Finite-Elemente-Simulationen und Festigkeitsanalysen von Wurzelverankerungen

Zusammenfassung

Die Mechanik beeinflußt sowohl Form und Größe von optimalen Wurzelverankerungen als auch die Eigenschaften des vom Baum verwendeten Baumaterials.

Für die Simulation von Wurzelverankerungen wurde das Wurzelsystem als natürlicher Faserverbund aus Holz und Erde betrachtet, dessen mechanische Eigenschaften sich mit den Anteilen der beiden Materialien verändern. Die Rechnungen wurden unter der Annahme des Baumes als Kette gleicher Glieder durchgeführt. Berechnungen für unterschiedliche Böden und Lastfälle stimmen dabei mit Ergebnissen einer Feldstudie an über 2000 vom Wind geworfenen Bäumen überein. Die allmähliche Änderung der Materialeigenschaften innerhalb des Wurzel-Erde-Verbundes erwies sich hinsichtlich des Materialaufwandes günstiger als eine Verankerung mit einer massiven, homogenen Wurzel. Durch Anwendung der Optimierungsprogramme CAO und SKO konnte nachgewiesen werden, daß die bei Wurzeln der Sumpfzypresse häufig beobachtete Kniebildung im Gegensatz zu einer verbreiteten Annahme keine mechanischen Ursachen hat. Bei Voruntersuchungen mit dem Resistograph M300 wurde ein signifikanter Einfluß der Probendicke auf die gemessenen Bohrwiderstände festgestellt. Zur Bestimmung der lokalen Holzqualitäten entlang von horizontal verlaufenden Baumwurzeln wurde deshalb das Fractometer III eingesetzt. Festigkeitsmessungen ergaben, daß in der Regel die mechanische Qualität des Holzes mit zunehmendem Abstand vom Stamm abnimmt. Die Wurzeln sind in diesen Bereichen mehr an die Erfüllung ihrer biologischen Funktionen angepaßt.

Finite-Elements-Simulations and Strength Analysis of Root-Anchors

Summary

The shape and size of optimal root-anchors as well as the properties of the building material used by the tree are influenced by mechanical factors.

For the simulation of root-anchors the root system was regarded as a natural fiber composite consisting of wood and soil, for which the mechanical properties change according to the proportions of the two materials. The calculations were made on the supposition that every tree is a chain of equally strong members. Calculations for different soils and different load cases correspond with the results of a field study with over 2000 windthrown trees. Concerning the amount of material the gradual variation of the material properties within the root soil composite proved to be more profitable than a solid, homogenous root. By applying the optimization procedures CAO and SKO to roots of the bald cypress it could be proved, that unlike a common opinion there is no mechanical reason for the development of so-called "knees". In preliminary investigations with the Resistograph M300 there was found a significant influence of the thickness of the specimens on the measured drilling resistance. Therefore the Fractometer III was used to determine the local wood qualities along horizontal roots. Strength measurements showed, that the mechanical wood quality normally decreases with increasing distance from the stem. In these areas the roots are more adapted to the accomplishment of their biological functions.