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Ingenieurholzbau

Weit gespannte Tragwerke und materielle Besonderheiten

Weit gespannte Tragwerke aus Holz sind hochkomplexe und vielschichtige Ingenieurbauwerke und sollen hier in ihren wichtigsten Aspekten dargestellt werden. Unter Ingenieurholzbau versteht man den materialgerechten Entwurf, die werkstoffgerechte konstruktive Durchbildung und die Fertigung von Tragsystemen auf der Grundlage computergestützter Verfahren bezogen auf Baustatik, Verbindungstechniken, Fertigungsverfahren zur Holzbearbeitung und Verarbeitung zu Holzbauprodukten und -bauteilen.

Hölzernes Dachtragwerk am sogenannten Expo-Dach der Messe Hannover (Baujahr: 2000, Architektur: Herzog & Partner)

Bild: E. Mitin, Berlin

Hölzernes Tragwerk beim Centre Pompidou in Metz (Shigeru Ban und Jean de Gastines, 2010)

Bild: Baunetz (us), Berlin

Die Tragwerksbemessung von Ingenieurholzbauten erfolgt nach DIN EN 1995: Eurocode 5 – Bemessung und Konstruktion von Holzbauten. Aufgrund der rasant wachsenden Möglichkeiten der numerischen Steuerung von Holzbe- und Verarbeitungsmaschinen können immer mehr traditionell handwerklich orientierte Verbindungstechniken maschinell hergestellt werden. Konstruktive Vielfalt und Leichtigkeit zeichnen die effizienten Strukturen im Ingenieurholzbau aus.

Einsatzgebiete und Definition weit gespannter Tragwerke

Weit gespannte Tragwerke kommen dann zum Einsatz, wenn die Stützenfreiheit des Tragwerks im Vordergrund steht. Das ist z.B. bei Sport- und Gewerbehallen, öffentlichen Bauten, Einkaufsmärkten und Lagerhallen sowie bei weit gespannten Aufstockungen von Bestandsbauwerken der Fall. Auch Brückentragwerke gehören dazu. Ab welcher Spannweite jedoch ein Dachtragwerk oder eine Brücke weit spannen, ist im Holzbau nicht eindeutig definiert. Hier wird zur Definition die Raumnutzung im Hochbau herangezogen. Für Nutzungseinheiten von Räumen für Wohn-, Schul- und Bürogebäude sowie Kindergärten sind stützenfreie Spannweiten von maximal ca. 7,50 Meter notwendig. Tragwerke mit stützenfreien Spannweiten ab 7,50 Meter sollen hier im Weiteren als weit gespannte Tragwerke bezeichnet werden.

Beachten der Besonderheiten von Holz

Die materiellen Besonderheiten von Holz und Holzwerkstoffen – Inhomogenität, Anisotropie und Hygroskopie – sind beim Konstruieren von Holztragwerken im Allgemeinen und von weit gespannten Holztragwerken im Besonderen zu beachten. Das Konstruieren von Holztragwerken ist deshalb eine Ingenieursaufgabe. In dieser Konsequenz erfordert es auch immer eine konstruktive Disziplin des architektonischen Entwurfs. „Gute Holzarchitektur folgt den gestalterischen Regeln, die das Material vorgibt”, stellt Architekt Hermann Kaufmann in einem Interview 2018 fest (zitiert aus der Zeitschrift Der Bausachverständige). In diesem Sinne sind Beanspruchungen in klar strukturierten Tragwerken grundsätzlich auf direktem Wege in den Baugrund abzuleiten.

Die wichtigste Forderung lautet: Wände und Stützen stehen übereinander. Dies ist notwendig, weil die mechanischen Eigenschaften Querzugfestigkeit, Querdruckfestigkeit, Scherfestigkeit und Biegesteifigkeit des Holzes im Vergleich zu Längszug- und Längsdruckfestigkeit sowie Biegefestigkeit gering sind. Auch hohe Belastungen, ungünstig im Tragwerk platziert, verbieten sich, da sie zu hohen Kriechverformungen von Holz führen und damit langfristig zu unbrauchbaren Tragwerken.

Vielfältige Tragsysteme unter Beachtung der Materialeigenschaften

Leichte, weitgespannte Tragwerke aus Holz können mit vielfältigen Tragsystemen realisiert werden und sind bei konsequenter Beachtung der Materialeigenschaften des nachwachsenden Rohstoffes Holz Konstruktionen von hoher Lebensdauer. Kriechen, Inhomogenität, Anisotropie, Hygroskopie und die Steifigkeit von Holz sind in Entwurf und Konstruktion von Holzbauwerken zu berücksichtigen. Das gelingt unter anderem durch die digitalisierte Holzbearbeitung und Holzverarbeitung.

Unterschiedliche Bauteileigenschaften wie Oberflächenqualität, Formstabilität, Festigkeit, Steifigkeit oder Dauerhaftigkeit sind einsatzorientiert variierbar. Der direkte Lastabtrag ist genauso wichtig wie das materialgerechte Konstruieren der Lasteinleitung und Lastweiterleitung in Tragwerksknoten sowie der bauliche Holzschutz. Wird beim Tragwerksentwurf außerdem auf normalkraftbeanspruchte Querschnitte in aufgelösten Bauteilen geachtet, entstehen robuste, klima- und ressourcenschonende Tragstrukturen.

Seit der Jahrtausendwende gibt es zahlreiche Holzbauwerke, die architektonisch und konstruktiv konsequent auf den Werkstoff Holz abgestimmt sind und zu einer Renaissance der Holzbauweise geführt haben. Der verstärkte Einsatz von Holz im Bauwesen kann einen wertvollen Beitrag zur Bewältigung der Klimakrise leisten: zum einen durch die Kohlenstoffspeicherung in Holzbauprodukten, zum anderen durch den Einsatz des nachwachsenden Rohstoffes anstelle energieintensiv hergestellter Bauprodukte aus Stahl und Stahlbeton.

Autoren: Jürgen Graf, Reiner Klopfer