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Forschung und Entwicklung
Aktuelle Beispiele, bei denen das Verbinden mit und von Holz weitergedacht wurde

erschienen in
Zuschnitt 81 Knoten und Verbindungen, Juni 2021

Die Möglichkeiten des Fügens im Holzbau sind vielfältig. Wir zeigen aktuelle Beispiele aus Forschung und Entwicklung, bei denen das Verbinden mit und von Holz weitergedacht wurde. Sie bereiten den Weg für Materialwirtschaft und Werkstoffoptimierung und treiben Innovation an.

ICD - Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung, Universität Stuttgart/DE

Ineinandergreifende und dem Spannungsverlauf folgende Faseranordnungen in Bäumen sind das Resultat evolutionärer Entwicklungen. Die daraus folgende biologische Variabilität des Werkstoffs Holz wird in der Verarbeitung allerdings als Problem wahrgenommen und ist hinlänglich in Holzfehlerkategorien beschrieben. Die der Holzverarbeitung innenwohnende Auftrennung des Rundholzes und damit die anteilige Zerstörung der Integrität der Faserstruktur wurde zum Beispiel im antiken Schiffsbau in der Fügung von geschnittenen Brettern zum Teil wiederhergestellt, indem Sekundärfaserbündel in vorgearbeitete Nuten und Bohrlöcher eingearbeitet wurden. Mit der erschwinglichen Herstellung von Nägeln und Schrauben gerieten solch originär „genähte“ Verbindungen allerdings in Vergessenheit.

Mit Hilfe von digitalen Fertigungsprozessen können faserförmige Verbindungen heute auf neue Arten hergestellt werden und bieten vor allem im Bau von leistungsfähigen leichten Tragwerken aus Holz interessante Potenziale. Hierbei können Faseranordnungen adaptiv – dem Spannungsverlauf entsprechend – am Computer generiert und in der Vorfertigung durch minimalinvasive Nuten und Bohrlöcher physisch definiert werden. Indem Endlosfasern (z. B. Carbon) eingebracht werden, lassen sich vorgefertigte Holzbauteile effektiv und ohne Verkleben miteinander verbinden. An der Universität Stuttgart konnte dies an Knoten für leichte Segment- und Gitterschalen demonstriert werden. Weiters wurde ein mobiler faserlegender Klein-Roboter entwickelt, der vorgefertigte Nuten für seine Fortbewegung nutzt, während er die Holzbauteile automatisiert verbindet.

Autoren: Achim Menges, Tim Stark, Hans Jakob Wagner

Achim Menges
ICD – Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung
Universität Stuttgart
Keplerstraße 11, 70174 Stuttgart/DE
www.icd.uni-stuttgart.de

IBOIS – Labor für Holzbau, EPFL Lausanne/CH

Das interdisziplinäre Team des Lehrstuhls für Holzkonstruktionen (IBOIS) der École polytechnique fédérale de Lausanne, kurz EPFL genannt, lehrt und forscht unter der Leitung von Yves Weinand mit dem Anspruch, die Nachhaltigkeit im Holzbau mittels fortschrittlicher Berechnungsmethoden und digitaler Technologien zu fördern.

Ein Fokus der Forschungsarbeit lag anfangs auf digital und parametrisch modellierten Holz-Holz-Verbindungen, inspiriert von den Verbindungsarten des traditionellen Tischlerhandwerks – im Speziellen auf origamibasierten Faltkonstruktionen mit integrierten Verbindungen. Der Holzpavillon des Théâtre de Vidy-Lausanne, der 2017 eingeweiht wurde, ist ein anschauliches Beispiel der Umsetzung dieser Forschung. Die dafür entwickelte doppellagige Montagetechnik verwendet zueinander gefaltete Platten, die zugleich Tragstruktur und Außenhülle darstellen und vollständig mittels Holz-Holz-Verbindungen zusammengefügt sind.

Ein weiterer Schwerpunkt konzentriert sich auf einen möglichst materialwirtschaftlichen Einsatz des Werkstoffs Holz. Mit Hilfe von 3D-Laserscannern sammelt das Forschungsteam Informationen über die Arten und die Beschaffenheit von Bäumen in einem bestimmten Waldgebiet. Dieses Scannen ermöglicht es, den lokalen Waldbestand in eine virtuelle Bibliothek einzupflegen, um die Verwendung sowohl hinsichtlich der Auswahl der Bäume als auch der Nutzung des gesamten Baums (gegabelte, krumme oder konische Stämme) zu optimieren und so der Materialvergeudung entgegenzuwirken.

Autor: Violaine Prévost

Yves Weinand
IBOIS – Labor für Holzbau
École polytechnique fédérale de Lausanne
Route Cantonale, 1015 Lausanne/CH
www.epfl.ch/labs/ibois/

DTC – Digital Timber Construction, Technische Universität Kaiserslautern/DE Recycleshell

Können wir mit Hilfe digitaler Technologie aus Abfallstoffen Hightech-Konstruktionen schaffen? Die Herstellung moderner Brettsperrholzwände (BSP) ist sehr effizient, aber es fällt auch eine große Anzahl Reststücke an, beispielsweise wenn Öffnungen für Fenster und Türen ausgeschnitten werden. Diese Ausschnitte sind aus Baumaterial von hoher, zertifizierter Qualität, doch für normale Bauanwendungen sind sie zu klein. Das Projekt Recycleshell verwendet digitale Technologie, um diese kleinen, wertvollen Elemente in leichte Flächentragwerke umzuwandeln, die dank eines innovativen Schnellmontagekonzepts mit Hartholzverbindern anstelle von Metall rasch und präzise vor Ort montiert werden können.

Der Demonstrator ist die erste Holz-Segmentschalenkonstruktion, die ausschließlich mit Holz-Holz-Verbindern konstruiert wurde. Der Prototyp besteht aus 230 planaren BSP-Elementen, seine optimierte Schalenform ist für das Konstruktionssystem entscheidend, weil er die Fugen -zwischen den Elementen überwiegend unter Druck belastet. Die Elementgeometrien und die direkte Ausgabe der CNC-Produktionsdaten wurden mit einem selbstentwickelten CAD-Plug-in entworfen und generiert. Die über tausend individuell berechneten, schrägen Ausfräsungen für die X-fix-Verbinder können nur durch Algorithmen automatisiert werden. Das Konzept „Recycleshell“ ist inspiriert von der Art und Weise, wie die Natur Strukturen entwirft: Material ist teuer, Geometrie ist billig.

Autor: Christopher Robeller

Christopher Robeller
DTC – Digital Timber Construction
Technische Universität Kaiserslautern
Pfaffenbergstraße 95, 67663 Kaiserslautern/DE
www.digitalerholzbau.de

DGJ Architektur GmbH

Für und mit der studentischen Projektgruppe Collegium Academicum baut das Frankfurter Büro DGJ Architektur derzeit Wohnungen für Studentinnen und Studenten auf einer Konversionsfläche in Heidelberg. Dabei kommen erstmals die Ergebnisse des Forschungsprojekts „Holz: Form- und kraftschlüssig“ zur praktischen Anwendung. Wegen des hohen Innovationsgehalts ist das Bauvorhaben Teil der Internationalen Bauausstellung IBA Heidelberg und Modellvorhaben im Förderprogramm Variowohnungen der Forschungsinitiative Zukunft Bau, Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung.

Schon seit einigen Jahren arbeitet dgj Architektur an der Entwicklung von Open Architecture, einem Holzbausystem, das auf traditionellen Zimmermannsverbindungen basiert und bei dem im ganzen Tragwerk der Verbund ohne metallische Verbindungsmittel nur durch form- und kraftschlüssige Elemente hergestellt wird. Entsprechend wurden das Bausystem und das Modellvorhaben so entwickelt, dass sie möglichst zerstörungsfrei zu ändern, rückzubauen und wieder zu verwenden sind. Hier bieten die geometrischen Holz-Holz-Verbindungen einen idealen Ansatzpunkt: Es müssen keine Schraub- oder Klebeverbindungen gelöst werden; die Bauteile lassen sich stattdessen wie Puzzlesteine zusammensetzen und wieder auseinandernehmen. Die Anwendung von Open Architecture ermöglicht somit sowohl die Erhaltung von Bauteilen und Materialien in geschlossenen Stoffkreisläufen als auch die dynamische Anpassung des Gebäudes an sich fortlaufend ändernde Nutzungsanforderungen.

Autor: Hans Drexler

Hans Drexler
DGJ Architektur GmbH
Walter-Kolb-Straße 22, 60594 Frankfurt am Main/DE
www.dgj.eu/forschung/

Timbatec Holzbauingenieure Schweiz AG/ts3 ag

Bauen mit Holz ist in aller Munde und gewinnt deutlich an Marktanteilen. Der Holzbau hatte bislang aber einen Nachteil: die einachsige Tragrichtung des Holzes und die damit notwendigen Unterzüge. Das ist heute anders. Die Technologie Timber Structures 3.0, kurz ts3, ist ein Verfahren, das aus Holz große Flächen generieren kann – ohne die bisher üblichen Querbalken. ts3 verbindet Holzbauteile stirnseitig. Das galt über Jahrzehnte als unmöglich. Zehn Jahre Forschung zusammen mit der Berner Fachhochschule und der ETH Zürich waren nötig, um die Lösung zu finden, ein Verfahren mit einem Zwei-Komponenten-Polyurethan-Gießharz. Dieses Harz verbindet die Holzelemente biegesteif miteinander. Lizenzierte CLT-Hersteller veredeln die Brettsperrholzplatten zu ts3-Platten. Dazu werden die Stirnflächen mit einem Primer vorbehandelt und mit Dicht- und Segmentbändern versehen. Für die Montage und für das Einfüllen des Gießharzes werden verschiedene Bearbeitungen vorgenommen. Nach der Montage der CLT-Platten dichtet ein ts3-Anwendungstechniker die Fugen mit einem Klebeband ab und bringt das Gießharz in die Fugen ein.

Mit der ts3-Technologie können Stützen-Platten-Konstruktionen erstellt werden, wie sie bisher nur in Stahlbeton möglich waren. Die Planung von ts3-Projekten ist jedoch vergleichbar mit der konventioneller Bauten – ein wichtiger Vorteil dieser Technologie. Denn während der Überzeugungsphase müssen Bauprojekte in verschiedenen Materialvarianten weitergeplant werden. Diese Möglichkeit des direkten Vergleichs leistet Überzeugungsarbeit und fördert damit ein Umdenken in der Baubrache – für einen breiteren Einsatz von Holz als Baustoff.

Autor: Simon Meier

Stefan Zöllig
Timbatec Holzbauingenieure Schweiz AG/ts3 ag
Niesenstrasse 1, 3600 Thun/CH
www.ts3.biz

Erschienen in

Zuschnitt 81
Knoten und Verbindungen

Bauen mit Holz heißt Verbindungen schaffen. In diesem Zuschnitt zeigen wir, auf welch vielfältige und teils unerwartete Weise sich Holz fügen lässt und warum Knoten mehr sind als der bloße Zusammenschluss einzelner Teile.

8,00 €

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Zuschnitt 81 - Knoten und Verbindungen

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