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Vom Stab zur Scheibe

Technik
Vom Stab zur Scheibe

Durch innovative Produkte im Holzbau wurden Systemlösungen hervorgebracht, die eine neue Dimension des Planens und Bauens mit diesem Werkstoff eröffnen. Doch das umfangreiche Angebot muss sorgfältig »verstanden« werden – ergibt sich doch erst mit der passend gewählten Konstruktionsweise ein geeignetes Tragsystem, das sehr frühzeitig den Planungsprozess, die Kosten und schließlich die Architektur mit all ihren gestalterischen und technischen Aspekten bestimmt. Innovative products in wood construction have resulted in system solutions which open a new dimension in planning and construction with this material. However, the extensive possibilities must be carefully “understood“ – for only an appropriate choice of constructional method will lead to a suitable structural system, which at an early stage determines the planning process, the costs and finally the architecture with all its design and technica aspects.

Holz gewinnt wieder mehr an öffentlichem Interesse: Eine Besinnung auf die Qualitäten dieses natürlichen Baustoffes, ökologische Aspekte und der Wunsch nach natürlichen, regenerativen und möglichst heimischen Baustoffen führten zu einem Aufschwung der Holzindustrie. Zwar hat bei vielen Planern längst ein Umdenken eingesetzt, dennoch ist der Imagewandel bei der Bevölkerung noch nicht komplett angekommen. Eine zentrale Rolle spielten in diesem Zusammenhang unter anderem die Winddichtigkeit, der Schall- oder Brandschutz.

In der geschichtlichen Entwicklung des Holzbaus nahm der prozentuale Marktanteil von Holz bei Hochbaukonstruktionen im 19. und 20. Jahrhundert kontinuierlich ab. Baustoffe wie Stahlguss, Stahl und Stahlbeton gewannen an Bedeutung und veränderten den Markt. Nur unmittelbar nach den beiden Weltkriegen gewann Holz kurzfristig wieder an Bedeutung, da sich der relativ günstige, lokale Baustoff für den schnellen Wiederaufbau eignete. Dieser Aufschwung war jedoch nicht von Dauer. Entwicklungen wie das General Panel System von Konrad Wachsmann und Walter Gropius konnten sich ebenso wenig auf dem Markt etablieren wie das Holzbausystem von Paul Schmitthenner, dem trotz seiner hohen Wirtschaftlichkeit kein Durchbruch gelangte.
Erst aufgrund Entwicklungen der letzten 15 Jahre kann man eine Revitalisierung des Holzbaus beobachten. In den heimischen Wäldern steht deutlich mehr Holz zur Verfügung als in der Wirtschaft Verwendung findet. Aktuelle Förderprogramme verschiedener Kommunen, Regionen sowie der Europäischen Union versuchen die Attraktivität zu erhöhen und diesen Umständen entgegenzuwirken.
Die holzverarbeitende Industrie forscht ständig an der Verbesserung und Optimierung des Baustoffes, oft auch in Zusammenarbeit mit Universitäten. Vermeintliche Nachteile gegenüber den Baustoffen Stahl und Stahlbeton wie etwa ungleichmäßige Struktur und Tragverhalten, Größenänderungen durch Quellen und Schwinden können so vermindert werden. Die Entwicklungen der letzten Jahre bieten eine Vielfalt an Lösungen, von der Verwendung optimierter Holzwerkstoffe bis zu Systemlösungen und deren Kombination. Interessant an letzteren sind das hohe Maß an witterungsunabhängiger Vorfertigung sowie die kurzen Montagezeiten auf der Baustelle. Computergesteuerte Fertigungsprozesse (CNC) bürgen für große Präzision.
Konstruktionsarten Holzkonstruktionen gibt es bereits seit Jahrhunderten. Der Fachwerkbau, der sich in den Zünften empirisch von Generation zu Generation weiterentwickelte, ist ein stabförmiges Tragwerk, dessen Zwischenräume mit Lehm oder anderen Materialien gefüllt werden. Regionale Ausprägungen lassen sich deutlich ablesen. Der Blockbau hingegen spielt baugeschichtlich eine untergeordnete Rolle. Übereinander gestapelte Hölzer bilden zugleich den Raumabschluss und das Tragwerk. Die hygroskopische Eigenschaft des Holzes führt bei dieser Bauweise zu spürbaren Maßveränderungen des Gebäudes – das Haus wächst und schrumpft beständig.
Mit dem Beginn der Industrialisierung entwickelte sich in den USA Anfang des 19. Jahrhunderts aus dem klassischen Fachwerkbau der Holzrahmenbau. Hierbei werden maschinell vorgefertigte Kanthölzer mit genormten Querschnitten zu Tafeln gefügt, beidseitig mit Holzschalung beplankt und als Wandscheibe aufgerichtet. Ende des 19. Jahrhunderts wurde diese Bauweise nach Europa importiert.
Zwei bedeutende Konstruktionsarten, das »platform framing« und das »balloon framing«, lassen sich im Holzrahmenbau unterscheiden. Das so genannte platform framing erfolgt geschossweise, das heißt, die Wände des Folgegeschosses werden jeweils auf die Deckenplatte der darunter liegenden Ebene gestellt. Ein problematischer Punkt dieser Konstruktionsart ist die Winddichtigkeit der Fugen am Fußpunkt der Wandscheiben, der daher besonders berücksichtigt werden muss. Das balloon framing hingegen besteht aus mehrgeschossig durchgehenden Außenwänden, an denen die jeweiligen Geschossdecken auf Konsolen befestigt werden. Problempunkt kann hierbei die Körperschallübertragung entlang der mehrgeschossigen Wände sein. Beide Prinzipien findet man in einer Vielzahl aktueller Beispiele wieder, ganz gleich, ob sie in Holzrahmenbauweise erstellt wurden oder sich moderner Holzbausysteme bedienen.
Vielfältige Möglichkeiten Entscheidet sich ein Planer für eine Holzkonstruktion, bleibt für ihn die schwierige Wahl, aus dem vorhandenen Marktangebot die angemessene Lösung für seine individuelle Bauaufgabe herauszufinden [1]. Eine direkte Vergleichbarkeit ist nur bedingt möglich. Es gibt Konstruktionen, die Holz im klassischen Sinne als stabförmiges Element verwenden und durch präzise Stahlgussteile das Fügen der einzelnen Stäbe zum Skelett optimieren. Andererseits findet man großformatige, mehrschichtige, massive Holzplatten mit enormer Tragfähigkeit und Flexibilität, die zu einem neuen Verständnis dieses Baustoffes führen. Holz verändert hier erstmals sein Tragverhalten von einem stabförmigen Element zu einem flächigen, ungerichteten, massiven Baustoff.
Holzskelett mit Gussankern Die Weiterentwicklung des Skelettbaus führt zu seriell gefertigten, werkseitig vorkonfektionierten Kreuz-, Duo- oder Brettschichtholzbalken. Sie werden über integrierte, rhombusförmige Ankerköpfe aus Sphäroguss – einem Eisenguss, der hohe Festigkeits- und Dehnungswerte aufweist, miteinander verbunden und bilden das tragende Gerüst des Gebäudes (Bild 2). Die präzisen Anschlusspunkte zwischen Stützen und Trägern sind in der späteren Konstruktion allerdings nahezu unsichtbar. Wand-, Decken- und Dachkonstruktionen werden systemunabhängig gefertigt und haben aussteifende Funktion. Das Skelett muss mit einer außen liegenden Wärmedämmung und luftdichten Schicht umgeben werden. Die Vorfertigung in der Werkhalle beschränkt sich bei diesem System auf das »Knochengerüst«.
Raumzellen mit Skelettkonstruktion Ebenfalls als Skelettkonstruktion errichtet, aber bereits werkseitig von allen Seiten geschlossen, findet man vorgefertigte Raumzellen verschiedener Anbieter, die als komplette Boxen inklusive aller Installationen auf die Baustelle geliefert werden. Bei einer Reihung oder Stapelung mehrerer Zellen ist die Dopplung der Wände und Decken unabdingbar. Die planerische Flexibilität bei der Grundrissentwicklung ist gegenüber anderen Systemen deutlich eingeschränkt. Allerdings ist die Montage sehr schnell und witterungsunabhängig, da die Raumzellen zum Zeitpunkt der Montage wasserdicht sind. Sie eignen sich insbesondere für Provisorien.
Diffusionsoffene Bauweise mit Holzwerkstoffplatten Entwicklungen im Bereich der Plattenwerkstoffe (zum Beispiel OSB-Platten, diffusionsoffene Holzfaserplatten, Innenwandplatten, Holzbau-Spanplatten, brandgeschützte B1-Spanplatten, etc.) ermöglichen den Verzicht auf dampfbremsende Kunststoffbahnen im Innenraum, man spricht vom »diffusionsoffenen Holzrahmenbau«. Die einzelnen Bauteile können werkseitig bis zur diffusionsoffenen Außenbeplankung vorgefertigt werden, was die Montagezeit auf der Baustelle deutlich reduziert: Für ein Einfamilienhaus mit ca. 220 m2 Wohnfläche benötigt man bei bauseits vorhandenem Fundament bis zur wasserdichten Hülle nur noch ein bis zwei Arbeitstage. Der weitere Ausbau im Innern des Hauses folgt witterungsunabhängig.
Elementierung im Holzrahmenbau Ebenfalls auf Basis des Holzrahmenbaus wurden Systeme entwickelt, die nicht nur Platten umfassen, sondern ganze Elemente der ursprünglichen Bauweise wie etwa die Kanthölzer der Schwelle, der Stiele und des Rähms ersetzen; zum Beispiel die aus Holzwerkstoffen zusammengesetzte Stegträger (Bild 3), Furnierstreifenholz oder Langspanholz. Sie werden meist im geschossweisen »platform framing« eingesetzt. Neben den Trägern bieten die Systeme auch die erforderlichen Spezialverbindungsmittel, um die differenzierten Querschnitte miteinander verbinden zu können. Anschlusspunkte sind gegenüber dem klassischen Holzrahmenbau komplizierter, die Konstruktionen aber passgenauer, leistungsfähiger und formstabiler.
Kastenelement aus verleimten Holzlamellen Bei diesem System, das derzeit in der Schweiz industriell produziert wird, entstehen Kasten-, Flächen- oder Schalenelemente, die sich aus verschiedenen Nadelholzlamellen zusammensetzen. Die Verklebung erfolgt im Hochfrequenzverfahren. Hierfür ist, wie für alle geleimten Verbindungen tragender Holzbauteile, eine Leimgenehmigung [2] erforderlich. Die leistungsstarken, kastenförmigen Elemente sind innenseitig gedämmt und können bei hoher Beanspruchung große Spannweiten einachsig überbrücken. Sie werden untereinander über Nut und Feder zu Scheiben verbunden. Nach einer werkseitigen Vorbereitung der einzelnen Elemente an computergesteuerten Abbundanlagen lässt sich die Montage auf der Baustelle sehr schnell bewerkstelligen. Weil sich die Bauteile aufgrund der geringen Abmessungen leicht einbringen lassen, sind sie für Baumaßnahmen im Bestand gut geeignet. Der weitere Boden- oder Dachaufbau ist systemunabhängig und wird gesondert ausgeführt.
Auch unterschiedlichen Anforderungen wie Schall-, Feuchte- oder Brandschutz werden diese Produkte gerecht. So gibt es beispielsweise eine, in Kooperation mit der ETH Zürich entwickelte, patentierte Schallschutzlösung, die das tieffrequente Körperschallproblem in Geschossbauten löst.
Baukastensystem aus massivem Holz Ein weiteres System, das in Labors Schweizer Hochschulen entwickelt wurde, erinnert an einen Legobaukasten. Industriell gefertigte, standardisierte, handliche Holzmodule lassen sich wie Bausteine auf passenden Schwellen montieren und ergeben tragende und raumbildende Wände. Die einzelnen Module sind durch einen speziellen Steckverbund miteinander gekoppelt. Decken- und Dachkonstruktionen sind systemunabhängig.
Brettstapel- und Dübelholz Bei der Brettstapel- und Dübelholz-Technologie handelt es sich um eine lamellierte Massivholzbauweise, bei der Brettware durch Nageln oder Dübeln zu Vollholzelementen gefügt wird. Die Bretter, Bohlen oder Kanthölzer aus flächenbildenden, tragenden Nadelholzelementen können sowohl industriell als auch handwerklich in der Zimmerei gefertigt werden. Sie verlaufen, hochkant nebeneinander gestellt, über die ganze Elementlänge. Bei größeren Längen der Elemente werden die Kopplungskräfte an den Brettstößen durch eine verstärkte Nagelung, Verleimung oder einen Keilzinkung übertragen. In Querrichtung verbinden Holzdübel oder Nägel die einzelnen Hölzer miteinander. Da somit keine völlig geschlossene Fläche entsteht, können bei hygroskopischen Verformungen insbesondere quer zur Faserrichtung Fugen zwischen den einzelnen Hölzern aufgehen, was konstruktiv und bauphysikalisch berücksichtigt werden muss. Bei genagelten oder gedübelten Elementen werden auftretende Toleranzen in der Regel in der Lamellenfuge aufgenommen. Wandelemente können tragende und aussteifende Funktionen übernehmen, der Nachweis muss allerdings im Einzelfall geführt werden. Die Konstruktionen sind an kein Raster gebunden. Die Dicken (von 24 bis 32, maximal 60 mm) variieren in Abhängigkeit von der Knicklänge und Belastung. Decken- und Dachelemente sind in der Regel auf der Unterseite sichtbar, gegebenenfalls werden sie zur Verbesserung der Raumakustik profiliert.
Eine zusätzliche Schutzschicht aus Folie, Pappe oder einer Holzwerkstoffplatte verhindert das Ausrieseln der darüber liegenden Dämmschüttung und verbessert Schallschutz sowie Rauch- und Luftdichtheit. An der Außenwand ist eine Abdichtung erforderlich, da genagelte und gedübelte Elemente in der Fläche luftdurchlässig sind. Die Längsränder vernagelter Brettstapelelemente können nach der Herstellung nicht mehr bearbeitet werden.
Konstruktiv wird bei derartigen Elementen eine große Masse an Holz benötigt, die für raumklimatische Zwecke als Feuchtepuffer genutzt werden und zur Temperaturamplitudendämpfung dienen kann. Die Behaglichkeit des Wohnklimas entspricht in etwa dem einer Poroton-Hochlochziegel-Konstruktion. Aufbeton im schubfesten Verbund mit der Holzdecke erhöht die Tragfähigkeit, das Schalldämmmaß sowie den Feuerwiderstand.
Scheibe aus verleimten Brettlagen mit Zwischenräumen Aus massiven Flächenelementen und teils aufgeleimten Stegen wird ein Holzbausystem zusammengesetzt, das – je nach statischen und bauphysikalischen Anforderungen – aus drei, vier oder fünf verleimten Nadelholz-Brettlagen besteht. Die Lagen werden auf Abstand miteinander verklebt, dabei ist die Faserrichtung außen parallel und die mittlere gesperrt, also orthogonal zu den äußeren Lagen. Es entstehen geschosshohe, mit Hohlräumen versehene, sehr formstabile und steife Holzblocktafeln, die in der Regel einachsig spannen. Längs aufgeklebte Brettschichtholz-Stege steigern bei Deckenelementen zusätzlich die Tragfähigkeit der Scheiben. Die Hohlräume können unter anderem der Installationsführung dienen. Das produktionsbedingte Raster dieses Systems ist für die Planung von Grundrissen oder Fassaden irrelevant. Die Oberflächenqualität kann je nach Wunsch des Planers unterschiedlich ausgeführt werden, Sichtqualität ist, zumindest einseitig, möglich. Für erhöhte Schallschutzanforderungen ist das Befüllen der Hohlräume mit Sand oder das Vorblenden weiterer Platten möglich. Für einen mehrschichtigen, diffusionsoffenen Wandaufbau sollte die Wärmedämmschicht außen durchgehend ausgeführt werden. So lässt sich für den Innenraum die hygroskopische Eigenschaft des Holzes nutzen. Die Bauteile wirken im Laufe eines Jahres als ausgleichender Feuchtepuffer.
»Wirkliche« Massivholzscheibe In der Entwicklung der Holzkonstruktionen ist dieses Prinzip das außergewöhnlichste: Es besteht aus symmetrisch aufgebautem, formstabilem Brettsperrholz, dessen kreuzweise unter Druck miteinander verleimte und verpresste, keilgezinkte 17 oder 27 mm dicke Brettlagen aus Nadelholz die einzelnen Schichten bilden. Ein patentiertes Leimverfahren macht es möglich, nicht nur beliebig große, sondern auch gekrümmte Flächen herzustellen. Die Schichten werden ins Pressbett gestapelt, mit Melaminharz (auch Phenol-Resorcinharz oder Harnstoffharz) getränkt und mit einer Spezialfolie abgedeckt, unter der ein Vakuum erzeugt wird. So entsteht unter atmosphärischem Druck eine massive Holzscheibe. Das Tragverhalten der entstehenden Platte ist nun nicht mehr einachsig sondern zweiachsig und macht eine Punktstützung möglich. Mehrgeschossige Giebelwände und großformatige Deckenplatten können aus einem Stück gefertigt werden, computergesteuerte Roboter fräsen jedes Bauteil passgenau zu. Sie nehmen Öffnungen in gewünschter Form heraus und optimieren den Verschnitt, indem sie einzelne kleinere Bauteile optimal zueinander angeordnet aus einer verleimten Massivholzplatte fräsen. Der Abbund aller benötigten Bauteile erfolgt montagefertig im Werk, auf der Baustelle werden nur noch die Einzelteile miteinander verschraubt. Die Oberflächenqualität hängt vom statisch erforderlichen und planerisch gewünschten Aufbau ab. Als Deckschicht können auch Holzwerkstoffplatten verwendet werden.
Das »offene« und frei mit anderen Elementen oder Bauweisen kombinierbare System kann aufgrund seiner Eigenschaften Funktionen von Tragwerk und Hülle gleichermaßen übernehmen, allerdings lassen sich verwitterte Bauteile nicht einfach sanieren – der Austausch einer tragenden Außenwand ist nahezu ausgeschlossen. Daher gelten für die einzelnen Bauteile trotz allen technischen Fortschritts die Regeln des klassischen Holzbaus (z.B. konstruktiver Holzschutz); gegebenenfalls muss die Möglichkeit einer Sanierung oder eines Austausches bewitterter Flächen bestehen. Die Verwendung reversibler Sekundärkonstruktionen im Außenbereich zum Schutz der Tragstruktur verlängert die Lebensdauer deutlich.
Das ähnlich konstruierte, von daher vergleichbare Furnierschichtholz kommt in Kombination mit den beschriebenen Massivholzplatten oder auch als eigenständige Konstruktion zum Einsatz. Es eignet sich beim Bau rasterfreier, luftdichter aber diffusionsoffener Wände und Decken, bei denen auf eine gesonderte luftdichte Schicht und Dampfsperre verzichtet werden kann. Imprägniert lässt sich die Furnierschichtholzplatte als Außenhaut verwenden. Bekannt ist der Werkstoff von der Konstruktion des Expodaches 2000 in Hannover.
Qualitätssicherung Die meisten Holzbausysteme erfordern, verglichen mit dem konventionellen Massivbau, ein erhöhtes Maß an Präzision in der Planung. Durch die teilweise Verlagerung des Bauprozesses in die Werkhalle müssen alle Details zu Beginn der Fertigung abschließend gelöst sein; ein Eingreifen oder Ändern durch den Planer auf der Baustelle ist kaum mehr möglich. Die erforderliche Genauigkeit beim Errichten von Holzbausystemen setzt sich auf der Baustelle fort, die Komplexität in der Ausführung kann nur von qualifizierten Fachkräften bewerkstelligt werden.
Holz als Alternative zum Massivbau? Betrachtet man ein Massivhaus und ein »Holzhaus« unter ökologischen Aspekten, tritt die positive CO2-Bilanz des Holzes in den Vordergrund. Die bauphysikalischen Eigenschaften des Holzes führen, neben einem angenehmen Raumklima, trotz stetig wachsenden Wärmeschutzanforderungen zu deutlich geringeren Bauteildicken als bei äquivalenten Mauerwerks- oder Betonkonstruktionen. Dies kommt unmittelbar der Nutzfläche zugute. Sogar Passivhausstandard kann mit vielen Holzbausystemen ohne großen Mehraufwand erreicht werden.
Mit der Möglichkeit, Holz nun auch als flächig wirkendes Tragwerk einsetzen zu können, scheinen Überlegungen, Holz auch im Bereich der Auskragung von Deckenplatten in direkten Vergleich mit Beton zu stellen und es auf ähnliche Art und Weise zum Einsatz zu bringen nahe liegend. Wissenschaft und Forschung sind in diesem Bereich noch lange nicht am Ende. Aber schon heute ist unumstritten, dass diese Entwicklungen im Holzbau den Planern neue architektonische Möglichkeiten eröffnen und zugleich veränderte Gestaltungsprinzipien verlangen wird – Potenziale, die es auszuschöpfen gilt. lw
[1] Ein Überblick über Holzbausysteme liefert die Broschüre: Holzbausysteme, Informationsdienst Holz/Holzabsatzfonds, Düsseldorf/Bonn 2000 (www.informationsdienst-holz.de, www.informationsdienst-holz.de) [2] Die Leimgenehmigung ist die Bescheinigung einer staatlich anerkannten Prüfstelle (z.B. FMPA), die dem Hersteller die Fähigkeit bestätigt, tragende Leimholzbauteile sowie Keilzinkverbindungen dingerecht herstellen zu können. [3] Die aufgeführten genannten Produkte bzw. Hersteller stellen eine Auswahl der derzeitigen, am Markt erhältlichen Produkte dar.
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