Verbundquerschnitte aus Holzwerkstoffen für lastabtragende Wände

Dipl.-Ing. Johann W. Herlyn; Dipl.-Ing. Norbert Rüther
Fraunhofer-Institut für Holzforschung,Wilhelm-Klauditz-Institut

Dipl.-Ing. Theo Schönhoff
Institut für Baukonstruktion und Holzbau der TU Braunschweig (IB Holz)

Zusammenfassung

Der Anteil an Holzgebäuden ist in Deutschland im Gegensatz zu Nordamerika oder Skandinavien trotz technologischer und ökologischer Vorteile gering. Dabei kann durch elementierte Konstruktionen mit einem hohen Anteil an Holz und Holzwerkstoffen ein hoher Vorfertigungsgrad erreicht werden, der ein kostengünstiges und umweltverträgliches Bauen ermöglicht und darüber hinaus die Bewirtschaftung der heimischen Wälder fördert. Zusätzlich haben Holzwerkstoffe im Vergleich zu Vollholz nicht die Nachteile anisotroper inhomogener Materialeigenschaften. Weitere Vorteile weisen Holzwerkstoffe durch die mögliche Herstellung aus Recyclingmaterial oder Produktionsresten auf. Holzwerkstoffe sind nach einer Nutzung unter Beachtung des Standes der Technik problemlos stofflich oder energetisch zu verwerten.

Das Projektziel war die Entwicklung von modularen Verbundelementen, z. B. aus einem Kern mit statischen und wärmeschutztechnischen Aufgaben und Außenschichten mit tragenden und feuchteschutztechnischen Aufgaben. Die Zuordnung einzelner Funktionen auf einzelne Bauteilschichten sollte aufgehoben werden. Eine Wärmedämmschicht im Kern sollte auch an der Tragwirkung beteiligt sein. Dabei sollte im Rahmen des geplanten Vorhabens zunächst ein Wandelement entwickelt werden, das statisch sowohl zur Abtragung vertikaler Lasten als auch zur Aussteifung gegenüber Horizontallasten wirkt sowie Einzelkräfte aus Konsollasten und Horizontalstoß aufnehmen kann.

Zur Erreichung des Projektziels wurden umfangreiche Untersuchungen mit analytischen und experimentellen Methoden durchgeführt. Dabei wurden folgende Randbedingungen besonders berücksichtigt:

• Beanspruchungen durch Längskräfte und Plattenbiegung
• Beanspruchungen durch Horizontalkräfte in Tafelebene
• Verbindungen des Randabschlusses mit den Deckschichten
• Auflagerdrehwinkel der Decken
• Beanspruchungen durch Konsollasten
• Wände mit Öffnungen

Bei den Untersuchungen zeigte sich, dass die Ausbildung des Randabschlusses erhebliche Auswirkungen auf das Tragverhalten des gesamten Verbundelementes hat. Die Notwendigkeit einer Randeinfassung zeigte sich besonders bei den Tragversuchen unter Horizontallast. Das Tragverhalten eines Verbundquerschnittes mit umlaufendem Randabschluss kann den statischen Modellen üblicher Tafeln angenähert werden. Bei horizontaler statischer Beanspruchung muss die kraftschlüssig mit den Deckschichten verklebte Dämmebene das Beulen der Deckschichten verhindern und übernimmt somit im weitesten Sinne die Aufgaben der Mittelrippen einer üblichen Holztafel. Der umlaufende Randabschluss übernimmt die Funktionen der Randrippen einer üblichen Holztafel. Werden Verbundelemente ohne umlaufenden Randabschluss horizontal statisch beansprucht, so knickt der Querschnitt auf der Druckseite schon bei relativ geringen Lasten aus. Es scheint aus heutiger Sicht nicht realisierbar, solche Verbundquerschnitte ohne Randeinfassung auszuführen.

Das Tragverhalten ist teilweise günstiger als bei üblichen Tafelelementen mit mechanischer Befestigung der Holzwerkstoffplatten auf den Rippen. Abbildung 1 zeigt die maximale Vertikalbeanspruchung in Kurzzeitversuchen. Auch hier zeigt sich deutlich der Einfluss des Randabschlusses. Verbundquerschnitte mit einem Randabschluss, auf dem die Deckschichten aufgelagert sind (Hutprofil), weisen eine signifikant höhere maximale Vertikalkraft auf, als Verbundquerschnitte mit einem Randabschluss, der ausschließlich zwischen die Deckschichten geklebt oder geklammert wurde (ohne Hutprofil).

Abbildung 1: Maximale Vertikalkraft der Verbundelemente in kN/m

Die Ergebnisse der Messungen im Differenzklima zeigen, dass sich erwartungsgemäß Verformungen infolge von unterschiedlicher Klimatisierung der Wandoberflächen einstellen. Die Verformungen sind aber trotz der Möglichkeit der zwängungsfreien Einstellung der Verformungen relativ gering. Die Platten beulten sich je nach Klima um weniger als 2 mm zu jeder Seite aus. Um den Einfluss einer Einspannung zu ermitteln, wurden an einem Prüfkörper die frei drehbaren Lager durch eine Einspannung ausgetauscht. Die Folge dieser Änderung der Auflagerbedingungen war ein wesentlich geringeres Beulverhalten unter Einfluss eines Differenzklimas. Die seitlichen Ränder der Prüfwand waren bei dieser Prüfung frei beweglich. In der Bauausführung werden keine freien Wandränder einem Differenzklima unterzogen, so dass aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen der Schluss gefolgert werden kann, dass das Beulverhalten infolge des Einflusses eines Differenzklimas zwar Berücksichtigung finden muss, konstruktive Maßnahmen, wie Verschraubung der Elemente untereinander, aber verhindern, dass diese Verformungen zu Schäden führen. Eine Untersuchung an realitätsnahen Abmessungen bei Wandelementen von mindestens ca. 5 m Länge und Anschlüssen ist in diesem Forschungsvorhaben nicht vorgesehen gewesen, wird aber noch als sinnvoll angesehen, so dass weitere Untersuchungen bis zur Praxisreife durchgeführt werden sollten.

Die Erkenntnisse aus dem Forschungsvorhaben bilden den Grundstein für innovative und ökologische Wandkonstruktionen, die dem Holzbau weitere Chancen eröffnen. So sind folgende Möglichkeiten der Umsetzung denkbar, wobei die Aufzählung keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt:

1. Baukastensystem mit vorgegebenen Elementabmessungen und Vertrieb über den Handel

Es ist vorstellbar, dass in industrieller Fertigung Systemelemente mit vorgegebenen Abmessungen hergestellt und über den Handel verkauft werden. Eventuelle Sondermaße müssen auftragsbezogen gefertigt werden. Diese Art der Fertigung und des Vertriebes wird im Möbelbau bereits durchgeführt. Eine Fertigung tragender Wände stellt aber höhere Sicherheitsanforderungen. Ein Branche, die ähnliche Sicherheitskriterien erfüllen muss und die teilweise vergleichbare Vertriebsstrukturen aufweist, ist die Blockhausindustrie. Wegen der hohen Sicherheitsanforderungen wäre es denkbar, einen verantwortlichen Montageleiter und z.B. die Bereitstellung eines Mobilkranes in einem gewissen Umfang bereits beim Verkauf der Elemente mit anzubieten. Die Montage auf der Baustelle würde dann von angeleiteten Laien erfolgen. Daher müssen die Verbindungen auf der Baustelle mit einfach handhabbaren Verbindungsmittel wie z. B. Schrauben gewährleistet werden. Ähnlich wie bei der Möbelfertigung sind komplett vorgefertigte Elemente mit vorgebohrten Löchern für Schrauben und andere Beschläge denkbar.

2. individuelle Elementfertigung durch die Fertighausindustrie

Eine weitere Möglichkeit der Umsetzung kann von der Fertighausindustrie aufgegriffen werden. Diese kann ihr bisher verwendetes System durch Verbundelemente austauschen. In diesem Fall wäre die Produktion eines Endloselementes denkbar, welches bei den geforderten Elementbreiten gekappt und mit einer Randeinfassung versehen wird. Je nach Größe und Anzahl der Fenster und Türen, kann ein Ausschneiden der Öffnungen aus dem Endloselement sinnvoll sein oder die Fertigung von gesonderten Elementen für die Öffnungen. Eine Optimierung kann aber erst dann durchgeführt werden, wenn die Kosten zur Herstellung solcher Elemente bekannt sind. In Abbildung 2 ist ein solches Element dargestellt. Die roten Linien sollen die noch zu verwendenden Hölzer darstellen. Ansonsten besteht das Element nur aus Dämmung mit einer beidseitigen Beplankung.

Abbildung 2: Skizze einer Außenwand; oben: herkömmliches Holztafelelement; unten: Holztafelelement mit Verbundquerschnitten

3. individuelle Elementfertigung durch handwerklich orientierte Unternehmen

Handwerklich orientierte Unternehmen können z. B. durch Erwerb von Lizenzen die Produktion und Montage von Elementen aus Verbundquerschnitten übernehmen. Inhaber der Allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung könnte in diesem Fall eine externe Stelle sein, die dann durch Vergabe der Lizenzen in unterschiedlichen Produktionsstätten herstellt. Eine Eignung zur Herstellung der geklebten Elemente muss innerhalb einer Fremdüberwachung überprüft werden. Eine vergleichbare Struktur ist bei Herstellung und Vertriebs von Nail-Web-Trägern zu finden.

4. Fertigung einer Sandwichplatte

Die Holzwerkstoffindustrie könnte die Möglichkeit aufgreifen, eine z. B. 16 cm oder 20 cm dicke Platte im Großformat zu fertigen, aus welcher dann die einzelnen Elemente in beliebigen Formen geschnitten werden. Analog zur Möbelfertigung, in der großformatige Platten mit Hilfe einer Verschnittoptimierung in kleine Elemente zerlegt werden, können auch bei dem entwickelten Sandwichelement z. B. Giebeldreiecke, Brüstungselemente und Erkerelemente aus einer großen Sandwichplatte geschnitten werden. Die Ränder der einzelnen Elemente, die nahezu beliebige Abmessungen aufweisen können, werden wie in Abbildung 3 angedeutet, mit einem Profil versehen, in welches dann der Randabschluss gesteckt und mit den Deckschichten befestigt wird.

Abbildung 3: Mögliche Vorgehensweise bei der Fertigung einer Sandwichplatte:
oben: 1. großformatige Platte wird aufgetrennt, Endlosprofil abgelängt;
mitte: 2. Schmalflächen der Platten werden profiliert;
unten: 3. Platten und Randprofil werden zusammengefügt

Die Untersuchungen wurden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) und den Internationalen Verein für Technische Holzfragen (iVTH) gefördert. Förderkennzeichen 12899 N

Der vollständige Bericht kann bestellt werden bei:
Internationaler Verein für Technische Holzfragen e. V.
Bienroder Weg 54 E
38108 Braunschweig