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Metallfreie Holzverbindungen für Hochbau und Möbel

Ein am Lehrstuhl IBOIS der ETH Lausanne entwickeltes Klippsystem für metallfreie Holzverbindungen verspricht erfolgreiche Anwendungen sowohl für Möbel als auch im Hochbau. Für die temporäre Infrastruktur einer Opernaufführung in der Kathedrale von Lausanne wurde es im vergangenen Herbst erstmals in grösserem Rahmen getestet.

«Va pensiero, sull’ ali dorate...» Diese Zeile («Flieg, Gedanke, auf goldenen Schwingen») stammt aus dem Gedicht von Temistocle Solera, das Giuseppe Verdi 1840 für den weltberühmt gewordenen Gefangenenchor in seiner Oper «Nabucco» in Töne setzte. Im November 2018 erklang dieser Chor in der Kathedrale der Stadt Lausanne. Für die dortigen Aufführungen der Oper mussten 800 Sitzplätze mit Blick auf eine zentrale Bühne geschaffen werden und ebenso Einrichtungen für die Szenografie.

Bühnenausstattung und Zuschauerränge nach ein und demselben System 

Yves Weinand, Leiter des Forschungslabors IBOIS an der Eidgenössischen Technischen Hochschule EPFL Lausanne, hat sich dafür mit seinem Team eine besondere Lösung einfallen lassen. Ein neuartiges, im Labor des IBOIS entwickeltes Klippsystem verband Holzplatten zu Sitzbänken und Tribünen. Auch der 6 m hohe, spiralförmige Bühnenaufbau für die Aufführung liess sich so bauen.

EPFL Holzverbindung

Die Installation in der Kathedrale Lausanne für die Verdi-Oper war ein wichtiger Schritt in eine Zukunft mit leichten und intelligenten Holzkonstruktionen. Bild: EPFL

Mit Skizzen, Plänen und Modellen wurde diese temporäre Einrichtung für den Kirchenraum entworfen; auch Prototypen im Massstab 1:1 wurden erstellt. Der Einbau der temporären Elemente erfolgte auf diese Weise mit vorgefertigten Teilen aus OSB und Mehrschichtplatten rasch und reibungslos, und auch der Sitzkomfort für das Publikum gelang so gut, so dass sich nach der zwei Stunden dauernden Opernaufführung niemand über Rückenschmerzen beklagen musste.

Es sei vor allem darum gegangen, über einen Technologietransfer dieses 2014 erstmals in den USA vorgestellte Klippsystem in den Möbelbau und auch in den Hochbau zu transferieren, betont Weinand. Verbindungen mit Metallteilen sollen so vermieden werden. Geplant ist zudem, für die definitiven neuen Sitzbänke der Kathedrale später eine edlere Ausführung zu entwickeln und zu verwirklichen.

Komplexes einfach lösen: Schnappverbindungen

Die Entwicklung von leistungsfähigen und industriell nutzbaren Holz-Holz-Verbindungen ist ein Anliegen, das am Forschungslabor IBOIS der EPFL schon länger verfolgt wird. 2014 wurde das Projekt für Schnappverbindungen mit Holz erstmals an der USC School of Architecture in Los Angeles im Rahmen einer Fachtagung (34th Annual Conference oft the Association for Computer Aided Design in Architecture) ausführlich präsentiert.

In der Automobil- oder Unterhaltungselektronik-Industrie zum Beispiel werden Schnappverbindungen häufig eingesetzt. Im Bauwesen sind diese neu. Es handelt sich um eine einfache, wirtschaftliche Art der Verbindung von zwei Teilen in Form einer Steckverbindung mit bestimmten Öffnungen, in die ein Kragarmhaken eingeschoben wird. Durch die Elastizität des Materials dringt der Haken mit einer leichten Quetschung in die vorgesehene Öffnung ein, dehnt sich anschliessend in seine ursprüngliche Form zurück und klemmt sich so fest, schnappt in der Öffnung ein.

Derartige Schnappverbindungen lassen sich auch für Holzplatten über CNC-gesteuerte Werkzeuge herstellen. Das Furnierschichtholz (LVL – Laminated Veneer Lumber) ist dafür besonders geeignet. Die Verbindungen können zwar auf Zug beansprucht werden, bieten aber keine Scherfestigkeit. Um eine tragende Verbindung für Bauteile zu schaffen, kombinierte das IBOIS die Schnappverbindung mit prismatischen Flachsteckverbindungen, welche diese Kräfte aufnehmen. Diese Kombination integrierter Verbindungen führt zu einem mechanischen Verhalten, das einer Schraubverbindung entspricht.

Mit Klipp und Klapp im Handumdrehen montiert

Die Montage solcher Holzbauteile erfolgt durch ein einfaches Ineinanderschieben – klipp und klapp, und sie sind verbunden. Das geht rasch, eine Fixierung ist überflüssig, die Teile versteifen sich plangemäss gegenseitig. Der Zeitaufwand für das Einschneiden der notwendigen Lochungen und Stecker wird wettgemacht durch einfache Montage und die dort eingesparte Zeit. Für den Transport liegen die Platten flach und werden erst vor Ort zum vorgesehenen Volumen miteinander verbunden. Für die Laborproben und Belastungstests wurden 21 mm dicke Fichten-Kerto-Q-Platten eingesetzt. Dieses Material ist bei Feuchteeinwirkung dimensionsstabil.

Verschraubungen ermöglichen zwar eine schnelle und komfortable Montage, bedingen aber bestimmte Plattendicken, um den notwendigen Abstand der Schraubgewinde von den Kanten zu sichern. Dies führt zu notwenigen Plattenstärken von 60 mm, also fast dem Dreifachen wie bei der Montage mit den oben beschriebenen integrierten Schnappverbindungen. Zudem handelt es sich dabei um eine Monomaterialverbindung mit Vorteilen in Bezug auf Ästhetik, Recycling, Homogenität der Teile usw.

Mit diesen dünnen Platten lassen sich auch doppelschalige, sich gegenseitig versteifende Strukturen herstellen. Die so produzierten Hohlräume können Installationen aufnehmen und mit Dämmstoffen gefüllt werden. Zudem besteht die Möglichkeit, die Teile zu demontieren, zerlegt auf kleinem Raum zu transportieren und an anderer Stelle wieder aufzubauen, entsprechend temporären modularen Konstruktionen.

Kein Luftschloss

Yves Weinand und sein Team haben, der Vergleich mit der Verdi-Arie sei erlaubt, Gedanken auf hölzernen Schwingen fliegen lassen. Dass dies keine Luftschlösser sind, sondern baukonstruktive Ideen mit realen Chancen, das wurde nicht nur im Labor nachgewiesen, sondern sinngemäss auch mit realisierten Objekten: zum Beispiel mit der Kapelle in St. Loup oder dem Theater in Vidy. Die Installation in der Kathedrale Lausanne für die Verdi-Oper war ein weiterer Schritt in eine Zukunft mit leichten und intelligenten Holzkonstruktionen.

 

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