Nutzungsklassen, Gebrauchsklassen, Dauerhaftigkeit

Bedeutung der Holzfeuchtigkeit und Schutzmaßnahmen

Holz ist hygroskopisch, es nimmt Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft auf. Schwinden und Quellen der Holzbauprodukte sind die Folgen. Die Holzfeuchtigkeit wird als prozentualer Verhältniswert der Masse des im Holz enthaltenen Wassers bezogen auf die Masse des darrtrockenen Holzes definiert. Die relative Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft bestimmt die sich einstellende Holzausgleichsfeuchte.

Gallerie

Die Holzausgleichsfeuchte wird auch Gleichgewichtsfeuchte genannt und bezeichnet nach DIN EN 1995-1-1: Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten – Teil1-1: Allgemeines – Allgemeine Regeln und Regeln für den Hochbau den „Feuchtegehalt, bei dem das Holz Feuchtigkeit an die umgebende Luft weder abgibt noch aufnimmt”. Näherungsweise kann bei einer Lufttemperatur von 20°C die Holzfeuchtigkeit mit 1/5 der relativen Luftfeuchtigkeit im Bereich von 50 bis 80% relativer Luftfeuchtigkeit abgeschätzt werden – also schwankt dann die Holzfeuchtigkeit zwischen 10 und 16%.

Einstufung in Nutzungsklassen aufgrund feuchteabhängiger Festigkeitsänderungen
Holzbauprodukte werden aufgrund feuchteabhängiger Festigkeitsänderungen in Nutzungsklassen (NKL) eingestuft. In DIN EN 1995-1-1 sind drei Nutzungsklassen definiert. NKL 1 gilt für beheizte Innenräume, NKL 2 gilt für überdachte, offene Tragwerke und NKL 3 gilt für frei der Witterung ausgesetzte Bauteile. Grundsätzlich sollten nach DIN EN 1995-1-1 und DIN 68800-2: Holzschutz – Teil 2: Vorbeugende bauliche Maßnahmen im Hochbau die holzfeuchteabhängigen Schwind- und Quellverformungen gezielt eingeschränkt werden, indem die Holzfeuchtigkeiten der Bauprodukte vor dem Einbau den zugeordneten relativen Luftfeuchtigkeiten im fertig gestellten Bauwerk entsprechen. Im Grenzfall der Holzausgleichsfeuchte würde das Holz weder schwinden noch quellen und wäre damit formstabil.

Die Aufnahme von Feuchtigkeit aus der Umgebungsfeuchte erfordert bei Holzbauten neben den Betrachtungen von Schwinden und Quellen auch die Auseinandersetzung mit einem möglichen Pilz- und/oder Insektenbefall. Holz zerstörende Pilze (Braunfäule, Weißfäule und Moderfäule) und Insekten führen zum Traglastverlust und damit zum Ausfall tragender Holzbauteile, was unbedingt durch bauliche Maßnahmen verhindert werden muss. Grundsätzliche bauliche Maßnahmen nach DIN 68800-2 sind in jedem Fall zu beachten.

Nach DIN 68800-1: Holzschutz – Teil 1: Allgemeines werden in Abhängigkeit von der Einbausituation Holzbauteile in Gebrauchsklassen (GK) eingestuft. Vorzusehen ist zusätzlich der Verzicht auf chemische Holzschutzmittel durch das Erreichen der Gebrauchsklasse GK 0 unter Beachtung der besonderen baulichen Maßnahmen nach DIN 68800-2.

Widerstand gegen Holz zerstörende Organismen
Ein Befall durch Holz zerstörende Insekten kann baukonstruktiv durch Bekleidungen (z.B. im Holzrahmenbau), den Einsatz dauerhafter Holzarten (siehe Abb. 3) oder technisch getrockneter Hölzer vermieden werden. Die Verwendung von technisch getrockneten Hölzern gilt grundsätzlich für Bauprodukte des Ingenieurholzbaus.

Grundsätzlich beschreibt die natürliche Dauerhaftigkeit von Holz dessen Widerstandsvermögen gegen einen Angriff durch Holz zerstörende Organismen. Diese Organismen werden eingeordnet in die Gruppen

  • Holz zerstörende Pilze
  • Holz zerstörende Insekten (Hausbock, Nagekäfer)
  • Termiten
  • Holzschädlinge im Meerwasser

Die Klassifizierung erfolgt bei den Holz zerstörenden Pilzen in fünf Klassen von 1 = sehr dauerhaft bis 5 = nicht dauerhaft. Die Dauerhaftigkeit des Holzes hängt maßgeblich von spezifischen Inhaltsstoffen ab, die in der Regel bei der Verkernung im Kernholz eingelagert werden. Die Dauerhaftigkeitsklassen sind dabei nicht als absolute Größen zu betrachten, für die eine Mindest-Standdauer ableitbar wäre, sie sind relative Klassifizierungen, die auf Versuchen beruhen, bei denen die Dauerhaftigkeit des zu prüfenden Holzes mit der Dauerhaftigkeit eines Referenzholzes geringer Dauerhaftigkeit verglichen wird (in der Regel Kiefernsplintholz und Buche). Dabei wird der Masseverlust ermittelt, dem die Hölzer durch die Besiedlung mit Pilzen unterliegen. Die Prüfungen werden sowohl im Labor mit Prüfpilzen als auch als Freilandversuche durchgeführt.

Holzfeuchtigkeit und Pilzbefall
Ein Befall durch Holz zerstörende Pilze korreliert mit der Holzfeuchtigkeit. Nach DIN 68800-2 verursachen Holz zerstörende Pilze „eine Fäulnis und beeinträchtigen die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften des Holzes bis zu seiner völligen Zerstörung”. Dabei gilt: Holzfeuchtigkeiten unterhalb der Fasersättigung genügen für eine Sporenkeimung und den Beginn eines Pilzbefalls nicht, führen jedoch zum Schwinden und Quellen von Holz. Holzfeuchtigkeiten oberhalb der Fasersättigung können dagegen zu einem beginnenden Pilzwachstum und damit zur Holzzerstörung führen, jedoch nicht zum Schwinden und Quellen von Holz. Dabei ist zu beachten, dass nach der Sporenkeimung und einem beginnenden Pilzwachstum bei hohen Feuchtewerten einige Pilzarten auch mit Holzfeuchten ab 20% zurechtkommen.

Die Veränderung im hygroskopischen Verhalten des nativen Werkstoffs Holz im Bereich der Fasersättigung hängt von der Art und Weise der Einlagerung von Wasser im Holz ab. Unterhalb des Fasersättigungsbereichs wird Wasser in den Zellwänden (mit hohem Faseranteil) eingelagert, die sich dadurch aufweiten bzw. zusammenziehen. Dieser Vorgang hängt allein von der das Holz umgebenden relativen Luftfeuchtigkeit ab. Oberhalb des Fasersättigungsbereichs wird Wasser frei in den Zellhohlräumen (Lumen) kapillar aufgenommen. Ein solch freies Wasser ist Voraussetzung für die Sporenkeimung und damit der Bildung von Holz zerstörenden Pilzhyphen. Baulicher Holzschutz bedeutet also, Vermeidung der Fasersättigung und hoher Feuchtewerte über 20% infolge von Wasseranreicherung im Holz.

Holzschutz bei der Witterung ausgesetzten Holzbauteilen
Vor allem bei frei der Witterung ausgesetzten Holzbauteilen (GK3 nach DIN 68800-1) sind zur Gewährleistung der Dauerhaftigkeit umfangreiche Holzschutzmaßnahmen erforderlich. Dies bedeutet, dass Wasser auf horizontalen Holzoberflächen und Hirnholzflächen, Wassereintritt in Knotenverbindungen und wasserspeichernde Verschmutzungen (Laub, Erde, Schmutz) auszuschließen sind. Ebenso ist Wasser in Kapillarfugen, das bei faserparallelen Rissen durch Querzugversagen bei Schwindbeanspruchungen entsteht oder in Knotenverbindungen enthalten sein kann, durch bauliche Maßnahmen zu verhindern.

Niederschlagswasser ist direkt abzuführen und Spritzwasserfreiheit zu gewährleisten. Spritzwasserfreiheit ist definiert als 30 cm Abstand von Hirnholz zum Boden. Soll dieser Abstand bis auf 15 cm reduziert werden, sind Zusatzmaßnahmen notwendig. Das können z.B. breite Gitterroste oder auch breite Kiesschüttungen mit Korngröße ≥ 16/32 sein (DIN 68800-2). Sind diese Anforderungen erfüllt, kann nach DIN 68800-1 das Farbkernholz von Douglasie und Lärche in GK 3.1 und das Farbkernholz von Eiche, Robinie und Edelkastanie in GK 3.2 verbaut werden.

In NKL 1 beträgt die Gleichgewichtsfeuchte meist 12% (entspricht 65% relative Luftfeuchtigkeit bei 20°C), in NKL 2 beträgt sie maximal 20% (entspricht 85% relative Luftfeuchtigkeit bei 20°C). Für die maßgebenden Holzarten für Bauprodukte im Ingenieurholzbau, Fichte, Tanne und Buche, liegt der Fasersättigungsbereich oberhalb 30% Holzfeuchtigkeit. Holzbauteile in NKL 1 und 2, entsprechend GK 0 / GK 1 nach DIN 68800-1, werden durch Holz zerstörende Pilze nicht befallen. Oder umgekehrt betrachtet: Wenn wir Außenbauteile baulich vor direkter Bewitterung schützen, bestimmt nur noch die Umgebungsfeuchte die Holzfeuchte im Bauteil.

Beispiel Holz-Beton-Verbundbrücken (HBV-Brücken)
Untersuchungen von überdachten, offenen Tragwerken (Definition für NKL 2 und GK 2) in unterschiedlichen klimatischen Gebieten haben z.B. für Hamburg gezeigt, dass die Jahres-Durchschnitts-Holzfeuchtigkeit bei ca. 17% liegt. Holz-Beton-Verbundbrücken (HBV-Brücken) sind ein typisches Beispiel für den Einsatz von Holz in NKL 2 bei bewitterten Tragwerken. Bei den beiden 2012 gebauten HBV-Brücken in Schwäbisch Gmünd (siehe Abb. 5) beispielsweise schützt baulich die Stahlbetonplatte, die gleichzeitig als abriebfeste Fahrbahn dient, den darunterliegenden blockverleimten Brettschichtholzträger vor direkter Bewitterung. Der Brettschichtholzträger ist in NKL 2 einzustufen, ist unbehandelt, dunkelt nach und vergraut nicht, weil die Holzoberfläche nicht bewittert wird – es entsteht ein „Stadtmöbel“, welches holzbautypisch in diesem Zustand erhalten über Jahrhunderte Bestand haben wird.

Grundlegendes zum Ingenieurholzbau
Zusammenfassend lässt sich für Ingenieurholzbauten feststellen, dass ungünstige Laststellungen sowie Feuchteeinwirkungen, die zu Holzfeuchtigkeiten von >20% führen, zu vermeiden sind. Bauliche Holzschutzmaßnahmen sind zu berücksichtigen. Bei direkt bewitterten Bauteilen muss das Wasser schnell abfließen, müssen Hirnholzflächen abgedeckt sein und der Holzquerschnitt aus Kernhölzern bestehen und austrocknen können. Außerdem sind statisch geplante Querzugbeanspruchungen gänzlich auszuschließen. Verformungen aus Schwinden und Quellen sowie Rissbildungen infolge innerer Spannungen aus Holzfeuchteänderungen sind bei der Konstruktion von Bauteilen und Bauteilverbindungen zu berücksichtigen bzw. einzuschränken. Tragwerke sind torsionsfrei auszuführen, das anisotrope Materialverhalten muss in der Konstruktion und der Bemessung von Holztragwerken berücksichtigt werden.

Autoren: Jürgen Graf, Reiner Klopfer

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