▸ Seit 2006 befasst sich der Industriedesigner und Tree Engineer Martin Zeller mit der Entwicklung von Baumankersystemen nach natürlichem Vorbild. Alle Fotos stammen aus dem Privatarchiv Martin Zeller.
Die Motivation zur Entwicklung innovativer Anschlagsysteme entsprang der Unzufriedenheit mit den damals üblichen Anschlagtechniken im Kletterwald, wie etwa der Umschlingung oder den Klemmtechniken. Diese galten damals als verletzungsfrei. Es stellte sich dann aber heraus, dass diese Techniken mittel- bis langfristig massive Schäden an den Tragbäumen verursachen. Das Foto zeigt, wie sich irreversible Verschiebungen in radialer Richtung im Holzkern durch den Anpressdruck (blaue Pfeile), übertragen durch die vermeintlich baumschonenden Druckhölzer, ausbilden.
Die Entwicklung modularer Baumschrauben
Für die Befestigung von Bauteilen und Konstruktionselementen an lebenden Bäumen wurden schon seit vielen Jahren Baumschrauben eingesetzt, wenn man auf Schlingen- oder Klemmtechniken verzichten wollte, weil diese das radiale Dickenwachstum eines Baums immer beeinträchtigen. An dieser Stelle sei die Garnierschraube genannt, die vor allem in den USA häufig zur Befestigung von Balken im Baumhausbau verwendet wurde. Allerdings stellte sich heraus, dass durch den Einsatz von brünierten Garnierschrauben die betreffenden Tragbäume auch nachhaltig geschädigt werden.
Auch hierzulande wurden viele Tragbäume durch den Einsatz von z. B. verzinkten Schrauben geschädigt, weil die durch natürliche Gerbsäuren gelösten Metallsalze den Holzkern zersetzen und derart vorschädigen können, dass sich Holz zersetzende Pilze leicht ausbreiten können. Heute ist nachgewiesen, dass zum Beispiel Zinkoxide die Abschottungsgrenzen eines vom Pilz befallenen Baums auflösen können und damit die Fäulnis fördern.
Sogar noch heute werden im Kletterwald vor allem aus Kostengründen Schrauben aus nicht edlen (= nicht inerten) Materialien eingesetzt, die den Stoffwechsel des Tragbaumes vergiften können. Der Grad der Vergiftung ist dabei abhängig von dem Feuchtegehalt des Holzkerns und der Zusammensetzung der Baumsäfte, insbesondere der Konzentration von Gerbsäuren. Insofern spielen Baumart, Standortfaktoren und Bewitterung eine Rolle.
Die Grundlagenforschung zur Entwicklung baumverträglicher Baumschrauben basierte auf Naturbeobachtungen. Alle Baumarten bilden so genannte „Abschiedskragen“ aus, wenn sie einen Ast abwerfen, der beispielsweise mangels Lichteinfall oder wegen Blattmangel nur eine verminderte Photosynthese leistet und deshalb nicht mehr ausreichend zur Versorgung des Baums beitragen kann.
Aus den oben aufgeführten Erkenntnissen wurde schnell klar, dass die zu entwickelnden Baumschrauben mindestens zwei Kriterien erfüllen müssen: sie müssen aus inertem Stahl hergestellt und mit einem so genannten „Umwallungsabschnitt“ ausgestattet sein, damit sie von dem Baum optimal angenommen werden.
Die ersten Prototypen wurden gezeichnet und 2007 zur Herstellung in Auftrag gegeben. Da unterschiedliche Baumarten unterschiedliche Holzfestigkeiten produzieren, wurden spezielle Baumschrauben für Weichhölzer und andere für Harthölzer hergestellt.
Die nächste Aufgabenstellung war, das radiale Dickenwachstum der Bäume mit zu berücksichtigen. Jeder Baum legt jedes Jahr einen Jahresring an, wo sich die Leitbündel befinden, in welchen die Stoffwechselprodukte aus der Photosynthese hinunter zum Wurzelsystem geleitet werden. Diese äußeren Zonen (Phloem und Xylem) sind also für die Versorgung eines Baums elementar wichtig und müssen deshalb geschützt werden.
Die Zeller-Baumschraube
Die Überlegung war: Wenn sich die Baumschrauben mit einem aufschraubbaren Modul verlängern ließen, wäre ein „mitwachsendes Ankersystem“ möglich. Deshalb wurden zeitgleich zu den verschiedenen Baumschraubentypen entsprechende Verlängerungsmodule entwickelt. Durch die natürliche Umwallung des äußeren Abschnitts der Baumschrauben (daher der Name „Umwallungsabschnitt“) wird nach einigen Jahren das äußere Ende einer Baumschraube erreicht. Der modulare Aufbau erlaubt aber eine Verlängerung der Baumschraube, wenn dieser Fall eintritt. Dieses Baumankerset, bestehend aus einer Baumschraube mit Verankerungsabschnitt, Stufenfläche, Umwallungsabschnitt und Verlängerungsmodul – gefertigt aus inertem Edelstahl – wird seit 2007 als Zeller-Baumschraube bezeichnet und im Baumhausbau und in Kletterwäldern als Befestigung für Sicherungssyteme eingesetzt.
Auf dem Foto wurden die 15 Jahresringe aus der Erprobungsphase zur Verdeutlichung nachgezeichnet. Deutlich ist zu sehen, dass sich im Reaktionsholz oberhalb der Baumschraube unterschiedlich dicke Jahresringe gebildet haben. Das erklärt sich aus den unterschiedlichen klimatischen Bedingungen verschiedener Jahre. Im Reaktionsholz unterhalb der Baumschraube (Druckholz) bildeten sich jedoch absolut gleichförmige Jahresringe aus. Auch in diesem Verhalten werden die Tree Engineering Lehrsätze 1, 3, 4 und 6 (siehe Teil 1 dieses Beitrags in der letzten OBEN-Ausgabe, Lehrsätze) bestätigt.
Zur Verdeutlichung folgt ein Zitat aus einer Tree Engineering Vorlesung an der TU Dortmund: „Bäume verfügen über Sinnesorgane, welche die mechanischen Hauptdehnungen permanent überwachen und ab einer gewissen Schwelle Wachstumsreize im Meristem und im Kambium auslösen. Die Adaptivität betrifft den Ausbau des Wurzelwerks, das Dickenwachstum von Stamm und Ästen sowie die lokale Bildung von Reaktionsholz. Kommt es zu lokaler Schädigung in der Struktur, wird die Adaption natürlich angesprochen. Wird zusätzliche Last im Baum verankert, kommt es unterhalb der Verankerung zu veränderter Dehnungscharakteristik und entsprechenden Wachstumsreizen.“ Weil sich der Lasteintrag innerhalb der 15 Jahre Erprobungsphase nicht geändert hat, gab es permanent den gleichen Wachstumsreiz mit dem Resultat gleichförmiger Jahresringe.
Für eine seriöse Produktentwicklung müssen Baumankersysteme selbstverständlich auch mechanisch auf ihre Festigkeit und Belastbarkeit hin überprüft werden. Dies erfolgte sowohl in Feldversuchen an verschiedenen Baumarten, wie auch auf dem Prüfstand in der Prüfhalle.
Die Implantattechnik – modulare, adaptive Anschlagsysteme
Implantate unterscheiden sich von herkömmlichen Baumschrauben hauptsächlich dadurch, dass der Kraft aufnehmende Teil des Baumankers (Umwallungsabschnitt) nicht außen auf dem Rindenmantel aufliegt oder davon absteht, sondern im Kernholz verankert wird. Eine ganz wesentliche Rolle spielt das geplante Einwachsen des Implantates: mit einer speziellen Gewindeform und einem astähnlichen Umwallungsabschnitt wird dem Tragbaum ein Formteil eingesetzt, das viele Merkmale einer natürlichen Astanbindung aufweist.
In seiner Forschungsarbeit hat Martin Zeller nachgewiesen, dass die Kallusbildung nicht nur dem Wundverschluss dient, sondern auch um Äste oder Fremdkörper zu umschließen. Im Detail wurden durch Vorversuche an unterschiedlichen Baumarten nachgewiesen, dass lebende Bäume zylindrische Körper auf eine völlig natürliche Art mit Kallusgewebe einfassen („umwallen“). Aus diesem Grund werden die Umwallungsabschnitte der Zeller-Baumschrauben wie ein Astabschnitt als Zylinder gestaltet.
Unzählige Versuche an unterschiedlichen Baumarten über einen Zeitraum von mehr als zehn Jahren haben bewiesen, dass ein vitaler Baum sich ein gut gestaltetes Implantat durch natürliches Dickenwachstum problemlos einverleibt. Die Produktion von Kallusgewebe wird bereits durch die Verletzung des Kambiums bei der Fräsung des Sacklochs ausgelöst. Um so baumschonend wie möglich vorzugehen, wird jedes Implantat einzeln dimensioniert, gemäß dem Grundsatz „so klein wie möglich, so groß wie nötig“. Außerdem muss bei der Montage von Baumschrauben oder Implantaten größte Sorgfalt bei der Baumhygiene angewendet werden. So müssen die Werkzeuge und Implantate mit einem Desinfektionsmittel behandelt werden, welches nicht nur antiviral, sondern vor allem fungizid wirkt.
Sämtliche Bohrungen im Tragbaum müssen vor dem Einbringen der Baumschraube oder des Implantats mit Baumharz von hinten nach vorne ausgefüllt werden, um Lufteinschlüsse zu vermeiden. Die größte Katastrophe für einen lebenden Bäum wäre, wenn das Versorgungssystem, welches auf Kapillarwirkung aufbaut, durch eine Gasembolie zusammenbrechen würde.
Der Einsatz von Baumschrauben zur Anbindung von schweren Bauwerken
Im Nationalpark Schwarzwald wurde eine große Besucherplattform in Form eines Vogelnests (genannt „Adlerhorst“) errichtet. Als einziger Tragbaum dient eine Weißtanne. Der Schaft weist eine bemerkenswerte Neigung von ca. drei Winkelgrad gegen die Vertikale auf. Da Holzdichte und Festigkeit von lokalen Wachstumsparametern abhängen, wurden umliegende Referenz-bäume zur Gewinnung von Bohrkernen genutzt, um Festigkeitswerte zu ermitteln, die u.a. für lokale Spannungsnachweise der Befestigung herangezogen wurden.
Das architektonische Konzept des Adlerhorstes stellt den Blick in das Kronendach des Waldes in den Vordergrund. Der Titel gab weiterhin vor, dass es sich um ein rundes, nestartiges Bauwerk aus überwiegend natürlichen Rohstoffen sowie hoher Aufenthaltsqualität (Schutz vor Wind, Emotion der Geborgenheit) handeln sollte. Die kreisförmige Plattform besitzt eine Grundfläche von ca. 20 m² und liegt ca. sieben Meter über dem flach abfallenden Gelände.
Auf der Plattform befinden sich umlaufende Sitzflächen für die gleichzeitige Benutzung durch bis zu 20 Personen. Um die Erscheinung eines Nests zu betonen, wurde die tragende Konstruktion der Plattform auf die Höhe des Nestbodens beschränkt. Diese Vorgabe führte zur Konstruktion der doppelten Umreifung. Die beiden Ringe besitzen einen vertikalen Abstand von einem Meter und sind mit Fahnenblechen verbunden. An die Fahnenbleche schließen ca. drei Meter lange, radial auskragende Schwertscheiben aus Furnierschichtholz an.
Durch individuelle Verlängerungszylinder je Baumanker, kann die Abweichung des Stammquerschnittes zur Kreisgeometrie der Umreifung kompensiert werden. Weiterhin werden die Baumanker über die Ringwirkung der Umreifung gegen den Schaft des Baumes vorgespannt. Dieses Vordrücken der Baumanker erhöht den Kraftschluss der Befestigung zum Baum hin. Gerade bei asymmetrischer Belastung der Plattform lässt sich so die Grenzfläche zwischen Stamm und Baumanker kontinuierlich geschlossen halten. Diese Grenzfläche wird durch eine Hohlkehle aus Baumharz zusätzlich luftdicht verschlossen.
Durch die Umwallung der Baumanker im Bereich der Umwallungsabschnitte mit einem deutlich größeren Querschnitt als der Verankerungsabschnitt aufweist, nimmt die Tragkraft der Verbindung zu, so dass mit jeder Wachstumsperiode die Beanspruchung des Verankerungsabschnitts abnimmt. Kurz nach Fertigstellung der Plattform lag allerdings noch kein Reaktionsholz vor, was für die Auslegung des Baumankers maßgebend ist. Durch die Vorteile der doppelten Umreifung konnte der Kerndurchmesser des Verankerungsabschnitts und damit die Sacklochbohrung sehr klein gehalten werden. Obwohl eine vertikale Bemessungslast von 212 kN (entsprechend 21,6 t) vorlag, genügten zur Erstellung pro Ring 16 Bohrungen mit einem Durchmesser von lediglich 18 mm für den Verankerungsabschnitt.
Zur Beachtung: Das Eigengewicht der Weißtanne aus Stamm, Astwerk und Krone wurde im Tree Engineering Gutachten auf 15,6 t ermittelt. Damit handelt es sich weltweit um das einzige Bauwerk, das mehr wiegt als sein Tragbaum! Die Relation aus technischer Bemessungslast und Baumeigengewicht liegt bei 1,38 und zeigt, wie effizient die Befestigung schon bei Erstellung im Jahr 2017 war. Mit der fortschreitenden Umwallung der Baumanker nimmt diese Relation fortlaufend noch weitaus höhere Werte an, weil die Querschnittsfläche des Umwallungsabschnitts um ein Vielfaches größer ist, als die des Verankerungsabschnitts.
Der Einsatz von Koppelelementen zur Anbindung von schweren Bauwerken
Dieses Baumhaus wurde an den umstehenden Rotbuchen aufgehängt. Für die Aufnahme der Hauptlasten, resultierend vorwiegend aus Eigengewicht und Verkehr, wurden Hauptlastseile schräg nach oben in den Bereich des jeweiligen Stammkopfes geführt. Zur Aufnahme der Horizontalkräfte, resultierend vorwiegend aus Windeinwirkung, wurden Positionierungsseile horizontal zu den umliegenden Rotbuchen gespannt.
Weil vor allem im Baumhausbau oftmals sehr hohe Kräfte in die Tragbäume eingeleitet werden müssen, wurden an der TU Dortmund im Institut für Baumechanik, Statik und Dynamik (siehe unten) Koppelelemente für die Zeller-Baumschrauben entwickelt. Mit Hilfe dieser Koppelung können nun in Abhängigkeit von der Zugrichtung bis zu zwölf Tonnen Last an einer Stelle des Tragbaums eingeleitet werden.
Tree Engineering
Tree Engineering ist eine junge Ingenieurwissenschaft, welche die Biologie, Morphologie, Mechanik, Statik und Dynamik von Bäumen umfasst. Tree Engineering wird angehenden Bauingenieuren als Wahlpflichtfach, sowohl im Bachelor- wie auch im Masterstudium am Institut für Baumechanik, Statik und Dynamik der TU Dortmund angeboten.
Neben der primären Zielsetzung (Verankerung von technischen Anlagen in vitalen und ausreichend tragfähigen Bäumen), verfolgt das Tree Engineering auch Ziele des nachhaltigen Bauens sowie des Klimaschutzes durch die Schaffung oder den Erhalt von Wäldern, bei gleichzeitiger Bereitstellung von Verkehrsraum, Arbeitsraum und Wohnraum.
Tree Engineering ist ein Arbeitsgebiet des Bauwesens, weil sowohl Fächer des Bauingenieurwesens (Versorgungstechnik, Baudynamik, etc.) als auch der Architektur (Modulbauweise, Tiny House Movement, etc.) angesprochen werden. Dazu gehören auch Planung und Konstruktion der technischen Einrichtung bzw. der technischen Anlage, die in ausreichend vitalen Bäumen verankert wird. Der so genannte „Tragbaum“ übernimmt im Gesamtsystem hauptsächlich die Funktionen der primären Tragstruktur und der Gründung.
Eine besondere Rolle spielt im Tree Engineering das Baumgutachten. Hier werden individuelle, statisch relevante Parameter erfasst und interpretiert. Dies bildet jeweils die Grundlage für sämtliche darauf aufbauenden Planungen. In dem Tree Engineering Gutachten wird die Tragfähigkeit des lebenden Baumes (Widerstandseite) mit den zu verzeichnenden Lasteinträgen (Lastseite) rechnerisch verglichen.
Insofern spielt Tree Engineering auch eine wichtige Rolle bei der Verkehrssicherungspflicht. Hier geht es darum, die Standsicherheit und Bruchsicherheit eines Baumes im öffentlichen Raum zuverlässig zu berechnen, also mathematisch nachzuweisen. Auf der Basis mechanischer Betrachtungen können Entscheidungen über weitere Maßnahmen, z.B. Einkürzung, Kronensicherung, Abstützung, Abspannung, etc. getroffen werden.
Zur Person:
Martin Zeller, geb. 1963 in München, studierte zunächst Industriedesign, dann Architektur an der FH München. Nach fast zwei Jahrzehnten Tätigkeit in verschiedenen Planungsbüros in München, Stuttgart und Freiburg wurde ihm die Büroarbeit zu technoid und er folgte seinem Drang, in und mit der Natur zu arbeiten. In den Jahren 2006 bis 2008 ließ er sich am Forschungszentrum der Uni Karlsruhe (heute KIT) von Prof. Dr. Claus Mattheck zum Tree Engineer ausbilden. In dieser Zeit wurden die ersten Baumschrauben entwickelt, getestet und als Anschlagmittel zur Aufhängung von Baumhäusern eingesetzt.
Zeller leitet heute das Baumzentrum Kaiserstuhl und lehrt an der Fakultät für Architektur und Bauingenieurwesen der TU Dortmund die Fächer „Tree Engineering“, „Organisches Bauen“ und „Organic Tiny House“. Er promoviert auf dem Gebiet der vergleichenden Analyse der unterschiedlichen Festigkeiten verschiedener Baumarten in Deutschland und begleitet die Weiterentwicklung von Baumankersystemen an der TU Dortmund.
Martin Zeller steht auch Herstellern von Sicherungssystemen im Kletterwald als Fachingenieur beratend zur Verfügung.
Infos und Kontakt:
Dipl. Des. Martin Zeller
Baumzentrum Kaiserstuhl
Hauptstr. 128
79356 Eichstetten
Tel.: 07663 94 94 22
eMail: baumzentrum@web.de
www.baumzentrum-kaiserstuhl.de
