Holz als Baumaterial

Wer ein Holzhaus, insbesondere ein massives Vollholzhaus, bauen möchte, sollte wissen, wie sich der Baustoff Holz in den verschiedenen Situationen des Alltags verhält. Denn nur wer das Holz versteht, kann auch damit richtig umgehen und seine vielfältigen Eigenschaften nutzen. Deswegen werden wir in unserem ersten Teil auf die Biologie des Baumes eingehen. Die Zellstruktur des Holzes bringt einige Vorteile für den Bau mit sich. Die vielen Zellen die nach der Trocknung des Holzes luftgefüllt sind, bewirken die guten Dämmeigenschaften. Holz ist ein natürlicher, organischer und inhomogener Werkstoff, der sich in vielerlei Hinsicht von anderen Baumaterialien unterscheidet.
Charakteristisch ist seine ausgeprägte, wuchsbedingte Abhängigkeit aller Eigenschaften von der Richtung, die Anisotropie. Im folgenden werden wir auf den biologischen Aufbau, sowie auf die Wuchseigenschaften und die feuchte technischen Eigenschaften eingehen.

1.1 Beschaffenheit und Bestandteile des Holzes
Wasserfreies Holz enthält bis zu 55 M.-% Zellulose und bis zu 30 M.-% Lignin (Kittsubstanz), das durch Anlagerung die Versteifung (Verholzung) des Zellgewebes bewirkt.Der Rest besteht aus zelluloseähnlichen Stoffen (Hemizellulose) sowie aus den in den Zellen angelagerten Stoffen (Zellinhalt), z. B. Harze, Fette, Gerb- und Farbstoffe. Diese Holzinhaltsstoffe bestimmen auch die natürliche Dauerhaftigkeit, sowie die natürliche Resistenz gegen Pilz- und Insektenbefall. Dabei gilt: Holzarten mit einem dunkel gefärbten Kern (Farbkernholz), wie z. B. bei der Kiefer und Douglasie, weisen eine höhere natürliche Resistenz auf als Holzarten ohne Farbkern, z. B. Fichte und Tanne.

1.2 Zellenarten
Die Zellen des Holzes dienen der Leitung des Wassers mit gelösten Nährstoffen, der Stoffumwandlung, der Speicherung sowie der Festigung.

1.2.1 Nadelholz
Tracheiden (?Tüpfelzellen"):
Langgestreckte, spitz zulaufende Zellen von 1-4 mm Länge (Breite 1/100 der Länge) mit dünnem Stützgewebe und innerem Hohlraum. Leitung des Wassers durch Öffnungen (Hoftüpfel) in den Wänden, die sich häufig bei der Verkernung oder auch bei Austrocknung (Fichte) schließen: Behinderung der Imprägnierbarkeit.

Harzkanäle:
Senkrecht und waagrecht langgestreckt verlaufende Zellengänge (Ausscheidungen des unter Druck stehenden Harzes bei Verletzung des Holzes).

Markstrahlen
(Parenchymzellen): Breitbändrige vom Kambium nach innen verlaufende als Speicherzellen dienende Zellenkörperketten. (Bei Tangentialschnitten der Buche als dunklere längliche Striche, im Radialschnitt als ?Spiegel" erkennbar; bei Hirnschnitten der Eiche als weiße, zügig radial verlaufende Linie.)

1.3 Wachstum des Holzes
Das von den Wurzeln aufgenommene Wasser steigt mit den im Erdreich gelösten mineralischen Stoffen durch das äußere Splintholz zur Baumkrone, wo der größteTeil des Wassers an der Unterseite der Blätter verdunstet und dadurch einen fortlaufenden Nährstoff aufstieg bewirkt.
Durch Wasser und Blattgrün (Chlorophyll) erfolgt unter Lichteinwirkung (Fotosynthese) tagsüber die Umwandlung (Spaltung) der Luftkohlensäure CO2 zu Kohlenhydrate (Traubenzucker C4Hi2O6) unter Sauerstoffabgabe an die Luft.
Die durch die Bastschicht rücklaufende Assimilationsprodukte dienen unter Umwandlung in Zellulose (C6Hi0O5) der Vermehrung der äußeren Zellen. (Die in den Markstrahlen gespeicherte Stärke bewirkt durch Rückverwandelung in Zucker die Blattbildung im Frühjahr.)

1.4 Struktur des Holzes
Beim Baum stellen die Jahresringe den Holzzuwachs eines Jahres dar. Innerhalb eines Jahresringes wird zwischen dem im Frühjahr für Wasser- und Nährstofftransport gebildeten weicheren Frühholz und dem im Sommer gebildeten
festeren Spätholz unterschieden. Je enger die Jahresringe sind, desto größer ist ihr Spätholzanteil und desto härter und dauerhafter ist das Holz. Somit bestimmt der Spätholzanteil wesentlich die Festigkeit des Holzes.
Das Kernholz bezeichnet die inneren Jahresringe, die als wasserleitende Schicht bzw. speichernde Zellen außer Funktion gesetzt und mit Holzinhaltstoffen angereichert sind. Der äußere saftführende Holzmantel wird als Splintholz bezeichnet.
Das Kernholz besitzt eine besser Resistenz gegen Schädlingsbefall als das Splintholz, ist dafür aber auch nur schlecht zu imprägnieren. Wie schon vorher erwähnt kann das Kernholz farblich abgesetzt sein vom Splintholz. Die inneren 5-20 Jahresringe bezeichnet man als Herz oder juveniles Holz. Dieses zeichnet sich durch die Weitlumigkeit der Zellen aus, das bedeutet, dass das juvenile Holz eine geringe Rohdichte besitzt. In allen Hölzern treten Äste in unterschiedlichen Durchmessern auf. Um ein höherwertiges Holz zu erhalten, werden in der Forstwirtschaft die Äste entfernt, als Ergänzung oder zum Ersatz der natürlichen Astreinigung. Dabei unterscheidet man zwischen Grün- und Trockenästung. Letztere ist am wichtigsten. Sie soll den abgestorbenen Ast oder zurückgebliebenen Aststummel entfernen, bevor er als holzentwertender Schwarzast einwächst. Zur Durchführung der Ästung sind auf Grund praktischer Erfahrungen und wissenschaftlicher Untersuchungen Grundsätze und Regeln aufgestellt worden, deren Beachtung Fehler ausschließt. Die Ästung hat das Ziel einen möglichst dicken astfreien Holzmantel. Im Schnittholz bilden sich die Äste in vielfältiger Form ab. In der Nähe von Ästen werden die Holzfasern z. T. erheblich umgelenkt

Der Faserverlauf im Stamm beeinflusst wesentlich die Festigkeiten des eingeschnittenen Holzes. Je stärker die Faserabweichungen bezogen auf die Längsachse ist, z. B. infolge von Drehwuchs, desto niedriger ist die Festigkeit in Längsrichtung. Faserabweichungen führen zu Verdrehungen beim Schwinden. Anhand des dargestellten Aufbaus lassen sich drei anatomische Hauptrichtungen des Holzes definieren: längs, quer-radial, quer-tangential

Von diesen drei anatomischen Hauptrichtungen hängen die meisten Holzeigenschaften stark ab, da Holz eine ausgeprägte Anisotropie besitzt. In der weiteren Betrachtung der Eigenschaften wird nicht mehr zwischen der radialen und tangentialen Richtung unterschieden, da der Jahresringverlauf im Schnittholz nicht vorhersehbar ist. Stattdessen wird unterschieden zwischen den Eigenschaften längs und quer zur Holzfaser. Dabei sind die Eigenschaften quer zur Faser Mittelwerte aus den Eigenschaften in radialer und tangentialer Richtung.

1.5 Feuchtetechnische Eigenschaften des Holzes
Aufgrund seiner Struktur ist Holz dazu in der Lage Wasser in zweierlei Form aufzunehmen und zu speichern.

1. hygroskopisch: das Wasser ist in den Zellwänden gebunden
2. kapillar: in den Zellhohlräumen befindet sich freies Wasser Die Feuchtemenge, die gespeichert werden kann, hängt vom Umgebungsklima ab.


Durch die hygroskopische Eigenschaft ist Holz in der Lage, seine Holzfeuchte dem Umgebungsklima anzupassen, d. h. je nach Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit wird dabei Wasser (Feuchte) aufgenommen, oder abgegeben. Dieser Vorgang findet aber nicht unbegrenzt statt, sondern nur so lange, bis sich die Gleichgewichtsfeuchte des Holzes eingestellt hat. Die Gleichgewichtsfeuchte beträgt bei normal beheizten Räumen zwischen 7% und 15%. Bedingt durch die jahreszeitlichen Klimawechsel ist die Holzfeuchte stets gewissen Schwankungen unterworfen.
Im hygroskopischen Bereich beeinflusst die Holzfeuchte alle physikalischen Eigenschaften, insbesondere das Schwinden und Quellen (s. Kapitel 1.6). Freies Wasser tritt in Bauholz nur dann auf, wenn die Fasern der Zellwände gesättigt sind (Fasersättigung) und eine länger anhaltende Feuchtezufuhr, z. B. in Form von Tauwasser, vorliegt. Die Fasersättigung liegt bei den üblicherweise verwendeten Holzarten im Bauwesen bei einer mittleren Holzfeuchte von um = 30-35%. Dabei wird die Holzfeuchte u als prozentuales Massenverhältnis des im Holz vorhandenen Wassers bezogen auf das absolut trockene Holz bestimmt. Die mittlere Holzfeuchte um wird üblicherweise aus mehreren Messungen mit dem elektronischen Holzfeuchtemessgerät ermittelt.
Um Mängel und Schäden an Holzbauteilen zu vermeiden, sollten diese mit der zu erwartenden Gleichgewichtsfeuchte eingebaut werden. In der Praxis hat sich eine Einbaufeuchte von (15±3)% bewährt.
Eine Einbaufeuchte von 12-18% ist für den Blockbau notwendig, da beim Einbau von ungenügend vorgetrocknetem Holz mit Schwindverformungen und Rissen zu rechnen ist. Diese Einbaufeuchte von 12-18% kann im Regelfall nur von den industriellgefertigten Vierkantbohlen eingehalten werden, bei industriell gefertigten Rundbohlen wird meist eine Einbaufeuchte von ca. 20% erreicht. Das Naturstammhaus bildet in dieser Einteilung die große Ausnahme, da die Stämme meist nicht auf Feuchten unter 30% getrocknet werden können. Dies ist ein
technisches Problem, da die Stämme meist nicht in Trockenkammern getrocknet werden, sondern nur luftgetrocknet. Dies kommt zu einem daher, dass die kleinen Naturstammhaushersteller keine Trockenkammer haben, aber auch daher, dass die Stämme nicht in die Trockenkammer passen.
Der Holzfeuchtegehalt wird in der DIN 1052 in der Einteilung in die verschiedenen Nutzungsklassen (NKL) berücksichtigt. Das System der Nutzungsklassen ist hauptsächlich zur Zuordnung von Festigkeitseigenschaften und zur Berechnung von Verformungen unter festgelegten Umweltbedingungen notwendig. Dabei unterscheidet am die folgenden drei Nutzungsklassen.

NKL1: Sie ist gekennzeichnet durch einen Feuchtegehalt in den Holzbaustoffen, der einer Temperatur von 20°C und einer relativen Luftfeuchte der umgebenden Luftfeuchte der umgebenden Luft entspricht, die nur einige Wochen pro Jahr einen Wert von 65% übersteigt.

NKL 2: Sie ist gekennzeichnet durch einen Feuchtegehalt in den Holzbaustoffen, der einer Temperatur von 20°C und einer relativen Luftfeuchte der umgebenden Luftfeuchte der umgebenden Luft entspricht, die nur einige Wochen pro Jahr einen Wert von 85% übersteigt.

NKL 3: Sie erfasst Klimabedingungen, die zu höheren Feuchtegehalten führen, als in Nutzungsklasse 2 angegeben.


1.6 Das Quellen und Schwinden - ?Arbeiten" von Holz
Eine Änderung der relativen Luftfeuchte führt zwangsläufig zu einer Veränderung des Feuchtegehalts in den Zellwänden des Holzes und damit zu Quell- und Schwinderscheinungen. Das führt dazu, dass der gesamte Holzkörper seine Dimensionen ändert: Das Holz ?arbeitet". Wasseraufnahme und Holzfeuchteerhöhung führen zur Quellung. Wasserabgabe und Holzfeuchteverringerung (Trocknung) führen zum Schwinden. Weil sich die Luftfeuchte witterungsbedingt oder im Inneren eines Hauses auch nutzungsbedingt permanent ändert, arbeitet Holz also ohne unterlass, wobei nach Erreichen der Ausgleichsfeuchte die Maßänderungen jedoch meist gering sind.
Dieser Prozess läuft aufgrund der Inhomogenität des Holzes in den drei Hauptrichtungen unterschiedlich ab. Außerdem hat er eine erhebliche Verformung und innere Spannung zur Folge.

Diese Eigenspannungen führen oft zu den s. g. Schwindrissen, die als natürliche Ursache für die Bildung eine ungleichmäßige Verteilung der Holzfeuchte im Holzquerschnitt und unterschiedliche Schwindmaße in radialer und tangentialer Richtung haben.
Meist fördert auch eine zu schnell und ungleichmäßige Holzfeuchtereduzierung beim Trocknen die Rissbildung.
Dabei hat man in der Forstwirtschaft zur Wahl und zum Schlagen der Bäume neue aber auch alte Erkenntnisse erforscht.
Grundsätzlich gilt, dass man die Bäume im Winter schlägt. Wobei mit Winter nicht der Kalenderwinter gemeint ist, sondern der biologische Winter des Baumes, d. h. der Saftstrom im Baum wird eingestellt. Dies ist in der Regel in der letzten Augustwoche der Fall. Der Saftstrom des Baumes beginnt wieder Ende Januar bis Februar. Der biologische Winter des Baumes ist auch von der Region, in der er steht abhängig, deswegen sollte man sich auf die Monate November bis Januar beschränken. Ein wintergeschlagener Baum hat eine Holzfeuchte von ca. 45%. Ein weiterer Punkt Schwindrisse zu vermeiden, ist die Beachtung der Mondphasen. Dieses Phänomen gewann erst in den letzten Jahren wieder an Bedeutung. Nachgewiesen wurde dieses Phänomen vom Freiburger Institut für Forstbenutzung und forstliche Arbeitswissenschaft. Weitere Punkte, die helfen Schwindrisse zu vermeiden, sind die Wahl eines ruhig gewachsenen Baumes auf dem für ihn idealen Boden. So weisen z. B. Fichten die als Monokulturen angebaut wurden schlechtere
statische Eigenschaften auf und haben längst keine so ausgeprägte Resistenz gegen Schädlinge und Pilze, wie natürlich gewachsene Fichten. Des weitern spielt das Trocknen des Holzes eine Rolle. Das langsame Austrocknen der Bäume an der Luft dauert zwar länger als die Kammertrocknung, doch kann das Holz später besser mit Luftfeuchtigkeitsänderungen umgehen.
Die Schwindmaße radial und tangential zu den Jahresringen sind erheblich unterschiedlich und sind ein Hauptgrund der Rissbildung. So ist das Schwindmaß bei Nadelholz in tangentialer Richtung mehr als doppelt so groß wie das Schwindmaß in radialer Richtung. In der DIN 1052 wird ein mittleres Schwindmaß für die radiale und tangentiale Richtung von 0,24 je 1% Änderung der Holzfeuchte unterhalb des Fasersättigungsbereiches angegeben. In Faserrichtung schwindet das Holz praktisch nicht.
Im Blockbau darf das Schwinden unter keinen Umständen vernachlässigt werden, da stehende (z. B: Fenster- und Türrahmen, Stützen) und liegende Bauteile aufeinander treffen. Eine Naturstammwand schwindet z. B. auf einen Meter Höhe ca. 8-15 cm. Dabei sei angemerkt, dass Kernholz geringer quillt und somit auch schwindet als Splintholz, d. h. das Schwinden ist auch abhängig von der verwendeten Holzart. Somit sind die unterschiedliche Schwindmaße im Blockbau im Detail separat für jeden Bau konstruktiv zu lösen.

1.6.1 Setzungen
Eine der bedeutensten Eigenschaften des Blockhauses ist seine Setzeigenschaft. Unter dem Oberbegriff Setzung werden die einzelnen Ursachen für diese Eigenschaft beschrieben. Die horizontale Balkenlage wird mit der zunehmenden last komprimiert. Ein frisch montiertes Blockhaus sackt zunächst durch Kompression zusammen. Im späteren Verlauf trocknet das Holz, dadurch schrumpft das Profil noch einmal. Das Ausmaß der gesamten Setzung eines Blockhauses wird im Einzelnen noch durch weitere Faktoren beeinflusst. Hier spielen die Ausführung der Profilauflager, die Holzart und die Montageart eine gewichtige Rolle.