Timber as a construction material in middle- and high-rise buildings : the aesthetics, merits and future of using wood considering fire regulations and safety instructions, comparing Japan and Austria/Europe

Abstract

Diese schriftliche Arbeit zeigt nicht nur die Vorzüge von Holz, seinen Einfluss in unseren Alltag und realisierte Holzprojekte aus Europa und Japan, sondern fördert auch Zukunftsvisionen und Ideen für Mittel- und Hochhaus-Holzkonstruktionen. Sie soll darstellen, welche Möglichkeiten und Lösungen es für mehrstöckige Gebäude aus Holz, die den gleichen Sicherheits-Standards wie "gewöhnliche" Beton-, Stahl- und Stahlbetonkonstruktionen bieten, bereits geben oder noch erforscht werden.<br />Jede Art von Holz bietet unterschiedliche Eindrücke und Möglichkeiten, nicht nur, wenn es als Konstruktionsmaterial benutzt wird, sondern auch im Innenausbau.<br />Holz klingt gut, fühlt sich gut an, riecht gut und schafft eine angenehme und ausgeglichene Atmosphäre; Holz lässt Räume viel wärmer wirken, spart Heizkosten und steigert das Wohlbefinden immens.<br />Das Ziel des Kyoto-Protokolls ist es, in der Zeit von 2008 bis 2012 die sechs Treibhausgasemissionen Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4), Distickstoffoxid (N2O), Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW/HFCs), Kohlenwasserstoffe (FKW/PFCs) und Schwefelhexafluorid (SF6) der Industrieländer um 5% aus dem Jahr 1990 zu reduzieren.<br />Holz als nachwachsender Rohstoff stellt einen nicht zu vernachlässigende Beitrag zum Schutz der Umwelt dar. Die Herstellung der meisten Produkte aus Holz benötigt weniger Energie und natürliche Ressourcen als andere Baustoffe, die heute in Europa verwendet werden. Im Laufe ihres Wachstums binden Bäume Kohlenstoff aus Kohlenstoffdioxyd (C02) und emittieren Sauerstoff in die Atmosphäre. Je älter ein Baum wird, desto weniger Kohlenstoff wird absorbiert und wenn der Baum nicht genutzt wird und demzufolge stirbt, wird der gespeicherte Kohlenstoff wieder freigegeben. Wenn Holz genutzt und weiterverwendet wird, wird der Kohlenstoff dem natürlichen Kreislauf entzogen und für viele Jahre gespeichert - eine effektive Nutzung ist daher die Bauindustrie.<br />Seit Anbeginn der Menschheit wird Holz für Nutzung entwickelt.<br />Holzbauten können über Jahrhunderte bestehen bleiben. Gebrochene Teile sind leicht zu finden und zu ersetzen im Gegensatz zu Materialien wie Stein oder Beton. Änderungen können leicht, schnell und kostengünstig vorgenommen werden. Doch trotz seiner hervorragenden Eigenschaften wurde es durch die Materialien, die heutzutage in Mitteleuropa gerne genutzt werden, als Baumaterial in den Hintergrund geschoben.<br />Strenge Auflagen und Sicherheitsvorschriften sowie Baurecht unter Berücksichtigung des Brandschutzes sind Gründe, warum viele Architekten sich nicht über die derzeit 4 bis 5 Etagen erlaubter Holzkonstruktionen wagen.<br />Diese Arbeit bietet einen Überblick der ästhetischen und technischen Aspekte von Holz, Brandschutzbestimmungen in Europa und Japan sowie bereits bestehende Mittel- und Hochhaus-Holzkonstruktionen und Ideen, wie man die "Angst" vor Holz als Baumaterial überwinden könnte.<br />Ein bestehendes Gebäude - der "Mode Gakuen Cocoon Tower" (Shinjuku, Tokio - Japan), wurde durch Neuberechnung der Hauptstruktur (mit Hilfe einer Tabelle von Kräften, die auf der Stahlkonstruktion basiert) als Fallstudie herangezogen, um einen ungefähren Überblick über die zu erwartenden Abmessungen der Bauteile zu bekommen, wenn das Gebäude aus Holz gebaut werden würde.<br />Wenn Brandschutzbestimmungen es erlauben würden, so hoch zu bauen, wäre es weniger eine Frage der Sicherheit oder Statik - der interessante Bereich an einem Projekt wie diesem wäre, dass man einerseits die Deformierungseigenschaften von Holz in Betracht ziehen muss und auch, wie man die gewaltigen Dimensionen der diagrid frames, Träger und Säulen miteinander verbinden könnte. Da diese Fallstudie nur an der Oberfläche des Themas "Holzhochhäuser" kratzt, wurde diesbezüglich nicht ins Detail gegangen.<br />

This paper illustrates not only the merits of wood and its influence in our everyday life and shows realized timber projects in Europe and Japan; it also promotes future ideas and visions for middle- and high-rise timber constructions. It shall depict possibilities and solutions to construct multi-storey buildings made of wood, which can offer the same security standard as "common" concrete, steel and reinforced concrete constructions.<br />Every kind of wood offers different impressions and possibilities, not only when utilized as a construction material but also for interior design like furniture, flooring,...<br />Wood sounds good, feels good, smells good and creates a good and balanced atmosphere. Wood designed spaces always appear warmer than they actually are. This reduces heating costs and increases well-being.<br />The aim of the Kyoto Protocol is to reduce the six most important greenhouse gas emissions [carbon dioxide (CO2), methane (CH4), nitrous oxide (N2O), fluorinated hydrocarbon (HFC), perfluorocarbons (PFC) and sulphur hexafluoride (SF6)] of developed countries to 5% below the level they were in 1990 for the period of 2008-2012.<br />Wood as a renewable resource provides a non-negligible contribution to the protection of the environment. The fabrication of most wooden products requires less energy and natural resources than other building materials commonly used in Europe. In the course of their growth, trees bind carbon from C02 and emit oxygen to the atmosphere. As a tree matures, less carbon is absorbed and if the tree is not used and dies, it's stored carbon is released again. If wood is manufactured and utilized for further use, the carbon is removed from it's natural circulation and stored for many years - the building industry is therefore of effective use.<br />Since the existence of man, wood has been developed for utilization.<br />Wooden constructions can survive for centuries. And broken parts are easy to find and replace, unlike brick or concrete. Changes can be made easily, quickly and inexpensively.<br />But despite it's eminent properties as a construction material, it has been pushed into the background through the nowadays in middle Europe commonly used materials.<br />Strict conditions and safety regulations as well as building laws in consideration of fire safety are to blame for the reasons why many architects shy from developing "higher" projects, as the current law allows only an average of 4-5 storey timber constructions.<br />In this paper you will find an overview of the aesthetical and technical aspects of wood, fire regulations in Europe and Japan as well as middle-rise projects that already exist and ideas to overcome the "fear" of using wood for high-rise buildings.<br />An existing building - the Mode Gakuen Cocoon Tower, located in Shinjuku, Tokyo (Japan) was remodelled as a timber construction by recalculating the main structure (using a table of forces based on the steel structure) to get an approximate overview for the prospective dimensions a high-rise building would need for construction using timber.<br />If fire regulations would allow this height, there would be no question about the safety or structural analysis - the interesting part of a project like this then would be the consideration of the deformation properties of wood and how to connect the immense members of diagrid frames, beams and columns.<br />As the case study of the Mode Tower is only scraping the surface of the theme "high-rise timber constructions", it has not gone into detail about joints.