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.

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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. Ressourceneffiziente, architektonische und konstruktive Vielfalt und Leichtigkeit sowie Recyclingfähigkeit zeichnen den 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.

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).

Beanspruchung des Tragwerks und Kriechverformung
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.

„Unter Kriechen versteht man die Zunahme der Verformung mit wachsender Belastungsdauer eines durch eine konstante Kraft belasteten Prüfkörpers” ^[1]. Der plastische Anteil der Kriechverformung bleibt auch bei völliger Entlastung eines Bauteils bestehen. Kriechen ist belastungs-, struktur- und holzfeuchteabhängig und wird vor allem durch die ständigen Einwirkungen ausgelöst. Holz unter Längszug kriecht am geringsten, Torsionsbeanspruchungen (Schub) führen zu den größten Kriechverformungen. Längsdruck führt zu deutlich stärkerem Kriechen als Längszug. Da 50% der Kriechverformung bei reiner Biegung in der Zugzone liegt, ist bei den üblicherweise verwendeten Rechteckquerschnitten das Biegekriechen etwas günstiger als Kriechen unter reinem Längsdruck. Kriechen senkrecht zur Faserrichtung ist mit einem Faktor von etwa 6 deutlich höher ausgeprägt als Kriechen in Faserrichtung.

Nach Niemz ^[1] steigt der Kriechfaktor für Vollholz bei Erhöhung der Holzfeuchtigkeit und bei Wechselklima im Vergleich zum Konstantklima. Gegenüber dem Referenzwert der Nutzungsklasse 1 nach DIN EN 1995-1-1: Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten – Teil1-1: Allgemeines – Allgemeine Regeln und Regeln für den Hochbau (20° C / 65% relative Luftfeuchtigkeit) steigt bei Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit auf 80% bei Konstantklima der Kriechfaktor etwa um den Faktor 1,4 und bei freier Bewitterung und natürlichem Wechselklima etwa um den Faktor 2,8. Das Kriechen von Holz wirkt sich auf die Steifigkeit, den E-Modul, aus und ist demzufolge bei Durchbiegungsnachweisen zu berücksichtigen. Hohe Kriechbelastungen, eine lange Lasteinwirkungsdauer und hohe Feuchtigkeit bzw. Feuchtewechsel können zum Bauteilbruch infolge Kriechens führen.

^{Verformungen eines Holzbalkens unter Torsionsbelastung; Abb: Baunetz (si), Berlin}

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. Neben dem CO₂-Akkumulator Wald werden mehr denn je Holzbauwerke heute und zukünftig durch die Kohlenstoffspeicherung in Holzbauprodukten und die stoffliche Substitution gegenüber energieintensiv hergestellten Bauprodukten aus Stahl und Stahlbeton zur Bewältigung der anthropogen erzeugten Klimakrise einen wertvollen und entscheidenden Beitrag leisten.

^{Quellenangaben: [1] Niemz, P.; Sonderegger, W., 2017: Holzphysik – Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag}

Fachwissen zum Thema

Surftipps

• www.informationsdienst-holz.de > Publikation Baustoffe für den konstruktiven Holzbau