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Der Sinn des Klebens. Zur Entwicklung geleimter kompositer Holzträger

Zur Entwicklung geleimter kompositer Holzträger
Der Sinn des Klebens

Wer bei älteren Konstruktionen auf gebogene Holzbauteile trifft, hat es meist mit Nagel- oder Leimbindern zu tun. Wie entwickelte sich diese Bauweise und was ist heute bei Untersuchung und Bewertung solcher Hölzer zu beachten?

Text: Christian Kayser

»Aus so krummem Holze, als woraus der Mensch gemacht ist, kann nichts ganz Gerades gezimmert werden.« Kants Aphorismus bezeugt eine wesentliche Herausforderung im historischen Holzbau: Nur ein Bruchteil des Rohstoffes war für das Bauwesen nutzbar; nur Stämme von ausreichend kräftigem und geradem Wuchs konnten für ambitionierte Zimmermannsarbeiten wie etwa Dachkonstruktionen verwendet werden. Latente Holzknappheit führte daher schon früh zu Überlegungen, ob sich nicht doch auch der Anteil an »Reststücken« – dünne, kurze, krumme Hölzer – nutzen ließ: Im Idealfall konnte ein kompositer Balkenquerschnitt aus kurzen und verhältnismäßig dünnen Brettabschnitten zusammengesetzt werden, wobei sich so, quasi als erfreulicher Nebeneffekt, auch die Form des Trägers frei gestalten ließ.

Komposite Trägerquerschnitte im historischen Holzbau

Einen der frühesten Vorschläge für eine Systembauweise aus kompositen Querschnitten veröffentlichte der französische Baumeister Philibert de l’Orme um die Mitte des 16. Jahrhunderts. Sein Konzept sah vor, mehrere Lagen kurzer Brettstücke stehend zu vernageln, und ein Ausknicken der so geschaffenen Träger durch kurze, durchgesteckte Querverbinder zu verhindern (Abb. 2). De l’Orme legte verschiedene auf seinem System basierende Entwürfe vor, mit denen er auch die Versatilität und Leistungsfähigkeit des Konzepts bewarb: Er entwarf Tragwerke mit Spannweiten von bis zu 70 m, die allerdings nicht zur Ausführung gelangten.

De l’Ormes Entwürfe ebneten den Weg für eine ganze Serie von barocken Gewölbetragwerken aus stehend versetzten und miteinander vernagelten Bohlenbögen. Bei diesen stand weniger die Holzersparnis im Vordergrund, vielmehr barg die Option, gekrümmte Träger mit unterschiedlichen Radien in Serie herstellen zu können, Potenzial für die reichen Rauminszenierungen der Zeit (Abb. 1). Auch die Dachkontur der für die bayerische Voralpenlandschaft so prägenden »Zwiebeltürme« entsteht üblicherweise mit genagelten Bohlenbindern! Begrenzende Faktoren blieben die Verbindungsmittel – schmiedeeiserne Nägel waren verhältnismäßig teuer, auch ließ sich mit ihnen nur eingeschränkt ein wirklich homogener Verbundquerschnitt herstellen. Schließlich bestand bei dichter Nagelung stets die Gefahr eines Aufreißens der Bretter.

Eine weitere Herausforderung war die Bewältigung großer Spannweiten. Soll dies mit einzelnen Traggliedern geschehen, ist die Bauteilhöhe die dafür maßgebliche Größe. Balkenquerschnitte von über 25 cm Höhe waren jedoch selten und damit teuer. Auch hier stellte sich damit die Frage, ob sich größere Bauteilhöhen aus mehreren zusammengesetzten Einzelhölzern synthetisieren ließen. Um tatsächlich gemeinsam statisch wirksam zu werden, müssen die Einzelelemente jedoch möglichst flächig kraftschlüssig miteinander verbunden sein. Im historischen, vorindustriellen Holzbau ließ sich dies nur mühsam und aufwendig herstellen, indem die Balken an der Fuge miteinander verzahnt und zudem vertikal mit schmiedeeisernen Bolzen verschraubt wurden – Beispiele hoher und damit hoch tragfähiger Zahnbalken sind etwa als Grundbalken von Glockenstühlen überliefert. Eine besonders aufwendige Weiterentwicklung dieser Bauweise gelang dem Nordschweizer Zimmermeister Hans Ulrich Grubenmann, der bei seinen Entwürfen für weit spannende Holzbrücken mehrere horizontale Lagen von Balken zu einem gemeinsam tragenden Querschnitt verband, so etwa bei der immerhin über 60 m überspannenden Brücke bei Wettingen (1766, Abb. 3).

Damit war der Schritt zu horizontal miteinander verleimten Bohlenlagen nicht mehr weit: Bereits 1809 empfahl Carl Friedrich Wiebeking, Brücken und Treppen aus verleimten Brettquerschnitten, da sich diese »nach der Lehre … sehr geschickt« nahezu beliebig biegen lassen. Größere Beispiele dieser Bauweise wurden jedoch vorerst nicht realisiert. Einen gewissen Erfolg hatte zumindest eine von dem französischen Militäringenieur Armand Rose Emy und seinem Schüler Paul Joseph Ardant entwickelte Bauweise, bei der die einzelnen horizontalen Brettlagen der Bögen durch Spannschlösser und Bolzen miteinander so verbunden wurden, dass auch die Haftreibung zwischen den Lagen wirksam wurde.

Die Entwicklung im frühen 20. Jahrhundert

Eine Reihe von Tragwerken mit verleimten Bohlen entstand bereits um die Mitte des 19. Jahrhunderts in England. So finden sich entsprechende Konstruktionen über Kirchen in Cambo (1842) und Horseley (1844) sowie über der zentralen Halle des King Edward Colleges in Southampton (1866 von Josiah Poole).

Der entscheidende Schritt zum »modernen« Brettschichtholz kam erst 1906, als der Weimarer Zimmermeister und Sägewerksbesitzer Otto Hetzer (1846-1911) ein Patent für die von ihm konzipierte – oder doch zumindest verfeinerte – Bauweise für »gebogene Holzbauteile für vereinigte Dach-Pfosten und Sparren« anmeldete (Abb. 4). Hetzer sah dabei nicht nur die Verbindung gebogener Hölzer mit einem »in Feuchtigkeit löslichen Bindemittel« vor, er entwickelte vor allem eine raffinierte Anordnung von Holzelementen mit unterschiedlichen Eigenschaften in dem neu hergestellten Verbundquerschnitt. So ordnete Hetzer die weniger belastbaren Splintholzbretter im Mittelteil des Querschnitts und stabilere Kernholzbretter an den Ober- und Unterseiten an. Es entstand so eine Art hölzerner Doppel-T-Träger (Abb. 5). In einem weiteren Entwicklungsschritt wurden die Hölzer gezielt nach ihren individuellen Trageigenschaften eingesetzt: Auf der zugbelasteten Seite kam das zugfestere Fichtenholz zum Einsatz, auf der druckbelasteten Seite des Trägers druckfeste Laubhölzer wie etwa Buche. Die einzelnen Bohlenstücke wurden mit Leim bestrichen und mit Zwingen zusammengepresst. Hetzers Erfindung war auch durch die Fortschritte in der Leimtechnologie möglich geworden: Erst 1891 hatte Rudolf Pick ein Verfahren entwickelt, mit dem der traditionell genutzte Kaseinleim aus Kalk und Quark durch die Zugabe von Wasserglas länger verarbeitbar und damit auch industriell nutzbar gemacht wurde.

1907 entstand über dem Naturkundemuseum im thüringischen Altenburg ein erstes Dachwerk in Hetzerbauweise, und in den Folgejahren erlebte der Ingenieurholzbau mit Leimholzbindern eine erste Blüte. Ein Höhepunkt war die von Hetzer errichtete Ausstellungshalle der Reichsbahn auf der Brüsseler Weltausstellung 1910 mit einer Spannweite von 43 m; in den Folgejahren wurden auch zunehmend die architektonisch-gestalterischen Möglichkeiten, die sich aus dem besonderen neuen Werkstoff ergaben, genutzt (Abb. 6). Der Erste Weltkrieg brachte keine Einschnitte, mussten doch zahlreiche Flugzeug-Werkhallen rasch und kostengünstig errichtet werden.

Die wirtschaftlichen Probleme der Nachkriegszeit erzwangen – Not macht erfinderisch – die Entwicklung weiterer ingenieurmäßig-sparsamer Holzbauweisen, die nun allmählich auch der etablierten »Hetzerbauweise« Konkurrenz machten. So entwickelte etwa der Merseburger Stadtbaurat Friedrich Zollinger ein leistungsfähiges Konstruktionssystem für weit spannende Dachtragwerke. Bei der nach ihm benannten Bauweise werden kurze Bohlenabschnitte räumlich versetzt in einem Rautenmuster angeordnet und an den Knotenpunkten miteinander verbolzt (Abb. 7).

Auch die früheren, bis in den Barock zurückreichenden Versuche, tragfähige Verbundquerschnitte mit Nagelungen herzustellen, wurden nun wieder aufgegriffen und nach ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien optimiert: 1933 legten Wilhelm Stoy und Erich Seidel nach zahlreichen Versuchen erstmals Empfehlungen für den Einsatz von Nägeln zur Verbindung von Holzelementen im Hochbau vor. Die preiswerte Fügungstechnik ermöglichte die Konstruktion von genagelten Bindern nach zwei Prinzipien: Zum einen entstanden Fachwerkbinder, bei denen die Knotenpunkte nach präzisen Nagelplänen oder aber Nagelplatten und -dübeln gefügt wurden. Zum anderen schuf man Ingenieurholzbau-Tragelemente, deren komposite Querschnitte aus miteinander vernagelten oder verdübelten Brettelementen bestanden.

Der Leimholzbau erfuhr einen neuerlichen Innovationsschub mit der Fortentwicklung der Klebetechnik, namentlich durch den Einsatz von auch kalt zu verarbeitenden Kunstharz-Klebstoffen anstelle des Kaseinleimes. Ebenso wurde die Ausbildung der Brettlagen-Stöße, bis dahin stets konstruktive Schwachpunkte der Träger, verbessert. An Stelle der stumpfen Stöße bei den älteren Hetzerträgern kamen nun vermehrt Keilzinkenverbindungen zum Einsatz. Diese Innovationen bildeten die Grundlage für die neuerliche Blüte des Leimholzbaus ab den 1960er Jahren. Der Einsatz moderner, computergesteuerter Fertigungsverfahren ebenso wie die leistungsfähigen Berechnungsverfahren ermöglichten schließlich auch die Fügung räumlich, mehrachsig gekrümmter Leimholzbinder (Abb. 8).

Umgang mit Bestandskonstruktionen

Für die Untersuchung und Bewertung historischer Brettschichtholzbauwerke gelten grundsätzlich die auch für Neubau-Konstruktionen einschlägigen, in der DIN EN 14080 zusammengefassten Regeln. Wesentlich für den dauerhaften Bestand ist dabei – neben dem ungeschädigten Bestand der Hölzer – natürlich der Zustand der Verleimung: Ist der Querschnitt häufigen Klimawechseln mit hohen Luftfeuchteschwankungen ausgesetzt? Lassen sich bereits bei der ersten Sichtprüfung offene Fugen erkennen? Gibt es eventuell sogar Verschiebungen zwischen den einzelnen Lagen? Für eine präzise Bewertung der Tragfähigkeit sollten ggf. einzelne Bohrkerne über den Querschnitt entnommen und geprüft werden. Hier lässt sich erkennen, ob auch im Kern des Trägers noch ein guter Verbund besteht, zudem lässt sich der verwendete Leim bauchemisch untersuchen. Scherprüfungen an den Proben ermöglichen schließlich Aussagen zur Stabilität des Verbundquerschnittes. Natürlich müssen die Untersuchungen von einem geeigneten Fachbüro oder Materialprüfungsinstitut konzipiert und durchgeführt werden – Schadensfälle an neueren Brettschichtholzkonstruktionen haben hier in den vergangenen Jahren die Sensibilität deutlich geschärft.


Weiterführende Literatur:
Seraphin, Mathias, Zur Entstehung des Ingenieurholzbaus, Aachen 2003
Rug, Wolfgang, Innovation im Holzbau – die Hetzerbauweise, Teil I und II, in: Bautechnik 71/1994 und 72/1995
Müller, Christian, Entwicklung des Holzleimbaues unter besonderer Berücksichtigung der Erfindungen von Otto Hetzer – ein Beitrag zur Geschichte der Bautechnik, Weimar 1998
Bell, Paul, 19th century laminated timber roofs in England, in: 5th International Congress on Construction History, Chicago 2015
Kollek, Hansgeorg (Fraunhofer IFAM), Sprüche, die das Kleben schrieb, Osnabrück/Bremen 2010

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