Der Titel der diesjährigen Tagung des Swiss Wood Innovation Networks S-WIN lässt sich unterschiedlich auffassen: als «Sicherlich mit Holz» oder aber wörtlich als «Sicherheit mit Holz». Die Ende Januar an der ETH Zürich präsentierten Referate lassen beide Lesearten zu.
Von grossvolumigen Holzbauten über frei geformte Tragwerke, mehrgeschossige Bauwerke bis hin zum Hochhausbau – dem Holzbau scheinen kaum mehr Grenzen gesetzt. Insbesondere die seit 2015 geltenden Brandschutzkonzepte haben dem Holzbau merklich Aufschwung verliehen. Aber auch bauakustische Neuerungen, modulares Bauen, industrielle Vorfertigung und integrierte Gebäudetechnik machen den Holzbau zur Bauweise der Zukunft. Dazu kommen neue Anwendungen mit hochfesten Holzarten (Laubholz) sowie vorspannungs- und leistungsfähige Verbindungsmittel.
Hoch hinauf mit Holz
Die Entwicklung beim Hochhausbau ist ein wesentlicher Treiber für bautechnische Neuerungen im Holzbau. Heute ist das Ziel, Gebäudehöhen von 150 m zu erreichen, nicht mehr utopisch. Moderne und leistungsfähige Verbindungsmittel, leichte und gleichzeitig stabile sowie sichere Systeme für die Konstruktion von Geschossdecken sind nur zwei der dafür verantwortlichen bautechnischen Voraussetzungen. Am Institut für Baustatik und Konstruktion IBK der ETH Zürich werden mit numerischen Methoden und auch mit mechanischen Experimenten die Grenzen und Möglichkeiten des heutigen Holzbaus in praxisnaher Weise erforscht und so grundlegende Erkenntnisse gewonnen.
Die am Anlass von S-WIN gezeigten Beispiele verkörpern einen repräsentativen Ausschnitt dieser Tätigkeiten. So etwa die Modellierung des Tragverhaltens von Stahl-Holz-Stabdübelverbindungen, Erkenntnisse zum Verhalten von Brettsperrholzrippendecken im Brandfall, Erläuterungen zu Holz-Beton-Verbunddecken mit eingeklebten Schubverbindern in Buchenstabschichtholz sowie Erfahrungen mit Hohlkastendecken und vorgespannten Holzträgern.
Stahl-Holz-Stabdübelverbindungen
Jonas Wydler (Postdoktorand an der Empa, Abteilung Cellulose & Wood Materials, Dübendorf) stellte fest, dass Holzfachwerke gemäss Norm SIA 265:2021 als Rahmentragwerke unter Berücksichtigung der verbindungsspezifischen Nachgiebigkeit zu bemessen sind. Weil Angaben zum Tragverhalten von Stabdübelverbindungen unter kombinierter Beanspruchung von Normalkraft und Biegung fehlen, sei dieses Vorgehen jedoch praktisch nicht anwendbar.
Alternativ lasse sich aber ein vereinfachtes Bemessungsverfahren anwenden. Dabei werden die Schnittkräfte unter Annahme gelenkiger Anschlüsse berechnet und der rechnerische Normalkraftwiderstand aufgrund der dadurch vernachlässigten Biegung auf 75 % reduziert. Dieses Verfahren beruht auf empirischen Untersuchungen an exzentrisch belasteten Verbindungen (Gehri, 1980) und ist auf bestimmte Fachwerk-Geometrien limitiert.
Im Rahmen eines Forschungsprojekts von Empa und ETH Zürich wurden mechanische Modelle für die Untersuchung der Zuverlässigkeit von Holzfachwerken mit Stahl-Holz-Stabdübelverbindungen entwickelt. Jonas Wydler präsentierte einen Ansatz zur Modellierung solcher Verbindungen unter exzentrischer Lasteinwirkungund stellte damit eine Alternative zur vereinfachten Bemessung von Fachwerken mit Stabdübelverbindungen zur Diskussion.
Brettsperrholzrippendecken im Brandfall
Mit den seit 2015 geltenden Schweizerischen Brandschutzvorschriften BSV 2015 der Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen VKF können Holzbauten in allen Gebäudekategorien und Nutzungen errichtet werden. Bei der Definition des Feuerwiderstands wird eine Konstruktion mit brennbaren Anteilen den nicht brennbaren Bauteilen gleichgestellt.
Für Holzdecken in Gewerbe-, Wohn- und Industriegebäuden sind weitspannende Deckensysteme notwendig. Miriam Kleinhenz von Basler und Hofmann berichtete über entsprechende numerische und experimentelle Untersuchungen zum Thema. Die begrenzte Steifigkeit von Holzbauelementen lasse sich durch Verbundquerschnitte wie T- und Kastenprofile überwinden.
Brettsperrholzrippendecken (BSP-Rippendecken) sind eine Holz-Holz-Verbundkonstruktion aus BSP-Platten, die schubsteif mit BSH-Rippen verbunden sind (vgl. Bildgalerie). Die schubsteife Verbundwirkung zwischen den Holzbauelementen wird mithilfe eines Polyurethan-Klebstoffs durch Schraubpressverklebung erreicht.
Als Feuerwiderstandsprüfungen unter der Einheits-Temperatur-Zeit-Kurve gemäss den europäischen Prüfnormen EN 1363-1 und EN 1365-2 wurden vier Brandversuche durchgeführt. Im Versuchsaufbau brachte man eine gleichmässig verteilte, konstante mechanische Belastung auf, wobei das Feldmoment dem Biegemoment aus der Bemessung der Querschnitte entsprach.
Die Ergebnisse: Es wurden Feuerwiderstandszeiten von 90 bis 120 Minuten erreicht. Die zwischen den BSP-Lagen gemessenen Temperaturen zeigten einen plötzlichen Anstieg gegenüber den im Ofen herrschenden Temperaturen und bestätigten so ein Abfallen verkohlter BSP-Lagen. Die Restquerschnitte zeigten keine Anzeichen, dass die Schrauben das globale Abbrandverhalten beeinflussen. Zudem bestätigen sie, dass die Wirkung der schubsteifen Klebefuge bis zur Verkohlung des Holzes intakt blieb.
Eingeklebte Schubverbinder in Buchen-Stabschichtholz für Holz-Beton-Verbunddecken
Holz-Beton-Verbundsysteme mit eingeklebten Schubverbindern werden in unterschiedlichen Anordnungen seit 2001 erfolgreich in der Praxis eingesetzt. Die Ausführungen zum Thema von Stephan Schillig, Jonah Schöneberg und Philippe Grönquist (IBK ETH Zürich / WaltGalmarini, Zürich / Schöne neue Welt Ingenieure, Berlin / Institut für Werkstoffe im Bauwesen, Universität Stuttgart) beschränkten sich indes auf den Einsatz in HBV-Rippendecken.
Im Rahmen eines Forschungsprojekts an der ETH Zürich werden in Langzeitversuchen HBV-Schubverbinder mit Buchen-Stabschichtholz (BSSH) untersucht. Um vertiefte Erkenntnisse zu gewinnen, sind zuverlässige Kennwerte auch für das kurzzeitige Last-Verformungsverhalten notwendig. Mittels Push-Out-Versuchen an 30 Prüfkörpern unterschiedlicher Geometrie und Blechlängen wird das Last-Verformungsverhalten aufgezeichnet und daraus Steifigkeits- und Festigkeitswerte ermittelt. Dies in der vorläufigen Annahme, dass womöglich mit einem Einfluss der Holzart (BSSH) gegenüber den Gleichungen der Zulassung (für Nadelholz) zu rechnen ist.
Zusätzlich werden Streckmetalle bis zu 1 m Länge und zweilagige Streckmetalle je Balken, wie sie beim HBV-Rippendeckenelement des Forschungsprojekts eingesetzt sind, untersucht. Die Referenten stellten die wichtigsten Erkenntnisse aus diesen Push-Out-Versuchen vor und zogen Vergleiche zu ähnlichen Versuchen mit Nadelholz und der Zulassung.
Punktgestützte Flachdecken
Punktgestützte Flachdecken sind ästhetisch ansprechend und ermöglichen flexible Innenwandanordnungen, eine optimale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Gebäudehöhe sowie die Installation von sekundären Bauteilen auf einer Ebene. Heute werden Flachdecken hauptsächlich mit Stahlbeton gebaut, stellte Dominik Bissig (IBK, ETH Zürich) in seinem Referat über die Hohlkastendecke TS3 als Cobiax-Äquivalent für den Holzbau fest. Die Herstellung des Baumaterials benötige jedoch viel Energie und führe zu unverhältnismässig hohen CO2-Emissionen. Nachhaltige Lösungen für die Konstruktion von Flachdecken sind also gefragt. Holz anstelle von Stahl und Beton sei eine Möglichkeit, dieser Problematik zu begegnen, betonte Bissig.
Um diesem Ziel einen Schritt näher zu kommen, hat die Thuner Firma Timber Structures 3.0 (TS3) eine punktgestützte Flachdecke aus Holz entwickelt, die dieselben Vorteile aufweist wie die Stahlbetonvariante. Mit diesem Deckensystem wurden in den vergangenen Jahren diverse Projekte in der Schweiz, Österreich und Kanada ausgeführt.
Der grösste Nachteil von punktgestützten Flachdecken sei – unabhängig vom eingesetzten Baumaterial – deren Materialineffizienz. Die Stärke der gesamten Deckenfläche wird anhand der grössten Spannweite und lokaler Gebrauchstauglichkeits- und Tragsicherheitskriterien festgelegt, grosse Teile der Decke sind also überdimensioniert. In punktgestützten Flachdecken aus Beton kann diesem Problem mit Hohlkörpern aus Plastik zwischen den Bewehrungslagen begegnet werden. So wird eine höhere Materialeffizienz erreicht und der Betonanteil reduziert. Das vorgestellte Projekt zielt darauf ab, ein äquivalentes System für die TS3-Flachdecke zu entwickeln: eine zweiachsig tragende Hohlkastendecke aus Holz.
Mit der TS3-Technologie werden heute Elemente aus Brettsperrholz (Cross Laminated Timber CLT) auf der Baustelle zu einer beliebig grossen Platte verbunden und auf Stützen punktuell gelagert. Dabei kommen zwei Techniken zum Einsatz: die Punktlagerung und die stumpfe, stirnseitige Verklebung der CLT-Elemente. Die Verbindung zwischen den CLT-Elementen wird durch den Verguss einer rund 4 mm dicken Fuge mit dem Zweikomponenten-Polyurethan-Klebstoff TS3 CR192 erreicht. Die Hohlkastenelemente (Biaxial Hollow Timber BHT) bestehen aus einer oberen und einer unteren CLT-Decklage, die auf ein Gitter aus Holzstäben geklebt werden und sich industriell vorfertigen lassen.
Im vorliegenden Forschungsprojekt wurde das Tragverhalten von Elementen mit Varianten in Kreuzungspunkten untersucht. Ziel des Vorhabens war die Optimierung des BHT-Aufbaus und die Entwicklung eines praxistauglichen Bemessungsentwurfs für die zweiachsig tragende Hohlkastendecke. Verschiedene Elementaufbauten wurden experimentell, numerisch und analytisch untersucht. Der Fokus lag auf der Charakterisierung des Tragverhaltens des reinen Hohlkastenteils. Beispiele zeigten, dass im Vergleich zur reinen CLT-Lösung mit weniger als 20 % zusätzlicher Deckenstärke zwischen 20 und 30 % Holz einzusparen ist.
Vorgespannte Holzträger
Um einen günstigen Spannungszustand im Bauteil zu erreichen und einen kontrollierbaren Teil der Verformungen zu kompensieren, hat sich bei Beton das Vorspannen von Trägern mit parabolischen, internen Spanngliedern bewährt. Im Holzbau wurde diese Technik bislang kaum angewandt. Marcel Muster (IBK, ETH Zürich) erläuterte anhand einiger Beispiele die Herausforderungen für vorgespannte Tragwerke und zeigte, gestützt auf neue Versuchsergebnisse, wie weitgespannte, hochbelastete Träger mittels Vorspannung anzuwenden sind.
So entwickelte ein Team an der ETH Zürich unter der Leitung von Prof. Dr. Andrea Frangi ab 2012 ein Aussteifungssystem mit vorgespannten, biegesteifen Rahmen weiter und weihte 2015 das «House of Natural Resources» auf dem Campus Hönggerberg ein. Die Forschenden versahen Brettschichtholzträger mit einer linearen Ausfräsung und blockverklebten diese. Durch die Träger und die dazwischenstehenden Stützen schoben sie Vorspannkabel ein, und spannten das ganze System vor.
Doch die Vorspannung wird im Holzbau gemäss Frangi nur bei Spezialkonstruktionen eingesetzt. Ob das am fehlenden Wissen, an zu hohen Kosten oder anderen Gründen liegt, bleibt offen. Derzeit laufen Versuche an 25 m weit gespannten, parabolisch vorgespannten Trägern. Um vorgespannte Träger mit lokaler Lasteinleitung (Verankerung) auszuführen und die in den Versuchen beobachteten Querzugrisse im Auflagerbereich besser zu verstehen und sicher bemessen zu können, seien weitere Untersuchungen notwendig.
Ob künftig Holzkonstruktionen mit oder ohne Verbund vorgespannt werden, lasse sich durchaus kontrovers diskutieren, so Marcel Muster. Einerseits sei durch eine Verbundwirkung eine leichte Tragfähigkeits- sowie Steifigkeitserhöhung zu erreichen und gleichzeitig werde ein Korrosionsschutz geschaffen. Andererseits werden Materialien, die unter Spannung stehen, fest miteinander verbunden. Dies bringe Probleme beim Rückbau und verhindere, dass Materialien in Zukunft im Kreislauf erhalten bleiben.
Perspektiven für den Holzbau
Mit stetig neuen Rekorden imponieren Hochhäuser aus Holz in der Höhenskala und beeindrucken mit bisher ungewöhnlichen Pilotprojekten. Hierbei ist das vorherrschende Konstruktionssystem jedoch eine Holz-Beton-Hybridkonstruktion, bei der die horizontale Aussteifung des Gebäudes mehrheitlich durch einen inneren Stahlbetonkern gewährleistet wird. Neben dem Brandschutz ermöglicht dies ein schlankes Aussentragwerk. Mit zunehmendem Bestreben, in die Höhe zu bauen, stelle sich jedoch die Frage, welche Tragwerkskonzepte dem Bauen mit Holz das Potenzial verleihen, die Vertikale zu erobern.
Charles Binck und Andrea Frangi (beide IBK, ETH Zürich) führten dazu aus, dass seit dem Beginn der Hochhausentwicklung im Tragwerksentwurf eine Vielzahl von Konstruktionssystemen entwickelt wurden, die im Wesentlichen auf drei statischen Ausgangsformen gründen: Sie basieren auf biegesteifen Rahmen, Ausfachungen mit Verbänden beziehungsweise Diagonalen sowie auf Schubwänden.
Gegenüber den Rahmentragwerken zeigen Fachwerksysteme den wesentlichen Vorteil einer «hygienischen» Lastabtragung, innerhalb derer Kräfte zielgerichtet und rein axial über vordefinierte Bauteile abgeleitet werden. Schubwände in Form von Erschliessungskernen bilden heute die meistverbreiteten Aussteifungssysteme im europäischen Hochhausbau.
Aus diesem Grund sei die Hybridbauweise mit innerem Betonkern die gängigste Aussteifungsform der aktuellen «Holz»-Hochhäuser. Jedoch stelle sich die Frage alternativer Bauweisen in Holz. Hierzu untersuchten die Forscher bewährte Systeme der Tragwerksentwicklung, zum Beispiel mit innerem Holzkern in Fachwerkbauweise, als äusseres Rahmentragwerk in der Fassade, mit Diagonalausfachungen in der Fassade oder als Tube-in-Tube-System aus äusserer Rahmenröhre und einer inneren ausgesteiften Fachwerkröhre.
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