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Complex timber structures from simple elements. Computational design of novel bar structures for robotic fabrication and assembly

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[Quelle: https://www.research-collection.ethz.ch]

.Diese Dissertation präsentiert Entwurfsmethoden für neuartige Holzstabwerke, die aus neuen roboterbasierten Fabrikations- und Assemblierungsprozessen hervorgehen. Im Fokus liegen insbesondere Tragwerke die: a) aus vielen kurzen Nadelholzstäben bestehen, b) mittels geometrisch generischen, kerbfreien und relativ schwachen Holzverbindungen zusammengesetzt werden und c) vom Prinzip her nicht auf standardisierten, repetitiven Aufbau eingeschränkt werden müssen. Die daraus resultierende geometrische Flexibilität ermöglicht einerseits die Anwendbarkeit im Bereich der Freiform-Architekturen, andererseits bietet sie Potenzial, die Geometrie der Einzelteile präzise gemäss den lokalen Anforderungen zu variieren. Wie jedoch durch zwei Fallstudien gezeigt, stellt die Ausnutzung dieses Potenzials eine grosse Herausforderung dar. Bedingt durch Wechselwirkungen zwischen Geometrie, Materialeigenschaften, statischen Phänomenen und Anforderungen der ro botischen Fabrikar tion weisen solche Systeme eine hohe Komplexität auf. Diese Wechselwirkungen wurden in der vorliegenden Arbeit untersucht. Um sie in einem architektonischen Entwurfsprozess ausschöpfen zu können, wurden dazu entsprechende Entwurfswerkzeuge entwickelt. Erstens, es werden computerbasierte Methoden für geometrisches Modellieren zweier exemplarischer Topologien - geschichtete, fachwerkähnliche Träger und Strukturen bestehend aus T-Stoss Verbindungen - vorgestellt. Zweitens, um die weiteren Aspekte - Fabrikation und Tragverhalten - berücksichtigen und deren Zusammenspiel mit der Geometrie erforschen zu können, wurden Methoden zur Erstellung interdisziplinärer Datenflüsse und Arbeitsprozesse erarbeitet. Drittens, die eigens für diese Arbeit entwickelten algorithmischen Strategien ermöglichen die interdisziplinär gesammelten Daten zur Verfeinerung des Entwurfsmodels auszuschöpfen. Die Relevanz dieser Forschung zeigt sich u.a. am Beispiel eines grossmassstäblichen Prototyps, welcher mithilfe der präsentierten Werkzeuge und Methoden entwickelt und als Bauprojekt in einem vollrobotischen Fabrikationsverfahren realisiert wurde.

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Bücher, Broschüren

Tilo Haustein
Schäden durch fehlerhaftes Konstruieren mit Holz
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2021, ca. 200 S., 208 Abb. und 32 Tab., Hardcover
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Bauen+ Schwerpunkt: Gebäudetechnik
Edition Bauen+, Band 1
Ausgewählte Fachartikel und Interviews aus der Bauen+.
2021, 92 S., 130 Abb., Softcover
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Holz ist aktuell der Bau- und Werkstoff, dem das größte Potenzial für zukunftsorientiertes Bauen zugeschrieben wird, der aber auch Forschung und Baupraxis vor neue Herausforderungen stellt. Auf dem 23. EIPOS-Sachverständigentag Holzschutz diskutierten Experten aktuelle Fragestellungen und stellten neueste Erkenntnisse vor, die in diesem Band zusammengefasst werden. Die Holzforschung AUSTRIA präsentiert in ihrem Beitrag ein Konzept zur gewerkeübergreifenden Optimierung der Schnittstellen bei der Implementierung von TGA im mehrgeschossigen Holzbau. Breiten Raum nimmt das Thema Holzschäden durch Schimmel, Pilze und Insekten ein. Anhand praktischer Beispiele werden Ursachenfindung und erfolgreiche Sanierungsverfahren erläutert. Ebenso wird der Frage nachgegangen, wie eine biologische Schädlingsbekämpfung durch den Einsatz natürlicher Feinde wie den Buntkäfer gelingen kann. Dazu werden die Neuerungen der überarbeiteten Holzschutznorm DIN 68800-4 zum Thema Bekämpfungs- und Sanierungsmaßnahmen gegen Holz zerstörende Pilze und Insekten erklärt. Abgerundet wird der Band mit der Vorstellung aktueller Forschungsergebnisse aus dem Holzverbundbau und ihrer praktischen Umsetzung sowie des derzeitigen Diskussionsstands zum Brandschutz im Holzbau.

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Gerrit Horn
Holzrahmenbau, 6. Auflage
6., Auflage.
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Das Buch Holzrahmenbau hat sich in nunmehr fast 30 Jahren als Standardwerk etabliert. Die 6. Auflage wurde vollständig überarbeitet und neu gegliedert. Kernstück des Werkes sind die zahlreichen Konstruktions- und Ausführungsdetails, die die auf der Baustelle übliche Praxis abbilden und sich bautechnisch als schadensfrei bewährt haben. Darüber hinaus enthält das Fachbuch eine umfangreiche Sammlung der zahlreichen Bauteile und -stoffe, die im Holzrahmenbau zum Einsatz kommen bis hin zu Ausführungshinweisen bei der Haustechnik. Neu aufgenommen wurden in der 6. Auflage u.a. diffusionsoffene Konstruktionsdetails bei Außenwänden. Besonders hilfreich sind neben den Kennwerten zu Wärmeschutz, Schallschutz und Brandschutz die vielen Anschluss- und Fügedetails.

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3. Architektur fertigen
Konstruktiver Holzelementbau
2020, 276 S., 320 Abb. 33 cm, Softcover
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Der traditionelle Holzbau ist zunehmend von der industriellen Fertigung überformt, seine Eigenarten, Prinzipien und Möglichkeiten erheblich verändert worden. Im Sinne einer Holzarchitektur von morgen müssen Entwurf und Planung auf aktuellen Fertigungsmethoden aufbauen. Damit kann sie ausdrucksstark, wirtschaftlich und zukunftsfähig sein. Die Publikation vermittelt planenden Architektinnen Entwurfsmethoden für den zeitgemässen, industriellen Holzbau. Der Fokus liegt auf einer anwendungsorientierten Vermittlung von Grundlagen für die Planungspraxis. Zentral ist die Frage: Unter welchen Bedingungen und nach welchen Regeln entsteht idealerweise der moderne Holzbau? Herausgeber und Autorinnen - Experten aus dem Ausführungsbereich und der Forschung - erläutern Entwurfs- und Planungsstrategien vor dem Hintergrund ihrer beruflichen Praxis. Die zahlreichen Anwendungsbezüge können deshalb direkt für eigene Projekte und Planungen nutzbar gemacht werden. Das Buch konzentriert sich auf den Entwurfsprozess. Im einleitenden Teil werden die wesentlichen Bedingungen des Materials, generelle Zusammenhänge zwischen Fertigung bzw. Entwurf und Planung vorgestellt. Unter "Vorprojekt" werden die elementaren Schritte sowohl des Entwurfes als auch der maschinellen Fertigung der Holzsystembauweise, deren Abhängigkeiten und Spielarten erläutert; "Bauprojekt" zeigt die Kategorien der Ausführung, anhand der jeweilige Bedingungen und Einsatzgebiete. Ein auf die Umsetzung bezogener Beispielteil ergänzt die Fachbeiträge. Planende erhalten so einen Leitfaden, um den Entwurf in die Baubarkeit zu überführen mit gezielten Hinweisen in ganz verschiedenen Planungssituationen.

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Forschungsberichte

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Ulrich Schanda, Andreas R. Mayr, Fabian Schöpfer
Übertragungsfunktionen im Holzbau
Prognose der Schallübertragung aus haustechnischen Anlagen mit einem tabellarischen, praxistauglichen Ingenieurersatzverfahren
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3163
2020, 105 S., 64 Abb. u. 1 Tab., Softcover
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Für den gesetzlich geforderten Schallschutznachweis ist eine Prognose der Schallemissionen von Installationsgeräuschen und gebäudetechnischen Anlagen sowie der Köperschallübertragung im Gebäude erforderlich. Für den Holzbau sind hierfür bislang keine Prognoseverfahren verfügbar. Somit kann der Nachweis des geforderten Schallschutzes im Holzbau formal nur durch bauakustische Messungen im ausgeführten Gebäude erbracht werden. Hierfür wird ein empirisches Verfahren basierend auf gemessenen Übertragungsfunktionen vorgeschlagen. Um ein empirisches Prognosemodell abzuleiten, wurden die vorhandenen Daten anhand von Kategorien gruppiert. Aus diesen Gruppen wurden repräsentative Spektren für die Übertragungsfunktionen abgeleitet. Damit ist nun erstmals eine Abschätzung des resultierenden Schalldruckpegels im Holzbau möglich.

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Ondrej Kyjanek, Oliver David Krieg, Tobias Schwinn, Achim Menges
Mensch-Roboter-Kooperation im Holzbau: Potentiale für die Vorfertigung
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Der Holzbau basiert heute auf Leichtbausystemen mit einem sehr hohen Vorfertigungsgrad. Der Automatisierungsgrad der Fertigung im Holzbau ist jedoch im Vergleich zu anderen Industriebranchen immer noch sehr gering. Ziel dieses Projektes ist es daher, einen möglichen Einsatz der Mensch-Roboter-Kooperationsfertigung zu analysieren und zu bewerten, um den Automatisierungsgrad in der Holzbauvorfertigung zu erhöhen und flexibel zu halten. Die Forschungsarbeit verfolgt einen vierstufigen Forschungsansatz bestehend aus Analyse, Systematisierung, Entwicklung und Evaluierung: basierend auf der Analyse des aktuellen Stands der Technik im Holzbau und der verfügbaren Technologien der Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) und der Systematisierung der Ergebnisse, werden praktikable MRK-Workflows entwickelt und diese abschließend durch eine Reihe von Produktionssystemprototypen bewertet.

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Jürgen Graf, Reiner Klopfer, Dennis Röver
Neue Potentiale im konstruktiven Holzbau durch acetylierte Buche. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3132
2019, 70 S., 61 Abb. u. 6 Tab., Softcover
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Buchenholz liegt zukünftig in großen Mengen vor und hat das Potential im konstruktiven Holzbau vermehrt zur Anwendung zu kommen. Die Verfügbarkeit als Bauprodukt kann in Zukunft deutlich zunehmen, wenn Fragen der Festigkeitssortierung, der Verwendung von Holzteilen geringer Qualität und der Marktbereitstellung auf der einen Seite sowie Fragen der Klebbarkeit, der Keilzinken-verbindungen und der Dauerhaftigkeit auch für Verwendungen im Außenbereich auf der anderen Seite besser untersucht und gelöst werden. In diesem Forschungsvorhaben sollen daher experimentelle Untersuchungen an hochwertiger, vorsortierter Buche für BS-Holz mit > GL 48 (astfrei, dyn. E-Modul > 15 000 N/mm2, Bauteilbreite 100 mm) an Kleinproben, Teilproben und Proben in Bauteilgröße nach DIN EN 384 und DIN EN 408 durchgeführt und daraus ableitende mittlere Festigkeiten und Steifigkeiten ermittelt werden. Die Eigenschaften von acetyliertem Buchenholz sollten mit den Eigenschaften von nativem Buchenholz verglichen werden. Damit sollen Grundlagen für die Bemessung von Bauteilen aus Buchen BS-Holz von frei bewitterten Brücken, Türmen, Hallentragwerken, Parkhäusern, Überdachungen, Fassaden, Balkonen etc. mit diesem innovativen Baustoff bereitgestellt werden.

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Stefan Bacher, Camille Châteauvieux-Hellwig, Melina Martin, Thomas Ecker, Michael Rudolph, Andreas Rabold
Schallschutz von Flachdächern in Holzbauweise
Luft- und Trittschalldämmung von Flachdächern und Dachterrassen
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3179
2019, 120 S., 23 Abb. u. 10 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Bei der Planung von modernen Büro- und Wohngebäuden ist vor allem im Bereich der mehrgeschossigen Bauweise i.d.R. ein Flachdach oder ein flachgeneigtes Dach mit ausgebautem Dachgeschoß vorgesehen. Mangelnde Planungsdaten erschweren es gerade klein- und mittelständigen Unternehmen, zu denen sehr viele Holzbaubetriebe gehören, den Einstieg in den mehrgeschossigen Holzbau, der nicht nur aus ökologischer Sicht vorteilhaft ist. So wurden auch in der neuen DIN 4109 nur drei Aufbauten für leichte Flachdächer berücksichtigt. Die Zielsetzung des Projektes besteht daher in der Bereitstellung von Planungsunterlagen für verschiedene Konstruktionsvarianten von Flachdächern und leicht geneigten Dächern, die insbesondere den Anforderungen an den Schallschutz genügen sowie den weiteren Leistungseigenschaften wie Wärme- und Feuchteschutz entsprechen. Die Untersuchungen wurden an praxisnahen Dachaufbauten durchgeführt, um die Einflussgrößen auf die Schalldämmung von Flachdächern und leicht geneigten Dächern beschreiben und Planungsunterlagen gut geeigneter Konstruktionen zur Verfügung stellen zu können.

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Catherina Thiele, Dirk Lorenz, Thomas Scherer, Stephan Birk, Sebastian Simon
Leitungsdurchführungen im Holzbau
Abschlussbericht LeitHolz.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3159
2019, 118 S., 55 Abb. u. 19 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Forschungsprojekt "Leitholz" beschäftigte sich mit der Anwendung und Prüfung von Leitungsabschottungen im Holzbau. Bekannte, im Massiv- oder Trockenbau zugelassene, Abschottungssysteme sollten bezüglich ihrer Anwendbarkeit im Holzbau untersucht werden. Weiterhin sollte überprüft werden, ob die Prüfbedingungen für Abschottungen im Massivbau auf Abschottungen in Holzbauteilen übertragen werden können. Aktuell stellt zur Leitungsabschottung im Holzbau eine gewerkübergreifende Lösung die gängige Praxis dar. An der Stelle der Leitungsdurchführung wird der Werkstoff Holz durch ein massives Bauteil (Beton / Mörtel) substituiert. Die Leitungsabschottung erfolgt dann innerhalb des massiven Bauteils. Abschottungssysteme können unter nicht wesentlicher Abweichung von ihren Anwendbarkeitsnachweisen eingebaut werden. Im Forschungsprojekt wird eine neue Methode "Holz-in-Holz" erarbeitet. Ziel ist an der Stelle der Leitungsdurchführung nicht weiter einen anderen Werkstoff einzubringen. Die Abschottung soll in Holzmodulen stattfinden.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Ehm, Christine
Entomologische Bauforensik. Erkennen und Vermeiden von Bauschäden durch Bestimmung von Insekten
Der Bausachverständige, 2021

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Höllbacher, Roman; Schnabel, Albrecht (Mitarbeiter)
Vivid Planet, Henndorf am Wallersee. Villa im Grünen mit Terrasse
Architektur Aktuell, 2021

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Gunßer, Christoph
Hybrides Bauwerk am Hang. Nationalparkzentrum am Ruhestein/Schwarzwald (kostenlos)
DBZ Deutsche Bauzeitschrift, 2021

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Oppliger, Valentin
Die Wärme von Holz. Unterbringungszentrum, Genf. Acau Architecture SA, Carouge
Das Magazin der Schweizer Baudokumentation = Le magazine de la documentation suisse du batiment, 2021

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Liese, Julia
Elektrotankstelle in Fredericia
Detail, 2021

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