Masterarbeit: Überprüfung des Stammversagens hohler Baumstämme anhand von Versuchen und Messungen im Bereich der Stammbiegung und Faserstauchung

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 DI Roman Novak.

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