fatuk | Fachbereich Architektur Technische Universität Kaiserslautern
t-lab | Holzarchitektur und Holzwerkstoffe

Forschung

Standardisierte Buchenholz-Hybridträger großer Spannweite - Steigerungspotential von Produktspeicher

und stofflicher Substitution durch Buchenholzprodukte niedriger Holzqualität

 

 

Förderkennzeichen 22008717

Projektleitung:            

Technische Universität Kaiserslautern Fachbereich Architektur,

-     Fachgebiet Tragwerk und Material, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Graf

 

Vorhabenbeteiligte:    

Technische Universität Kaiserslautern:

-     Fachgebiet Tragwerk und Material – Prof. Dr.-Ing. Jürgen Graf (Koordinator)

-     Fachgebiet Baukonstruktion I und Entwerfen – Prof. Dipl.-Ing. Stephan Birk
(bis 31.03.2021, ab 01.04.2021 Lehrstuhl für Architecture and Timber Construction TU München)

Sachbearbeiter*innen:        

-     Dipl.-Ing. Wenchang Shi

-     Dipl.-Ing. Reiner Klopfer

-     Dipl.-Ing. Eva-Maria Ciesla

Zeichnungen:

-     Dipl.-Ing. Svenja Behr

Industrie: (Material und Unteraufträge)

-       Abalon Hardwood Hessen GmbH, Harthbergring 37, 34613 Schwalmstadt

-       Schaffitzel Holzindustrie GmbH + Co. KG, Herdweg 23-24, 74523 Schwäbisch Hall

-       Deutsche Holzveredelung Schmeing GmbH & Co. KG, Würdinghauser Str. 53, 57399 Kirchhundem

-       Pollmeier Massivholz GmbH & Co. KG, Pferdsdorfer Weg 6, 99831 Creuzburg

 

Ergebnisse


Im Hallenbau besteht großer Bedarf an elementierten und standardisierten Dachträgern mit hohem Serienproduktionspotential. Standardlängen von Sport-, Werk- Industrie- und Gewerbehallen sind ideal zur Entwicklung eines statisch ausgereiften I-profilierten Dachträgers aus effizient eingesetzten Holzwerkstoffen. Neben der nachhaltigen Wirkung des Einsatzes von Holz als CO2-Produktspeicher sowie zur Substitution CO2-intensiver hergestellter Materialien bietet die Standardisierung die Möglichkeit, einen wirtschaftlichen Fokus auf die Rückbaubarkeit und Wiederverwendung der Dachträger zu legen. Ressourceneffizienz ist das Ziel. Außerdem ist aufgrund der Elementierung und Standardisierung durch Optimierungsprozesse auch die Freiheit gegeben, neue Holzwerkstoffe einzusetzen und umfänglich zu untersuchen. Buche niedriger Qualität aus dem Stamminneren, bisher niederschwellig als Restholz für Lagerhölzer oder zur thermischen Verwendung eingesetzt, bietet sich, stofflich verwendet und als BSH verarbeitet, zur Steigerung von Laubholz im Bauwesen an. Speziell für die Holzmerkmale des Buchenholzes aus dem Stamminneren wurden Festigkeits- und Steifigkeitskennwerte in diesem Forschungsvorhaben ermittelt und Empfehlungen für die Holzsortierung erarbeitet. Astigkeit, Markröhre und umliegendes juveniles Holz mit seiner ausgeprägten Schrägfaserigkeit sowie Faulstellen und der Spritzkern mit multiplen Rissbildungen sind entscheidende Sortierkriterien. Im Ergebnis experimenteller Untersuchungen I-profilierten Trägern im Maßstab 1:2 und an Brettware von Bu nQ hat sich überraschend gezeigt, dass BSH aus Bu nQ der Festigkeitsklasse GL 40c* in Anlehnung an AbZ  Z-9.1-679 [1] entspricht und im Steg I-profilierter Träger in Kombination mit BauBuche-Gurten eingesetzt werden kann (Tabelle  I‑1, Seite 1). Die Steifigkeit wurde mit 11600 N/mm² festgestellt, die Querdruckfestigkeit mit 7,6 N/mm².

Die Ausbeute von Brettern der Buche niedriger Qualität für die Herstellung von Endlosbrettern liegt bei ca. 40% bis maximal 50%. Keilzinkenverbindung mit dem Vorzugsprofil I15, einem Pressdruck von 10 N/mm² und einer Pressdauer von 4 sec. haben sich sowohl in der Verklebung mit einem MUF als auch mit einem PRF als tragfähig herausgestellt.

Normgerechte Delaminationsprüfungen für Fichtenholz haben bei der Untersuchung von Trägerabschnitten aus Bu nQ ergeben, dass der PRF-Klebstoff dauerhafter als der MUF-Klebstoff ist. Berücksichtigt man das große Schwind- und Quellverhalten des Buchenholzes im Vergleich zum Fichtenholz, zeigt sich unter einer realistischen Auffeuchtung und Trocknung des Holzes für die Nutzungsklassen 1 und 2, dass durchaus auch ein MUF für die Lagenverklebung einsetzbar ist.

Für Einfeldträger, wie sie bei den meisten Hallendachtragwerken vorliegen, wird die Bemessung der I-profilierten Träger mit dem γ-Verfahren nach DIN EN 1995-1-1 nachgewiesen. Für Durchlaufträger bietet sich eine nummerische Berechnung auf Grundlage eines Stabwerkmodells an. Nachgiebigkeiten von reversiblen Verbindungsmitteln sind durch Verschiebungsmodule zu berücksichtigen, außerdem sind Tragfähigkeiten zu ermitteln. Dazu wurden in diesem Forschungsprojekt im Vorfeld der Bemessung experimentelle Versuche an Scheibendübeln und Konusdübeln aus Kunstharzpressholz (KP) durchgeführt und ausgewertet (Abbildung  II‑1).

 

Abbildung  II‑1: Reversible Einzelbauteile eines I-profilierten Trägers mit Anschluss an Stützen (Abbildung 2). Reversibilität gewährleistet durch standardisierte Verbinder – KP-Scheibendübel und KP-Konusdübel

Umfangreiche Bauteilversuche im Querschnittsmaßstab 1:2 haben eindrücklich die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Bu nQ im Steg von I-profilierten Trägern bestätigt. Auch wurde die Einstufung der Bu nQ, verarbeitet als Brettschichtholz aus stehenden oder liegenden Lamellen, in die Festigkeitsklasse GL 40c* bestätigt.

Aus wirtschaftlichen Gründen und zur Erhöhung der Steifigkeit der I-profilierten Träger ist die Elementierung als Gesamtträger möglich, da durch die Verwendung von verklebten Holzwerkstoffen eine Sortenreinheit im Sinne der Abfallwirtschaft (Altholz) vorliegt. Das Bauelement „I-profilierter Träger“ wird als standardisiertes Bauteil als Ganzes hergestellt und lediglich die Anschlüsse an angrenzende Bauteile (Decken, Stützen und Wände) werden zum einfachen Rückbau und zur Wiederverwendung des Trägers reversibel ausgebildet. Daher ist es sinnvoll, die I-profilierten Träger aus BauBuche-Gurten Bu nQ im Steg in einem Fertigungsprozess direkt durch Verklebung herzustellen. Es hat sich gezeigt, dass Nuten in den Gurten zur Fixierung des Steges bei der Verklebung vorteilhaft sind. 

Zusammenfassend konnten im Rahmen des Forschungsvorhabens die Potentiale für das Entwerfen und Konstruieren mit I-Trägern aus Buchenholz aufgezeigt werden. Die offenen Profilquerschnitte aus Buchenholz besitzen ein hohes ästhetisches Potential für die sichtbare Anwendung bei weitgespannten Decken- bzw. Hallentragwerken. Richtig eingesetzt wirken sie architektonisch hochwertig und elegant, aufgrund der schlanken Ansichtskanten und dem vorteilhaften Schattenwurf. Letztlich wurde konstruktiv betrachtet festgestellt, dass hybride, standarisierte und reversible I-profilierte Träger unter Verwendung von Bu nQ eine sehr gute Alternative zu Stahlträgern, Stahlbetonträgern oder auch Vollwandträgern aus Nadelholz sind (Abbildung  II‑2).

 

Abbildung  II‑2: Mock-Up im Maßstab 1:1 des I-profilierten Dachträgers, reversibel fixiert mit Dachscheiben aus Brettsperrholz und reversibel aufgelagert auf BauBuche-Stützen

 

Es konnte nachgewiesen werden, dass die statische Höhe der untersuchten I-Träger gegenüber Vollwandträgern aus Brettschichtholz (BSH GL24) und gegenüber Furnierschichtholz aus Laubholz (BauBuche GL75) geringer ausfällt (Abbildung  II‑3). Dies stellt einen wesentlichen Vorteil hinsichtlich der Material- und Ressourceneffizienz dar. Aus der optimierten Höhe der Träger resultieren bei den untersuchten Hallentypenentwürfen eine reduzierte Kubatur und Fassadenfläche. Dieser wirtschaftliche Vorteil kann einen Beitrag zur Marktfähigkeit des Bauteils leisten. Allerdings nur dann, wenn die I-profilierten Buchenholzträger konsequent als standardisiertes Bauelement hergestellt und mit bauaufsichtlicher Zulassung ausgestattet, vermarktet und angeboten werden. Einsatzchancen bestehen für nahezu alle (oberirdischen) Hallentypologien bzw. -nutzungen mit einer Spannweite von ca. 16 m bis 28 m: Sport, Produktion, Industrie, Gewerbe, Lager, Ausstellung und Parken. 

 

Abbildung  II‑3: Vergleich der Trägervarianten mit verschiedenen Gurt/Steg-Kombinationen. Hier: Auswertung für Spannweite 16 m; Trägerabstand 1,5 m; ohne Überhöhung

Durch die Ausbildung der aufgezeigten, reversiblen Verbindungsdetails ist das standardisierte Bauteil kreislauffähig. Es kann am Ende eines Nutzungszyklus zerstörungsfrei ausgebaut und in einem weiteren Projekt eingesetzt werden. Architektinnen und Architekten bzw. Planern und Planerinnen wird mit der nachfolgenden Übersicht eine Faustformel und Einordnung für den Einsatz von I-profilierten Buchenholzträgern an die Hand gegeben, die helfen soll, das neue ressourceneffiziente Bauteil in einer frühen Phase im Projekt zu etablieren.

 

Abbildung  II‑4: Faustformeln von Spannweiten / Trägerhöhen-Verhältnissen unterschiedlicher Materialien, Tragsysteme und Trägerformen