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t-lab | Holzarchitektur und Holzwerkstoffe

Projekttagebuch Diemerstein

T-Lab Campus Diemerstein

Neuartige Ringknoten aus Kunstharzpressholz

Für das Hallentragwerk der Holzhalle Diemerstein wurden neuartige organisch geformte Ringknoten aus Kunstharzpressholz entwickelt. Diese leiten sich von der natürlichen Formgestalt von Astgabeln (Zwieseln) ab. Zwiesel sind von Natur aus so proportioniert, dass Kräfte durch große Rundungsradien stetig umgelenkt werden. Im Gegensatz zur unstetigen Kraftumlenkung (Kerbe) entstehen dadurch keine Spannungssingularitäten mit Spannungsspitzen. Somit steigt bei gleichem Materialeinsatz die Leistungsfähigkeit. Mit einer organisch geformten und am Kraftfluss orientierten Knotengeometrie lassen sich statisch effiziente und zugleich architektonisch filigrane Bauteilanschlüssen realisieren.

Spannungsanalyse in einer Baumgabelung (Quelle Dissertation Röver)

Abbildung: Spannungsanalyse in einer Baumgabelung (Quelle Dissertation Röver)

Die Ringknoten des Hallentragwerkes werden aus Kunstharzpressholz (KP) mit einer mittleren Dichte von 1350 kg/m³ gefertigt. Es handelt sich hierbei um einen Hochleistungsholzwerkstoff auf Basis technisch verdichteter Buchenfurniere. Diese werden zunächst mit Kunstharz imprägniert und anschließend unter hohem Druck und hoher Temperatur dauerhaft mit einander verbunden. Mit der Verdichtung steigt der Anteil der Holzfasern pro Volumeneinheit. Infolgedessen steigen die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Steifigkeit deutlich an. Für die Ringknoten wird auf KP mit kreuzweiser Orientierung der einzelnen Furnierlagen zurückgegriffen. Dadurch entstehen Holzwerkstoffplatten mit orthotropen, also gleichen Materialeigenschaften in X- und Y-Richtung. Da die Stärke der KP-Platten beim Verdichten auf ca. 70 mm begrenzt ist, wird die für die Ringknoten notwendige Stärke von 200 mm durch Verkleben von Teilplatten erreicht. Aus diesen werden die Bauteilknoten mittels CNC-5-Achsfräsen herausgefräst.

Orthotropes Kunstharzpressholz mit 50% Querlage und 50% Längslage

Abbildung: Orthotropes Kunstharzpressholz mit 50% Querlage und 50% Längslage

Die Ringknoten sind so gestaltet, dass eine Verschraubung der BauBuchenstäbe über das Ringinnere mittels Muttern und Unterlegscheiben erfolgen kann. Dazu werden zunächst Gewindestäbe in die Stirnholzstöße der Baubuchenstäbe eingeführt und in Rund-, als auch Rechteckbolzen mit den BauBuchenquerschnitten verankert. Danach werden die BauBuchenstäbe mittels der Gewindestäbe nacheinander an die entsprechenden Knoten angeschlossen. Die für die Verbindung notwendige Schraubenvorspannung wird mittels eines Drehmomentschlüssels aufgebracht.

Aufbau der Knoten

Abbildung: Aufbau der Knoten

Die insgesamt 4 verschiedenen Bauteilknoten der Hallenkonstruktion wurden parametrisiert, also mit Hilfe eigens entwickelter Computerprogramme entworfen. Dabei wurden geometrische Anforderungen für die Bauteilmontage ebenso berücksichtigt, wie architektonische und mechanische Aspekte.

Spannungsanalys am Beispiel des Traufknotens

Abbildung: Skript zur parametrischen Entwicklung der Knoten (Quelle Dissertation Röver)

Die mittels des Gestaltungswerkzeugs der Parametrisierung entwickelten Ringknoten wurden im Weiteren mittels FE-Simulationen und unter Beachtung des orthotropen Materialaufbaus und der am jeweiligen Knoten maßgebenden Kraftsituation nummerisch validiert. Hierbei wurden Spannungsspitzen lokalisiert, die über die zur Verfügung stehenden Scriptparameter in einem iterativen Prozess kontinuierlich abgebaut wurden. Hierdurch wurde die Knotengeometrie kontinuierlich statisch optimiert.

Spannungsanalys am Beispiel des Traufknotens

Abbildung: Spannungsanalys am Beispiel des Traufknotens