Zugversuch an Bäumen

Versuchsaufbau

Der Versuchsaufbau besteht üblicherweise aus einem Stahlseil, einer Kraftmessdose und einem Mehrzweckzug beziehungsweise einer Seilwinde. Benötigt werden außerdem mehrere Elastometer und Inklinometer zur Montage am Baum.^[1] Vor Inbetriebnahme der Konstruktion muss der Gefahrenbereich abgesperrt werden.^[2]

Das Stahlseil wird mit einem Kambiumschoner an dem zu messenden Baum befestigt.^[2] Der Montagepunkt soll zwischen der Hälfte und zwei Dritteln der Baumhöhe liegen.^[3] An einem Widerlager in der Umgebung (bspw. einem anderen Baum) wird in Bodennähe die Seilwinde montiert und dort das Stahlseil eingeführt. Die Dehnungssensoren werden am Stamm mittels Nägeln befestigt und parallel zum Faserverlauf des Stammes ausgerichtet. Liegen Stammdefekte vor, so sind diese bei der Montage der Dehnungssensoren zu berücksichtigen. Die Inklinometer werden in Bodennähe am Stamm montiert. Die Position der Messsensoren hat entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis.^[2]

Nach Montage der Geräte erfolgt eine kontrollierte Krafteinleitung in den Baum durch Betätigung der Seilwinde. Die wirkenden Kräfte werden dabei so gering gewählt, dass die Verformung des Holzkörpers für das menschliche Auge nicht sichtbar ist und keine Schädigung des Baumes entsteht. Als Grenzwert für die maximale Neigung des Wurzeltellers im Zugversuch gelten 0,5 Grad, da schon bei einer Neigung von 0,7 Grad bleibende Schädigungen des Wurzelbereichs entstehen können. Bei Verwendung von modernen Sensoren entstehen bei einem Zugversuch mehr als 200 Einzelmessungen von jedem Sensor. Die Messergebnisse können in Echtzeit abgelesen werden.^[2]

Windlastanalyse und Grundsicherheit

Im Rahmen einer Windlastanalyse wird die Kraft abgeschätzt, die bei hohen Windgeschwindigkeiten auf den Baum wirkt. Als Referenz wird zumeist eine Windgeschwindigkeit von 120 km/h festgesetzt, was den Winden während eines Orkans entspricht.^[4] Die Windlast des Baumes ergibt sich unter anderem aus der vertikalen Querschnittsfläche der Baumkrone (optimaler Weise im 90°-Winkel zur Hauptwindrichtung), der Baumhöhe, dem artspezifischen Widerstandsbeiwert und Standortsfaktoren wie der Rauigkeit des Geländes.^[1]

Zur Überprüfung der Plausibilität der Messungen wird die von Lothar Wessolly eingeführte Grundsicherheit berechnet. Das heißt, es wird der Stammdurchmesser auf einem Meter Höhe gemessen und genutzt, um die theoretische Widerstandskraft des Stammes gegen Biegebelastung zu berechnen. Es handelt sich also um die Widerstandskraft, die der Baum aufwiese, wenn der Stamm völlig unbeschädigt wäre. Diese Widerstandskraft wird ins Verhältnis zur berechneten Windlast gesetzt. Der Quotient aus beiden Werten stellt die Grundsicherheit dar. Da angenommen wird, dass Bäume auf natürliche Weise ausreichend dicke Stämme ausbilden, die in der Lage sind, den auftretenden Windbelastungen zu widerstehen, sollte dieses Verhältnis in einem plausiblen Versuch mindestens bei eins liegen. Grundsicherheiten, die kleiner als eins sind, können darauf hindeuten, dass Eingangsparameter der Analyse (beispielsweise Baumhöhe, Einfluss von benachbarten Gebäuden, Querschnittsfläche der Baumkrone) falsch eingeschätzt wurden.^[2][5]

Auswertung

Bestimmung der Bruchsicherheit durch Extrapolation

Bruchsicherheit ist die Fähigkeit des Baumes, einer auf ihn einwirkenden Last zu widerstehen, ohne zu brechen.^[6] Ziel der Auswertung ist, zu bestimmen, unter welcher Last die Holzfasern eine so hohe Spannung (Kraft pro Fläche) erfahren, dass die Elastizitätsgrenze erreicht wird.^[2][4] Die Elastizitätsgrenze ist die maximale Spannung, unter der die Holzfasern keine irreversiblen Verformungen erleiden. Sie ist spezifisch für das Holz einer Baumart und wird meist dem Stuttgarter Festigkeitskatalog entnommen.^[1] Ein schematisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm verdeutlicht entlang der horizontalen Achse die Dehnung der Holzfasern bei zunehmender Spannung, welche auf der vertikalen Achse aufgetragen ist. Bis zum Erreichen der Elastizitätsgrenze ist die Dehnung linear und reversibel. Aufgrund der Linearität dieser Dehnung kann aus den minimalen Belastungen, die beim Zugversuch in den Baum eingebracht werden, extrapoliert werden, unter welcher Lasteinwirkung die Holzfasern die spezifische Elastizitätsgrenze erreichen würden.^[1][2][4]

Das Überschreiten der Elastizitätsgrenze wird in der Baumpflege als Primärversagen bezeichnet, das Holz erleidet dann irreversible Verformungen und eine dauerhafte Veränderung der Elastizität.^[7] Das Primärversagen ist jedoch nicht gleichzusetzen mit dem tatsächlichen Bruch des Baumstammes, dem Sekundärversagen.^[2] Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm verdeutlicht, dass bis zum finalen Bruch noch weitere Verformungsprozesse stattfinden können. Es ist folglich zu differenzieren, dass die Extrapolation keine Aussage darüber trifft, bei welcher Belastung es tatsächlich zu einem Abbrechen des Baumes kommt. Vielmehr wird die Belastung errechnet, unter der der Holzkörper erste irreversible Schäden erleidet und insofern die Bruchsicherheit des Holzes beeinträchtigt sein kann.^[2][4]

Nachdem durch Extrapolation die Belastung ermittelt worden ist, die zum Primärversagen des Baumstammes führen würde, kann die Bruchsicherheit errechnet werden. Sie wird häufig als Faktor in Relation zur erwarteten Windlast bei einer Windgeschwindigkeit von 120 km/h angegeben. Eine Bruchsicherheit von zwei bedeutet demnach, dass der Stamm die doppelte Orkanbelastung aushält, ohne dass die Holzfasern irreversible Schäden erleiden. Da die Methodik einige Unsicherheiten aufweist, wird eine Bruchsicherheit von eins in der Regel als nicht ausreichend angesehen, sondern es wird zumeist eine Bruchsicherheit von mindestens 1,5 angestrebt.^[4]

Bestimmung der Standsicherheit

Standsicherheit ist die hinreichende Verankerung eines Baumes im Boden, wenn er belastet wird.^[6] Ziel der Auswertung des Zugversuchs ist zu bestimmen, bei welcher Last der Baum mitsamt des Wurzeltellers beginnt zu kippen. Zur Bestimmung der Standsicherheit des Baumes wird üblicherweise auf die verallgemeinerte Kippkurve von Lothar Wessolly zurückgegriffen.^[2] Die Kurve beschreibt das Kippverhalten von Bäumen und zeigt, dass dieses für alle Bäume annähernd gleich ist. Die Belastung, die zum Kippen des Baumes führt (Kipplast), ist demnach erreicht, sobald der Wurzelteller eine Neigung von 2,5 Grad erreicht. Daraus ergibt sich, dass die Kipplast vorhergesagt werden kann, wenn der Wurzelteller im Zugversuch nur wenige hundertstel eines Grades bis maximal 0,5 Grad geneigt wird.^[4] Ein anderer Ansatz geht davon aus, dass die Kipplast das 2,5-fache der Last ist, die den Wurzelteller um 0,25 Grad neigt.^[1]

Akute Gefahren im Versuchsaufbau

• Falsche Montage von lastverbindenden Karabinern kann auch bei Schwerlastkarabinern zum Versagen führen^[2]
• Einbringen von zu hohen Lasten, die zur Schädigung des Baumstammes führen^[2]
• Das Widerlager, an dem die Seilwinde montiert ist, hält den Belastungen nicht stand^[2]
• Gefahrenbereich wird nicht abgesperrt^[2]

Fehlerquellen, die zu Ungenauigkeiten der Auswertung führen

• Falsche oder nicht repräsentative Montage der Sensoren^[2]
• Konvex geformte Fasern an der Stelle, wo das Inclinometer befestigt wird^[2]
• Einschlüsse der Rinde im Holz direkt am Sensor^[2]
• Untersuchung von zu wenig Defektstellen am Baum^[2]
• Fehlerhafte Abschätzung der wirkenden Windlasten beispielsweise durch Vernachlässigung von Dynamik in der Baumkrone oder Effekten von benachbarten Strukturen auf die Windanströmung^[2]
• Lang anhaltender Frost vor den Messungen kann zu einer erheblichen Überschätzung von Bruch- und Standsicherheit führen^[8]