2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 145 Bauen mit Rohholz - Entwurfs- und Konstruktionsmethoden Kevin Moreno Gata RWTH Aachen University Denis Grizmann, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Trautz RWTH Aachen University Zusammenfassung Der Holzbau entwickelt sich weiter, passt sich an seine mögliche Zukunft an, integriert mehr Holzarten und schlägt neue Bauweisen vor. Überlegungen über zukünftige Verfügbarkeit ausreichender Ressourcen für das Bauen führen dazu, dass die Verwendung von mehr Laubholzarten vermehrt erforscht wird. Dies stellt jedoch eine Herausforderung für das Standardbauholz dar, denn die derzeitigen Methoden konzentrieren sich auf standardisierte Produktionselemente wie Bretter, Latten oder die Kombination mit Brettschichtholz, Brettsperrholz usw., die hauptsächlich aus schnellwachsenden Nadelhölzern gewonnen werden. In diesem Zusammenhang werden neue Ansätze für den Tragwerksentwurf vorgeschlagen, um diese unregelmäßigeren Hölzer, wie z. B. die Kronen von Laubbäumen, die ca. 50 % des Baumes ausmachen, in Tragwerken verwenden zu können. In diesem Beitrag werden verschiedene Ansätze für Konstruktionsmethoden vorgestellt, wobei der Schwerpunkt auf der Entwicklung von Stabstrukturen in Kombination mit Astgabeln sowie auf einem neuen Ansatz für die Entwicklung zusammengesetzter Sandwichplatten liegt. Mit Hilfe von Digitalisierungsmethoden, wie der bildbasierten Modellierung und angepassten Fertigungstechniken, werden Methoden entwickelt, die die Materialeffizienz erhöhen und die strukturelle Nutzung von natürlich geformtem Holz ermöglichen. Ziel dieser Arbeit ist es, im Hinblick auf die Anforderungen einer sich verändernden globalen Umwelt zu einer nachhaltigeren Bauweise beizutragen und die Ressourcennutzung im Bausektor zu verbessern. 1. Einführung Der moderne Holzbau passt sich kontinuierlich an zukünftige Herausforderungen an, indem er neue Holzarten integriert und innovative Bauweisen entwickelt. Aufgrund der begrenzten Ressourcen wird zunehmend erforscht, wie Laubholz und unregelmäßige Holzstrukturen effizient genutzt werden können. Neue Tragwerksentwürfe zielen darauf ab, die oft ungenutzten Kronen von Laubbäumen in Konstruktionen zu integrieren. Durch digitale Modellierung und angepasste Fertigungstechniken werden effiziente Methoden entwickelt, um natürlich geformtes Holz in tragfähigen Strukturen zu nutzen. Diese Ansätze sollen die Nachhaltigkeit im Bauwesen fördern und die Ressourcennutzung im Hinblick auf die globale Umwelt verbessern. Die Verwendung von natürlich gewachsenem Holz in der Architektur gewinnt im Rahmen eines Kreislaufmaterialkonzeptes an Popularität. In der Regel werden Teile der Baumkronen vor allem als Industrieholz, Energieholz, [1] d. h. zur Energiegewinnung oder zum Zerkleinern und zur Herstellung von Holzfaserplatten oder Papier genutzt oder sie verbleiben im Wald, wo sie sich mit der Zeit auf dem Waldboden zersetzen (siehe Abb. 1). Die Verwendung von Laubbaumarten oder dünnerem Holz bietet ökologische Vorteile, da die Ressourcen für die Verwendung als Massivholz im Bauwesen aufgewertet und in ihrem natürlichen Zustand mit minimaler Bearbeitung verwendet werden können. Die unregelmäßigen Formen und die Variabilität des Materials stellen jedoch Herausforderungen dar, weshalb präzise Simulationsmethoden erforderlich sind, um sicherzustellen, dass das verwendete Holz den technischen Anforderungen genügt. Abb. 1: Foto des Waldes in der Stadt Aachen. Links: Rundholz mit kleinerem Radius, das als Industrieholz oder zur Verbrennung verwendet wird; rechts: unregelmäßige Äste, die zur Zersetzung im Waldboden verbleiben. Digitale Werkzeuge und fortschrittliche Fertigungs-methoden sind für die Realisierung dieser Bauprojekte unerlässlich. Durch den Einsatz von digitaler Photogrammetrie und Struktursimulationsmodellen [2] können die einzigartigen Formen und Eigenschaften des Holzes präzise analysiert werden. Dies ermöglicht eine effizientere Nutzung der Ressourcen und führt zu innovativen Konstruktionstechniken, die das natürliche Potenzial des Holzes in seinen gewachsenen, verzweigten oder gekrümmten Geometrien nutzen und gleichzeitig seine strukturelle Integrität gewährleisten. Fortschritte 146 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Bauen mit Rohholz - Entwurfs- und Konstruktionsmethoden in der „Scaled Boundary Isogeometric Analysis“ [3] such as naturally shaped tree trunks, have been used in construction since ancient times. Wood is primarily processed as a long, thin product due to its growth and structure, leaving many parts unused. These neglected parts, like branches, can be used for load-bearing structures. However, they require a new parametric description due to material and geometric behaviour differences. It‘s crucial to transfer these geometries into the calculation model accurately. The surface is described using NURBS based on image data to realise this. Applying the Scaled Boundary Isogeometric Analysis (SBIGA verbessern diese Simulationen und ermöglichen eine effektive Integration von natürlich geformtem Holz in strukturelle Anwendungen. 2. Rohholz in Bauanwendungen In früheren Arbeiten wurden verschiedene Baumethoden entwickelt, bei denen natürlich gewachsenes Holz (oder Rohholz) verwendet werden kann. Dabei wurden vor allem zwei Typologien experimentell untersucht: Stabtragwerke und Scheibentragwerke in Form von Platten oder Wänden. 2.1 Stabstrukturen Die am häufigsten angewandte Methode ist die Verwendung von Stabsystemen für die Montage von Fachwerken [2]. Die montierten statischen Systeme zeichnen sich durch starre Verbindungen aus (Abb. 2) , die mittels Off- Knoten-Verbindungen realisiert werden [2], [4]. Die Verbindungen der Äste werden als gelenke Verbindungen angenommen. Abb. 2: a) Stabtragwerk mit natürlich gewachsenen Holzelementen: flache, gebogene Stäbe und Gabelungen, b) Entwicklung von Konstruktionsdetails c) Baumgabelung als „Off-Knot“ Element. 2.2 Scheiben und Platten Ein weiteres angewandtes Verfahren ist die Konfiguration von Scheiben bzw. Platten für Wände oder Decken [5]. Hierbei wird die Verwendung der unregelmäßigen Geometrien in der Umsetzung von Sandwichpaneelen genutzt. Die Elemente weisen eine flache Oberfläche auf und können in Kombination mit anderen Tragelementen wie Rahmen oder Stützen verwendet werden. Die Sandwichpaneele enthalten im Inneren das Rohholz, welches geometrisch so angeordnet wird, dass es sich an die statischen Anforderungen oder notwendigen Aussteifungen in regulären Konstruktionen anpasst (Abb. 3) [6]. Abb. 3: Beispiel für die Implementierung von Sandwichplatten in Decken oder Wänden als Scheiben- und Plattenstrukturen. Abb. 4: 3D-Geometrieerfassung: Digitale Aufnahme und Rekonstruktion eines Baumes zur Katalogisierung der gewachsenen Elemente eines Baumes. 3. Digitale Prozesse 3.1 Methoden der 3D-Geometrieerfassung Der Prozess beginnt mit einer Datenerfassung, die eine korrekte Interpretation und Untersuchung des Rohholzes ermöglicht. Dieser Prozess wird auf verschiedene Weise durchgeführt, abhängig von der Komplexität des Astes oder davon, ob er direkt am Baum vor dem Beschneiden stattfindet. Die gängigsten Methoden basieren auf der Photogrammetrie oder der Implementierung von 3D-Laserscans. Weitere Verfahren wie die Computertomographie können ebenfalls genutzt werden. Dieses Standardverfahren in Sägewerken dient dazu, das Sägen von geraden Stämmen zu optimieren. Die Datenerfassung führt zu einer geometrischen Entwicklung, bei der die Grundgeometrie erfasst wird. Dieser Prozess beinhaltet die Bestimmung von NURBS-Oberflächen (Non-Uniform Rational B-Splines) sowie die Identifizierung der Mittellinie des Astes. Dadurch kann festgestellt werden, wie und wo diese Elemente in den geplanten Strukturen angewendet werden können. Ebenfalls können die notwendigen Bearbeitungsschritte abgeleitet werden, insbesondere im Hinblick auf die Verbindung mit anderen Ästen oder strukturellen Elementen. Anschließend können die digitalisierten Geometrien für die spätere Verwendung mit den der isostatischen Analyse weiterentwickelt werden [7]. 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 147 Bauen mit Rohholz - Entwurfs- und Konstruktionsmethoden 3.2 Geometrische Verfahren Nach der geometrischen Dokumentation werden Methoden angewendet, die eine genaue Klassifizierung und Segmentierung der Äste ermöglichen. Dies dient dazu, die geometrischen Ebenen zu bestimmen, in denen die Äste beschrieben werden können, um sie vereinfacht in Strukturen zu integrieren (siehe Abb. 5). Wie in [8] beschrieben, kann diese Bibliothek von Ästen durch ihre geometrischen Eigenschaften (Radius, Länge), aber auch durch ihre Materialeigenschaften gebildet werden. Dies bietet einen Ausgangspunkt für spätere Entwicklungen in der Konstruktion, aber auch für nummerische Simulationen. Abb. 5: (Oben) Bildbasierte 3D-Modellierungsmethode, vom 3D-Netz zu NURBS und Wachstumspfaden. (Unten) Analyse der Elemente basierend auf der bildbasierten Methode. Abb. 6: (oben) Beispiel eines biegesteifen Knotens in Form einer Astgabel mit ausgelösten Schnittgrößen. (unten) Biegesteifer Knoten durch Stahlring und Vollgewindeschrauben. Abb. 7: Fräsen oder Hobeln von Ästen zur Verwendung in einer Scheibenstruktur. 3.3 Fertigungsverfahren Die 3D-Geometrien können mit einfachen Verfahren hergestellt werden. Für die Integration in Konstruktionen ist lediglich die Bearbeitung oder sogar nur das Hobeln der Stirnseiten notwendig. Die Definition der Fertigungszeichnungen erfolgt automatisiert durch die Verwendung einer definierten Bibliothek und der Anwendung von Konstruktionsmethoden aus der Literatur. Für Fachwerkstrukturen erfolgt das Fräsen der Stirnseiten am Anschluss, wie in Abb. 6 dargestellt, während für Scheiben lediglich das Hobeln, wie in der Abb. 7 ersichtlich, erforderlich ist. Der Prozess umfasst auch die Behandlung des Holzes. Abb. 8: (oben) Ausstellung der Fußgängerbrücke an der Fakultät für Architektur der RWTH Aachen, September 2023. (unten) Detail einer formschlüssigen Verbindung 4. Durchgeführte konstruktive Demonstrationen 4.1 Growing Bridge Im Anschluss an die in Abschnitt 2.1 definierten Strukturen erfolgt eine konstruktive Demonstration auf der Grundlage starrer Verbindungen in Form einer Fußgängerbrücke für den Wald (vgl. Abb. 8 oben). Die Konstruktion umfasst insgesamt 16 Knotenpunkte, die mit insgesamt 25 Gabeln und gekrümmten Ästen ausgeführt wurden. Bei der Montage wurden zwei Treppenaufgänge ergänzt, um die Konstruktion vorübergehend auszustellen. Die konstruktiven Verbindungen wurden 148 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Bauen mit Rohholz - Entwurfs- und Konstruktionsmethoden durch CNC-Fertigung in Form von „Gerber-Verbindungen” ausgeführt, welche die Gabeln entlang der Länge des Abzweigs verbinden. Diese Verbindung überträgt die axialen Druckkräfte korrekt und ist an den Nullmomentpunkten positioniert. Für asymmetrische Belastungen werden Vollgewindeschrauben eingesetzt, um die Verbindungen in Position zu halten (siehe Abb. 8 unten). 4.2 ReGrowth Im Gegensatz zu Fachwerkkonstruktionen zielt dieses Projekt darauf ab, die Integration von Ästen in den Kern von Sandwichplatten zu fördern, um strukturelle Scheiben zu erzeugen, die auf standardisierte Weise, beispielsweise im Flachdachbau, verwendet werden können. Der Einsatz dieses Verfahrens fördert eine direkte und praktische Anwendung im Bauwesen. Für eine erste Demonstration (siehe Abb. 9) wurde ein Ausstellungspavillon entworfen, bei dem die Äste in Richtung der Lastpfade angeordnet wurden [6]. Im Rahmen der Montage wurden insgesamt 36 Äste auf eine Dicke von 5,5 cm gehobelt und in eine Sandwichplatte integriert. Abb. 9: Grafik zum Konzept der Sandwichplatte und ihrer Ausstellung auf dem BBSR Zukunft Bau Pop-up Campus. 5. Zusammenfassung und Ausblick Das Paper gibt einen Überblick über verschiedene Forschungsarbeiten zu strukturellen Demonstrationen mit gewachsenem Rohholz Elementen. Der Fokus liegt auf der Erläuterung spezifischer Herausforderungen und potenzieller Beispiele der Verwendung von Rohholz, um die Dringlichkeit dieser Forschung hervorzuheben. In diesem Rahmen wird gezeigt, wie welche digitalen Prozesse und Fertigungstechniken zur Umsetzung der prototypischen Anwendungen angewendet werden. Die Zusammenarbeit mit Industriepartnern und anderen Forschungseinrichtungen veranschaulicht die Reichweite und Vernetzung der Studie. Dadurch wird ersichtlich, wie sich die Forschungsergebnisse auf die Bauindustrie anwenden lassen. Die strategische Auseinandersetzung mit langfristigen Zielen und potenziellen Auswirkungen zielt darauf ab, die nachhaltige Nutzung von Ressourcen zu fördern. Danksagung Diese Arbeit wurde im Rahmen des aktuellen Forschungsprojektes der DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft), Projekt Nr. 512769030,), welches in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik durchgeführt wird teilweise gefördert. Literatur [1] Plattform Forst & Holz, “Rahmenvereinbarung für den Rohholzhandel in Deutschland (RVR),” Deutschen Forstwirtschaftsrates e.V, Dezember 2023. [Online]. Available: https: / / rvr-deutschland.de/ downloads/ [2] K. Moreno Gata, A. Seiter, D. Grizmann, and M. Trautz, “Development of construction methods with naturally grown timber and bending-resistant joints,” in Proceedings of World Conference on Timber Engineering, Oslo, 2023. [3] F. Spahn, K. Moreno Gata, M. Trautz, and S. Klinkel, “Generalised scaled boundary isogeometric analysis - a method for structural analysis of naturally shaped timber structures,” Wood Mater. Sci. Eng., vol. 0, no. 0, pp. 1-13, 2024, doi: 10.1080/ 17480272.2024.2323590. [4] M. Trautz, K. Moreno Gata, F. Spahn, and S. Klinkel, “Bauen mit Rohholz,” presented at the Baustatik - Baupraxis 15, Technische Universität Hamburg: Institut für Baustatik, 2024, pp. 447-455. [Online]. Available: https: / / www.bb15.baustatik-baupraxis.de/ Anmeldung/ Upload/ PDF/ 945879d9.pdf [5] K. Moreno Gata, F. Amtsberg, A. Menges, and M. Trautz, “reGrowth — Tragkonstruktionen aus ungenutzten Holzabschnitten,” in Zukunft Bau Pop-up Campus Aachen, vol. 1, Bundesinstitut für Bau-, Stadt-, und Raumforschung (BBSR) im Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR), 2023, pp. 210-213. Accessed: Nov. 13, 2023. [6] K. Moreno Gata, F. Amtsberg, S. W. Stephens, A. Menges, and M. Trautz, “Integrating Naturally Grown Timber in Sandwich Timber Panels (under review for Design Modelling Symposium 2024 at time of press),” 2024. [7] F. Spahn, K. Moreno Gata, M. Trautz, and S. Klinkel, “Einsatz von Rohholzelementen für tragende Strukturen und mechanische Analyse mittels bildbasierter Simulationsverfahren/ Application of raw wood elements for load-bearing structures and mechanical analysis using image-based simulation methods,” Bauingenieur, vol. 99, pp. 109-116, Jan. 2024, doi: 10.37544/ 0005-6650-2024-04-41. [8] K. Moreno Gata, F. Spahn, S. Klinkel, and M.- Trautz, “Geometrical analysis of naturally grown timber for the design of load-bearing structures (under review for Research Directions: Biotechnology Design at time of press).” Jan. 05, 2024.