frederich F. W an g a ard, veröffentlicht
durch John Wiley & Sons, Inc., New York, N. Y., 1950, und das »Wood Handbook«,
Agriculture Handbook Nr. 72, veröffentlich durch das U. S. Department of Agriculture,
Washington D. C., 1955. Die letztgenannte Veröffentlichung gibt auf den S. 70 bis
77 Durchschnittswerte der Faserbeanspruchung an der Proportionalitätsgrenze für
viele Holzarten an. Unter Faserbanspruchung an der Proportionalitätsgrenze werden
nachstehend für die geprüften Holzarten ermittelte Durchschnittswerte verstanden,
wenn nicht besonders angegeben ist, daß die Proportionalitätsgrenze für das zu untersuchende
Holzstück gemeint ist.
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Die Erfindung sieht somit eine das Holz nicht zerstörende Prüfung
vor und besteht darin, daß die Bauhölzer einer kurzzeitigen, quer zur Längsrichtung
verlaufenden und unterhalb der Proportionalitätsgrenze liegenden Biegebelastung
ausgesetzt werden und die Bauhölzer entsprechend ihrer Steifigkeit, definiert durch
das Verhältnis der aufgebrachten Belastung zur Durchbiegung, klassifiziert werden.
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Durch die Prüfung und Klassifizierung von Bauholz nach der Erfindung
wird eine erhebliche Einsparung an Bauholz für die Tragglieder eines Tragwerkes
aus Holz erreicht. Der Konstrukteur erhält durch die Prüfung nach der Erfindung
zuverlässigen Aufschluß über die zulässigen Spannungen und die Steifigkeit der Tragglieder.
Erstmalig kann hierdurch natürliches gewachsenes Bauholz auf Grund von Prüfungen
jedes einzelnen Stückes nach Steifigkeitsklassen unterteilt werden, wobei zugleich
eine zuverlässige Anzeige über die Festigkeit jedes Stückes erfolgt.
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Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert. Die
einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Seitenansicht einer zum Aufbringen der Belastung
und zum Anzeigen der Tragfähigkeit des Holzes dienenden Vorrichtung. Gemäß der Zeichnung
wird das zu prüfende Holzstück zwischen zwei, die Stützweite bestimmenden Auflagern
S-S einer veränderlichen Biegebelastung L unterworfen. Wenn die dabei auftretende
Durchbiegung den gewünschten Größtwert erreicht, so wird die angezeigte Belastung
registriert und durch die Last eine Vorrichtung M zur Anbringung von Zeichen oder
eine andere Vorrichtung betätigt, die anzeigt, daß das durchgebogene Stück eine
zulässige Arbeitsspannung in einem bestimmten Bereich aufweist. Die Biegebelastung
wird in Stufen gemessen. Bei größer werdender Last werden Kontakte C,, C,,, C3,
C4 und C5 nacheinander geschlossen und jeweils ein Markiergerät Mt, M2, M3, M4 und
M5 gewählt, worauf, wenn die Durchbiegung am Mittelpunkt des Holzstückes die untere
Grenze erreicht, die Belastung weggenommen wird und eines der Markiergeräte Ml bis
M5 ein Stempelzeichen auf das Holzstück aufbringt. Auf diese Weise werden alle Holzstücke
um das gleiche Maß durchgebogen und jeweils die zum Erreichen dieser Durch-
biegung
erforderliche Kraft gemessen und in Stufen durch die Markiergeräte angezeigt. Es
wurde gefunden, daß es zur Gewährleistung zuverlässiger Lastablesungen angebracht
ist, das Durchbiegen in der Weise durchzuführen, daß das Holzstück durch eine Kraft
belastet wird, die etwa zwischen 15 und 600/0 der Faserbeanspruchung an der Proportionalitätsgrenze
der Holzart beträgt. Die Belastung von 15°/o ist groß genug, um die Wirkung von
Fehlern beim Messen der Belastung und der Durchbiegung zu verringern. Bei einer
niedrigeren Belastung als 150/0 sind genaue Meßergebnisse wegen solcher Fehler schwierig
zu erhalten. Höhere Belastungen und größere Durchbiegungen erhöhen die Genauigkeit,
es ist aber nicht der Zweck der Prüfung, eine Belastung anzuwenden, die gleich der
zulässigen Belastung ist, die das Holzstück als Bauglied aufzunehmen hat.
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In bezug auf die Proportionalitätsgrenze ist zu bemerken, daß die
Versuche, die als Grundlage für die vorerwähnten Angaben im »Wood Handbook« dienten,
mit genormten kleinen und genau bearbeiteten Prüfkörpern durchgeführt wurden. Nach
diesen Angaben liegt die Proportionalitätsgrenze etwa bei 60 bis 70e/o der Bruchfestigkeit.
Demgegenüber zeigen die durch die Erfindung erzielten Ergebnisse, daß die Proportionalitätsgrenze
von Bauholz normaler handelsüblicher Größe nur 50 bis 60°/o der Bruchfestigkeit
beträgt. Diesem Verhältnis liegen Vergleichswerte aus dem »Wood Handbook« für Küsten-Douglastanne
aus Versuchen an 333 handelsüblichen Douglastannenstücken zugrunde.
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Versuche haben gezeigt, daß es für die Prüfung nach der Erfindung
günstig ist, eine Belastung anzuwenden, die eine Faserbeanspruchung ergibt, die
zwischen 25 und 50als der Faserbeanspruchung an der Proportionalitätsgrenze des
zu prüfenden Holzstückes liegt. Für eine wirtschaftlich arbeitende Prüfung kommt
es jedoch nicht an Betracht, Faserbeanspruchungen an der Proportionalitätsgrenze
für jedes Stück zu erreichen. Im Interesse der Genauigkeit soll die Belastung groß
genug sein, um Ableseungenauigkeiten unwirksam zu machen. Dies wird leicht erreicht,
wenn die angewendete Beanspruchung etwa 30 bis 400/0 der Proportionalitätsgrenze
der zu prüfenden Stücke beträgt. Um an schwachen Stücken Schäden durch tlberschreiten
der Proportionalitätsgrenze zu vermeiden, ist es ratsam, die Beanspruchung unter
608/o der für die zu untersuchenden Stücke bestimmten Proportionalitätsgrenze zu
halten.
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In jedem Fall ist es zweckmäßig, die Durchbiegung der Stücke in der
Weise durchzuführen, daß die Faserspannung an der Proportionalitätsgrenze nicht
überschritten wird. In dieser Hinsicht wurde auch gefunden, daß es vorteilhaft ist,
die Durchbiegung und die Entlastung des Stückes mit großer Schnelligkeit durchzuführen.
Die Faserbeanspruchung an der Proportionalitätsgrenze ist ein Durchschnittswert
für die jeweilige Holzart. Die Proportionalitätsgrenze liegt tiefer, wenn die Belastung
längere Zeit auf Holz einwirkt. Üblicherweise sind die Tabellen der Proportionalitätsgrenze
durch Belastung der Stücke an der Proportionalgrenze auf die Dauer von fünf Minuten
aufgestellt. Für die Prüfung nach der Erfindung wird die Belastung nur auf die Dauer
von einer Sekunde oder weniger angewendet. Vorzugsweise wird diese schnelle Belastung
bei einer Belastungsgröße durchgeführt, die unter 600in der
Proportionalitätsgrenze
der zu untersuchenden Arten liegt.
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Bei Anwendung der genannten Belastung hat sich im Gegensatz zu Angaben
auf den Seiten 94 und 95 des »Wood Handbook« und in der »National Design Specification«
der National Lumber Manufacturers Association ergeben, daß eine Beziehung zwischen
der Elastizitätszahl und der Bruchgrenze von Bauholz besteht, die genügt, um die
zulässige Spannung für Bauglieder aus Holz zu bestimmen. Außerdem kann bei Anwendung
des Verfahrens nach der Erfindung in einem Arbeitsgang damit die Elastizitätszahl
für jedes zu prüfende Stück bestimmt werden.
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Dies ist wichtig für den Verbraucher, weil sich hierdurch bei der
Berechnung eines Tragwerkes Grenzen für die Größe der Durchbiegung der Bauglieder
ergeben. Zum Beispiel ist es üblich, die Durchbiegung von Deckenbalken unter Vollast
auf nicht mehr als /sso der Länge der Balken zu begrenzen. Die Erfindung zeigt hier
erstmalig einen Weg zur Bestimmung der Steifigkeit für jedes einzelne Bauglied,
ohne daß dieses zerbrochen werden muß.
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Bei der praktischen Anwendung der Erfindung können die Stücke entweder
durch gleichmäßige Verformung mit veränderlicher Last (dies stellt die bevorzugte
Art dar) oder mit gleichbleibender Last und veränderlicher Durchbiegung gebogen
werden.
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Es kann ferner das zu prüfende Stück auf ganzer Länge oder abschnittsweise
belastet werden bis das ganze Stück geprüft wird. Die Querschnittsabmessungen des
Stückes müssen ebenso genau bekannt sein, wie die Stützweite, für die die Prüfung
durchgeführt wird.
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Die nicht zerstörende Prüfung nach der Erfindung biegung und veränderlicher
Last durchgeführt, wobei dann die Ablesung in demjenigen Zeitpunkt erfolgt, in dem
die Durchbiegung erreicht ist, worauf die Belastung an diesem Punkt weggenommen
wird.
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Wenn dabei ein Stück derart leicht durchgebogen wird, daß das bestimmte
Durchbiegungsmaß unter einer Belastung erreicht wird, die geringer als das Belastungsminimum
(15 °/o der Proportionalitätsgrenze der Holzarten) ist, so kann das Stück ohne Beschädigung
durch die Maschine durchgehen und wird als für Bauzwecke nicht brauchbar klassifiziert.
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Es ist auch möglich, eine feste Belastung bestimmter Größe und ein
veränderliches Durchbiegungsmaß
anzuwenden, um zuverlässige Beziehungen zwischen
der Bruchzahl und der Elastizitätszahl zu erhalten; hierbei werden aber die schwächeren
Stücke leicht beschädigt oder zerstört.