Ingenieurholzbau: Weit gespannte Tragwerke

Spannweiten 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.

Gallerie

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

Autoren: Jürgen Graf, Reiner Klopfer

Fachwissen zum Thema

Bogenbrücke bei Lohmar Höngesberg / Kreuznaaf: Das Haupttragwerk – die beiden Bögen – besteht aus blockverleimten Brettschichtholz (BSH)-Balken (Fichte), die seitlich mit Lärchenholz verkleidet sind. Auch die beiden Vorlandbrücken sind aus blockverleimten Fichten-BSH gefertigt. Den statische Verbund zur oberseitigen Ortbetonplatte gewährleisten in das Holz eingeklebte Verbindungsmittel. Um das Bauwerk vor Witterungseinflüssen zu schützen, sind die Bögen oberseitig mit Titanzinkblechen abgedeckt und seitlich verkleidet. Exponierte Bauteile wie zum Beispiel die Hänger und das Geländer sind aus Stahl hergestellt. Der Handlauf besteht aus Accoya-BS-Holz.

Bogenbrücke bei Lohmar Höngesberg / Kreuznaaf: Das Haupttragwerk – die beiden Bögen – besteht aus blockverleimten Brettschichtholz (BSH)-Balken (Fichte), die seitlich mit Lärchenholz verkleidet sind. Auch die beiden Vorlandbrücken sind aus blockverleimten Fichten-BSH gefertigt. Den statische Verbund zur oberseitigen Ortbetonplatte gewährleisten in das Holz eingeklebte Verbindungsmittel. Um das Bauwerk vor Witterungseinflüssen zu schützen, sind die Bögen oberseitig mit Titanzinkblechen abgedeckt und seitlich verkleidet. Exponierte Bauteile wie zum Beispiel die Hänger und das Geländer sind aus Stahl hergestellt. Der Handlauf besteht aus Accoya-BS-Holz.

Konstruktionselemente

Bogentragwerke

Über Stützlinien und elegante Parabelformen, gewölbte Dachkonstruktionen und Brückenbauwerke sowie das Knickverhalten von Druckstäben.

Aus der Jungsteinzeit bis in die Bronzezeit sind Überreste von Pfahlbauten erhalten, die eine frühe Holzbaukultur der Bodenseeregion und der Ostschweiz dokumentieren (im Bild: Unteruhldingen am Bodensee).

Aus der Jungsteinzeit bis in die Bronzezeit sind Überreste von Pfahlbauten erhalten, die eine frühe Holzbaukultur der Bodenseeregion und der Ostschweiz dokumentieren (im Bild: Unteruhldingen am Bodensee).

Einführung

Geschichte des Holzbaus

Nicht nur die Form der Bauteile hat sich gewandelt über die Jahrtausende, auch die Art der Fügung und Kombination mit anderen Materialien ist vielfältig.

Die Multihalle in Mannheim, 1974 von Carlfried Mutschler und Frei Otto als Lattengitterschale mit einer Spannweite von 85 Metern errichtet (Aufnahme aus dem Jahr 1975)

Die Multihalle in Mannheim, 1974 von Carlfried Mutschler und Frei Otto als Lattengitterschale mit einer Spannweite von 85 Metern errichtet (Aufnahme aus dem Jahr 1975)

Konstruktionselemente

Gitterschalen

Sie formen das Bauwerk und zeichnen sich durch einen geringen Materialverbrauch aus, denn sie verkörpern den Kräfteverlauf. Die realisierten Beispiele beeindrucken.

In der Praxis sind Holzkonstruktionen heute meistens Mischkonstruktionen verschiedener Bauweisen oder Hybride mit anderen Materialien wie Stahl oder Beton (im Bild: Baugruppenhaus B26 in Berlin-Mitte von Kaden Klingbeil Architekten).

In der Praxis sind Holzkonstruktionen heute meistens Mischkonstruktionen verschiedener Bauweisen oder Hybride mit anderen Materialien wie Stahl oder Beton (im Bild: Baugruppenhaus B26 in Berlin-Mitte von Kaden Klingbeil Architekten).

Holzbausysteme

Holzbaukonstruktion heute

Kombiniert werden nicht nur unterschiedliche Konstruktionsweisen, sondern auch Materialien. Die Vorfertigung spielt eine große Rolle.

Holz ist hygroskopisch, es nimmt Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft auf; Schwinden und Quellen der Holzbauprodukte sind die Folgen (im Bild: Dachdeckung aus Holzschindeln an historischem Kirchenbau).

Holz ist hygroskopisch, es nimmt Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft auf; Schwinden und Quellen der Holzbauprodukte sind die Folgen (im Bild: Dachdeckung aus Holzschindeln an historischem Kirchenbau).

Grundlagen

Nutzungsklassen, Gebrauchsklassen, Dauerhaftigkeit

Was ist mit Gleichgewichtsfeuchte gemeint, nach welchen Kriterien werden Holzbauprodukte in Nutzungsklassen eingeordnet, und welcher Zusammenhang besteht zwischen Holzfeuchtigkeit und Pilzbefall?

Dachträger aus Brettschichtholz kommen im Hallenbau häufig zum Einsatz.

Dachträger aus Brettschichtholz kommen im Hallenbau häufig zum Einsatz.

Konstruktionselemente

Träger: Teil 1

Wie bei Tragwerken aus Beton oder Stahl bilden Träger im Holzbau sehr unterschiedliche Geometrien aus. Geradlinige BSH-Träger können mit Spannweiten bis 60 Meter hergestellt werden.

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Geschichte des Holzbaus

Aus der Jungsteinzeit bis in die Bronzezeit sind Überreste von Pfahlbauten erhalten, die eine frühe Holzbaukultur der Bodenseeregion und der Ostschweiz dokumentieren (im Bild: Unteruhldingen am Bodensee).

Aus der Jungsteinzeit bis in die Bronzezeit sind Überreste von Pfahlbauten erhalten, die eine frühe Holzbaukultur der Bodenseeregion und der Ostschweiz dokumentieren (im Bild: Unteruhldingen am Bodensee).

Nicht nur die Form der Bauteile hat sich gewandelt über die Jahrtausende, auch die Art der Fügung und Kombination mit anderen Materialien ist vielfältig.

Das Wesen des Holzbaus

Holz ist anisotrop, das heißt seine Eigenschaften unterscheiden sich stark in Abhängigkeit von der Faserrichtung.

Holz ist anisotrop, das heißt seine Eigenschaften unterscheiden sich stark in Abhängigkeit von der Faserrichtung.

Holz birgt enormes ökologisches Potenzial. Das Baumaterial ist den Menschen seit Jahrtausenden vertraut. Es ist leicht zu verarbeiten und lässt sich gut vorfertigen.

Bauen mit Holz in der Stadt

Holzkonstruktionen erlauben eine weitgehende Vorfertigung großer Bauteile, die dann auf der Baustelle in kürzester Zeit montiert werden können (im Bild: Holzhaus Lynarstr., geplant von Schäferwenningerprojekt, Berlin).

Holzkonstruktionen erlauben eine weitgehende Vorfertigung großer Bauteile, die dann auf der Baustelle in kürzester Zeit montiert werden können (im Bild: Holzhaus Lynarstr., geplant von Schäferwenningerprojekt, Berlin).

Die Leistungsfähigkeit des nachwachsenden Baumaterials und die Möglichkeiten der Vorfertigung machen es prädestiniert für neuen Wohnraum und urbane Verdichtung.

Ingenieurholzbau: Weit gespannte Tragwerke

Tragwerk der Multihalle in Mannheim (Carlfried Mutschler und Frei Otto, 1974): Lattengitterschale mit einer Spannweite von 85 Metern

Tragwerk der Multihalle in Mannheim (Carlfried Mutschler und Frei Otto, 1974): Lattengitterschale mit einer Spannweite von 85 Metern

Immer mehr traditionell handwerkliche Verbindungstechniken können maschinell hergestellt werden. Vielfalt, Leichtigkeit sowie Recyclingfähigkeit zeichnen den Ingenieurholzbau aus.

Trends und Entwicklungen im Holzbau

Insbesondere in Innenstädten kommt Holzbau verstärkt zum Einsatz.

Insbesondere in Innenstädten kommt Holzbau verstärkt zum Einsatz.

Das geringe Gewicht bei hoher Tragfähigkeit, Möglichkeiten der Vorfertigung und nicht zuletzt ökologische Qualitäten führen zur Renaissance von Holz als Baumaterial.

Ingenieurholzbau

Erfahren Sie mehr über die technischen und gestalterischen Möglichkeiten sowie die Vielfalt des modernen Hightech-Holzbaus.

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