Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK Leipzig) arbeiten daran, Holz als Baumaterial zu einer Renaissance zu verhelfen. Sie entwickeln statische Berechnungswerkzeuge für Holzhochbauten, optimieren historische Bautechniken und vereinfachen die Holzverarbeitung durch digitale Tools.
Holz bindet Kohlenstoff, lässt sich klimaneutral entsorgen und wächst nach. Zudem ist es vielseitig einsetzbar – als Tragwerk, Fassade oder Dach. Doch ein Massenprodukt ist Holz als Baustoff bisher nicht, denn Bauen mit Holz ist teurer als mit Stein oder Beton. Die Preise für Holzbauten könnten sinken, wenn die gesamte Branche vom Sägewerk bis zur Zimmerei die Möglichkeiten der Digitalisierung besser nutzt. Wie das gelingen kann, erforscht HTWK-Professor Alexander Stahr gemeinsam mit seiner Forschungsgruppe FLEX.
Das Zollingerdach ins Heute überführt
Am Beispiel einer mehr als hundert Jahre alten Dachbauweise demonstrieren sie, wie traditionsreiche Baumethoden mithilfe der Digitalisierung modernisiert werden können und dabei Ressourcen schonen. Mit dem Zollingerdach, einer gekrümmten, frei tragenden Konstruktion aus kurzen Hölzern, wurden bis 1928 mehr als tausend Häuser und Hallen in Deutschland überdacht.
Stahr und sein Team sehen großes Potenzial im Zollingerdach, denn die Baumethode ist besonders effizient und spart so Material ein. Die Forschenden beseitigten konstruktive Mängel und erweiterten den Bauprozess um die Möglichkeiten der Digitalisierung. Jeder Arbeitsschritt – von der Idee bis zur Umsetzung auf der Baustelle – profitiert davon.
Es beginnt bei der Planung mithilfe parametrischer Entwurfswerkzeuge. Algorithmen definieren dabei, wie sich durch die Änderung verschiedener Parameter die Geometrie der Lamelle verändert. Diese Daten werden direkt an die Maschinen für den Zuschnitt weitergereicht. »Heutzutage gibt es computergesteuerte Abbundmaschinen, die Lamellen perfekt und zehntelmillimetergenau zuschneiden. Das verbessert die statische Berechenbarkeit und reduziert den Wartungsaufwand des Daches ungemein«, so Stahr.
Die Maschinen können die fertigen Bauteile bereits in der richtigen Reihenfolge stapeln. Eine enorme Zeitersparnis: Statt mehrerer Wochen dauert der Aufbau eines Hallendaches nun nur noch wenige Tage.
»Kostensenkung trotz individueller Einzelteilfertigung – darin liegt für die Baubranche enormes Potenzial. Durchgängig digitale Prozessketten vom Entwurf über die Planung und die Vorfertigung in der Werkhalle bis hin zur Montage auf der Baustelle sind dafür der Schlüssel«, ist Stahr überzeugt. »Dank unserer Forschungen ermitteln wir in einem System die Geometrie, Statik und Wirtschaftlichkeit. Die Informationen kommen am Ende maschinenlesbar heraus, und schon kann der Fertigungsprozess starten.«
Ein Hochhaus – aus Holz!
Auch im Hochhausbau kann Holz eine Alternative sein. Derzeit bestehen mehrstöckige Gebäude meist aus Stahlbeton, denn Beton kann große Lasten tragen und in Kombination mit Stahl beachtliche Flächen überspannen. Doch Stahlbeton verbraucht Unmengen an Energie und Rohstoffen. Zudem setzt er in seiner Herstellung viele Treibhausgase frei.
Um jedoch Holz als Baumaterial verwenden zu können, benötigen Bauunternehmen vielerlei statische Daten und Berechnungsmodelle, unter anderem zum Schwingungsverhalten von Holz. Wie verhält sich das Baumaterial beispielsweise, wenn das Gebäude regelmäßigen Erschütterungen aufgrund von fahrenden Straßenbahnen oder Autos ausgesetzt ist?
Ein Modell für derartige statische und dynamische Berechnungen für Holzbauten erstellte Armin Lenzen. Als Forschungsgrundlage analysierten der Professor für Baumechanik und sein Team des Instituts I4S der HTWK Leipzig ein mehrstöckiges Holzhaus in Leipzig-Lindenau. Dabei erarbeiteten die Forschenden praxisorientierte Methoden, um mehrgeschossige Holztragwerke im urbanen Raum zu planen und präzise Prognosen über das Schwingungsverhalten zu treffen. Die Ergebnisse wurden 2021 im »Journal of Sound and Vibration« veröffentlicht.
Wissenschaftliche Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Alexander Stahr
HTWK Leipzig, Fakultät Architektur und Sozialwissenschaften
Telefon: 0341 3076-6263
E-Mail: alexander.stahr@htwk-leipzig.de
Prof. Dr.-Ing. Armin Lenzen
HTWK Leipzig, Fakultät Bauwesen
Telefon: 0341 3076-6253
E-Mail: armin.lenzen@htwk-leipzig.de
Originalpublikation
Max Vollmering, Maximilian Breitkreuz, Armin Lenzen (2021): Estimation of mechanical parameters based on output-only measurements using Kronecker product equivalence and mass perturbations. Journal of Sound and Vibration 500: 116016. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2021.116016
