«Ich plädiere für mehr dynamisches und horizontales Denken»
Viele Tragwerksplaner sind zurückhaltend, wenn es um die Erdbebenbemessung von Holzbauten geht. Martin Geiser, Leiter der Gruppe Erdbebeningenieurwesen an der Berner Fachhochschule in Biel, erläutert, wo die Herausforderungen bezüglich Entwurf, Analyse und Bemessung liegen, und gibt einen Einblick in seine Forschungstätigkeit.
TEC21: Herr Geiser, werden Erdbeben bei der praktischen Bemessung von Holzbauten in der Schweiz als Einwirkung unterschätzt?
Martin Geiser: Das sollte zumindest nicht so sein. Immerhin gehören Erdbeben gemäss nationaler Risikoanalyse des Bundesamts für Bevölkerungsschutz zu den fünf grössten Risiken, und das Thema wird seit dem Jahr 2003 angemessen im Normenwerk behandelt.
Jedoch beobachte ich bei vielen Tragwerksplanern eine Tendenz, vertikal und statisch zu denken. Das gilt unabhängig vom Material. Sie kennen bestimmt die Musteraufgabe für Lernende oder Ingenieurstudierende, bei der mit Glacéstängeli eine Brücke gebaut werden soll. Ob die Brücke hält, wird meist mit einer statischen, vertikalen Last geprüft. Sie merken: Dieses Bild der vermeintlich massgebenden, vertikalen und statischen Einwirkung wird unserer Branche von Grund auf vermittelt. Ich plädiere für mehr dynamisches und horizontales Denken.
TEC21: Warum gibt es in der Schweiz so wenig hohe Gebäude aus Holz?
Martin Geiser: Das liegt wohl an den früher geltenden Brandschutzbestimmungen. Bis 2003 wurden Gebäude mit mehr als 2.5 Geschossen nur in Ausnahmefällen bewilligt. Unser eigener Holzbau an der BFH ist ein Beispiel dafür. Diese Bestimmungen haben sich schrittweise gelockert. Wir stecken nicht nur hierzulande einfach noch in den Kinderschuhen, wenn es um Hochhäuser aus Holz geht.
TEC21: Welche Herausforderungen ergeben sich bei der Erdbebenbemessung von Holzbauten? Wie verändern sich diese Herausforderungen mit der Gebäudehöhe?
Martin Geiser: Eine wesentliche Herausforderung ist die Architektur moderner Wohnbauten mit grossen Räumen und Fenstern. Da hat es oft zu wenig Platz für gut positionierte, aussteifende Wände. Dieser Herausforderung lässt sich am besten im Dialog zwischen Architekten und Ingenieuren zu einem frühen Zeitpunkt der Projektierung begegnen.
Bezüglich der Bemessung muss man sich bewusst sein, dass Erdbeben auch bei niedrigen Bauten aufgrund der ungünstigen Grundschwingzeit eine massgebende Einwirkung darstellen. Für höhere und vor allem schlanke Bauten oder leichte Bauten mit grossen Angriffsflächen wird oft der Wind die relevante Einwirkung.
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Ausserdem nehmen die Verankerungskräfte der aussteifenden Elemente mit der Gebäudehöhe exponentiell zu. Das kann zu im Holzbau ungewohnt hohen Kräften führen. Grundsätzlich lässt sich aber sagen, dass die Schlankheit entscheidender ist als die Höhe. Ab einer gewissen Schlankheit können Schwingungen infolge Wind zu einem Gebrauchstauglichkeitsproblem werden.
Und noch als Ergänzung zur Erdbebenbemessung: Die neue Ausgabe der Norm SIA 261 definiert die Antwortspektren neu. Das hat zur Folge, dass man künftig – noch viel mehr als heute – die dynamischen Eigenschaften von Holzbauten sorgfältig ermitteln respektive modellieren muss. Eine vereinfachte Annahme der Grundschwingzeit im Plateaubereich, wie man sie bislang häufig getroffen hat, könnte zu einer überkonservativen Bemessung führen.
TEC21: Welche Grundsätze gelten bei der Erdbebenbemessung von Holzbauwerken? Erfolgt im Normalfall eine nicht duktile Tragwerksbemessung oder eine Kapazitätsbemessung?
Martin Geiser: Im Normalfall wird hierzulande konventionell, d. h. nicht duktil bemessen. Das ist absolut normkonform, daher für alle Bauten zulässig und führt teilweise sogar zu wirtschaftlichen Lösungen. Gemäss Eurocode 8 ist das ein wenig anders: Da wird ab einer gewissen Bodenbeschleunigung duktil bemessen.
Die Kapazitätsbemessung ist mit viel mehr Aufwand verbunden. Sie erfordert ein Umdenken gegenüber der konventionellen Bemessung und gewissermassen eine «Kommunikation» zwischen dem Tragwerksplaner und dem Bauwerk. Er muss eine Hierarchie der Tragwiderstände der einzelnen Bauteile definieren. Eine duktile Bemessung verhindert aber ein sprödes Versagen des Bauwerks und fördert damit die Robustheit.
Und: Sofern der Wind nicht die massgebende Einwirkung ist, führt sie bei eher gedrungenen Bauwerken mit viel Masse zu wirtschaftlicheren Lösungen als die konventionelle Bemessung. Da kann sich der Mehraufwand bei der Bemessung durchaus auszahlen.
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TEC21: Welche Erkenntnisse haben Sie aus Ihrer jüngsten Forschungstätigkeit gewonnen? Werden diese in die künftige Normierung einfliessen?
Martin Geiser: Mit unserer Forschung konnten wir in zwei Punkten einen Beitrag zur Teilrevision der Norm SIA 265 leisten: einerseits bezüglich Fragen der Überfestigkeit und andererseits zur Duktilität von Verbindungsmitteln.
Ergänzend zu den Normen bearbeiten wir Inhalte für die Lignum-Reihe «Lignatec». Zuletzt eine Praxishilfe für die Bemessung von Brettsperrholz, darunter auch für die Bemessungssituation Erdbeben.
TEC21: In welchen Bereichen liegt weiterer Forschungsbedarf? Welcher Themen nehmen Sie sich an?
Martin Geiser: Ein grosser Bedarf besteht in der Ermittlung der Duktilitätseigenschaften von Verbindungsmitteln. Anders als im Stahlbetonbau wurde im Holzbau bislang kaum untersucht, wie das Verhalten des eingesetzten Stahls nach Erreichen der Streckgrenze das Tragverhalten der Verbindungen beeinflusst.
Ausserdem haben wir bei unserem letzten Projekt zur Ermittlung der dynamischen Eigenschaften von Holzrahmengebäuden festgestellt, dass die Dämpfung deutlich über den praxisüblichen 5 % liegt. Das wird zwar schon länger vermutet, kann aber nur mit hohen Amplituden, wie wir sie bei unseren jüngsten Versuchen erzeugt haben, gemessen werden. Hier liegt ein gewisses Optimierungspotenzial für die Bemessung, denn mit höheren, effektiven Dämpfungswerten verringern sich die Kräfte aus der Erdbebeneinwirkung. Nun planen wir erneut eine ähnliche Versuchsreihe mit einem Testgebäude aus Brettsperrholz.
Daneben entwickeln wir mit einem Industriepartner Lösungen für Hochleistungsverankerungen im Holzbau mit Standardanschlüssen bis 300 kN. Und wir widmen uns dem Thema Wänden mit Öffnungen. Dabei untersuchen wir, wie z. B. die Randbereiche um Fenster (Stürze und Brüstungen) für die Berechnung berücksichtigt werden können.
Zuletzt machen wir Voruntersuchungen an aussteifenden Glasscheiben mit duktilem Verhalten. Ich finde das sehr spannend: Wenn man einmal das Verständnis für die Kapazitätsbemessung hat, kann man sogar eine Konstruktion mit etwas derart Sprödem wie Glas duktil gestalten.
Nicht duktile und duktile Erbebenbemessung
Die nicht duktile Bemessung für Erdbebeneinwirkungen erfolgt konventionell nach demselben Verfahren wie für andere Einwirkungen. Nach dem Überschreiten der Elastizitätsgrenze besteht die Gefahr eines spröden Tragwerkversagens. Mit diesem Bemessungsverfahren wird selbstredend nur ein geringes plastisches Verformungsvermögen erreicht. Der normative Verhaltensbeiwert q = 1.5 berücksichtigt in diesem Fall hauptsächlich die Überfestigkeit. Bei der duktilen Bemessung (Kapazitätsbemessung) wird das Tragwerk in elastische und plastifizierende Bereiche unterteilt. Durch eine spezifische Bemessung der Verbindungsmittel und die konstruktive Gestaltung entsteht unter Erdbebeneinwirkung ein geeigneter plastischer Mechanismus, bei dem sich die duktilen Bereiche (Verbindungen) nach Erreichen der Elastizitätsgrenze bleibend verformen und damit die Beanspruchung der nicht duktilen Bereiche (Holzbauteile) des Tragwerks begrenzen. In den plastifizierenden Bereichen wird Energie dissipiert, was normative Verhaltensbeiwerte von q > 1.5 erlaubt. Die Kapazitätsbemessung verbessert die Robustheit des Bauwerks und kann unter Umständen wirtschaftliche Vorteile mit sich bringen.
Dieser Artikel ist erschienen im Sonderheft «Stadt aus Holz – Höher bauen, aufstocken, Erdbebensicherheit». Weitere Artikel zum Thema Holz finden Sie in unserem digitalen Dossier.
