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"Programmiertes Holz" - Holz, das sich selber formt

  • "Programmiertes Holz" - Holz, das sich selber formt

    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)

    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.

    (Michael Keller, ETH Zürich)

    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».

    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.

    Donnerstag, 19. September 2019
    Beitrag von EMPA

    Hoch- & Tiefbau