5 Dinge, die Architekten über Sparrendächer wissen sollten

Von schlicht bis kunstvoll

Historische Sparrendächer kommen in vielen Spielarten vor – von einfach, etwa bei Scheunen, bis komplex, etwa über Kirchenräumen. Welches sind die gängigsten Varianten? Wo kommt es häufig zu Schäden und wie lassen sie sich wirtschaftlich beheben?

Text und Fotos: Christian Kayser

Um zu verstehen, wie Sparrendächer konstruiert sind, stellt man sich am besten eine Klappleiter vor. Die beiden Seiten der Leiter sind am oberen Ende verbunden und lehnen sich gegeneinander. Damit nicht der in Filmkomödien gern vorgeführte Effekt eines plötzlichen »Leiter-Spagats« eintritt, müssen die Füße gesichert werden. Dies kann mit einem Zugelement erfolgen, das die beiden Hälften verbindet. Alternativ kann an den Leiterfüßen ein kräftiges, stabiles Widerlager platziert werden, etwa ein freundlicher Gehilfe oder ein schwerer Stein. Genau so funktioniert ein Sparrendach.

1. Prinzipielles Tragverhalten
Am First lehnen sich die Sparren gegeneinander, die wirkenden Horizontalkräfte heben sich auf. Am Dachfuß werden die Vertikalkräfte, also das Eigengewicht der Konstruktion und der Dachdeckung sowie Verkehrs-und Schneelasten, aufgenommen. Zusätzlich müssen Bauteile vorhanden sein, die den am Dachfuß auftretenden Horizontalschub aufnehmen können. Hierfür wird im historischen Holzbau üblicherweise ein weiterer, als Zugglied wirkender Balken eingeführt. Die beiden Sparren bilden zusammen mit diesem – gelegentlich als Zerrbalken bezeichneten – Element eine stabile, kraftschlüssige Dreiecksfigur, das »Gespärre«. Es sitzt mit seinen beiden Dachfußpunkten auf den Traufmauern auf und belastet diese lediglich mit vertikal wirkenden Kräften. Dieses einfache Grundprinzip wurde über die Jahrhunderte vielfältig variiert und um zusätzliche Bauteile bereichert. Bei größeren Dächern war etwa zu berücksichtigen, dass sich die Sparren über die Länge durchbiegen und bei Wind verformen. Um diesen Effekt zu reduzieren, wurden Kehlbalken eingefügt, horizontale Balken, die zwischen die Sparren eingesetzt wurden (Abb. B).

2. Stehende und liegende Stühle
Im Lauf des Spätmittelalters etablierte sich eine zusätzliche Differenzierung zwischen den einfachen, das Grundsystem bildenden Zwischengespärren und den Bindergespärren, in denen zusätzliche, stabilisierende Stützkonstruktionen bestehen. Die am weitesten verbreitete Bauart für Sparrendächer sind »stehende Stühle« und »liegende Stühle«, Systeme, die sich wohl aus den Anforderungen des Aufbauprozesses entwickelten.

Um die Dachgespärre mit ihren langen Balken aufrichten zu können, wurde zunächst die Dachbalkenlage über der Traufe errichtet. Dann baute man auf dieser eine zusätzliche, parallel zu den Traufmauern laufende Stützkonstruktion auf, den sogenannten Stuhl. Der »stehende Stuhl« (Abb. C) ist dabei die einfachere Konstruktion. Bei ihm wird ein Bund aus Schwelle, Ständern und einem oben abschließenden Horizontalbalken, dem »Rähm«, auf der Dachbalkenlage aufgestellt. Damit dieser Längsbund nicht umkippt, werden zusätzlich aussteifende Holzbauteile in Querrichtung eingesetzt. Die Stuhlkonstruktion erleichtert den Aufbau, da man die folgende obere Kehlbalkenlage darauf absetzen und gegebenenfalls auch die Sparren dagegenlehnen kann. Der stehende Stuhl hat allerdings einen Nachteil: Er steht mitten auf der Dachbalkenlage auf und belastet sie. Damit sich die Dachbalkenlage unter dieser Last nicht zu sehr durchbiegt, muss sie ihrerseits von unten abgestützt werden.

Wo dies nicht möglich ist, etwa weil sich darunter ein größerer Saal befindet, kommt der etwas aufwendigere »liegende Stuhl« (Abb. D) zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um eine Art Bockkonstruktion. Sie setzt sich aus zwei schrägen Sprengstreben, parallel zu den Sparren verlaufend, zusammen, deren Kopfstücke von einem horizontalen Balken, dem »Druckriegel« stabilisiert werden. Zwischen den einzelnen Bockkonstruktionen sind diagonale Balken als Längsaussteifung eingefügt.

3. Hängewerke und Sondertragwerke
Bei großen Spannweiten finden sich auch Stuhlkonstruktionen mit Hängewerken bzw. Hängesprengbünden kombiniert. Hierbei werden vertikale Zugbalken in das Bindergespärre integriert, die ein Durchhängen der oft weit gespannten Balken verhindern. Die Kombination von Stuhl- und Hängekonstruktionen kann bei großen, weit gespannten Dächern außerordentlich komplexe Tragsysteme ergeben (Abb. A).

Gelegentlich finden sich bei Sparrendächern auch Versuche, »offene« Dachgespärre ohne durchgehende Zerrbalkenlage am Dachfuß zu konstruieren – sozusagen Klappleitern ohne Zugband. Verzichtete man, etwa bei landwirtschaftlichen Nutzbauten, auf die Zerrbalken, ließ sich so eine ganze Menge teures Bauholz einsparen! Ebenso konnte aus architektonisch-ästhetischen Gründen ein »offenes Dach« die Konstruktion der Wahl sein. Bei Kirchen oder Festsälen mit in den Dachraum hineinragenden Gewölben verstellten diese im Dach den Raum, der für eine Zerrbalkenlage zur Verfügung stehen musste.

Um die Stabilität und Standsicherheit solcher Dachwerke zu gewährleisten, mussten zusätzliche Hilfskonstruktionen eingeführt werden. Ging es nur darum, Balken zu sparen, wurden üblicherweise in den Bindergespärren durchgehende Zerrbalken angelegt. In den Zwischengespärren wurden dagegen einfach kurze Stichbalken als Auflager unter die Sparrenfüße gesetzt. Um den Horizontalschub am Dachfuß aufzunehmen, wurden die Stichbalken der Zwischengespärre oft an einem Querwechsel befestigt, der die Lasten bis in die Bindergespärre mit durchgehenden Zerrbalken weitertragen sollte.

Komplizierter wurde es, wenn der Dachraum durch aufragende Gewölbe so verstellt war, dass auf ganzer Länge keine Zerrbalken angeordnet werden konnten. In diesem Fall versuchte man beispielsweise, die Sparrenfüße mit schräg geführten Zugbalken in die oberen Dachpartien zurückzuhängen (Abb. E).

4. Typische Schäden
Das Tragsystem von Sparrendächern ist darauf angewiesen, dass die Knotenpunkte stabil und schadensfrei sind. Gefährdet sind v. a. die Dachfußpunkte, also die Verbindungen zwischen Sparren und Zerrbalken, an denen der Horizontalschub aus den Sparren aufgenommen und rückverankert werden muss. In vielen Fällen haben die alten Zimmermeister, denen ja noch keine Berechnungsmethoden im heutigen Sinn zur Verfügung standen, die hier wirkenden Kräfte unterschätzt und den Knotenpunkt zu schwach ausgebildet. Meist ist der Sparren dann mit einem Zapfen in den Zerrbalken eingelassen. Der Schub wird an der vertikalen Stirn des Zapfens als Druck auf den äußeren Rand des Zapfenlochs übertragen und muss über das hier anstehende »Vorholz« zwischen Zapfenloch und Balkenende in den Zerrbalken rückverankert werden. Ist dieses Vorholz zu knapp bemessen, sitzt also der Sparren zu weit außen, kann es passieren, dass das Vorholz versagt und der Sparren Teile des Zerrbalken-Stirnholzes nach außen schiebt.

Selbst wenn der Fußpunkt solide konstruiert ist, ist der Dachfuß durch seine Lage und Geometrie anfällig für Bauschäden. Witterungsfeuchte kann durch undichte Stellen der Dachhaut oder der Traufe eindringen und das Holz schädigen – und faules Holz kann keine Kräfte mehr aufnehmen.

Bei Schäden an den Dachfußpunkten ergibt sich ein typischer, häufig zu beobachtender Schadensmechanismus: Der Sparren ist an der Verbindung nicht mehr sicher gehalten und rutscht nach außen. Sind die Außenmauern kräftig genug ausgeführt, können sie die Horizontalkräfte aufnehmen – das Äquivalent eines Widerlagers am Leiterfuß. Alternativ können die im Dachgespärre weiter oben vorhandenen Kehlbalken als Zugglieder wirken, wobei allerdings die Kehlbalkenanschlüsse üblicherweise nicht für diese Belastung ausgelegt sind. Die Aufweitung des Gespärres an der Basis bedingt geometrisch eine Absenkung des Firstpunkts. Klaffungen und Verdrehungen stellen sich an allen Holzverbindungen des Gespärres ein. In vielen Fällen setzen sich die geschädigten Zwischengespärre schließlich auf der Stuhlkonstruktion ab, die so als »Notsicherung« des Dachwerks dient und infolge des ungeplanten Lasteintrags meist ebenfalls überfordert ist.

Gerade die »offenen«, zerrbalkenlosen Sparrendächer zeigen häufig Schäden. Die nur mit einem Holznagel gesicherten Zugverbindungen sind meist deutlich überlastet. Bei Wechselkonstruktionen reißen oft die Stichbalken und Querwechsel aus, oder der auf Biegung belastete Querwechsel verformt sich deutlich. Bauzeitliche Rückhängungen der Sparrenfüße an die oberen Dachpartien sind selten wirksam; die Schäden sind deutlich an aufgerissenen Holzverbindungen ablesbar.

5. Sicherung und Instandsetzung
Trotz des verbreiteten Vorurteils, die Instandsetzung von Altbauten sei ökonomisch ein reines Abenteuer: Investiert man vor Beginn einer Sicherung etwas Zeit, Mühe und Mittel in eine gründliche Aufnahme des Bestands und der Schäden, lassen sich die Kosten präzise benennen. Um mögliche Überlastungen zu identifizieren und gemeinsam Strategien für Sicherung und Instandsetzung zu entwickeln, sollte rechtzeitig ein in Denkmalfragen erfahrener Tragwerksplaner hinzugezogen werden.

Bei der Instandsetzung von Sparrendächern müssen zunächst selbstredend die in der Substanz geschädigten Holzbauteile repariert werden. Oberstes Gebot ist dabei eine möglichst schonende Bearbeitung des historischen Bestands. So werden etwa neue Bauteile an historische Balken angepasst – und nicht umgekehrt.

Für die Ausbildung der Reparaturdetails haben sich verschiedene Varianten etabliert. So können die Balken mit stehenden Blättern verbunden werden (Abb. F), bei denen das neue wie das alte Stück auf halbem Querschnitt ausgenommen wird und diese anschließend zusammengesetzt werden; oder die Reparatur erfolgt mit einem Schlitzblech, also einem Stahlschwert, das mittig in beide Bauteile eingeschlitzt und befestigt wird. Optisch etwas auffällig, in Einzelfällen aber besonders schonend für den Bestand sind schließlich Anlaschungen aus Holz oder Stahl.

Bei unzureichender Ausbildung der Dachfußpunkte kann häufig eine einfache Sicherung die Stabilität der Dachkonstruktion gewährleisten. Der Sparrenfuß wird mit einer durch Sparrenfuß und Zerrbalkenkopf gebohrten Zugstange an den Zerrbalken zurückgehängt.

Gewisse Probleme bereiten oft die beschriebenen »offenen« Dachquerschnitte. Bei solchen Konstruktionen ist es meist mit einer reinen Bestandsreparatur nicht getan und subsidiäre Tragelemente müssen ergänzt werden. Ist der Dachraum unverstellt, können in den offenen Gespärren etwa zusätzliche Zugbänder eingefügt werden; häufig ist auch eine Ertüchtigung von Wechselkonstruktionen möglich.

Wichtig ist bei der Reparatur historischer Dachwerke die Auswahl der Projektpartner: Neben kompetenten Planern (v. a. Architekt und Tragwerksplaner) bedarf es für eine erfolgreiche Umsetzung guter und im Denkmalbereich erfahrener Zimmerer.

Jedem, der sich genauer mit alten Dächern auseinandersetzen möchte, sei auch ein Blick in Bücher über historische Baukonstruktionen empfohlen. Über Sparrendächer findet sich einiges in Band III der Reihe »Typische Baukonstruktionen von 1860-1960«, herausgegeben von R. Ahnert mit K. H. Krause und im Jahr 2010 in der 7. Auflage erschienen.


Zu unserem Autor:

Christian Kayser wurde 1980 geboren. 1999-2004 Architekturstudium an der TU München und der University of Bath (GB), Schwerpunkt Bauforschung und historische Baukonstruktionen. Seit 2004 Mitarbeit im Ingenieurbüro Barthel & Maus, seit 2012 als Geschäftsführer. 2008-11 Akademischer Rat an der TU Müchen, dabei Dissertation. Lehraufträge an TU und LMU München.

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