Abbildung: Visualisierung der Halle

SWR-Beitrag

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Projektbeschreibung

Für die zur Verfügung stehende ca. 8.200 qm große Fläche der TUK im Diemersteiner Tal, vis-a-vis der Villa Denis, wurde aktuell ein Bebauungsplan erstellt. Dieser weist zwei Baufelder mit einer Gesamtfläche von ca. 3.700 qm aus.

In den Baufeldern sollen nach und nach innovative Holzbauten entstehen, angewandte Holzbauforschung und Versuchsbauten mit unterschiedlichen Nutzungen. Die Projekte werden mit Beteiligung von Studierenden und Talbewohnern *innen, unter der Leitung des Forschungsbereiches t-lab entstehen.

Abbildung: Lageplan im Diemersteiner Tal

Der Holzbaucampus soll Aktivitäten der TU Kaiserslautern ins Diemersteiner Tal verlegen, den Ort beleben und Stück für Stück aufwerten. Workshops und internationale Summer Schools sind in Planung.

t-lab Werkstattgebäude

Abbildung: Modell der Werk- und Forschungshalle

Abbildungen: Visualisierungen Innenraum der Werk- und Forschungshalle

Abbildung: Grundriss der Werk- und Forschungshalle

Den Auftakt des neuen Holzbaucampus soll ein Werkstattgebäude bilden, das als Ausgangspunkt für weitere Projekte dienen soll. Das rund 400 qm große Gebäude bietet im Innenraum eine flexibel bespielbare Fläche, die für Workshops, Seminare und Veranstaltungen genutzt werden kann oder aber für den Bau sowie die Montage von Mock-ups und Demonstratoren im Rahmen laufender Forschungsprojekte.

Der neue Baukörper ist längs im Tal situiert und steht somit den existierenden Kaltluftströmen nicht im Weg. Der Eingang liegt der Villa Denis und dem bestehenden Parkplatz zugewandt. Mit dem ausgebildeten Vordach soll er von hier startenden Wanderern und Wanderinnen als Treffpunkt und Witterungsschutz dienen.

Für die Primärkonstruktion, die Fassade sowie den Ausbau wird Holz zum Einsatz kommen. Planung und Realisierung sollen mit Studierenden der TU Kaiserslautern als sogenanntes Design-Build-Projekt durchgeführt werden.

Der Entwurf für das Werkstattgebäude wurde mit Studierenden entwickelt. Die Anforderung, Teile des Gebäudes im Selbstbau zu realisieren, hat bei den Überlegungen hinsichtlich Bauteilabmessungen und Fügungen eine Rolle gespielt.

Tragwerk

Abbildung: Visualisierung der Tragstruktur

Abbildung: Visualisierung einer Achse

Aufgrund der Spannweite von 12,5 m bietet sich der Einsatz von stabförmigem Furnierschichtholz aus Buche für das Tragwerk an. Für die Verbindungen sollen Entwicklungen aus abgeschlossenen und laufenden Forschungsprojekten sowie Promotionen des t-labs Berücksichtigung finden.

Das Haupttragsystem besteht aus nebeneinander liegenden 12,50 m weit spannenden Rahmen aus Buchenfurnierschichtholz, die in einem Abstand von 2,50 m angeordnet sind. Statisch handelt es sich um Dreigelenkrahmen – mit Gelenken an den Fußpunkten und im First. Die biegesteifen Traufknoten sind stabförmig aufgelöst, sodass eine effiziente Struktur aus Zug- und Druckstäben entsteht. Entsprechend ihrer Belastung werden die Stäbe mit zwei verschiedenen Querschnitten ausgeführt. Die innenliegenden schlanken Stäbe sind rein auf Druck belastet und knickgefährdet. Die Querschnitte betragen 160 x 200 mm. Die außen liegenden Stäbe, die auf Zug und Biegung belastet werden, werden mit einer Höhe von 300 mm und einer Breite von 160 mm ausgebildet.

Abbildung: statisches System - aufgelöster Dreigelenkrahmen

Eine ungleichmäßige Verteilung der Lasten wirkt sich besonders ungünstig auf den statisch bestimmten Dreigelenkrahmen aus. Ein besonderes Augenmerk im Bemessungsprozess liegt deshalb auf der Bestimmung von Laststellungen, die möglichst einseitig auf den Rahmen wirken. Diese ergeben sich durch Wind- und Schneelasten sowie möglicherweise aus zusätzlichen Belastungen aus einer Solaranlage.

Abbildung: einseitige Lastanordnung als kritischer Belastungsfall des Rahmens

Die farbliche Darstellung der Normalkräfte zeigt den Kraftverlauf im Rahmen. Druckbeanspruchungen sind hier blau dargestellt, Zugbeanspruchungen in rot und orange. Die Verteilung der Zug- und Druckkräfte in den Querschnitten bleibt auch unter abhebenden Windkräften bestehen. Trotz der Leichtigkeit der Holzkonstruktion ist das Eigengewicht des Gebäudes hoch genug, um einen ungünstig wirkenden Windsog zu „überdrücken“. Somit bleiben zusätzliche bauliche Maßnahmen zur Aufnahme von Windsog erspart und die Knotenpunkte müssen nur für eine Kraftrichtung konstruiert werden.

Abbildung: Normalkräfte für den dargestellten Lastfall

Größere Durchbiegungen können im System lediglich am Dachträger auftreten. Hier wirken erhebliche Kräfte aus Wind, Schnee und Eigengewicht rechtwinklig zur Stabachse und führen somit potentiell zu einem Durchhängen des Trägers. Die Verteilung der Kräfte im System führt dazu, dass die unter Zug stehenden äußeren Balken in einem gewissen Umfang wieder gerade gezogen werden. So ist es möglich auch mit sehr schlanken Biegeträgern eine große Spannweite zu überbrücken.

Abbildung: verformtes System (überhöhte Darstellung)

Neuartige Ringknoten aus Kunstharzpressholz

Für das Hallentragwerk der Holzhalle Diemerstein wurden neuartige organisch geformte Ringknoten aus Kunstharzpressholz entwickelt. Diese leiten sich von der natürlichen Formgestalt von Astgabeln (Zwieseln) ab. Zwiesel sind von Natur aus so proportioniert, dass Kräfte durch große Rundungsradien stetig umgelenkt werden. Im Gegensatz zur unstetigen Kraftumlenkung (Kerbe) entstehen dadurch keine Spannungssingularitäten mit Spannungsspitzen. Somit steigt bei gleichem Materialeinsatz die Leistungsfähigkeit. Mit einer organisch geformten und am Kraftfluss orientierten Knotengeometrie lassen sich statisch effiziente und zugleich architektonisch filigrane Bauteilanschlüssen realisieren.

Abbildung: Spannungsanalyse in einer Baumgabelung (Quelle Dissertation Röver)

Die Ringknoten des Hallentragwerkes werden aus Kunstharzpressholz (KP) mit einer mittleren Dichte von 1350 kg/m³ gefertigt. Es handelt sich hierbei um einen Hochleistungsholzwerkstoff auf Basis technisch verdichteter Buchenfurniere. Diese werden zunächst mit Kunstharz imprägniert und anschließend unter hohem Druck und hoher Temperatur dauerhaft mit einander verbunden. Mit der Verdichtung steigt der Anteil der Holzfasern pro Volumeneinheit. Infolgedessen steigen die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Steifigkeit deutlich an. Für die Ringknoten wird auf KP mit kreuzweiser Orientierung der einzelnen Furnierlagen zurückgegriffen. Dadurch entstehen Holzwerkstoffplatten mit orthotropen, also gleichen Materialeigenschaften in X- und Y-Richtung. Da die Stärke der KP-Platten beim Verdichten auf ca. 70 mm begrenzt ist, wird die für die Ringknoten notwendige Stärke von 160 mm durch Verkleben von Teilplatten erreicht. Aus diesen werden die Bauteilknoten mittels CNC-5-Achsfräsen herausgefräst. 

Die Ringknoten sind so gestaltet, dass eine Verschraubung der BauBuchenstäbe über das Ringinnere mittels Muttern und Unterlegscheiben erfolgen kann. Dazu werden zunächst Gewindestäbe in die Stirnholzstöße der Baubuchenstäbe eingeführt und in Rechteckbolzen mit den BauBuchenquerschnitten verankert. Danach werden die BauBuchenstäbe mittels der Gewindestäbe nacheinander an die entsprechenden Knoten angeschlossen. Die für die Verbindung notwendige Schraubenvorspannung wird mittels eines Drehmomentschlüssels aufgebracht.

Die insgesamt 4 verschiedenen Bauteilknoten der Hallenkonstruktion wurden parametrisiert, also mit Hilfe eigens entwickelter Computerprogramme entworfen. Dabei wurden geometrische Anforderungen für die Bauteilmontage ebenso berücksichtigt, wie architektonische und mechanische Aspekte.     

Abbildung: Skript zur parametrischen Entwicklung der Knoten (Quelle Dissertation Röver)

Die mittels des Gestaltungswerkzeugs der Parametrisierung entwickelten Ringknoten wurden im Weiteren mittels FE-Simulationen und unter Beachtung des orthotropen Materialaufbaus und der am jeweiligen Knoten maßgebenden Kraftsituation nummerisch validiert. Hierbei wurden Spannungsspitzen lokalisiert, die über die zur Verfügung stehenden Scriptparameter in einem iterativen Prozess kontinuierlich abgebaut wurden. Hierdurch wurde die Knotengeometrie kontinuierlich statisch optimiert.

Abbildung: Spannungsanalyse am Beispiel des Traufknotens

Kontakt KP-BauBuche

Im Wand- und Dachbereich müssen gemäß der Hallenstatik Querkräfte in das Rahmentragwerk abgetragen werden. Hierzu wurden verschiedene Möglichkeiten der Querkrafteinleitung entwickelt und hinsichtlich ihres Einsatzes ausführlich diskutiert. Die baupraktische Handhabung wurde im Vorfeld des Abbunds der Hallenbauteile anhand von Modellen im Maßstab 1/1 überprüft.

Abbildung: Modellstudien zum Materialstoß KP-BauBuche

Abbildung: Detail Fußpunkt

Abbildung: Detail Traufknoten und innerer Knoten, 2D

Abbildung: Detail Traufknoten und innerer Knoten, 3D

Abbildung: Detail Firstknoten

Abbildung: Mockup und Detail Trauf- und Forstknoten

Abbildungen: Mockup-Reihe Traufknoten

Abbildung: Fertiger Modellknoten aus Kunstharzpressholz

Mechanische Untersuchungen

Die aus den Simulationen gewonnen Erkenntnisse werden aktuell anhand mechanischer Bauteilprüfungen validiert. Dazu wird zunächst an ausgewählten Varianten des Querkraftanschlusses das Tragpotential bestimmt. Hierzu werden Bauteilprüfungen im Maßstab 1/1 durchgeführt. Die Prüfkörper werden dabei mit einer kontinuierlich steigenden Kraft solange belastet, bis es zum Versagen auf Abscheren der Verbindung kommt. Auf Grundlage der Versuchsdaten werden dann charakteristische Materialkennwerte ermittelt, die für die statische Nachweiseführung angesetzt werden können.

Neben den Scherversuchen werden weiterhin Zugversuche durchgeführt, um das Festigkeitspotential der Verankerung der Schraubverbindung innerhalb der BauBuchenstäbe zu bestimmen.

Im letzten Schritt werden Bauteilprüfungen am maßgebenden Traufknoten durchgeführt. Hier werden die Ringgeometrie, der Querkraftanschluss zwischen KP und BauBuche, als auch die Verankerung der Zugstäbe in Kombination geprüft Um die Kräfte entsprechend der Orientierung der Raum-, First- und Wandstäbe aufteilen zu können wurde eine entsprechende Stahlkonstruktion angefertigt.

Abbildung: Vorrichtung zur Prüfung der Tragfähigkeit im Maßstab 1/1

Brandfall

Die im Entwurfskonzept der Halle zugrundeliegende zirkuläre Bauweise erfordert eine unmittelbare Zugänglichkeit der zum Einsatz kommenden Verbindungsmittel. Dies hat zur Folge, dass im Brandfall Schraubenköpfe und Bolzen direkt der thermischen Belastung ausgesetzt sind. Brandsimulationen zeigen, dass ohne schützende Maßnahmen bereits nach wenigen Minuten eine kritische Stahltemperatur von ca. 500° C im Bereich des Ringknotens erreicht werden würde.

Abbildung: Thermische Simulation des Bauteilanschlusses

Um die Anforderungen an die Feuerwiderstandsklasse R30 zu erfüllen, werden die metallischen Verbindungsmittel durch intumeszierende Brandschutzmittel geschützt. Es handelt sich hierbei um Anstrichsysteme, die im Brandfall um ein Mehrfaches ihrer Schichtstärke aufschäumen und dadurch die Metalloberflächen vor thermischer Einwirkung schützen. Zur Erteilung der Zustimmung im Einzelfall wird die Schutzwirkung intumeszierender Anstriche durch verschiedene Brandversuche nachgewiesen.

Abbildung: Schutzwirkung intumeszierender Anstriche