Natürlich gewachsene Holzelemente als Basis für tragende Konstruktionen – Statische Analyse und Wachstumssimulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sven Klinkel; Professor Dr. Ulrich Schurr; Professor Dr.-Ing. Martin Trautz
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512769030

Die zunehmende Sensibilität unserer Gesellschaft für die Auswirkungen menschlicher Eingriffe in die Natur und die Umwelt fördert die Erforschung von natürlichen Materialien und führt zu einer verstärkten Verwendung von Holz im Bauwesen. Holzkonstruktionen, die traditionell auf vorgefertigten Halbfertigprodukten basieren, werden mit geometrisch einfachen und anpassungsfähigen Grundformen gebaut. Vorfertigungstechniken ermöglichen eine Homogenisierung, wodurch universelle mechanische Eigenschaften erreicht werden (Leimholz). Die Herstellung von Holzbauelementen in Form von Brettern, Stäben und Balken ist jedoch mit einem erheblichen logistischen und produktiven Aufwand verbunden, bei dem nur Stammholz verwendet wird, was zu einer großen Menge an Abfällen führt. Traditionelle Holzbau- und Konstruktionssysteme mit überwiegend linearen Elementen sind also für einen universellen Einsatz und für den Bau von Bauteilen mit orthogonaler Geometrie optimiert. Durch die Entwicklung alternativer Holzbausysteme, wie z.B. der ‚Off-Knot-Konstruktion‘, können auch natürlich gewachsene Holzelemente mit geringen Anpassungen eingesetzt werden. Dazu werden fortschrittliche digitale Methoden wie bildbasierte Modellierung und morphologische Analyse und Klassifizierung eingesetzt, um die Geometrie neuer Strukturen aus einzelnen, natürlich gewachsenen Holzbauteilen und den dazugehörigen Querschnitten zu generieren. Fortgeschrittene nichtlineare Simulationstechniken und numerische Modellierung wie z.B. die isogeometrische Analyse berücksichtigen eine polare Anordnung von Schichten, unterschiedliche Dichten entlang des Radius mit variablen Festigkeitseigenschaften, die die Konfiguration eines faserartigen Materials mit dem typischen anisotropen Verhalten von Holz darstellen. Auf der Grundlage dieses analytischen Werkzeugs wird ein synthetischer Ansatz entwickelt, um das Wachstum eines Baumes zu simulieren, das durch den einfachen Gravitationstropismus oder durch die Einwirkung von Kräften im Allgemeinen beeinflusst wird. Zu diesem Zweck müssen die Materialeigenschaften im lebenden und denaturierten (trockenen) Zustand des Holzes sowie die biologischen Veränderungen, die die mechanischen Eigenschaften beeinflussen, abgeleitet werden. Die wichtigsten biologischen Einflussfaktoren, wie die Entwicklung des Fasergewebes und die Dichte müssen identifiziert und in Simulationsparameter übertragen werden. Das Projekt zielt auf einen innovativen Ansatz zur systematischen Nutzung von natürlich gewachsenem Holz sowie auf ein tieferes Verständnis des Wachstums von Bäumen ab.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen