Autor: Roman Novak,
BSc
Betreuung: O. Univ. Prof. Dr. Florineth
Universität für Bodenkultur Wien
November
2014
Forschungsfrage
Woran
versagt der hohle Baumstamm bei Biegebelastung als erstes? Wird das
Primärversagen eines hohlen Baumstammes durch eine messbare
Faserstauchung an der Druckseite der Randfaser verursacht?
Ausgangslage
In der bestehenden Literatur und
in der Praxis existieren mehrere Theorien bezüglich der Ursachen
eines Stammbruches. Viele Symptome sind mit freiem Auge nicht
sichtbar und können nur gemessen werden. Wichtig und entscheidend
für den Baumbruch ist das erste feststellbare Versagen. Nach
MATTHECK (2006) versagt ein Baumstamm mit dünner Restwand an einem
Strukturversagen, dem Schalenbeulen. Ein Stamm, der mehr Restwand
aufweist, versagt hingegen nach MATTHECK (2006) bzw. MATTHECK et
al. (2006) durch einen Schubriss, der durch eine zunehmende
Ovalisierung versursacht wird. Demgegenüber versagt nach WESSOLLY
und ERB (1998) sowie DETTER et al. (2013) ein vollholziger, sowie
ein hohler Baumstamm durch Faserstauchen an der windabgewandten
Druckseite des Baumes.
Methode
In einem Zugversuch wird durch einen Greifzug, über ein Seil Kraft
in einen Baum eingeleitet. Die dabei entstehende Stammbiegung wird
von zwei Inclinometern gemessen, während die Faserstauchung an der
Randfaser der Druckseite von vier Elastometern in jeweils 50cm
Abständen ermittelt wird. (DETTER et al., 2014)
Theoretische
Grundlage
Durch den Greifzug wird Kraft (F), gemessen
in kN, in einen Baum eingeleitet und ein Biegemoment (M)
verursacht, dem das Widerstandsmoment (W) entgegenwirkt. Dabei
nimmt sowohl die Biegung des Stammes, als auch die Faserstauchung
druckseitig zu. Die Scherkraft, wie auch Kräfte, die den Baumstamm
ovalisieren, nehmen zu. In einem Kraft-Biegungsdiagramm wird die
Stammbiegung und in einem Kraft-Dehungsdiagramm die Faserstauchung
dargestellt. Solange die Spannung (σ) und die Dehnung (ε)
proportional sind folgen die Graphen einer idealisierten Gerade
nach dem HOOKE´schen Gesetz. Sobald eine bleibende Verformung
eintritt, ist die Elastizitätsgrenze erreicht und der Werkstoff hat
versagt. Der Graph beginnt sich zu krümmen und das Primärversagen
ist eingetreten. Im Kraft-Neigungsdiagramm erkennen wir, ob ein
Primärversagen eingetreten ist und falls, bei welcher
Lasteinwirkung. Durch das Kraft-Dehungsdiagramm kann überprüft
werden, ob es zu einem kritischen Faserstauchen gekommen ist und ob
dieses eventuell mit der Last des Primärversagens bei der
Stammbiegung übereinstimmt. Auftretende Risse können anhand von
Sprüngen in der Datenreihe erkannt werden. Ovalisierungen führen zu
einer Krümmung des Graphen, da das Widerstandsmoment verändert
wird.
Ergebnisse
In
drei Versuchsreihen konnte bei 18 von 21 Kanadischen Holz-Pappeln
(Populus x canadensis) ein Primärversagen im Stamm erreicht werden.
Genau bei diesen 18 Bäumen konnte auch ein Versagen im Bereich der
Faserstauchung an den Randfasern der Druckseite gemessen werden.
Die Kurvenverläufe im Kraft- Biegungsdiagramm der Stammbiegung und
der Faserstauchung korrelierten immer. Somit kann davon ausgegangen
werden, dass bei den 18 untersuchten Kanadischen Holz-Pappeln
(Populus x canadensis) das Primärversagen bei Biegebeanspruchung,
Faserstauchen im Stamm war. Diese Erkenntnis wurde durch zwei
weitere Bäume anderer Baumart der Versuchsreihe 22-24 bestätigt.
Damit wurde bei insgesamt 20 Bäumen das Primärversagen der
Stammbiegung zur selben Zeit, bei der selben Last wie das
Primärversagen der Faserstauchung gemessen.
Die Ergebnisse der Messdaten entsprechen der Theorie, dass das
Primärversagen im Baumstamm, auch bei hohlen Baumstämmen, durch
Faserstauchung im Druckbereich verursacht wird (WESSOLLY, ERB,
1998) (DETTER, RUST, 2013) (SINN, 2003). Die Ergebnisse
widersprechen der Theorie, dass ein hohler Baumstamm durch einen
Schubriss nach MATTHECK et al. (2006 b) oder einen
Tangentialschubriss nach DENGLER (2014) versagt. Dennoch konnten
einige der von MATTHECK (2006 a) bzw. MATTHECK et al. (2006 b) oder
DENGLER (2014) beschriebenen Symptome beobachtet werden, denn bei
fünf Bäumen traten Sekundärversagen in Form von Rissen im Stamm
auf.
Dieses Forschungsprojekt wurde von SV Prosenz ins Leben gerufen. Die Baumuntersuchungen 2012 und 2013 wurden gemeinsam mit den Österreichischen Bundesforsten realisiert. Die Baumuntersuchungen 2014, die Auswertung aller Bäume und Erstellung der Arbeit erfolgte durch Roman Novak.
Falls sie detaillierteres Interesse haben, lassen wir Ihnen gerne die komplette Masterarbeit, Rohdaten, Film- und Bildmaterial zukommen. Für weitere Fragen, stehen wir Ihnen gerne unter office@svprosenz.at zur Verfügung.