Lehrgangsunterlagen Zertifikatslehrgang Grundlagen der Baumprüfung und Baumpflege - baumpartner
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FORSTLICHE
AUSBILDUNGSSTÄTTE
Traunkirchen Wir bringen Wissen in den Wald!
Zertifikatslehrgang
Grundlagen der Baumprüfung und Baumpflege
Lehrgangsunterlagen
Bundesforschungszentrum für Wald
Qualität ist uns wichtig!
Unsere Wälder und Bäume sind unsere wichtigste
Klimaanlage. Vor allem in Städten aber auch in
unseren Gemeinden sorgen sie für frische Luft und
sind ein wichtiger Wirtschaftsfaktor. Richtig
© BMLRT Paul Gruber
gepflanzt und gepflegt können sich Bäume gut
entwickeln und ihre Wirkungen entfalten. Daher ist
es wichtig, Menschen auszubilden die sich
fachgerecht um sie kümmern.
Elisabeth Köstinger
Bundesministerin für Landwirtschaft,
Regionen und Tourismus
Bäume sind für die Gestaltung lebenswerter Grün-
räume eines der tragenden Elemente. In diesen
Lehrgangsunterlagen wird vermittelt, wie wertvoll
sie für unsere Pflanzen- und Tierwelt sind und wie
sich naturnahe Oasen gestalten lassen, in denen
sich Groß und Klein gerne aufhalten. Biodiversität
geht hier also Hand in Hand mit menschlicher
Lebensqualität.
Martin Eichtinger
Landesrat
Der Sinn des Lebens besteht darin, Bäume zu pflanzen, unter deren Schatten man selber nicht mehr sitzen wird - besagt ein weiser Spruch. Damit auch nachfolgende Generationen noch gut und sicher unter unseren Bäumen sitzen können, brauchen wir unsere Baumpflegerinnen und Baumpfleger. Hermine Hackl Leiterin der Forstlichen Ausbildungsstätte Traunkirchen am WALDCAMPUS Österreich Als ich vor nunmehr 20 Jahren mein Tagwerk am Baum beendete wurde ich häufig gefragt von was ich denn lebte, bzw. was denn mein Beruf wäre. Der rasante Bedeutungsgewinn der Branche lässt dies heute absurd erscheinen, doch stellte sich immer noch die Frage nach der Etablierung eines Berufsbildes mit einer adäquaten und anerkannten Ausbildung. Der nun vorliegende Lehrgang ist ein wichtiger Schritt in diese Richtung - er vereint Fachwissen mit moderner Praxis im Umgang mit urbanen Baumbeständen. Im Namen der Baumpartner bedanke ich mich bei allen die uns tatkräftig und unterstützend, auch abseits der öffentlichen Bühne, zur Seite standen. Remy Maria Gschwandtner BAUMPARTNER Arboristik
Impressum
ISBN 978-3-903258-49-5
Copyright 2021 by BFW FORSTLICHE
AUSBILDUNGSSTÄTTE
Juli 2021 Traunkirchen
Nachdruck (auch auszugsweise) nur nach am WALDCAMPUS Österreich
vorheriger schriftlicher Zustimmung seitens des
Herausgebers gestattet.
Presserechtlich verantwortlich:
DI Dr. Peter Mayer,
Bundesforschungs- und Ausbildungszentrum für
Wald, Naturgefahren und Landschaft
Seckendorff-Gudent-Weg 8, Bundesforschungszentrum für Wald
1131 Wien, Österreich; Tel. +43-1-87838 0
Forstliche Ausbildungsstätte Traunkirchen
am WALDCAMPUS Österreich
Forstpark 1, 4801 Traunkirchen
Telefon: +43 (0) 7617/21444
E-Mail: fasttraunkirchen@bfw.gv.at
Layout:
Nadja Santer MSc, Gunther Nikodem,
Johanna Kohl
Fotos und Abbildungen:
FAST Traunkirchen BFW, Remy Gschwandtner,
Nadja Santer MSc, Mag. Iona Steixner,
ausgenommen extra gekennzeichnete Bilder
Bezugsquellen:
Bibliothek des BFW;
Tel.: 01-878 38 1216; Fax: 01-878 38 1250;
E-Mail: bibliothek@bfw.gv.at;
Online-Bestellung und Download:
bfw.ac.at/webshop
Mit den vorliegenden Lehrgangsunterlagen möchten wir Ihnen einen fachlich fundierten
Zugang zum Thema ermöglichen. Doch Fachwissen kennt keinen Stillstand, erst recht
nicht, wenn es sich um einen relativ jungen Fachbereich handelt. In diesem Sinne freuen
wir uns über Rückmeldungen, die uns helfen die Qualität zu verbessern.
Übersicht
1. Biologie der Bäume
2. Gehölze - Einführung in die Pathologie
und andere Schädigungsfaktoren
3. Messkunde
4. Mechanik und Statik
5. Baumstandorte und Baumpflanzung
als Grundlage grüner Infrastruktur
6. Rechtskunde, Richtlinien und
Risikobewertung
7. Kriterien der Baumprüfung
8. Arten der Baumprüfung
9. Baumpflege
10. Baumschutz auf Baustellen und
Standortverbesserung
Zertikatslehrgang - Modul 1: Biologie & Mechanik - Biologie der Bäume
1
Biologie der Bäume
Autor*innen:
Baumpartner Arboristik GmbH:
Nadja Santer MSc, Remy Gschwandtner, Max Unterberger
Die Erarbeitung der
Lehrgangsunterlagen ist mit viel
Aufwand verbunden und wir
bedanken uns im Namen der
Autoren, dass Sie diese nicht
vervielfältigen. Für Fragen
können Sie sich gerne an uns
wenden und wir bemühen
uns um faire Lösungen.
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Zertifikatslehrgang - Modul 1: Biologie & Mechanik - Biologie der Bäume
Inhalt
1. Allgemein................................................................................................5
1.1. Entstehung und Einteilung biologischer Vielfalt....................................6
1.2. Eroberung des Festlandes....................................................................7
1.3. Anpassungen an das Landleben..........................................................8
2. Morphologie & Physiologie.................................................................10
2.1. Zellen, Organellen und Gewebe.........................................................11
2.1.1. Die Pflanzenzelle.........................................................................................11
2.1.2. Bildungs- & Dauergewebe...........................................................................16
2.1.3. Wachstum und Vermehrung........................................................................20
2.2. Grundorgane.......................................................................................21
2.2.1. Wurzel..........................................................................................................21
2.2.2. Sprossachse................................................................................................29
2.2.3. Blatt..............................................................................................................36
2.3. Fortpflanzungsorgane.........................................................................41
2.3.1. Blüten...........................................................................................................41
2.3.2. Samen & Früchte.........................................................................................44
2.4. Stoff- und Energiekreisläufe................................................................46
2.4.1. Photosynthese.............................................................................................46
2.4.2. Transpiration................................................................................................46
2.4.3. Stofftransport................................................................................................47
2.5. Wuchsformen & Kronenhierarchie......................................................48
2.5.1. Kronenarchitektur.........................................................................................51
3. Ökologie................................................................................................52
3.1. Biosphäre, Ökosystem und andere Begriffe.......................................54
3.1.1. Biogeochemische Stoffkreisläufe.................................................................55
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Zertifikatslehrgang - Modul 1: Biologie & Mechanik - Biologie der Bäume
1. Allgemein
Die Biologie gilt gemeinhin als die Wissenschaft der Lebewesen, bzw. dient der
Erforschung des Lebens. Sie lässt sich in 4 Grundelemente untergliedern, die
einerseits eigenständige Forschungsbereiche darstellen, andererseits interdis-
ziplinär untrennbar miteinander verbunden sind und je nach Untersuchungstech-
nik und Fragestellung ineinandergreifen.
Allgemeine Biologie
z.B. Ökologie, Verhaltensbiologie, Physiologie, Morphologie, Systematik,
Genetik, Zellbiologie, Entwicklungsbiologie, Biochemie, Biophysik
Spezielle Biologie
z.B. Mikrobiologie, Botanik, Zoologie, Anthropologie
Strukturelle Biologie
z.B. Lebensgemeinschaften (Biozönosen), Populationen, einzellige / viel-
zellige Organismen, Gewebe, Organe, Zellen, Biomoleküle
Evolutionsbiologie
Verknüpfung verschiedener biologischer Disziplinen, Rekonstruktion
stammesgeschichtlicher Abläufe, Evolutionsfaktoren, Koevolution, ...
In der Biologie wird das Leben also von der molekularen bis zur globalen Ebene
erforscht. Hier gilt es, die grundlegende Frage zu beantworten: „Was ist Leben?“.
Biologisch gesehen gibt es einige Eigenschaften, die einer gewissen
Organisation bedürfen und gleichzeitig bestehen müssen, um eine Antwort zu
definieren.
Kennzeichen des Lebens:
● Wachstum, Entwicklung und Tod ● Stoffwechsel / Energienutzung
● Reizbarkeit / Reaktion auf die ● Fortpflanzung und Vermehrung
Umwelt
● Bewegung ● Evolutionäre Anpassung
Im Gegensatz zu Tieren, Pflanzen, Bakterien und Pilzen sind Viren keine
Lebewesen. Sie erfüllen die Kennzeichen des Lebens nicht, sind aber evolutiv
aus Lebewesen hervorgegangen. Sie bestehen lediglich aus Erbsubstanz
verpackt in einer Proteinhülle und haben sich an ihre Funktion als
Krankheitserreger angepasst.
Seite 5 / 60Zertifikatslehrgang - Modul 1: Biologie & Mechanik - Biologie der Bäume 1.1. Entstehung und Einteilung biologischer Vielfalt Vor ca. 3,5 bis 4 Mrd. Jahren tauchten in der „Ursuppe“ unserer Erde die ersten lebenden Organismen auf. Im Zuge einer chemischen Evolution entstanden aus anorganischen Stoffen die ersten organischen Moleküle, die sich im Rahmen einer Evolution des Stoffwechsels (biologische Evolution) zu den ersten Einzellern zusammenfanden. Über einen langen Zeitraum gewannen diese einzelligen Organismen ihre Energie über anorganische chemische Prozesse. Mit der Zeit entwickelten sich komplexere Formen der Energiegewinnung, es entstanden Bakterien, die sich fortan auch von organischen Stoffen ernährten. Einige Bakterien erwarben die Fähigkeit, durch Photosynthese, das Sonnenlicht für sich zu nutzen. Dies war ein Meilenstein auf dem Weg zu der Welt wie wir sie heute kennen. Durch photosynthetisch aktive Bakterien wurde Sauerstoff freigesetzt, der sich zunächst in Meeren und Seen und schließlich, vor ca. 2,7 Mrd. Jahren, auch in der Atmosphäre anreicherte. Dieser wirkte toxisch für viele Organismengruppen und führte zu deren Verschwinden oder Rückzug in anaerobe Habitate. Andere entwickelten weitere Anpassungen an die veränderten Lebensbedingungen und fortlaufende Differenzierung führte zur Entwicklung neuer Organisationseinheiten. Die ersten vielzelligen Lebewesen erschienen vor ca. 1,2 Mrd. Jahren auf unserer Erde, aus deren Nachkommen sich der mannigfaltige Artenreichtum von Algen, Pflanzen, Pilzen und Tieren formte, der einst und heute unseren Planeten besiedelt. Prokaryoten einzellige Mikroorganismen, die aus Zellen ohne Zellkern bestehen; Erbsubstanz liegt als ringförmiges Molekül frei in der Zelle, Vermehrung erfolgt über einfache Zellteilung → Bakterien, Archaea Eukaryoten ein- und vielzellige Organismen, die aus Zellen mit Zellkern aufgebaut sind; Erbsubstanz liegt in Form von Chromosomen innerhalb des Zellkerns, hier kann die Fortpflanzung vegetativ Abb. 1.1: Schematische Darstellung eines oder geschlechtlich erfolgen Prokaryoten → Algen, Pflanzen, Pilze, Tiere Seite 6 / 60
Zertifikatslehrgang - Modul 1: Biologie & Mechanik - Biologie der Bäume
Vakuole
Vakuolen, auch Zellsaftvakuolen genannt, sind vielseitige Mehrzweck-
organellen in der Pflanzenzelle. In ihnen können wichtige organische
Verbindungen und Ionen gespeichert (z.B. Proteinvorrat in Samenzellen)
oder (giftige) Stoffwechselabfälle deponiert werden. Es können auch
Farbstoffe enthalten sein. Vakuolen spielen aber auch eine wichtige Rolle
beim Streckungswachstum und der Stabilität von Pflanzenzellen. Sie werden
durch Wasseraufnahme vergrößert bis sie fast den gesamten Zellraum
einnehmen und somit Druck auf die Zellwand ausüben (Turgordruck). In
wachsenden Zellen dehnt sich die Zellwand dadurch aus, in fertigen Zellen
dient der Druck der Stabilisierung.
Abb. 2.1: Pflanzenzelle mit Zellorganellen; ER = Endoplasmatisches Retikulum
Seite 15 / 60Zertifikatslehrgang - Modul 1: Biologie & Mechanik - Biologie der Bäume
2.1.2. Bildungs- & Dauergewebe
Unterschiedliche Pflanzenorgane sind aus verschiedenen Gewebetypen aufge-
baut, die ihrerseits ebenfalls aus verschiedenen Zelltypen bestehen. Gewebe
sind also Zellverbände, die eine gemeinsame Funktion und/oder Struktur
aufweisen. Organe wiederum können aus mehreren Gewebetypen bestehen,
deren Gesamtheit eine spezifische Funktion erfüllt.
Übergeordnet kann man zwischen Bildungsgeweben (Meristeme) und
Dauergeweben unterscheiden.
Bildungsgewebe
Bildungsgewebe, auch Meristeme genannt, zeichnen sich durch (theoretisch
unbegrenzt) teilungsfähige Zellen aus. Hier werden neue Zellen für das
Pflanzenwachstum gebildet. Es können drei Formen unterschieden werden:
Primäre Meristeme – Apikalmeristeme
Sie befinden sich oberirdisch an den Enden von Sprossspitzen und
Seitensprossen, wie auch unterirdisch an den Wurzelspitzen und
dienen dem Längenwachstum der Pflanze. Sie leiten sich aus
embryonalen Zellen ab (Initialzellen) und befinden sich, während der
Vegetationsperiode, permanent im Teilungszustand. Durch
Differenzierung werden hier ebenfalls Abschluss-, Leit- und
Grundgewebe angelegt.
Sekundäre Meristeme – Lateralmeristeme
Sie werden auch als Folgemeristeme bezeichnet, da sie aus
Dauergeweben hervorgehen deren Zellen die Teilungsfähigkeit
wieder erlangt haben. Man findet sie bei Pflanzen mit sekundärem
Dickenwachstum in Stamm und Wurzeln. Es werden das Kambium,
welches nach innen sekundäres Xylem und nach außen sekundäres
Phloem bildet, und das Korkkambium, das nach außen Korkzellen
und nach innen Parenchymzellen bildet, unterschieden.
Tertiäre Meristeme – Restmeristeme
Hierbei handelt es sich um teilungsfähige Zellen, die nach der
Ausdifferenzierung des Urmeristems erhalten geblieben sind (z.B.
Perizykel).
Seite 16 / 60Zertifikatslehrgang - Modul 1: Biologie & Mechanik - Biologie der Bäume
diploide Zygote, aus der durch wiederholte mitotische Teilungen ein neuer
Organismus heranwachsen kann.
Umwelteinflüsse, Stoffwechselstörungen oder das Einwirken von Giften (z.B.
Colchizin) können bewirken, dass sich Zellen nach erfolgter Kernteilung nicht
weiter teilen. So entstehen Zellen mit einem vervielfachten Chromosomensatz
(Polyploidie), die je nach Vervielfältigungsgrad als tri-, tetra-, hexa-, usw. -ploid
bezeichnet werden. Derartige Chromosomenanomalien haben unterschiedliche
Auswirkungen auf einen Organismus, z.B. können sie eine bessere Vitalität oder
Ertragsleistung bewirken, sie können aber auch Sterilität bewirken.
2.2. Grundorgane
Alle Sprosspflanzen haben einen gemeinsamen Bauplan,
der sich aus drei Grundorganen (Wurzel, Sprossachse,
Blatt) zusammensetzt. Diese können, als Anpassung an
spezielle Umweltbedingungen, in verschiedenartigen
Abwandlungen ausgebildet sein und sind so für den
Formenreichtum von Pflanzen mitverantwortlich.
2.2.1. Wurzel
Wurzeln wachsen primär im Boden und können dort
enorme Ausbreitungen erreichen. Sie sind in der Regel
radiärsymmetrisch aufgebaut und besitzen keine Blätter,
Chlorophyll oder Spaltöffnungen. Leitgewebe sind in Form
zentraler Leitbündel (Zentralzylinder) ausgebildet. Der von
Wurzeln durchwachsene Raum im Boden wird als
Rhizosphäre bezeichnet.
Funktionen
• Aufnahme von Wasser und Nährstoffen
• Leitung von Wasser, Nährstoffen, Assimilaten Abb. 2.2: Grundbauplan einer
und Reservestoffen Blütenpflanze
• Speicherung von Nähr- und Reservestoffen
• Verankerung und Befestigung des Sprosses im Boden
• Etablierung am Standort (z.B. durch Wurzelausscheidungen)
Seite 21 / 60Zertifikatslehrgang - Modul 1: Biologie & Mechanik - Biologie der Bäume
Primärer und sekundärer Aufbau
Primär können von der Wurzelspitze an 3 Regionen unterschieden werden:
Zellteilungszone Apikalmeristem mit schützender
Wurzelhaube (Calyptra). Durch das
Verschleimen und Ablösen von
Calpytrazellen wird das Eindringen der
Wurzeln in den Boden erleichtert.
Streckungszone Hier wachsen die embryonalen Zellen
und beginnen mit der Differenzierung.
Differenzierungszone „Wurzelhaarzone“ – hier erfolgt die
Aufnahme von Wasser- und
Nährstoffen, die Zellen haben ihre
Differenzierung beendet.
Die Wasser- und Nährstoffaufnahme ist nicht im gesamten Wurzelbereich
gleichermaßen möglich. Lediglich die Spitzen der kurzlebigen Feinwurzeln
bilden eine, wenige Zentimeter lange, Rhizodermis mit Wurzelhaaren
(Absorptionsgewebe ohne Cuticula) aus, die
effizient Wasser und Nährstoffe aufnehmen
können. Durch die Ausbildung zahlreicher
Seitenwurzeln kann die absorbierende Ober-
fläche erhöht werden. Außerhalb der
Wurzelhaarzone nimmt die Exodermis den
Platz der Rhizodermis in der Funktion eines
Abschlussgewebes ein.
Die Rinde macht den größten Teil einer
Wurzel aus. Sie besteht aus großen,
parenchymatischen Zellen mit großen
Interzellularräumen und dient hauptsächlich
der Speicherung von Reservestoffen.
Der Zentralzylinder ist aus
parenchymatischen Zellen (Mark, Mark-
strahlen), den Leitbündeln und gegebenen-
falls Festigungsgewebe aufgebaut. Er wird
durch den Perizykel von der Wurzelrinde
abgegrenzt, dem Entstehungsort der
Seitenwurzeln. Die Leitbündel des Xylems
sind in der Wurzelspitze oft sternförmig
angeordnet, während sich die Leitbündel des
Phloems dazwischen anordnen. Im Laufe
der Differenzierung ordnen sich die
Abb. 2.3: Wurzelspitze einer Feinwurzel Seite 22 / 60Zertifikatslehrgang - Modul 1: Biologie & Mechanik - Biologie der Bäume
Leitbündel neu an, um Anschluss an die Leitungsbahnen der Sprossachse
zu finden und um zu sekundärem Dickenwachstum fähig zu sein.
Betrachtet man den Querschnitt etwas genauer, fallen Wandverdickungen in der
Endodermis auf, die als Caspary-Streifen bezeichnet werden. Durch die
Einlagerung von Korkstoff (Suberin) wird eine Zellwandsperre gebildet, die den
freien Diffusionsraum gegen den Rest der Wurzel abgrenzt. Die Endodermis und
die Caspary-Streifen verhindern in der Wurzel somit die unkontrollierte Diffusion
von Wasser und
Nährstoffen in die
Leitungsbahnen.
Abb. 2.4: Querschnitt der Wurzelhaarzone
Wasseraufnahme
Wurzeln können Wasser auf zwei verschiedene Arten aufnehmen und
zum Leitgewebe führen:
apoplastisch Wasser diffundiert in den Interzellularräumen
symplastisch Wasser wird durch einen osmotischen
Gradienten über die Rindenzellen geleitet
Abb. 2.5: Wasseraufnahme in der Wurzelhaarzone
Seite 23 / 60Zertifikatslehrgang - Modul 1: Biologie & Mechanik - Biologie der Bäume
Sekundär müssen auch Wurzeln, durch das Dickenwachstum bedingt, neue
Abschlussgewebe ausbilden. Diese werden vom Perizykel gebildet,
nachdem die primäre Wurzelrinde abgesprengt wurde und das Korkkambium
mit der Ausbildung einer Borke begonnen hat. Bis auf den zentralen
Wurzelbereich gleichen Wurzeln in diesem Stadium in ihrem Aufbau stark
dem Spross.
Die Wurzel folgt dem Prinzip des geringsten Widerstandes, das
heißt, dass Räume erschlossen werden, in welchen der Luft- und
Gasaustausch leicht möglich ist und Wasser ohne Probleme
aufgenommen werden kann. Entgegen der weit verbreitenden
Meinung können Wurzeln nicht „bohren“.
Wurzelsysteme
Alle Wurzeln einer Pflanze ergeben gemeinsam das Wurzelsystem. Welche
Ausbreitung dieses System erreichen kann hängt nicht nur von der Pflanze
selbst ab, sondern ebenfalls von Faktoren wie Feuchtigkeit, Temperatur und
anderer Eigenschaften des Bodens.
Grundsätzlich können zwei Bewurzelungstypen unterschieden werden:
Homorrhizie
„Gleichwurzeligkeit“ - homogenes Wurzelsystem (sprossbürtige,
morphologisch gleichwertige Seitenwurzeln)
meist geringe Bodentiefen, guter Schutz gegen Bodenerosion
Ein- und zweikeimblättrige Pflanzen
Allorrhizie
„Verschiedenwurzeligkeit“ - heterogenes
Wurzelsystem (ausdauernde
Hauptwurzel mit Seitenwurzeln)
Zweikeimblättrige Pflanzen,
Gymnospermen
Der Wurzelstock ist der Übergangsbereich vom
Wurzel- zum Sprosssystem. Bei allorrhizer
Bewurzelung ist dieser wesentlich stärker und
stabiler ausgeprägt als dies bei homorrhizer Bewurzelung der Fall ist. Unter
anderem deshalb können solche Pflanzen höheren (Wind-) Belastungen
standhalten.
Seite 24 / 60Zertikatslehrgang - Modul 1: Biologie & Mechanik - Mechanik & Statik
4
Mechanik & Statik
Autor:
Baumpartner Arboristik GmbH: Remy Gschwandtner
Die Erarbeitung der
Lehrgangsunterlagen ist mit viel
Aufwand verbunden und wir
bedanken uns im Namen der
Autoren, dass Sie diese nicht
vervielfältigen. Für Fragen
können Sie sich gerne an uns
wenden und wir bemühen
uns um faire Lösungen.
Seite 1 / 39Zertifikatslehrgang · Modul 1 - Biologie & Mechanik · Mechanik & Statik
Inhalt
1. Allgemein................................................................................................5
1.1. Der Baum als Leichtbaukonstruktion....................................................5
2. Baumstatik..............................................................................................7
2.1. Last........................................................................................................8
2.1.1. Windlastanalyse.............................................................................................8
2.2. Material & Form...................................................................................10
2.2.1. Material.........................................................................................................11
2.2.2. Festigkeit......................................................................................................18
2.2.3. Form.............................................................................................................21
2.3. Verankerung im Boden.......................................................................23
2.3.1. Physikalische Eigenschaften des Bodenmaterials......................................24
2.3.2. Die Eigenschaften des Wurzelsystems.......................................................25
2.3.3. Modelle der Baumverankerung....................................................................25
3. Dynamische Betrachtungen...............................................................30
3.1. Frequenzen.........................................................................................30
3.2. Dämpfung............................................................................................31
3.3. Allometrie.............................................................................................32
3.4. Baumdynamische Modelle..................................................................33
3.5. Das Kippverhalten im Wind.................................................................34
3.6. Kronenverkleinerung zur Lastreduktion..............................................35
3.7. Praktische Anwendungen baumstatischer Ansätze............................36
4. Verzweigung & Astanbindung............................................................37
4.1. Astanbindung des gesunden Astes....................................................37
4.2. Dürräste & Astlöcher...........................................................................38
4.3. Steilast.................................................................................................38
4.4. Grünastbruch / Spontanbruch.............................................................38
4.5. Zwiesel................................................................................................39
4.5.1. U-Zwiesel.....................................................................................................39
4.5.2. V-Zwiesel.....................................................................................................39
Seite 3 / 39Zertifikatslehrgang · Modul 1 - Biologie & Mechanik · Mechanik & Statik
1.�Allgemein
Mechanik ist ein Teilgebiet der Physik und wird von den Naturwissenschaften
und den Ingenieurwissenschaften herangezogen, um die Bewegung von Körpern
und die dabei wirkenden Kräfte zu erklären. Dies geschieht anhand von
Naturgesetzen, die es erlauben, beobachtbare Ereignisse mit hoher Präzision zu
erklären und vorherzusagen. So konnte Isaac Newton, der Legende nach
inspiriert durch einen Apfelbaum, eine Erklärung für die Anziehung von Massen
und in Folge auch für die Schwerkraft auf der Erde finden. Auch das Wachstum
und der Bestand von Bäumen unterliegen natürlichen Gesetzmäßigkeiten.
„Trees can´t violate the laws of physics“ [James K.; 2010]. Beim Versuch, Bäume
zu verstehen, ist es demnach essentiell diese Gesetze zu kennen, auch wenn
die Komplexität biologischer Vorgänge selten mit den bekannten Methoden und
Naturgesetzen vollständig erklärt werden kann. Biologen müssen damit leben,
dass sie das Leben nur bis zu einem gewissen Maß beschreiben können, sie
formulieren in der Regel keine Naturgesetze, doch versuchen auch sie die
Phänomene natürlichen Lebens möglichst präzise zu beschreiben.
Mechanik hilft der Baumbiologie, eine Vielzahl an Lebensbedingungen zu
verstehen. Dieses Kapitel beschränkt sich auf einige für Arboristen essentielle
Modelle wie Bäume dem Bruch oder Wurf entgegenwirken.
Ein Baum ist eine Konstruktion, die den physikalischen Gesetzen unterworfen ist.
Es ist somit notwendig, statische Eigenschaften und Regeln an Bäumen
anzuwenden, um zu verstehen, wo welche Kräfte auf sie wirken. Durch das
ständige, vom jungen bis zum adulten Baum andauernde Höhenwachstum ist
der Baum gezwungen, auch seinen Umfang laufend zu vergrößern, um den
einwirkenden Kräften entgegenzuwirken. Später stagniert das Höhenwachstum
und der Baum baut durch das obligat fortlaufende Dickenwachstum statische
Reserven auf.
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Dort wo es die Umweltbedingungen ermöglichen dominieren Bäume das
Landschaftsbild, da ihnen der verholzte Spross ermöglicht, der Konkurrenz
niedrigerer Pflanzen zu entwachsen und ihre Blätter in optimaler Position zu
entfalten. Die Meristeme liegen dabei so, dass alljährlich eine neue Holzschicht
den Baum umhüllt. Jeder Baum muss um zu überleben jährlich einen neuen
Jahrring bilden und wird dadurch dicker. Doch die Menge des Holzanbaues und
dessen Eigenschaften sind nicht gleichmäßig oder zufällig am Baum verteilt,
sondern variieren mit den Anforderungen. Gerade junge Bäume streben häufig
Seite 5 / 39Zertifikatslehrgang · Modul 1 - Biologie & Mechanik · Mechanik & Statik maximal in die Höhe und beschränken ihr Dickenwachstum auf das für eine Etablierung am Standort notwendige Minimum. Das Axiom der Konstanten Spannungen [Mattheck C, Breloer H.; 1993] beschreibt eine gleichmäßige Verteilung der Spannungen über den Baumstamm. Steigen die Spannungen, so gleichen Bäume das mit vermehrtem Wachstum wieder aus. Der vollholzige Stamm ist dort am stärksten, wo es zu den größten Belastungen kommt, zum Beispiel am Stammfuß oder im Bereich einer Verzwieselung. Haben sich Bäume am Standort etabliert, stellen sie ihr Höhenwachstum weitgehend ein und die Belastungen verändern sich kaum mehr. Dennoch gibt es jährliche Zuwächse und die Leichtbauweise weicht einem massiven Stamm mit hohen Reserven und gleichmäßigen Wachstum. Erst durch veränderte Lebensbedingungen oder Schädigungen kommt es an Orten erhöhter Spannungen wieder zu verstärktem Dickenwachstum, was zu Symptomen führt, die von erfahrenen Arboristen erkannt und bewertet werden können. Seite 6 / 39
Zertifikatslehrgang · Modul 1 - Biologie & Mechanik · Mechanik & Statik
2. Baumstatik
Die Baumstatik beschäftigt sich mit dem Gleichgewicht der Kräfte, die auf einen
ruhenden Baum einwirken. Bäume versagen dann, wenn die auftretenden
Belastungen die Stärke der Strukturen oder der Verankerung überschreiten. Es
mag absurd klingen, Bäume im Sturm als ruhende Körper zu betrachten. Doch
genau am Punkt der maximalen Auslenkung, bevor er wieder zurück in eine
entspanntere Position zurückschwingt, befindet sich der Baum für einen kurzen
Moment in weitgehender Ruhe [Nielson C., 1990].
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�
„Statik und Festigkeitslehre von Bäumen beruhen auf dem Prinzip der Waage. Der
äußeren Belastung – beispielsweise durch Wind, Schnee, Eis oder
Exzentrität – wirken die inneren
Widerstandskräfte entgegen, z.B. die
Verankerungskraft des
Wurzelfundaments und die
Holzfestigkeit in Verbindung mit der
Geometrie des Querschnittes. Durch
den Vergleich der Last- und
Kraftgrößen ergeben sich Aussagen
zur Stand- und Bruchsicherheit“
[Sinn G.; 2003]
Seite 7 / 39Zertifikatslehrgang · Modul 1 - Biologie & Mechanik · Mechanik & Statik
2.1. Last
Nach jedem stärkeren Sturm wird schnell klar, weshalb Windkräften bei der
Stabilitätsbeurteilung von Bäumen die höchste Beachtung geschenkt werden
sollte. So kommt es zwar auch durch Eis, Schnee und dem Eigengewicht zu
Schäden an und durch Bäume, doch dominieren die Auswirkungen durch
Stürme. Häufig liegt in der Stabilitätsbeurteilung der Fokus auf Bildern des
Holzquerschnittes oder dem Zustand des tragenden Holzes, während auf die
Einschätzung von Windlasten weitgehend verzichtet wird. Da die Windlast jedoch
extrem streut [Wessolly L., Erb M.; 1998], ist eine Stabilitätsbeurteilung ohne
deren Berücksichtigung meist völlig wertlos.
„Winddruck sowie Form und Größe der Baumkrone entscheiden über die Kraft,
welche auf die darunterliegenden „Hebelarme“ wirkt. Dabei verringert sich bei
größeren Windstärken der Staudruck durch den veränderten Windwiderstands-
beiwert – dem Cw-Wert der Baumkrone, durch Wegdrehen der Blätter, Neigung
der Äste usw. Durch diese Verringerung der Windangriffsfläche verringert sich
der Druck auf die Baumkrone auf rund 1/3 der rechnerischen Last“. [Sinn G.;
2003]
2.1.1. Windlastanalyse
In Windlastanalysen wird versucht, die, durch den Baum ausgekämmte,
Windenergie bei einem Starkwindereignis zu berechnen und in einem
Windlastschwerpunkt zusammenzufassen. Dabei geht man in Anlehnung an die
Baustatik vor und betrachtet Bäume als mit dem Boden verwobene Segel auf
sich verjüngenden Masten.
Wind wirkt auf Bäume durch seine Geschwindigkeit, seine Beschleunigung und
seinen Impuls. Zusammengefasst können Windkräfte an Bäumen als wechselnd
beschleunigende und abbremsende Strömungen eines, in Dichte und Richtung
variablen, fluiden Mediums betrachtet werden. Diese werden immer wieder von
Böen überlagert. Das ist kompliziert, weshalb Berechnungen meist unter
Zuhilfenahme von Software vorgenommen werden. Das Verständnis der
wesentlichen Aspekte ist jedoch essentiell für deren Interpretation und für viele
Entscheidungen in der täglichen arboristischen Praxis.
Kronenfläche (A)
In der Baumstatik betrachtet man die Krone als löchriges Segel, das von Luft
durch- und umströmt wird. Anhand der Kronenprojektionsfläche wird ein
höhenabhängiger Winddruck berechnet und in einem Windlastschwerpunkt
zusammengefasst.
Seite 8 / 39Zertifikatslehrgang · Modul 1 - Biologie & Mechanik · Mechanik & Statik
�
Eigentlich ist der Widerstandsbeiwert keine Konstante, sondern hängt von
der Reynold Zahl und der Windschlüpfrigkeit ab. Wenn der Wind an Blättern,
Zweigen und Ästen zerrt, verbiegen sich diese und der Baum wird mit
zunehmender Windgeschwindigkeit windschlüpfriger. Bei starken
Windgeschwindigkeiten nimmt der Effekt der Kronenrekonfiguration jedoch
ab und man behilft sich mit Näherungswerten für typische
Strömungsverhältnisse. Diese sind bei sehr biegsamen Baumarten, wie der
Birke, sehr niedrig (0,1) und bei sparrig verzweigten Baumarten, wie der
Rosskastanie, wesentlich höher (0,35).
Je dichter ein umströmendes Medium ist, desto größer ist die Kraft, die
dadurch übertragen werden kann. Die Dichte von Luft liegt bei ca. 1,25
kg/m³, die von Wasser bei etwa 1000 kg/m³. Man bedenke was es heißen
könnte, wenn große Mengen Wasser, wie bei Starkregen, auf Bäume
zusätzlich einwirken.
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Die Windgeschwindigkeit wird entweder entsprechend den standörtlichen
Gegebenheiten berechnet oder mit 32 m/s angenommen, da hier
erfahrungsgemäß auch gesunde Bäume versagen. Man beachte, dass die
Windgeschwindigkeit zum Quadrat in die Formel (siehe unten) eingeht. Eine
Verdoppelung der Windgeschwindigkeit bedeutet demnach eine achtfache
Windlast.
Der Expositionsfaktor berücksichtigt die Abschattungen durch Bäume oder
Großstrukturen rechnerisch und reduziert die Windlast entsprechend. Ein
Expositionsfaktor von 0,7 würde bedeuten, dass 70% der Windlast auf den
Baum einwirken.
Da Bäume durch den Wind in Schwingung versetzt werden, kommt es zu
Überlagerungen der Schwingungen mit den Böen und damit einhergehend
auch zu größeren Belastungen. Um dieses Wechselspiel zwischen Baum
und Wind in einer statischen Belastung auszudrücken, werden
Böenreaktionsfaktoren berechnet und in die Gleichung eingefügt.
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Windmoment (MB)
Die Summe der Windkräfte wirkt im Lastschwerpunkt, dessen Höhe (h) zur
Berechnung des wirksamen Hebels für das Windmoment herangezogen
wird. Da die Windgeschwindigkeit mit der Höhe stark zunimmt, liegt dieser in
der Regel etwas oberhalb des Flächenschwerpunktes. Setzt man die
beschriebenen Faktoren in die Windlastgleichung ein, kann man ein
Windmoment berechnen, welches an den bemessenen Querschnitten wirkt.
Windlastgleichung:
M B=h∗G∗ex∗cw∗ρ�/2∗v 2∗A
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Auftretende Kräfte am Baum werden durch den Holzkörper in die Verankerung
übertragen. Dabei wird der Baum verformt und schließlich führen die
auftretenden Spannungen zum Versagen, wenn sie jene, denen Material und
Form widerstehen können, überschreiten. Für die Ermittlung der Bruchsicherheit
sind somit zusammenfassend folgende Faktoren wesentlich:
• Wie hoch sind die Belastungen?
• Welche Eigenschaften hat das Holz der Baumart?
• Wie ist die Form bzw. Geometrie des Holzkörpers?
Der wesentliche Vorteil bei der Betrachtung von Bäumen als Konstruktion liegt in
der Selbstoptimierung des Lebewesens Baum. Es wäre natürlich zu kurz
gegriffen, das Wachstum von Bäumen als rein lastgesteuert zu betrachten,
weshalb Bäume auch ohne Schäden instabil sein können. Doch solange sie die
Möglichkeit haben, Schwachstellen zu kompensieren tun sie das! Während
technische Bauteile mit der Zeit abgenutzt werden und regelmäßig gewartet
werden müssen, reagieren Bäume auf den Verlust an Substanz und verstärken
sich durch adaptives Wachstum selbst. Auch allgemein reagiert das
Baumwachstum auf die lokal vorhandenen Spannungen. Druck- und
zugbelastete Holzteile werden unterschiedlich ausgeformt. Dabei wird das sog.
Zugholz bei den meisten Laubbäumen auf der Oberseite von Ästen und der dem
Wind zugewandten Seite (Luv) geneigter Stämme ausgebildet und wirkt so
Zugkräften entlang der Achsen entgegen. Es ist oft heller und glänzender als
Normalholz, enthält mehr Zellulose und weniger Lignin und verfügt über einen
anderen Mikrofibrillenwinkel.
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Die wesentlichen Vorteile eines gewachsenen Bauwerkes sind:
• Vermeidung von Kerbspannungen
• Wachstumsspannungen zur teilweisen Kompensation
• Flexibilität
• Adaptives Reparaturwachstum
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„Holz ist genial“ dieser Werbespruch der österreichischen Holzindustrie mag die
intellektuellen Fähigkeiten von Holz übertreiben, doch umschreibt es dessen
technische Eigenschaften treffend.
Holz ist technisch betrachtet ein Polymer-Faserverbundwerkstoff und als solcher
weder besonders fest noch besonders hart. Im Verhältnis zu seiner geringen
Dichte jedoch praktisch unübertroffen. Da Holz entsprechend den Bedürfnissen
des jeweiligen Baumes ausgeformt ist, variieren dessen Eigenschaften innerhalb
des Baumes, und von Baum zu Baum. Das hat zum Beispiel zur Folge, dass
Fichtenholz im Schnittholzhandel die teuersten (wie Klangholz) und die billigsten
Sortimente (wie Paletten oder Verpackungsholz) stellen.
Diese herausragenden Eigenschaften sind auf die vernetzen Hierarchie-Ebenen
von Holz zurückzuführen.
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Der Grundbaustein des Holzes sind Zellulosemoleküle, die in Mikrofibrillen
mit einem Durchmesser von ca. 2 nm, in einer Matrix aus Lignin und
Hemizellulose eingebettet sind. Dabei stellen die Hemizellulosen eine
Verbindung zwischen den steifen und zugfesten Zellulosefibrillen und dem
druckfesten und brüchigen Lignin her, weshalb häufig ein Vergleich mit
Stahlbeton gezogen wird. Die mechanischen Eigenschaften hängen von der
Struktur und Richtung der Fibrillen ab, dem Grad der Lignifizierung und der
Dicke der Zellwandschichten.
In Holzzellen, wie Tracheiden mit einem Durchmesser von ca. 20 μm,
ordnen sich Mikrofibrillen verschieden an und bilden mehrere Schichten. Von
der Mittellamelle ausgehend finden wir die Primärwand, die, nachdem sie
noch gestreckt wird, einen zufälligen Mikrofibrillenwinkel aufweist. Die
Sekundärwand ist in drei Teile gegliedert, nämlich S1, S2 und S3. Der S2
kommt die größte Bedeutung bezüglich der Belastbarkeit zu, da sie die
dickste Schicht, mit einem günstigen Mikrofibrillenwinkel von 5-30°, für die
Lastaufnahme ist.
In der Makrostruktur sind es die Unterschiede zwischen Kern- und
Splintholz, die Breite der Jahrringe und die Anordnung der Gefäße welche
die mechanischen Eigenschaften wesentlich beeinflussen.
Für die Beurteilung von Bäumen sind folgende Eigenschaften von Holz
wesentlich:
◦ Belastungsrichtung
◦ Wassergehalt
◦ Elastische Eigenschaften
◦ Viskoelastische Eigenschaften
◦ Plastische Eigenschaften
◦ Akustische Eigenschaften
◦ Festigkeit
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