Verbundbau in neuer Dimension - Quadriga

Holz-Beton-Verbund-Konstruktionen – 44 –
2/2012
Verbundbau in neuer Dimension
Holz-Beton-Verbunddecken kommen häufig dann zum Einsatz,
wenn besonders hohe statische Anforderungen an Deckenkonstruktionen
vorliegen oder hohe bauphysikalische
Anforderungen erfüllt werden müssen. Bei dem Neubau
eines mehrgeschossigen Labor- und Bürogebäudes an der
Universität in Vancouver waren beide Aspekte gleichermaßen
zu erfüllen. 4 Geschossdeckenebenen wurden mit Deckenelementen
in Holz-Beton-Verbundbauweise ausgeführt. Dies
entsprach einer Gesamtfläche von ca. 5200 m². Planerische
Besonderheit hierbei: Es liegt ein zweiachsig gespanntes
Deckentragwerk vor – bestehend aus Holz-Beton-Verbunddecken
sowie Unterzügen in Holz-Beton-Verbund- bzw.
Stahlverbundbauweise. Technisches Highlight ist jedoch ein
anderer Gebäudeteil: die am Atrium des Gebäudes unter
Nutzung der Holz-Stahl-Klebeverbund-Technologie erstellte
freitragende Treppe.
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. Leander Bathon
Dipl.-Ing. Oliver Bletz-Mühldorfer
Hochschule RheinMain
Fachbereich Architektur
und Bauingenieurwesen
Institut für Baustoffe
und Konstruktion
Materialprüfanstalt für Bauwesen
(MPA) Wiesbaden
Earth System Science
Building
An der University of British
Columbia im kanadischen
Vancouver wird derzeit ein
mehrgeschossiges Labor- und
Bürogebäude erbaut. Es wird
nach seiner geplanten Fertigstellung
im September 2012
mehrere Institute beherbergen,
u.a. das Department of
Earth and Ocean Science. Das
mehrgeschossige Earth System
Science Building (ESSB) war
ursprünglich als eine reine
Stahlbetonkonstruktion geplant,
konnte unter Nutzung
der Initiative „wood-first-act“
(siehe Infokasten) jedoch
letztlich zu ca. 50 % als Holzkonstruktion
realisiert werden.
Im Einzelnen bedeutet das für
das ESSB-Projekt, dass nur
noch der komplette Südteil
des Gebäudes, in welchem
die Labore und der Coffeshop
untergebracht sind, als Stahlbetonbau
erstellt wird, während
der Nordteil des Gebäudes
als Holzbau umgesetzt
wird. In diesem Gebäudeteil
sind die Büros und Arbeitsstationen
für Studenten sowie
drei große Klassenräume
untergebracht.
Abb. 2:
Nordflügel des
Earth System
Science Buildings
während der
Bauphase.
(Quelle: Equilibrium
Consulting Inc.).
Abb. 3:
Ansicht des
Nordflügels – Holz
als dominierender
Baustoff.
(Quelle: Equilibrium
Consulting Inc.).
Abb. 1:
Animation des Earth System Science
Buildings an der Universität in
Vancouver.
(Quelle: Perkins + Will).
INFOKASTEN
Initiative Wood First Act
Die an der Westküste gelegene kanadische Provinz British
Columbia beherbergt einen der nachhaltigsten und konkurrenzfähigsten
Waldsektoren in der Welt. Die Initiative
Wood First Act hat sich zum Ziel gesetzt, den Gebrauch
von Holzprodukten aus British Columbia weiter zu fördern.
Die Absicht besteht darin, eine kulturelle Verschiebung
der Betrachtungsweise zum Werkstoff Holz zu erreichen.
Holz soll – so der Wille der Initiatoren – künftig u.a. erste
Werkstoffwahl im Bauwesen sein. Hierdurch soll zum einen
die heimische Holzwirtschaft gestärkt werden, zum anderen
können durch Verwendung hölzerner Bauprodukte klimapolitische
Ziele zur Nachhaltigkeit leichter erreicht werden. Der
Wood First Act liefert somit letztlich die Grundlage dafür,
dass bei Neubauten Holzlösungen anzustreben sind.
Abb. 4:
Brettschichtholzträger
mit
eingeklebten HBV-
Schubverbindern
bzw. Stahlträger
mit aufgeschweißten
Kopfbolzendübeln
bilden
jeweils die primären
Tragstrukturen
in den einzelnen
Geschossen.
(Quelle: Equilibrium
Consulting Inc.).

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Holz-Beton-Verbund-Konstruktionen
Nordflügel in Holz- und
Verbundbauweise
Der in Holzbauweise erstellte
Nordflügel des Earth System
Science Building (ESSB)
ist 5geschossig. Die Grundfläche
des Nordtraktes liegt
bei ca. 1300 m 2 / Geschoss.
Reihenförmig angeordnete
Stützen aus Brettschichtholz
(Holzart: Douglas Fir) prägen
das aufgehende Tragsystem
des Gebäudes. Zumeist drei
Stützen – mit Achsabständen
von 480 cm, 960 cm und 480
cm – liegen in einer Stützenreihe
vor. Der Achsabstand
der Stützenreihen untereinander
(quer zur Haupttragrichtung)
beträgt i.d.R. 640 cm.
Zwischen den Stützen sind
in Hauptragrichtung Träger
angeordnet, die als Auflager
für die eigentlichen Deckenelemente
dienen. Die Länge
der Träger liegt i.d.R. bei ca.
430 cm bzw. 920 cm. Um die
Träger in statisch optimierter
Weise nutzen zu können,
werden diese jeweils als Verbundträger
ausgeführt, indem
sie in die Verbunddecke mit
eingebunden werden. Zum
Einsatz kommen Brettschichtholzbinder
(Holzart: Douglas
Fir) mit oberseitig eingeklebten
HBV-Schubverbindern [4].
Zum Teil sind anstelle der
Brettschichtholzbinder auch
Stahlträger (als Teil eines
Fachwerks) eingezogen, die
jedoch ebenfalls mit in die
Verbundkonstruktion integriert
sind. Hierzu sind an
der Oberseite der Stahlträger
Kopfbolzendübel angeschweißt.
Das Sekundärtragwerk bilden
in allen 4 aufgehenden
Geschossen Deckenelemente
in Holz-Beton-Verbundbauweise.
Sie bestehen aus
vorgefertigten flachliegenden
Elementen aus LSL (laminated
strand lumber) mit Spannweiten
von 640 cm sowie einer
Höhe von jeweils 98 mm, in
die an der Oberseite HBV-
Schubverbinder eingeklebt
sind. Alle HBV-Schubverbinder
werden vor Ort auf der
Baustelle in die Holzplatten
eingeklebt. Auf den hölzernen
Elementen sind vollflächig
druckfeste Dämmplatten mit
Abb. 5:
LSL-Plattenelemente, die auf Stahlträger aufgelagert sind.
An dem Stahlträger sind an der Oberseite Kopfbolzendübel
angeschweißt. Nach dem Betonieren bildet der dann
existierende Stahlverbundträger das primäre Tragwerk
aus. Die Holz-Beton-Verbunddecken agieren als sekundäre
Deckentragwerke.
(Quelle: Equilibrium Consulting Inc.).
Dicken von jeweils 2,5 cm
aufgelegt, wobei diese zwischen
die herausstehenden
HBV-Schubverbinder passgenau
eingesetzt werden. Auf
der Oberseite der HBV-Schubverbinder
liegt die Mattenbewehrung.
Abschließend wird
auf der Baustelle der Beton
aufgebracht. Hierbei liegt eine
Betonstärke von 10 cm vor.
Bei diesem Betoniervorgang
werden auch die Kopfbolzendübel
im Bereich der Stahlträger
bzw. die HBV-Schubverbinder
im Bereich der hölzernen
Brettschichtholzträger mit
einbetoniert, sodass hierdurch
letztlich ein zweiachsig
gespanntes Deckentragwerk
generiert wird. Insgesamt ca.
5200 m 2 Deckenfläche werden
auf die beschriebene Weise
hergestellt.
Forschung im Vorfeld
Das Verbindungssystem
(HBV-Schubverbinder), das
beim Earth System Science
Building zur Herstellung der
Holz-Beton-Verbunddecken
eingesetzt wurde, ist in Europa
bereits häufig bei Gebäuden
im Hochbau eingesetzt
worden. Für dieses existiert
auch eine allgemeine bauaufsichtliche
Zulassung
(abZ. Z-9.1-557; siehe [4]).
Technisches Neuland beim
Earth System Science Building
ist allerdings die Kombination
aus eingeklebten HBV-
Schubverbindern und Holz-
Abb. 7:
Unteransicht des
Tragwerks. Stützen
und Träger aus
Brettschichtholz
(Holzart Douglas
Fir).
Quelle: Equilibrium
Consulting Inc.).
Abb. 8:
Detailansicht des
Anschlusses Stütze
und Verbundträger
ohne sichtbare
Verbindungsmittel.
(Quelle: Equilibrium
Consulting Inc.).
Abb. 9:
Unteransichten der
Deckentragwerke.
(Quelle: Equilibrium
Consulting Inc.).
Abb. 6:
LSL-Plattenelemente, die auf Brettschichtholzträgern mit
eingeklebten HBV-Schubverbindern auflagern. Nach dem
Betonieren bilden die Holz-Beton-Verbundträger das
primäre Deckentragwerk aus, während die quer zur Haupttragrichtung
angeordneten Holz-Beton-Verbunddecken
das sekundäre Deckentragwerk erzeugen.
(Quelle: Equilibrium Consulting Inc.).

Holz-Beton-Verbund-Konstruktionen – 46 –
2/2012
Abb. 10:
Detailansicht der Holz-Beton-Verbunddecke. LSL-Elemente,
bei denen an der Oberseite bereits z.T. die HBV-Schubverbinder
eingeklebt sind. Ebenso sind bereits die Dämmplatten
verlegt. Im Vordergrund sind die Kopfbolzen gut
erkennbar, die nach dem Überbetonieren dazu führen,
dass ein zweiachsig gespanntes Deckentragwerk ausgebildet
wird.
(Quelle: Equilibrium Consulting Inc.).
Abb. 11:
Traglastversuch
an einem Holz-
Beton-Verbunddeckenelement
mit deutlichen
Durchbiegungen
während der
Versuchsdurchführung.
(Quelle: Equilibrium
Consulting Inc.).
Abb. 12:
Earth System
Science Building –
Hölzerne Treppe.
(Quelle: Perkins + Will).
Abb. 13:
Detailansicht der
hölzernen Treppe
aus dem Innern
des Gebäudes.
Die auskragende
Treppe besitzt
keine seitliche
Verbindung zum
Gebäude.
Eine konstruktive Besonderheit
beim Earth System
Science Building bildet die
Treppe am Atrium des Gebäudes.
Sie ist über die vier
aufgehenden Geschosse komplett
freitragend und besitzt
keinerlei seitliche Verbindung
zum Gebäude.
Zur Herstellung der Treppe
wurden vorgefertigte Treppenelemente
benutzt, die auf
der Baustelle zusammengefügt
und anschließend verklebt
wurden. Die Verbindung
zwischen dem eigentlichen
Treppenläufen und den
Podesten wurde hierbei über
eingeklebte HSK-Lochbleche
[4] realisiert. Dieses innovaelementen
aus LSL. Die Auflagen
sahen daher vor, Traglastversuche
durchzuführen, um
die Funktionalität dieses
Konstruktionsansatzes zu gewährleisten.
Am FP Innovations
Labor wurden hierzu
drei Traglastversuche an Versuchsträgern
durchgeführt.
Zum Einsatz kamen Deckenelemente
mit dem Aufbau aus
dem eigentlichen Gebäude.
Die Spannweite der Deckenelemente
betrug 620 cm. Sie
wurden in 4-Punkt-Biegeversuchen
getestet. Das erzielte
Traglastverhalten entsprach
dem Traglastverhalten, welches
von hiesigen Versuchen
an solchen Verbundkonstruktionen
bekannt war [1]. Es
war geprägt durch hohe Systemsteifigkeiten,
hohe Tragfähigkeiten
und ein letztlich
duktiles Versagen, welches
auf ein Abscheren der HBV-
Schubverbinder in der Scherfuge
zurückgeführt werden
konnte.
Treppe als Eyecatcher
INFOKASTEN
Vorteile von Holz-Beton-Verbunddecken
Die Holz-Beton-Verbundbauweise wurde ursprünglich angewandt,
um bei bestehenden Holzbalkendecken durch Aufbringen
einer schubfest mit der Holzkonstruktion verbundenen
Ortbetonschicht eine Erhöhung der Tragfähigkeit sowie
eine Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit zu erreichen.
Für dieses Anwendungsgebiet der Ertüchtigung von Holzbalkendecken
wurden seit den 1990er Jahren einige Verbindungsmittel
entwickelt (insbesondere Verbundschrauben),
die bis heute sehr erfolgreich eingesetzt werden. Decken in
Holz-Beton-Verbundbauweise verfügen gegenüber Decken in
Holz- oder Stahlbetonbauweise über zahlreiche Vorteile. Im
Einzelnen liegen folgende Eigenschaften vor:
Hohe Tragfähigkeit und Biegesteifigkeit von Holz-Beton-
Verbunddecken, u.a. durch in die Deckenkonstruktionen
integrierten Beton
Geringe Deckenverformungen infolge hoher Biegesteifigkeit
bei vergleichsweise geringer Eigenlast
Optimale Ausnutzung der spezifischen Werkstoffeigenschaften
(Holz: Zugkräfte, Beton: Druckkräfte, Verbindungsmittel:
Scherkräfte)
Sicherheit im Bruchzustand durch duktiles Verbindungsmittelhalten
(Stahlversagen)
Hervorragende Bauphysik der Decke in Bezug auf Schwingungsverhalten,
Luftschallschutz, Brandschutz und Rauchdichtigkeit
Deckenaussteifung / Scheibenwirkung vorhanden durch
gegossene Betonplatte
Im Vergleich zu massiven Stahlbetondecken reduziertes
Eigengewicht bei Holz-Beton-Verbundecken
Kurze Bauzeiten mit hohen Deckenvorfertigungsgraden
möglich
Große Deckenspannweiten erreichbar bei vielseitigen statischen
Systemansätzen (Einfeldsysteme, Mehrfeldsysteme,
Kragarmsysteme)
Deckenunteransichten mit Holzcharakteristik

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Holz-Beton-Verbund-Konstruktionen
Abb. 14:
Zur Herstellung der Treppe werden
vorgefertigte Elemente benutzt, bei
denen eingeklebte HSK-Lochbleche
die Verbindung der einzelnen Treppenabschnitte
herstellen.
(Quelle: Equilibrium Consulting Inc.).
Abb. 15:
Detailansicht während der Montage. Das vorgefertigte
Podest mit den herausstehenden HSK-Lochblechen wird
passgenau eingefädelt.
(Quelle: Equilibrium Consulting Inc.).
Abb. 16:
Nachdem die Treppenläufe und das Podest zusammengefügt
und provisorisch fixiert wurden, erfolgt der eigentliche
Verklebevorgang der Bauteile auf der Baustelle.
(Quelle: Equilibrium Consulting Inc.).
tive Verbindungssystem, über
das in der HOLZBAU bereits
häufiger berichtet wurde
([2], [3]), wird seit geraumer
Zeit an der MPA Wiesbaden
untersucht und durchläuft
derzeit ein bauaufsichtliches
Zulassungsverfahren. Bisherige
Versuchsergebnisse haben
gezeigt, dass das HSK-System
sehr hohe Tragfähigkeiten
und sehr hohe Steifigkeiten
bei gleichzeitiger Duktilität im
Versagensfall aufweist. Aus
statischer Sicht sind – analog
zur statischen Nachweisführung
bei eingeklebten Stahlstäben
– Holz, Stahl sowie die
Klebung separat nachzuweisen.
Der statische Nachweis
der Klebung erfolgt hierbei
u.a. über die Ausbildung von
Klebstoffdübeln. Für einen
Klebstoffdübel kann eine
charakteristische Tragfähigkeit
von R KD,k = 1200 N sowie eine
Verschiebungssteifigkeit von
K ser = 7.000 N/mm angesetzt
werden. Ein Lochblech mit
100 Lochungen (und damit
100 Klebstoffdübeln) besitzt
somit z.B. eine charakteristische
Tragfähigkeit von 120 kN
sowie eine Verschiebungssteifigkeit
von 700 kN/mm.
Die Herstellung und Montage
der Treppe erforderte
insgesamt ein höchstes Maß
an Passgenauigkeit und Präzision.
Bedingt durch die hohe
Genauigkeit der Vorfertigung
konnten die Elemente bei der
Montage auf der Baustelle
jedoch gut und leicht zusammengefügt
werden. Nachdem
diese provisorisch fixiert
wurden, erfolgte schließlich
der Verklebevorgang. Hierfür
wurde ein zweikomponentiges
PUR-Klebstoffsystem injiziert.
Fazit
Das Earth System Science
Building zeigt eindrucksvoll
die Möglichkeiten des modernen
Ingenieurholzbaus: Ein
mehrgeschossiges Universitätsgebäude
als Holzbaukonstruktion
unter Nutzung
leistungsfähigster Werkstoffe
(u.a. BSH, LSL) und höchst
innovativer Verbindungstechniken
(u.a. Sherpa, Vollgewindeschrauben,
HSK-System).
Hinzu kommt die Idee der
Nutzung der Verbundbauweisen,
hier als Kombination
von Holz-Beton-Verbund
und Stahlverbund. Insgesamt
ein Vorzeigeobjekt für den
Holzbau. Wünschenswert
wären aus Sicht der Autoren
ähnliche Projekte im deutschsprachigen
Raum.
Quellen
[1] Bahmer, R.; Bathon, L., Fritzen,
K. (2003): „Mut zu Neuem – 10 m
frei spannende Holz-Beton-Verbund-
Flachdecke“, Bauen mit Holz, 1/2003,
Seite 21 – 25
[2] Bletz, O.; Bathon, L. (2009)
„Fahrradschuppen als Experimentalbau“,
HOLZBAU – die neue quadriga,
1/2009, Seite 47 - 50
[3] Bathon, L.; Bletz-Mühldorfer,
O.; Schmidt, J.; Weber, M.; Weil, M.
(2010) „Zur Temperaturbeständigkeit
und Ermüdungsfestigkeit von in Holz
eingeklebten Gewindestangen und
Lochblechen“, HOLZBAU – die neue
quadriga 2/2010, Seite 45 – 49
[4] Fa. TiComTec GmbH,
www.ticomtec.de
Abb. 17:
Ansicht der freitragenden
Treppe
während der
Bauphase
INFOKASTEN
Projekttafel
Objekt:
Earth System Science Building
Bauherr:
UBC Properties Trust
Bauzeit: August 2010 bis September 2012
Architektur:
Perkins+Will, www.perkinswill.ca
Tragwerksplanung: Equlibrium Consulting Inc.,
www.eqcanada.com
Hersteller BSH: Structurlam Products Ltd.,
www.structurlam.com
Hersteller LSL: Weyerhaeuser Company,
www.weyerhaeuser.com
Montage & Verklebung: Adera / Nicola Logworks,
www.adera.com
www.logworks.ca