Bauen mit Laubholz

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Bauen mit

Laubholz Konrad Merz Anne Niemann Stefan Torno

∂ Praxis


Autoren Konrad Merz Anne Niemann Stefan Torno mit Beiträgen von: Hermann Kaufmann (Vorwort) Markus Lechner (Hochleistungswerkstoffe mit Potenzial für die Zukunft) Stefan Winter (Hochleistungswerkstoffe mit Potenzial für die Zukunft)

Verlag Redaktion, Layout und Lektorat: Steffi Lenzen (Projektleitung und Texte Projektbeispiele); Claudia Fuchs (Projektbeispiele), Jana Rackwitz (Theoriekapitel) Redaktionelle Mitarbeit: Charlotte Petereit Korrektorat: Sandra Leitte Coverdesign nach einem Konzept von: Kai Meyer Zeichnungen: Rana Aminian, Ralph Donhauser, Sandra Gunnermann, Martin Hämmel, Ursula Sparakowski Herstellung und Produktion: Simone Soesters Reproduktion: ludwig:media, Zell am See (AT) Druck und Bindung: Grafisches Centrum Cuno GmbH & Co. KG, Calbe (DE) Papier: Peydur lissé (Umschlag), Profibulk (Innenteil) Verlag: DETAIL Business Information GmbH Messerschmittstr. 4, 80992 München detail.de © 2020, erste Auflage ISBN 978-3-95553-504-9 (Print) ISBN 978-3-95553-505-6 (E-Book) Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet abrufbar über http://dnb.d-nb.de. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, ­der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungs­ anlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werks ­oder von Teilen dieses Werks ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts. Dieses Fachbuch berücksichtigt die bei Redaktionsschluss gültigen Begriffe und den zu diesem Zeitpunkt ­aktuellen Stand der Technik. Rechtliche Ansprüche können aus dem Inhalt dieses Buchs nicht abgeleitet werden. Für Vollständigkeit und Richtigkeit aller Beiträge wird keine Gewähr übernommen.


Inhalt

4 Vorwort   6 Gestern – Heute – Morgen Historische Verwendung von Laubholz als Baustoff  7 Laubholz im modernen Holzbau  11 Ausblick und Relevanz  15  18 Forstwirtschaftlicher Hintergrund  20 Hochleistungswerkstoffe mit Potenzial für die Zukunft Neu- und Weiterentwicklung tragender Holzbauprodukte auf ­  Laubholzbasis 20 Verklebung von Laubhölzern  21 Verbindungen 21 Dauerhaftigkeit und Feuchte  22 Abbund und Verarbeitung  22 Verwendbarkeit 23  24 Holzarten  30 Bauprodukte aus Laubholz Schnittholz und keilgezinktes Vollholz  30 Brettschichtholz und Hybrid-Brettschichtholz  33 Furnierschichtholz aus Buche  35 Holzwerkstoffe aus Laubholz  37 Anwendungshinweise 39 Dauerhaftigkeit 41 Emissionen 43  44 Konstruieren mit Laubholz Beweggründe für den Einsatz von Laubholz  45 Laubholzprodukte in der Anwendung  47 Verbindungen 52  54

Projektbeispiele Zehn realisierte Beispiele aus der Praxis

104 Anhang Autoren 105 Zulassungen, Normen  106 Literatur, Links  107 Bildnachweis 108 Dank 109 Sachregister 110


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Vorwort

Bauen wird mehr und mehr zur Rohstofffrage, denn der Bedarf an Raum und somit an Baumaterial wird weltweit stark steigen. Die Moderne hat vergessen, dass die Erde über ein riesiges, ständig nachwachsendes Reservoir an Rohstoffen verfügt, die sich auch sehr gut für das Bauen eignen. 100 Jahre Forschung und Entwicklung befassten sich größtenteils mit den modernen Materialien, der einst wichtigste Baustoff Holz wurde nahezu vergessen. Die nachwachsenden Rohstoffe gelten als Hoffnungsträger, denn sie dienen als Versprechen für die Lösung der drängenden Zukunftsfragen im Zusammenhang mit der notwendigen Dekarbonisierung und der Ressourcenverknappung des Bauwesens. Die steigende Nachfrage nach Holzbauweisen ist untrüglicher Beleg einer Renaissance dieses ältesten Bau­stoffs. Nadelholz ist und wird sicher das Hauptmaterial für die konstruktive Anwendung bleiben, denn es hat diesbezüglich hervorragende Eigenschaften und ist leicht zu bearbeiten. Im Vergleich zum Laubholz ist es wirtschaftlicher, denn die Ausbeute der regelmäßigen und gerade gewach­ senen Stämme ist deutlich höher. Andererseits ist das wertvolle Laubholz je nach Baumart in großen Mengen verfügbar, wird aber derzeit zu wenig stofflich ver­ wertet, zu häufig verbrannt oder für die Herstellung von kurzlebigen Produkten vergeudet. Die Gründe hierfür liegen in vermeintlichen Nachteilen bei der Bearbeitbarkeit (durch die Härte des Mate­ rials), in einem größeren Trocknungsaufwand sowie in der fehlenden Maßhaltigkeit der Produkte. Das muss und wird sich ändern. Die hervorragenden Eigenschaften von Laubholz können zur Optimierung bestehen­ der Holzwerkstoffe oder zu ganz neuen Produkten führen. Entwicklungen wie ­Furnierschichtholz aus Buche lassen es

erstmals in der Geschichte zu, dass die zweithäufigste Baumart in Mitteleuropa im konstruktiven Holzbau zum Einsatz kommt. Laubholz ermöglicht verblüffend schlanke und ästhetische Konstruktionen, die sehr wirtschaftlich sind. Auch werden Material­ kombinationen aus Nadel- und Laubholz für die Architektur neue konstruktive und gestalterische Möglichkeiten eröffnen. Das Buch zeigt den Status quo zum Bauen mit Laubholz. Es soll Anstoß zu neuen Ideen geben und einen Beitrag dazu leisten, dass sich die steigende Nachfrage nach ökologischem und klimaneutralem Bauen in Zukunft auf eine brei­ tere Palette an Baumarten stützt.

Hermann Kaufmann

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Neuzeit zur Waschlaugenherstellung und zur Glasproduktion, wofür die Buchen­ bestände massiv abgeholzt wurden. Bis in die 1950er-Jahre trieb Buchenholz in Deutschland sogar Autos an: Etliche Fahrzeuge, u. a. Pkw oder Kleinlastwagen, verfügten über einen Holzvergaser. Dabei wurde Holz unter Sauerstoffmangel verschwelt, was Holzgas erzeugte. Das aus 3 kg Buchenholz gewonnene Gas besaß etwa den Energiewert von 1 l Benzin. Auch heute noch wird Buchenholz, wie auch andere Laubholzarten, zu großen Teilen direkt energetisch verwertet. Unter bestimmten Voraussetzungen (regionale Struktur) ist eine „moderne“ Holzenergie ein wichtiger Baustein der Energiepolitik, da hierbei kein fossiler Kohlenstoff freigesetzt wird. Dennoch sollte aus Gründen der Klimapolitik und der Nachhaltigkeit zukünftig eine Kaskadennutzung Vorrang haben, bei der das

Rohholz 100 % (73,3 Mio. m3)

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1)

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Durch die Entwicklung neuer Konservierungstechniken ließ sich die Buche Mitte des 19. Jahrhunderts für Holzpflaster und insbesondere Eisenbahnschwellen verwenden. So bekam eine der am häufigsten in mitteleuropäischen Wäldern vertretene Baumart, damals auch „Mutter des Waldes“ genannt, erstmals eine wirtschaftliche Bedeutung. Der Ausbau des Schienennetzes erforderte große Mengen an Eisenbahnschwellen. In Österreich beispielsweise wurden in den Jahren nach 1945 knapp 900 000 imprägnierte Bahnschwellen aus Buchen- oder EichenSchnittholz

47 % (34,2 Mio. m3)

47 % (34,2 Mio. m3)

Industrieholz 14 % (10,6 Mio. m3) 4 % (3,2 Mio. m3) Brennholz 1)

Laubholz 27 % (19,9 Mio. m3)

Bahnschwellen

Stammholz

4 % (2,7 Mio. m3)

Nadelholz 73 % (53,3 Mio. m3)

Holz vor der Verbrennung über mehrere Stufen möglichst lange stofflich genutzt wird. Denn selbst Holz von hoher Qualität, das für die Verwendung als Bauholz gut geeignet wäre, dient heute häufig „nur“ als Energieträger (Abb. 10) [5].

12 % (8,5 Mio. m3) 19 % (14,0 Mio. m3)

4 % (2,6 Mio. m3) Faser- und Spanplatten 7 % (5,3 Mio. m3) 3 % (2,4 Mio. m3)

Hausbrand 8 % (6,2 Mio. m3) 15 % (11,3 Mio. m3)

Furnier- und Sperrholz 0 % (0,0 Mio. m3) 0 % (0,2 Mio. m3) Holzschliff und Zellstoff 7 % (5,2 Mio. m3) 1 % (0,7 Mio. m3)

holz eingebaut [6]. Anfangs machten Eisenvitriol, Holzteer oder verschiedene Kohleerzeugnisse die Holzschwellen haltbar. Bis vor Kurzem war weltweit eine Druckimprägnierung mit Kreosot üblich – ein aus Kohlenteer gewonnenes Präparat, das Holz vor Witterungsein­ flüssen, Schädlings- und Pilzbefall schützt. Erkennbar ist ­derart behandeltes Holz ­am teerartigen Geruch und an den schwarzen, klebrigen Anhaftungen. Aufgrund seiner ­hautreizenden und krebserregen­ den Inhaltsstoffe wurde Kreosot von der Europäischen Kommission 2018 als ein für Mensch und Umwelt besonders bedenklicher Stoff eingestuft und der Gebrauch seitdem verboten. Obwohl inzwischen aufgrund ihrer längeren Haltbarkeit ein Großteil der Schwellen aus Beton gefertigt wird, kann man auf den Baustoff Holz nicht ganz verzichten. In speziellen Einsatzbereichen wie bei Weichen, engen Bogenradien oder im Rangier- und Schwerlastbereich sind Betonund Stahlschwellen technisch nicht geeignet, Holzschwellen zu ersetzen. Besonders auf hügeligen Bahnstrecken mit der Gefahr von Erdrutschen zahlt sich die Elastizität des Holzes aus. Daher werden verschiedene Produkte getestet, die als alternative Schutzmittel für Holzschwellen in Betracht kommen könnten, darunter beispielsweise Salz-Öl-basierte Präparate (Abb. 9). Weitere Laubhölzer

anderes ­Rohholz 0 % (0,1 Mio. m3) 0 % (0,0 Mio. m3)

Heizkraftwerke 3 % (2,3 Mio. m3) 4 % (2,7 Mio. m3)

Brennholz = energetisch genutztes Rohholz inkl. Rohholz in Holzpellets und -kohle

Neben Eiche spielten andere Laubholzarten im Bauwesen historisch eine untergeordnete Rolle. Je nach regionaler Verfügbarkeit finden sich einige Beispiele, die wohl gezielt aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften oder in Ermangelung des besser nutzbaren Eichenhol­ zes verbaut wurden. Ausgrabungen am Bodensee beweisen, dass vor über 4000 Jahren Pfahlbauten auf dem leichten, jedoch unter Wasser sehr bestän-


Gestern – Heute – Morgen

9 alte Bahnschwellen im Gleisbett 10 Inlandsverwendung von Rohholz in Deutschland im Jahr 2017 11 Nachbildung von Häusern auf Erlenpfählen im Pfahlbaumuseum in Unteruhldingen (DE) 12 Stabkirche Urnes (NO) 12. und 13. Jahrhundert 13 Haus Sommerfeld, Berlin (DE) 1922, Walter Gropius und Adolf Meyer

digen Holz der Erle gründeten (Abb. 11). Die berühmte Stabkirche von Urnes in Norwegen gilt weltweit als die älteste dieser Art, ihr Ursprung geht auf das Jahr 1100 zurück (Abb. 12). Das heute noch erhaltene Gebäude aus dem 12. und 13. Jahrhundert besteht teilweise aus Ulmenholz, das für die Region typisch ist. Auch von der Verwendung von Eschenholz wird vereinzelt berichtet. So sollen Wandplanken und Fußbodendielen der Kirche von Tävelsas in Schweden (1750) aus diesem Holz bestanden haben. Die Edelkastanie stammt ursprünglich aus Südosteuropa und der Türkei und wurde von den Römern in das Gebiet nördlich der Alpen eingeführt. Neben der Verwendung im Weinbau kam das Holz auch zum Bau von Wohnhäusern und vereinzelt sogar bei Kirchen zum Einsatz. Noch heute finden sich in Spanien, Frankreich und Italien einige Beispiele von Kasta­ nienholz im konstruktiven Bereich als Decken- und Dachbalken oder Terrassenüberdachungen.

fossiler Ressourcen gewinnen nachwachsende Rohstoffe – insbesondere Holz – an Bedeutung, die CO2 aus der Atmosphäre aufnehmen und einlagern. Die deutlich wahrnehmbare Renaissance des Holzbaus ist eng verknüpft mit der Entwicklung von neuen Technologien und Bauprodukten, aber auch mit der Wiederentdeckung alter Bautraditionen, die seither immer weiter entwickelt und neuen Anwendungen zugeführt werden. Die Industrialisierung der Holzverarbeitung erlaubt die Herstellung von Holzwerkstoffen, durch die es möglich ist, größere Dimensionen zu rea­lisieren und uner11 wünschte Eigenschaften zu homogenisieren. Eine rasante Entwicklung im Holzbau mit mehrgeschossigen Bauprojekten bis zur Hochhausgrenze und darüber hinaus ist seitdem die Folge. Im Eiltempo werden inzwischen Höhen­rekorde gebrochen und Normen sowie Gesetze angepasst (siehe Bürokomplex Suurstoffi, S. 76ff.). Potenziale und Hemmnisse für Laubholz im Tragwerk

Laubholz im modernen Holzbau In der klassischen Moderne verwendete man hauptsächlich Stahl, Beton und Glas. Der Holzbau geriet in Vergessenheit, ihm haftete etwas „Rückwärtsgewandtes“ an, da das Material damals nicht so leis­ tungsfähig wie die neuen Materialien und zudem brennbar war. Einst Hauptbaustoff, wurde Holz nun gerade mal für kleinere oder temporäre Bauten verwendet. Das 1922 als Gemeinschaftswerk der Bauhaus-Schule errichtete Haus Sommerfeld in Berlin stellt eine Ausnahme dar. Als Baumaterial kam dabei Teakholz von Schiffswracks zum Einsatz (Abb. 13). Erst seit einigen Jahrzehnten findet eine Rückbesinnung auf Holz als Baustoff von Gebäudetragwerken statt. Angesichts des Klimawandels und der Endlichkeit

Die Verwendung von Laubholz im Gebäudetragwerk ist ein Teil dieser Entwicklung. Sie bietet viele Potenziale, aber auch einige Hemmnisse. 12

Potenziale Die hohe Festigkeit von Laubhölzern hat das Potenzial für neue Hochleistungswerkstoffe, die eine ökologische Alter­ native zu Stahl und Beton in hochbeanspruchten Bauteilen bieten und die Möglichkeiten des bisherigen Holzbaus sig­ nifikant erweitern können. Wie schon in der traditionellen Anwendung werden Laubhölzer dort eingesetzt, wo besondere Eigenschaften, d. h. Tragfähigkeit und Steifigkeit, eine Rolle spielen. Während im Fachwerkbau die hochbelasteten Schwellenhölzer aus Eichenholz gefertigt wurden, sind im modernen Holzbau derzeit weitgespannte Träger, Knotenpunkte

13

11


Hochleistungswerkstoffe mit Potenzial für die Zukunft Markus Lechner, Stefan Winter, Stefan Torno

Holz ist weltweit der führende biogene Baustoff und aus aktueller Sicht einer der Schlüsselwerkstoffe zur Entwicklung nachhaltiger Lösungen für das Bauen von morgen. Er kann hier einen wesentlichen Beitrag zur notwendigen Dekarbonisierung und der zielgerichteten Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen leisten. Die Herausforderung der Zukunft ist es, schneller für mehr Menschen, mit weniger nachwachsenden Rohstoffen sowie weniger Flächenverbrauch und Emissionen zu bauen. Dazu werden Hochleistungswerkstoffe aus Holz benötigt. Aktuelle Forschungs- und Entwicklungsprojekte zielen häufig noch auf die Erhöhung der Festigkeitseigenschaften ab. Hochleistungswerkstoffe mit Potenzial für die Zukunft müssen dagegen multidimensionale Eigenschaften haben. Dazu zählt beispielsweise eine selbstlöschende Funktion im Brandfall oder die reduzierte Abgabe von VOC-Emissionen an die Raumluft. Im Vergleich zu modernen Holzbauprodukten aus Nadelholz sind dieje­ nigen aus Laubholz noch relativ jung. Entsprechend gibt es, insbesondere aus den Erfahrungen der ersten Anwendungen, noch wesentlichen Bedarf in Forschung und Entwicklung. Und das, obwohl Laubholz bereits seit Langem vom Axtstiel bis zum Eichenbalken und natürlich im Möbelbau stofflich verwendet wird.

Neu- und Weiterentwicklung tragender Holzbauprodukte auf Laubholzbasis Das Bauen mit Brettschicht- und Brett­ sperrholz auf Basis von Nadelholz hat sich in den letzten Jahrzehnten bei Planern und Ausführenden etabliert. Die ­Leistungsgrenzen der aktuell verfügbaren Holzbauprodukte sind einerseits durch die Festigkeiten, andererseits durch den Elastizitätsmodul und die damit verbundene Steifigkeit der Quer20

schnitte beschränkt. Beide Eigenschaften können durch den Einsatz von Laubholz verbessert werden. Die rechnerisch ansetzbaren Festigkeiten von Holzbauprodukten aus Buche im Vergleich zu ­solchen aus Fichte sind beispielsweise zwei- bis dreimal so hoch. Die Steifigkeitseigenschaften lassen sich durch die Verwendung von Buche um bis zu 50 % steigern. Für die Entwicklung von tragenden Holzbauprodukten auf Laubholzbasis sind primär zwei Ansätze denkbar: Der Austausch des Ausgangsmaterials eines Holzbauprodukts von Nadelholz auf Laubholz, wie beispielsweise Brettschichtholz (BSH), Furnierschichtholz (FSH) oder Brettsperrholz (BSP) aus Buche, Eiche und Birke. Dieser Ansatz ist auf den ersten Blick schlüssig. Es stellt sich aber die Frage, ob er auch ressourceneffizient ist, d. h. das Potenzial der Laubhölzer effizient eingesetzt wird. Alternativ kann die gezielte Kombination mit Laubhölzern die Schwächen der aktuellen Holzbauprodukte aus Nadelholz verbessern. Ein gutes Beispiel dafür sind die Kompositträger im International House Sydney (Abb. 2). Die städtebaulich maximal mögliche Gebäudehöhe und die von Bauherrnseite gewünschte Etagenzahl ließ sich mit herkömmlichen Holzbauprodukten nicht realisieren. Daher wurde ein Kompositträger aus Nadelholz-BSH und Buche-FSH entwickelt und geprüft [1]. Bei der Verwendung von Brettsperrholz als Platte ist die Tragfähigkeit meist durch die Rollschubfestigkeit begrenzt. Hier bietet es sich an, die auf Rollschub beanspruchte Querlage durch Laubholz zu ersetzen (Abb. 3) [2]. Ein weiterer vielversprechender Ansatz ist die Verstärkung von Brettschichtholz aus Fichte mit gezielt angeordneten Laubholzfurnieren zu „holzbewehrtem Holz“ (Abb. 1) [3]. Durch Anordnung der Furnierlagen zwischen den Brettschichtholzbauteilen in Winkeln


Hochleistungswerkstoffe mit Potenzial für die Zukunft

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rinzipieller Aufbau von holzbewehrtem Holz mit p gegenläufiger Furnieranordnung Kompositträger, Bürogebäude International House Sydney, Sydney (AU) 2016, Tzannes ­Architects, Tragwerksplanung: DesignMake Lendlease Versuchsaufbau zur Bestimmung der Rollschub­ eigenschaften eines dreilagigen BSP-Querschnitt­ aufbaus mit einer Querlage aus Buche

Brettschichtholz

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von 0° und 90° lassen sich die stark aniso­tropen Festigkeits- und Steifigkeits­ eigenschaften von Brettschichtholz homogenisieren. Ebenso können die Furniere zusätzlich gezielt so modifiziert werden, dass beispielsweise selbstlöschende Schichten entstehen. Die Kombination von Laubholz mit mineralischen Baustoffen bietet ebenso gro­ ßes Potenzial, beispielsweise für HolzBeton-Verbunddecken. Aufgrund der höheren Zugfestigkeit der Laubhölzer kann die Holzschicht wesentlich dünner ausgeführt werden. Dies ermöglicht einen insgesamt dünneren Deckenaufbau und somit eine bessere Ausnutzung der Raumhöhe bzw. eine Erhöhung der Anzahl der Geschosse bei gleicher Gebäudehöhe [4].

Laubholzfurniere

Verbindungen Im Bereich der Verbindungstechnologie bieten Laubhölzer aufgrund der höheren Rohdichte und Festigkeiten enormes Potenzial. An den Verbindungen wird die Qualität einer Holzkonstruktion sichtbar. Bei Nadelholzkonstruktionen sind ­oftmals die Randbedingungen der Verbindungsmitteltechnologie maßgebend für den Stabquerschnitt. Erste Untersuchungen zeigen, dass es durch den Einsatz von Laubhölzern möglich ist, auf viel kleinerem Raum höhere Kräfte zu über­ tragen. Grund dafür sind bei stiftförmigen

Verbindungsmitteln wie Nägeln, Stab­ dübeln, Schrauben und Bolzen die höhe­ ren Lochlaibungs- und Querzugfestigkeiten der Laubhölzer im Vergleich zu Nadelhölzern. Das Tragverhalten der im Holzbau etablierten Verbindungsmittel ist daher für die Anwendung bei Laub­ hölzern sorgfältig zu erforschen, da teilweise Versagens­mechanismen wie das Abscheren der Verbindungsmittel dominieren können. Neben den klassischen Verbindungs­ mitteln sind beim Einsatz von Laubholz auch neue Fügungstechniken denkbar. Ein wegweisendes Beispiel stellen etwa

Verklebung von Laubhölzern Verklebte Bauteile sind bei der Laubholzverwendung von großer Bedeutung, da hierbei die wachstumsbedingten Bereiche mit verringerten Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften eliminiert werden ­können und so eine Homogenisierung der Eigenschaften erreicht wird. Daher ist es erforderlich, die Verklebung zu optimieren und die Klebstoffe für die Verklebung von Laubholz sowie von Laub- mit Nadelholz neu zu entwickeln, um den Prozess schneller, technisch einfacher und dadurch kostengünstiger zu gestalten. Zwar sind durch die Verwendung von Phenolharzen (PF, PRF) bereits heute sehr sichere Verklebungen möglich, diese Klebstoffgruppe stellt aber bei der Herstellung der Produkte im Werk höhere Anforderungen an den Arbeitsbzw. Gesundheitsschutz. Erweiterte Untersuchungen zur Verwendung anderer Klebstofffamilien, beispielsweise PUR, werden aktuell in verschiedenen Vorhaben bereits durchgeführt [5].

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3

21


Bauprodukte aus Laubholz

Eine Übersicht zur Verwendbarkeit und Verfügbarkeit von Bauprodukten aus Laubholz zeigt Abb. 4. Grundsätzlich muss man zwischen der Regelung der Produkte und den zugehörigen Anwen­ dungsregeln unterscheiden. Produkt­ regeln enthalten Informationen zur Her­ stellung, zur Qualitätskontrolle und zur Kennzeichnung. Anwendungsregeln bestimmen, welche Klassen eines Pro­ dukts in welchen Anwendungen zum ­Einsatz kommen können.

Schnittholz und keilgezinktes Vollholz

1

Synonym zum Begriff Vollholz wird der Begriff Schnittholz verwendet. Schnittholz bezeichnet nach DIN 4074-5 ein Holz­ erzeugnis von mindestens 6 mm Dicke, das durch Sägen oder Spanen von Rund­ holz in Stammlängsrichtung hergestellt wird (Abb. 1). Je nach Verhältnis von Querschnittshöhe zu Querschnittsbreite sowie Orientierung des Querschnitts in der späteren Anwendung (hochkant oder flachkant) werden Kanthölzer, Bohlen und Bretter unterschieden. Keilgezinktes Vollholz für tragende Zwe­ cke besteht aus festigkeitssortiertem Schnittholz, das durch Keilzinkenverbin­ dungen (auch Keilzinkung genannt) in Längsrichtung kraftschlüssig zu längeren Teilen zusammengefügt wird (Abb. 2).

2

Produkteigenschaften

1 2 3 4

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Schnittholz Keilzinkung Maßtoleranzklassen für Schnittholz nach DIN EN 336:2013-12 Übersicht zur Verwendbarkeit und Verfügbarkeit von Bauprodukten aus Laubholz in Deutschland

Schnittholz ist zumeist in Stärken zwischen 20 mm und 120 mm lieferbar. Die Breite richtet sich größtenteils nach dem Durch­ messer des verwendeten Rundholzes. Die Länge liegt überwiegend zwischen 2,5 m und 6 m. Stärkere Kanthölzer bzw. Balken mit Querschnittsabmessungen von jeweils > 120 mm bis zu 300 mm und größeren Längen werden – vor allem aus Gründen der aufwendigen Trocknung und der geringen Verfügbarkeit – in der

Regel nur auf Anfrage produziert und sind daher nur selten als Lagerware vorrätig. Unabhängig vom Querschnitt sind bei der Planung die in DIN 4074-5:2008-12 ange­ gebenen Verhältnisse der Kantenlängen zu beachten (z. B. Kantholz: b > 40 mm und b ≤ h ≤ 3b), da anderenfalls eine Festigkeitssortierung zu falschen Ergeb­ nissen führen kann. Grundsätzlich gelten für Laubschnittholz die Maßtoleranzklassen gemäß DIN EN 336:2013-12 (Abb. 3). Die Anwen­ dung ist jedoch individuell festzulegen. In Anlehnung an DIN 68 365:2008-12 kann beispielsweise Klasse 1 für säge­ raues und Klasse 2 für gehobeltes Holz definiert werden. Anwendbarkeit von Schnittholz

Die europäisch harmonisierte Produkt­ norm für Voll- bzw. Schnittholz ist DIN EN 14 081-1. Sie regelt nach der Festigkeit sortiertes Bauholz für tra­ gende Zwecke mit rechteckigem Quer­ schnitt. Rundholz wird bauaufsichtlich nicht geregelt. Die letzte im Official Journal of the Euro­ pean Union (OJEU) aufgenommene ­Fassung der DIN EN 14 081-1 ist die ­Version vom Mai 2011. Spätere Fas­ sungen aus den Jahren 2016 und 2019 sind damit bauaufsichtlich derzeit nicht verbindlich. Das OJEU ist das Offizielle Amtsblatt der Europäischen Union. Die bauaufsichtliche Verbindlichkeit einer europäisch harmoni­ sierten Norm erfordert eine Aufnahme und Veröffentlichung im OJEU. DIN EN 14 081 behandelt die visuelle und maschinelle Festigkeitssortierung von Nadel- und Laubholz. Eine maschi­ nelle Sortierung führt direkt zur Einstu­ fung in eine Festigkeitsklasse. Eine ­visuelle Sortierung erfolgt in der EU auf Basis nationaler Sortiernormen. In Deutschland ist die visuelle Sortier­ norm für Laubholz DIN 4074-5. Über


Bauprodukte aus Laubholz

Querschnittabmessungen 1

Maßtoleranzklasse 2

≤ 100 mm

+3 / -1 mm

± 1 mm

> 100 mm bis ≤ 300 mm

+4 / -2 mm

± 1,5 mm

> 300 mm

+5 / -3 mm

± 2 mm

Für Maßtoleranzen in Längsrichtung gilt: Negative Abweichungen sind nicht zulässig, positive Abweichungen sind bei Bedarf zu begrenzen. Die Messbezugsfeuchte beträgt ≤ 20 %. Bei Änderungen der Holzfeuchte sind 3 die Maßänderungen in Querrichtung wie folgt zu ermitteln: 0,35 % je 1 % Feuchteänderung.

die „Zuordnungsnorm“ DIN EN 1912 oder über Zuordnungsberichte werden die nationalen, visuellen Sortierklassen europäischen Festigkeitsklassen zuge­ ordnet. Laubholzschnittholz lässt sich derzeit nur visuell sortieren. DIN 20 000-5 ist die zur DIN EN 14 081-1 gehörige Anwendungsnorm. Auch von der DIN 20 000-5 existieren verschiedene Fassungen. Da sich nur die DIN 20 000-5: 2012-03 auf die im OJEU zitierte DIN EN 14 081-1:2011-05 bezieht, ist diese der­ zeit in der Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen (MVVTB) für die Anwendung von Vollholz nach DIN EN 14 081-1 gelistet. Damit ist die Anwen­dung derzeit auf Buche und Eiche beschränkt. Für andere Holzarten wäre eine allgemeine Bauartgenehmigung oder eine europäisch-technische Bewer­ tung erforderlich. Holzart

Schnittholz /  keilgezinktes Vollholz Verwendbarkeit 1)

Verfüg­ barkeit

Anwendungsnormen Für die Anwendung europäischer Normen in Deutschland gibt es Anwendungsnor­ men der Normenreihe DIN 20 000-x. In diesen Anwendungsnormen wird aufge­ führt, welche Regelungen eines Produkts für welche Anwendungen in Deutschland eingesetzt werden können. Anwendbarkeit von keilgezinktem Vollholz

Die europäisch harmonisierte Norm für keilgezinktes Vollholz ist DIN EN 15 497: 2014-07, die zugehörige Anwendungs­ norm DIN 20 000-7:2015-08. Beide Normen berücksichtigen neben Nadelhölzern nur die Laubholzart Pappel. Für keilgezinktes Vollholz darf demnach nur Pappel verwen­ det werden, für andere Holzarten ist eine deutsche allgemeine bauaufsichtliche Zulassung mit allgemeiner bauaufsicht­ licher Bauartgenehmigung oder eine euro­ Brettschichtholz

Verwendbarkeit

Brettsperrholz

Verfüg­ barkeit

Verwend­ barkeit

Verfüg­ barkeit

päisch-technische Bewertung erforderlich. Die nicht-normative Regelung von keil­ gezinktem Vollholz aus anderen Laub­ holzarten als Pappel wäre jedoch eine weitgehend theoretische Lösung, die sich kurz­fris­tig kaum umsetzen lässt. Technische Regeln und Kennzeichnung

Für Schnittholz und keilgezinktes Vollholz sind die im Folgenden aufgeführten tech­ nischen Regeln relevant. Im weiteren Text ist die jeweils gültige (datierte) Fassung angegeben. •  DIN 4074-5: Sortierung von Holz nach der Tragfähigkeit – Teil 5: Laubschnitt­ holz •  DIN 68 800-1: Holzschutz – Teil 1: Allgemeines •  DIN 68 800-2: Holzschutz – Teil 2: Vorbeugende bauliche Maßnahmen im Hochbau

Furnierschichtholz Verwendbarkeit

Baufurniersperrholz / OSB

Verfüg­ barkeit

Verwendbarkeit

Verfüg­ barkeit

Ahorn

EN 14 081-1 mit ZiE 2) / –

– / –

ZiE

ZiE

ZiE

EN 13 986 mit DIN 20 000-1

– / –

Birke

EN 14 081-1 mit ZiE 2) / –

x / –

ZiE

x

ZiE

x

ZiE

EN 13 986 mit DIN 20 000-1

x / –

Buche

EN 14 081-1 mit DIN 20 000-5

x / –

abZ / aBG Z-9.1-679

x

ZiE

aBG Z-9.1-838 ETA-14/0354 ETA-18/1018

x

EN 13 986 mit DIN 20 000-1 abZ Z-9.1-841

x / –

Edelkastanie

EN 14 081-1 mit ZiE 2) / –

x / –

ETA-13/0646

x

ZiE

ZiE

EN 13 986 mit DIN 20 000-1

– / –

Eiche

EN 14 081-1 mit DIN 20 000-5

x / –

abZ Z-9.1-821 ETA-13/0642

x

ZiE

ZiE

EN 13 986 mit DIN 20 000-1

– / –

Esche

EN 14 081-1 mit ZiE 2) / –

x / –

ZiE

(x)

ZiE

ZiE

EN 13 986 mit DIN 20 000 1

– / –

Eukalyptus

EN 14 081-1 mit ZiE 2) / –

– / –

ZiE

(x)

ZiE

ZiE

EN 13 986 mit DIN 20 000 1

– /

Pappel

EN 14 081-1 mit ZiE 2) / EN 15 497 mit DIN 20 000-7

x / –

EN 14 080 mit DIN 20 000-3

(x)

ZiE

ZiE

EN 13 986 mit DIN 20 000-1

x / x

1)

Grundsätzlich sind über eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE) alle Holzarten und die daraus hergestellten Produkte für bauliche Zwecke regelbar. Zur DIN EN 14 081-1 existieren verschiedene Fassungen. Für die bauaufsichtliche Verbindlichkeit ist eine Aufnahme im sogenannten Offiziellen Amtsblatt der EU (OJEU) erforderlich. Obwohl es zwischenzeitlich zwei Überarbeitungen der DIN EN 14 081-1 gibt, ist im OJEU weiterhin DIN EN 14 081-1:2011 zitiert und damit ver­ bindlich. Für die zugehörige Anwendungsnorm DIN 20 000-5, existieren verschiedene Fassungen. Da sich spätere Fassungen auf nicht im Amtsblatt der EU zitierte Fassungen der DIN EN 14 081-1 beziehen, ist für die Anwendung in Deutschland weiterhin DIN 20 000-5:2012 gültig.

2)

4

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44


Konstruieren mit Laubholz

80

Die wichtigsten Beweggründe für den Einsatz von Laubholz in der Tragkonstruk­ 60 tion sind: •  schlankere Querschnitte durch höhere Festigkeit 40 •  Material- und damit Kostenersparnis •  Aussehen, Oberfläche 20 •  Robustheit •  natürliche Dauerhaftigkeit 0

1

2

ergleich der Querschnittshöhen (bei gleicher V Breite) eines Fachwerksträgers mit gleicher ­Geometrie und Abmessungen und identischer ­Belastung a  Fachwerk BSH Fichte GL 24h b  Fachwerk FSH Buche GL 75 Vergleich der charakteristischen Zugfestigkeit und dem Mittelwert der Steifigkeit von Buchenschnittholz und Buchenfurnierschichtholz GL 75 Buchenschnittholz Buchenschnittholz Buchenfurnierschichtholz Buchenfurnierschichtholz 100

80

60

40

20

2

25 000

20 000

15 000

10 000

5000

25000

20000

15000

Steifigkeit [N/mm [N/mm22]] Steifigkeit

100 Beweggründe für den Einsatz von Laubholz

Die höhere Festigkeit von Produkten aus Laubholz führt zu schlankeren Quer­ schnitten. Das hat formale Vorteile, denn es erlaubt filigranere Konstruktionen (Abb. 1). Bei beschränkten Platzverhält­ nissen (Raum-, Unterzugs-, Sturzhöhen) sind größere Spannweiten möglich als mit Nadelholzprodukten, auch kann der Einsatz von Stahlträgern substituiert wer­ den. Infolge von kleineren Querschnitten bei Stützen ergeben sich größere Durch­ gangsbreiten und damit ein Raumgewinn. Neben der Materialersparnis sind weitere sekundäre Kosteneffekte die Folge, die helfen, die Verwendung von Laubholz zu rechtfertigen.

Steifigkeit [N/mm2]

Insbesondere die letzten beiden Punkte haben einen unmittelbaren Einfluss auf die Anwendung von Laubhölzern in der Tragkonstruktion. Erst die Abmessungen, in denen Holzwerkstoffe aus Laubholz heute verfügbar sind, ermöglichen eine nennenswerte Verwendung im Tragwerk. Die Herstellung verklebter Produkte folgt immer der Logik Verkleinern – Sortieren – Verkleben. Dadurch wird das Holz nicht modifiziert oder besser, sondern es wird „homogenisiert“. Das lässt sich beispiels­ weise am Vergleich von Buchenvollholz mit Furnierschichtholz aus Buche demons­ trieren. Die Homogenisierung wirkt sich positiv insbesondere auf die charakteristi­ schen, also die für die Bemessung erfor­ derlichen, Festigkeitseigenschaften aus, denn für deren Festlegung sind die fünf schlechtesten Proben einer Gesamtheit von 100 Proben (5 %-Quantil) maßge­ bend. Für Buchenschnittholz beträgt z. B. die charakteristische Zugfestigkeit ca. 20 N/mm2, für Furnierschichtholz

aus Buche 60 N/mm2. Bei der Steifig­ keit, für deren Festlegung der Mittelwert aller Proben maßgebend wird, bewegen sich die Werte für den E-Modul von ca. 15 000 N/mm2 für Buchenschnittholz bzw. ca. 17 000 N/m2 für Furnierschichtholz aus Buche in einer ähnlichen Größenord­ nung (Abb. 2). Vor allem bei plattenförmigen Werkstoffen werden durch das kreuzweise Anordnen der Lagen (Fasern) die von der Faserrich­ tung abhängigen Materialeigenschaften (Anisotropie) ausgeglichen, insbesondere die Zug- und Druckfestigkeit, aber auch das Quellen und Schwinden infolge Holz­ feuchteänderung. Die folgenden Ausführungen sind als Momentaufnahme zu verstehen. Es gibt hier eine rasante Entwicklung, und es kommen kontinuierlich neue Produkte auf den Markt. Trotz dieser erfreulichen Ten­ denz kann man, mit Ausnahme von Fur­ nierschichtholz aus Buche, bei den meis­ ten Laubhölzern von Nischenprodukten sprechen. Die Verfügbarkeit, insbeson­ dere größerer Mengen, die Lieferzeit und die Kosten sollte der Planer darum bei jeder Verwendung sorgfältig abklären. Das Gleiche gilt für die Vorgaben aus Normen bei der Bemessung und die Ein­ schränkungen bei der Verwendung von firmenspezifischen Produkten im Rahmen des öffentlichen Beschaffungswesens.

Zugfestigkeit [N/mm2]

Die meisten der in Europa heimischen und im Bauwesen eingesetzten Laub­ hölzer haben aufgrund ihrer höheren Roh­ dichte per se bessere Festigkeitseigen­ schaften und eine größere Steifigkeit als die heimischen Nadelhölzer. Fortschritte in der Sortier-, Verarbeitungs- und Ver­ klebungstechnologie führen fortwährend zu neuen Produktinnovationen in Form von verklebten Produkten. Erst dadurch wird eine signifikante Verwendung von Laubholz im Tragwerk ermöglicht. Pri­ märe Ziele bei der Herstellung sind dabei meis­tens: •  die bessere Ausnutzung des Rund­ holzes •  das Überwinden der natürlichen geo­ metrischen Grenzen, die sich bei einer Beschränkung der Verarbeitung zu Schnittholz (Vollholz) ergeben •  das Eliminieren der natürlichen Schwach­stellen

b

Zugfestigkeit [N/mm [N/mm22]] Zugfestigkeit

1 a

10000 5000

0

45


Biegung

Schub

Druck II

Zug II

E-Modul

200 (100 %)

200 (100 %)

200 (100 %)

200 (100%)

200 (100 %)

64 (32 %)

142 (71 %)

58 (29 %)

60 (30%)

137 (68%)

BSH Fichte GL24h

FSH Buche GL75 3

Steht die reine Material- und Kosten­ ersparnis im Vordergrund, sind bei der Konzeption der Tragkonstruktion gezielt die expliziten Stärken der Laubholzpro­ dukte auszunutzen, um den Material­ verbrauch gegenüber einer Lösung aus Nadelholz deutlich zu reduzieren. Zum heutigen Zeitpunkt sind die Mehrkosten von Laubholzprodukten gegenüber ver­ gleichbaren Produkten aus Nadelholz erheblich. Um die untenstehenden Über­ legungen und Vergleiche besser zu ver­ stehen, wird als sehr grober Anhaltspunkt folgender Preisvergleich herangezogen: •  Preis BSH Fichte GL24: 100 % pro Volumeneinheit •  Preis BSH Buche GL48: 500 % pro Volumeneinheit •  Preis FSH Buche GL75: 200 % pro Volumeneinheit Neben der Reduktion der Bauteilabmes­ sungen aus formalen, konstruktiven oder wirtschaftlichen Gründen kann auch die Oberfläche, d. h. deren Aussehen oder Struktur, den Ausschlag für die Wahl von Laubholzprodukten geben. Die Robustheit gegenüber mechanischen Beschädigungen oder Verschleiß ist hauptsächlich bei Stützen ein Kriterium, das für die Anwendung von Laubholz spricht. Die Resistenz von heimischen Laub­ hölzern gegen Pilzbefall (Fäulnis) ist in der Regel geringer als diejenige von Nadelholz. Daher ist der Einsatz daraus gefertigter Produkte oft auf die Nutzungs­ klassen 1 und 2 beschränkt. Eine Aus­ nahme bilden Eiche, Edelkastanie und Robinie. Letztere besitzt jedoch keine bauaufsichtliche Regelung. Statische Zusammenhänge

Bauprodukte aus Laubholz werden in Fes­ tigkeitsklassen eingeteilt, so z. B. Laub­ schnittholz in die Klassen D 22 bis D 70 (siehe „Schnittholz und keilgezink­tes Voll­ 46

holz“, S. 30ff.) und Nadelschnittholz in die Klassen C 14 bis C 45. Der Zahlenwert entspricht jeweils dem charakteristischen Wert der Biegefestigkeit. Ein Querschnitt C 24 hat somit die gleiche Biege­festigkeit wie ein gleich großer Querschnitt D 24. Ein Vergleich weiterer für die Bemessung von Tragwerken relevanter Materialeigen­ schaften zeigt jedoch bei gleicher Festig­ keitsklasse Unterschiede (Abb. 6). Diese sind bei einigen Parametern gering, bei anderen deutlich. Klare Vorteile zuguns­ ten von Laubholz liegen bei Querdruck und Querzug und bei der Rohdichte, während sich die Werte für den E-Modul und die Zugfestigkeit von Fichte sogar leicht über demjenigen von Laubholz der gleichen Festigkeitsklasse befindet. Glei­ ches gilt sinngemäß auch für die Festig­ keitsklassen von Brettschichtholz (siehe „Brettschichtholz und Hybrid-Brettschicht­ holz“, S. 33ff.). Je nach Anwendung werden die unter­ schiedlichen Parameter bedeutsam. So sind beispielsweise Querdruck, Querzug und die Rohdichte für die Bemessung von Stabquerschnitten (siehe „Stabförmige Produkte“, S. 48ff.) nicht von entscheiden­ der Bedeutung, spielen jedoch beim Ent­ wurf der Verbindungen eine wesentli­che Rolle (siehe „Verbindungen“, S. 52f.).

daran, dass Brettschichtholz der Klasse GL28h kaum verfügbar ist, denn beim Einschnitt aus dem Rundholz ist die Aus­ beute hinsichtlich der für die Herstellung benötigten Lamellen gering. Deshalb kommt GL28h sehr selten zum Einsatz. Bei der Schub- bzw. Querdruckfestigkeit sind die Werte für alle Festigkeitsklassen von Brettschichtholz identisch. Furnierschichtholz aus Buche hat bei den meisten Eigenschaften die höchsten Werte aller Laubholzprodukte. Alle anderen Ver­ gleiche werden sich damit irgendwo im Zwischenraum bewegen. Zudem ist Fur­ nierschichtholz aus Buche derzeit das Produkt mit der weitesten Verbreitung auf dem Markt. Die entscheidenden Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften von Furnier­ schichtholz aus Buche sind teilweise bedeutend höher als diejenigen von Fich­ ten-Brettschichtholz GL24 (Abb. 7). Das führt zu erheblichen Materialeinsparun­ gen (Abb. 3). Diese theoretischen Werte sind allerdings abhängig von der Eigen­ schaft zu relativieren, um für den Einsatz bzw. den Tragwerksentwurf die richtigen Schlüsse zu ziehen. Neben den nachfol­ genden generellen Überlegungen sei hier auf den Abschnitt „Laubholzprodukte in der Anwendung“ (S. 47ff.) verwiesen.

Leistungsfähigkeit von Bauprodukten aus Laubholz

E-Modul Die Steifigkeit eines Bauteils und damit seine Verformung ist vom E-Modul und dem Flächenträgheitsmoment I (I = (b ≈ h3)/12 für rechteckige Quer­ schnitte) abhängig. In die Berechnung von I geht die Bauteilhöhe also mit der dritten Potenz ein. Ist die Höhe des Bau­ teils nicht beschränkt, kann ein tieferer E-Modul mit wenig mehr Querschnitts­ fläche und damit Materialverbrauch kom­ pensiert werden (Abb. 4). Andererseits lässt sich die Breite aus konstruktiven Gründen (Kippen, Anschlüsse, Brand­ schutz) nicht beliebig verringern.

Werden im Folgenden die Leistungsfähig­ keit von Nadel- und Laubholz miteinander verglichen, erfolgt dies immer anhand von Brettschichtholz aus Fichte GL24h und Fur­ nierschichtholz aus Buche GL75 (Abb. 4, 5 und 7). Das hat mehrere Gründe: Wie bereits beschrieben, erweisen sich Laubholzanwendungen vor allem dann als sinnvoll, wenn Zug-, Druck-, Querdruck und Schubfestigkeit für die Bemessung entscheidend sind. Bei reinen Druckbzw. Zugbelastungen parallel zur Faser ist es üblicher, Brettschichtholz der Klasse GL24h zu verwenden. Das liegt


Konstruieren mit Laubholz

3

4 5 6

7

ergleich von Querschnitten gleicher Tragfähig­ V keit, bei denen jeweils unterschiedliche Beanspru­ chungen maßgebend werden; Annahmen: Nut­ zungsklasse NKL 1, Höhe Träger h = 300 mm, kmod = 0,8, γM = 1,3 Querschnitte gleicher Biegesteifigkeit. Ein gerin­ gerer E-Modul kann durch wenig Mehrhöhe kom­ pensiert werden. Querschnitte gleicher Biegefestigkeit. Die Kom­ pensation der geringeren Biegefestigkeit durch ­eine größere Höhe ist nicht realistisch. Vergleich der Festigkeits-, Steifigkeits- und Roh­ dichtekennwerte von Laubholz normiert auf den Nadelholz-Wert der zugeordneten C-Klasse. Nadelund Laubholz gleicher Festigkeitsklasse unter­ scheiden sich vor allem bei der Zug- und Druck­ festigkeit rechtwinklig zur Faser und der Rohdichte. Vergleich der charakteristischen Festigkeiten, der Rohdichte und des MIttelwerts des E-Moduls von BSH Fichte GL 24h und FSH Buche GL75

Fazit Bei Anwendungen, in denen die Steifig­ keit (Verformungen) der Bauteile eine besondere Rolle spielt (schlanke Biege­ träger, Platten auf Biegung usw.), ist das Potenzial für Materialeinsparun­gen durch den Einsatz von Laubholz vergleichs­ weise gering, insbesondere wenn die Bauteilhöhe nicht beschränkt ist. Biegefestigkeit Die Biegefestigkeit eines Bauteils ist von der Biegefestigkeit des Materials und dem Widerstandmoment W (W = (b x h2)/6 für rechteckige Querschnitte) abhängig. Da die Höhe nur im Quadrat in die Berech­ nung eingeht, gelten die Anmerkungen zum E-Modul in abgeschwächter Form auch hier. Allerdings ist die Biegefestig­ keit von Furnierschichtholz aus Buche etwa um den Faktor 3 höher als bei Fich­ ten-Brettschichtholz. Bei der Steifigkeit beträgt der Faktor nur ca. 1,5. Wie Abb. 5 zeigt, sind die möglichen Materialeinspa­ rungen nennenswert. Fazit Bei Anwendungen, bei denen die Biege­ festigkeit maßgebend wird, ist das Poten­ zial für Materialeinsparungen durch die Verwendung von Laubholz vorhanden. 2 Festigkeit [N/mm Festigkeit [N/mm ] 2]

3,0 3,0 3,0 3,0

BSH Fichte GL24h Buche GL75 BSH Fichte GL24h BSH Fichte GL24h BSHFSH Fichte GL24h FSH Buche GL75 FSH GL75 FSHBuche Buche GL75

4

200/400 137/400 137/455 (100%) 137/400 (69%) 137/455 78%) 200/400 137/400 137/455 200/400 137/400 137/455 200/400 (100%) (69%) 78 (100%) %) (69 %) 78%) (100 (69%) %)78 %)

Schubfestigkeit Für Rechteckquerschnitte ist die Material­ einsparung aus einer höheren Schubfes­ tigkeit umgekehrt proportional zum Mate­ rialverbrauch. Es gilt darum die in Abb. 3 dargestellte Beziehung. Fazit Bei Anwendungen, in denen die Schub­ fes­tigkeit maßgebend wird (hochbelastete Ein- und Mehrfeldträger), ist das Potenzial für Materialeinsparungen durch die Ver­ wendung von Laubholz erheblich. Druck- und Zugfestigkeit parallel zur Faser Für beliebige Querschnitte verhält sich die Materialeinsparung aus einer höhe­ ren Druck- bzw. Zugfestigkeit umge­ kehrt proportional zum Materialverbrauch. Auch hier gilt die in Abb. 3 gezeigte Beziehung. Die sehr große Material­ einsparung muss allerdings relativiert werden. Bei Druckstäben ist neben der Druckfestigkeit die Schlankheit zu berücksichtigen. Das proportionale Ver­ hältnis betrifft daher vor allem kurze, gedrungene Stäbe. Weiter sind bei Zugund Druckstäben die Brandanforderun­ gen (Heißbemessung am reduzierten Querschnitt) zu beachten. Zudem ist für Druck- und Zugstäbe oft nicht der Festig­

C = Nadelholz C = Nadelholz CC==Nadelholz Nadelholz

BSH Fichte GL24h Buche GL75 BSH Fichte GL24h BSH BSHFSH Fichte Fichte GL24h GL24h FSH Buche GL75 FSH FSHBuche Buche GL75 GL75

5

200/300 64/300 64/547 (100%) 64/300 (32%) 64/547 (58%) 200/300 64/300 64/547 200/300 64/300 64/547 200/300 (100%) (32%) (32%) (58%) (58%) (100%) (32%) (58%) (100 %)

keitsnachweis, sondern die Verbindung am Stabende für den erforderlichen Quer­ schnitt maß­gebend. Fazit Bei Druck- und Zugstäben ist das Poten­ zial für Materialeinsparungen enorm. Querdruck, Querzug, Rohdichte Querdruck, Querzug und Rohdichte sind vor allem für den Entwurf von Knotenver­ bindungen und die Wahl der Verbindungs­ mittel von Bedeutung (siehe „Verbindun­ gen“, S. 52f.). Fazit Die zwischen rund 30 % und 70 % höhere Rohdichte der Laubhölzer führt bei der Querdruckfestigkeit zu wesentlich höhe­ ren Werten als bei Nadelholz und ermög­ licht durch eine entsprechend höhere Lochleibungsfestigkeit die Einsparung von Verbindungsmitteln oder die Verwen­ dung neuartiger Produkte.

Laubholzprodukte in der Anwendung Grundsätzlich wird zwischen den An­­ wendungsarten Stab und Platte unter­ schieden.

D = Laubholz D = Laubholz DD==Laubholz Laubholz

2 Festigkeit Festigkeit [N/mm [N/mm2]]

BSH Fichte FSH Buche B S H GL F i c24h h te B a u B u cGL75 he G L 24h G L 75 i c h te BBuaucuchBheuec h e BBSSHHBFS Fi cH i chhF tete BBaauuB Biegung 75 G L 24h24 GGLL75 G L 75 24h 75 2 Biegung f m, k fm, k GGLL24h 24 75 2,0 22 2 Biegung Biegung Biegung f fm,m,k kf m, k 24 75 24 24 75 75 19,2 Zug Zug II f t, II 0, kft, 0, k 19,2 60 60 2,0 2,0 2,0 1,5 Zug ZugIIZug IIf ft, t,0,II0,kfkt, 0, k 19,2 19,219,2 60 60 60 1,4 Zug 90 f t, 90, k 0,5 0,6 0,5 0,6 Zug 90 f 1,5 1,5 1,5 1,5 t, 90, k Zug k 1,4 1,4 1,4 Zug Zug90 90f ft,90 t,90, 0,5 0,5 0,5 0,6 0,6 0,6 1 Druck II90,ffk t,kc,90, 0, k 1,5 1,5 1,5 24 59,4  1) 1 1 24 59,4 11 Druck k Druck Druck II IIfDruck fc,c,0,II0,kf kc,II0,fc, 0, k 0,95 0,93 24 24 24 59,4 59,459,41 Druck 90 c, 90, k 1,0 2,5 14,8 11 1 0,95 0,950,95 0,93 0,930,93 1 11 Druck 90 Schub 3,5 Druck Druck 90 90 c,c,90, 90,kc, kf90, k 1,0 1,0 1,0 2,5 2,5 2,5 14,8 14,814,8 4,5 Schub f v, k v, k 3,5 4,5 Schub Schub Schub f fv,E-Modul v,k k f v, k 3,5 3,5 3,5 4,5 4,5 4,5 16 800 0,5 11 500 II E 1680 0 11500 E-Modul II E o, mean 0, mean 0,5 0,5 0,5 1500 1680 1385 E-Modul E o, mean 1500 1680 1680 111500 0730 0 0 E-Modul E-Modul II IIEEo,o,IImean mean Rohdichte p k pk 385 730 Rohdichte 385 385385 730 730730 Rohdichte Rohdichte Rohdichte ppk k p k Werte für NKL 1 1)  Biegung Zug II Druck II Schub Zug Druck E-Modul Rohdichte Werte für NKL 1 Werte für 1Werte NKL Werte fürNKL NKL 1 1 in 2N/mm2, Rohdichte in3 kg/m3 Biegung Zug Druck Schub Zug Druck E-Modul E-Modul RohdichteWerte alle 6 7für Biegung Biegung ZugIIZug II II Druck Druck II II II Schub Schub Zug Zug Druck Druck E-Modul Rohdichte Rohdichte alle Werte in N/mm , Rohdichte in kg/m 2 3 22 3 alle Werte in N/mm , Rohdichte in 3kg/m alle alleWerte Werte ininN/mm N/mm , ,Rohdichte Rohdichte ininkg/m kg/m 2,5 2,5 2,5 2,5

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Projektbeispiele

56 Produktionsgebäude in Waldenburg (DE) Hermann Kaufmann + Partner, Schwarzach   62 Verwaltungsgebäude in Augsburg (DE) Lattke Architekten, Augsburg   68 Produktionsgebäude in Royal Leamington Spa (GB) Waugh Thistleton Architects, London; Vits∞, Leamington Spa; Martin Francis, London   72 Ferienheim in Büttenhardt (CH) bernath+widmer, Zürich   76 Verwaltungsbau in Risch-Rotkreuz (CH) Burkard Meyer Architekten, Baden   82 Museum in Aspen (US) Shigeru Ban Architects, New York   86 Forschungspavillon in Stuttgart (DE) Universität Stuttgart Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung: Achim Menges; Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen: Jan Knippers   90 Parkgarage und Skischule in Innerarosa (CH) Lutz & Buss, Zürich; masKarade, Montreuil-sous-Bois   96 Tribünenüberdachung in London (GB) Populous Architects, London 100 Bankzentrale in Stavanger (NO) Helen & Hard, Stavanger; SAAHA, Oslo

55


Produktionsgebäude in Waldenburg

Architektur: Hermann Kaufmann + Partner, Schwarzach (AT); Bauleitung: gapp – Groß ­Architekten, München (DE) Tragwerksplanung: Massivbau: BHM-Ingenieure Engineering & Consulting, ­Feldkirch (AT); Holzbau: SWG Engineering, ­Rülzheim (DE) Holzbau: Schlosser Holzbau, Jagstzell (DE)

Um die Produktionskapazitäten auszuA bauen, wollte die Firma SWG mit 230 Mitarbeitern ihren Standort erweitern. Entstanden ist ein innovativer Holzbau mit einer B Produktionshalle von 114 m Länge, knapp 97 m Breite und 12 m Höhe. Eine überC mit dem dachte Brücke verbindet diese neuen dreigeschossigen Verwaltungs- und Besucherpavillon. Die Produktionshalle gilt derzeit als weltweit größte Industriehalle aus Furnierschichtholz mit einem enormen, jedoch erstaunlich filigranen Dachtragwerk aus Buche­. Die Dachkonstruktion gliedert sich in fünf Schiffe von je 20 m Breite, die kamm­artig in der Höhe

verspringen und so einen großzügigen indirekten Tageslichteinfall erlauben. Das Tragwerk besteht aus 82 m langen Hauptfachwerkträgern aus Buchenfurnierschichtholz, die als Zweifeldträger Weiten von 40 bzw. 42 m überspannen und auf wenigen schlanken Stützen aus dem gleichen Material auflagern. In Querrichtung verlaufen Neben-Fachwerkträger, die sich auf die Hauptträger stützen. Die Knotenpunkte der Fachwerkträger sind als zimmermannsmäßige Verbindungen für das Material Laubholz optimiert. Träger, Stützen und Knotenpunkte müssen aufgrund der großen Spannweiten zum Teil enorme

Lasten von bis zu 3 MN aufnehmen. Die hohe Rohdichte des Materials erfordert vorgebohrte An­schlüsse. Durch die entsprechend präzise Vorplanung und die materialbedingte Passgenauigkeit lässt sich die benötigte Holzmenge auf ein Minimum reduzieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Holzbau­ten aus Nadelholz führt dies zu einer Materialeinsparung von 50 %. Laubholz als tragender Baustoff ermöglicht diese innovative Konstruktion, die durch wenige schlanke Stützen eine flexible Nutzung garantiert und neben ihren ökologischen Vorteilen zu einem positiven Firmenimage beiträgt.

a

4

4

4

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1 2 6

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7

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Produktionsgebäude in Waldenburg

A

A Haupt-Fachwerkträger Furnierschichtholz Buche Länge: 82,18 m Höhe: 3,80 m Spannweite: 41,94 und 40,24 m B Hauptstütze Furnierschichtholz Buche 2≈ 280/320 mm C Neben-Fachwerkträger Furnierschichtholz Buche Länge: 18,30 m Höhe: 1,90 m Spannweite: 18,30 m

Grundriss • Schnitte Maßstab 1:1000 B

1 2 3 4 5 6 7 8

aa C

Eingang Büro Mehrzweckraum Technik Produktion Werkstatt Sozialraum Lager

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„Das Projekt zeigt ganz klar die Vorteile von großen Spannweiten und von Laubholzverbindungen.“

Anne Niemann im Gespräch mit Christoph Dünser, Hermann Kaufmann + Partner 11.12.2019

Anne Niemann Hatten Sie bereits Erfahrung mit Buchen­ furnierschichtholz? Christoph Dünser Nur geringfügig. Wir wollten dieses Mate­ rial bei einem früheren Projekt bereits einsetzen. Doch damals war das Produkt noch absolut neu und die Firma hatte ­Lieferschwierigkeiten.

AN Was war der Grund dafür, bei diesem Projekt Laubholz zu verwenden?

CD Wir wollten demonstrieren, wel­ che Spannweiten mit Holz möglich sind, und haben von Anfang an mit Buchen­ furnierschichtholz geplant. Bisher gab es kein Projekt, welches das Material bis an seine Grenzen nutzt. Wichtig war uns, dass die gesamte tragende Konstruktion des Daches in Buchenfurnierschichtholz ausgeführt ist und nicht nur der am stärk­ sten belastete Bauteil. Das hat zu diesem relativ weit spannenden Tragwerk geführt. Gemeinsam mit dem Tragwerksplaner haben wir überlegt und geprüft: Wie weit können wir es treiben, bis zu welcher Gren­ ­ze können wir das Material ausreizen?

AN Welche Besonderheiten sind daraus entstanden, die nur mit Laubholz möglich waren? CD Es ist eine sehr ästhetische, schlanke Konstruktion entstanden, die den Proportionen von Stahl entspricht oder sogar geringer ist. Das ist nur in Buche möglich. Die hohen Druckkräfte, vor allem in den Stützen und Gurten, hätte man in Fichte nicht realisieren ­können. In der Knotenausbildung haben wir Treppenversätze verwendet, die vom Fersenversatz abgeleitet sind. Die zu übertragenden Kräfte sind riesig. Allerdings müssen diese Verbindungen formschlüssig sein, sonst kommt es zu einem Reißverschlussversagen, wenn nicht präzise gearbeitet ist. Die Abbund­ maschinen sind nicht ausgelegt auf das enorme Gewicht der großen Bauteile. Es war erforderlich, die schweren Bauteile von Hand zu wenden, und die von der Fichte gewohnte Präzision im Abbund konnte erst nach einem Software-Update erreicht werden.

AN Wie und mit welchen Argu­ menten konnten Sie den Bauherrn vom Einsatz des Materials überzeugen? CD Der Bauherr, ein Holzschrau­ benhersteller, wünschte sich ein Leucht­ turmprojekt aus Holz. Die Firma wollte demonstrieren, dass Buche auch in großen Dimensionen schraubbar ist. Es ist ein großer Vorteil, wenn der Schrau­ benhersteller mit seinem eigenen Inge­ nieurbüro an der Planung beteiligt ist. Denn der Prüfingenieur verlangte plötz­ lich eine längere Schraube, für die es noch keine Zulassung gab. Diese hat das Unternehmen dann kurzerhand auf den Markt gebracht. 60


Produktionsgebäude in Waldenburg

AN Braucht es besondere Kennt­ nisse oder Erfahrungen, um Laubholz richtig einsetzen zu können? Wie wichtig sind dabei Fachkenntnis und Unterstüt­ zung von Fachplanern und ausführenden Firmen? CD Vorteilhaft war, dass das Team in einem Partnering-Verfahren ausgewählt wurde, das heißt die Firmen waren bereits in der Planung dabei. So konnten manche Unwägbarkeiten gleich von Beginn an ausgeräumt werden. Der Zimmermann hatte bereits Erfahrung mit Buchenfurnier­ schichtholz gemacht, allerdings nicht in diesen Dimensionen. Wir alle haben in diesem Projekt viel dazugelernt. Wir hat­ ten beispielsweise die Befürchtung, dass glühende Sägespäne einen Brand ent­ fachen könnten. Die Sorge war unbegrün­ det, allerdings war die schwere Bearbeit­ barkeit von Buche zeitlich ein Problem. Der Abbund von Buche verläuft lang­ samer als der von Fichte. Das haben wir bei der Zeitplanung mit eingerechnet, aber eine gewisse Erfahrung mit dem Abbund von Buche sollte man haben, sonst wird es schwierig.

AN Haben sich Ihre Erwartungen an das Material im Laufe des Projekts bestätigt? CD Definitiv, ja. Die Konstruktion ist viel schlanker geworden, als wir am Anfang dachten, und die Verbindungen sind wesentlich präziser. Die Befürch­ tung, dass die Voranstriche problema­ tisch sind, hat sich nicht bestätigt, denn der temporäre Witterungsschutz hat her­ vorragend funktioniert. Das Projekt zeigt ganz klar die Vorteile von großen Spann­ weiten und von Laubholzverbindungen und ist hoffentlich Vorbild für noch grö­ ßere oder bessere Projekte.

AN Welche besonderen Herausfor­ derungen ergaben sich während Planung und Bauphase? CD Der Witterungsschutz bei solch großen Konstruktionen ist eine Herausfor­ derung. Die Teile bleiben sehr sensibel gegenüber Feuchtigkeit und diese großen weitgespannten Tragwerke verlangen von den Nachgewerken eine Geschwin­ digkeit, die fast nicht zu erreichen ist. Der Zimmerer legt die Konstruktionen so schnell aus, dass der Spengler kaum folgen kann. Mit dem Grundsatz, dass jeder Handwerker sein eigenes Gewerk vor Witterungseinflüssen zu schützen hat, sind Projekte in dieser Größenordnung nicht realisierbar. Erst durch eine enge Zusammenarbeit zwischen Spengler und Zimmermann konnten die Probleme des Witterungsschutzes während des Aufrich­ tens erfolgreich bewältigt werden.

AN In welche Richtung sollten sich Bauprodukte entwickeln? Was wünschen Sie sich von der Materialforschung? CD Buchenfurnierschichtholz, z.B. in Form der Marke BauBuche, ist ein rela­ tiv neues Produkt, für das es nur wenig Verbindungsmittel und Schrauben mit Genehmigung gibt. Es wird sich zeigen, ob andere in den Wettbewerb mit einstei­ gen und Produkte entwickeln. Es wird notwendig sein, Abbundmaschinen auf das höhere Gewicht von Buchenfurnier­ schichtholz auszulegen, damit die übliche Präzision gewährleistet werden kann – vor allem, wenn die Einzelteile so groß wer­ den wie in unserem Fall. Positiv ist, dass es für Buche schon Lohnabbund gibt. Dadurch werden schnell Erfahrungen generiert, die Grundlage für die Anfor­ derung an künftige Generationen von Abbundmaschinen sind. 61


Verwaltungsgebäude in Augsburg

Architektur: Lattke­Architekten, Augsburg (DE) Tragwerksplanung: bauart Konstruktions GmbH & Co. KG, ­München (DE) Holzbau: Gumpp & Maier, Binswangen (DE)

Der dreigeschossige Neubau dieses Bürogebäudes für einen Softwareent­ wickler im schwäbischen Augsburg liegt umgeben von Bäumen mitten in einem Park. Er ist als reiner Holzbau konzipiert und wird über ein zentrales Treppenhaus erschlossen. Die tragende Konstruktion in klassischer Holzskelettbauweise be­­ steht aus Buchenfurnierschichtholz, was äußerst schlanke Querschnitte ermöglicht: Über die Stützen mit Dimensionen von 20 ≈ 20 cm spannen sich die Hauptträger von 20 ≈ 40 cm. Die Stützweite beträgt auf der Nord- und der Südseite jeweils 5,10 m, mittig verläuft ein Flur von 2,40 m Breite. Hier gibt es eine abgehängte Decke, die sämtliche Gebäudetechnik für Lüftung, Heizung und Kühlung aufnimmt. In den seitlichen Flügeln dominieren sicht­ bare Balkendecken aus Buchenfurnier­ schichtholzträgern mit Querschnitten von 12 ≈ 32 cm im Abstand von 85 cm den Raum­eindruck. Darauf aufliegend versteift eine Holzplatte mit 40 mm Stärke aus dem gleichen Material die Konstruktion. Die große Stützweite erlaubt eine freie und äußerst flexible Raumaufteilung. Das Holz der Stützen und Träger wurde sichtbar belassen. Auch im Innenraum überwiegen die Materialien Glas und Holz und tragen zu einer hellen, freundlichen Atmosphäre bei. Im Süden dienen 2 m breite Balkone für Verschattung und sorgen somit durch Vermeidung direkter solarer Einstrahlung für den nötigen sommerlichen Wärme­ schutz. Die Fassade spielt mit einem Wechsel aus geschlossenen und geöff­ neten Berei­chen. Die Giebelwände und Brüs­tungen sind in Holzrahmenbauweise konzipiert, während im Norden und Süden eine Pfosten-Riegel-Konstruktion vor der Stützenebene eine großflächige Dreifach­ verglasung erlaubt. Eine senkrechte Holz­ schalung bekleidet das Gebäude und garantiert – je nach Öffnungsgrad – groß­ zügige Ein- und Ausblicke bzw. den nöti­ gen Sonnenschutz. 62

33

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2.OG 2.OG

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2.OG 2. Obergeschoss

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1. Obergeschoss aa a

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EG EG

1

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aa Erdgeschoss

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Verwaltungsgebäude in Augsburg

Grundrisse • Schnitte Maßstab 1:400 1 2 3 4 5

Eingang Büro Besprechung / Seminar Lounge Loggia

aaaaaa

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Verwaltungsbau in Risch-Rotkreuz

Vertikalschnitte Maßstab 1:20 Isometrie Stützenkopf: Fichtenholz (hell), Furnierschichtholz Buche (dunkel) Isometrie Elementbauweise und Montagesystem

1 Dachaufbau: extensive Begrünung Substrat 80 mm Drainagematte 20 mm Abdichtung zweilagig Wärmedämmung PUR 200 mm Wärmedämmung EPS im Gefälle 35 – 95 mm Dampfbremse Holz-Beton-Verbunddecke: Platte Stahlbeton 120 mm und Träger Brettschichtholz Fichte 160/300 mm Systemdecke Kühlung / Lüftung 300 mm   2 Sonnenschutz Textilrollo   3 Dreifachverglasung in Holz-Aluminium-Rahmen   4 Fassadenbekleidung Aluminiumverbundplatte 5 mm; Unterkonstruktion Aluminium Holzrahmenbauweise: Fassadenbahn Gipsfaserplatte 18 mm Gipsfaserplatte 15 mm Holzständer Konstruktionsvollholz Fichte 60/280 mm, dazwischen Wärmedämmung Mineralwolle; Dampfbremse Gipsfaserplatte 15 mm Gipsfaserplatte 18 mm Dreischichtplatte Fichte / Tanne 18 mm   5 Unterzug Fassadenebene Brettschichtholz Fichte 160/300 mm   6 Stütze Fassadenebene Brettschichtholz Fichte 340/340 mm   7 Bodenaufbau: Teppichboden; Hohlraumboden 150 mm Zementunterboden 60 mm Trittschalldämmung Mineralwolle 20 mm Trennlage Holz-Beton-Verbunddecke: Platte Stahlbeton 120 mm und Träger Brettschichtholz Fichte 160/300 mm Systemdecke Kühlung / Lüftung 300 mm   8 Unterzug Furnierschichtholz Buche 480/340 mm   9 Stütze Furnierschichtholz Buche 340/340 mm 10 Vergussmörtel und Zentrierdorn 11 Stahlplatte 20 mm

79


Forschungspavillon in Stuttgart

Architektur: Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung, ­Universität Stuttgart (DE): Achim Menges Tragwerksplanung: Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart (DE): Jan Knippers Realisierung: Studierende der beteiligten Institute

Dieser sehr leicht anmutende Pavillon demonstriert, was gelingen kann, wenn verschiedene Disziplinen vernetzt zusam­ menarbeiten. Das wissenschaftliche For­ schungsprojekt, das auf dem Unicampus mitten in der Stuttgarter Innenstadt reali­ siert wurde, basiert auf der Idee, eine Geo­ metrie zu finden, die die Potenziale des Materials optimal ausnutzt und zugleich höchste architektonische Gestaltungsan­ sprüche erfüllt. Entstanden ist eine fili­ grane, komplexe Tragstruktur aus dünnen Holzbändern, die sich eine besondere Eigenschaft von Sperrholz zunutze macht: Elastizität durch Eigenspannung des Ma­­ terials. Der Pavillon besteht aus 80 Birken­ holzstreifen von nur 6,5 mm Dicke, die durch einfache Steckverbindungen und Schrauben zusammengefügt wurden. Durch das Biegen der 10 m langen Strei­ fen wird die sich selbststabilisierende Konstruktion unter Eigenspannung ge­­ setzt. Dadurch fügen sich die eigentlich weichen Sperrholzstreifen zu einem stei­ fen Tragwerk. Die Geometrie des Pavillons ergibt sich aus 40 Paaren von 80 Seg­ mentbögen, die so nebeneinander ange­ ordnet sind, dass sich zug- und biege­ beanspruchte Teile gegenseitig in Form halten. Durch die Vernetzung computer­ basierter Entwurfs-, Simulations- und Pro­ duktionsprozesse ließ sich das exakte Biege- und Tragverhalten der einzelnen Holzstreifen simulieren und bemessen.

D

C

B

A

86


Forschungspavillon in Stuttgart

Computerbasiertes Informationsmodell A Kieskasten und Zugband B Spanten C Streifenpaare Teil 2 D Streifenpaare Teil 1

87



Autoren

Konrad Merz

Anne Niemann

Stefan Torno

Dipl.-Ing.

Dipl.-Ing. Architektin

Dipl.-Forstwirt

1984  Diplom als Bauingenieur, FH Nordwestschweiz (CH) 1995  Diplom Wirtschaftsingenieur 1984 –1986  Projektleiter bei einem Brettschichtholzhersteller 1986 –1990  Assistent am Lehrstuhl für Holzkonstruktionen, ETH Lausanne (CH) 1990 –1993  Senior Structural Engineer, MacMillan Bloedel Research, Vancouver (CA) seit 1994  Geschäftsführer bei merz kley partner, Dornbirn (AT) / Altenrhein (CH) seit 2015  Lehrgangsleitung an der Kunstuniversität Linz (AT)

1996 – 2002  Studium der Architektur an der Technischen Universität München (DE) und der ETSA Madrid (ES) 2001  Forschungsaufenthalt am Jacob Blaustein Institutes for Desert Research (IL) 2003 – 2009  Partnerin bei Niemann ­Ingrisch Architekten, München 2006  Deutsche Akademie Villa ­Massimo, Rom: Stipendium in der Casa Baldi, Olevano Romano (IT) 2008 – 2011, 2014  Korrekturassistentin am Lehrstuhl Entwerfen und Holzbau, Technische Universität München (DE) 2009 – 2013  Partnerin bei m8architekten, München (DE) 2014 – 2019  Wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Professur für Entwerfen und Holzbau, Prof. Hermann Kaufmann, Technische Universität München (DE) seit 2017  Wissenschaftliche Mitarbei­ terin am Lehrstuhl für Entwerfen und Konstruieren, Prof. Florian Nagler, ­Technische Universität München (DE) 2018  Lehrauftrag an der Hochschule Augsburg (DE) im Studiengang “Energieeffizientes Planen und Bauen“

1997– 2003  Studium der Forstwissenschaften an der Technischen Universität Dresden (DE) 2004 – 2006  Vorbereitungsdienst für den höheren Forstdienst in Bayern 2007– 2015  Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Holzforschung München, Technische Universität München (DE) mit Tätigkeit in Forschung und Lehre seit 2015  Mitarbeiter bei der Cluster-­ Initiative Forst und Holz in Bayern gGmbH, München (DE): Leitung der Geschäftsbereiche „Laubholz“ und ­„Bioökonomie“

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Bildnachweis

Allen, die durch Überlassung ihrer Bildvor­ lagen, durch Erteilung von Reproduktions­ erlaubnis und durch Auskünfte am Zustandekommen des Buches mitge­holfen haben, sagen die Autoren und der Verlag aufrichtigen Dank. Sämtliche Zeichnungen in diesem Werk sind eigens angefertigt, im Projektbeispielteil auf Basis der Architektenpläne. Nicht nach­gewiesene Fotos stammen aus dem Archiv der Architekten oder aus dem Archiv der Zeitschrift Detail. Trotz Bemühen konnten wir einige Urheber der Fotos und Abbildungen nicht ermitteln, die Urheberrechte sind aber gewahrt. Wir bitten in diesem Fall um Nachricht. Titel

Stütze aus Buchen-Brettschichtholz; Erwei­ terungsbau der Bayerischen Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft, Freising Foto: Ralf Rosin Rubrikeinführende Fotos

Seite 4: Laubengang aus Eichen-Brettschichtholz mit Eichenschalung; Landwirtschaftliches Zentrum, Salez (CH) 2018, ­Andy Senn Architektur, Tragwerksplanung: merz kley partner Foto: Seraina Wirz Seite 6: Tragwerk im Inneren, Holzkirche St. Josef, Holzkirchen (DE) 2018, Eberhard Wimmer Architekten, Tragwerksplanung: Sailer Stepan & Partner Foto: Andreas Gabriel Seite 24: Schnittholzproduktion in einem Laubholzsägewerk Foto: Tobias Kromke / Pollmeier Massivholz Seite 44: Strebenfachwerk aus Buchen-­ Furnierschichtholz, Produktionshalle Elobau, Probstzella (DE) 2016, F64 Architekten, Tragwerksplanung: merz kley partner Foto: peters-fotodesign.com Seite 54: Dachtragwerk des Aspen Art ­Museum (US), Shigeru Ban Architects, New York, Tragwerksplanung: KL&A, ­Golden, Création Holz Hermann Blumer und SJB Kempter Fitze, Herisau Foto: Michael Moran Seite 104: Firmenzentrale Euregon AG, ­Augsburg (DE), 2017, Lattke Architekten, Tragwerksplaner: bauart Konstruktions GmbH & Co. KG Foto: Eckhart Matthäus

108

Vorwort

Seite 4  Seraina Wirz Gestern – Heute – Morgen

Seite 6  Andreas Gabriel   1 Zorzi, A. (1981). Venedig. München, Amber-Verlag   2 Dcoetzee, Wikimedia Commons, Public Domain, URL: https://en.wikipedia.org/ wiki/The_Woodcutter_and_the_Trees   3 Bedal, K. und Back, M.: Unter Dach und Fach. Bad Windsheim, Verl. Fränkisches Freilandmuseum 2002   4 nach: Niemz, Peter; Sonderegger, ­Walter: Holzphysik. Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe. München 2017.   5 TU Berlin Architekturmuseum   6 BuzzWikimedia, Wikimedia Commons, PD-old, URL: https://de.wikipedia.org/ wiki/Vierungsturm_von_Notre-Dame_ de_Paris#/ media/Datei:Charpente.fleche. Notre.Dame.Paris.2.png   7 construction images /Alamy Stock Foto   8 Thonet GmbH, C. Meyer   9 Ralf Rosin 10 nach: Thünen-Institut für Internationale Waldwirtschaft und Forstökonomie, Thünen-Einschlagsrückrechnung 11 robertharding  /Alamy Stock Foto 12 JøMa, Wikimedia Commons, lizenziert unter Creative Commons AttributionShare Alike 4.0 International, URL: ­https://de.wikipedia.org/wiki/Stab­ kirche_Urnes#/media/ 13 Bauhaus-Archiv Berlin / © VG Bild-Kunst, Bonn 2017 , Foto: Carl Rogge 14 a Sailer Stepan & Partner GmbH 14 b sblumer ZT GmbH Graz 15 Peter Bennets 16 Khaloian Sarnaghi A., Rais A., Kovryga A., Gard W. F., van de Kuilen J. W. G. (2020) Yield optimization and surface image-based strength prediction of beech. European Journal of Wood and Wood Products. https://doi.org/10.1007/s00107-02001571-4 17 nach: Krackler, Verena; Niemz, Peter: Schwierigkeiten und Chancen in der Laubholzverarbeitung; Teil 1: Bestandssituation, Eigenschaften und Verarbeitung von Laubholz am Beispiel der Schweiz. In: Holztechnologie 52, 2/2011

18 a 18 b 19 20 21 22 23 24

bauen + wohnen 12/1985 bauen + wohnen 12/1985 Pollmeier Massivholz GmbH & Co. KG Richard Davies Roman Keller Nelson Kon Judith Stichtenoth Bild zu 2001: Richard Davies Bild zu 2002: Richard Learoyd Bild zu 2008: AHEC Bild zu 2009: Produktionshalle Bodegas Vega Sicilia; VIGAM – Brettschichtholz aus Eiche – Elaborados y Fabricados Gámiz; Holzbau ausgeführt von TRC Estructuras de madera Bild zu 2010: Roland Bernath Bild zu 2011: Christian Schittich Bild zu 2012: Roman Keller Bild zu 2013: Blumer-Lehmann AG Bild zu 2014: Laura Egger Bild zu 2015: Jost&Bayer Bild zu 2016: www.peters-fotodesign. com Bild zu 2017: Michael Moran Bild zu 2018: Südostschweiz /  Theo Gstöhl Bild zu 2019: Sindre Ellingsen Bild zu 2020: Visualisierung Hermann Kaufmann + Partner

Forstwirtschaftlicher Hintergrund

1

Ralf Rosin

Hochleistungswerkstoffe mit Potenzial für die Zukunft

1  2  3  4  5  6

eigene Darstellung von Markus Lechner ensteph Thompson – HESS TIMBER, R Kleinheubach Simon Aicher / MPA Stuttgart: „European hardwoods for the building sector“, Seite 77, Abbildung 46 SWG Schraubenwerk Gaisbach GmbH, Waldenburg Blumer-Lehmann AG Didier Boy de la Tour

Holzarten Seite 24  Tobias Kromke / Pollmeier

­Massivholz Seite 26 – 29  Ralf Rosin (alle Abb.) Bauprodukte aus Laubholz

1   2

Stefan Torno Stefan Torno


3 – 6 eigene Darstellung   7 Ralf Rosin   8 Ralf Rosin   9 eigene Darstellung 10 a Ralf Rosin 10 b Ralf Rosin 11 Ralf Rosin 12 eigene Darstellung 13 SWISS KRONO 14 –16 eigene Darstellung 17 Koch und Schulte GmbH & Co.KG 18 Siegfried Mäser 19 eigene Darstellung 20 a Ralf Rosin 20 b Ralf Rosin 21 Roland Bernath Konstruieren mit Laubholz

Seite 4 4:  Michael Christian Peters; peters-fotodesign.com 1– 8 eigene Darstellung   9 RADON photography / Norman Radon 10 Ralf Rosin 11 eigene Darstellung 12 a HILDEBRAND (bis 2018 blue ­architects) & Ruprecht Architekten 12 b ETH Zürich, Institut für Baustatik und Konstruktion 13 Hermann Kaufmann + Partner 15 Christian Grass 16 a – d merz kley partner 17 Hüsser Holzleimbau 18 Hüsser Holzleimbau 19, 20 eigene Darstellung 21 Dav Stewart 22 Holzbau Amann 23 Hüsser Holzleimbau 24 SWG Schraubenwerk Gaisbach GmbH, Waldenburg 25 x-fix.at Projektbeispiele

Seite 54 Michael Moran Seite 57 – 59: Roland Wehinger Seite 60: SWG Schraubenwerk ­Gaisbach GmbH, Foto: ­Domik Rau Seite 61 oben, unten:  SWG Schraubenwerk Gaisbach GmbH – ­Geschäftsbereich Produktion Seite 61 Mitte: Hermann Kaufmann ­Architekten Seite 63 – 67 oben:  Eckhart Matthäus Seite 67 unten: Frank Lattke

Seite 68 – 71: Dirk Lindner Seite 72 – 75: Roland Bernath Seite 77: Roger Frei Seite 78 oben, Mitte:  ERNE AG Holzbau, CH – Laufenburg, Foto: ­Andreas Koger Seite 78 unten: Markus Bertschi Seite 79 oben rechts:  ERNE AG Holzbau, CH – Laufenburg, Foto: Roger Frei Seite 79 unten: Roger Frei Seite 81 links: HESS TIMBER, Markus ­Golinski Seite 81 Mitte: Markus Bertschi Seite 81 rechts: ERNE AG Holzbau, CH – Laufenburg, Foto: Roger Frei Seite 82 – 84 oben:  Michael Moran Seite 84 B: Gregory Kingsley Seite 85: Michael Moran Seite 86: Axel Menges Seite 87: Andrea Lautenschlager Seite 88 oben links:  Simon Schleicher Seite 88 oben rechts:  Roland Halbe Seite 88 unten: Axel Menges Seite 89 links: Christopher Robeller Seite 89 Mitte: Carola Dierichs Seite 89 rechts: Axel Menges Seite 90 – 93: LutzBuss Architekten, Foto: Daniele Portamone Seite 94: LutzBuss Architekten Seite 95: neue holzbau AG Seite 96 – 97: AHEC, Foto: Jon Cardwell Seite 98 oben: Arup Seite 98 unten links:  LEICHT Structural engineering and specialist consulting GmbH Seite 98 unten rechts  AHEC, Foto: Jon Cardwell Seite 99 oben links:  HESS TIMBER Seite 99 oben rechts, unten:  AHEC, Foto: Jon Cardwell Seite 100 –102: Sindre Ellingsen Seite 103 oben: Helen & Hard Architects Seite 103 Mitte: Moelven Limtre AS Seite 103 unten: Sindre Ellingsen

Dank Die Autoren möchten den nachfolgenden Personen herzlich danken für ihre Beiträge im Buch, wertvolle Hinweise und die ­gewissenhaften Korrekturarbeiten: Prof. Hermann Kaufmann, TUM Markus Lechner, TUM Dr.-Ing. Tobias Wiegand, Studiengemeinschaft Holzleimbau Prof. Dr. Stefan Winter, TUM Prof. Stefan Krötsch, HTWG Konstanz Prof. Kurt Schwaner

Anhang

Seite 104

Eckhart Matthäus

109


Sachregister

A

Abbundtechnik 22f. Acetylierung 22 Ahorn 26 allgemeine Bauartengenehmigung   (aBG) 25, 31ff. allgemeine bauaufsichtliche  Regelung 23 allgemeine bauaufsichtliche   Zulassung (abZ) 25, 31ff. Amerikanische Laubhölzer 14f., 96ff. Anwendungsnormen /-hinweise 31f., 39f. Artenreichtum 18f. Astwerk 12 Auswaschungen 41

Druckfestigkeit 47, 60, 90 Druckstäbe 50 Dübel 52 E

Edelkastanie 13, 27 Eiche 7ff., 28 Elastizitätsmodul 20, 46 Emissionen 20, 43 Esche 13, 28, 90ff. Eukalyptus 15, 29 europäisch-technische Bewertung   (ETA) 25, 31ff. Extremwetterphänomene 13, 16f.

Bahnschwellen 10 Baufurniersperrholz 31 Bauindustrie 19 Bauordnungen der Bundesländer 23 Bauphysikalische Kennwerte 41 Bauprodukte aus Laubholz 23, 30ff. Bauteilabmessungen 46 Bemessung 52 Biegefestigkeit 47 Biegeträger 49 Birke 26, 82ff., 86ff. Bohlenständerbau 72ff. Brennstoff 9f. Brettschichtholz (BSH) 7, 12f., 16f., 20, 23, 31ff., 46ff. Brettschichtholz-Träger 34 Brettsperrholz (BSP) 7, 15ff., 20, 31ff. Buche 9f., 27, 35f. Bundeswaldinventur 16f. C

chemische Holzmodifikation

22

D

Dächer 8 Dachtragwerke 8f. Dauerhaftigkeit 22, 41f., 45 Dimensionsstabilität 22 Dimethyloldihydroyethylenurea  DMDHEU 22 110

I

Imprägnierung 22  Druckimprägnierung 10 Intrallam LSL   (Laminated Strand Lumber) 14, 51 K

Fachwerk 8, 11, 45, 50f. Festigkeitseigenschaften 20, 45, 80 Festigkeitsklassen 30ff., 46 Feuchte 22 Forstwirtschaft 18f. Fügungstechniken 21f. Furfurylierung 22 Furnierschichtholz (FSH) 13, 16f., 20, 31ff., 35, 46ff.

Kanthölzer 30 keilgezinktes Vollholz 30ff. Keilzinkung 30 Kennzeichnung 31, 35ff., 39 Klebstoffe 21, 33, 37 Klimawandel 14, 18 Knoten(punkt) 12, 22, 50, 59 Kompositträger 20 Konstruktion, Tragwerk 11, 45ff. Kunstharze 22 Kuppeln 8

G

L

Gebrauchsklasssen 42 Geschichte 7ff., 18

Lamellen 34 Laubholz als Baustoff 7 Laubholzprodukte 12ff., 20, 23, 32, 35, 47ff. Lebensdauer 8

F B

Holzvergaser 10 Holzwerkstoffe aus Laubholz 11, 37ff. Holzwirtschaft 19 Hybrid-Brettschichtholz 33ff. Hybridträger 48ff. Hydrophobierung 43

H

Hochleistungswerkstoffe 20ff. Holz-Beton-Hybridbau 76ff. Holz-Beton-Verbunddecke 21, 76ff. Holz-Holz-Verbindungen 52 Holzarten 25ff. Holzasche 9 Holzbauprodukte 12ff., 20, 23, 32, 35, 39, 47ff. holzbewehrtes Holz 20f. Holzenergie 10 Holzfeuchte 40f. Holzforschung 19 Holzindustrie 14, 19 Holzkirche 11f. Holzskelettbauweise 62ff., 76ff., 100ff. Holzschutz 22, 39ff.

M

Maßtoleranzklassen 30ff. Materialeigenschaften 46 Mischwald 18f. moderner Holzbau 11, 23 Muster-Verwaltungsvorschrift Technische   Baubestimmung (MVVTB) 31 N

Nägel 52 Nutzungsklassen 40f., 42, 46ff. O

OSB

31, 38f., 41, 51


P

T

Pappel 29, 33 Pendelstütze 50 Pfähle 7f. Pfosten-Riegel-Fassade 49f., 62ff. Phenolharze 21 Platten 51f. Plattenförmige Produkte 50ff. Produkteigenschaften 30, 33, 35, 37, 39

Technische Regeln 35 Träger 34f., 48  Hybridträger 48ff. Tragverhalten 21 Tragwerk, Konstruktion 11, 45ff., 60 Tulpenholz 14ff., 50

Q

Querschnittsabmessungen 30f. R

Raumluftqualität 20, 43 Resistenz 46 Rodung 18f. Rohdichte 21, 26ff., 34ff., 45 Rohholz 10f., 19 Rohstoffverfügbarkeit 23 Rundholz 30 S

Schnittholz 30ff., 45ff. Schrauben 52 Schubfestigkeit 47 Schwind- und Quellverhalten 22 selbstlöschende Funktion 20 Sortierklasse 32 Sortiernorm 30 Spannweite 60 Spanstreifenholz   (Laminated Strand Lumber) 14, 51 Sperrholz 31, 38f., 51, 82ff., 86ff. Stab 48f. Stabdübel 52 stabförmige Produkte 48ff. Stabschichtholz 48 Stabwerke 50 Städte 7 Stammformen 12 Stammholzanteil 12f. Steifigkeit 20, 34ff., 47, 80 stumpfer Stoß 53 Stützen 50   - Pendelstütze 50

V

Venedig 7 Verarbeitung 11, 22f. Verbindungen 21f., 52ff., 66   - zimmermannsmäßige Verbindungen 53 Verbindungsmittel 21f., 53 Verfügbarkeit 30f. Versatz 53 Verwendbarkeit 30f. Vitruv 7 Vollholz 30, 45, 48 W

Waldumbau 18f. Wetter 13 Wiederverwendung 9 Witterungsschutz 22, 39ff., 41, 61 Z

Zugfestigkeit 47, 90 Zugstäbe 50

111


Heute ist Fichte das Bauholz Nummer eins – obgleich noch bis ins 18. Jahrhundert im konstruktiven Bereich vorwiegend Laubholz eingesetzt wurde. Die Folgen des Klimawandels führen jedoch aktuell wieder zu einem Umdenken in der Forst- und Waldwirtschaft, weg von den bisher üblichen Monokulturen hin zu Mischwäldern mit resistenteren Baumarten. Der Anteil an Laubholzarten in europäischen Wäldern wird in Zukunft voraussichtlich stark wachsen. Zudem verlangt der weltweit boomende Holzbau nach neuen Produkten. Die rasante Entwicklung des modernen Holzbaus bis über die Hochhausgrenze hinaus benötigt Hochleistungswerkstoffe, um weiterhin allen Aufgaben gerecht zu werden. Dazu können Laubholzwerkstoffe beitragen. Durch neue Produktionsmethoden und Verarbeitungsprozesse entstehen wirtschaftlich konkurrenzfähige Produkte, die dem Bauen mit Holz völlig neue Möglichkeiten eröffnen. Praxis „Bauen mit Laubholz“ liefert das nötige Fachwissen zum Einsatz von Laubholz in der Tragkonstruktion und zeigt gelungene Architekturbeispiele aus der Praxis für die Praxis.

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