Hannus Bootswerft – Holz als Bootsbaumaterial (1): Grundlagen

Von Hannu Vartiala. Original: „Wood as Boatbuilding Material“, bestehend aus mehreren Unterkapiteln, die alle am 18. Oktober 2005 erschienen sind.

Vorwort (Preface)

Die Einstellung gegenüber Holzbooten ist oft eine fast abergläubische. Als ob das Verhalten und der Gebrauch von Holzbooten eine Art Magie wäre, die nur von den Auserwählten ausgeübt werden kann.

So ist es nicht! Ein hölzernes Boot beruht auf Biologie, Chemie und Physik, genauso wie alles andere in der Natur.

Selbst die Schönheit eines hölzernen Bootes ist kaum magisch. Menschliche Wesen sind daran gewöhnt, von der Natur geschaffene Kurven als „schön“ zu sehen. Holz biegt sich auf natürliche Weise. Kurven eines Holzbootes kommen hauptsächlich von der Art, wie Holz sich natürlich biegt, deshalb sind jene Kurven schön.

Andere Arten von Booten erhalten ihre Form von Linien, die von Konstrukteuren gezeichnet wurden. Es ist ziemlich leicht, häßliche Linien zu zeichnen.

Natürlich kann es Häßlichkeit auch bei einem hölzernen Boot geben, aber für gewöhnlich ist es die schreckliche, unproportionierte Kabine, nicht der Rumpf selbst.

Das Verständnis von ein paar grundlegenden Tatsachen zu erfassen, eröffnet das Verständnis von Holzbooten. Bevor diese Fakten klar sind, ist es nicht wert, mit dem Bau eines einzigen hölzernen Bootes zu beginnen.

Schauen wir also…

Was ist ein „hölzernes Boot“? (What is a „wooden boat“?)

Seit ich anfing, “Sperrholzkisten“ zu bauen und mit Epoxy herumzukleckern, sind mir ab und zu Fragen gestellt worden wie „ist ein Sperrholzboot ein Holzboot?“ Oder „ist ein Holzboot immer noch ein Holzboot, wenn es mit Epoxy beschichtet worden ist?“

Fangen wir mit der universalen Antwort auf alle Fragen wie diese an, um zu wissen, worüber wir in den nächsten Abschnitten sprechen.

Pflanzen in der Natur werden systematisch klassifiziert. Bäume sind Pflanzen, daher ist es nicht weit hergeholt, auch hölzerne Boote systematisch zu klassifizieren 😉

Hier ist also „die vollständige systematische Klassifizierung hölzerner Boote“ (wird ergänzt, falls nötig):

1. Holzboot

1.1 Echtes Holzboot

Bei einem echten Holzboot bestehen alle Teile aus natürlichem Holz, und alle Teile sind aneinander mit mechanischen Befestigungsmitteln befestigt (Dübel, Nägel, Schrauben, Binden, Laschings etc.).

1.1.1 Natürliches echtes Holzboot

Jedes separate Stück Holz stammt von einem Teil eines Baumes. Möglicherweise gebogen. Möglicherweise von Natur aus krumm gewachsen.

Wenn man ein natürliches echtes Holzboot zerlegt (die mechanischen Befestigungsmittel entfernt), erhält man einen Haufen von Holzteilen, von denen jeder ein Teil eines lebenden Baumes gewesen ist.

Zum Beispiel ein Einbaum, ein Floß aus Baumstämmen, ein Wikingerschiff, fast jedes Boot vor dem 20. Jahrhundert.

1.1.2 Naturähnliches echtes Holzboot

Separate Holzteile können aus mehreren Stücken zusammengeleimt sein, aber immer mit in dieselbe Richtung verlaufender Maserung, was “echtes” Holz imitiert.

Zum Beispiel Boote mit Schichtholzspanten, Schichtholzsteven, aus mehreren Latten zusammengeleimten Planken.

1.1.3 Unnatürliches echtes Holzboot

Separate Holzteile können aus mehreren Stücken in solcher Weise zusammengeleimt sein, daß die Maserrichtungen nichts entsprechen, was in der Natur vorkommt. Die Stärke und andere Eigenschaften des Holzes sind durch Einsatz überkreuzender Maserrichtungen manipuliert worden.

Zum Beispiel ein echtes Holzboot mit Plankengängen aus Sperrholz oder mit Sperrholzspanten.

1.2 Laminiertes Holzboot

Stärke und andere Eigenschaften des Holzes sind manipuliert worden, indem andere als nur separate Teile mit überkreuzender Maserrichtung verleimt wurden.

1.2.1 Voll laminiertes Holzboot

Die Schichtverleimung findet während des Baus des Bootes statt.

Zum Beispiel überkreuz laminierte Boote aus Latten oder Sperrholzstreifen.

1.2.2 Stückweise laminiertes Holzboot (Sperrholzboot)

Industriell vorlaminierte Teile (das heißt, Sperrholz) werden verwendet.

1.3 Komposit-Holzboote

Eigenschaften des Holzes sind durch Verwendung anderer Materialien manipuliert worden, die nahtlos am Holz befestigt worden sind, und die den Hauptteil der Last tragen.

Zum Beispiel mit Epoxy-Fiberglas laminierte Rindenkanus.

1.4 Hybrides Holzboot

Zusätzlich zu Holzteilen sind Teile aus etwas ganz anderem verwendet worden.

Zum Beispiel hölzerne Planken auf Metallspanten.

Besondere Erwägungen

Wo gehört ein streifenbeplanktes, aber nicht fiber-laminiertes Boot hin?

Wenn es keinen Kleber zwischen den Streifen gibt, in die Kategorie 1.1.1.

Wenn sich Kleber zwischen den Streifen befindet, dann in Kategorie 1.1.2 oder 1.2.1.

Warum sind Boote der Kategorie 1.3 Holzboote und keine Fiberglasboote?

Wenn ihr einen Fiberglas-Sandwichrumpf mit einem Schaumkern baut, nennt man das ein Fiberglasboot, nicht Schaumstoffboot. Wenn ihr dasselbe Boot mit einem Holzkern baut, warum ist es dann ein Holzboot? Nun, ich vermute, das ist eine Geschmackssache. Man könnte natürlich ein Rindenkajak „Fiberglasboot“ nennen. Der Großteil der Form kommt jedoch von den Biegeeigenschaften des Holzes. Und das Bauen ist großteils Holzarbeit. Vielleicht wird es deswegen „Holzboot“ genannt.

Die Holzbootkategorie 1.3 entspricht der Fiberglasbootkategorie „Sandwich mit Holzkern“. Was macht es, wenn es keine klare Grenzlinie zwischen den Bootskategorien gibt?

Wird ein Boot der Kategorie 1.1 sich in ein Boot der Kategorie 1.3 verwandeln, wenn es mit Glasfasergewebe und Kunstharz überzogen wird?

Nein, das tut es nicht. Das Gewebe auf der Außenseite ist nicht strukturell. Es ist vielmehr wie ein Überzug mit „dicker Farbe“.

Wenn man ein Holzboot mit Epoxy beschichtet (ohne Gewebe), ist es dann immer noch ein Holzboot?

Natürlich ist es das. Epoxidharz ist eine Lackierung wie jeder andere Lack. Oder, wenn mit Pigment gemischt, Farbe wie jede andere Farbe. Epoxy ist neu auf dem Markt, daher ist es modisch, es „Epoxy“ zu nennen statt Lack oder Farbe. Natürlich könnte man in Frage stellen, ob Epoxy eine passende Lackart für ein traditionelles Boot ist, aber das ist eine andere Sache.

Die Struktur von Holz (Structure of wood)

Um hölzerne Boote zu verstehen, muß man ein wenig über Holz wissen. Hier ist das „Basiswissen Holz“:

Man kann sich eine Holzstruktur als eine große Zahl kurzer Stücke kleiner Röhren vorstellen, die alle in paralleler Richtung miteinander verklebt sind. Die kurzen Rohrstücke heißen Holzfasern. Sie sind üblicherweise hohl, und ihre Wände bestehen aus Verbindungen namens Zellulose und Hemizellulose, welche mit dem Zucker verwandte Chemikalien sind.

Zusätzlich zu kurzen Faserröhren gibt es bei Hartholz (laubabwerfenden Bäumen) auch längere und dickere Röhren, die für den Nährstofftransport innerhalb eines lebenden Baumes sorgen. Wegen dieser längeren Röhren hat Hartholz mehr in Längsrichtung verlaufende Löcher als Weichholz (Nadelbäume). Bei Weichholz sorgen die kurzen Faserröhren für den Nährstofftransport.

Die Länge der Faserröhren beträgt bei Weichhholz etwa 1 mm, bei Hartholz 3 – 8 mm. Die Faserröhren sind durch eine Substanz namens Lignin miteinander „verklebt“.

Lignin wird bei der Temperatur von etwa 170 ° C weich (siehe Hannus Bootswerft: Holz biegen im Schlafzimmer). Feuchtigkeit verringert die Erweichungstemperatur unter den Siedepunkt von Wasser. Das Biegen von Holz unter Dampf beruht auf diesen Tatsachen. Der Klebstoff zwischen den Faserröhren des Holzes wird weich und lässt die Röhren sich relativ zueinander verschieben.

Aus irgendeinem Grund, den ich noch nicht verstehe, lässt das erweichte Lignin das Holz sich zusammenziehen, aber nicht dehnen. Deswegen wird das Holz beim Biegen unter Dampf auf der Innenseite der Krümmung verdichtet, das Holz auf der Außenseite bleibt ziemlich intakt.

Abhängig von der Holzart können die Enden der kleinen Faserröhrenstücke geschlossen oder offen sein. Zum Beispiel hat Fichte geschlossene Zellenenden, bei Kiefer sind sie offen.

Die Struktur der miteinander parallel verklebten Röhren diktiert das Festigkeitsverhalten von Holz. In der Längsrichtung ist Holz eines der stärksten bekannten Baumaterialien. Alle Festigkeitsparameter in Längsrichtung von Holz sind mindestens zehnmal so hoch verglichen mit denselben Parametern quer zur Maserung. Es ist buchstäblich unmöglich, Holz durch Ziehen in Längsrichtung zu zerreißen.

Wenn eine Latte, Planke oder Sperrholz mit einer Verblattung verlängert wird, dann lautet die übliche Empfehlung, als Länge der Verblattung das 8-, 10- oder 12-fache der Materialdicke zu wählen.

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Dies beruht darauf, daß „alle Festigkeitsparameter in Längsrichtung von Holz mindestens zehnmal so hoch sind verglichen mit denselben Parametern quer zur Maserung“ und darauf, daß gute Kleber etwas stärker sind als Holz quer zur Faserrichtung.

Bei Verwendung einer Verblattung wie dieser beträgt die Klebefläche annähernd das 10-fache der Querschnittsfläche der verklebten Holzteile, und die Festigkeit ist somit annähernd gleich.

Der Stamm eines Baumes besteht aus dem Kernholz in der Mitte und dem Splintholz näher zur Oberfläche. Die Zellen, die Röhrenstücke, im Splintholz leben. Sie transportieren und speichern Nährstoffe für den Baum.

Kernholz ist tot. Kernholzzellen enthalten keine Nährstoffe, sondern abhängig von der Spezies kann das Holz die Röhren des Kernholzes mit Extrakten füllen, die das Kernholz färben können (dunkler als das Splintholz) und/oder es fäulnisbeständiger und/oder weniger feuchtigkeitsabsorbierend machen.

Keine Holzart hat fäulnisbeständiges Splintholz, weil Splintholz Nährstoffe transportiert. Nährstoffe für Holz sind auch Nährstoffe für Pilze.

Planken, die aus im Winter gefällten Bäumen gesägt wurden, sind fäulnisbeständiger als solche aus im Sommer gefälltem Holz, weil der Nährstoffgehalt im Stamm im Winter am niedrigsten ist, wenn der Baum ruht.

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Ein Kiefernholzstamm als Brückenpfeiler. Der Unterschied zwischen dem Splintholz und dem Kernholz ist deutlich. Das Splintholz ist von Pilzen befallen, das Kernholz scheint zumindest gesund zu sein.

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Und etwas ungespaltenes Kiefernbrennholz. Auf dem Splintholz wachsen Pilze in allen Farben. Und bedenkt: diese Stämme sind definitiv nicht gedüngt worden, daher ist dies kein Symptom „moderner Forstwirtschaft“.

In einem Buch aus dem Jahr 1957 heißt es im Kapitel über Bootsbauholz:

„Die Planken werden am besten in solcher Weise gesägt, daß nur Kernholz ohne die Mitte verwendet wird. Planken aus Splintholz läßt man am besten für andere Zwecke übrig.“

Bei einem alten Kiefernstamm macht der Anteil des Kernholzes etwa 50 – 60 % des Stammquerschnittes aus. Wenn ihr also radial Planken von 15 cm Breite sägen wollt, braucht ihr Kernholz von etwa 40 cm Durchmesser. Und das ergibt wiederum einen Außendurchmesser von etwa 60 cm.

Feuchtigkeitsverhalten von Holz Was passiert, wenn Holz naß wird und trocknet? (Moisture behaviour of wood)

Das Feuchtigkeitsverhalten von Holz ist die Eigenschaft von Holz, die zu verstehen am wichtigsten ist, um verstehen zu können, wie und warum Holzstrukturen so gebaut werden sollten, wie sie gebaut werden sollen.

Holz quillt auf, weil die Wände der Zellröhren Wasser aufnehmen und anschwellen.

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Eine gute Daumenregel: Wenn knochentrockenes Holz triefnaß wird, quillt es in Richtung der Jahresringe (tangential zum Stamm) um 8 % auf, um 4 % radial zum Stamm und in Längsrichtung gar nicht. Und es schrumpft um dieselben Prozentsätze, wenn es durch dieselbe Feuchtigkeitsskala trocknet.

Diese Prozentsätze hängen von der Spezies und sogar vom individuellen Baum ab, sind aber gute Daumenregeln. Das Aufquellen unterscheidet sich in den verschiedenen Richtungen, weil die Wände der Zellröhren nicht einheitlich sind, sondern in unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Dicken haben.

In der Praxis ist Holz selten knochentrocken oder triefnaß, sondern etwas dazwischen. Daher liegen die Prozentsätze für das Aufquellen und Schrumpfen etwas unterhalb der erwähnten Extreme.

Einige Beispiele für das Feuchtigkeitsverhalten von Holz:

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Die Sitzfläche eines alten hölzernen Küchenstuhls hat eine 0,8 cm breite Reibspur (roter Pfeil) an der Unterseite. Die Sitzfläche ist nur an einer Seite mit dem Rahmen verklebt (im Bild oben). Die anderen Seiten sind nur mit Klammern befestigt, die es der Sitzfläche ermöglichen, frei zu quellen und zu schrumpfen. Das Quellen/Schrumpfen hat etwa 2 % betragen.

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Die 60 cm hohe Füllung einer alten Holztür ist um etwa 1 cm angeschwollen bzw. geschrumpft, wiederum um etwa 2 %. Die Tür ist am Ende des Sommers (hohe Luftfeuchtigkeit) blau gestrichen worden, als das Paneel am breitesten war. Das Bild ist am Ende des Winters aufgenommen worden (niedrige Luftfeuchtigkeit), als das Paneel am kleinsten war, und hat die alte rote Farbe bloßgelegt.

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Das Messen der Fugen eines alten Holzbodens ergibt ein ähnliches Ergebnis: Im Hausinneren beträgt die jährliche Änderung der Holzdimensionen etwa 2 %. Dies liegt an der hohen Luftfeuchtigkeit im Sommer und niedriger im Winter.

Ein Boot wird nicht nur von der Luftfeuchtigkeit naß, sondern auch vom „Schwimm-Element“. Keine Schlußfolgerungen können jedoch daraus für das Maß des Aufquellens gezogen werden. Es ist die Änderung der Feuchtigkeit, die zählt, nicht die absolute Feuchtigkeit. Holz, das immer triefnaß bleibt, bleibt maßstabil.

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Bei einer tangential gesägten Planke ist zu erwarten, daß sie um maximal 8 % aufquillt.

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Wohingegen eine radial gesägte Planke nur um 4 % aufquellen würde. Traditionellerweise werden Bootsplanken so ausgesägt. Es ist jedoch sehr unwahrscheinlich, auf einem Holzlagerplatz radial gesägte Bretter zu finden. Radiales Sägen produziert typischerweise weniger Nutzholz aus einem gegebenen Stamm, daher wird es als unwirtschaftlich betrachtet und somit verbannt.

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Typischerweise sind Bretter weder tangential noch radial, sondern etwas dazwischen.

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Bei einer solchen Planke gibt es daher auf einer Seite mehr „Jahresringrichtung“ (mehr Aufquellen) als auf der anderen. Wenn also die Planke aufquillt, quillt eine Seite mehr auf als die andere, und die Planke wölbt sich zu einem konvexen Querschnitt.

Wegen dieser Komplexität sollte eine Planke, die an den Rändern befestigt wird, mit der Kernseite nach innen befestigt werden. In ähnlicher Weise sollte eine Planke, die nur in der Mitte befestigt wird, mit der Kernseite nach außen befestigt werden.

Warum leckt ein hölzernes Boot? Weil es ein Loch hat. Aber warum hat es ein Loch? (Why does a wooden boat leak?)

Ein Boot leckt, wenn es ein Loch hat. Boote werden nicht mit Löchern konstruiert oder gebaut. Ein Boot mit einem Loch ist also kaputt.

Wenn ein Holzboot leckt, ist es kaputt.

Warum reden die Leute immer über leckende Holzboote? Wird ein Holzboot leichter kaputt als andere Bootstypen?

Ja, weil Holzboote so konstruiert sind, daß sie sich selbst kaputt machen, wenn sie keine Oberflächenbehandlung erhalten und ordentlich gewartet werden.

Wie machen sie sich selbst kaputt?

Der theoretische Aufquelldruck von Holz wird mit 1630 kp/cm² berechnet. Drücke von der Hälfte dieser Stärke sind gemessen worden. Dies ist der Druck, der von Holz ausgeübt wird, wenn es in einer Umschließung aufquillt, in der es sich nicht ausdehnen kann.

Holz ist ein elastisches Material. Eine Verformung, die von einer Kraft verursacht wird, kehrt sich um, wenn die Kraft weggenommen wird. Wie bei einer Feder oder einem Stück Gummi.

Aber nur bis zu einer Grenze.

Der Druck, der eine dauerhafte Verformung der Oberfläche trockenen Holzes verursacht, liegt im Bereich von 10 – 100 kp/cm². Dieser Druck hängt von der Holzart ab. Die Bruchlast von Fichte und Kiefer beträgt etwa 30 kp/cm². Und dies gilt für trockenes Holz. Bei frischem oder nassem Holz beträgt die Druckgrenze etwa die Hälfte des Wertes für trockenes Holz.

Wenn ihr euch vorstellt, was auf der Ebene der Zellröhren passiert: die Röhren geben unter Druck nach und kehren zu ihrer ursprünglichen Form zurück, wenn der Druck weggenommen wird. In Grenzen. Wenn der Druck hoch genug ist, werden die Röhren zerdrückt und verformen sich dauerhaft.

Wenn Holz aufquillt, kann der Aufquelldruck bis zu 50mal so hoch sein wie der Druck, der nötig ist, um Holz in Querrichtung zu brechen. Betreiben wir etwas „praktische Wissenschaft“, um zu sehen, was dies in der wirklichen Welt bedeutet.

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Ich hackte ein Stück eines Kiefernbretts (Bodenbrett, in einem geheizten Keller getrocknet) so zurecht, daß es genau durch die Öfnung eines alten Rollenlagers paßte. Das Rollenlager wird als „Umschließung, in der das Holz sich nicht ausdehnen kann“ fungieren. Der Durchmesser des Loches, und somit die Breite des Brettes, beträgt 80 mm.

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Schwimmen und Aufquellen.

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Nach vier Tagen des Aufquellens beträgt die Breite des Plankenendes 82 mm. Es ist um etwa 2,5 % aufgequollen.

Zurück zum Trocknen in den Keller.

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Nach vier Tagen Trocknung ist das Brett im Loch des Lagers locker. Wo das Lager war, ist das Brett nun schmäler, als es ursprünglich war. Die Breite beträgt nun etwa 78,5 mm. Das heißt, das Brett wurde zerdrückt, gebrochen. Man kann bei den Pfeilen eine Kerbe sehen, die vom Lager verursacht wurde.

In diesem kleinen Experiment wurde das Brett um fast dasselbe Maß zusammengedrückt, wie es aufgequollen wäre, hätte es frei aufquellen können.

Bei einem Holzboot kann immer dasselbe stattfinden, wenn ein Plankengang zwischen zwei anderen Plankengängen aufquillt. In einem kleinen Bereich geschieht dasselbe, wenn eine Planke zwischen zwei Befestigungen auf einem Spanten aufquillt. In noch kleinerem Maßstab geschieht dies unter jedem Kopf eines Befestigungsmittels.

Und was heißt das in der Praxis? Sehen wir uns das an.

Ich habe drei „Bootsseiten“ hergestellt, kleine Versuchsmuster zur Imitierung der Seite eines hölzernene Bootes, unter Verwendung dreier verschiedener Techniken.

Jedes Muster (nennen wir sie von nun an „Testboote“) besteht aus drei Planken in voller Breite und einer schmalen. Zwei der Planken befestigte ich auf die Art, die ich für „richtig“ hielt (welche Seite nach außen?), eine auf die „falsche Art“.

Alle „Testboote“ bestanden aus trockenen Fichtenbrettern 18 x 145 mm. Ich ließ dieses lose Stück zur Kontrolle übrig.

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Nachdem ich das Stück im September aus dem Schuppen hereingeholt hatte, ist es bis zum Tag nach Weihnachten um 1,7 % geschrumpft.

Das erste „Testboot“ ist kraweelbeplankt. Die zwei rechtesten Planken schauen mit der Kernseite zum Spant. Dies scheint am richtigsten zu sein, nachdem die Planken an den Rändern befestigt sind. Die „Spanten“ bestehen aus Kiefer 21 x 45 mm:

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Das zweite „Testboot“ ist klinkerbeplankt, mit über Dampf gebogenen Spanten. Die zwei äußerst rechten Planken sind mit der Kernseite nach innen befestigt. Diese Planken können sich frei ausdehnen, wenn sie sich nach außen wölben.

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Die Spanten bestehen aus Eiche 20 x 20 mm. Ich hobelte die Planken nur soviel, daß ich eine flache Überlappungsbreite erhielt.

Die dritte Planke kann sich ebenfalls frei wölben. Es gibt reichlich Platz zwischen Planke und Spant.

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Das dritte „Testboot“ ist klinkerbeplankt mit zugehauenen Eichenspanten. Hier sind die Planken in der Mitte befestigt, wie es bei zugehauenen Spanten die Praxis war. Nun würde es richtig erscheinen, die Planken mit der Kernseite nach außen zu befestigen.

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Die zwei rechtesten Planken sind so befestigt, die dritte, ganz links, ist auf die „falsche Weise“ befestigt. Die Spanten sind aus Stücken von Kiefernbodenbrettern gehauen.

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Ich paßte die Spanten den Querschnitten der Planken an. Das heißt, ich zwang die Planken in keine flachere Form, als sie gerade hatten.

Jetzt nehmen alle ein Bad.

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Alle „Testboote“ bestehen aus einfachem Holz. Keine Oberflächenbehandlung irgendwelcher Art. Sie werden mehr Wasser aufnehmen und schneller aufquellen, als es echte Boote würden. Dies ist in Wirklichkeit ein beschleunigter Versuch.

Nach zwei Tagen des Aufquellens ist das Testbrett um 2,9 % aufgequollen. Es ist jetzt unmöglich, die Planken der „Testboote“ genau zu messen. Besonders die Werte bei der Klinkerbeplankung sind sehr „ungefähr“. Aber dennoch sehr überraschend!

Die Planken des „Kraweelbootes“ sind, von links nach rechts, um etwa 3,1, 0,5 und 1,6 % aufgequollen.

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Die mittlere Planke, zwischen den beiden anderen, ist sehr wenig aufgequollen. Auf Basis des „Rollenlagerexperiments“ würde ich deutliche Spalten zwischen den Planken erwarten, sobald sie austrocknen.

Die Maße der „klinkerbeplankten Boote“ sind ungewiß, da sie am Plankenende genommen werden müssen. Es scheint jedenfalls, daß die Planken um etwa 4,3, 3,0 und 3,6 % aufgequollen sind:

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Und bei der Version mit den behauenen Spanten um etwa 4,6, 2,9 und 3,4 %.

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„Kernseite nach innen oder außen“ scheint an diesem Punkt keine Auswirkung gehabt zu haben.

Die Messungen der „klinkerbeplankten Boote“ waren überraschend. Die Messungen waren nicht genau, noch konnten sie direkt mit Messungen „freier Planken“ verglichen werden. Aber es war klar, daß die Planken ziemlich frei aufquellen konnten.

Man hört oft, wie flexibel in klinkerbeplanktes Boot ist, aber niemand scheint zu wissen, was es ist, das sich da biegt. Ich habe Behauptungen gesehen, daß es die Spanten sind. Die Spanten würden sich biegen, weil sie gekrümmt sind. Aber wenn das wirklich der Fall wäre, würde ein Boot sich zusammenrollen, wenn die Planken schwellen und die Spanten sich biegen.

Zusammenrollen, wie das?

Nehmen wir ein Beispiel. Stellt euch ein Boot mit einer Breite von zwei Metern vor. Vereinfachen wir das Ganze ein wenig und nehmen wir an, daß der Querschnitt des Rumpfes ein Halbkreis ist und die Dicke der Beplankung 20 mm beträgt. Stellt euch nun den Querschnitt vor. Nachdem die Breite des Bootes zwei Meter beträgt, 2000 mm, ist der Radius des Beplankungshalbkreises 1000 mm. Und nachdem die Beplankung 20 mm dick ist, beträgt der Radius des Spantenhalbkreises 980 mm. Dementsprechend mißt die Außenseite der Beplankung (pi x 1000) mm, die Außenseite der Spanten (pi x 980) mm. Und nachdem beides ein Halbkreis ist, beträgt ihr (imaginärer) Zentrumswinkel 180 Grad.

Was geschieht, wenn die Beplankung um 1 % aufquillt? Der Umfang der Beplankung wächst auf (pi x 1010) mm. Aber nachdem Holz nicht in Längsrichtung aufquillt, bleibt die Länge des Spantenumfangs bei (pi x 980) mm. Wenn die Planken auf den Spanten bleiben und die Spanten sich biegen, dann bilden die Beplankung und die Spanten immer noch einen Teil eines Kreises, mit einem Unterschied von 20 mm in ihren Radien.

Aber was sind die Radien? Und was ist der Zentrumswinkel?

Stellt ein paar Berechnungen an, und ihr werdet herausfinden, daß der neue Radius der Beplankung, wenn 1 % des Aufquellens der Beplankung von den sich biegenden Spanten aufgenommen werden, etwa 650 mm betragen wird. Das heißt, ein Boot mit zwei Metern Breite wird zu einem Boot mit 1,3 m Breite zusammengerollt. Und der Zentrumswinkel würde etwa 280 Grad betragen. Drei Viertel eines Kreises.

Wenn die Planken um 2 % aufgequollen wären, hätte sich das Boot zu einer Röhre mit einem Durchmesser von etwas unter einem Meter zusammengerollt.

Nichts, das dem auch nur nahe kommt, geschieht in der wirklichen Welt. Daher muß es irgend etwas anderes sein, das sich biegt, nicht die Spanten.

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Das „trocken-naß“-Bild oben scheint zu zeigen, daß der flexible Teil der Struktur die Nieten sind, die die Planken auf den Spanten befestigen. Und ein Teil dieses Biegens findet innerhalb der Planken statt, die einen deutlich S-förmigen Querschnitt annehmen.

Das Bild scheint darauf hinzuweisen, daß jede Planke sich am rechten Rand an der Wurzel der Niete abstützt und das Ende der Niete auf der linken Seite nach links drückt. Auf diese Weise scheint sich jede Niete nach links zu biegen, und jede Planke verbiegt sich zu einem S-förmigen Querschnitt.

Jeder Nietenkopf hat das Holz deutlich eingedrückt:

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Wieder zurück zum Trocknen.

Um mögliches „Übertrocknen“ auszuschließen, überprüfte ich das Ergebnis, als das Referenzbrett immer noch um 0,7 % gegenüber dem Beginn des Versuchs aufgequollen war:

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Das Kraweelboot sah wie ein Sieb aus. Man beachte die Streichhölzer zwischen den Planken:

Das „Rollenlagerphänomen“ hatte das Kraweelboot wirklich schlimm getroffen. Dasselbe Phänomen betraf auch alle Befestigungsmittel. Die Planken waren alle locker, nachdem das Holz unter den Schraubenköpfen zerdrückt worden war.

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Man könnte sagen, daß das Kraweelboot durch ein einziges Aufquellen ziemlich schlimm kaputtging.

Die Klinkerboote entwickelten ebenfalls Lecks. Aber nicht so schlimm wie das Kraweelboot:

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Eine Rachenlehre zeigt, daß der Spalt zwischen den Plankenrändern 0,3 bis 0,6 mm beträgt. Dies scheint hauptsächlich daran zu liegen, daß das Holz unter den Nietenköpfen zerdrückt wurde:

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Ein hölzernes Boot macht sich selbst kaputt, weil seine Struktur Holz nicht frei aufquellen lässt. Wenn Holz nicht frei quellen kann, bricht es innerlich, wird dauerhaft zerquetscht. Wenn es trocknet und sich zusammenzieht, füllt es den ursprünglichen Raum nicht mehr aus. Er wird Spalten darum herum geben. Oder wenn die Ränder des Holzes fixiert sind, wird der Spalt an einer Schwachstelle erscheinen, irgendwo in der Mitte der Planke.

Der verbreitete Glaube, daß ein Holzboot “durch TROCKNEN kaputt wird”, ist falsch. Ein Holzboot wird durch AUFQUELLEN kaputt, das Trocknen macht den Schaden nur sichtbar.

Viele Strukturen in hölzernen Booten sind gegen die Natur des Holzes. Man könnte fast sagen, daß viele Strukturen „falsch“ sind.

Eine Menge von dem Schaden, der durch falsche Strukturen verursacht wird, kann durch geeignete Oberflächenbehandlung und geeignete Pflege ausgeglichen werden. Beides sollte auf die Verringerung der Veränderungen des Feuchtigkeitsgehaltes des Holzes abzielen, und dadurch die Veränderung der Holzdimensionen.

Geeignete Pflege besteht teilweise darin, die Oberflächenbehandlung in gutem Zustand zu halten, aber auch in der Beibehaltung eines ausgewogenen Feucht-Trocken-Zyklus. Der Zyklus sollte in keine der beiden Richtungen abdriften.

Die skandinavische Erfahrung zeigt, daß ein Jahr (ein halbes Jahr im Wasser, ein halbes Jahr im Schuppen) gerade noch beherrschbar ist. Mit mühsamer Oberflächenpflege.

Das Leben ist wahrscheinlich in Gegenden leichter, wo die Gewässer nicht zufrieren. Wo Boote die ganze Zeit im Wasser bleiben können, oder das ganze Jahr über täglich zu Wasser gelassen und aus dem Wasser geholt werden können.

Oberflächenbehandlung eines hölzernen Bootes Warum sollte man ein Holzboot streichen? (Surface treatment of a wooden boat)

Der Zweck der Oberflächenbehandlung eines hölzernen Bootes ist mindestens:

1. Zu verhindern, daß Wasser ins Holz gelangt

Warum sollte Wasser nicht ins Holz gelangen?

● Erstens quillt und schwindet Holz, wie zuvor erläutert, zusammen mit dem Feuchtigkeitsgehalt. Ein hölzernes Boot ist voller Strukturdetails, wo Holzteile mit unterschiedlichen Maserrichtungen miteinander verbunden sind (zum Beispiel ist jede Planke an jedem Spanten mit beiden Rändern verbunden). Ein Möbeltischler würde niemals irgendetwas dergleichen bauen. Die Strukturen von Holzmöbeln sind immer fließend und lassen das Holz frei quellen und schwinden, so wie sich sein Feuchtegehalt ändert. Fließende Strukturen sind bei hölzernen Booten seit Jahrhunderten nicht verwendet worden, daher macht ein modernes Holzboot sich selbst kaputt, wenn man den Feuchtegehalt des Holzes frei fluktuieren lässt.

● Zweitens können fäulnisverursachende Pilze nur dann auf Holz einwirken, wenn der Feuchtegehalt des Holzes 25 – 30 % oder mehr beträgt. Zusätzlich dazu brauchen Pilze Wärme und „eßbares“ Holz.

● Drittens ist feuchtes Holz schwächer als trockenes Holz.

Es gibt keine Möglichkeit, die Bewegung von Feuchtigkeit ins Holz und aus dem Holz völlig zu verhindern. Man kann die Veränderung nur bremsen. Es wäre ideal, wenn der jährliche Feucht-Trocken-Zyklus (und kürzere Zyklen) langsam und gering wären und in keine Richtung abdriften würden (das heißt, daß das Holz nicht nach und nach trockener oder feuchter wird als zu der Zeit, als das Boot gebaut wurde).

Wasser gibt es in zwei Sorten: als Flüssigkeit und als Dampf.

Wasserdampf wird von den Wänden der Zellröhren des Holzes absorbiert, füllt aber unter keinen Umständen den Hohlraum der Zellen.

Flüssiges Wasser wird von den Zellröhren des Holzes absorbiert und kann auch den Zellhohlraum ausfüllen.

Zellwände können Wasser bis zu 25 – 30 % des Trockengewichtes von Holz aufnehmen. Der Feuchtegehalt von Holz kann also ohne jegliches Wasser im Zellhohlraum um 25 – 30 % ansteigen.

Dies kann nur geschehen, wenn die relative Luftfeuchtigkeit lange Zeit bei 100 % bleibt. Die Luftfeuchtigkeit bleibt in den meisten natürlichen Umgebungen nicht lange so hoch. Wasserdampf wird Holz in den meisten praktischen Fällen nicht feucht genug machen, um Fäulniswachstum aufrechtzuerhalten. Flüssiges Wasser ist nötig, um Fäulnis zu ermöglichen.

Flüssiges Wasser kann den Feuchtegehalt von Holz über 100 % erhöhen, weil das Wasser nicht nur die Zellwände sättigt, sondern auch den leeren Raum innerhalb der Zellstruktur ausfüllt. Nasses Holz kann daher gewichtsmäßig mehr Wasser als Holz enthalten.

Wasserdampf durchdringt alle Holzoberflächen ziemlich gleich. Flüssiges Wasser dringt in Holz besonders gut parallel zur Faserrichtung ein, an den Enden des Holzes. Weniger senkrecht zur Maserung. Dies wird aus dem „Zellröhrenmodell“ klar. Wasser dringt von den Enden her in eine Röhre ein, nicht durch die Wand.

Holz trocknet, indem es Wasserdampf abgibt. Wasser im Holz verdunstet an der Oberfläche. Wenn eine Oberflächenbehandlung die Bewegung von Wasserdampf bremst, verlangsamt sie auch das Trocknen des Holzes.

Eine gegebene Oberflächenbehandlung verhindert nicht notwendigerweise die Bewegung von flüssigem Wasser und Wasserdampf in gleicher Weise. Die gewöhnlichen Oberflächenbehandlungen verlangsamen die Bewegung flüssigen Wassers in der Reihenfolge Epoxy-Polyurethan-Alkyd-Öl. Aber die Unterschiede sind nicht riesig.

Bei Wasserdampf ist die Reihung der Materialien dieselbe, aber es gibt einen Abstand zwischen Alkydfarben und Ölfarben. Ölfarben und Leinöl bremsen die Bewegung von Wasserdampf nicht sehr. Manche sagen, eine Behandlung mit Öl „atmet“.

Holz wird feucht, wenn es flüssiges Wasser oder Wasserdampf absorbiert.

Holz trocknet, wenn es Wasserdampf abgibt.

Ein guter Bootsanstrich sollte sowohl flüssiges Wasser als auch Wasserdampf daran hindern, ins Holz zu gelangen, aber Wasserdampf frei austreten lassen. Solch einen Anstrich gibt es nicht.

Epoxy und Polyurethanfarben hindern tatsächlich Wasser (sowohl flüssig als auch in Dampfform) daran, ins Holz zu gelangen. Aber wenn (und ich schreibe nicht „falls“) Holz schließlich feucht wird, bleibt es feucht, nachdem die Farben auch den Wasserdampf daran hindern, aus dem Holz zu gelangen.

Ölfarben oder Behandlungen mit Leinöl lassen Holz trocknen, lassen aber auch Wasserdampf Holz befeuchten.

Nachdem die Dinge so sind, kann die Frage „mit welcher Art von Farbe sollte ein Boot gestrichen werden?“ nicht eindeutig beantwortet werden. Argumente dafür wie auch dagegen können zu allen Anstricharten geliefert werden.

Nachdem Holz und Oberflächenbehandlungen beschrieben worden sind, können wir folgern:

● Die Enden jedes einzelnen Holzteils sollten mit einer Beschichtung behandelt werden, die den Eintritt von flüssigem Wasser verhindert. Mit Epoxy während des Bootsbaus, oder mit Leinöl, sobald das Boot fertig ist. Nur Leinöl fließt gut genug, um in die Fugen einzudringen, die beim Bau des Bootes geschlossen wurden. Zumindest im Prinzip. In der Praxis wird Wasser eindringen. Es hat die Zeit auf seiner Seite.

● Die schlimmstmögliche Alternative ist, die Holzenden unbehandelt zu lassen, aber die Seiten mit etwas zu beschichten, das den Fluß von Wasserdampf verhindert. Das Holz wird Wasser durch die Enden aufsaugen und nie trocknen. Ein Beispiel dafür wäre, ein fertiggestelltes Boot innen und außen mit Epoxy zu streichen.

● „Lack auf der Außenseite, Leinöl auf der Innenseite.“ Der alte traditionelle Ansatz ist gut. Lack oder Farbe hindert das Holz daran, Wasser aus dem Meer oder See aufzunehmen, Leinöl ermöglicht dem Boot, über die Innenseite zu trocknen. Natürlich unter der Annahme, daß flüssiges Wasser aus dem Boot draußengehalten wird, und daß das Bootsinnere gut gelüftet ist.

Dieses alte „Rezept“ hat einen weiteren Vorteil. Das Innere von Booten zu reinigen, abzuschleifen und neu zu streichen ist typischerweise schrecklich, wenn nicht schlimmer. Es gibt eine Menge Löcher, Spalten und Winkel. Nachölen ist viel leichter. Man braucht Öl nicht zu entfernen oder abzuschleifen, und Öl fließt leicht und breitet sich aus.

● Die Zellhohlräume im Holz können mit einem aushärtenden Öl gefüllt werden (was Ölsättigung genannt wird), um dem Wasser weniger Raum zu lassen. Holzarten, die geschlossene Zellen haben, könnten nicht gut zu sättigen sein. Diese Spezies haben, eben wegen der geschlossenen Zellen, eine gewisse natürliche Wassertoleranz, daher könnte die Bilanz ausgeglichen sein.

● Ölsättigung unter Farbe oder Lack ist ebenfalls eine gute Kombination, da das Öl das Wasser daran hindert, ins Holz zu gelangen, wenn die Farboberfläche aufgekratzt wird.

● Aber es könnte auch schädlich sein, wenn das Öl verhindert, daß die Farbe auf dem Holz haftet.

Ein typisches Rezept für Ölsättigung besteht aus 1/3 rohem Leinöl, 1/3 Verdünner (Kiefernterpentin wird oft empfohlen) und 1/3 flüssiges Antifäulnismittel. Das Antifäulnismittel besteht großteils aus Verdünnung. Wenn Holzzellen mit einer Lösung wie dieser gsättigt worden sind, sind die Zellhohlräume voll mit Flüssigkeit. Am Anfang. Aber wenn die Verdünnung verdunstet, bleibt nur 1/3 Leinöl zum Aushärten.

Es scheint, daß die Sättigung, um ein gutes Ergebnis zu erhalten, mehrmals wiederholt werden sollte, mit genügend Zeit (Tagen…) zwischen den Sättigungen. Dies würde sicherstellen, daß die Zellen mit Öl gefüllt werden, nicht nur mit verdunstender Verdünnung. Diese Prozedur wäre natürlich nicht sehr wirtschaftlich.

Oder man verwendet eine Rezeptur mit einem höheren Ölgehalt. Was wäre das Beste? Das bleibt noch zu ermitteln.

2. Das Holz in solcher Weise zu vergiften, daß die Fäulnis nicht wächst

Für den Fall, daß die Oberflächenbehandlung das Holz nicht trocken genug halten kann, daß die Fäulnis nicht wächst, kann Holz mit Fungiziden gesättigt werden.

In einer typischen Leinölmischung ist das Antifäulnismittel eine Mischung aus Verdünnung (etwa 99 %), Tolylfluanid (typischerweise < 1 %) und Zinknaphtenat (typischerweise < 1 %). Tolylfluanid ist ein Fungizid, Zinknaphtenat eine Antischimmelverbindung. Der Zweck dieser Bestandteile ist es, das Holz zu vergiften, aber auch das Leinöl zu vergiften, das ebenfalls Nahrung für Pilze ist.

Wenn man das Holz separat vergiften will, wäre es eine vernünftige funktionierende Methode, zuerst ein Antifäulnismittel anzuwenden. Dann lasse man es vor den folgenden Behandlungen ordentlich trocknen. Nachdem Antifäulnismittel hauptsächlich aus Verdünnung besteht, kann kein weiteres Gift oder Öl von den Holzzellen aufgenommen werden, bevor der Verdünner verdunstet ist.

Es ist auch möglich, Holz mit Äthylenglykol (Frostschutzmittel) oder Bor zu vergiften, die beide wasserlöslich sind. Anders als die in Verdünnung löslichen Antifäulnismittel gehen sie dorthin, wo das Holz feucht ist. Das heißt, wo Pilze leben. Es ist möglich, existierende Pilze in nassem Holz mit diesen wasserlöslichen Giften zu töten. Mit einem auf Verdünner beruhenden Gift unmöglich.

Die Wasserlöslichkeit ist natürlich auch ein Problem 😦 Diese Gifte werden schnell vom Wasser weggewaschen.

3. Holz vor UV-Strahlung schützen

UV-Strahlung zerlegt das Lignin im Holz. Man erinnere sich, den Klebstoff zwischen den Holzfasern. Wenn Lignin zerstört wird, lockern sich Zellulosefasern an der Holzoberfläche. Das Holz wird nach und nach zerrüttet.

Undurchsichtige Farben sind der beste Schutz gegen UV-Strahlung. Die meisten Lacke enthalten etwas zusätzlichen UV-Schutz. UV-Schutz im Lack ist fein gemahlenes Pigment. Wenig genug, um das Holz durch den Lack durchscheinen zu lassen. Aber genug, um zumindest einen Teil der UV-Strahlung daran zu hindern, die Holzoberfläche zu erreichen.

UV-Strahlung baut auch die Oberflächenbehandlung ab. Epoxy als solches wäre genug, um Holz zu schützen, aber das Epoxy selbst muß durch Farbe oder Lack geschützt werden.

Farbe liefert einen viel besseren Schutz als Lack. Eine gute Farbe kann 15 Jahre lang halten. Ein guter Lack hält vielleicht drei. Lack blättert vom Holz ab, weil das Holz darunter locker wird.

4. Eine hölzerne Oberfläche und ein Holzboot gut aussehen lassen. Farbig – natürlich – hell – glänzend – matt

Dies ist natürlich weitgehend Geschmackssache. Aber man kann nicht viel falsch machen, wenn man das Bootsinnere und die Decks holzfarben läßt und die Außenseite des Rumpfes farbig, weiß, dunkelblau, dunkelgrün oder schwarz.

Obwohl mein Vater mir beibrachte, daß ein schwarzes Boot Unglück bringt.

5. Ein Boot sichtbar machen

Als die Autofähre „Estonia“ sank, hatten die Rettungshubschrauber Schwierigkeiten, die gekenterten Rettungsflöße zu finden, weil die Unterseiten der Flöße schwarz waren.

Eine weiße, gelbe oder orange Bootsfarbe könnte vielleicht eines Tages euer Leben retten.

Daß ein schwarzes Boot Unglück bringt, könnte seine Erklärung hierin haben. Ein schwarzes Boot in Schwierigkeiten auf einem stürmischen Meer könnte schwer zu finden sein. Dies ist, wenn überhaupt, schlecht für die Besatzung, obwohl es nichts mit Glück zu tun hat.

Ein betrunkener Motorbootfahrer könnte ein hellfarbiges Boot besser sehen als ein dunkles. Aber kann er ausweichen?

6. Die durch direktes Sonnenlicht verursachten Temperaturänderungen vermindern

Temperaturänderungen lassen das Holz sich ausdehnen und zusammenziehen. Teilweise durch Temperaturausdehnung, teilweise durch Änderung des Feuchtegehalts. Erhitzen beschleunigt das Verdunsten von Feuchtigkeit. Ausdehnung und Schrumpfung von Holz können das Boot kaputtmachen.

Eine dunkle Oberfläche kann heiß genug werden, um Epoxy und elastische Dichtmittel zu erweichen. Eine zulässige Maximaltemperatur liegt typischerweise im Bereich von 50 – 60 Grad. Noch einmal, verwendet helle Farben.

7. Die Rumpfoberfläche vergiften, um das Wachstum von Algen und Seepocken zu verhindern.

8. Die Holzoberfläche mechanisch fester machen

9. Die Holzoberfläche schmutzabweisend machen

Über Cernunnos

Mein Blog: "Cernunnos' Insel" https://cernunninsel.wordpress.com/
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4 Antworten zu Hannus Bootswerft – Holz als Bootsbaumaterial (1): Grundlagen

  1. peter schreibt:

    gib mir mehr von dat Stoff…….

  2. Cernunnos schreibt:

    Ich werde sehen, was sich finden läßt, Peter, und bei Gelegenheit mal übersetzen!
    Auf Hannu Vartialas Seite gibt es aber nicht mehr so viele allgemeiner gehaltene Artikel, jedoch spezifische Bauanleitungen für kleine Bootstypen aus Sperrholz.
    Wäre so etwas für Dich (oder andere, bisher noch schweigende Leser) interessant?

  3. Richard schreibt:

    Ja, das fände ich sehr interessant!
    Danke übrigens für diesen schönen Artikel!

  4. structural Engineer schreibt:

    Zitat:
    „Aus irgendeinem Grund, den ich noch nicht verstehe, lässt das erweichte Lignin das Holz sich zusammenziehen, aber nicht dehnen. Deswegen wird das Holz beim Biegen unter Dampf auf der Innenseite der Krümmung verdichtet, das Holz auf der Außenseite bleibt ziemlich intakt.“

    Dann wollen wir das mal erklären:
    Holz ist mechanisch gesehen auch nur ein Faserverbundwerkstoff (wenn auch natürlich gewachsen). Die Bestandteile sind dabei im wesentlichen Zellulose, Hemicellulose und Lignin. Das Lignin ist dabei die Komponente, welche maßgeblich die Druckfestigkeit bestimmt, also etwa vergleichbar mit dem Kunstharz bei künstlichen Faserverbundwerkstoffen. Die Zellulose ist dann dementsprechend vergleichbar mit dem Gewebe eines künstlichen Faserverbundwerkstoffes die Komponente weche die Zugfestigkeit bestimmt. Schaltet man also die Druckfestigkeit (also das Lignin) im Verbundwerkstoff aus, lässt es sich problemlos zusammendrücken, da jedoch die Zugfestigkeit der Zellulose von Hitze weniger beeinflusst wird, lässt es sich immernoch genauso schwer auseinander ziehen.

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