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Der Urbach-Turm auf dem Gelände der Landesgartenschau in Stuttgart. (Foto  ICD/ITKE Universität Stuttgar)

Baumaterial verformen ohne Maschinen

Forscher erfinden natürliche Methode zur Krümmung von Holz

DBU/Berlin – Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich und der Universität Stuttgart stellen eine Methode vor, mit der sich Holzplatten in einem kontrollierten Trocknungsprozess ohne Maschinenkraft in eine zuvor berechnete Form biegen.

Holz ist eine erneuerbare Ressource und als nachhaltiges Baumaterial im Trend. Allerdings fordern komplexere architektonische Entwürfe mit geschwungenen oder verdrehten Strukturen den Holzbau heraus. Denn um Holz entsprechend zu verformen, braucht es bislang große und energieintensive Maschinen, welche die Bauelemente in die gewünschte Form pressen.

In einer in Science Advances veröffentlichten Studie zeigen Forschende der ETH Zürich und der Empa – das Forschungsinstitut für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung. auf, wie man solch aufwändige maschinelle Umformungsprozesse künftig umgehen könnte. Gemeinsam mit Kollegen der Universität Stuttgart haben sie einen Ansatz entwickelt, bei dem sich massive Holzbau-elemente selber und ohne äussere Krafteinwirkung in eine vordefinierte Form biegen. Das Verfahren der Selbstformung basiert auf dem natürlichen Quellen und Schwinden von Holz in Abhängigkeit seines Feuchtegehalts: Trocknet feuchtes Holz, zieht es sich senkrecht zur Faserrichtung stärker zusammen als längs zur Faser. Das Verziehen ist normalerweise unerwünscht. Die Forschenden nutzen diese Eigenschaft hier jedoch gezielt, indem sie jeweils zwei Holzschichten so zusammenkleben, dass ihre Faserungen unterschiedlich orientiert sind. Die „Bilayer“ genannte Holzplatte mit ihrem zweilagigen Schichtaufbau ist der Grundbaustein der neuen Methode.

Forscher berechnen Verformung mit einem Computermodel
„Wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Bilayers sinkt, schrumpft eine Schicht stärker als die andere. Da die beiden Schichten fest miteinander verklebt sind, biegt sich das Holz“, sagt Markus Rüggeberg, der sowohl an der Empa als auch an der ETH affiliiert ist und die Studie geleitet hat. Je nach Dicke der Schichten, Orientierung der Fasern und dem Feuchtegehalt können die Wissenschaftler mit einem Computermodel berechnen, wie sich das Grundbauelement während der Trocknung verformt. Die Forscher nennen diesen Prozess „Holz-Programmierung“. Nachdem ein Bilayer seine Soll-Form eingenommen hat, kann er mit weiteren gleichartig geformten Bilayern verklebt werden, was sich in der Fachsprache „Laminierung“ nennt. Dadurch erreicht das Forschungsteam die benötigten Materialstärken für eine praktische Anwendung als Brettsperrholz, welches immer aus mehreren Lagen besteht. Ein derart hergestelltes Holzbauelement bleibt trotz sich ändernder Umgebungsfeuchte formstabil. „Unser Ansatz erlaubt unterschiedliche Krümmungsradien und vielseitige Formen. Die Programmierung von Holz eröffnet damit neuartige architektonische Möglichkeiten für dieses regional verfügbare und nachwachsende Baumaterial“, sagt der Erstautor der Studie, Philippe Grönquist, der ebenfalls an beiden Institutionen arbeitet und seine Doktorarbeit diesem Thema gewidmet hat. Die Forschenden haben ihre Methode zum Patent angemeldet.

Urbach-Turm ist beispielhaft für die neue Technik
Dass sich die Technik durchaus für groß dimensionierte Holzbauten eignet, zeigt beispielhaft der Urbach-Turm. Es handelt sich dabei um den weltweit ersten Holzbau aus großen sich selbst formenden Elementen. Der 14 Meter hohe, markante Turm wurde als Landmarke für die Landesgartenschau im Remstal bei Stuttgart im Mai 2019 in Zusammenarbeit mit Architekten und Ingenieuren der Universität Stuttgart und der Schweizer Holzbaufirma Blumer-Lehmann errichtet.

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Erschienen in Ausgabe: Seite 10| November 2019

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