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Delignified and densified wood - A versatile concept for new high-performance wood-based materials

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[Quelle: https://www.research-collection.ethz.ch]

Die Natur kreiert vielfältige biologische Materialien aus einer begrenzten Anzahl von Elementen. Bäume entwickelten zum Beispiel eine komplexe Holzstruktur, die für lebensnotwendige Funktionen wie Wassertransport und mechanische Unterstützung in einem evolutionären Prozess optimiert wurde. Holz ist somit ein leichtes, poröses Material mit hohen spezifischen mechanischen Eigenschaften und daher ein sehr attraktives Material. In den letzten Jahren hat die Forschung nach neuen Materialkonzepten auf Holzbasis auf Grund der kompetitiven Vorteile der hierarchischen Struktur und der Nachhaltigkeit des Materials stark zugenommen. Insbesondere das Interesse an Werkstoffen basierend auf der strukturerhaltenden Delignifizierung von Holz ist wesentlich gewachsen. Diese zielt darauf ab, Matrixkomponenten herauszulösen, dabei aber die Anordnung der Zellen und die hierarchische Architektur von Holz, die dem Werkstoff seine hohe Steifigkeit und Festigkeit geben, beizubehalten. Die erhaltenen Zellulosegerüste besitzen einen durchgehend offenen Pfad bestehend aus Lumen und Tüpfeln. Gleichzeitig erhöht sich die Zellwandporosität im nassen Zustand im Vergleich zu nativen Zellwänden. Dies erleichtert die Funktionalisierung und kann zur Entwicklung neuer funktioneller Zellulosematerialien führen. Zusätzlich können die Zellulosegerüste im nassen Zustand deformiert und verdichtet werden, um den Faservolumenanteil und damit die mechanischen Eigenschaften zu erhöhen. Diese Eigenschaften ebneten den Weg für verdichtete Zellulosematerialien und deren Optimierung, inklusive einstellbarer Faserausrichtung und mechanischen sowie funktionellen Gradienten, die in dieser Doktorarbeit im Detail entwickelt und diskutiert werden. Das Hauptziel dieser Arbeit ist, das Holz-inhhärente Zellulosegerüst durch strukturerhaltende Delignifizierung zu nutzen und die erhaltenen Gerüste als Strukturmaterial einzusetzen. Im ersten Teil der Thesis wird eine Strategie zur Delignifizierung und Verdichtung von Holz präsentiert und der Einfluss von Parametern wie Feuchtigkeit des Zellulosegerüsts und Verdichtungskräften auf die mechanische Leistung des Endmaterials untersucht. Aufgrund der starken Faser-Faser- Verbindung weisen stark verdichtete matrixfreie Zellulosegerüste im Vergleich zu Holz und auch vergleichbaren naturfaserverstärkten Verbundwerkstoffen sehr hohe Zugeigenschaften auf. Zudem wird die im nassen Zustand gegebene Formbarkeit der Gerüste untersucht, die die Herstellung geformter Bauteile, und somit ein Optimieren für äußere Belastungsbedingungen, ermöglicht. Im nassen Zustand quillt Wasser die Zellwände auf und eine Wasserschicht zwischen benachbarten Zellen wird gebildet. Diese ermöglicht, Scherverformungen und Faserausrichtungen vorzunehmen, um somit Spannungskonzentrationen zu verringern. Die Festigkeit wird durch das Trocknen in einem reversible Prozess wieder hergestellt. Um die mechanischen Eigenschaften weiter zu optimieren, werden mechanische Gradienten in das Material integriert. Diese Gradienten werden durch lokales Justieren der Materialdichte erreicht und durch Stapeln oder lokales Verdichten von delignifizierten Holzschichten hergestellt. Eine Kombination von funktionalen und mechanischen Gradienten wird durch asymmetrisches Stapeln von magnetisch funktionalisiertem delignifiziertem Holz in eine Treppenform gefolgt von Verdichten exemplarisch aufgezeigt. Ein effizientes und skalierbares Formen und Verdichten von delignifiziertem Holz wurde durch die neu entwickelte Vakuumformtechnik erreicht. Hierbei werden feuchte delignifizierte Furniere auf eine poröse Form aufgelegt und durch Vakuum in einem Vakuumsack verdichtet. Die Verwendung eines wasserbasierten Klebstoffes (Stärke) zwischen delignifizierten Furnieren ermöglicht die Herstellung von Verbundteilen auf Basis biologischer Komponenten. Zellulose-Stärke-Komposite sind recycelbar und können in Wasser am Ende der Lebensdauer einfach zersetzt werden. Die Hydrophilie des Komposits führt jedoch auch zu einer verminderten mechanischen Leistung im feuchten Zustand und macht daher Beschichtungen oder eine Polymerinfiltration erforderlich. Um dies zu berücksichtigen, wurden Holz-Polymer-Verbundstoffe durch Infiltration von Epoxid in delignifiziertes Holz und anschließende Verdichtung hergestellt. Die Infiltration der hydrophoben Matrix in das hydrophile Zellulosegerüst wurde in einem vakuumbasierten Ansatz durchgeführt, und die isostatische Verdichtung von infiltrierten Gerüsten in geschlossenen Formen erhöhte die mechanische Belastbarkeit des Verbundteils weiter, indem der Faservolumengehalt auf bis zu 80% erhöht wurde. Es wurde festgestellt, dass die Zugsteifigkeitswerte von Verbundwerkstoffen mit hohem Faservolumengehalt die nach dem einfachen Konzept der “rule of mixtures” berechneten Werte übersteigen. Dies legt nahe, dass komplexere Phänomene, die ein verstärktes mechanisches Verzahnen benachbarter Fasern mit zunehmendem Faservolumengehalt umfassen, zu der hohen Steifigkeit der Komposite beitragen.

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Bücher, Broschüren

Erwin Thoma
Holzwunder
Die Rückkehr der Bäume in unser Leben. Mit Holz-Mond-Kalender für die Jahre 2016-2026
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2022, 240 S., Mit Erwin Thomas Holz-Mond-Kalender für die Jahre 2022-2032; durchgehend farbig i, Hardcover
Servus

 

 

Wussten Sie, dass die Inhaltsstoffe des Holzes von jedem persönlich als Schutz gegen Zivilisationskrankheiten eingesetzt werden können und ausgerechnet die Baukunst der Ameisen das Modell für Passivhäuser ohne Dämmstoff und Haustechnik liefert? Oder warum der Specht im Wald den Weg für die Energie der Zukunft zeigt? Die Natur steckt voller Überraschungen und ist der beste Lehrmeister zugleich. In dem Buch wird das gewachsene Wissen mit neuesten Forschungsergebnissen und Anwendungsbeispielen kombiniert. Lassen wir die Bäume wieder Teil unseres Lebens sein, um von ihren Kräften zu profitieren. Jeder Mensch, der Bäume liebt, findet mit dem Buch einen verlässlichen Wegweiser und praktischen Ideengeber für sein ganzes Leben.

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Tagungsband: Sachverstand am Bau - Immobilienbewertung - Holzschutz 2021
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Rudi Wagenführ, Andre Wagenführ
Holzatlas
7., Aufl.
2021, 928 S., Komplett in Farbe. 28 cm, Hardcover
Hanser Fachbuchverlag

 

 

Holz ist ein vielfältig nutzbarer Roh-, Bau- und Werkstoff mit den unterschiedlichsten Merkmalen und zahlreichen Verwendungszwecken. Im Holzatlas werden 264 wichtige Nutz- und Handelshölzer ausführlich beschrieben und mit zahlreichen farbigen Texturabbildungen sowie mikroskopischen Strukturbildern (Querschnitt, Tangentialschnitt und Radialschnitt) vorgestellt. Die Holzarten sind alphabetisch nach den in Deutschland gebräuchlichen Handelsnamen geordnet. Zu jeder Holzart sind international verwendete Handelsnamen und wissenschaftliche Namen, Vorkommen, allgemeine Merkmale zu Baum, Stamm und Holz, spezielle Strukturmerkmale im makroskopischen und mikroskopischen Bereich und wichtige physikalische, mechanische und chemische Eigenschaften angegeben. Hinweise zur Bearbeitung, Dauerhaftigkeit und Verwendung sowie zu Holzfehlern, Holzschädlingen, zum Handel und zu ähnlichen Holzarten runden die Erläuterungen ab. Die Neuauflage wurde vollständig neugestaltet und um folgende Punkte inhaltlich erweitert: internationaler Code nach EN 13556, Dauerhaftigkeit nach EN 350, Cites-Schutzcode infolge der EU-Holzhandelsverordnung.

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Tagungsband des EIPOS-Sachverständigentages Holzschutz 2019
Beiträge aus Praxis, Forschung und Weiterbildung
Band zur Tagung am 13.12.2019.
2020, 154 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
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Holz ist aktuell der Bau- und Werkstoff, dem das größte Potenzial für zukunftsorientiertes Bauen zugeschrieben wird, der aber auch Forschung und Baupraxis vor neue Herausforderungen stellt. Auf dem 23. EIPOS-Sachverständigentag Holzschutz diskutierten Experten aktuelle Fragestellungen und stellten neueste Erkenntnisse vor, die in diesem Band zusammengefasst werden. Die Holzforschung AUSTRIA präsentiert in ihrem Beitrag ein Konzept zur gewerkeübergreifenden Optimierung der Schnittstellen bei der Implementierung von TGA im mehrgeschossigen Holzbau. Breiten Raum nimmt das Thema Holzschäden durch Schimmel, Pilze und Insekten ein. Anhand praktischer Beispiele werden Ursachenfindung und erfolgreiche Sanierungsverfahren erläutert. Ebenso wird der Frage nachgegangen, wie eine biologische Schädlingsbekämpfung durch den Einsatz natürlicher Feinde wie den Buntkäfer gelingen kann. Dazu werden die Neuerungen der überarbeiteten Holzschutznorm DIN 68800-4 zum Thema Bekämpfungs- und Sanierungsmaßnahmen gegen Holz zerstörende Pilze und Insekten erklärt. Abgerundet wird der Band mit der Vorstellung aktueller Forschungsergebnisse aus dem Holzverbundbau und ihrer praktischen Umsetzung sowie des derzeitigen Diskussionsstands zum Brandschutz im Holzbau.

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Tagungsband des EIPOS-Sachverständigentages Holzschutz 2018
Beiträge aus Praxis, Forschung und Weiterbildung.
2018, 106 S., 60 Abb. u. 4 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Auf dem 22. EIPOS-Sachverständigentag Holzschutz diskutieren Experten der Holzbranche aus Lehre und Praxis über Herausforderungen, neueste Erkenntnisse und Visionen für künftige Entwicklungen des Bau- und Werkstoffs Holz. Die Themen, die in dem Tagungsband zusammengefasst sind, reichen vom Fehlerpotenzial im Sockelbereich von Holzbauten und Fachwerkschäden über tragwerks- und brandschutztechnische Lösungen bei mehrgeschossigen Holzsystembauten und Fragen zur Holzfeuchteproblematik bis hin zur Planung von Flachdächern in Holzbauweise. Die Beiträge zeigen auf, wo Fehlerquellen liegen und wo Schäden an Holzbauten entstehen können. Anhand von Fallbeispielen werden Instandsetzungsmöglichkeiten und praxistaugliche Lösungsmöglichkeiten erläutert, um Schäden zu vermeiden. Darüber hinaus werden zwei überarbeitete WTA-Merkblätter zur Fachwerkinstandsetzung vorgestellt, die die energetische Verbesserung von Fachwerk-Außenwänden thematisieren.

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Forschungsberichte

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Holger Militz, Philipp Sauerbier
FiRetWood - Entwicklung innovativer Brandschutzmittel unter Verwendung von Textilvernetzungschemikalien für Bauprodukte aus Holz für den Außenbereich
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3229
2021, 47 S., 48 Abb. u. 2 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Brandverhalten von Holz erfordert vorbeugende Schutzmaßnahmen in der Bauanwendung. Derzeitig verfügbare Flammschutzsysteme basieren teils auf gesundheitlich bedenklichen Stoffen und sind nicht resistent gegenüber Witterungseinflüssen, sodass es bei Außenanwendung zu Auswaschungen kommt. Dies stellt gesundheitliche Risiken dar, als auch eine Einschränkung für einen permanenten Flammschutz im Außenbereich, was Forschungsbedarf aufwirft. Ziel des Forschungsvorhabens war es, durch in der Textilindustrie bereits etablierte Produkte das Brandverhalten von Holz in einer baulichen Anwendung im Außenbereich zu verbessern. Der Fragestellung der gesundheitlichen Risiken wurde mit Chemikalien begegnet, die frei von Halogenen und Boraten sind. Eine Auswaschung sollte durch Vernetzung der Chemikalien mit dem Holz erreicht werden, sodass eine Anwendung im Außenbereich ermöglicht wird.

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Martin Danzer, Philipp Dietsch, Stefan Winter
Verhalten verstärkter Brettschichtholzbauteile unter Schwindbeanspruchung
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3212
2020, 117 S., 42 Abb. u. 19 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Material Holz reagiert bei einer Änderung der Materialfeuchte in Form von Quell- bzw. Schwinderscheinungen. Dem tragfähigkeitssteigernden Effekt von Verstärkungselementen in Holzbauteilen steht die Eigenschaft einer Behinderung des freien Schwindens des Holzes bei Feuchteänderungen gegenüber. Inwieweit infolge dieses Sperreffekts Risse induziert werden und welche Auswirkungen sich daraus auf die Tragfähigkeit ergeben, ist bisher ungeklärt. Daher wurden in diesem Forschungsprojekt Untersuchungen zum Schwindverhalten von verstärkten Brettschichtholzbauteilen durchgeführt. Als Verstärkungselemente kamen eingedrehte, innenliegende sowie aufgeklebte, außenliegende Verstärkungen zum Einsatz. Zur Klärung obiger Fragestellung wurde der Sperreffekt typischer Anwendungsfälle von Verstärkungen in 3 Bauteil-gruppen in Form experimenteller sowie numerischer Untersuchungen quantifiziert.

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H.J. Blaß
Herauswandern von Nagelplatten aus dem Holz - Identifizierung wesentlicher Einflussparameter
Abschlussbericht.
Bauforschung, Band T 3379
2020, 12 S., 4 Abb. u. 1 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

In den letzten Jahren wurden zunehmend Schadensfälle in Dachkonstruktionen mit Nagelplattenbindern beobachtet, die auch durch das Herauswandern von Nagelplatten aus dem Holz verursacht wurden. Bereits ein Herauswandern von 1 mm kann zu signifikanten Reduzierungen der Tragfähigkeit von Nagelplattenverbindungen führen. Deshalb wurden im Forschungsprojekt besonders gefährdete Dachkonstruktionen mit Nagelplatten untersucht. Dazu wurden mögliche Parameter und ihre Kombinationen identifiziert und ihr Einfluss auf das Herauswandern von Nagelplatten abgeschätzt. Zusätzlich wurden Empfehlungen abgeleitet, wie bei der Errichtung von baulichen Anlagen mit Dachkonstruktionen in Nagelplattenbauweise im Hinblick auf Mindestanforderungen an Nagellänge oder Nagelform vorgegangen werden sollte.

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Jürgen Graf, Stefan Krötsch, Viktor Poteschkin, Wenchang Shi
Potentiale der Verwendung von Brettsperrholz-Produktionsabfällen zur Herstellung von Bauteilen im Holzbau - Recycling von Brettsperrholz-Produktionsabfällen
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3204
2020, 83 S., 104 Abb., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Bei der Herstellung von Bauelementen aus Brettsperrholz (BSP) fallen produktionsbedingt große Mengen an Resten an. Zum Teil handelt es sich um Randabschnitte aus der Plattenproduktion, die durch Besäumung der Brettsperrholztafeln entstehen. Diese werden von den Holzplattenherstellern für den Transport als Kanthölzer und Abstandshalter verwendet. Die beim Zuschnitt der Bauelemente entstehenden großformatigen Tür- und Fensterausschnitte finden dagegen oft keine stoffliche Weiterverwendung. Genau diese Restplatten sind für das Recycling von Brettsperrholz-Produktionsabfällen in diesem Forschungsvorhaben von besonderem Interesse. Um die Reste optimal zu nutzen, wurde ein Script geschrieben, das für die gewünschten Decken- und Wandabmessungen die Anzahl und die notwendige Geometrie der einzelnen Elemente anhand von zur Verfügung stehenden BSP-Restholzplatten berechnet.

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Christoph Gengnagel, Alexander Pfriem, Jan Friedrich, Tom Brodhagen
Entwicklung von Fassadenelementen mit pyrolysierter Oberfläche mit verbesserten Brandschutzeigenschaften - PyroForCE 2.0
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3196
2020, 184 S., 114 Abb. u. 6 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Holz findet seit Jahrhunderten Anwendung als nachhaltiges Material für Fassadenbekleidungen. Die Zuordnung zu normalentflammbaren Baustoff lässt die Verwendung von Holz als Fassadenmaterial jedoch nur für Gebäude bis einschließlich Gebäudeklasse 3 zu. Mit der Oberflächenpyrolyse wird ein Verfahren aufgezeigt, den Feuerwiderstand von Fassadenhölzern ohne weitere chemische Behandlung soweit zu erhöhen, dass eine Klassifizierung als schwerentflammbarer Baustoff möglich wird. Zur Untersuchung der Pyrolyseschicht wurde eine autarke Pyrolyseanlage auf der Basis eines Bandbrenners zur Direktbeflammung entwickelt, in der die Stärke der Schicht analysiert werden konnte. Unter Berücksichtigung unterschiedlicher Prüfverfahren und Normierungen wurde so der Feuerwiederstand gezielt erhöht.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Esquivie, Francois
Raumfolgen aus Holz und Lehm. Primarschule in Riaz FR, FAZ architectes. werk-material 772
Werk Bauen + Wohnen, 2021

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Gunßer, Christoph
Gesundholzbau. Der Baustoff Holz erobert immer neue Bauaufgaben. Inzwischen werden damit selbst mehrgeschossige Gesundheitsbauten realisiert. Besuch in einem Pionierbau im Nordschwarzwald (kostenlos)
DAB Deutsches Architektenblatt. Baden-Württemberg, 2021

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Blumenröder, Silke
Wie nachhaltig ist Bauen mit Holz wirklich? (kostenlos)
Bundesbaublatt, 2021

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Steinfurth, Angela
Holzbesiedelnde Pilze - ein Überblick
Bausubstanz, 2020

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Steitz, Andrea
Testen, testen, testen ... PCR-Tests waren an der Holzforschung Austria schon lange vor Corona Standard (kostenlos)
Holzforschung Austria, 2020

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Highlights aus dem Programm 2022