Holz: Die perfekte Biegung

Holz zählt zu den ältesten Baustoffen der Welt. So wurden im Lauf der Jahrhunderte unterschiedliche Methoden und Verarbeitungstechniken entwickelt, um es in die gewünschte Form zu bringen und seine technischen Eigenschaften zu beeinflussen.

Mathematik des Holzes

Vor allem jene, sich bei Feuchtigkeit auszudehnen und beim Trocknen zusammen zu ziehen. Dieser Prozess passiert allerdings nicht willkürlich, sondern innerhalb genauer Parameter. Bereits vor rund 100 Jahren wurde eine mathematische Formel gefunden, mit der sich das Biegeverhalten von Holz berechnen lässt.

Genutzt wurde dieses Wissen bisher vor allem dazu, Verformungen zu verhindern. Etwa bei der Herstellung von Sperrholzplatten. Wollte man speziell gebogenes Holz, setzt man bis jetzt auf Hitze. Diese löst das Lignin im Holz auf, so, dass schwere Maschinen die Teile in die gewünschte Form pressen können. Bekanntestes Beispiel dafür ist das von Michael Thonet um 1830 entwickelte Bugholz-Verfahren.

Programmiertes Holz

Könnte man aber nicht auch das feuchtigkeitsbedingte Quellen und Schwinden gezielt nutzen, das Holz also quasi „programmieren“, damit es die gewünschte Form von selbst einnimmt? Dieser Frage gingen Markus Rüggeberg und Philippe Grönquist, Forscher der Abteilung Cellulose and Wood Materials an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) im Rahmen eines Innosuisse-Projekts gemeinsam mit dem Holzverarbeitungsunternehmen Blumer-Lehmann und dem Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung der Universität Stuttgart nach.

„Das Prinzip ist eigentlich einfach. Es müssen nur zwei Holzschichten zusammengeklebt werden“, sagt Rüggeberg. Wenn sich der Feuchtigkeitsgehalt ändert, quillt oder schrumpft die eine Schicht, während die andere starr bleibt.

Da jedoch beide Lagen fest miteinander verbunden sind, biegt sich das Holz. In welcher Richtung das passiert, hängt im Wesentlichen von der Anordnung der Holzfasern in den Schichten ab. Liegen sie im 90-Grad-Winkel quer zueinander, krümmt sich die Platte wie ein Kipferl. Bei einer 45-Grad-Ausrichtung verdrillt sich das Holz spiralförmig.

Daneben spielt auch die Holzart eine wichtige Rolle. Buche hat etwa einen sehr hohen Quellungskoeffizienten, Kiefer einen vergleichsweise geringen.

Natürliches Verhalten nutzen

Um diesen Effekt allerdings für architektonische Anwendungen zu nutzen, bedarf es freilich etwas mehr. Recht komplexer Berechnungsmethoden nämlich.

So mussten gar materialspezifische, computergestützte mechanische Modelle entwickelt werden, um die genaue Anordnung für unterschiedliche Krümmungstypen und Radien zu planen. „Nun können wir sogar voraussagen, wie stark sich große Holzelemente unter Einwirkung von Feuchtigkeit krümmen“, so Grönquist , der seine Doktorarbeit zu diesem Thema verfasst hat.

Damit waren die Voraussetzungen für das erste Bauwerk aus selbst formendem Holz gegeben: Einem in sich verdrehten Turm.

Grundlage des von Prof. Achim Menges und Dylan Wood vom Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung der Universität Stuttgart entworfenen Turms mit dem besonderen Dreh sind  5 x 1,2 Meter große Bilayer aus Schweizer Fichte, deren Feuchte und Schichtaufbau auf die gewünschte Form ausgerichtet wurden.

Nach dem Trocknen wurden mehrere der exakt nach Plan gebotenen Platten miteinander laminiert, um eine weitere Verformung zu verhindern und den einzelnen Elementen die nötige Wandstärke und Größe zu verleihen. Insgesamt dauert dieser Prozess gerade einmal 90 Minuten.

Effiziente Holz-Architektur

Der so genannte „Urbach Turm“ besteht aus insgesamt zwölf gekrümmten, 90 Millimeter dicken und knapp 15 Meter hohen Einzelteilen. Die Krümmung ermöglicht eine sehr schlanke und mit nur 38 Kilogramm pro Quadratmeter Turmoberfläche auch sehr leichte Struktur.

Die Verbindung der Leichtbauelemente erfolgte durch kreuzweise angeordnete Vollgewindeschrauben, deren Anordnung und spezifischer Winkel im Bezug auf die Statik des gesamten Bauwerks optimiert ist, wobei eine durchgehende Verbindung entlang der Naht für eine homogene Lastverteilung sorgt.

Die im Werk aus jeweils drei Elementen vorgefertigten Baugruppen wurden von einem Team von vier Handwerkern ohne aufwändige Gerüste und Schalungen an einem einzigen Arbeitstag montiert und durch ein transparentes Dach abgeschlossen.

Die Struktur zeigt die Möglichkeiten einer effizienten, ökonomischen, ökologischen und ausdrucksstarken Holzarchitektur, die an der Schnittstelle von Meisterhandwerk, digitaler Innovation und wissenschaftlicher Forschung entsteht.

Ökonomisch & ökologisch

Die gesamte Prozesskette, vom Schneiden der regionalen Stämme im Sägewerk über die Herstellung der Bilayer, den Trocknungsprozess bis hin zur Endbearbeitung und Vormontage der Baugruppen erfolgt innerhalb derselben Unternehmensgruppe und am gleichen Standort. Dies ermöglicht nicht nur eine nachhaltige und effiziente Produktion, sondern zeigt auch, dass sich das neuartige Biegeverfahren nahtlos in bestehende Holzverarbeitungs- und Fertigungsabläufe integrieren lässt.

„Der Turm zeigt in einzigartiger Weise, welche Innovationen im Holzbau möglich sind“, sagt Rüggeberg und ist überzeugt, dass der „Urbach Turm“ eine Vorbildfunktion hat, um das Interesse von Architekten und Bauherren an dem nachhaltigen und ökologischen Baumaterial weiter zu steigern. 

Etliche Ideen für weitere Bauwerke aus selbst formendem Holz sind bereits vorhanden. Ende des Jahres sollen weitere weitere Ergebnisse rund um das neue Biegeverfahren veröffentlicht werden und auch an der Universität Stuttgart will man weiter daran forschen und hat dafür den Exzellenzcluster „Integratives Computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur“ eingerichtet.

Text: Britta Biron
Fotos: Universität Stuttgart