Feldstudie zur Bohrwiderstandsmessung mit dem IML-RESI PowerDrill®

C. Mattheck, K. Bethge KIT Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Angewandte Materialien, Postfach 3640, D- 76021 Karlsruhe

Alexander Bauhuis IML Instrumenta Mechanik Labor, Parkstrasse 33, 69168 Wiesloch

Das IML-Bohrwiderstandsmessgerät wird von zwei unabhängigen Elektromotoren betrieben, deren einer die axiale Vorschubleistung in Nadelrichtung erbringt, während der andere die Torsionsleistung für die Nadelrotation erzeugt. Die Vorschubleistung ist in den folgenden Abbildungen die blaue Kurve im Messergebnis, die Torsionsleistung ist die grüne Kurve.

Das Bild zeigt die vollständige Durchbohrung eines Birnbaumstammes. Nach Nadelaustritt wird noch ein Restbohrwiderstand gemessen, der aus der Nadelschaftreibung resultiert.

Aus den Bohrungen in Eis bzw. einen Flaschenkorken ergibt sich, dass die Vorschubleistung eher bei steifem, hartem Material ansteigt, während festes, bruchzäheres Ma-terial die Torsionsleistung in die Höhe treibt.

Risse und Rindeneinschlüsse sind weder steif noch fest. Sie führen daher zum Abfall beider Kurven, wie die Beispiele des Risses in Eiche und der Rindeneinschluss bei Würgewurzel an Buche zeigen.

Bohrt man einen Ast diametral quer durch, so liefern Bohrungen von oben nach unten und von unten nach oben unterschiedliche Kurven. Dies erklärt sich aus den Wachstumsspannungen und dem Querdruck der gewichtsbedingten Astbiegung auf den Na-delschaft, der die Reibung beeinflusst. Bei astoberseitigem Schlauchpilzbefall (z.B. Massaria) haben wir daher immer versucht, von oben nach unten zu bohren.

Die nahe der Rinde deutlich konturierten Jahresringe werden einwärts immer mehr verwischt bis zum eigentlich braunfaulen Kern wo man nur noch Reste der zersetzten Spätholzspitzen erkennt. Das Holz lässt sich dort von Hand zerbröseln und in Krümel zerreiben bis es im letzten Stadium Kakaopulver ähnelt.

Die Windlast wird am Stammfuß dieser Buche auf die Wurzelanläufe verteilt. Daher wird dort auch tragfähigeres Holz angelagert, nicht aber zwischen den Anläufen, wo das Holz weniger Last abträgt. Das spiegelt sich auch in den Messkurven wider, die in den Wurzelanläufen höhere Werte liefern.

Der Nasskern ist bekannt dafür, dass er das Holz der Pappel etwas weicher macht, ohne die Festigkeit wesentlich zu mindern. Er erhöht wegen des höheren Bruchweges somit auch die Bruchenergie. Dass die Torsionsleistung daher beim Eintritt in den Nasskern nicht abfällt, sondern gar leicht ansteigt, war zu erwarten. Von der Vorschubleistung hätte man wegen der Weichheit des Nasskernes allerdings einen Abfall erwartet. Der Anstieg der blauen Kurve ist daher zunächst überraschend.
Es muss andere Effekte geben, die den Kurvenanstieg bewirken und den Effekt der Holzerweichung kompensieren. Hypothetisch kämen dafür die höhere Massendichte des nassen Holzes in Betracht oder gar die Arbeit beim Verdrängen des Wassers aus dem Bohrkanal. Wir wissen es noch nicht genau.

Bohren von trockenem Holz in nasses Holz vom gleichen Baumteil bringt keinen so sprunghaften Anstieg der axialen Vorschubleistung wie beim echten Nasskern. Am ehesten bei der Douglasienprobe ergibt sich ein Anstieg. Der Nasskern verändert das Holz also offenbar über den Wassergehalt hinaus.

Die Jahresringe dieser Douglasie erkennt man bei einer radialen Bohrung an den Spätholzspitzen, also jenen lokal hohen Bohrwiderständen, die bei Durchbohren des dichteren, tragfähigen Holzes anfallen. Das Spätholz wird vor dem Ende der Vegetations-periode gebildet und ist das eigentlich lasttragende Holz. Bei einer axialen Bohrung in Richtung der Stammachse werden keine Jahresringgrenzen durchstoßen. Die Nadel wird sich eher einen Weg im Frühholz zwischen den beiden benachbarten Spätholz-wänden suchen und bestenfalls gelegentlich an diesen entlangschrammen. Ein periodisches Bohrspitzenmuster wie bei der Radialbohrung ist daher nicht zu erwarten.

Restbohrwiderstände und Nadelschaftreibung
Durchbohrt man einen Stamm vollständig, so fällt der Bohrwiderstand nicht auf Null ab, was wünschenswert wäre, sondern er fällt auf einen Restbohrwiderstand ab und obendrein für beide Kurven in unterschiedlichem Maße. Dies soll nachfolgend in mechanischen Abschätzungen erklärt werden, die nur für die Restbohrwiderstände nach Nadelaustritt gelten!!

Einfluss des n/v- Verhältnisses auf die Restbohrwiderstände an Robinie:
Wenn das Bohrleistungsverhältnis zunimmt, so nimmt das Schubwiderstandsverhältnis ab, was den Unterschied in den Kurvenamplituden vorteilhaft begrenzt.

Fazit:
Mit dem IML-Resi PowerDrill® werden die axiale Vorschubleistung und die Torsionsleistung gemessen. Defekte im Baum, seien es erweichende oder versprödende, konnten im Rahmen dieser Studie einwandfrei nachgewiesen werden. Beim Eindringen in Hohlräume oder bei vollständiger Durchbohrung von Baumteilen bleibt ein Restbohrwiderstand.
Dieser ist wegen des erheblich größeren Rotationsweges für die Rotationsleistung wesentlich höher als für die gegen geringeren Axialweg ankämpfende Vorschubleistung im Zeitintervall.
Ein inhärent glücklicher Umstand ist der Unterschied in den Schubwiderständen, der die Unterschiede der Kurvenamplituden begrenzt und somit den axialen Vorschub noch gut ablesbar macht. Mit zunehmendem Verhältnis von „n/v“, also Drehzahl zu Vorschub, verringert sich das Schubwiderstandsverhältnis.
Hypothetisch verstehen wir das aus dem tangential bzw. axial unterschiedlichen Deformationsverhalten und „Rollwiderstand“ der Bohrspäne. Aus diesen gesamten Zusammenhängen lässt sich auch erklären, warum sich bei den beiden Messkurven ein unterschiedlicher prozentualer Abfall des Bohrwiderstandes bei Nadelaustritt ergibt. Die Autoren danken dem Leiter des Forstamtes Bretten, Norbert Kuhn, für die Unterstützung unserer Baumforschungen.