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Holzkuppel als steckbare Schalenstruktur

Dank einer neuen Software, die dafür im Fachbereich Digital Timber Construction DTC unter Leitung von Juniorprofessor Christopher Robeller entwickelt wurde, lassen sich komplexe Bauten und Bauteile aus Holz einfach berechnen, herstellen und aus Einzelteilen wie bei einem Puzzle zusammensetzen. Die Architekten setzen dabei nur auf das Material Holz, andere Baustoffe sind nicht mehr notwendig. Das Computerprogramm berechnet Anzahl und Form der Einzelteile und in welcher Art diese zusammengesetzt werden müssen. Hierbei spielen verschiedene Faktoren wie Statik, Geometrie und Fügung eine Rolle, die letztlich die Stabilität des Endprodukts gewährleisten. Im Anschluss setzt eine Fräsmaschine die Vorgaben der Software um und schneidet die entsprechenden Holzteile zurecht, die dann manuell nach Bauanleitung zusammengesetzt werden.

Mit dem Verfahren wurde zunächst eine prototypische Kuppel mit einem Durchmesser von vier Metern realisiert. Insgesamt wurden für die Kuppel 58 Bauteile in nur wenigen Stunden zusammengesetzt. Für die individuell gefertigten Segmentplatten kamen Brettsperrholz-Platten aus Fichtenholz zum Einsatz – der Standardbaustoff ist relativ günstig und hat ein sehr gutes Verhältnis von Festigkeit und Eigengewicht. Die X-förmigen Verbindungselemente bestehen hingegen aus Hartholz und sind ein industriell gefertigtes Standardelement, das bislang jedoch nicht für Freiform- oder Schalenstrukturen gedacht war. Um die Segmentplatten damit stabil zu verbinden, berechnet die Software, wie und in welche Richtung die Verbinder optimal an welcher Stelle eingebaut werden müssen. Die Form der Buchenverbinder erzeugt eine straffende Wirkung in Richtung der Schale und zieht die Platten, die in einem stumpfen Winkel aufeinanderstoßen, nach dem Einsetzen spaltfrei zusammen.

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Besonders kompliziert sind dabei die Verbindungen zwischen benachbarten Platten mit einem sehr stumpfen Flächenwinkel von 150º bis 175º. Metallplattenverbinder sind bei Freiformstrukturen durch die individuell geformten Elemente nicht umsetzbar, formschlüssige Holzverbindungen wie Fingerzinken können Biegemomenten oder Scherkräften widerstehen, aber dafür ist eine große Anzahl von Schrauben erforderlich. Die verwendeten Buchenkeilverbinder haben sich konstruktiv als ideal erwiesen, sie ermöglichen zusätzlich in Kombination mit der präzise CNC-Vorfertigung der Segmentplatten eine schnelle und Montage und lassen ein vereinfachtes Recycling der Monomaterialstruktur zu.

Aktuell berechnen die Wissenschaftler  im Rahmen des Projekts Timberdome statische Modelle in realen Größenordnungen mit einer stützenfreien Spannweite von 15 bis 30 Metern sowie den Einsatz von weiteren Holzarten, wie beispielsweise Birkenholz. Die aktuellen Berechnungen dazu sehen vielversprechend aus. Zusätzlich werden Kooperationspartner, Architekten oder interessierte Bauherren für erste reale Architekturobjekte gesucht. Der Prototyp kann zur Messe BAU 2019 in München besichtigt werden.

An der Technischen Universität Kaiserslautern stellt der Holzbau schon lange einen Forschungsschwerpunkt dar. Im »T-Lab – Holzarchitektur und Holzwerkstoffe«, einem Kompetenzzentrum für Holz, forschen vier Arbeitsgruppen aus dem Fachbereich Architektur daran, wie Holz im Bauwesen künftig stärker Verwendung finden kann. Auch neue digitale Techniken spielen hierbei eine wichtige Rolle. Die Forschung ist dabei an der Schnittstelle von Architektur, Informatik, Bauingenieurwesen und Fertigungstechnik angesiedelt.

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