Berechenbares Holz

Das Projekt des Holzhochhauses in der Seestadt Aspern: Bis 2019 soll das 84 Meter hohe Gebäude vollendet sein.
Das Projekt des Holzhochhauses in der Seestadt Aspern: Bis 2019 soll das 84 Meter hohe Gebäude vollendet sein.(c) HoHo Wien

Bauforschung.Gebäude aus Holz werden derzeit in größerem Ausmaß als bisher gebaut. An der TU Wien werden Nanometer eines Holzmaterials bestimmt, um die Qualität festzustellen.

Holz ist nicht gleich Holz. Es geht um Mikro- und Nanometer, also um winzige Holzzellen und deren Zellwände, die Josef Füssl untersucht. Der Materialwissenschaftler wurde in dieser Woche mit einem der diesjährigen vom Wissenschaftsfonds FWF vergebenen Start-Preise für seine Holz-Forschung ausgezeichnet. Wobei Füssl nicht von der Bodenkultur-Uni kommt und in der Natur unterwegs ist, sondern an der TU Wien am Institut für Mechanik der Werkstoffe am Computer forscht. Hauptsächlich jedenfalls.

„Holz durch computergestützte Methoden berechenbar machen“, so lautet der Titel des von Füssl eingereichten Forschungsthemas. Und zwar berechenbar für größere und höhere Holzbauten, wie etwa das Hochhausprojekt in der Seestadt Aspern im Nordosten Wiens. Hier haben die Bauarbeiten für das 24-stöckige hauptsächlich aus Holz bestehende Gebäude bereits im Herbst 2016 begonnen. Dieses wird dann weltweit das größte seiner Art sein.

Dabei hat Josef Füssl sein Doktoratsstudium der Mikromechanik von Beton und Asphalt gewidmet. Warum dann vor sieben Jahren der Wechsel zur Holzforschung? „Holz hat mich immer fasziniert, der Rohstoff begeistert mich“, sagt der heute 38-jährige Wiener. „Ich versuche, das Material Holz zu verstehen.“ Gemeint ist das Verständnis des mechanischen Verhaltens. Die an seinem TU-Institut entwickelten analytischen und numerischen Verfahren können für jeden Werkstoff – eben Beton wie Holz – adaptiert werden.

 

Drei Berechnungsverfahren

Das mechanische Verhalten von Holz wird durch die Analyse seiner kleinsten Strukturen, eben der Zellwände, bestimmt. Füssl geht hier nach drei Berechnungsverfahren vor. Nach dem „erweiterten Finite-Elemente-(FE)-Ansatz“ wird das spröde Versagen von Holz abgebildet. Die FE-Methode ist ein numerisches Verfahren, bei dem das physikalische Verhalten berechnet wird. Hier erkennt man, ob Rissprozesse und Verschiebungsfelder im Material – beim Holz vor allem an Stellen von Astausgängen – vorhanden sind.

Weiters wird mit einem numerischen Traglastansatz ein mögliches duktiles Versagen (Überschreiten der Elastizität) festgestellt. Und drittens wird die Mikromechanik des Holzes auf ihr Kontinuum überprüft. Diese Berechnungen werden auf die Mikrostrukturen von Früh- und Spätholz (schnell wachsendes Holz im Sommer, langsam wachsendes im Herbst) angewendet. Wenn auch das Verhalten eines Holzes letztendlich im Computer bestimmt wird, gehen doch auch bestimmte Laborversuche mit dem Elektronenmikroskop voraus.

 

Fichte bevorzugtes Material

Aus diesen Berechnungsverfahren ergeben sich die Festigkeiten und Versagensmechanismen des Holzes, zudem werden Aufschlüsse über die Elastizität und eine mögliche Belastbarkeit geliefert. Natürlich unterscheiden sich diese zwischen den Holzarten. Füssl konzentrierte sich auf das Fichtenholz, weil dieses in ausreichender Menge vorhanden und finanziell günstig erhältlich ist. Aber natürlich könnte man dieses Verfahren bei allen, in den Regionen unterschiedlich vorhandenen und im Handel befindlichen Holzmaterialien anwenden.

Die hervorragenden mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Holz seien im Zusammenhang mit dem generellen Trend zu nachhaltigeren Bauweisen zu sehen, sagt Füssl. Deswegen werde sich der bestehende Trend zur Holzbauweise noch verstärken. Das Holzhochhaus in der Seestadt Aspern enthält noch einen Betonkern. Andere Bauprojekte setzen derzeit auf einen Anteil von 80 Prozent Holz. In London gibt es bereits die Vision von einem 300 Meter hohen Holzgebäude.

Josef Füssl, der in den vergangenen Jahren schon mit einem Erwin-Schrödinger-Stipendium unterstützt wurde, will nun mit den Mitteln des Startpreises – insgesamt 1,2 Millionen Euro – junge Doktoranden und Postdocs für sein Forschungsteam anstellen. Ein kleinerer Teilbetrag fließt in den Aufbau des Versuchslabors.

LEXIKON

Die Finite-Elemente-Methode ist ein numerisches Verfahren, bei dem ein Material in möglichst viele Teilkörper (die finiten Teilgebiete) aufgeteilt und untersucht wird.

Bei der Differenzialmethode werden die Einzelbestandteile eines Materials einer mathematischen Modellierung – eben über eine Differenzialgleichung – unterzogen.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 16.06.2018)