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Faser und textilbewehrte Formholzprofile

Neues Verfahren steigert die Materialeffizienz von Holz

Beitrag basiert auf Fachartikeln von Prof. Peer Haller, Technische Universität Dresden

Das Forscherteam um Professor Peer Haller am Institut für Stahl- und Holzbau der Technischen Universität Dresden hat ein neues Verarbeitungsverfahren für Holz entwickelt. Das Auftrennen des gewachsenen Baumstamms im Sägewerk führt bislang zu hohen Verlusten und zu vollen Querschnitten, die verglichen mit technischen Profilen geringe Flächenmomente erzielen. Während der Stoffproduzent Wald weltweit zu den günstigsten Stoffproduzenten gehört, geht seine Wettbewerbsfähigkeit bei der Verarbeitung der Stämme zu Querschnitten verloren. Das "Formholz-Verfahren" versteht Holz als schaumstoffartigen Stoff, den man unter Wärme verdichten und bei geeignetem Prozessregime wieder auseinander ziehen und fixieren kann. Auf diese Weise werden massive Pressholzplatten zu Rohren umgeformt, mit denen sich bis zu 80 Prozent Rohholz einsparen lassen. Eine nachträgliche Bewehrung mit Fasern und Textilien erhöht die Tragfähigkeit der Profile und schützt sie vor der Witterung.

Formholzprofile beruhen auf einem neuen Verfahren, das Holz als zellulären Stoff begreift, der unter Wärme verdichtet und bei geeignetem Regime umgeformt und fixiert werden kann. Technologisch betrachtet erfolgt damit erstmalig die Herstellung eines tragenden Querschnitts in einem thermo-hygro-mechanischen Prozess; konstruktiv betrachtet rückt das Profil von den Vollquerschnitten aus Schnitt- und Leimholz ab. Faser- und textilbewehrte Formholzprofile greifen die Vorstellung von Ingenieuren und Architekten auf. Ihr Querschnitt ist materialeffizient und verfügt über eine hohe spezifische Tragfähigkeit und Steifigkeit, die durch die Faserbewehrung in weiten Grenzen maßgeschneidert werden kann. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit dem Institut für Textilmaschinen und textile Hochleistungswerkstofftechnik ermöglicht dem Holzbau in Dresden die Verstärkung mit form- und beanspruchungsgerechten textilen Strukturen aus Glas-, Kohle-, Aramid- und Naturfasern, die mit synthetischen Harzen aufgebracht werden. Der Verbund zwischen Holz und Kompositen führt zu neuen konstruktiven Möglichkeiten in Architektur, Bauwesen, Leichtbau.

Formholz-Verfahren

Das Sägewerk ist erster und wichtigster Schritt bei der Bereitstellung von Querschnitten und bestimmt durch seinen Verschnitt wesentlich den Stofffluss und die Preisstruktur von Holzwerkstoffen. Die Eindimensionalität dieser Technologie favorisiert mit Blick auf die Ausbeute wiederum "eindimensionale" Baumarten, was im Zuge von Wiederaufforstungen den Nadelbäumen, insbesondere der Fichte, den Vorzug gegenüber den standorttypischen Laubbäumen wie Eiche und Buche gegeben hat. Formholz stellt dagegen geringe Anforderungen an die Waldmaße und unterstützt somit den naturnahen Waldbau. Es können alle heimischen Baumarten und selbst Bestandteile der Kronen verwertet werden. Dabei sind Nadel- und Laubhölzer gleichermaßen geeignet. Die Rohholzeinsparung beläuft sich auf bis zu 80 Prozent, wobei 50 Prozent auf die Vermeidung des Verschnitts im Sägewerk und der Rest auf das Profil entfallen.

Bei dem neuen Verfahren werden Bohlen erwärmt, gepresst, zu Platten verleimt und diese anschließend zu Rohren umgeformt. Das Holzgefüge besteht aus dünnwandigen Zellen. Dasjenige von Nadelholz hat beispielsweise ein Porenvolumen von etwa 60 Prozent. Wird es jedoch erhitzt und quer zur Faser verdichtet, schließen sich die Zellen, ohne dass die Zellwände brechen. Das so entstandene Pressholz weist eine deutlich höhere Dichte und Festigkeit auf. Von nicht geringerer Bedeutung, aber derzeit ohne technische Nutzung, ist die Tatsache, dass die Verdichtung unter Zufuhr von Wärme und Feuchtigkeit zum Umformen genutzt werden kann, wobei die Zellen teilweise wieder auseinander gezogen werden. Auf diese Weise sind alle abwickelbaren Geometrien in beliebigen Längs- und Querabmessungen herstellbar. Der Krümmungsradius an der Innenseite hängt vom Grad der vorherigen Verdichtung ab und sollte als Faustwert die Plattendicke nicht unterschreiten. Grundsätzlich können auch nicht-abwickelbare - also mehrfach gekrümmte - Formschalen hergestellt werden. Allerdings ist hierzu ein anderes Verfahren anzuwenden, das von biaxial verdichteten Hirnholzplatten ausgeht. Formschalen können im Gegensatz zu Formholzprofilen nur selbst tragend eingesetzt werden.

Forschung und Anwendung

Das Verfahren ist patentiert und wird seitdem am Institut für Stahl- und Holzbau erforscht. In zwei vom BMWi geförderten Industrienetzwerken entwickeln momentan rund 30 Partner aus Industrie und Forschung das Verfahren weiter, arbeiten an neuen textilen Bewehrungen, alternativen Profilen und Formen. Ziel beider Forschungsfelder ist es, Holz neue Anwendungsgebiete zu erschließen, die tragend, führend oder dekorativ sein können. Große Nachfrage und vielfältige Einsatzgebiete werden im Bauwesen, in der Architektur sowie im Leicht- und Möbelbau erwartet. Als Beispiele können Stützen, Masten, Träger, Leitungen, Behälter, Fassaden, Schalen uvm. genannt werden. Ein weiteres Einsatzgebiet könnten auch Erdbeben gefährdete Gebiete sein.

Bislang wurden die Holzrohre in kleinen Mengen im Labor hergestellt, voraussichtlich Ende 2011 geht nun aber eine erste Produktionsanlage mit einer Kapazität von etwa 100.000 Rohre pro Jahr in Betrieb.

Umweltbilanz

Ein besonders positiver Aspekt des Formholzes ist seine gute Umweltbilanz. Holz ist ein nachwachsender Rohstoff und darüber hinaus CO2-neutral. Als besondere Genugtuung empfindet Haller, den zentralen Herausforderungen seiner Zeit Klima, Umwelt und Nachhaltigkeit mit einer besseren Verwendung des Holzes zu begegnen. Wälder sind nicht nur einer der größten, sondern auch einer der billigsten Stoffproduzenten der Erde, und es ist schwer einzusehen, dass ein Rohstoff, der auf etwa einem Drittel der Fläche unseres Landes mit Hilfe von Sonnenenergie nachwächst, von Materialien preislich unterboten werden kann, zu deren Herstellung wir sehr viel Kapital und Energie aus fossilen Rohstoffen benötigen.

Die Umweltleistung eines faserbewehrten Formholzrohres ist wegen seiner weit geringeren Masse besser als diejenige eines Brettschichtholzes gleicher Tragfähigkeit; das Formholzrohr ist jedoch wesentlich vielfältiger einsetzbar. Der Vergleich mit Stahl und Stahlbeton spricht eine noch deutlichere Sprache.

Auszeichnungen

Das neue Formholzverfahren wurde im Februar 2010 mit dem "IKU-Innovationspreis für Klima und Umwelt" in der Kategorie "Umweltfreundliche Technologien" ausgezeichnet. Am 1. Juli 2011 wurden "Extrastabile Formholzprofile" als "Ort im Land der Ideen" in der Kategorie "Umwelt" der Initiative "Deutschland - Land der Ideen" präsentiert. 

Weitere Informationen finden Sie hier 

Bildrechte: Technische Universität Dresden, Institut für Stahl- und Holzbau

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