Rohstoff Holz

Um die Festigkeitseigenschaften von Holz und somit seinen Einsatz als Bauprodukt beurteilen zu können, muss man die biologischen, physikalischen und chemischen Zusammenhänge betrachten.

Der Baum als Holzproduzent

Der Baum ist eine mehrjährige, sich verdickende Pflanze, die einen deutlich erkennbaren verholzten Stamm ausbildet, der aus einer Wurzel emporsteigt. Am Stamm befinden sich oberirdisch Äste die wiederum Zweige mit Blättern ausbilden. Der Baum zeichnet sich durch sein Höhen- und Dickenwachstum aus. Das jährliche Höhenwachstum erreicht in einem Baumalter von 25-40 Jahren sein Maximum. Der höchste jemals gemessene Baum, ein Eucalyptus, (Eucalyptus amygdalina), erreichte eine Höhe von ca. 155m. Unsere heimischen Holzarten erreichen lediglich Höhen bis zu 60m. Hat das Höhenwachstum sein Maximum erreicht, wird es zunehmend durch Dickenwachstum ersetzt. Heimische Bäume erreichen im Schnitt einen Brusthöhendurchmesser (BHD) von einem Meter. Der größte Stammdurchmesser wurde bei einer Zypresse (Taxadium mucro-natum) mit 15,5 Metern ermittelt.

Für den Holzbau sind sowohl Höhe als auch Durchmesser bedeutend. Um qualitatives Schnittholz gewinnen zu können, muss der Baum eine geeignete, möglichst fehlerfreie Form, besitzen. Die häufigsten Holzfehler sind: Krummschäftigkeit, Abholzigkeit, Drehwuchs, Astigkeit und Fäule. Holzfehler entstehen durch biotische wie abiotische Einflüsse. So ist zum Beispiel der Standort eines jungen Baumes wesentlich für dessen Entwicklung. Es entstehen Unikate, die sich in ihren anatomischen, chemischen, mechanischen, thermischen, energetischen und  akustischen Eigenschaften unterscheiden können. Aufgrund unterschiedlichster Eigenschaften haben verschiedene Holzarten spezielle Anwendungsbereiche erschlossen. So eignen sich Fichten und Tannen besonders für den konstruktiven Holzbau, Lärche hingegen für Fassaden und Eiche als Parkettboden. Bei der Produktion von Holzwerkstoffen fallen „Abfallstoffe“ wie Sägespäne, Spreißel, Schwarten und Holzstaub (Sägenebenprodukte) an, diese können anschließend zur Erzeugung neuer Produkte verwendet werden. Die Kaskadennutzung ermöglicht eine nahezu komplette Verwertung des Holzes und seiner Inhaltsstoffe.

Anatomie des Holzes – Von der Stammscheibe bis zum Kohlenstoff

Der Baum ist in seinem Aufbau und seiner Struktur sehr vielschichtig. Jeder Gewebezone werden unterschiedliche Aufgaben zuteil, die für das Überleben und die spätere Nutzung des Holzes essentiell sind. Als äußerste Gewebeschicht übernimmt die Rinde, bestehend aus Borke und Bast eine Schutzrolle gegenüber thermischen und mechanischen Beanspruchungen. Der Bast leitet des Weiteren Nährstoffe zu symbiotischen Zwecken stammabwärts. Das Kambium ist die Wachstumszone des Baumes, hier werden neue Zellen gebildet. Durch das Splintholz werden Wasser und Nährstoffe von den Wurzeln stammaufwärts bis zu den Blättern transportiert. Jahrringe setzten sich aus Früh- und Spätholz zusammen. Die verschiedenen Jahrringe entstehen durch die verschiedenen Wachstumsgeschwindigkeiten inner- bzw. außerhalb der Vegetationszeiten. Das Absterben von Zellen im Stamminneren, die Verholzung führt zum sogenannten Kernholz. Kern und Splintholz unterscheiden sich optisch als auch durch unterschiedliche physikalische Strukturen, wie Festigkeit und Dauerhaftigkeit. Sämtliche Merkmale sind beim Kernholz deutlicher ausgeprägter, wodurch es zum optimalen Baustoff wird.

Ein mikroskopischer Blick auf den Werkstoff Holz offenbart einzigartige Strukturen, die deutlich komplexer als die, konventioneller Materialien sind.  Holzfasern bestehen aus Mikro- und Makrofibrillen, die einen festen Verbund bilden. Die Hauptbestandteile der Fibrillen Cellulose, Hemicellulose (Polysaccharide) und Lignin, deren Elemente zu 50% aus Kohlenstoff, zu 45% aus Sauerstoff und zu 4% aus Wasserstoff zusammengesetzt sind. Weitere akzessorische Bestandteile des Holzes sind niedermolekulare Substanzen wie Asche, Mineralien, Harze und Öle.

Der hohe Kohlenstoffbestandteil resultiert aus der Bindung von atmosphärischem CO2 mit Hilfe von Wasser und Sonnenenergie zu Zucker (C6H12O6). Dieser überlebensnotwendige Prozess ist als Photosynthese bekannt. Holz trägt somit zur Bindung von atmosphärischen CO2 bei und ist dementsprechend äußerst klimanützlich und als O2 Lieferant unabdingbar für uns.

Mechanische Eigenschaften von Holz – Von der Festigkeit zur Dauerhaftigkeit

Die mechanischen Eigenschaften von Holz werden durch etliche Parameter beeinflusst. Holz ist inhomogen, durch deutliche Dichteunterschiede resultieren unterschiedliche mechanische Eigenschaften.

Holz ist anisotrop, dass bedeutet unterschiedliches Materialverhalten entlang der drei anatomischen Hauptrichtungen des Holzes (longitudinal-axial-tangential). Die verschiedenen Quell- und Schwindmaße definieren die jeweilige Festigkeit. Dabei ist Holz längs zu Faser 100 mal belastbarer als quer zu Faser.

Hinzu kommt, dass Holz stark hygroskopisch ist, dadurch erfolgt ein ständiger Ausgleich mit der Luft- und Umgebungsfeuchte.

Die physikalische Festigkeit lässt sich vereinfacht mit dem Elastizitätsmodul bestimmen und erklären: Der E-Modul ist das Maß für die Verformungssteifigkeit eines Werkstoffes. Dass heißt, je höher der E-Modul, desto höher die Fähigkeit eines Werkstoffes Druck- bzw. Zugspannungen entgegenzuwirken. Aufgrund der unterschiedlichen anatomischen und mechanischen Eigenschaften verschiedenster Holzarten streut das E-Modul im Bereich der verschiedenen Holzarten stark. Einfacher Baustahl besitzt im Gegensatz zu Holz zwar ein höheres E-Modul und somit bessere Festigkeitseigenschaften, ist aber deutlich schwerer. Holz überzeugt somit in der ausgewogenen Relation von Gewicht und Festigkeit. Holzbauwerke können bei wenig Gewicht extreme Belastungen aushalten und erweisen sich als ebenwürdiger Baustoff.

Die Dauerhaftigkeit von Holz wird maßgeblich durch die holzeigenen Inhaltsstoffe geprägt. Hier übernehmen Zusatzstoffe wie Öl, Harz und Mineralstoffe insektizide und bakterizide Eigenschaften, somit besteht ein natürlicher Schutz ohne Zusatz chemischer Holzschutzmittel.

Holz ist leicht, leistungsfähig und dauerhaft und damit ein idealer Begleiter im Bauwesen.