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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-69226
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6922/


Structural and mechanical properties of the wood from coconut palms, oil palms and date palms

Strukturelle und mechanische Eigenschaften des Holzes von Kokospalmen, Ölpalmen und Dattelpalmen

Fathi, Leila

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Kokospalme , Ölpalme , Dattelpalme , Struktur und technische Eigenschaften , Leitbündel , Parenchym
Freie Schlagwörter (Englisch): Coconut palm , Oil palm , Date palm , Structure and technical properties , vascular bundles , Parenchyma
Basisklassifikation: 30.30
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Natürliche Ressourcen, Energie und Umwelt
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Frühwald, Arno (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.07.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 13.08.2014
Kurzfassung auf Deutsch: Die botanische Familie Palmen (Arecaceae) umfasst hunderte von Arten. Die wirtschaftlich wichtigsten sind Kokospalme (Cocos nucifera, KP), Ölpalme (Elaeis guineensis, ÖP) und Dattelpalme (Phoenix dactylifera, DP). Nach Angaben der FAO umfassen die plantagenmäßigen Anbauflächen dieser drei Palmenarten derzeit etwa 30 Millionen ha weltweit mit einem potentiellen Nutzungspotential an Stammholz von 150-200 Millionen m3 pro Jahr. Ölpalmen stehen derzeit auf ca. 20 Millionen ha, es wird geschätzt, dass diese Fläche und damit das Stammholzpotential sich in den nächsten Jahren erheblich erhöhen werden. Grundsätzlich kann Ölpalmholz eine wichtige Rolle in der regionalen und globalen Holzversorgung spielen, vor allem in Asien (ÖP, KP), Mittel- und Südamerika (KP, ÖP), Westafrika (ÖP) und im Arabischen Raum (DP).
Der Stamm der drei Palmenarten ist zwischen 10 m und 20 m (25 m) lang, am Stammfuß ca. 40 cm bis 60 cm im Durchmesser mit einer Abholzigkeit von 0.3-0.7 cm/m. Als Monocotylidonen sind Palmen in ihrer Holzstruktur deutlich unterschiedlich zu den „normalen Holzarten“ aufgebaut. Kein Dickenwachstum des Stammes sondern Holzgewebe aus einem Grundparenchym (Matrix) und Leitbündel ergeben erhebliche Dichteunterschiede und erhebliche Unterschiede der mechanischen Eigenschaften innerhalb eines Stammes.
In einem umfassenden Projekt wurden Struktur und technische Eigenschaften des Holzes aus unterschiedlichen Bereichen (\"Zonen\" entlang des Stammdurchmessers und über die Stammlänge) untersucht. Das Untersuchungsmaterial stammte aus Mexico und Indonesien (KP), Thailand (ÖP) und dem Iran (DP).Die Zusammenhänge zwischen physikalischen und mechanischen Holzeigenschaften sowie zwischen Strukturelementen und den physikalisch-mechanischen Eigenschaften wurden ermittelt. Zusätzlich wurden relevante Eigenschaften der Leitbündel wie Anzahl, Größe, Dichte und Zugfestigkeit untersucht.
Die wesentlichen experimentell untersuchten Holzeigenschaften waren:
a) Leitbündel:
Anzahl, Häufigkeit, Durchmesser, Querschnittsform und Querschnittsfläche, Dichte, Lignifizierung, Zugfestigkeit, Zug-Elastizitätsmodul
b) Parenchym:
Anteil am Holzvolumen, Dichte (berechnet)
c) Holz:
Dichte, Dichteverteilung im Stamm, Druckfestigkeit, Zugfestigkeit längs und quer (nur KP Indonesien), Druck-Elastizitätsmodul, Scherfestigkeit (nur KP Indonesien).
Die Ergebnisse zeigen, dass die Dichte und die mechanischen Holzeigenschaften eng mit den Strukturmerkmalen korreliert sind. Für Kokospalmen und Ölpalmen nehmen alle wichtigen Eigenschaften im Stamm von außen nach innen und von unten nach oben hin ab. Deutlich ausgeprägt ist dies für die Dichte und die Festigkeiten. Beides ist korreliert mit dem Anteil der Leitbündel am Holzgewebe (Volumenanteil). Im äußeren Stammbereich sind mehr Leitbündel vorhanden und sie sind größer (Durchmesser, Volumenanteil) als im Stamminneren. Deutlich ausgeprägt ist das im unteren Stammbereich. Obwohl im oberen Stammbereich die Dichte und die mechanischen Eigenschaften deutlich geringer sind als am Stammfuß sind die Anzahl der Leitbündel je Flächeneinheit und ihr Volumenanteil oft höher als am Stammfuß. Allerdings ist die Dichte der Leitbündel oben deutlich geringer als unten im Stamm weil (a) die Durchmesser der Leitbündel kleiner sind, was (b) sich in einem geringerem Flächen-/Volumenanteil der Faserkappen um die Gefäße (Gefäßfläche annähern gleichbleibend) auswirkt und (c) die Zellwände der Fasern dünner sind, weil sie als junge Zellen weit weniger zusätzliche Wandschichten aufgelagert haben (sekundäres Wachstum). Da Dichte und mechanische Eigenschaften eng miteinander und jeweils eng mit der Lage im Stamm korreliert sind, kann jede dieser Eigenschaften (am besten Dichte und Lage im Stamm) als Basis für eine Festigkeitsorientierung des Holzes von Kokospalme und Ölpalme genutzt werden. Ähnlich gute Ergebnisse lassen sich aus dem Flächenanteil der Leitbündel und der Lage des zu sortierenden Holzes im Stamm erreichen.
Während für Kokos- und Ölpalme die statistischen Zusammenhänge Struktur-Lage im Stamm-Dichte-Festigkeit recht gut sind, ist dieses für Dattelpalme nicht der Fall. Ein noch relativ guter Zusammenhang ergibt sich für Dichte und Festigkeiten über den Stammdurchmesser für alle Stammhöhen separat, aber ein solcher/ähnlicher Zusammenhang ergibt sich nicht für die Stammhöhe. Um trennscharf sortieren zu können ist die Kenntnis der Herkunft/Lage im Stamm unbedingt erforderlich.
Grundsätzlich waren die Eigenschaften von Kokosholz aus Indonesien etwas höher als die des Holzes aus Mexico (siehe auch Guzman 1989) und schwankten (Indonesien) für die Dichte zwischen 0.41 und 1.11 g/cm3. Entsprechend ergab sich eine breite Spanne der Festigkeits- und elastischen Eigenschaften. Die Werte für Ölpalme liegen deutlich unter denen von Kokospalmen (Dichte zwischen 0.30 und 0.59 g/cm³), entsprechend liegen auch die mechanischen Eigenschaften niedriger; sie folgen aber ähnlichen Verteilungsmustern innerhalb des Stammes. Für Dattelpalme ergibt sich ein gänzlich anderes Bild: die ermittelten Elastizitäten und Festigkeiten waren in der Übergangszone (central) zwischen äußerer und innerer Zone (peripheral, inner zone) am höchsten; die Dichte ist über den Querschnitt des Stammes wenig unterschiedlich.
Mit den gefundenen Untersuchungsergebnissen und den ermittelten statistischen Zusammenhängen lässt sich für das Holz jeder der drei Palmenarten ein mathematisch-mechanisches Modell entwickeln, das die meisten der Eigenschaften in ihrer Größe und ihrer Variation aus den Grundparametern heraus beschreiben kann. Ein Material-Modell ist erforderlich oder zumindest hilfreich für die Entwicklung von Sortierstrategien und –verfahren für eine Dichte- oder Festigkeitssortierung. Ein solches Modell könnte auch durch zusätzliche experimentelle und statistische Untersuchungen weiterentwickelt werden für die grundlegende Ermittlung von Rechenwerten für eine statistische Bemessung von Tragwerten und Bauelementen sowie für eine Risikoabschätzung für Last-tragende Konstruktionen.
Kurzfassung auf Englisch: Palm trees are a family (Arecaceae) of plants with hundreds of species. Economically most important species are coconut palm (Cocos nucifera), oil palm (Elaeis guineensis) and date palm (Phoenix dactylifera). With the exception of coconut palm wood from palm trees has not been used to a large extend but is available at large volume. According to FAO today oil-, coconut- and date palms cover some 30 million ha with a total stem wood potential of 150-200 million m³ per year. Especially for oil palms planted on 20 million ha today, it is estimated to increase the area and the stem wood volume remarkably during the next years. Generally this wood resource can play an important role in the regional/worldwide wood supply; mainly in Asia, Arabic countries, Africa and Latin America. The stem of the tree (coconut, oil and date palm) is between 10 and 20 (25) m long, has a base diameter of 40-60 cm and a taper of 0.3-0.7 cm/m. Being monocotyledons palms show distinct differences of the wood structure compared to common wood species. No radial growth of the stem and mainly consisting of parenchyma cells and vascular bundles (VB) result in distinct variation of density and mechanical properties.
In a comprehensive PhD project, material from Mexico and Indonesia (coco-wood), Thailand (oil palm) and Iran (date palm) was investigated for structure and technical properties in trunk sections/zones peripheral to the inner zone and along the trunk height. The inter-relationships of the different physical and mechanical properties and in relation to the anatomical characteristics were analyzed. In addition the individual properties of the VB, being the reinforcement elements of palm wood were investigated.
Anatomical, physical and mechanical properties of Mexican and Indonesian coconut palm, Thailand oil palm and Iranian date palm were tested in wide range of laboratory research such as frequency, diameter, area, cross cut area and density of VB and parenchyma (Indonesian coconut wood), lignification and cell structure (Mexican coconut wood), ultimate tensile strength and modulus of elasticity of VB, compression strengths (parallel to grain) of wood, the tensile strength (parallel and perpendicular to grain) (Indonesian coconut wood) and shear parallel to grain (Indonesian coconut wood).
The results indicated that the density and mechanical properties of coconut and oil palm wood are closely related to the anatomical characteristics. All properties (density of wood, frequency of vascular bundles and mechanical properties) increase with the radial distance from the inner to the outer zone of the trunk. The properties density and strength also decrease from the bottom to the top of the trunk. These differences are correlated with the share of VB bundles of the wood volume (volume fraction of VB). In the outer zones vascular bundles are more frequent and bigger in diameter than in the inner zones (especially at trunk bottom). At the top of the trunk, although density and mechanical properties are lower compared to the trunk bottom, the volume fraction of VB –and even more the number- is signficantly higher. But the density of VB at the trunk top is significantly lower compared to trunk base because of (a) the smaller diameter of VB resulting in (b) reduced area fraction of the fiber caps of the VB (vessel area remains almost constant) and (c) thinner fiber cell walls due to younger age of the cells and caused by less additional cell wall layers (secondary growth).
Because density and strength of coconut and oil palm timber is highly correlated with the position within the stem, density and stiffness, any one of these two factors (the best is location+ density) can be used as a basis for grading the timber into different strength classes.
For coconut and oil palm the relationships between the grading indicating properties are at high statistical level whereas with oil palm timber a close correlation exits only across the trunk diameter (at all height levels of the trunk) but not along the trunk. For a good grading an indication is required from what trunk height level (base, middle and top of trunk) the timber was processed.
The characteristics and properties obtained are comparable with literature and material investigated from other parts of the world. The density for coconut ranged from low to high density with 0.41-1.11 g/cm3. The compression strength, tensile strength and shear strength ranged from weak to very strong due to the density variation.
Results for date palm are very much different; there is no significant variation or gradient in density from inner to peripheral zones, also not from base to top. The values for compression strength and the modulus of elasticity in the central zone of the trunk are higher than for the peripheral and inner zones of the trunk.
Using the results of these basic studies it is possible to develop a mechanical model of palm wood (different for the three palm species) in order to explain most mechanical properties from the structure and density of the wood. Such a model is also necessary or at least helpful for the development of timber lumber grading strategies and methods. A timber/lumber simple material model which is then further refined by specific testing and statistical analysis could serve as basis for the development of design values for load-bearing construction and for risk analysis as well.

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