Programmiertes Holz

Holz, das sich selber formt

17.09.2019 | MICHAEL KELLER, ETH ZÜRICH

Forschende der ETH Zürich, der Empa und der Universität Stuttgart stellen eine Methode vor, mit der sich Holzplatten in einem kontrollierten Trocknungsprozess ohne Maschinenkraft in eine zuvor berechnete Form biegen.  

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Bauelemente aus Holz, die sich programmiert selber biegen und krümmen, könnten dem Holzbau zusätzlichen Schwung verleihen. Im Bild: Urbach Turm. Bild: ICD/ITKE University of Stuttgart

Holz ist eine erneuerbare Ressource und als nachhaltiges Baumaterial beliebt. Allerdings fordern komplexere architektonische Entwürfe 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 gewünschte Form pressen.

In einer in Science Advances veröffentlichten Studie zeigen Forschende der ETH Zürich und der Empa 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 Holzbauelemente selber und ohne äussere Krafteinwirkung in eine vordefinierte Form biegen.

Programmierte Krümmung

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.

«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», erklärt 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 nun mit einem Computermodel berechnen, wie sich das Grundbauelement während der Trocknung verformt. Die Forschenden nennen diesen Prozess «Holz-Programmierung».

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Holz-Bilayer werden im feuchten und flachen Zustand mit unterschiedlicher Faser-Orientierung (L, R, T) hergestellt und verkrümmen sich beim Trocknen. Mittels eines Materialmodells lässt sich die Verformung zuvor berechnen. Illustration: Philippe Grönquist / ETH Zürich

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.

Geschwungen himmelwärts: Der Urbach Turm
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Der 14 Meter hohe Urbach Turm besteht aus zwölf Fichtenholz-Paneelen, die wiederum aus mehreren 5 Meter langen Bilayern aufgebaut sind. Bild: CD/ITKE University of Stuttgart

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.

Information

Dr. Markus Rüggeberg
Empa, Cellulose and Wood Materials
Tel. +41 58 765 47 59


Prof. Dr. Ingo Burgert
Empa, Cellulose and Wood Materials / ETH Zürich
Tel. +41 58 765 44 34
ingo.burgert@empa.ch


Redaktion / Medienkontakt

Michael Keller
ETH Zürich, Kommunikation
Tel. +41 44 632 099 6

Cornelia Zogg
Empa, Kommunikation
Tel. +41 58 765 44 54


Literatur

P Grönquist, D Wood, MM Hassani, FK Wittel, A Menges, M. Rüggeberger, Analysis of hygroscopic self-shaping wood at large scale for curved mass timber structures. Science Advances (2019), doi: 10.1126/sciadv.aax1311



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