Die Nachfrage nach Holz als Baumaterial steigt. Umso wichtiger wird es, alternative Holzquellen zu erschließen wie etwa die Wiederverwendung von Holz aus abgerissenen Gebäuden. Derzeit wird Altholz hauptsächlich zur Energiegewinnung verbrannt, da es im Fall seiner Wiederverwendung erst aufwändig von Nägeln und anderen Mängeln befreit werden muss. Im Forschungsprojekt Embraced Wood haben wir eine Methode entwickelt, Holz so wiederzuverwenden, wie es vorgefunden wurde. Mithilfe einer Lehmverkapselung werden Größenunterschiede und Unregelmäßigkeiten der Altholzteile überbrückt. Eine Umhüllung aus Naturfasern anstelle der sonst üblichen Verleimung ermöglicht es, die eingebetteten Verbindungselemente an Ort und Stelle zu belassen. Schließlich macht der Lehmüberzug auch die Entfernung alter Anstriche entbehrlich, indem er deren Schadstoffemissionen verringert.
Holzherkunft und Qualitätskontrolle
In einer ersten Machbarkeitsstudie ist ein Verbundträger mit einer Spannweite von 4,4 Metern für die Erweiterung eines mehrstöckigen Holzgebäudes entstanden. Der Großteil des verwendeten Holzes stammt aus einer alten Fachwerkscheune, die im Sommer 2022 in Deutschland abgerissen wurde. Es wurden Hölzer verschiedener Längen und Querschnitte ausgewählt, um die Vielseitigkeit von Verbundträgern zu demonstrieren. Insgesamt 36 Holzstücke wurden mit einer mobilen Photogrammetrie- Anwendung 3D-gescannt. Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften wurden zerstörungsfreie Prüfverfahren angewandt, darunter Laservibrometer- Messungen und eine visuelle Sortierung.
Platzierung der Teile im Balken
Aus den so erfassten Holzstücken generierte ein eigens entwickelter Algorithmus geeignete Trägerkonfigurationen. Das Programm berücksichtigt kritische Entwurfsparameter wie die Trägerspannweite und -belastung. Bei der Platzierung bevorzugte der Algorithmus hochwertige und größere Holzabschnitte für die unteren Teile des Holzquerschnitts, wo die größten Scher- und Zugkräfte auftreten. Auf diesem Wege lassen sich Unregelmäßigkeiten vermeiden und einheitliche Querschnitte über die gesamte Balkenlänge gewährleisten. Dabei begrenzte der Algorithmus den Holzverschnitt auf ein Minimum. Bei den oberen Holzabschnitten war die Länge weniger kritisch, was eine größere Flexibilität bei der Auswahl ermöglichte. Am Ende wurden neun Teile ausgewählt, um den Demonstrationsträger zu erzeugen.
Analyse der Tragfähigkeit
Biegeversuche in kleinem Maßstab mit verschiedenen Lehm-, Faser- und Umhüllungstypen halfen uns bei der Materialwahl und der Abschätzung der Trägereigenschaften. Als ideal erwies sich schließlich eine Umhüllung mit Jutefasern und einer 1:1-Mischung aus Lehmputz und Lehmmörtel, die eine Biegefestigkeit von 17,9 MPa ergab. Die endgültige Konfiguration des Demonstrationsträgers wurde mit Hilfe einer Finite-Elemente-Software analysiert, die die Ergebnisse der Biegeversuche bestätigte.
Robotische Fertigung
Der Herstellungsprozess begann mit dem Auftragen von Ton zwischen den Trägerschichten, um Größenunterschiede zwischen den Teilen auszugleichen und für Reibung zu sorgen. Anschließend wurden die Teile mit einem Roboter-Endeffektor umwickelt, der ein aus den simulierten Zugspannungsrichtungen im Balken abgeleitetes Wickelmuster verwendete. Maßgeblich waren dabei die Einstellung der Geschwindigkeit und der Richtung. Schnellere Bewegungen erzeugten ein breiteres Muster mit eher parallel zum Balken ausgerichteten Fasern, während langsamere Geschwindigkeiten zu einer engeren, schrägen Umwicklung führten. Nach dem Umwickeln der Balkenfasern wurde eine zweite Lehmschicht aufgetragen, um etwaige giftige Anstriche auf den alten Holzstücken zu ummanteln.
Demontage
Am Ende des Lebenszyklus kann der Embraced- Wood-Balken in seine Ausgangsstoffe Holz, Fasern und Ton zerlegt und diese wiederverwendet werden. Da das Holz nicht weiter bearbeitet wird, ist eine Wiederverwendung im Originalzustand möglich. Für die Fasern ergaben Tests, dass diese nicht reißen, auch wenn die Balken bis zum Versagen belastet werden. Die Lehmbeschichtung kann zerkleinert und rehydriert werden. Bereits im Rahmen unseres Forschungsprojekts haben wir denselben Lehm, dieselben Fasern und dasselbe Holz in mehreren Versuchsanordnungen wiederverwendet.
Schlussfolgerung und Ausblick
Embraced-Wood-Balken vereinfachen die Wiederverwendung von Holz, indem sie das Material ohne Bearbeitung nutzen. Dadurch erhöht sich die Menge an Altholz, die wieder in den Bau eingebracht werden kann. Da das resultierende Bauteil eine größere Spannweite als die ursprünglich verwendeten Holzabschnitte hat, entfallen viele Einschränkungen herkömmlicher Wiederverwendungsmethoden. Gleichzeitig kommt die Methode ohne Klebstoff aus und kann auch aus potenziell giftigem Altholz hochwertige Elemente herstellen.
Viele der für die Bewertung von Altholz verwendeten Werkzeuge sind in Sägewerken bereits vorhanden und müssten nur modifiziert werden, um Mängel aus der ersten Verwendung wie eingebettete Nägel zu erkennen. Die Herstellung von Balken aus Embraced Wood unterscheidet sich vom konventionellen Holzbau, da kein Schneiden oder Verkleben erforderlich ist. Stattdessen müssten in den holzverarbeitenden Betrieben spezielle Arbeitsstationen für die Platzierung der Lamellen, die Ummantelung und den Lehmauftrag eingerichtet werden. Durch die Koordinierung zwischen Recyclingbetrieben und Sägewerken wäre eine Umsetzung im industriellen Maßstab möglich.
