Primeur: onderzoekers ontwikkelen houten constructie die uit zichzelf buigt

Onderzoekers aan de universiteit van Stuttgart zijn erin geslaagd om een lichtgewicht zelfvormende houtstructuur te ontwikkelen. Geavanceerde computermethoden werden ingezet om vat te krijgen op de hygroscopische eigenschappen van het hout en die vervolgens als troef te benutten. Wanneer het hout aan de lucht begint te drogen, neemt de oorspronkelijk vlakke houten constructie zijn gekromde vorm aan.

Ecologische architectuur

De hele bebouwde omgeving heeft nood aan een fundamenteel nieuwe aanpak vinden de onderzoekers. Nu zowel energie als materialen schaars worden, moeten het ontwerp, de engineering en het bouwproces herdacht worden. Met HygroShell neemt het projectteam het voortouw. De constructie maakt, zoals de naam doet vermoeden, gebruik van de hygroscopische of wateraantrekkende eigenschappen van hout. Ze maakte onlangs haar debuut op de Chicago Architecture Biennial.

De lichtgewicht houten ‘schelp’ met aanzienlijke overspanning wordt volledig vlak geproduceerd en gemonteerd en neemt op de site helemaal vanzelf zijn gebogen vorm aan. Daar gaan wel geavanceerde computergestuurde berekeningen aan vooraf, want net door het vochtgehalte nauwkeurig te controleren, konden de natuurlijke eigenschappen van het hout als architecturaal element ingezet worden. De werkwijze levert ook een aanzienlijke materiaalbesparing op. De HygroShell is een subtiel gebogen luifel die tien meter overspant en slechts 28 mm dik is. De naaldhoutconstructie heeft een kromming/dikteverhouding van 50-70, en een slankheidsverhouding van 350:1, wat overeenkomt met die van eierschalen.

ITECH/ICD/ITKE University of Stuttgart -

Zelfvormend dankzij de hygroscopische eigenschappen van hout

HygroShell werd gemaakt uit lokaal geoogst sparrenhout. Op die manier werd het transport onder controle gehouden. Het verzagen gebeurde vlak voor de productie zodat het vochtgehalte hoog bleef. Per plank werd gedetailleerde informatie in een digitaal data model verzameld, inclusief informatie over het vochtgehalte en de nerfrichting. Zo kreeg men inzicht in de fysieke en mechanische eigenschappen van elke plank.

Elke plank kreeg een krommingspotentieel toegekend dat voortdurend geüpdatet kon worden op basis van het vochtgehalte. Dankzij die bijna realtime benadering kon op elk moment, zowel tijdens het ontwerp als tijdens de fabricage, de kromming aangepast worden aan het beschikbare materiaal. Het gaat verspilling tegen.

De constructie bestaat uit twee op elkaar gemonteerde houtlagen, waarbij de ‘actieve’ laag een hoog vochtgehalte heeft terwijl de andere laag uit veel droger hout bestaat. Het complexe model zorgt ervoor dat elke plank de juiste plaats krijgt. De dubbellaagse constructie begint te buigen wanneer de vochtrijke actieve laag door blootstelling aan de lucht begint te krimpen. Op die manier kon men op een energiezuinige en passieve manier een gekromde geometrie realiseren. De houten shingles bovenaan werken als schubben. Ze passen zich aan de kromming van het oppervlak aan, terwijl ze de bescherming tegen weersinvloeden behouden.

Dat de relatieve vochtigheid per dag en per seizoen sterk kan variëren, vormt voor dit proces een uitdaging. De kromming en het vochtgehalte werden daarom gedurende enkele dagen nauwkeurig opgevolgd met scanners en ingebouwde sensoren. Eens de onderdelen hun beoogde kromming bereikten, werd de geometrie vergrendeld door een extra, elastisch gebogen multiplexlaag van 4 mm aan de binnenkant van de gebogen lagen te lamineren, waardoor de vormstabiliteit werd vergroot.

ITECH/ICD/ITKE University of Stuttgart -

Houtbouw verder verduurzamen

Massieve houtbouw wordt over het algemeen al als duurzaam beschouwd, maar met deze aanpak slaagt men erin om de totale ecologische impact nog verder te verlagen. Hout wordt immers vaak in een oven gedroogd en dat is een energie-intensieve ingreep. Door relatief dunne houten lamellen te gebruiken en deze aan de lucht te laten drogen, werd die productiestap overbodig terwijl het tegelijkertijd mogelijk werd om grote gebogen onderdelen te creëren. Met het project wil het team vooral ook aantonen dat zelfvormende bouwsystemen het werk op de werf sterk kunnen vereenvoudigen. Het maakt niet alleen bekisting overbodig, maar de autonomie van dergelijke systemen zorgt er ook voor dat er minder arbeid en machines aan te pas moeten komen.

HygroShell bewijst dat het mogelijk is om houten constructies met langere overspanningen te maken zonder de hoeveelheid materiaal en de structurele massa te laten toenemen. Van veraf lijkt het paviljoen dynamisch en flinterdun. Met een oppervlakte van 40 m² en slechts 40 kg/m² is het ultralicht, zowel wat het gewicht als de impact op de planeet betreft. De geïntegreerde verbindingen zijn van onderaf onzichtbaar wat een continuïteit creëert die we eerder associëren met beton- of textielarchitectuur. Het is een mooi voorbeeld van hoe hightech en natuurlijke processen hand in hand kunnen gaan.