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Verfahren zur Bearbeitung der Stirnseiten von Balken
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aus Hartholz, insbesondere von Eisenbahnschwellen, mit rechteckförmigem
Querschnitt zur Vermeidung von Rißbildungen auf Grund innerer Spannungen und auf
Grund des Schwindens bei der Trocknung.
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Bearbeitungsverfahren
für Harthölzer (Eichen, Buchen und andere, insbesondere auch tropische Laubhölzer).
Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Bearbeitung von Balken, die als Eisenbahnschwellen
oder Weichenteile zur Ausrüstung von Eisenbahnlinien zugerichtet sind. Zweck des
Verfahrens ist es, die Rißbildung an den Stirnseiten zu vermeiden oder zumindest
soweit als möglich einzuschränken, die zu V-förmigen Spalten an der Stirnseite oder
zu sternförmigen oder krähenfuDförmigenn Rissen führt, deren Scheitelpunkt im Bereich
der Stirnseite in der Kernachse des Holzes liegt.
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Infolge derartiger Risse an den Stirnseiten neigen die einzelnen Teile,
in die sich der Balken in seinem Endbereich teilt, dazu, sich zu krümmen, wobei
die konkave Seite der gekrümmten Teile außen liegt. Diese Erscheinungen sinddleFolge
der Wachstumsspannungen, denen der gefällte Baum ausgesetzt ist. Es ist weiter Zweck
des Verfahrens gemäß der Erfindung, die V-förmigen Öffnungen zu vermeiden oder zu
verringern, die in Längsrichtung des Balkens verlaufen und deren Ursache in dem
natürlichen Schwinden beim Trocknen des Holzes liegt.
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Zur Erläuterung der vorteilhaften Wirkung, die mit dem Verfahren gemäß
der Erfindung angestrebt wird, ist es zweckmäßig,kurz dieJenigen Kräfte zu betrachten,
die im Stamm eines aufrechtstehenden Baumes vorhanden sind und sich im Gleichgewicht
befinden, beim Fällen des Baumes und bei den darauf-folgenden Bearbeitungsvorgängen
wie Ablängen, Sägen, freiwerden und dabei zu Beanspruchungen führen, welche die
erwähnten Risse an den Stirnseiten zur Folge haben und die noch verstärkt werden
durch das Schwinden des Holzes beim Trocknen, das an der Außenseite beginnt und
erst anschliessend nach innen vordringt.
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Das Gewicht des Stammes und der Baumkrone eines aufrechtstehenden
Baumes, der vollständig vertikal und zentriert stehen möge, lastet auf dem transversalen
Querschnitt an der Basis des Stammes. Dabei herrscht Jedoch nicht an allen Stellen
der Basis der gleiche einheitliche Druck. Untersuchungen von äußerster Genauigkeit,
die von Wissenschaftlern in verschiedenen Ländern durchgeführt wurden, haben nachgewiesen,
daß - insbesondere bei Buchen, Eichen und anderen schweren und harten Laubhölzern
(wie Eukalyptus und vielen tropischen Arten) sowie bei schnellwachsenden Arten wie
Pappeln - der äußere Kranz, d.h. der Umfangsbereich der Stämme bei aufrechtstehendem
Baum auf Zug¢ beansprucht wird, während der innere Bereich, d.h. der Kern starken
Druckspannungen ausgesetzt ist. Der Ubergang von der Zugspannung zur Druckspannung
erfolgt selbstverständlich nicht sprunghaft sondern allmählich, so daß das Diagramm
der in einem diametralen Querschnitt eines aufrechtstehenden Baumes herrschenden
Kräfte einen typischen Gradienten zeigt, wie er in der einschlägigen Literatur von
verschiedenen Autoren (Kubler, Jacobs, Boyd, Giordano, Curro) dargestellt wurde
und in Fig. 1 gezeigt ist, die etwa symmetrisch zur Kernachse X-X liegt.
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Wenn der Baum geschlagen wird, verschwindet die Wirkung der Schwerkraft,
die die inneren Kräfte in dem stehenden
Baum im Gleichgewicht hielt.
Infolgedessen verschwinden auch die ursprünglichen Zwangskräfte. Das führt im wesentlichen
dazu, daß der Umfangsbereich, der nicht mehr auf Zug beansprucht wird, sich verkürzt,
während der innere Teil dazu neigt, sich zu verlängern. Anhand von Fig. 2 sei ein
diametralgeführter Längsschnitt betrachtet.Rechts und links der Kernachse X-X wirken
Kräftepaare, die - wenn ihr Moment genügend groß ist - zur Trennung des Holzes längs
der von den Stirnseiten ausgehenden Abschnitte MN und PQ sowie - wegen der relativen
Verformbarkeit des frischen Holzes - zu der in Fig. 2 mit D bezeichneten und durch
getrichelte Linien angedeuteten Durchbiegung fUhren können.
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Wenn dann die noch frischen Stämme, bei denen die Trocknung nicht
einmal begonnen hat, (da diese erst einsetzt, wenn die Feuchtigkeit unter 32%, den
Sättigungspunkt der Zellwände, fällt), zersägt werden,krümmen sich die äußeren Schwarten
nach außen, während die stirnseitigen Enden der mittleren Bohlen sich in der in
Fig. 3 und 4 dargestellten Weise V-förmig öffnen, obwohl - wie bereits erwähnt -
noch kein Schwinden durch Trocknung eingesetzt hat.
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Empirische Untersuchungen, die von äußerst genauen Messungen begleitet
waren, haben erkennen lassen, daß die in Frage stehenden Kräfte (und die von ihnen
verursachten nachteiligen Erscheinungen) stark reduziert werden, wenn man die Bäume
aufrecht stehend absterben läßt, (was sich selbstverständlich aus technischen und
dkonomischen Gründen verbietet), oder wenn man vor dem Fällen einige Zentimeter
über dem Basisschnitt des Baumes einen ringförmigen Reifen und anschließend auf
beiden Seiten der Trennungsschnitteder Stämme im Abstand von einigen Zentimetern
weitere gleichartige Ringe anbringt (Barnacle und Gottstein-CSIR0, Melbourne 1968).
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Eine der Aufgaben der Erfindung liegt darin, die vorgenann--ten Nachteile
zu beseitigen.
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Eine Erscheinung, die zu einem späteren Zeitpunkt auftritt, wenn die
Ablagerung bereits fortgeschritten ist, stellt das Schwinden des Holzes dar, das
in axialer Richtung, d.h. in Faserrichtung, gering, in radialer Richtung wesentlich
stärker und in tangentialer Richtung noch stärker ist. In der Querschnittsfläche
eines rechteckigen Balkens, beispielsweise einer Eisenbahnschwelle, ist daher der
Schwund in Breitenrichtung des Querschnittes am größten. Wegen der Ungleichheit
der Schwundmaße in den beiden Richtungen (tangential und radial) besteht außerdem
die Tendenz, daß sich über die ganze Länge des Balkens ein V-förmiger Spalt F öffnet,
dessen Scheitel in der Kernachse liegt (Fig. 5). Es sei noch einmal darauf hingewiesen,
daß dieser Längsschlitz völlig unabhängig ist von den anhand von Fig. 2 bis 4 erläuterten
stirnseitigen Spalten, da er auf einer völlig anderen Ursache (nämlich auf Schwunderscheinung
und nicht auf inneren Spannungen) beruht. Außerdem ist festzustellen, daß der Feuchtigkeitsverlust
des Holzes bei der Ablagerung von außen nach innen fortschreitet, so daß das darauf
folgende Schwinden des Holzes zunächst an den Außenflächen und den Stirnseiten und
nicht im Innern stattfindet. Diese Tatsache bewirkt - wenn auch in geringem Maße
- eine Verkürzung der Seitenfläche der Balken, die zu einer geringfügigen Vergrößerung
der von den inneren Spannungen verursachten V-förmigen Spalte an den Stirnseiten
führt. Am Rande sei noch auf die allgemein bekannte Tatsache hingewiesen, daß das
Schwinden des Holzes ein reversibler Vorgang ist. Sein Gegenstück besteht in einem
Anschwellen, das dann auftritt, wenn das abgelagerte Holz aus irgendeinem Grunde
wieder Feuchtigkeit aufnimmt.
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Es ist bekannt, an den Stirnseiten von Balken Eisen einzuschlagen,
die unterschiedlich geformt sein können und die dazu dienen, die Bildung von Längsrissen
oder stirnseitigen Spalten zu verhindern oder zu beschränken. Diese Vorkehrungen
haben sich Jedoch als ungeeignet erwiesen, das vorstehend erläuterte Problem zufriedenstellend
zu lösen.
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Bei Eisen mit geradliniger oder allgemein ausgedrückt offener Profilform
führt die Größe der in dem Holz auftretenden Spannungen dazu, daß das Eisen ausgetrieben
oder in seiner Form gestreckt oder gedehnt wird. Wenn die Eisen hingegen ein geschlossenes
ringförmiges Profil haben und bei frischem Holz angewendet werden, können sie zwar
die Beanspruchungen aufnehmen, die zu der stirnseitigen Spaltenbildung führen, blockieren
Jedoch gleichzeitig Jedwede Bewegung durch das bei dem anschließenden Ablagern des
Holzes unvermeidlich auftretende Schwinden. Der metallische Ring stellt eine Art
festes Rahmengestell dar, das das Holz daran hindert, sich unter allgemeinem Zusammenziehen
nach innen zu bewegen. Es muß sich folglich stattdessen um die Peripherie des Ringes
zusammenziehen, wobei im Bereich des Kernes kleine Spalte entstehen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, auch diese voran gehend
beschriebenen Nachteile zu vermeiden oder ihre Folgen zu verringern, die auf das
Schwinden, insbesondere auf das tangentiale Schwinden des Holzes beim Ablagern zurUckzuführen
sind.
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Die Erfindung löst die ihr zugrunde liegende Aufgabe durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung findet im wesentlichen bei bereits
zugerichteten Balken Anwendung und ermöglicht eine gewisse Unabhängigkeit zwischen
der äußeren Schicht und dem innen liegenden Teil der Balken, derart, daß erstere
sich gegebenenfalls verkürzen und damit nach außen deformieren kann, wobei sie sich
- ausgehend von dem entsprechen; den Einschnitt - von dem inneren Teil löst, während
der innere Teil sich verlängern kann, ohne daß eine gegenseitige Beeinflussung stattfindet
und ohne daß ein Kräftepaar mit großem Drehmoment erzeugt wird. Der Metallring besitzt
vorzugsweise die Form eines Vielecks mit abgerundeten oder
scharfkantigen
Ecken. Das Anbringen des Ringes muß so erfolgen, daß zwischen seinen kürzeren Seiten
und den Einschnitten nicht mehr als etwa 3mm Holz liegen, so daß dieser Randbereich
beim Schwinden des Holzes nachgeben kann und kein unbewegliches Hindernis für die
Kontraktion in Richtung der größeren Seite darstellt.
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Bei Balken mit rechteckförmigem Querschnitt besitzen die parallel
zur kürzeren Seite geführten Einschnittein der Praxis, beispielsweise bei Eisenbahnschwellen,
in Längsrichtung der Balken eine Tiefe von nicht weniger als IOmm. Die mit einer
Kreissäge oder einer Fräse anzubringenden Einschnitte haben eine Breite von nicht
weniger als 2mm.
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Die erwähnten Einschnitte müssen in unmittelbarer Nähe und außerhalb
der kürzeren Seiten des rechteckförmigen Ringes liegen. Damit ist sichergestellt,
daß das Schwinden des Holzes in Richtung der größeren Ausdehnung des Querschnittes
nicht die Bildung zentraler Risse und Spalten zur Folge hat.
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In Richtung der Höhe (der kürzeren Seite der Querschnittsfläche) ist
diese Bewegungsfreiheit nicht unbedingt erforderlich. Andererseits ist es notwendig,
daß das Eisen so an dem Holz befestigt wird, daß es mit ihm einen einzigen Block
bildet und somit seine "Bändigungsfunktion" ausüben kann.
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Vorteilhafterweise ist ein weiterer mittlerer Einschnitt vorgesehen,
der parallel zu den erstgenannten Einschnitten verläuft und der bei dem Trocknen
des Holzes wirksam wird, wobei er dazu neigt, sich zu schließen.
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Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 bis 5 zeigen die bereits erwähnten Diagramme der Spannungen und Darstellungen
der beschriebenen Phänomene,
Fig. 6 und 7 zeigen die Bearbeitung
der Stirnseiten eines Balkens, insbesondere einer Eisenbahnschwelle durch Anbringen
der erfindungsgemäß ausgeführten Einschnitte, Fig. 8 und 9 zeigen die Stirnseite
eines Balkens oder einer Eisenbahnschwelle, der mit dem oben erwähnten Mtallring
ausgestattet ist.
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Ein Balken 10 mit im wesentlichen rechteckförmigem Querr schnitt,
dessen Kernachse etwa im zentralen Bereich der Querschnittsfläche (oder in einer
parallel zu den kürzeren Seiten des Querschnittes verlaufenden Symmetriebene) liegt,
wird in der in Fig. 6 und 7 dargestellten Weise mit zwei seitlichen Einschnitten
12 versehen, die parallel zu den kürzeren Seiten verlaufen und von der Stirnseite
des Balkens ausgehen. Ein weiterer zu diesen seitlichen Einschnitten paralleler
zentraler Einschnitt 14 wird in der durch die Kernachse verlaufenden Symmetrieebene
angebracht.
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Mit 16 ist ein Metallring bezeichnet, der im wesentiiöflefl aus Flacheisen
besteht und der an Jeder der Stirnseiten des Balkens in das Holz eingeschlagen wird
und zwar in dem mitt leren Bereich, der von den beiden Einschnitten 12 begrenzt
ist. Die kürzeren Seiten des Ringes 16 befinden sich dabei in enger Nachbarschaft
der Einschnitte 12, wie dies aus Teig.
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8 und 9 klar erkennbar ist. Der Ring 16 dient als Verstärkt kungsreifen
für den zentralen Bereich der Stirnseite des Baum kens und verringert oder verhindert
das Auftreten von Schwundrissen wie ein solcher in Fig. 5 dargestellt und mit F
bezeichnet ist. Die Aufgabe der Einschnitte 12 besteht darin, die negativen Auswirkungen
der Verformungen zu verhindern, die mit den Anderungen im Spannungszustand des geschlagenen
Baumes verbunden sind. Mit anderen Worten: Der Einschnitt 14 begrenzt die Auswirkungen
der Deformationen und ErscheinuSw gen, die mit dem Trocknen zusammenhängen, insbesondere
der Phänomene, die auf das Schwinden des Materials während des Ablagerns zurückzuführen
sind; die Einschnitte 12 begrenzen
die negativen Auswirkungen derJenigen
Erscheinungen, die auf die Wachstumsspannungen, d.h. dieJenigen Spannungen, die
- wie oben erwähnt - zu dem in Fig. 3 und 4 dargestellten Bersten der stirnseitigen
Endbereiche führen können. Die Einschnitte 12 begünstigen die Spaltebildung, während
die von dem Ring 16 gebildete metallische Verstärkungsarmatur zur Folge hat, daß
die von dem außen liegenden Material ME auf den von den Einschnitten 12 begrenzten
zentralen Bereich ausgeübten Beanspruchungen gegenüber den Beanspruchungen, die
von dem zentralen Teil des Materials im Endbereich des Balkens ausgeübt werden könne,
praktisch isoliert sind. Das hat zur Folge, daß diese Belastungen der äußeren Teile
ME des Materials im Bereich der Einschnitte 12 zur Bildung partieller Spalte 18
(Fig. 9) führen, die eine Verformung der äusseren Materialzonen ME hervorrufen.
Hingegen wird eine Verstärkung der Belastung in der in Fig. 9 mit MC bezeichneten
zentralen Zone vermieden, wo diese Belastungen, die zu den in Fig. 3 und 4 angedeuteten
Rißbildungen führen können, stark eingeschränkt werden, da sie von den von den äußeren
Materialzonen ME hervorgerufenen Belastungen unabhängig sind. Hieraus folgt wiederum,
daß der zentrale Bereich des Balkenendes durch die von den Wachstums spannungen
verursachten Beanspruchungen nicht nachteilig beeinflußtwird.
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Die mechanische und statische Funktion des Balkens bleibt daher im
wesentlichen voll wirksam. Die Folgen der auf das Trocknen und insbesondere auf
das Schwinden des Holzes zurückzuführenden Erscheinungen sind durch das Anbringen
der seitlichen Einschnitte 12 sowie des Einschnittes 14 erträglich. Der Einschnitt
14 schließt sich im allgemeinen unter der Wirkung des Trocknens wieder.
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Die angestrebte Funktion des Metallringes 16 ergibt sich auf Grund
der Einschnitte 12 und auf Grund der Tatsache, daß die äußeren Materialzonen ME
unabhängig sind und damit die Auswirkung der Erscheinungen begrenzen, die andernfalls
den zentralen Bereich MC des betrachteten Balkenendes deformieren und spalten würden.