Bauen mit Holz, das sich selber in Form bringt

Holz ist eine erneuerbare Ressource und als nachhaltiges Baumaterial beliebt. Allerdings fordern komplexere architektonische Entw¨¹rfe mit geschwungenen oder verdrehten Strukturen den Holzbau zusehends heraus. Denn um Holz entsprechend zu verformen, braucht es bislang grosse und energieintensive Maschinen, welche die Bauelemente in die gew¨¹nschte Form pressen.

In einer in Science Advances ver?ffentlichten externe SeiteStudiecall_made zeigen Forschende der ETH Z¨¹rich und der Empa auf, wie man solch aufw?ndige maschinelle Umformungsprozesse k¨¹nftig umgehen k?nnte. Gemeinsam mit Kollegen der Universit?t Stuttgart haben sie einen Ansatz entwickelt, bei dem sich massive Holzbauelemente selber und ohne ?ussere Krafteinwirkung in eine vordefinierte Form biegen.

Programmierte Kr¨¹mmung

Das Verfahren der Selbstformung basiert auf dem nat¨¹rlichen Quellen und Schwinden von Holz in Abh?ngigkeit seines Feuchtegehalts: Trocknet feuchtes Holz, zieht es sich senkrecht zur Faserrichtung st?rker zusammen als l?ngs zur Faser. Das Verziehen ist normalerweise unerw¨¹nscht. 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.

?Wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Bilayers sinkt, schrumpft eine Schicht st?rker als die andere. Da die beiden Schichten fest miteinander verklebt sind, biegt sich das Holz?, erkl?rt Markus R¨¹ggeberg, 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 k?nnen die Wissenschaftler nun mit einem Computermodel berechnen, wie sich das Grundbauelement w?hrend der Trocknung verformt. Die Forschenden 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 ben?tigten Materialst?rken f¨¹r eine praktische Anwendung als Brettsperrholz, welches immer aus mehreren Lagen besteht. Ein derart hergestelltes Holzbauelement bleibt trotz sich ?ndernder Umgebungsfeuchte formstabil.

?Unser Ansatz erlaubt unterschiedliche Kr¨¹mmungsradien und vielseitige Formen. Die Programmierung von Holz er?ffnet damit neuartige architektonische M?glichkeiten f¨¹r dieses regional verf¨¹gbare und nachwachsende Baumaterial?, sagt der Erstautor der Studie, Philippe Gr?nquist, der ebenfalls an beiden Institutionen arbeitet und seine Doktorarbeit diesem Thema gewidmet hat. Die Forschenden haben ihre Methode zum Patent angemeldet.

Geschwungen himmelw?rts: Der Urbach Turm

Dass sich die Technik durchaus f¨¹r 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 f¨¹r die Landesgartenschau im Remstal bei Stuttgart im Mai 2019 in Zusammenarbeit mit Architekten und Ingenieuren der Universit?t Stuttgart und der Schweizer Holzbaufirma Blumer-Lehmann errichtet.