Holz-Beton-Verbund bei der Deckensanierung: Belastbare Beziehung

Wie lässt sich die Tragfähigkeit einer alten Holzbalkendecke erhöhen? Als besonders vielseitig, praxisgerecht und kostengünstig hat sich der Holz-Beton-Verbund herausgestellt, bei der eine dünne Betonplatte die Tragfähigkeit der Holzkonstruktion deutlich verbessert.

Mangelnde Tragfähigkeit, abgefaulte Balkenköpfe, schwingende und sich durchbiegende Böden – die Schäden an alten Holzbalkendecken sind vielseitig und treten häufig alle zusammen auf. Soll ein in die Jahre gekommenes Gebäude umgenutzt werden, muss es häufig hinsichtlich Brandschutz, Schallschutz oder erhöhter Verkehrslasten ertüchtigt werden. Für Baudenkmale ist eine Umnutzung oftmals die einzige Rettung, um sie der Nachwelt zu erhalten. Ziel ist dann, möglichst viel Originalsubstanz zu erhalten – ein nicht unwesentlicher Aspekt auch in Bezug auf die Nachhaltigkeit von Gebäuden.
Planer und Denkmalschützer stehen bei solchen Bauaufgaben nicht selten vor schwierigen Entscheidungen: Auf der einen Seite ist man bemüht, marode, aber historisch bedeutsame Tragwerke, Deckenkonstruktionen und Untersichten zu erhalten. Andererseits ist man als Planer verpflichtet, gesetzlichen Auflagen gerecht zu werden sowie die geltenden Baunormen und Bauordnungen einzuhalten. Unter solchen Umständen eine erhaltenswerte Decke zu sanieren, mag bei einem denkmalgeschützten Gebäude unter Kostengesichtspunkten noch vertretbar sein – bei einem Gewerbe- und Wohnungsbau sind Bauherren dazu jedoch kaum bereit. Zumal die Kosten für eine Deckensanierung im Vergleich zu den Gesamtkosten einer Sanierung oft unverhältnismäßig hoch ausfallen.

Holzbalkendecken ertüchtigen

Baukonstruktiv besehen gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, um die Tragfähigkeit einer alten Holzdecke zu ertüchtigen; je nachdem, welchen Eigenschaften eine Decke zu genügen hat, kommen aber nur bestimmte Lösungen infrage:

• Bei Holz-Holz-Konstruktionen erfolgt die verstärkte Lastaufnahme durch mechanische Verbindungen über stabförmige Verbindungsmittel oder durch Kleben. Insgesamt verbessert sich dadurch auch die Steifigkeit, wodurch sich im gleichen Zug die Schwingungen der Decke vermindern. Aber in punkto Schallschutz sind die Verbesserungen nur unzureichend, weil die schwingungsdämpfende Masse fehlt. Kleben unter Baustellenbedingungen unterliegt den üblichen Einschränkungen. Auch die Kontrolle und Dokumentation der ausgeführten Arbeiten sind schwierig. Hinzu kommt die vom DIBt geforderte Fremdüberwachung, die sich zusätzlich in den Kosten niederschlägt. Dasselbe gilt auch bei einer Verstärkung mit Holz-Kohlefaser. Biegesteifigkeit und Tragfähigkeit können mit aufgeklebten Kohlefasern erhöht werden. Dies mag bei einem Neubau praktikabel sein, doch bei einer Sanierung herrschen ganz andere Bedingungen, die ein chirurgisches Arbeiten kaum erlauben. Was die Brandsicherheit angeht, stellt die leicht entzündbare Kohlefaser ein zusätzliches Risiko dar. Fehlende Auflager und marode Balkenköpfe müssen bei allen Varianten mit aufwändigen zusätzlichen Arbeiten ersetzt werden.
• Eine weitere Variante ist die Holzdeckensanierung mit schwalbenschwanzförmig gewalzten Stahlblechen. Sie dienen als verlorene Schalung und stellen zugleich die Bewehrung für die Vergussmasse in Form von Beton B 25 oder Zementestrich ZE 30. Die Platten gelten als selbsttragende Fußböden und überspannen eine Stützweite von maximal 1,5 m. Bei einer Aufbauhöhe von 50 mm können Verkehrslasten bis zu 3,5 kN/qm erreicht werden, mit einer zusätzlichen Bewehrung (Q188) über dem Oberflansch und einer Aufbauhöhe von 55 mm bis zu 5,0 kN/qm. Reicht jedoch die Tragfähigkeit der Holzbalken nicht aus, stößt das System an seine Grenzen, weil es das Tragwerk mit zusätzlicher Masse belastet. Sind abgefaulte Balkenköpfe zu sanieren, bedarf es ebenfalls aufwändiger Zusatzarbeiten, wie das Anlaschen der Balken.
• Bei einer Lösung mit Holz-Beton-Verbund kombiniert der schubfeste Verbund von Holztragwerk und dünner Betonplatte die Eigenschaften beider Tragwerke. Das bewirkt eine Traglasterhöhung der Decke und verbessert deren bauphysikalische Eigenschaften gleich mehrfach. Die Verbundbauweise erlaubt große Spannweiten weit über zehn Meter. Die Traglasterhöhung kompensiert das zusätzliche Gewicht von ungefähr 130 kg/qm bei einer Bauhöhe von in der Regel 50 mm. Das Ergebnis ist eine hohe Steifigkeit (bis Faktor 10!) und damit verbunden ein günstiges Schwingungsverhalten. Auch der Schallschutz verbessert sich signifikant. Kommt der Brandschutz mit ins Spiel, sind die geschraubten Holz-Beton-Verbundsysteme den geklebten Systemen überlegen. Bereits bei Temperaturen zwischen 50 und 60 °C in der Klebefuge beginnt die Verbundwirkung zu versagen.

Der Holz-Beton-Verbund

Diese wirtschaftliche Bauweise kennt man seit den 30er Jahren, sie hat aber erst in den 80er Jahren an Bedeutung gewonnen, als Sanierungen einen größeren Anteil am Baugeschehen einzunehmen begannen.
Für den Holz-Beton-Verbund als Tragwerk sind derzeit sieben Verbindungsvarianten bauaufsichtlich zugelassen. Neben geschraubten werden auch geklebte Systeme angeboten, wobei die Schraubsysteme deutlich überlegen sind, da sie auch unter schwierigen Baustellenbedingungen praktikabel sind. Alle derzeit auf dem Markt befindlichen Systeme mit Verbundschrauben gehen auf einen Entwickler zurück: Seit 25 Jahren treibt der Schweizer Ingenieur Heinz Wieland diese Technologie voran.
Alle Systeme, auch die geklebten, sind gemäß ihren Zulassungen statisch elastisch zu rechnen. Für eine exakte Berechnung war man bislang auf aufwändige Rechenmodelle angewiesen. Einzellasten, veränderliche Gleichlasten und Querschnittsänderungen mussten mit FE-Methoden oder einem Stabwerkmodell berechnet werden. Das Schweizer Unternehmen com-ing bietet neben der Verbundschraube auch die Software, um die komplexen Bemessungen exakt und schnell auszuführen. Diese Software liefert alle erforderlichen rechnerischen Nachweise und prüffähige Dokumente. Die exakte Bemessung und das Vermeiden kreuzweise angeordneter Verbundschrauben kann bis zu 30 Prozent Schubverbinder einsparen.

Verbindungsmittel

Um die Tragfähigkeit für einen Holz-Beton-Verbund zu bemessen, sind neben der Holzqualität, der Spannweite, dem Abstand und dem Querschnitt der Deckenbalken vor allem Art, Festigkeit und Dicke der Verbinder, sowie Anzahl und Abstand der Verbindungsmittel entscheidend.
Die Eigenschaften der Verbindungsmittel und die Art des Einbaus bestimmen die Verteilung der Schubkräfte und Spannungen in den Querschnitten der verbundenen Materialien. Nur schubfeste Verbindungen stellen einen kontinuierlichen Lastabtrag her.
Die Verbindungsmittel werden in der Regel auf Abscheren (Nachgiebigkeit, lastabhängige Verschiebung) und auf Herausziehen beansprucht. Eine zylindrische Kopfgeometrie sorgt für eine sichere Verankerung im Beton, kegelförmige Kopfgeometrien neigen zum Spalten des Betons.
TCC-Verbinder (TCC = Timber concrete composite) sind besonders effizient und wirtschaftlich: sie stellen schubfeste Verbindungen her und werden ohne Vorbohren eingeschraubt. Das Material, die Oberflächenbeschichtung, die Geometrie der Schraube, die Ausbildung von Gewinde und Kopf führen zu hoher Leistungsfähigkeit der Verbinder. Entscheidend für die Tragfähigkeit des Verbunds durch Schrauben ist die Einschraubtiefe. Diese muss bei Vollgewindeschrauben ohne Anschlagpunkt laut Zulassung bei jeder einzelnen Schraube nachgemessen werden. Die Schraubengeometrie von TCC Verbindern sichert eine definierte Einschraubtiefe; das aufwändige Nachmessen entfällt. Holzbalken und Betonscheibe werden durch das TCC Verbundsystem zu einem „kameradschaftlichen“ Tragwerk verbunden. Punktuelle Lasten werden auf mehrere benachbarte Tragwerksbalken verteilt. Dabei entstehen beachtliche Quermomente in der Betonplatte, welche entsprechend zu bemessen ist.

Multifunktional in der Anwendung

Mit dem Holz-Beton-Verbund können Holzbalkendecken, Unterzüge oder Hauptträger und abgefaulte Balkenköpfe in einem System ertüchtigt werden. Als Alternative zum Einbau der lastverteilenden Betonscheibe oberhalb der Tragbalken (TCC Topfloor®) bietet com-ing auch eine Verbundlösung zum Einbau zwischen den Balken an (TCC Slimfloor®). Gerade im Altbau sind Lösungen mit minimalem Deckenaufbau gefragt. Erreicht werden kann, dass nach der Sanierung die OK Fußboden das ursprüngliche Niveau nicht überschreitet – ein wesentlicher Vorteil wenn jeder Zentimeter zählt und das Niveau von Treppenstufen, Türen, Brüstungen original erhalten bleiben soll. Auch Kombinationen von TCC Topfloor und TCC Slimfloor sind möglich.
Unterzüge lassen sich ohne großen Mehraufwand ebenfalls praxisgerecht mit ertüchtigen. Dies gilt auch für die häufig anzutreffenden verrotteten Balkenköpfe. Diese können durch die Holz-Beton-Verbundlösung im unmittelbaren Auflagerbereich überbrückt werden – ohne aufwändige Stahl- oder Holzanlaschungen oder neue Auflager in der Wand. Patentierte Stabbündel, die in die Armierung der Betonplatte eingebunden werden, verhindern, dass die Betonplatte am Auflager unter Spannung bricht. Ist ein Tragwerk stark verformt, gelingt es nur mit dem Holz-Beton-Verbund, die Verformung dauerhaft zurückzubilden.

Prüffähig

Bei der Entscheidung, welchem Sanierungssystem man den Vorzug gibt, ist das Führen der entsprechenden prüffähigen Nachweise ausschlaggebend. Die nachvollziehbare Berechnung und Dokumentation von Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit, Brandschutz und Schallschutz inklusive Schwingungsnachweis wird zum entscheidenden Kriterium beim Vergleich der Systeme. Zur Erinnerung: In DIN 1052:2004 und Eurocode 5 wird für Wohnräume der Schwingungsnachweis gefordert. Die Appenzeller com-ing VT hat ein sicheres und auf Wirtschaftlichkeit ausgelegtes Berechnungsverfahren entwickelt. Das Programm umfasst alle notwendigen bauphysikalischen Berechnungen und prüffähigen Nachweise und wird interessierten Ingenieuren zur Verfügung gestellt.

Baustellentauglich

Damit eine Sanierungslösung sicher funktioniert, muss sie auch unter den häufig widrigen Bedingungen einer Sanierungsbaustelle sicher auszuführen sein. Die bauaufsichtlich zugelassenen (Z-9.1–603) und patentierten TCC Integral Schubverbinder können unabhängig von den Umgebungsbedingungen sicher verbaut werden. Die Schubverbinder werden nach exakt berechnetem Plan ohne Vorbohren in das Holztragwerk geschraubt. Die Holz-Beton-Verbundlösung mit TCC Integral ist nicht nur verarbeitungssicher sondern auch schnell: das Setzen der Schrauben, Verlegen einer Bewehrung auf Abstandshalter und Einbringen des Aufbeton reduzieren die Arbeitsschritte gegenüber anderen Verfahren deutlich.
Lokaler Service
Als Spezialist für elastische Verbundtragwerke bietet com-ing die Planung und Bemessung sowie bauausführende Begleitung von Verbundtragwerken. Das Unternehmen steht für 25 Jahre Erfahrung im Verbundbau und hat viele patentierte Entwicklungen
vorzuweisen. Um die Ingenieurleistungen und Baubetreuung bundesweit leisten zu können, arbeitet com-ing mit mehr als vierzig Systempartnern, geschulten TCC Ingenieuren, zusammen. Vom Auszugsversuch zur Bestimmung der Resttragfähigkeit bis zur Bauabnahme umfasst das Dienstleistungspaket alle Verfahrensschritte.

Autoren: Holger Rupprecht und Maria-Isabel Kiefer. Sie sind für das Schweizer Unternehmen com-ing tätig, das zu den Pionieren im Holz-Beton-Verbund zählt und sich mit zahlreichen Patenten und Referenzobjekten ein entsprechendes Know-how erarbeitet hat.

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