30.11.2018 Bettina Sigmund

Holzkuppel als steckbare Schalenstruktur

Prototypischer Aufbau der Holzkuppel-Konstruktion (Foto: DTC Technische Universität Kaiserslautern)

Thanks to new software developed by TUK’s Digital Timber Construction (DTC) group headed by Professor Christopher Robeller, complex timber structures and components can now be simply designed, fabricated and slot-connected together out of individual pieces just like a jigsaw puzzle. The computer program calculates the number and shape of each piece and decides how they are fitted together. It takes into account factors such as structural analysis, geometry and jointing, which ultimately determine the strength and stability of the end product. Then a CNC milling machine cuts the timber pieces to the required shapes, which are then fitted together manually in accordance with the assembly instructions.

Cross laminated timber prototype
The TUK team first used this process to create a dome with a diameter of 4 m. It took only a few hours to assemble the dome from 58 pieces. Spruce cross laminated timber was used for the individually manufactured segment plates. This standardised material is relatively cheap and has a very good strength to weight ratio. The Xshaped connectors are made from hardwood: industrially manufactured standard elements had not previously been considered for free-form or shell structures. The software calculates how, where and in what direction the connectors should be positioned to produce stable and strong segments. The plates, which butt up to one another at a shallow angle, are drawn together to close the gap by the shape of the beech connectors as they are inserted.

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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