Rasante Entwicklung und ein neuer Stellenwert

Rasante Entwicklung und ein neuer Stellenwert

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Teaserbild-Quelle: zvg
Holz ist High-Tech und gleichzeitig uraltes Material. Die Rolle des Holzes im 21. Jahrhundert ist eine andere als zur Zeit früherer Generationen. Die Dringlichkeit der Auseinandersetzung mit Ressourcenverknappung, Erneuerbarkeit von Energie und Materialien und der nachhaltigen Bewirtschaftung geben Holz einen neuen Stellenwert: eine Analyse des Stands des innovativen Bauens mit Holz und daraus resultierenden Anwendungen.
 
 
Das Material Holz und der zugehörige Holzbau haben in den letzten Jahrzehnten rasante technische Entwicklungen vollzogen. Die Verwendung von Holz gehört neben dem Glasbau wohl zu den innovativsten Bauweisen der neueren Zeit. Eine der wichtigsten Entwicklungen der Vergangenheit ist aus dem Wunsch entstanden, die bei der Holzverarbeitung anfallenden Reststoffe und Abfälle weiter zu nutzen. Dies führte zur Entwicklung neuer Holzwerkstoffe. Das minderwertige Ausgangsmaterial wird, meist durch den Aufbau mit lageweise ausgerichteten Schichten, zu leistungsfähigen Halbzeugen verarbeitet. Von anfallenden Schälspänen bis zu kleinsten Holzfasern: Die breite Palette der Holzwerkstoffe nutzt das Material nahezu vollständig aus. Bedingt durch die leichte Bearbeitbarkeit des Materials ist die Industrialisierung des Holzbaus weit fortgeschritten. Die guten Möglichkeiten der Werkstattfertigung und das geringe Gewicht des Baumaterials Holz prädestinieren den Holzbau für die Vorfertigung. Zusätzlich weist der Holzbau ein ausgeprägtes Systemdenken auf. Erste Ansätze der amerikanischen Rippenbauweisen, die ausschliesslich standardisierte Holzquerschnitte (two by four inches) verwendeten, wurden aktuell in konsequente Bausysteme überführt, die beispielsweise nach dem Prinzip Hohlkasten- oder Rippenplatten sämtliche Bauteile von Wänden, Decken und Dächern abbilden.

Innovative Forschung

Im Departement Architektur, Holz und Bau der Berner Fachhochschule steht das Zusammenspiel von Architektur, Ingenieurtechnik und Holztechnologie im Zentrum. Der Fokus liegt auf der Entwicklung und Optimierung von Produkten, die auf dem Roh-, Werk- und Baustoff Holz basieren. Unter Zusammenwirkung von Architekten, Bauingenieuren und Holzingenieuren werden ganzheitliche Lösungen für Holzprodukte und Holzbauwerke untersucht. Zurzeit fokussieren sich die Forscher auf die folgenden vier Entwicklungspisten: Formgebung, Adaptivität, Fügen und Materialverbund. Im vorliegenden Artikel wird näher auf die Möglichkeiten in den Bereichen Formgebung und Adaptivität eingegangen. Im zweiten Teil, der im nächsten Heft erscheint, können Sie mehr zu den Themen Fügen und Materialverbund lesen.

Formgebung

Die Bestrebungen, das stabförmig-gerade oder flächig-ebene Holz frei zu verformen, um eine bessere Ergonomie zu erzielen, sind nicht zuletzt aus dem Möbelbau heraus entstanden. Seit den berühmten Sperrholz-Möbeln von Ray & Charles Eames braucht es dazu, wegen der aufwendigen Pressformen, ein standardisiertes Serienprodukt mit (wenn möglich) hoher Auflage. Dies stösst in der Architektur, die durch Einzelanfertigungen oder Klein-Serien geprägt ist, an Grenzen. Durch die Entwicklung der Verfahren und Prozesse im Bereich CAD/CAM scheinen neuerdings Bauprodukte in Losgrösse 1 möglich.
 
Die Entwicklung der Formbarmachung von Holz beginnt beim Baum, der nach der Ernte als Stamm und damit in Stabform vorliegt. Der erste Bearbeitungsschritt des Zersägens liefert wiederum stabförmige Bauteile in Form von Kanthölzern oder Brettern. Der Schritt in die Fläche wurde mit der Entwicklung der Holzwerkstoffe geleistet, die neben den flächigen Grossformaten auch eine Homogenisierung und Vergütung des Materials beabsichtigten. Eine Krümmung oder freie Form solcher flächigen Bauteile bedarf bislang immer einer Schablone oder Urform. Hier setzen Überlegungen an, die auf den von Frei Otto formulierten Prinzipien der Formfindung basieren. Demnach nimmt ein flexibles Material nach Auslösen durch eine äussere Kraft eine definierte Form ein, die von verschiedenen Faktoren wie Dimension oder Materialstärke abhängt. Holz oder Holzwerkstoffe sind nur bedingt flexibel, können aber durch Einschnitte im Material formbar gemacht werden. Hierbei sind verschiedene Verfahren bekannt: ober- und unterseitige Einschnitte für einachsige Krümmungen sowie seitliche Einschnitte für zweiachsige Krümmungen. Daraus entstand der Ansatz, mittels Einschnitten die mögliche Verformung von Plattenwerkstoffen gezielt zu steuern und dabei das Schnittmuster beziehungsweise die Konfektion der Platten mithilfe geeigneter, marktgängiger CAD-Programme zu generieren.Die Verfahren des Einschneidens und der (manuellen) Verformung von flächigen Platten, wurden bisher nur in begrenzten Dimensionen (Grössenordnung Möbelbau) realisiert. Was aber, wenn Bauteilgrösse erreicht werden soll? Der folgende Ansatz zielt darauf, mithilfe von Spanntechniken die Verformung auch für grosse Formate auslösen zu können. Dazu werden Spannkabel entweder in Bohrungen innerhalb des Bauteils oder mittels aufgebrachter Hülsen an den Ober- beziehungsweise Unterseiten desselben geführt. Die Lage des Spannkabels zur Mittelachse des Bauteils muss dabei der Lage der einseitigen Einschnitte im Material entsprechen. Derart ausgerüstet können auch grosse Bauteile (zum Beispiel eingeschnittene Brettsperrholzelemente) mithilfe von Zugkräften gezielt verformt werden. Das Systemverhalten des Spannverfahrens wurde im Rahmen von Experimenten überprüft, wobei sich zeigte, dass die Technik auch zweiachsige Krümmungen ermöglicht: Die ausgelöste Verformung wurde mit Holzleim in den Einschnitten fixiert.

Adaptivität

Das materialspezifische adaptive Verhalten von Holzschindelfassaden bezüglich Feuchtigkeit ist als sogenannter Tannenzapfeneffekt weithin bekannt. Dabei verändern die kleinteiligen Schindeln durch das Quellen und Schwinden bei wechselnder Feuchtigkeit ihre Geometrie und regeln so auf natürliche Weise den Feuchtigkeitshaushalt der äusseren Witterungsschicht. Auf dieser Adaptivität von Fassaden mit natürlicher Steuerung über das Material Holz basieren verschiedene Überlegungen zur Entwicklung anpassungsfähiger Hüllkonstruktionen. Einen Schritt weiter geht der Ansatz, diesen natürlichen Antrieb weiter auszudifferenzieren, indem die Anisotropie von Holz bezüglich Quellen und Schwinden genutzt wird. Dazu werden radial, längs und tangential geschnittene Schindeln untersucht, die wegen des spezifischen Faserverlaufs unterschiedlich reagieren. Allgemein bietet die Neu- und Umbewertung von ehemals negativen Eigenschaften des Materials Holz (Feuchtigkeitsaufnahme, Anisotropie, Verkernung, Alterung) beträchtliches Potenzial, um daraus adaptive Fassaden und Gebäude abzuleiten, welche Kontextsensitivität und Emotionalität verbinden. Im Bereich der Funktionalisierung des Materials ist die mögliche Verkohlung der Holzoberfläche zu nennen, ein Prozess, der sich positiv auf den Wärmedurchgang auswirkt und eine (eventuel erwünschte) elektrische Leitfähigkeit bewirkt. 
 

INFO

Die Aktivitäten der Abteilung Forschung und Entwicklung sind auf die Prozesse im Zusammenhang mit Planen und Bauen, Holzbau und Holzprodukten sowie Geotechnik und Wasserbau fokussiert. Diese Prozesse übernehmen eine Querfunktion durch die drei Kompetenzzentren:
  • Planungs-, Bau- und Fertigungsprozesse mit den Forschungseinheiten Architekturprozesse, Management und Bauprozesse sowie Produktion und Logistik
  • Holztechnik und Verbundbau mit den Forschungseinheiten Werkstoffe und Holztechnologie, Holz- und Verbundbau, Fassadenelemente, Innenausbau und Möbel
  • Naturereignisse und Geotechnik mit der gleichnamigen Forschungseinheit
 
Ergänzend werden drei Masterstudiengänge angeboten, die in enger Zusammenarbeit mit der Abteilung Forschung und Entwicklung weitere Synergien generieren:
  • Joint Master of Architecture mit dem Basisthema nachhaltige Architektur in Holz
  • Master of Engineering in Holztechnik als spezifische Vertiefung in der gesamten Bandbreite des Roh-, Werk- und Baustoffes Holz
  • Master of Science in Engineering als Bauingenieursmaster mit Bezug zum Thema Holz