Neue Holzbautechnologien: Materialien, Konstruktionen, Bautechnik, Projekte 9783038216117, 9783038215011

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Neue Holzbautechnologien Materialien  Konstruktionen Bautechnik Projekte

SIMONE JESKA / KHALED SALEH PASCHA

NEUE HOL ZBAU

TECHNO

LOGIEN

MATERIALIEN KONSTRUKTIONEN

BAUTECHNIK

PROJEKTE HERAUSGEGEBEN VON RAINER HASCHER TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN

BIRKHÄUSER BASEL

Layout, Covergestaltung und Satz Miriam Bussmann, Berlin Projektkoordination Henriette Mueller-Stahl, Berlin Bildrecherche Julia Pauli, Berlin

Library of Congress Cataloging-in-Publication data A CIP catalog record for this book has been applied for at the Library of Congress. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts. Dieses Buch ist auch als E-Book (ISBN PDF 978-3-03821-611-7; ISBN EPUB 978-3-03821-694-0) sowie in einer englischen Sprachausgabe (ISBN 978-3-03821-502-8) erschienen.

© 2015 Birkhäuser Verlag GmbH, Basel Postfach 44, 4009 Basel, Schweiz Ein Unternehmen von Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston Gedruckt auf säurefreiem Papier, hergestellt aus chlorfrei gebleichtem Zellstoff. TCF ∞ Printed in Germany ISBN 978-3-03821-501-1 987654321 www.birkhauser.com

Inhalt

Einleitung Rainer Hascher

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Historische Konstruktionstypologien Khaled Saleh Pascha

8

Neue Technologien und Methoden Simone Jeska

Projekte Messehalle 11 Geschäftsgebäude BIP-Computer

14 15 15 17 18 23 25

Materialvergütungen Hybride Bauteile

26 29

Verbundkonstruktionen

32

Materialentwicklung im Holzbau Khaled Saleh Pascha

36

Brettschichtholz Furnier- und Faserwerkstoffe Brettsperrholz

37 48 52

CNC-Fertigung im Holzbau Simone Jeska

58

Bearbeitung der Bauteile Bauen mit Stäben Knotenpunkte Bauen mit Platten

60 62 67 70

Experimentelle und ephemere Strukturen Simone Jeska

76

101

Santiago de Chile, Chile

Clubhaus der Haesley Nine Bridges Golfanlage

Verbindungen Mechanisch gefügte Stahlverbindungen Geklebte Verbindungen Klebeverbindungen mit Stäben und Platten Holz-Holz-Klebeverbindungen Verstärkungen von Verbindungen

95

Frankfurt a. M., Deutschland

109

Yeoju, Südkorea

Austria Center Vienna – „Eingangswelle“

117

Wien, Österreich

Fußgängerbrücke in Kollmann

123

Südtirol, Italien

Gessentalbrücke

129

bei Ronneburg, Deutschland

Elefantenhaus, Zoo Zürich

137

Zürich, Schweiz

Doppelturnhalle

145

Borex-Crassier, Schweiz

Drei Holzachterbahnen

151

Colossos, Heide Park Soltau, Deutschland Balder, Liseberg Park, Göteborg, Schweden Mammut, Erlebnispark Tripsdrill,   Cleebronn, Deutschland

Toskana-Therme

159

Bad Orb, Deutschland Sachregister Bibliografie Bildnachweis Über die Autoren Dank

168 170 174 175 175

Einleitung Rainer Hascher

In den Anfängen des Bauens bildeten die in der Natur vorgefundenen Materialien wie Naturstein, aus Lehm geformte Ziegel und Holz die Basis für alle konstruktiven Vorstellungen und technologischen Möglichkeiten. Archaische Muster aus dieser Zeit prägen bis heute unsere Vorstellung vom Haus. Mit dem Werkstoff Holz verbindet man daher zunächst auch vor allem traditionelle und regional geprägte Bauformen vergangener Epochen. Bilder von kunstfertigen mittelalterlichen Fachwerkhäusern und filigranen, historischen japanischen Skelettstrukturen erscheinen unwillkürlich vor unseren Augen – bereits um 900 v. Chr. wurde in Japan eine Tempelanlage errichtet, die bis in die heutige Zeit ihre Dauerhaftigkeit und Funktionsfähigkeit bewiesen hat. Unterschiedlichste, phantasievolle und variantenreiche Holzkonstrukte begleiten die gesamte Menschheitsgeschichte in nahezu allen Kulturkreisen. Universalität der Anwendungsmöglichkeiten für unterschiedlichste Bauaufgaben handwerklich präzise, individuelle Gestaltbarkeit bis ins kleinste Detail, Robustheit bei struktureller Eleganz und eine eigene, naturgegebene Ästhetik, die von den besonderen haptischen Qualitäten nicht zu trennen ist, kennzeichnen diesen Werkstoff. Holz ist dabei jedoch trotz seiner außerordentlich vielseitigen Einsatzmöglichkeiten und seiner Bewährung über Jahrtausende als Baustoff während des Industrie-Zeitalters zurückgedrängt worden. Zu zeitaufwändig und damit zu teuer wurden die handwerklichen Verarbeitungsprozesse von Holz gegenüber den industrialisierten Fertigungsmethoden für Stahl und Stahlbeton. Während der letzten Jahrzehnte erfolgte jedoch eine schnell voranschreitende Rationalisierung und Industrialisierung der Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse von Holzprodukten. Der Übergang vom kon-

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ventionellen Holzbau zum Ingenieurholzbau mit besonderen, genormten und güteüberwachten Leimverbindungen war dabei nur ein erster Schritt, der in Kombination mit der Einführung neuer Verbindungstechniken wie Dübel mit Schraubbolzen, Stabdübel, Nagelplatten und Knotenbleche große Spannweiten ermöglichte, die in vielen Fällen genauso wirtschaftlich wie vergleichbare Stahl- oder Stahlbetonkonstruktionen zu erstellen sind. Besondere Tragwerke, wie z.B. Schalen, können sogar deutlich wirtschaftlicher hergestellt werden als mit anderen Massivkonstruktionen. Das geringere Eigengewicht von Holz wie auch seine bauphysikalisch günstige Eigenschaft einer geringen Wärmeleitfähigkeit, seine einfache und saubere Bearbeitbarkeit in der Vorfertigung und auch seine Anpassungsfähigkeit auf der Baustelle bieten für verschiedenste Bauaufgaben große Vorteile. Auf der Grundlage von gezielter Forschung konnten die Anforderungen an die Materialqualität weitgehend genormt werden und die bautechnischen Eigenschaften für das Material Holz wurden für spezifische Anforderungen optimiert. Bis heute werden kontinuierlich immer neue Holzwerkstoffe entwickelt, die Kennzeichen aufweisen, die zunächst anderen Materialien vorbehalten waren und teils beispielsweise ein fast isotropes Verhalten erreichen. Aus dem unterschiedlich gewachsenen und uneinheitlichen Naturprodukt Holz wird zunehmend ein völlig industriell produzierter Werkstoff mit exakt vorherbestimmbaren Charakteristika. Gegenwärtig wird eine weiterführende Renaissance des Holzbaus eingeleitet, die vor allem auf zwei unabhängige Ursachen zurückzuführen ist: Zum einen wird Holz zunehmend als einer der wichtigsten nachwachsenden Rohstoffe für das nachhaltige Bauen wiederentdeckt. Er wächst in vielen Regionen vor Ort und ist Bau- und Werkstoff sowie Ener-

gieträger. Bäume nehmen Wasser und Kohlendioxid (CO2) auf, wandeln diese Stoffe mit Hilfe der Sonnenenergie (Photosynthese) zu reinem Sauerstoff und Wasserdampf um und geben sie wieder an die Umwelt ab. Als Produkte liefern die Bäume Holz, das zu 50 % aus Kohlenstoff besteht. In einer Tonne trockenem Bauholz werden 510 kg Kohlenstoff gespeichert, dies entspricht 1,8 Tonnen CO2. In allen Holzprodukten bleibt dieses CO2 weiterhin gebunden. Erst bei der Verrottung oder Verbrennung wird genau diese Menge CO2 wieder in die Atmosphäre abgegeben. Holz ist also „CO2-neutral“ und lässt sich auch zu 100 % ohne die Produktion nicht abbaubarer Restabfälle in den ökologischen Kreislauf zurückführen. Der zusätzliche energetische Aufwand für Produktion und Verarbeitung ist im Vergleich zu anderen Baustoffen extrem gering und damit entspricht dieser Baustoff dem „cradle-to-cradle-Prinzip“ in nahezu idealer Form. Zum anderen erfolgt seit wenigen Jahren durch den immer weiterentwickelten Einsatz von dreidimensionalen CAD-Modellen mit parallel komplett bereitgestellten Produktionsdaten für eine digital gesteuerte Roboterfertigung eine Revolution im konstruktiven Holzbau. Besonders interessant ist dabei für den Architekten und Ingenieur, dass die CNC-Maschinen (Computerized Numerical Control) gerade mit dem vergleichsweise leicht zu spanenden Werkstoff Holz durch den Einsatz moderner Steuerungstechnik Bauteile nicht nur mit höchster Präzision, sondern auch insbesondere komplexe Geometrien und Strukturen automatisch fertigen – ein Vorgang, der mechanisch gesteuerten Maschinen bei weitem an Genauigkeit und Geschwindigkeit überlegen ist. Hinzu kommt, dass häufig auch auf eine ständige Betreuung des Fertigungsprozesses durch Personal weitgehend verzichtet werden kann, da die Steuerungen ausreichend Möglichkeiten bieten, sogar die Qualitätskontrolle vollautomatisch in den Fertigungsprozess zu integrieren. Hier eröffnen sich für den Konstrukteur völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten: Komplexe, individuell geformte Bauteile werden nun auch ohne große Serienproduktion wirtschaftlich – der individuelle Entwurf von der Großform bis zum industriell gefertigten Ornament wird plötzlich wieder neu denkbar. Der wirtschaftliche Zugang zum durchgängigen, rigiden orthogonalen Ordnungsprinzip einer Baustruktur verliert an Bedeutung und komplexere Kompositionen auf der Basis freierer Gestalt-Prinzipien werden auch unter harten Realisierungszwängen umsetzbar. Die zimmermannsgerechte, traditionelle Holz-Holz-Verbindung, die noch vor kurzem von der Stahlverbindung verdrängt wurde, gewinnt auch unter

wirtschaftlichen Gesichtspunkten zunehmend wieder an Bedeutung und lang vergessene Techniken wie Buchenholzdübel, Schäftungen, Zapfen etc. werden wieder modern. Es gibt damit eine Reihe guter Gründe zu der Annahme, dass Holz als eines der ältesten Baumaterialien der Welt auch in Zukunft als Konstruktionswerkstoff eine wieder zunehmende Bedeutung für nachhaltig entwickelte Bauformen gewinnen wird. Dieses Buch möchte Anregungen geben, den Werkstoff Holz neu zu denken, bekannte Holzkonstruktionen kreativ weiterzuentwickeln und auf der Basis neuer Methoden und Technologien innovative Gestaltungskonzepte zu entdecken. So sind denn auch – nach einer grundsätzlichen Einführung über Holz als leistungsfähigem Baustoff, seiner historischen Konstruktionstypologien und seiner technologischen Entwicklung – die maßgeblichen Teile des Buches diesen neuen Ansätzen gewidmet: Neben der Weiterentwicklung der ingenieurmäßigen Verbindungstechniken und der Einführung der digitalen Produktionstechniken wird die innovative Materialentwicklung dieses Werkstoffes dargestellt. Insbesondere die Abschnitte über Verbundkonstruktionen mit Stahl, Textilien, Beton und Glas und über experimentelle Strukturen verweisen auf Tendenzen, die zukunftsorien­ tierte Dimensionen des Holzbaus eröffnen. Der Projektteil, in dem in exemplarischer und detaillierter Form die innovativen Ansätze jüngst gebauter Projekte dargestellt werden, bietet den direkten Bezug zur praktischen Umsetzung.

Einleitung

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Historische Konstruktionstypologien Khaled Saleh Pascha

Holzbalken dienen seit jeher als Baumaterial für Deckenkonstruktionen. Baumstämme lassen sich mit geringem Aufwand aus den Wäldern gewinnen, die Verarbeitung dieser Stämme zu tragenden Holzbalken ist technologisch anspruchslos. Das einfache, das heißt nur aus einer Balkenlage bestehende Dachtragwerk ist die früheste und technisch simpelste Dachkonstruktion. Bis ins 20. Jahrhundert bleiben Holzbalkendecken die Standardkonstruktion für Decken. Erst mit dem Aufkommen von Stahlbeton in den 1920er Jahren werden, statt der sonst übli-

chen Holzbalkendecken, auch Stahlträger und Betondecken eingesetzt. Länge, Breite und Höhe des Holzbalkens bzw. die Abmessungen des Baumstammes bestimmen zwangsläufig Einsatzfeld und maximale Spannweite der Konstruktion. Wenn die Balken aus einem Holzstamm nicht ausreichen, sind zusammengesetzte oder gekoppelte Balken eine Möglichkeit zur Erzeugung von größeren und längeren Träger. Sowohl größere Trägerhöhen (größere Auflast) als auch größere Trägerlängen (größere Spannweiten) sind dadurch realisierbar.

Römische Holzbrücke, aus Graubner, Wolfram: Holzverbindungen, S. 94.

Verschiedene Arten der Anblattung als eine Möglichkeit der zim­ mermannsmäßigen Verbindung zur Übertragung von Zugkräften zwischen zwei Holzbauteilen, aus: Krauth, Theodor; Meyer, Franz: Das Zimmermannsbuch, Leipzig 1895, Nachdruck Hannover 1981, S. 83.

Traditionelle Konstruktion eines runden Bohlendachs, aus: Steinmetz, Georg: Grundlagen für das Bauen in Stadt und Land, Bd. 2: Besondere Beispiele, 1917, S. 217.

Historische Konstruktionstypologien

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In der einfachsten Version wurden gekoppelte Holzbalken durch Bastseile miteinander verbunden. Mit diesen zusammengebundenen Holzbalken kann keine wirklich schubsteife Verbindung zwischen den einzelnen Elementen erzeugt werden, d. h. die Übertragung von Schubkräften, Momenten und Torsionskräften ist nur sehr eingeschränkt möglich. Durch die nicht-schubsteife Verbindung verhält sich der zusammengesetzte Querschnitt in seiner Belastbarkeit und Durchbiegung so, als wären die einzelnen Balken nebeneinander gestellt. Man kann wohl größere und längere Balken erzeugen, statisch jedoch erreicht man nicht die Qualität eines massiven Querschnitts. Durch aufwändig, zimmermannsmäßig hergestellte Zapfenblätter, Schwalbenschwänze, Zapfenstöße, Hakenblätter und Bogenschlösser kann eine gesicherte und kraftschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen­ Balken geschaffen werden, die zu einem Tragverhalten vergleichbar einem massiven Träger führt. Die Darstellung einer antiken römischen Holzbrücke zeigt das Prinzip des schubsteif und kraftschlüssig verbundenen verzahnten Holzbogens. Sowohl im Bogentragwerk als auch in der Brückentafel sind gekoppelte Balken zu erkennen, die im Bogen durch Schwalbenschwanzverbindungen und Verdübelung schubsteif verbunden sind, im Bereich der Brückentafel durch Anlaschungen aber statisch weniger effektiv ausgeführt wurden. Um 1561 entwickelte der französische Hofarchitekt Philibert de L’Orme einen Verband aus gekrümmten Bohlenteilen, die, miteinander durch längsseitig verlaufende Riegel verbunden, große Spannweiten ermöglichen. Diese neuartige Bohlenbinder-Konstruktion findet erste Erwähnung in seinem Buch Nouvelles inventions pour bien bastir et à petits fraiz, in dem er eine lamellenartige, meist zwei- oder dreilagige Kons­ truktion aus senkrechten Bohlen beschreibt, die Bogenkonstruktionen mit großer Spannweite ermöglicht. In Deutschland findet die Bohlenbinder-Konstruktion insbesondere durch Vermittlung von David Gilly in seinem Handbuch der Landbaukunst von 1798 Verbreitung. Gegenüber einem konventionellen Sparrendach zeichnet sich diese Konstruktion dadurch aus, dass aufgrund der tonnenartigen Form geringere bis gar keine Schubkräfte in den Auflagern auftreten. Vorteile gegenüber dem Pfettendach sind die Materialer-

1 Ein weiteres Beispiel für eine frühe Bohlenbinderkonstruktion ist das Schloss Paretz in Brandenburg von 1797 vom Architekten David Gilly.

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sparnis und der stützenfreie Grundriss der Konstruktion. Nachteile der Bohlenbinder-Konstruktion sind vor allem ihre zeitaufwändige Herstellung und der große Holzverschnitt beim Zuschneiden der geschweiften Lamellen. Bedingt durch den hohen Fugenanteil im Vergleich zu einem Massivbinder ist die Biegesteifigkeit an den Stößen der einzelnen Lamellen bei einer zweilagigen Konstruktion um die Hälfte verringert. Trotz all dieser Einschränkungen, die die statische Leistungsfähigkeit der Konstruktion betreffen, können große Spannweiten überwunden werden. So erreichte eine Überdachung einer Getreidehalle in Paris bereits 1783 eine Spannweite von 41 m.1 Eine besonders interessante Variante des aufgedoppelten Holzträgers ist der von den Schweizer Brückenbauern und Zimmerern Grubenmann entwickelte verzahnte Balken, den die Gebrüder als Bogenträger für die Limmatbrücke beim Kloster Wettingen in der Schweiz (1765  – 1766) einsetzten. Die Brücke stellt mit ihren 61 m Spannweite in ihrer Zeit eine ingenieurmäßige Meisterleistung dar. Eine andere Variante des zusammengesetzten Balkens ist die Bauart Emy, benannt nach ihrem Erfinder, dem französischen Holzkonstrukteur Armand-Rose Emy (1771 – 1851), und um 1830 entwickelt. Hierbei handelt es sich um unverleimte Brettschichtträger aus liegenden Bohlen, die durch Klemmverbindungen aus eingelassenen, geschmiedeten Bolzen und Eisenbändern verbunden sind. Im Gegensatz zu der Bohlenbinder-Bauweise von Philibert de L’Orme unterscheidet sich die Bauart Emy (auch bekannt als BrettlamellenKonstruktion) in erster Linie dadurch, dass hier die Lamellen aufeinandergenagelt werden, wohingegen in der Bohlenbinder-Konstruktion die einzelnen Lamellen hochkant angeordnet werden. Aufgrund der Konstruktion aus liegenden Lamellen können in der Bauart Emy sehr weit gespannte Bogentragwerke realisiert werden. Ein prinzipielles Risiko besteht bei hohen Biegebeanspruchungen, die zu einem Verschieben oder Ausbrechen der einzelnen Lamellen aus der Wirkungsachse führen können, da die Verbindung durch Klemmbügel und Bolzen nur punktuell ist. Bei der Bohlenbinder-Konstruktion werden die Kräfte, die auf das Tragwerk einwirken, durch die gegen­seitigen versetzten Stöße der Einzelsegmente auf die durchlaufenden Segmente übertragen. Dieses

Bildung runder Bohlenbinder um 1910, aus: Krauth, Theodor; Meyer, Franz: Das Zimmermanns­buch, Leipzig 1895, Nachdruck Hannover 1981, S. 175.

Prinzip der Zollinger-Bauweise: Einzelne Bretter oder Bohlen werden rautenförmig miteinander verbunden und bilden dadurch ein Flächentrag­ werk.

Ein zeitgenössisches Beispiel für eine Zollinger-Bauweise. Durch die Entwicklung des sogenannten Bertsche-Ankerkörpers konnte ein schlupffreier, biegesteifer Anschluss der einzelnen Brettlamellen untereinander entwickelt werden. Die HanseMesse Rostock 2002. Architektur: Gerkan, Marg und Partner. Ingenieurbüro: schlaich berger­mann und partner.

Historische Konstruktionstypologien

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Prinzip­veranlasste den Merseburger Stadtbaurat Fritz Zollinger in den 1920er Jahren, die einzelnen Brettoder Bohlenlamellen rautenförmig zu einem Flächentragwerk zu verbinden. Durch Einsatz von einfach gekrümmten, gleichartigen Holzlamellen, von denen jeweils zwei im Winkel mittig mit der durchgehenden Lamelle durch Schraubbolzen verbunden werden, entsteht ein rautenförmiges Netzwerk, das vielfältige Dachformen annehmen kann. So sind Rund-, Segment- und Spitzbögen möglich. Nachteilig an der Zollinger-Bauweise ist die relativ hohe Verformung des Tragwerks durch die nicht biegesteifen Anschlüsse der Lamellen in ihren Kreuzungspunkten. Da die einzelnen Lamellen nicht in der Wirkungsachse ihrer Kräfte, sondern konstruktionsbedingt außermittig leicht versetzt angeschlossen werden, tritt nach dem unweigerlichen Querschwinden des Holzes nach einer Weile ein Schlupf im Knotenpunkt der Holzlamellen auf, was auf Dauer zu großen Verformungen und einem Durchhängen der Konstruktion führen kann. Einige zeitgenössische Hallenbauten (Ausstellungshalle Messe Rimini 2001, HanseMesse Rostock 2002 und Messe Friedrichshafen 2002) zeigen, sofern das Problem der wenig biegesteifen Anschlüsse gelöst werden kann, dass die Zollinger-Bauweise durchaus auch heute noch eine kostengünstige, leistungsfähige und auch ästhetisch reizvolle Möglichkeit der Überspannung von Tonnenschalen sein kann. Der Architekt, Bauingenieur und Stadtplaner Georg Ludwig Friedrich Laves entwickelte in den 1830er und 1840er Jahren eine linsenförmige fachwerkartige Konstruktion, den Laves-Balken, der aufgrund seiner fischbauchähnlichen Form der Biegemomentenlinie der Konstruktion ideal entspricht. Grundelement dieser Konstruktion ist ein in der Mitte aufgespaltener und auseinandergespreizter Holzbalken, der dadurch in Feldmitte an statischer Höhe gewinnt und wesentlich leistungsfähiger als der originale Holzbalken ist. Um den hohen Querzugsspannungen standhalten zu können, werden die Enden des Balkens durch Bolzen verstärkt, was das komplette Aufklaffen des Trägers verhindert. Eine Variante besteht aus zwei an ihren Enden verbundenen Balken, die ebenfalls in Feldmitte aufgespreizt werden. Durch die räumliche Spreizung in Oberund Untergurt und eingefügte Druckstäbe, die den Abstand bestimmen und die Kraftübertragung zwischen

2 Siehe A. Gattnar, F. Trysna: Hölzerne Dach- und Hallenbauten, 7. Auflage, 1961, S. 8. 3 Siehe ebenda, S. 10.

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den Gurten übernehmen, nimmt diese Konstruktion viele Elemente moderner Fachwerkkonstruktionen vorweg. Unter armierten Balken versteht man Holzbalken, die entweder durch Zugdiagonalen im unteren Bereich oder aber durch Druckdiagonalen oberhalb der Balken­ ebene unterstützt werden. Je nach dieser Ausführung kann man einen Hängewerk-Träger (Zugseile) oder einen­Sprengwerk-Träger (Druckdiagonalen, meist aus Holz) unterscheiden. Mittels dieser Konstruktion ist es möglich, die Durchbiegung eines Holzbalkens zu verringern und ihn damit statisch wesentlich zu ertüchtigen. Auch diese Konstruktion ist bereits als eine Vorform des Fachwerkträgers zu verstehen, in der Zug- bzw. Druckdiagonalen entsprechend der Belastung im Tragwerk eingesetzt worden. Wenn, wie im Fall von Dachtragwerken, die statische Höhe eines Tragwerks (im Gegensatz zu Deckenkonstruktionen) keine wesentliche Rolle spielt, sind Hänge-, Spreng-, Hängesprengwerke und andere Fachwerkkonstruktionen zur Erreichung größerer Spannweiten eine sinnvolle Strategie. Großer Vorteil dieser Konstruktionstypen ist, dass die einzelnen Stäbe, ob Horizontal-, Vertikalstab oder Diagonale, aus Einzelelementen bestehen, die in den meisten Fällen, selbst bei sehr großen Spannweiten, ohne Weiteres aus einzelnen, gering dimensionierten Vollholzquerschnitten gefertigt werden können. Die hohe statische Leistungs­ fähigkeit dieser Konstruktion wird durch die Auflösung von Druck- und Zuggliedern, die Ober- und Untergurte erreicht, die durch Diagonalen und sogenannte Null­ stäbe miteinander gekoppelt werden. Da im Idealfall in allen Stäben nur Normalkräfte wirken, können sehr materialgerechte Konstruktionen in Holz realisiert werden. Waren, wie im Fall der klassischen Spreng- und Hängewerkkonstruktionen in traditionellen Dachtragwerken, schon im 16. Jahrhundert Spannweiten von 20 m möglich,2 so erreichen moderne Fachwerkkon­ struktionen aus Holz im 19. Jahrhundert einen Quantensprung in ihrer Entwicklung, sowohl in Bezug auf ihre Spannweite als auch hinsichtlich der Effizienz der Konstruktion. Als Beispiel sei die Halle für das 4. Deutsche Sängerbundfest in Wien von 1890 erwähnt, deren Binder 56 m überspannten. Die Erkenntnisse durch moderne Stahlfachwerk-Konstruktionen des 19. Jahr-

hunderts, vor allem die klare Stabführung, die aus dem Stahlbau entwickelte Verbindungstechnologie in den Knotenpunkten, begründen in der Rückübertragung auf den Holzfachwerkbau maßgeblich den modernen Ingenieurholzbau.3 Auch auf dem Feld der Turmkonstruktionen leistet die moderne Holz-Fachwerkbauweise durch Stahlverbund neue Verbindungstechnologie und ihre von nun an mögliche rechnerische Nachweisbarkeit einen Quantensprung in den Dimensionen. Stellvertretend für eine ganze Reihe von Türmen und Masten, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts in Holz gebaut wurden, sei der Sendeturm Gleiwitz er-

Der Bertsche-Ankerkörper als metallischer Verbinder zwischen den einzelnen Brett­ schichtholzlamellen. Gut ist der um ca. 60 Grad um die Trägerebene versetzte Anschlusspunkt der Lamelle zu erkennen.

wähnt, eine 1935 errichtete Holzfachwerkkonstruktion aus Lärchenholz mit 118 m Höhe. Deutlich ist der Einfluss der Stahlfachwerk-Konstruktion des Eiffelturms in Paris zu erkennen. Auch beim Sendeturm Gleiwitz werden die einzelnen Stützen, Träger und Diagonalen in sich wieder fachwerkartig aufgelöst. Durch die unterschiedlichen statischen Höhen der Träger sind außerdem, ähnlich wie im Fall des Eiffelturms, die Durchdringungspunkte der Bauelemente räumlich entflochten, was zangenartige Anschlüsse mit durchlaufenden Füllstäben ermöglicht, statisch und konstruktiv ein Vorteil und ausschlaggebend für die extreme Filigranität der Konstruktion.

Sendeturm Gleiwitz (heute Gliwice, Polen).

Historische Konstruktionstypologien

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Neue Technologien und Methoden Simone Jeska

Effiziente Tragwerke aus Holz sind abhängig von leistungsfähigen Verbindungen, den Materialeigenschaften des Holzes und der Wahl der Tragkonstruktion. Betrachtet man außerdem Holzkonstruktionen in Konkurrenz zu Konstruktionen aus Stahl oder Stahlbeton, sind es in erster Linie die Anisotropie des Holzes, das spröde Bruchverhalten und die Notwendigkeit, Holz beim Fügen der Elemente zu einem Tragsystem mit Stahl zu kombinieren, die sich bei Holztragwerken nachteilig auswirken. Dementsprechend beschäftigt sich eine Vielzahl derzeitiger Forschungen mit der Entwicklung neuer Verbindungen, der Etablierung neuer Tragkonstruktionen und Werkstoffe, den Verstärkungen von Verbindungen und den Materialvergütungen.

Verbindungen Mechanisch gefügte Stahlverbindungen Verbindungen im Holzbau können zimmermannsmäßig ausgeführt, über Stahlverbindungsmittel mechanisch gefügt oder geleimt werden. Selbstbohrende Schrauben, eingeklebte Stahlverbindungen, Jumbo-Wellennägel oder hochleistungsfähige Sherpa-Verbinder und Bertsche-Knoten sind neue Stahlverbindungen im Holz-

bau, die sich mittlerweile etabliert haben. Selbstbohrende Schrauben ersetzen zunehmend die alten Balkenschuhverbindungen, werden als biegesteife Verbindung von Rahmenecken eingesetzt oder stellen die Verbindungen von Diagonalstreben zu Ober- und Untergurt von Fachwerkträgern her.1 Mit einem gehärteten Schaft und einer speziellen Spitze versehen, lassen sie sich mittels einer besonderen Einschraubtechnik mit hohen Drehmomenten direkt in das Holz oder in die Holzwerkstoffe bohren und sind dementsprechend als konstruktiv wirksame Verbindung relativ un­kom­pliziert vor Ort herzustellen. Schräg zur Holz­faser gebohrt (zulässige Einschraubwinkel sind derzeit 45  bis  90 Grad), wird die hohe Zuglastfähigkeit (Widerstand gegen Herausziehen) der Schrauben genutzt, um die Bauteile miteinander zu verbinden. Mit zunehmender Neigung der Schrauben steigen die Steifigkeit und die Tragfähigkeit der Verbindung proportional zum Einschraubwinkel – bei einer Neigung der Schrauben von 45 Grad wird eine zwölffache Verbindungssteifigkeit im Vergleich zu Verbindungen mit rechtwinklig angeordneten Schrauben erreicht und die Tragfähigkeit um ein Vielfaches erhöht. Eine parallele Anordnung mehrerer Schrägschrauben erhöht die Tragfähigkeit und Steifigkeit zusätzlich, da

1 Auf dem 41. Fortbildungskurs der Schweizer Arbeitsgemeinschaft für Holzforschung „Werkstoffkombinationen – ein Mehrwert für Holz“ 2009 stellte Hans Joachim Blaß seine Forschungsarbeit vor, in der er vorschlägt, die Verbindungen der Fachwerkgurte aus Brettschichtholz mit den Diagonalstreben aus Brettsperrholz über Schrauben oder Gewindestangen herzustellen.

„Sperr“„Sperr“Schrauben Schrauben

+

+

HauptH au p t tträger r äg er

„Schräg“„Schräg“Schrauben Schrauben

Parallel oder gekreuzt angeordnete, selbstbohrende Schrauben können auftretende Kräfte parallel zur Bauteilfuge übertragen.

+ +

+ „Momenten“„Momenten“Schrauben Schrauben SHERPA SHERPA federförmiger federförmiger Teil Teil

N eb en Nebentträger r äg er

„Momenten“„Momenten“Schrauben Schrauben

SHERPA SHERPA nutförmiger nutförmiger Teil Teil

Der Sherpa-Systemverbinder mit schwalbenschwanzförmig gefräster Nut und Feder kann Zug, Druck, Querkräfte und Torsion aufnehmen.

Neue Technologien und Methoden

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durch den Pressdruck, den die Schrauben in der Fuge erzeugen, eine Reibungskraft entsteht, die in der Bemessung berücksichtigt werden kann. Bei einer gekreuzten Anordnung der Schrauben werden die Lasten in eine diagonale Zug- und Druckkraft zerlegt – bei Trägeranschlüssen an eine Stütze wird dementsprechend eine Schraube auf Zug und die andere Schraube auf Druck beansprucht.2 Über eine parallele Anordnung der gekreuzten Schrauben können selbst Bauteile, die keinen direkten Kontakt haben, sondern über Hohlräume oder weiche Zwischenschichten (Dämmungen) voneinander getrennt sind, miteinander verbunden werden. Ebenfalls ein Novum als mechanische Verbindung im Ingenieurholzbau sind die aus dem Möbelbau bekannten zweiteiligen Verbindersysteme, die nun auch als hoch belastete Anschlüsse von Nebenträgern an Hauptträger eingesetzt werden können. Die Verbindung besteht aus Aluminium- oder Stahlformteilen mit keilförmig gefrästen Nuten oder Langlöchern auf der einen Seite und aufgesetzten Stiften oder Federn an dem Gegenstück, die mittels spezieller Vollgewindeschrauben an den Holzbauteilen befestigt werden, so dass die Träger durch einfaches Einhängen miteinander verbunden werden.3 Durch die Verschraubung schräg zur Holzfaser entstehen hochleistungsfähige Verbindungen mit einer charakteristischen Tragfähigkeit von bis zu 280 kN.

Der Zweikomponenten-Klebstoff „Lignofast“ kann im Sprüh- oder im Gießverfahren aufgetragen werden. Die Kleb­stoffeigenschaften (hart, elastisch, Farbe etc.) können individuell bestimmt und eingestellt werden. Für den Auftrag – die Misch- und Dosiertechnik – des reaktionsschnellen Klebstoffs werden spezielle Maschinen benötigt; das Hochdruck-Gegenstromverfahren ist aus der Automobilindustrie bekannt.

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Geklebte Verbindungen Grundsätzlich sind Klebungen die effizienteste Methode, zwei Elemente kraftschlüssig miteinander zu verbinden. Vor über einhundert Jahren bewirkte die Einführung von Klebeverbindungen bei der Herstellung von Leimbindern einen Dimensionssprung im Holzbau. Die Weiterentwicklung und Verbesserung der Kleb­ stoffe führte zur Herstellung der leistungsfähigen ­Brettschichtholzträger, die heute das Bild des Ingenieurholzbaus prägen. Üblicherweise werden im Ingenieurholzbau als konstruktiv wirksame Klebstoffe Melaminharzleime, Polyurethanklebstoffe, Resorcinharze und Epoxidharze eingesetzt. Neuentwicklungen sind oft Abwandlungen dieser bekannten Systeme, die den Anforderungen entsprechend modifiziert werden. Mit dem Einsatz sogenannter Hochleistungsklebstoffe findet im Holzbau erneut eine Veränderung statt. Einkomponenten-Polyurethanklebstoffe, die dünn aufgetragen werden, bei Raumtemperatur aushärten, wasserfest sind und mit offenen Zeiten4 von 20 Minuten und kurzen Presszeiten von nur 15 Minuten sehr kurze Abbindezeiten haben, verkürzen nicht nur die Produktionszeiten, sondern sie ermöglichen das Kleben von Verbindungen auf der Baustelle – so wurden die geschäfteten Verbindungen des Golfclubs in Yeoju mit PUR-Prepolymeren vor Ort verklebt. Ebenfalls ein Novum ist der Zweikomponenten-Polyureaklebstoff, der

in wenigen Sekunden abbindet und so die Produktionszeiten auf das minimal Mögliche reduziert. Mit dynamischen Niederdruck-Mischern oder durch die Anwendung des Hochdruck-Gegenstromverfahrens kann der ultraschnell abbindende Klebstoff verarbeitet werden, so dass Holzwerkstoffe zukünftig in einer Geschwindigkeit produziert werden können, die einer industriellen Fertigung gleicht.5 Die Verwendung der „Hochleistungsklebstoffe“ steigert die Produktivität und ermöglicht außerdem die Herstellung von Holzträgern „on demand“. Dadurch entfallen nicht nur Lagerkosten, sondern die zeitgenössische Architektur mit ihren doppelt gekrümmten Geometrien und Tragwerken aus individuell geformten Bauteilen kann in einem wirtschaftlich vertretbaren Rahmen bewältigt werden. Zu einer Erweiterung des Anwendungsspektrums sowie zur Effizienzsteigerung führt der Einsatz elastischer Klebstoffe bei der Herstellung von Brettschichtholz. Die Berner Fachhochschule entwickelte in Kooperation mit der Klebstoffindustrie Brettschichtholz mit einer elastischen Klebefuge in der Zugzone des Trägers; der Klebstoff wurde unter genauen Angaben des Anforderungsprofils neu entwickelt. Mit einer erhöhten Biegetragfähigkeit von etwa 20 % und einer reduzierten Steifigkeit von etwa 80 % im Vergleich zu einem Brettschichtholzträger mit starr verbundenen Lamellen eignen sich die Träger für weitgespannte Tragwerke, bei

2 „Selbstbohrende Schrauben und ihre Anwendungsmöglichkeiten“, H. J. Blaß, I. Bejtka, Holzbaukalender, Karlsruhe 2004. 3 Die Fa. Harrer GmbH entwickelte 2009 den Sherpa-Verbinder gemeinsam mit der Stützenfuß (gelenkige Ausführung)

Stützenfuß (eingespannt)

holz.bau forschungs GmbH der Technischen Hochschule in Graz. Ähnliche Verbinder werden von der Fa. Simpson Strong-Tie oder Fa. Knapp hergestellt. 4 Die Herstellung von Klebefugen wird in drei Phasen unterteilt: Die offene Zeit ist die Wartezeit zwischen dem Auftragen des Klebstoffs bis zum Fügen der Lamellen, die geschlossene Zeit ist die Wartezeit zwischen dem Zusammenfügen der Lamellen und dem Einsetzen des Pressdrucks, und die dritte Phase ist die Press­zeit. Bei der bisherigen Produktion von Brettschichtholzträgern führen

Träger – Auflager

Sicherung gegen Abheben

lange Presszeiten oft zu einem Produktionsstau. Seit Kurzem gibt es Polyurethanklebstoffe mit fünfminütigen offenen Zeiten und zwei­minütigen Presszeiten. 5 Die Fa. Nolax ließ den neuen Zweikomponenten-Klebstoff unter dem Namen „Lignofast“ 2008 patentieren. Erstmals wird der reaktionsschnelle Polyureaklebstoff im April 2012 zur Herstellung von Sperrholzplatten verwendet. Da die herkömmlichen Produktionsmaschinen den reaktionsschnellen Klebstoff jedoch

Träger – Ausklinkung

Träger – Durchbruch

nicht verarbeiten können, ist die Herstellung von Brettschichtholz mit dem neuen Klebstoff derzeit noch nicht möglich.

Anwendungsbeispiele der frühen 1980er Jahre für den Einsatz eingeleimter Gewindestangen im Holzbau.

Neue Technologien und Methoden

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denen Verformungen eine untergeordnete Rolle spielen, sowie für den Einsatz in erdbebengefährdeten Gebieten.6

Klebeverbindungen mit Stäben und Platten Parallel zu den Neuentwicklungen von Klebstoffsystemen im Holzbau werden zunehmend Klebungen als neue, tragende Verbindungen im Ingenieurholzbau genutzt. Geklebte Verbindungen lassen sich grundsätzlich in Verbindungen mit ein- bzw. aufgeklebten Dübeln und Platten aus Stahl, Holz oder Kunststoff und in profilierte Stöße, wie zum Beispiel Keilzinken oder Schäftungen, die direkt miteinander verklebt werden, unterteilen. Die Vorteile der Holz-Stahl-Klebeverbindungen gegenüber mechanisch gefügten Verbindungen haben dazu geführt, dass eingeleimte Gewindestangen aus Stahl seit Langem eingesetzt werden, um einfache Anschlüsse an Auflagern auszubilden oder Biegestöße herzustellen.7

Die starre und gleichzeitig duktile Verbindung ist montagefreundlich und kostengünstig, und die verminderte Querschnittsschwächung im Anschlussbereich wirkt sich positiv auf die Dimensionierung der Holzquerschnitte aus. Außerdem treten die Verbindungen durch die Verlagerung des Verbunds in das Innere der Holzbauteile nicht in Erscheinung. Mittlerweile hat sich eine Vielzahl neuer Holz-Stahl-Klebeverbindungen etabliert. Eingeklebte Gewindestangen als neue stiftförmige Verbindung im Ingenieurholzbau werden genutzt, um hochleistungsfähige Knotenpunkte weit spannender Gitternetzschalen, biegesteife und gelenkige Rahmen­ ecken oder Stützenfüße großer Hallenkonstruktionen auszubilden. Beispielhaft für diese Verbindungstechnik ist die relativ kleine Holzkuppel (d = 14,00 m) im türkischen Pavillon auf der Expo 2005 in Japan.8 An den Knotenpunkten der Kuppel treffen jeweils vier gebogene Träger mit stirnseitig eingeleimten Gewindestangen aufeinander. Die Gewindestangen sind am Ende mit

6 Maurice Brunner und Marc Donzé von der Berner Fachhochschule in Biel entwickelten den Brettschichtholzträger mit elastischer Fuge gemeinsam mit der Industrie.

2 x 2 Holz-Senkkopfschr. ø8 x 260 + Holzstopfen ø35

7 Seit Mitte der 1970er Jahre beschäftigen sich Forschungsvorhaben mit der Ausbildung von Anschlüssen aus eingeleimten Gewindestangen. Hilmer

Abdeckung ø60 mm

Riberholt, Technische Universität Dänemark, 1973, Karl Möhler, Klaus Hemmer; Universität Karlsruhe 1981; trotz nicht vorhandener normierter Bemessungsme-

2 x eingeleimte Gewindestangen M16/300 + Muffe

thoden ist die Verbindungstechnik seit etwa Mitte der 1990er Jahre „Stand der Technik“. 8 Seit der Novellierung der DIN 1052 im Jahr 2004 können geklebte Anschlüsse mit Gewindestangen berechnet werden.

2 x eingeleimte Gewindestangen M16/400 + Muffe

Die Kuppel in Aichi, Japan, setzt sich aus gebogenen Brettschichtholzträgern mit zwei unterschiedlichen Radien zusammen. Die biegesteifen Knotenpunkte werden über eingeleimte Gewindestangen hergestellt. Fa. Burgbacher, 2005.

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Die 120 m weit spannende Holzkuppel der Salzlagerhalle in Rheinfelden, Schweiz, beweist die Leistungsfähigkeit moderner Ingenieurkonstruktionen aus Holz. Die kurzen BSH-Stäbe der Schale wurden in den Knotenpunkten über eingeklebte Stahlbauteile miteinander verbunden. Häring & Co. AG, 2012.

Neue Technologien und Methoden

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einer Schraubenmuffe versehen, so dass die Verbindung über ein Stahlrohr (d = 152,4 mm) mittels Schrauben (M 16) hergestellt werden kann. Die Stahlrohre wurden nachträglich von runden Holzplatten verdeckt, so dass die metallischen Verbindungen der Holzkuppel nicht in Erscheinung traten. Trotz fehlender bauaufsichtlicher Zulassung der Verbindungstechnik (Klebstoffe) führte der hohe Wirkungsgrad der Klebeverbindung seit Anfang des neuen Jahrtausends vermehrt zu dessen Einsatz. Die Leistungsfähigkeit der neuen Verbindungstechnik wird eindrucks­voll sichtbar an den bis zu 120 m weit spannenden Kuppeltragwerken der Salzlager in Riburg und der Gitternetzschale des Sportzentrums in Scunthorpe. Die Gitternetzschale in Scunthorpe, die formal aus fünf ineinandergeschobenen Kuppeln mit unterschied­lichen Höhen von bis zu 20 m und Durchmessern von bis zu 65 m besteht, wird von dreieckig angeordneten, gera-

den Stäben aus Brettschichtholz (GL  32c 9) mit einer Höhe von 600 mm und Breiten zwischen 160 und 200 mm gebildet. An die geschweißten Knotenbleche werden sechs Holzstäbe mit faserparallel eingeklebten Gewindestangen (M  16/M  20) über eine einfache Schraubenverbindung angeschlossen.10 Bei der Herstellung des Holz-Stahl-Klebeverbunds unter kontrollierten Bedingungen im Werk wird das Epoxidharz in die 350 bis 550 mm tiefen Bohrlöcher mit einer druckluftgesteuerten Presse über Einfüllbohrungen eingepresst. Entlüftungsbohrungen sorgen für das vollständige Verfüllen der Bohrlöcher. Zusätzlich zu den Verbindungen mit geklebten Gewindestangen wird in den letzten Jahren das Potenzial geklebter Stahlplatten und Rohrhülsen als konstruktive Verbindung im Holzbau untersucht. Erste Pilotprojekte und Experimente zeigen die Leistungsfähigkeit dieser Anschlüsse. Zugversuche an Probekörpern mit vier ein-

Eingeleimte Rohrhülsen für Versuche an dem MPA Wiesbaden. Prof. Leander Bathon.

In die Stirnseiten der Brettschichtholzstäbe wurden jeweils vier Stahlrohrhülsen eingeklebt und mittels Bolzen an das Knotenblech angeschlossen. Der überdimensionale „Fußball“ aus Holzstäben wurde 2006 auf dem Firmengelände der Fa. Haas aufgestellt.

20 /

geklebten Rohrhülsen aus Stahl ergaben ein Versagen der Verbindung bei 450 kN – die Spannungen im Probekörper erreichten damit die anderthalbfache charakteristische Festigkeit üblicher Brettschichtholzträger (GL  24). Die Stahlrohrhülsen, sogenannte HSK-Rohrverbinder, haben einen Durchmesser von 50 mm und eine Länge von 125 mm. Zur besseren Haftung sind sie am Hülsenmantel mit einem Doppelgewinde versehen und besitzen für den Anschluss von Schrauben am Kopf ein integriertes M 16-Gewinde. Erstmals wurde die Verbindung an einem temporären Holztragwerk erprobt, das aus sechs- und fünfeckig angeordneten Holzstäben eine Kugelform mit einem Durchmesser von 26 m ausbildet. Für die Ausbildung hoch beanspruchter, biegesteifer Rahmenecken von Hallenkonstruktionen haben sich mittlerweile unterschiedliche Systeme mit eingeklebten Stahlbändern oder Lochblechen etabliert. Die GSA-

Leis­ten-Montage-Verbinder  11 bestehen aus Stahlbändern, die im Zug- und Druckbereich der Rahmenecken in die Stützen und Träger eingeleimt werden. Eine Gewindestange verbindet die eingeklebten Bänder und nimmt die Differenzkräfte auf. Als Nut-Kamm-Verbindung ausgebildet, werden die Bauteile vor Ort nur noch zusammengesteckt und über Bolzen gesichert. Nach einem ähnlichen Prinzip funktioniert die sogenannte HSK-Rahmenecke.12 In diesem Fall werden speziell gefertigte Stahlformteile, die aus einem Stahlflansch mit drei aufgeschweißten, parallel angeordneten Lochblechen und angeschweißten Augenstäben bestehen, an den Außen- und Innenseiten der Stützen und Träger eingeklebt, so dass die Träger und Stützen auf der Baustelle nur noch gefügt und über eine Bolzenverbindung biegesteif verbunden werden müssen. Die eingeklebten Lochbleche sorgen für eine gleichmäßige Übertragung der Kräfte aus dem Holzquerschnitt

9 GL ist die Abkürzung von „Glued Laminated Timber“ (Brettschichtholz); die nachfolgende Zahl bezeichnet die zulässige, charakteristische Biegefestigkeit in N/mm2, und der Buchstabe h steht für „homogen“, woraus ersichtlich wird, dass alle Lamellen des Brettschichtholzträgers der vorbezeichneten Festigkeitsklasse zuzuordnen sind. 10 Die Bemessung der Verbindungen erfolgte auf der Grundlage von Experimenten an der University of Bath und im Labor der Holzbaufirma Mayr-Melnhof Kaufmann Reuthe GmbH. 11 Die Abkürzung GSA steht für Gewinde-Stangen-Anker; die Technologie als hochleistungsfähige Verbindung wurde von Prof. Ernst Gehri gemeinsam mit der „Neue Holzbau AG“ in der Schweiz entwickelt. 12 Die Holz-Stahl-Klebeverbindung (HSK) wurde an der Materialprüfanstalt für Bauwesen in Wiesbaden und dem Labor für Holzbau an der Hochschule

Die GSA-Gelenkverbindung besteht aus zwei Halbschalen, die über einen Konusring und eine Schraube zusammen­ gezogen werden.

RheinMain entwickelt.

Durch die lokale Verstärkung mittels eingeleimter Eschenholzlamellen erreicht die Verbindung der Rahmenecken mit GSA-Leisten-Montage-Verbindern einen Wirkungsgrad von 1 – mit einer Zugfestigkeit der Esche von 25 N/mm2 kann die Tragfähigkeit von Brettschichtholzträgern der Festigkeitsklasse GL 36 voll ausgenutzt werden. EIZ (Erhaltungs- und Interventionszentrum) Frutigen, Schweiz. Müller & Truniger Architekten, 2007.

Neue Technologien und Methoden

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in die Stahlflansche. Die einfache Montage und die Möglichkeit, die großen Holzrahmen in einzelnen Bestandteilen transportieren zu können, prädestinieren die neue Verbindungstechnik für die Anwendung bei Hallenkonstruktionen in schwer zugänglichen Gebieten. Als Alternative zu eingeklebten Gewindestangen gibt es Bestrebungen, Holzdübel als geklebte Verbindung im Ingenieurholzbau zu etablieren. Tragwerke wie die Zollinger-Bauweise, die sich aus kurzen Holzstäben zusammensetzen, sind für diese Verbindungsmethode besonders geeignet. Die Ingenieure der ­Thermen in Bad Orb und in Bad Sulza haben die Zoll­ inger-Bauweise adaptiert, um mit frei geformten Git­ ternetzschalen13 große Räume zu überspannen. Die Gitternetzschale setzt sich aus etwa 3,60 m langen ­ Brettschichtholzstäben mit einem Querschnitt von 160/240 mm zusammen, die auf einem viereckigen Maschennetz mit einem Achsraster von etwa 1,80 m angeordnet sind. Die Querkraftübertragung in den Knotenpunkten der gekrümmten Holzstäbe erfolgt lediglich über einseitig eingeleimte Buchenholzdübel mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Länge von etwa 14 cm. Eine kleine, aufgenagelte Stahllasche sichert den

Anschluss der Rippen untereinander

Rippe (durchgehend) •  Querschnitt 160/240 mm •  Material BSH GL 24h

Falz 30/55 mm Zur Aufnahme der vorgefertigten Akustik-Elemente

Rippe (einbindend) •  Querschnitt 160/240 mm •  Material BSH GL 24h

Rippe (einbindend) •  Querschnit 160/240 mm •  Material BSH GL 24h Hartholzdollen ø40 mm •  Länge L = 140 mm • eingeklebt

Orientierungsbohrung Zur Lageausrichtung der Einzelrippen im Gesamtsystem

Anschlussbohrung ø40 mm Rippenseitenfläche

Ausnehmung an Oberseite Für Montagesicherung (Lochblechstreifen)

Eingeleimte Holzdübel stellen die Verbindung der Brettschichtholzstäbe in den Knotenpunkten her. Toskana-Therme Bad Orb, Deutschland. Architekt: Ollertz Architekten. Tragwerk: Trabert + Partner, 2010.

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Knotenpunkt während der Montage. Diese auf ein Minimum reduzierte, einfache Verbindung konnte verwirklicht werden, weil das Rippennetz als dritte Lage, im Verbund mit den oberseitigen, zweilagigen, schubfesten Holzbeplankungen, ein Schalentragwerk ausbildet. Gleichzeitig beschäftigen sich Forscher in Japan und Neuseeland seit über zehn Jahren mit Verbindungen stumpf gestoßener Brettschichtholzträger mittels eingeklebter Hartholz- bzw. thermisch verdichteter Holzdübel.14 In der Länge gestaffelte, mehrreihig angeordnete Holzdübelgruppen in der Zug- und Druckzone des Trägers eingebracht, stellen dabei den Verbund her. Die Holzdübel werden parallel zur Holzfaser mit einem Einkomponenten-Polyurethanklebstoff eingeklebt. Mit Zuckerahorndübeln von 12 mm Durchmesser in unterschiedlichen Anordnungen wurde die Verbindung in mehreren Versuchsreihen an Brettschichtholzträgern aus Japanischem Zedernholz getestet.15 Das Ergebnis der Versuche zeigte, dass die Tragfähigkeit der Verbindung mit den üblichen Stabdübelverbindungen aus Stahl zu vergleichen ist, wobei das spröde Bruchverhalten der Holzdübel von Nachteil ist. Für Verbindungen, die ausschließlich auf Zug beansprucht werden, könnten eingeklebte faserverstärk-

te Kunststoffstäbe eine Alternative zu Stahlstäben darstellen – GFK-Stäbe (glasfaserverstärkte Kunststoffe) haben in Längsrichtung eine höhere Festigkeit als Stahlstäbe. Außerdem sind sie korrosionsbeständig, in ihrem Zuschnitt und Einbau leicht zu handhaben und hervorragend geeignet für den Verbund mit Holz. Unter­suchungen an der Universität Kassel zeigten die Praxistauglichkeit solcher Verbindungen auf. Hintergrund der Forschungen war das Bestreben, historische Holztragwerke durch die nachträgliche Umwandlung der traditionellen Zimmermannsverbindungen in zugfeste Anschlüsse zu ertüchtigen.16 Die über einen modifizierten Zweikomponenten-Epoxidharzklebstoff und 10 bis 12 mm starke Kunststoffstäbe mit Längen zwischen 50 und 200 mm hergestellte Verbindung konnte experimentell und rechnerisch nachgewiesen werden. Für die Einführung der Verbindung in die Praxis fehlen jedoch noch einige Langzeituntersuchungen.17

Holz-Holz-Klebeverbindungen Jedes zusätzliche Verbindungsmittel, das in die Holzkonstruktion eingebracht wird, schwächt den Holzquerschnitt und verletzt die Faserstruktur, was sich negativ auf die Dimensionierung der Bauteile auswirkt. Wer-

13 Die Form der zweifach gekrümmten Dachfläche folgt der sogenannten „Ketten­ linie“, die sich bei einem hängenden Seilnetz einstellt. Als Druckstäbe einer Schale ausgebildet, entstehen in den Knotenpunkten ausschließlich Normal­ kräfte. 14 Kohei Komatsu, Jorgen L. Jensen, Akio Koizumi und Takanobu Sasaki beschäftigen sich in unterschiedlichen Teamzusammensetzungen seit 1997 mit Hochleistungsverbindungen aus geklebten Hartholzdübeln. 15 „Moment-resisting joints with hardwood dowels glued-in parallel to grain“, J. Jensen, T. Sasaki, A. Koizumi, Institute of Wood Technology, Akita Pref. University, WTCE, 2004. 16 Der Einsatz von GFK-Stäben ist bei Sanierungen historischer Holztragwerke und dem Austausch schadhafter Holzbauteile als sogenanntes BETA-Verfahren seit Längerem Stand der Technik. 17 Vgl. „Untersuchungen zum Verbund zwischen eingeklebten stiftförmigen faserverstärkten Kunststoffen und Holz“, Carsten Pörtner, Dissertation in der Schriftenreihe „Bauwerkserhaltung und Holzbau“, Heft 2, Kassel, 2006. Seit 1991 wird zu Verbindungen mit eingeklebten faserverstärkten Kunststoffstäben geforscht (Müller, von Roth, Hollinsky). Die frühen Forschungsergebnisse sind jedoch aufgrund der Weiterentwicklung sowohl der Kunststoffe als auch der Klebstoffe nur noch teilweise relevant.

HSK-Rahmenecke: Die Lochbleche der Stahlformteile werden im Werk in der Zug- und in der Druckzone der Rahmenecke eingeklebt. Sie wirken an der Außenseite als Zugband und auf der Innenseite als Druckglied. An den 12 m weit spannenden Dreigelenkrahmen aus Brettschichtholz der Bergehalle bei St. Moritz, Schweiz, konnte die Rahmenecke erstmalig erprobt werden.

Neue Technologien und Methoden

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den die Holzbauteile direkt miteinander verklebt, bleiben die Struktur und der Querschnitt erhalten, und zusätzlich übertragen die flächigen Klebeverbindungen die auftretenden Kräfte großflächig und gleichmäßig. Fehlende Berechnungsmethoden und Kenndaten der Klebstoffe sowie baustellentaugliche Klebstoffsysteme verhinderten bisher die Ausführung konstruktiv wirksamer, flächiger Klebeverbindungen für Anschlüsse und Knotenpunkte. Eine Schwierigkeit bei der Bestimmung der Tragfähigkeit von Klebeverbindungen stellt die nichtlineare Spannungsverteilung in der Klebefuge dar – bei dem Verkleben sich überlappender, elastischer Bauteile entstehen in der Fuge, an den Enden der Überlappungen, Spannungsspitzen, die zum Versagen der Verbindung führen. In jüngsten Untersuchungen konnte jedoch nachgewiesen werden, dass sich die Tragfähigkeit von geklebten Anschlüssen anhand der sogenannten proba­ bilistischen Berechnungsmethode bestimmen lässt.18 Zusätzliche, wichtige Erkenntnisse zum Einfluss unterschiedlicher Klebstoffe, der Klebstoffdicke, der Überlap­ pungslänge und der Fügeteilstärke auf die Spannungsverteilung sowie mögliche Berechnungsmethoden zur Ermittlung des Spannungsverlaufs in der Klebefuge lieferten Untersuchungen, die exemplarisch am Beispiel des Hochregallagers in Ebensee durchgeführt wurden.19 Aufgrund der Übereinstimmung der errechneten und experimentell erfassten Resultate können der Spannungsverlauf in den Klebefugen zukünftig sehr einfach berechnet und die Einflussfaktoren unterschiedlicher Parameter überprüft werden. Mit diesen Ergebnissen eröffnen sich dem Ingenieurholzbau zukünftig neue Möglichkeiten in der Verbindungstechnologie. Neben der Ausbildung von Knotenpunkten und Anschlüssen eines Tragwerks ist die Verlängerung von Trägern und Stützen für das Bauen weit spannender Tragwerke von Bedeutung. Die Trägerlängen werden

unbelastet

dehnstarre Fügeteile

elastische Fügeteile zunehmendes

Einschnittige Überlappungsklebung im belasteten und unbelasteten Zustand. Bei elastischen Fügeteilen entstehen an den Enden der Überlappung Spannungsspitzen, die vom Klebstoff aufgenommen werden müssen.

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von der Fertigung und ganz besonders von den Transportmöglichkeiten, deren wirtschaftliche Grenze bei einer Bauteillänge von 20 bis 25 m liegt, bestimmt. Bei weit spannenden Tragwerken großer Hallen und Brücken weisen die Träger häufig wesentlich größere Längen auf. Mit der Einführung einer neu patentierten, hochwirksamen Klebeverbindung für Holzträgerstöße können Brettschichtholzträger auf der Baustelle mittels Universal-Keilzinken und eines zweifach geschäfteten Zwischenstücks (ebenfalls aus Brettschichtholz) miteinander verbunden werden.20 Hochfeste Holzlamellen, die in der Zugzone im Bereich der Stoßfuge aufgeklebt werden, verstärken und sichern die Verbindung zusätzlich. Auf diese Weise können quasi endlos lange Träger aus Einzelstücken zusammengesetzt werden. Mit einem Wirkungsgrad21 von 0,9 bis 1,0 erreicht die Klebeverbindung die gleichen Festigkeiten wie der Holzträger.22 Ganz ohne Klebstoffe kommt die neu eingeführte Verbindungstechnik des Holzschweißens 23 aus. Das Fügeverfahren nutzt die thermoplastischen Eigenschaften des Lignins, um zwei Holzbauteile miteinander zu verbinden. Dabei wird ein stark vibrierendes Holzstück gegen ein fixiertes Holzstück gepresst, so dass an den Kontaktflächen Reibungswärme entsteht. Bei Temperaturen von über 200°C beginnt das Lignin zu schmelzen, verflüssigt sich und verteilt sich gleichmäßig über die gesamte Nahtstelle. Sobald die Vibra­ tion aussetzt, kühlt sich das Holz ab, und das Lignin härtet unter dem aufgebrachten Pressdruck aus. Der klebstofflose Verbund, der sowohl flächig als auch punktförmig hergestellt werden kann, hat bereits nach wenigen Sekunden seine Endfestigkeit erreicht. Da das Holzschweißen holzeigene Bindungskräfte24 nutzt, differieren die Festigkeiten der Schweißfugen bei unterschiedlichen Holzarten und bewegen sich zwischen 5 N/mm2 bei Eichenlamellen und 10 N/mm2 bei Ahornlamellen.

Als Fortsetzung dieser Untersuchungen beschäftigen sich die neuesten Forschungen mit dem Holzschweißen unter Einsatz von pulverförmigen Klebstoffen und der Entwicklung klebstofffreier Verbindungen für den Ingenieurholzbau.

Verstärkungen von Verbindungen Bei weit spannenden Ingenieurtragwerken aus Holz werden die Knotenpunkte und Anschlüsse üblicherweise über mechanisch gefügte Stahlverbindungen hergestellt. Da die üblichen Stahlverbindungen nur 65 % der Zugfestigkeit des Holzträgers erreichen, stellen sie im Normalfall die „Schwachstellen“ des Holztragwerks dar. Die Tragfähigkeit dieser Verbindungen wird vorrangig von der Rohdichte bzw. Lochleibungsfestigkeit

des Holzes sowie der Dimensionierung, der Festigkeit und der Anordnung der Verbindungsmittel beeinflusst. Außerdem wird sie durch die Anisotropie des Holzes begrenzt und durch die Schwächung des Querschnitts (Bohrungen, Aussparungen etc.) zusätzlich gemindert. Mit einer hohen Festigkeit längs zur Faser besitzt der Werkstoff Holz nur eine geringe Querzugfestigkeit, die in den Anschlussbereichen von wesentlicher Bedeutung ist. Werden Stabdübel oder Nägel auf Abscheren beansprucht, kommt es im Bohrloch zu hohen Druckbelastungen im Holz, was zum Ausknicken der Holzfasern und zur seitlichen Verdrängung der Fasern in den Randbereichen führt. Als Folge entstehen quer zur Faser­Spannungen, die Schub- oder Spaltversagen verursachen können. Um eine Balance zwischen der Trag-

18 Vgl. T. Tannert, S. Hehl, T. Vallée: „Probabilistische Bemessung von geklebten Anschlüssen“, in: Bautechnik, Heft 10 (2010). 19 Vgl. „Modellierung geklebter Stöße am Beispiel Hochregallager“, A. Thiel, in: Tagungsband Internationales Holzbau-Forum (IHF 2011). 20 Fa. HESS ließ den Stoß als „HESS LIMITLESS-Keilstoßsystem“ 2009 patentieren. 21 Der Wirkungsgrad von Verbindungen beschreibt die Tragfähigkeit des Stoßes (unter Einwirkung von Biege-, Normal- und Querkraft) im Verhältnis zu der Tragfähigkeit der Bauteile. 22 Vgl. S. Aicher: „Geklebte Vollstöße großformatiger Brettschichtholzträger“, in: IHF 2011, Bd.  1. 23 Inspiriert von der Autoindustrie, die das „lineare Vibrationsschweißen“ seit Langem einsetzt, um Kunststoffe oder Metalle miteinander zu verbinden, untersucht die Berner Fachhochschule in Biel seit 1993 diese neue Holzfügetechnik in Zusammenarbeit mit der Universität Henri Poincaré in Nancy, die parallel zum rotativen Holzschweißverfahren forscht. 24 Mittels Kernresonanzanalysen wurden bei den Experimenten neue chemische Verbindungen zwischen Lignin und dem Furfural festgestellt.

500 m lange Fußgängerbrücke in Georgien. Die bis zu 48 m langen Brettschicht­holzträger setzen sich aus kleineren Teilstücken zusammen, die vor Ort miteinander verklebt wurden. HESS TIMBER, 2012.

Universalkeilzinkung

Schäftung

Premiumlamelle

Keilstoß-System „HESS LIMITLESS“.

Neue Technologien und Methoden

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fähigkeit der Verbindungen und der Konstruktion zu erreichen, werden die Anschlussbereiche verstärkt. Bisher wurde das Spalten und Versagen der Holzstruktur durch eingeklebte und eingedrehte Gewindestangen oder durch aufgebrachte Holzwerkstoffe und Nagelbleche verhindert. Wesentlich effizienter oder ästhetisch ansprechender ist die Anwendung von selbstbohrenden Vollgewindeschrauben, die mittlerweile als Querzugbewehrung im Bereich von Ausklinkungen und ­Trägeranschlüssen, als Querdruckverstärkung am Auflager, als Verstärkung von Stabdübelverbindungen und als Bewehrung von Holzträgern eingesetzt werden.25 Die Bewehrung hoch beanspruchter Trägerbereiche mittels schräg angeordneter Vollgewindeschrauben nimmt die auftretenden Schubspannungen auf und führt so zu einer höheren Ausnutzung der Tragfähigkeit.­ Seit einigen Jahren wird der Einsatz von textilen Geweben und Faserkunststoffverbunden in Form von Patches, die im Bereich der Bohrlöcher appliziert werden und so die Lochleibungsspannungen verringern, als Verstärkung von Stabdübelverbindungen untersucht.26 Die sogenannten Patches bestehen aus mehrlagigen Glasfaserschichten, die in einer Matrix eingebettet sind. Die Glasfasern können entweder dem ­Kräfteverlauf im Dübelbereich entsprechend in Schlaufen, Spiralen und sternförmigen Gelegen angeordnet werden oder als unidirektionale Glasfasergelege in unterschiedlichen Winkeln (0, 45, 90 Grad) aufeinandergeschichtet werden. Im Verbund mit einem duromeren Epoxidharzsystem entstehen quasi-isotrope Komposite. Als vorgefertigte Halbzeuge in Form von kreisrunden Platten mit einem Außendurchmesser von 120 mm, einem Lochdurchmesser von 20 mm und einer Dicke von 10 mm können die Patches anwenderfreundlich in den

querzuggefährdeten Bereichen in die Fräsungen eingeleimt werden. Als Verstärkung einer Bolzenverbindung eingesetzt, erhöht sich die Traglast um mehr als 200 % gegenüber einer unverstärkten Verbindung. Die Steigerung der Leistungsfähigkeit der Ver­bindungen durch Querzugverstärkungen wird an den größeren Spannweiten der Tragwerke oder den geringeren Bauteil­ dimensionen sichtbar.

Materialvergütungen Um die Materialeigenschaften von Holz wie Festigkeit, Steifigkeit und Witterungsbeständigkeit (Dauerhaftigkeit und Foto- und Dimensionsstabilität) zu verbessern sowie der Anisotropie entgegenzuwirken, wird das Holz mit anderen Materialien kombiniert oder dessen Struktur verändert. Verfahren wie die Acetylierung, die Hydrophobierung, die Wärmebehandlung oder die Tränkung mit Kunststoffharzen, die in den letzten Jahren entwickelt und erprobt wurden, zielen auf die Verbesserung der Witterungsbeständigkeit von Holz und Holzwerkstoffen; aufgrund der negativen Auswirkungen der Behandlungsmethoden auf die physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Bauteile, die sich in der Rissneigung sowie dem Bruch-, Klebe- und Tragverhalten zeigen, konnten sich diese umweltschonenden Me­ thoden zum Holzschutz bisher nicht durchsetzen. Als Bestandteil eines Hybridbauteils, im Verbund mit unbehandeltem Holz, könnten diese Nachteile jedoch ausgeglichen werden. Die Verwendung von Laubhölzern, das Verdichten von Holz und das Herstellen von Formholzprofilen sind

Durch das Lösen von Fasern aus dem Zellverbund bildet sich in der Schweißfuge nach dem Aushärten ein neues Fasernetz, das neben den chemischen Bindungen zwischen verschiedenen Bestandteilen des Holzes für die Festigkeit der Verbindung verantwortlich ist. Die Funktionstüchtigkeit der umweltfreundlichen Schweißverbindung wurde bereits an Snowboards, die mit einem Holzkern aus verschweißten Holzlamellen hergestellt wurden, getestet.

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einfache Mittel und Methoden, um die Leistungsfähigkeit von Holz und damit die Effizienz der Holztragwerke zu steigern. Die Herstellung von Brettschichtholz aus Laubholzlamellen – als simpelste Methode, die Festigkeit und Steifigkeit der Holzbauteile zu erhöhen – scheiterte bisher an der Herstellung eines überprüf­ baren, tragfähigen und dauerhaften Verbundes der Lamellen.27 Während für die Verleimung von Nadelhölzern eine Vielzahl von Klebstoffen zur Verfügung steht, gab es für Laubhölzer bisher keinen Klebstoff, der den Anforderungen einer tragenden Verklebung gerecht wurde. Aufgrund von Forschungsergebnissen, die für die Verleimung von Buchenholzlamellen mit Melamin-

harzen (MUF-Klebstoffe) einen tragfähigen Klebeverbund nachweisen konnten, wurden die Herstellung von Buchenbrettschichtholz und Buchehybriden bauaufsichtlich zugelassen28 und damit die Grundlagen für den breiten Einsatz des neuen Werkstoffs gelegt. Die Biege-, Scher- und Lochleibungsfestigkeiten der Brettschichtholzträger aus Buchenholzlamellen liegen weit über den Werten üblicher Brettschichtholzträger aus Nadelholz; die Biegefestigkeiten werden fast verdoppelt, und die Scherfestigkeiten werden um den Faktor 1,5 erhöht. Den Nachteilen im Herstellungsprozess – mit relativ langen geschlossenen Zeiten von 60 Minuten und 24-stündigen Presszeiten ist die Herstellung

25 „Selbstbohrende Schrauben und ihre Anwendungsmöglichkeiten“, H. J. Blaß, I. Bejtka, Holzbaukalender, Karlsruhe 2004; „Verstärkung von Bauteilen aus Holz mit Vollgewindeschrauben“, I. Bejtka, Karlsruher Berichte zum Ingenieurholzbau 2, Karlsruhe 2005. 26 „Hochleistungsholztragwerke – HHT – Entwicklung von hochbelastbaren Verbundbauweisen im Holzbau mit faserverstärkten Kunststoffen, technischen Textilien und Formpressholz“, P. Haller, M. Hamann, M. Hofmann, TU Dresden. 27 Seit den 1960er Jahren ist das Herstellen von Brettschichtholz aus Laubholz­ lamellen Thema von Forschungen (Egner und Kolb, 1966; Gehri, 1985). Jedoch wurde das Problem der Verleimung für die Anwendung der Träger im Ingenieurholzbau nicht gelöst. Trotz fehlender Normierung wurden in der Schweiz in den letzten 25 Jahren vereinzelt Teile von Tragwerken aus verleimten Laubholz­ lamellen in Buche und Esche realisiert, die jedoch eine Zulassung im Einzelfall benötigten; z. B. die Dörflibrücke in Eggiwil (1985). 28 Das Forschungsvorhaben wurde von der TU München (Holzforschung München) in Kooperation mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Industriepartnern (Fa. Schaffitzel, Obermeier und Türmerleim) ausgeführt. Im Oktober 2009 wurde eine bauaufsichtliche Zulassung für die Herstellung von Brettschichtholz aus Buche bis zu der Festigkeitsklasse GL 48 erteilt. Als Pilotprojekt soll 2014 der Erweiterungsbau der Landesanstalt für Wald- und Forstwirtschaft in Freising aus Buchenbrettschichtholz gebaut werden.

Querdruckverstärkung am Auflager

Querzugverstärkung bei Ausklinkungen

Ansicht

Verstärkungs­ element

Seitenansicht: 1 SDü

Seitenansicht: 2 SDü

Hauptverbindungs­ element

Anwendungsbeispiele für Bauteilverstärkungen mit Vollgewindeschrauben.

Zur Verstärkung von Stabdübelverbindungen werden die Schrauben direkt an dem Metallstab, rechtwinklig zur Faserrichtung sowie rechtwinklig zur Achse der stabförmigen Verbindung, eingebracht. Dadurch wird ein Aufspalten des Holzes verhindert und eine Auflagerwirkung für die Verbindungsmittel erzeugt, die eine Verschiebung reduziert und die Tragfähigkeit der Verbindung annähernd verdoppelt.

Neue Technologien und Methoden

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sehr zeitintensiv – und dem ausgeprägten Quell- und Schwindverhalten der Buche muss allerdings zukünftig begegnet werden. Eine Weiterentwicklung der Klebstoffe und die thermische Behandlung könnten dem entgegenwirken. Eine weitere Möglichkeit, die Festigkeit, Steifigkeit und Dauerhaftigkeit von Holz zu erhöhen, ist die thermomechanische Verdichtung von Vollholz zu sogenanntem Pressholz. Bei der Herstellung wird das Vollholz über beheizte Pressflächen, durch Mikrowellenstrahlen oder über Konvektion unter Nutzung von Wasserdampf als wärmeleitendes Medium auf etwa 130° C erhitzt und in einer Presse mit 5 MPa quer zur Faser verdichtet. Da das Porenvolumen bei Nadelhölzern ca. 60 % beträgt, kann der Querschnitt auf etwa die Hälfte reduziert werden. Bei einer Verdichtung von 50 % verdoppelt sich die Druck- und die Zugfestigkeit parallel zur Faser, die Biege- und die Scherfestigkeit erhöhen sich um den Faktor 2,5 bzw. 1,7, und die Druckfestigkeit quer zur Faser

Verdichten Verdichten

Auftrennen Auftrennen

Verleimen Verleimen

steigt um das 4,5-Fache. Bei einer weiteren Erhitzung über 200° C nimmt die biologische Resistenz zu, was zu einer erhöhten Witterungsbeständigkeit führt. Neben diesen Verbesserungen der Materialeigenschaften entstehen jedoch in Analogie zu einigen Laubhölzern Nachteile bei der Bearbeitung des Materials. Durch die hohe Rohdichte neigt das Holz zum Aufspalten, und der Klebeverbund gestaltet sich schwierig. Eine andere Methode der Materialvergütung – die Herstellung von Formholzprofilen – zielt auf die Materialeffizienz der Holzquerschnitte.29 Den Nachteilen der Holztragwerke, die sich ausschließlich aus Trägern mit Vollholzquerschnitten zusammensetzen, soll entgegengewirkt werden, indem in Analogie zu den technischen Profilen aus Stahl oder Kunststoff effiziente Holzprofile unterschiedlicher Querschnitte hergestellt werden. ­Exemplarisch wurden im Versuchslabor runde Hohlquerschnitte aus 30 % verdichteten Kanthölzern, die mit Resorcinharz zu Holzplatten verleimt wurden, geformt. Da der Formprozess unter Zufuhr von Wärme

Umformen Umformen

Herstellung von Formholzprofilen aus verdichteten Kanthölzern. Die Traglast einer textilbewehrten Rundhohlstütze mit einem Außendurchmesser von 274 mm und einer Materialstärke von 19 mm entspricht­einer runden Vollholzstütze mit einem Durchmesser von 180 mm.

Durch die Verdichtung von Vollholz falten sich die Zellwände zusammen und die Poren schließen sich. Mit der Veränderung der Zellstruktur entsteht quasi ein neuer Werkstoff mit neuen Eigenschaften, die mit dem Grad der Verdichtung variieren.

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und Feuchtigkeit stattfindet, „entfalten“ sich die Zellen des Pressholzes, und die einzelnen Pressholzquerschnitte passen sich den Krümmungen des Holzrohrs an. Mittels Keilzinkverbindungen können die runden Holzrohre in beliebiger Länge hergestellt werden.

Hybride Bauteile Eine spezielle Form der Materialvergütung ist die Herstellung von Hybriden. Hybride bestehen aus der Kombination unterschiedlicher Materialien oder Werkstoffe, wobei die positiven Materialeigenschaften der jeweiligen Fügeteile zum Tragen kommen. Holzhybride wurden bisher aus herkömmlichem Brettschichtholz im Verbund mit Holzlamellen höherer Festigkeitsklassen, Furnierschichtholz, thermisch modifiziertem Holz, Kunstharzpressholz, faserverstärkten Kunststofflamellen, Stahlbändern, Bewehrungsstählen oder textilen Geweben hergestellt und getestet. Damit der Verbund wirksam wird und die unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien und Werkstoffe den jeweiligen Anfor-

derungen an das Bauteil entsprechend genutzt werden können, ist die Qualität der Leimfuge von entscheidender Bedeutung. Der Haftverbund wird von der Oberflächenbeschaffenheit (glatt, rau, offenporig, geschlossenporig), den mikroklimatischen Verhältnissen im Grenzbereich von Leim und Fügeteil und den oft unterschiedlichen Verformungen der Fügeteile, die durch Belastungen, Schwinden, Quellen und Kriechen verursacht werden, beeinflusst. Die Art und Dauer der Belastungen sind für die Langzeittauglichkeit des Verbunds ebenso ausschlag­ gebend wie das Verhalten der Klebstoffe bei unterschiedlichen klimatischen Einflüssen wie Wärme, Kälte, Sonneneinstrahlung, Einwirkung von Feuchtigkeit und Trockenheit. Außerdem sind die Verarbeitung (Einoder Mehrkomponentenklebstoffe, Auftragdicke, Art und Dauer der Aushärtung etc.) und die Eigenschafts­ profile wie die fugenfüllenden Eigenschaften oder die Art des Haftverhaltens (starr, elastisch, plastisch) für die Auswahl der Klebstoffe von Bedeutung. In Abhän-

29 Ein umfangreiches, groß angelegtes Forschungsvorhaben an der TU Dresden in Kooperation mit der HESS TIMBER GmbH beschäftigte sich mit unter­ schiedlichen Möglichkeiten, Holz als hochleistungsfähigen Werkstoff zu etablieren. In diesem Zusammenhang wurden die materialeffizienten Formholzprofile entwickelt und überprüft. „Hochleistungsholztragwerke – HHT – Entwicklung von hochbelastbaren Verbundbauweisen im Holzbau mit faserverstärkten Kunststoffen, technischen Textilien und Formpressholz“, Dresden 2011.

Solid

3D-Textile

Aus den Hohlprofilen lassen sich über sogenannte Zwiesel Baumstützen herstellen. Dabei werden die runden Formholzprofile über eine Zapfenverbin­dung von etwa 20 cm Länge auf die Zwiesel aufgesteckt und mit diesen verklebt, so dass baumkronenartige Verzweigungen entstehen.

Neue Technologien und Methoden

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gigkeit von diesen Parametern muss für die jeweilige Hybridkonstruktion der passende Klebstoff gefunden bzw. entwickelt werden. Neue Hybridkonstruktionen werden meist anhand bekannter Klebstoffsysteme getestet, die dann den Anforderungen entsprechend modifiziert werden. Aufgrund der zahlreichen Parameter, die das Verbundsystem beeinflussen, ist die Entwicklung von Hybriden sehr komplex, weshalb bisher nur wenige Systeme in der Praxis eingeführt wurden. Während Hybridträger aus Nadelholz in Kombination mit Buchenholzrandlamellen mittlerweile bau­ aufsichtlich zugelassen sind und damit zukünftig unkompliziert für weit spannende Tragwerke eingesetzt werden können, werden die Materialeigenschaften anderer Laubhölzer wie Pappel-, Eichen-, Eschen- und Götterbaumholz derzeit noch auf ihre Verbundtauglichkeit mit Nadelholz zum strukturellen Einsatz im Ingenieurholzbau überprüft. Da die Biegefestigkeit der Träger im Wesentlichen von der Zugfestigkeit der Randlamellen bestimmt wird, erreichen Buchen-Hybridträger ähnliche Tragfähigkeiten und Steifigkeiten wie reine Buchenbrettschichtholzträger 30 und sind damit eine wesentlich kostengünstigere Alternative. Eine ebenfalls wirksame Methode kann der partielle Aus-

Betonverbund BSH GL 40k

BSH GL 36k

BSH GL 36k

BSH GL 24k

Betonverbund

tausch der Randlamellen sein, um herkömmliches Brettschichtholz im stark beanspruchten Auflager- und Anschlussbereich zu verstärken. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Verbindungen auf 100 %, was sich wiederum positiv auf die Tragfähigkeit des gesamten Tragwerks auswirkt. In der Schweiz wird Eschenholz, trotz fehlender normierter Berechnungs- und Bemessungsmethoden, vereinzelt als lokale Verstärkung im Auflagerbereich verwendet oder sogar – wie in jüngster Zeit – um ganze Tragwerke aus Eschen-Brettschichtholz oder Eschen-Hybriden herzustellen.31 Für den Neubau einer Sporthalle in Sargans wurden die Eschen-Brettschichtholzträger (GL 48) zusätzlich mit Stahl armiert und erreichten so eine Festigkeits­ klasse von GL 60. Damit erhöhte sich die Tragfähigkeit im Vergleich zu üblichen Brettschichtholzträgern um mehr als das Doppelte; durch den Verbund mit Beton konnte die Dimensionierung der Träger zusätzlich verringert werden. Die extrem schlanken Holzprofile, die mit einem Querschnitt von 140/500 mm eine Länge von 10,65 m überspannen, entfernen sich in ihrem Erscheinungsbild vom herkömmlichen Holzbau. Die Idee, die Leistungsfähigkeit von Brettschichtholzträgern durch den Austausch der Randlamellen zu

Stahlverbund

Ausschlaggebend für den Einsatz von Brettschichtholzträgern aus Eschenlamellen war die hohe Schubbeanspruchung im Auflagerbereich. Eschen-Brettschichtholz erreicht eine anderthalbfache Schubfestigkeit von herkömmlichem Brettschichtholz. Vierfach­sporthalle in Sargans, Neue Holzbau AG, Lungern, Schweiz. blue architects und Rubrecht Architekten, 2012.

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steigern, ist nicht neu. Bereits Ende der 1970er Jahre gab es Untersuchungen zu Hybridträgern mit Furnierschichtholz in der Zugzone,32 die eine höhere Tragfähigkeit des Verbundquerschnitts nachweisen konnten. Als Fortsetzung dieser Forschungen werden in den letzten Jahren Hybridkonstruktionen mit Kunstharzpressholz getestet.33 Kunstharzpressholz besteht aus 1,5 bis 4 mm starken Holzfurnieren, die unter Temperatureinwirkung verdichtet und durch Tränkung in Phenolharz imprägniert und verleimt werden. Das verdichtete Furnierschichtholz zeichnet sich durch sehr hohe Festigkeiten und Steifigkeiten sowie durch eine hohe Witterungsbeständigkeit, die sich in der Dauerhaftigkeit und Dimensionsstabilität zeigt, aus.34 Allerdings darf der Werkstoff aufgrund seines ungünstigen Kriechverhaltens, das durch den hohen Harzanteil verursacht wird, nicht für tragende Bauteile verwendet werden. Im Verbund mit Brettschichtholz könnten die jeweiligen Schwächen der Werkstoffe ausgeglichen werden. Belastungs-, Delaminierungs- und Bewitterungstests an Hybridträgern aus Lärchen-Brettschichtholz mit Randlamellen aus Kunstharzpressholz zeigten positive Ergebnisse auf: Die Tragfähigkeit konnte verdoppelt werden, die Steifigkeit war um etwa den Faktor

1,5 gestiegen, und sowohl die Verbundfuge als auch das Holz hielten der Bewitterung stand. In einem Pilotprojekt wird derzeit das Langzeitverhalten des Hybridträgers überprüft.35 Faserverstärkte Kunststoffe eignen sich mit ihrem geringen Eigengewicht, ihrer extrem hohen Zugfestigkeit und ihrer leichten Verarbeitbarkeit besonders für den Verbund mit Holz. Dementsprechend wird seit Mitte der 1990er Jahre auf diesem Gebiet geforscht. Anfänglich wurden Glas-, Aramid- und Carbonfaserkunststoffe im Verbund mit Holz getestet, bis sich nach der Jahrtausendwende die industriell gefertigten CFK-Lamellen36 (carbonfaserverstärkte Kunststoffe), die aus dem Stahlbetonbau bekannt waren, durchgesetzt haben. Aufgrund der hohen Preise für die Kohlefasern wurden die Kunststofflamellen in den ersten Jahren hauptsächlich als gezielte partielle Verstärkung in Bereichen mit hohen Zug- oder Schubspannungen oder bei Sanierungen und Umbauten zur Verstärkung bestehender Deckenbalken eingesetzt. Zu diesem Zweck werden 50 mm breite Kunststofflamellen in der Zugzone des beidseitig geschlitzten Trägers eingelegt und mit einem zweikomponentigen Epoxidharz-QuarzsandGemisch verklebt. Die fugenfüllenden Eigenschaften

30 „Biegefestigkeit von Brettschichtholz-Hybridträgern mit Randlamellen aus Buchenholz und Kernlamellen aus Nadelholz“, M. Frese, H.  J. Blaß, Karlsruhe 2006. 31 In Arosa (Graubünden) wurde bei der Überdachung einer Skianlage teilweise brettschichtverleimtes Eschenholz eingesetzt. Als Verstärkung im Auflagerbereich dienen Eschenholzlamellen bei der Lagerhalle in Conthey, Schweiz. 32 „Bending strength of small glulam beams with a laminated-veneer tension lamination.“ M. O. Braun, R. C. Moody, Forest Products Journal 27, 1977. 33 „Hochleistungsholztragwerke – HHT – Entwicklung von hochbelastbaren Verbundbauweisen im Holzbau mit faserverstärkten Kunststoffen, technischen Textilien und Formpressholz“, P. Haller, M. Hamann, M. Hofmann, TU Dresden. 34 Kunstharzgebundene Furnierschichtplatten (KHP) werden seit Langem im elektrischen Anlagenbau verwendet. Ihr Einsatz in der Architektur und in strukturellen Anwendungen ist relativ neu. 35 Der Hybridträger aus Brettschichtholz mit Kunstharzpressholz als Verstärkung und Witterungsschutz wurde 2009 patentiert. Im Rahmen des Forschungsprojekts HHT der TU Dresden wird der Hybridträger an einer Brückenkonstruktion getestet. 36 CFK-Lamellen werden seit Anfang der 1990er Jahre als nachträgliche Verstärkung von Stahlbetondecken verwendet. Seit Ende der 1990er Jahre werden die in den USA entwickelten Lamellen in der Schweiz und in den USA als „FiRP ®Technologie“ auch zur Verstärkung von Holzträgern eingesetzt. 1999 wurde erstmals in Europa das Holztragwerk der Lagerhalle der Fa. Bürli in St. Erhard mit Aramid-Fasersträngen bewehrt.

Neue Technologien und Methoden

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und die Möglichkeit, die Klebefuge auch ohne Pressdruck herstellen zu können, prädestiniert Epoxidharz für diese Anwendung. Bei der Herstellung von Kunststoff-Holz-Hybridträgern für den Einsatz im Ingenieurholzbau werden die Kunststofflamellen als Zwischenschicht in der Zugzone des Brettschichtholzes eingeleimt.37 Um die Wirksamkeit der Lamellen im Verbund mit Holzträgern zu erhöhen, wird derzeit der Einsatz von vorgespannten Faserkunststofflamellen auf ihre Praxistauglichkeit getestet. Ebenfalls eine Neuentwicklung sind textile Holzhybride.38 Inspiriert vom Windturbinen- und Bootsbau, die textile Armierungen nutzen, um Holzrotorblätter gegen Feuchtigkeit zu schützen und die Dimensionsstabilität zu erhöhen, entwickelte die TU Dresden textilverstärkte Holzstützen. Durch den Verbund mit technischen Fasern und Textilien werden die geringen Querzug- und Schubfestigkeiten der Holzbauteile ausgeglichen, die Lochleibungsfestigkeit erhöht und das Holz vor der Witterung geschützt. Knickversuche an runden Formholzprofilen aus thermisch verdichtetem Fichtenholz im Verbund

mit schlauchförmigen textilen Geweben, die mittels duromerer Harzsysteme appliziert wurden, ergaben eine Erhöhung der Traglasten um den Faktor 1,6 verglichen mit der unbewehrten Probe sowie ein duktiles Bruchverhalten. Bei textilbewehrten Hohlkastenprofilen aus verleimtem Fichtenholz mit einer Fadenausrichtung von +/– 45 Grad konnte die Druckbelastung sogar verdoppelt werden. Ausschlaggebend für den Wirkungsgrad der textilen Bewehrung sind der Faserwinkel, der Verstärkungsgrad in Form der Anzahl der Gelege oder Faseranteile sowie die Wahl des Materials. Die unterschiedlichen Parameter können den spezifischen statischen Anforderungen entsprechend angepasst werden und so die Effizienz der Verstärkung erhöhen.

Verbundkonstruktionen Neben der Entwicklung von Hybridbauteilen hat sich in den letzten Jahren eine Vielzahl von Forschungen mit Holzverbundkonstruktionen beschäftigt. Als Ergebnis konnten sich Holz-Beton-Verbundkonstruktionen mittlerweile im Brückenbau oder als Deckenkonstruktion

37 Vgl. hierzu Forschungsarbeiten der Universität Karlsruhe, Lehrstuhl für Ingenieurholzbau und Baukonstruktion, H. J. Blaß, M. Romani und M. Schmid oder Daniel Tingley’s Vortrag auf der WTC in Montreau 1998. Mittlerweile wurden von der Fa. Buchacher in Österreich einige Holztragwerke mit Kunststoff-Holz-Hybridträgern gebaut. Die Holztragwerke des Firmengebäudes des Möbelherstellers Blaha und der Messehalle 2 in Klagenfurt wurden mit Glasfaserlamellen verstärkt. 38 Vgl. hierzu Forschungsvorhaben HHT, TU Dresden. 39 Das Forschungsprojekt wurde von der Holzforschung Austria im Verbund mit der TU Wien, der TU München und der ETH Lausanne durchgeführt. Seit Ende der 1990er Jahre beschäftigen sich Forschungen mit Holz-Glas-Verbundkonstruk­ tionen; siehe John Pye (University of Bath), Peter Niedermaier (TU München) und Wolfgang Winter (TU Wien). 40 Es eignen sich sowohl Floatglas, TVG- und VSG-Scheiben für den Verbund. Der Verbund über eine Koppelleiste aus Holz wurde im Rahmen des Forschungs­ projekts 2005 patentiert. Mittlerweile wird der Verbund mit einer GFK-Koppelleiste industriell gefertigt. 41 Der Turm hatte eine Höhe von 11,20 m und einen quadratischen Grundriss mit einer Seitenlänge von 3,60 m; anfänglich wurde er auf der Messe BAU 2003 in München zur Demonstration unterschiedlicher Gläser aufgestellt. Nach der Messe stand der Turm auf dem Werkgelände der Firma.

Durch den Verbund von Kunststofflamellen mit Brettschichtholz erhöht sich die Tragfähigkeit der Träger um 70 % und die Biege­ steifigkeit um 30 % im Vergleich zu unverstärkten Brettschicht­ holzträgern.

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etablieren. Durch den Verbund, der die Zugfestigkeit des Holzes und die Druckfestigkeit des Betons nutzt, entstehen wirtschaftliche, weit spannende Konstruk­ tionen, die zusätzlich gute Schall- und Brandschutzeigenschaften aufweisen. Tragende Holz-Glas-Verbundkonstruktionen sind die neueste Entwicklung in diesem Bereich.39 Ihre hohe Druckfestigkeit lässt die Gläser für die Ableitung der auftretenden Horizontal- oder Vertikalkräfte in Fassaden- und Trägerkonstruktionen geeignet sein. In einer jüngst patentierten Fassadenkonstruktion, die bei Gebäuden mit bis zu zwei Geschossen angewendet werden kann, dienen eingeklebte Glasscheiben als aussteifendes Element.40 Möglich wird die Verbundkonstruktion erst durch die Einführung von elastischen Klebstoffen im Holzbau.

Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften von Glas und Holz würden bei einer starren Ausbildung der Klebefuge Spannungen im System entstehen, die zu Rissbildungen oder sogar zum Bruch führen können. Die Klebefuge muss einerseits nachgiebig sein, um die Spannungen aufnehmen zu können, und gleichzeitig die eingeleiteten Kräfte von einem Element auf das andere übertragen. Außerdem müssen die Lasten schonend und gleichmäßig übertragen werden, damit die Glasscheiben als Aussteifung wirksam werden können. Elastische Klebungen, die aus dem Schiffs- und Automobilbau bekannt sind, erfüllen dieses Anforderungsprofil. Ein Holzturm, der 2003 gebaut wurde, diente als erstes Versuchsprojekt.41 Die aussteifenden Glasscheiben aus Verbundsicherheitsglas, die über eine Koppelleiste elastisch mit den Stützen und Riegeln verbunden

An der TU Dresden wurden Formholzrohre mit unterschiedlicher textiler Bewehrung aus Kohlefaser, Glasfaser und Aramidfaser getestet. Prof. Peer Haller, Lehrstuhl für Ingenieurholzbau und baukonstruktives Entwerfen.

Neue Technologien und Methoden

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wurden, waren hinter der eigentlichen Fassade angebracht. Für den Einsatz des Systems als tragende Fassadenkonstruktion fehlten noch Kenntnisse zum Eigenschaftsprofil der elastischen Klebstoffe und über die Anforderungen, die sich aus dem Verbund ergeben, sowie geeignete Methoden, um das Tragverhalten berechnen und die Konstruktionselemente bemessen zu können. Die Eigenheiten einer elastischen Klebung – statt über Pressdruck und Presszeit wird der Haftverbund über die Oberflächenstruktur der Fügeteile und die Klebstoffapplikation hergestellt – mussten ebenso erforscht werden wie der Einfluss der Geometrie der Klebstoffschicht, die durch die Überlappungsfläche, die Klebstoffdicke und die Querschnittsgestaltung der Klebefuge bestimmt wird, und die Art und Dauer der Beanspruchungen auf die Festigkeit des Verbunds. Anhand dieser Erkenntnisse und der neu entwickelten Rechenmodelle, des sogenannten Federmodells zur Prognose der Verformung und der Schubfeldmethode zur Bestimmung der Tragfähigkeit, konnte 2011 erstmals ein Einfamilienhaus mit einer Holz-Glas-Verbundkonstruktion als Fassade realisiert werden.42 Ein weiteres Forschungsfeld eröffnen Verbundkonstruktionen aus Holz und Kunststoffplatten. Erste praktische Erkenntnisse hierzu lieferte eine Brückenm hohen konstruktion in Darmstadt.43 Die etwa 3  Hauptträger der Brücke wurden als Verbundkonstruktion mit Brettschichtholzbalken als Ober- und Unter-

60 14

36

Druckfuge

40

3

8

3 6

Glasscheibe

4 6

20

Schubfuge Distanzprofil Koppelleiste

Die Glasscheibe wird im Werk unter kontrollierten Bedingungen mit einer Koppelleiste elastisch verklebt und dann vor Ort in die Holzkonstruktion eingesetzt.

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gurt und einer 70 mm starken PMMA-Platte als Steg ausgeführt. Die PMMA-Platte wird als Zwischenschicht von den zweiteiligen Holzgurten (2 × 150/200 mm) gefasst und über Verschraubungen mit Passbolzen (M 20) in einem Abstand von 42 cm mit diesen verbunden. Das vergleichsweise niedrige Elastizitätsmodul des Kunststoffs ist für die Verbundkonstruktion von Vorteil – bevor die Kunststoffplatte an die Grenzen ihrer Belastbarkeit kommt, würde die Konstruktion im Bereich der spröderen Holzbalken versagen. Nachteilig hingegen wirkt sich der hohe Temperaturdehnungskoeffizient des thermoplastischen Werkstoffs aus: Die Spannungen, die bei hohen Temperaturen in dem System entstehen, müssen von der Konstruktion und den Verbindungen kompensiert werden. Viele der beschriebenen Neuerungen verändern den Holzbau schon jetzt nachhaltig. Gleichzeitig verdeutlichen die Forschungen das Potenzial der Holzkonstruktionen. Während die Einführung neuer, hochleistungsfähiger Verbindungen, Werkstoffe und Hybride die Leistungsfähigkeit der Holztragwerke erhöht und das Erscheinungsbild verändert, könnte sich durch die Verknüpfung oder Kombination mehrerer Maßnahmen die Wirksamkeit potenzieren. Der armierte Hybridträger aus Eschen-Brettschichtholz mit einer Festigkeitsklasse von GL 60 44 oder die geklebten, geschäfteten Holzverbindungen bei weit spannenden Ingenieurtragwerken stehen beispielhaft für zukünftiges Bauen mit Holz.

Die Holz-Glas-Verbundkonstruktion der Fassade dient der Aussteifung des Gebäudes. Neue Forschungen beschäftigen sich mit der Erweiterung des Anwendungsspektrums und der Verbesserung des Systems – der verwendete Silikonklebstoff soll zukünftig durch leistungsfähigere Acrylate oder Polyurethane ersetzt werden. Die Anwendung der Konstruktion in mehrgeschossigen Gebäuden oder als Holz-Glas-Verbundträger stellt mögliche weitere Einsatzbereiche dar. „Schattenbox“, Superlab, 2009, www.superlab.at.

42 Das Einfamilienhaus wurde von den Architekten Dold und Hasenauer in Zusammenarbeit mit der Holzforschung Austria in Eichgraben gebaut. 43 Die Verbundkonstruktion wurde von der TU Darmstadt in Kooperation mit dem Kunststoffhersteller Evonik Röhm GmbH entwickelt; als Pilotprojekt wurde 2008 die Fußgängerbrücke über den Schlossgraben in Darmstadt gebaut. 44 Vgl. „Neue Holzbau“, in Holzforschung Schweiz, 01/2011.

Holz-Kunststoff-Verbundträger. Die Verbundträger überspannen als Einfeldträger mit zwei Kragarmen eine Länge von 26 m. Die Brettschichtholzbalken der Festigkeitsklasse GL 28h nehmen die Druck- und Zugkräfte und die Kunststoffplatte die Schubkräfte auf. Schlossgrabenbrücke Darmstadt, Deutschland, 2008.

Neue Technologien und Methoden

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Materialentwicklung im Holzbau Khaled Saleh Pascha

Moderne Fertigungsmethoden und neue Holzwerkstoffe haben ganz maßgeblich die Entwicklung hin zu weitgespannten, leistungsfähigen Tragwerken aus Holz beeinflusst. Wie im Kapitel zur historischen Entwicklung bereits aufgezeigt, konnten weitgespannte Tragwerke aus Holz, die über die Maßbegrenzungen der eigentlichen Baumstämme hinausgingen, nur mit erheblichem Aufwand realisiert werden.

Brettschichtholz Die Brettschichtholzbauweise revolutionierte den Holzbau im 20. Jahrhundert. Mit ihrer Markteinführung zu Beginn des Jahrhunderts war nun möglich, was im klassischen Holzbau nur unter sehr großem Aufwand erreichbar war: die Herstellung von Bauelementen aus Holz mit Dimensionen, die oberhalb der Abmessungen des Ausgangsmaterials, der Baumstämme, liegen. Durch das kontinuierliche Verleimen von Einzellamellen sind in Brettschichtholz theoretisch unbegrenzt große Tragelemente aus Holz herstellbar. Auch konnten nun ohne maßgeblichen Verschnitt gekrümmte Träger oder Stützen aus Holz erstellt werden, die der idealen Momentenlinie ihrer statischen Beanspruchung folgen. Der Holzleimbau (Brettschichtholz) kann als technologischer Nachfolger der Brettlamellenkonstruktion gesehen werden, welcher den schon beschriebenen Nachteil des Ausweichens der einzelnen Lamellen bei

Patent Nr. 197773 von Otto Hetzer von 1906 für ein gebogenes Holzbauteil, das zugleich Stütze und Sparren darstellt.

Biegebeanspruchung verhindert. Durch die Verleimung einzelner 30 bis 40 mm starker, gehobelter Holzlamellen zu kontinuierlichen hölzernen Bauteilen wird ein homogener Materialverbund erzeugt, durch den die Längen- und Breitenlimitierung von Schnittholz aufgehoben wird. Grundsätzlich lassen sich mit dieser Fügetechnologie Bauteile ohne Größen- und Formbeschränkung aus Holz herstellen. Weiterer großer Vorteil der Brettschichtholzkonstruktion ist, dass Schwachstellen im Holzgefüge wie Kernbereiche, Äste, Harzagglomerationen oder Rindenbereiche herausgeschnitten und entsprechend eine garantierte Holzgüteklasse erzeugt werden kann. Das Problem von Schnittholz, dass bereits ein kleines Astloch die strukturelle Qualität des gesamten Bauelementes entscheidend schwächen kann, entfällt somit. Das Verleimen von Holzbrettern zur Erreichung von großen, zusammenhängenden Bauelementen aus Holz ist als Voraussetzung von größeren Spannweiten im Holzbau anzusehen, da erst diese Technologie eine „Bändigung“ des Verformungsverhaltens des Holzes ermöglicht. Maßgeblich waren die Patente vom Zimmermeister Karl Friedrich Otto Hetzer aus den Jahren 1891 bis 1910, die bestimmte zusammengesetzte Holzquerschnit­ te betrafen (Fußbodensystem, zusammengesetzter Holzbalken), die kraftschlüssig miteinander verleimt werden. Das Patent aus dem Jahre 1906 (Deutsches Reichspatent Nr. 197773) betraf ein gebogenes Holzbauteil,

Auditorium im Rohbau. Die Tragstruktur des großen Auditoriums wäre ohne die Möglichkeiten der Brettschichtbauweise, gebogene Holzelemente mit sehr geringem Verschnitt herstellen zu können, ökonomisch und technisch nicht realisierbar gewesen. Centro Cultural Matucana 100 in Santiago de Chile, Chile. Architekt: Martín Hurtado, 2002.

Materialentwicklung im Holzbau

37

eine Kombination von Stütze und Sparren aus mehreren Lamellen, das im Wesentlichen einem verleimten Brettschichtträger entsprach. Insbesondere dieses Patent kann als Meilenstein des modernen Holzleimbaus betrachtet werden. Das im Patent Hetzers erwähnte kombinierte Bauteil aus Träger und Stütze verdeutlicht geradezu idealtypisch die Möglichkeiten dieser neuen Bauweise, geschwungene Formen ohne Verschnitt aus Holz zu erstellen. Die einzelnen Holzlamellen wurden entsprechend der gewünschten Form gebogen und miteinander verleimt. Durch die Verleimung „sperren“ die einzelnen Segmente untereinander, d. h. die geschwungene Form des Bauteils bleibt erhalten, wobei nur die wirklich benötigte Holzmenge zum Generieren der Form zum Einsatz kam. Die bisher gültige Limitation auf stabförmige Bauelemente in Holz konnte mit der Leimbauweise aufgehoben werden. Holzbretter können nun bis an die Grenze ihrer Belastbarkeit unter Spannung in eine radiale Form gebracht werden und untereinander verleimt werden, was einer Fixierung der Form nach der Verleimung entspricht. Je nach statischem System kann die in die Holzfaserstruktur eingebrachte Vorspannung durch die Biegung der Hölzer eine weitere Verbesserung der Tragwirkung bedeuten.

Entscheidend für die Dauerfestigkeit der Verbindung der einzelnen Lamellen ist die zur Verfügung stehende Leimtechnologie. Dabei ist grundsätzlich festzustellen, dass das Leimen (oder Kleben) keine traditionelle Holzverbindungsart ist, sondern sehr eng mit der Entwicklung des modernen Ingenieurholzbaus verbunden ist. Im Gegensatz zu den mechanischen Verbindungsmitteln, die eine punktuelle Verbindung schaffen und häufig nicht biegesteif sind, handelt es sich bei der Leimverbindung um eine starre, flächige Verbindung, ein wesentlicher Vorteil zur Entwicklung von zusammengesetzten, homogenen Bauteilen.1 Auch wenn das Leimen schon in der Antike bekannt war, so wandte man bis in die Neuzeit diese Verbindungstechnologie weniger im Bauwesen als im Möbel- oder Instrumentenbau an. Die gebräuchlichen Knochenleime (Glutinleime) der damaligen Zeit bedingten einen hohen Herstellungs- und Verarbeitungsaufwand und die damit verbundenen hohe Kosten, die im Bauwesen nicht zu rechtfertigen waren. Hinzu kamen die bereits erwähnten statisch-konstruktiven Einschränkungen, verursacht durch die geringe Qualität des Leimes und seine unzureichende Witterungsbeständigkeit. Zum Zeitpunkt der Brettschichtholzerfindung, d. h. zu Beginn des 20. Jahrhunderts, kamen im Bauwesen

1 Vgl. J. L. Moro, B. Alihodzic, M. Weißbach: Baukonstruktion – Vom Prinzip zum Detail. 3: Umsetzung, Berlin 2008, S. 260.

Durch Brettschicht­holz kann das natürliche Maßlimit von Konstruktionen aus Vollholz aufgehoben werden. Der bogenförmige Untergurt des Fachwerks wäre ungleich auf­ wändiger, verschnittrei­cher und statisch weniger effizient, wenn er nicht bogenförmig verleimt worden wäre. Brettschichtholzbinder bei der WIEHAG, Altheim, Österreich, 2008.

38 /

Träger aus verleimten Brettlagen, um 1910.

Ein interessantes Anwendungsbeispiel von Brettschichtholz, das den Dimensionssprung, den diese Technologie ermöglicht, gut demonstriert, ist das Hochregallager für Salz der Salinen Austria AG in Ebensee, Österreich, das mit einer Länge von 110 m, einer Breite von 22 m und einer Höhe von 21 m zu einer der größten reinen Holzkonstruktionen gehört. Es hat mit der besonderen Funktion des Gebäudes als Salzlager zu tun, dass nicht nur alle vertikalen und horizontalen Tragelemente in Brettschichtholz ausgeführt wurden, sondern auch die Holzverbindungen zwischen den Einzelelementen als traditionelle Schwalbenschwanzverbindung in CNC-Fertigung ausgebildet wurden. Die sonst geläufigen Hochregalkonstruktionen aus Stahl schieden aufgrund der sehr hohen korrosiven Belastung durch das im Regallager aufbewahrte Salz aus. Der Aufwand für eine mehrfache Beschichtung der Stahlkonstruktion und eine erhöhte Wartung hätten zu einer ökonomisch nicht mehr vertretbaren Lösung geführt, wohingegen die Holzkonstruktion keiner zusätzlichen Behandlung gegen Salzkorrosion bedarf. Die 96 cm breiten und 12 cm dicken scheibenförmigen Stützen sind in einem Stück über ihre gesamte Höhe von 21 m komplett als Regalmodule vorgefertigt. Windverbände aus Stahl an den Stirnseiten bzw. zwischen den Stützen dienen der Aussteifung des Gebäudes. Der große Vorteil des Brettschichtholzes ist hier nicht die gestalterische Freiheit, auch gekrümmte Formen mit vergleichbar geringem Aufwand und Materialverschnitt herstellen zu können, sondern die Möglichkeit, Holzelemente in sehr großen Dimensionen in einem Stück fertigen zu können. Die statischen und montagetechnischen Vorteile, die die über 21 m durchlaufenden Stützen im Gesamtverbund der Hochregalkonstruktion aufweisen, überwiegen die Mehraufwendungen für den Transport solch großer Elemente.

Hochregallager der Salinen Austria AG in Ebensee bei Salzburg, Österreich. Planung und Ausführung: Kaufmann Bausysteme GmbH, Reuthe, Österreich.

Materialentwicklung im Holzbau

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vor allem Kaseinleime aus sauer geronnenem Milchkasein, das mit Kalziumverbindungen versetzt wurde, als Verbindungsmittel zur Anwendung. Diese traditionell gebräuchlichen Kaseinleime und insbesondere die Glutinleime auf Basis von organischen Eiweiß-PhosphorVerbindungen erreichen nur eine geringe Wasserfestigkeit (Glutinleime gar keine) und geringe Schubfestigkeiten, was häufig zum Öffnen der Fugen infolge Eigenspannung des Holzes führt. Die Abbindezeit ist in beiden Fällen lang. Längere Zeit war somit der Leim die Schwachstelle, die einer wahren Homogenität des Verbundes zwischen Holz und Bindemittel entgegenstand. Mit der Erfindung des ersten modernen, kalthärtenden Kunstharzleims auf Harnstoffbasis, dem Kauritleim im Jahre 1928, stand ein Verbindungsmittel zur Verfü-

gung, das absolut wasserfest und resistent gegen Schimmelbildung war.2 Im Laufe ihrer weiteren Entwicklung wurden diese modernen Kunstharzleime weiter verbessert und erreichen heute im Klebeverbund einen höheren Haftverbund als die Holzfasern selbst, d. h. dass ein mögliches Versagen von geleimten Holzbauteilen meist nicht im geleimten Bereich, sondern im Holzverbund selbst stattfindet. Moderne Kunstharz­leime sind heute preiswert in ihrer Herstellung, die Verar­ beitung ist überaus einfach, die Abbindezeiten, je nach verwen­deter Leimsorte, den Erfordernissen anpassbar. Außer­dem sind sie witterungs- und altersbeständig, so dass der Siegeszug der modernen Brettschichtholzbauweise ohne die entsprechend zur Verfügung stehende Leimtechnologie undenkbar wäre.

Ein wiederum völlig anderes Tragwerkskonzept für Gebäude der Salzlagerung findet sich im zentralen schweizerischen Salzlager in Rheinfelden. Im Gegensatz zu dem Hochregallager in Ebensee wird hier das eingelagerte Salz, das für Auftauzwecke im Straßenverkehr eingesetzt wird, in einer kuppelartigen Konstruktion vor Witterungseinflüssen geschützt. Die Kuppel des Salzlagers ist mit einem Durchmesser von 93 m und einer Höhe von 31 m die größte der Schweiz und hat eine Kapazität zur Einlagerung von 80.000 t Salz. Im Falle vom Salzlager in Riburg, die größte bisher realisierte Anlage in der Schweiz, wurden 1.500 m3 einheimische Weißtanne und Fichte für die Konstruktion verwendet, die aus regionaler Produktion stammen und aufgrund des Salzgehalts der Luft in der Halle, welcher konservierend auf das Holz einwirkt, unbehandelt verbaut werden konnten. Das Tragwerk der Kuppel besteht aus einem Netzwerk von 402 Brettschicht­ holzbalken, die in ihrem Schnittpunkt mit einer zentralen Stahlnabe miteinander verschraubt werden, den sogenannten Ensphere©-Verbindern. Diese patentierte Konstruktion wurde vom verantwortlichen Holzbauunternehmens Häring entwickelt, welches bereits eine ganze Reihe von ähnlichen Holznetzschalen für die Schüttgutlagerung nach diesem Prinzip (unter dem Namen Saldome®) realisiert hat.

Salzlagerhalle der Schweizer Rheinsalinen in Rheinfelden, Schweiz. Planung und Ausführung: Häring & Co. AG, Pratteln, Schweiz, 2004 – 05.

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Ein weiterer Schritt, der unmittelbar mit der Entwicklung der modernen Leime zu tun hat, revolutionierte die Herstellung von hölzernen Trägern und Stützen mit großen Abmessungen: die Keilzinkung. Die logischste Methode zur Fertigung von Stützen und Trägern mit Längen außerhalb des natürlichen Maßlimits von Baumstämmen wäre eine kontinuierliche Verleimung von Holzquerschnitten aneinander. Da eine Verleimung quer zur Faserrichtung des Holzes jedoch nicht möglich ist, wurde die Keilzinkung entwickelt, die aufgrund der eingefrästen Keile in Längsrichtung des Holzes eine ausreichend große Kontaktfläche, annähernd parallel zur Wachstumsrichtung des Holzes, ausbildet, was eine Verleimung untereinander erlaubt. In automatischen Keilzinkanlagen werden die Keilzinkverbindungen in den anzuschließenden Kontaktflächen mit Zinkenlängen bis zu 50 mm gefräst und dann anschließend unter Druck verleimt. In der Brettschichtbauweise werden die einzelnen Holzbretter mittels Keilzinkung zu kontinuierlichen Holzlamellen verbunden, was dazu führt, dass die ­Stöße zwischen den Brettern nicht mehr potenzielle Schwachstellen im Gesamtgefüge darstellen. In der Kombination von mehrlagigem Schichtaufbau, hochfes­ ten und dauerhaften Leimen und der Keilzinkung als Stoßverbindung konnten mit der Brettschichtbauweise wesentlich höhere Tragfähigkeiten erreicht werden als mit Vollholz bei gleichem Querschnitt. Zudem wurde, was für den Ingenieurholzbau von besonderer Bedeutung ist, durch Ausschluss von Fehlstellen und Homogenisierung von Holzqualitäten im Verbund eine weitgehende Normierung von Holzqualitäten und damit eine statische Kalkulierbarkeit möglich, Voraussetzung für die Entwicklung von tragwerkstechnisch anspruchsvollen Holzkonstruktionen. Ein wesentlicher Punkt in der Qualitätssteigerung und damit der Leistungsfähigkeit von Brettschichtholz im Allgemeinen ist die Qualitätssicherung durch die Verwendung spezifischer, prüf- und normierbarer Holzqualitäten. Die im Vollholz häufig auftretenden wachstumsungen durch bedingten Fehler wie Materialschwäch­ Astlöcher, Harzansammlungen, Fäulnisstellen etc. kön-

nen detektiert und herausgeschnitten werden. Die verbleibenden, den gesetzten Qualitätsanforderungen entsprechenden Segmente werden durch Keilzinkung miteinander wieder verbunden und erzeugen somit eine kontinuierliche Lamelle mit gleich­bleibender Holzqualität, die dann in weiteren Prozessschritten zu Brettschichtholzbauelementen verarbeitet werden. Nicht nur die Entfernung von Astlöchern oder Bereichen mit Wachstumsstörungen erlauben eine einheitliche Klassifizierung des Holzes. Auch die weiteren Möglichkeiten der Vorsortierung der Brettlamellen mittels automatisierter Qualitätsbestimmung durch Röntgen, Scannen und mechanische Prüfung (Biegen) erlauben eine Klassifizierung und Sortierung hinsichtlich nicht sichtbarer Eigenschaften gemäß der statischen Beanspruchung des Bauteils. Somit können entsprechend hochwertige, nach Qualität sortierte Brettlamellen im Fall eines stark beanspruchten Bauteils bevorzugt eingesetzt werden. Auch lassen sich durch Mischung vorhandener Sortierklassen die Qualitäten einzelner Brettlamellen innerhalb eines Querschnittes den statischen Ansprüchen entsprechend optimal und effizient einsetzen: Die Brettlamellen im inneren, weniger beanspruchten Querschnitt des Trägers können aus Lamellen einer niedrigen Sortierklasse erzeugt werden, wohingegen die äußeren Lamellen im Druck- und Zugbereich aus einer höheren Sortierklasse bestehen, was zu einer besseren Ausnützung des eingesetzten Rohstoffes und schlussendlich zu geringeren Herstellungskosten führt. Nicht zuletzt erlaubt diese Vorsortierung der Brettlamellen auch eine gestalterische Qualitäts­ sicherung, indem die äußeren Lamellenlagen der Holzbauteile aus astfreiem und optisch ansprechenderem Material bestehen können als die nicht sichtbaren inneren Querschnittschichten. Schlussendlich lassen sich Massivholzelemente mit nahezu perfekt angepasster Holzqualität herstellen, die aufgrund der Homogenität des Materials eine um ca. 80 % höhere Tragfähigkeit als normales Bauschnitt- bzw. Vollholz erreicht. Weiterer Vorteil des Brettschichtholzes ist die höhere Rissbeständigkeit gegenüber Vollholz, was auf die Verleimung von drei oder mehr Brettlagen und die da-

2 Vgl. W. Rug: „Innovationen im Holzbau – Die Hetzerbauweise“ (Teil 2), in: Bautechnik 72 (1995), Heft 4, S. 236.

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mit verbundene Homogenisierung des Gesamtholzquerschnitts zurückzuführen ist. Die Brettschichtholzbauweise ermöglicht eine große gestalterische Bandbreite. Das gekrümmte Verleimen von Brettschichtholz in entsprechend geformten Matrizen erlaubt die Erstellung einer großen Zahl unterschiedlicher Geometrien für Stützen und Träger. Unter Zuhilfenahme von Matrizen und Formen können einzelne Brettlagen unter Spannung in radialer Form zu großen Elementen verleimt werden, dies unter Beibehaltung der longitudinalen Faserrichtung des Holzes, was im konventionellen Massivholzbau nicht möglich wäre. Außerdem wäre die Erstellung von gekrümmten Elementen durch Herausschneiden aus massiven Bohlen mit hohem Verschnitt verbunden. Gerade diese letzte Besonderheit des Brettschichtholzes hat die Formensprache des Holzbaus im 20. Jahrhundert entscheidend geprägt. Geschwungene

Stützen und Träger, aufgelöste und wie geflochten wirkende Trägerroste bereichern die Formensprache des neuzeitlichen Holzbaus. Ähnlich wie zur Zeit des Aufkommens der modernen Schalungstechnik im Betonbau des 20. Jahrhunderts, die erstmals Konstruktionen wie die eines Pier Luigi Nervi realisierbar werden ließ, so ist auch der moderne Brettschichtholzbau eine technologische Entwicklungsstufe, die erheblichen Einfluss auf die Ästhetik ihrer Zeit hat. Zu den gestalterischen Möglichkeiten, die der Brettschichtholzbau in Bezug auf Dimension und Formensprache im Holzbau eröffnet, gesellt sich eine weitere technologische Entwicklung der letzten Jahre, die im Verbund mit dem Brettschichtholz eine völlige Neubestimmung der Ästhetik von Holzbau einleitete: die CNC-, d. h. computergestützte Fertigung. Hierbei werden die Holzrohlinge aus Brettschichtholz ansatzweise der gewünschten Endform entsprechend

Die Bogenträger der 2007 fertiggestellten Messe Wels, Österreich, von AT4 Architekten. Mit Abmessungen von 90 m Länge, 6 m Breite und 12 m Höhe sind die Bogenträger, die die 14.400 m2 große stützenfreie Messehalle abspannen, ein eindrucksvolles Beispiel der Möglichkei­ ten von Brettschichtholzkonstruktionen. Die äußere Lage im Öffnungsbereich des sich spreizenden Trägers ist eine „Verschleißschicht“ aus hochkant verleimtem Brettschichtholz, das, da der Witterung ausgesetzt, zu einem späteren Zeitpunkt ausgetauscht werden kann und schon allein durch die Faserrichtung seine nichttragende Funktion ausweist.

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Ein Beispiel für die gestalterisch-technischen Möglichkeiten des Brettschichtholzes zur Erstellung nichtlinearer Elemente durch Matrizen ist das 143 m lange und 11 m hohe Gebäude für die Weinproduktion des Weingutes Pérez Cruz im Maipo-Tal in Chile, das vom chilenischen Architekten José Cruz Ovalle entworfen wurde. Die geschwungenen Brettschichtholzstützen, die das weit auskragende Dach tragen, setzen sich im Inneren als Rippen fort, die gleichzeitig das Tragwerk für ein hölzernes Tonnengewölbe sind. Im Zenit der Kuppeln, geschützt durch das weit auskragende Flachdach, das mit Abstand über dem Tonnengewölbe konstruiert wurde, sind große Lichtöffnungen angebracht, die die Produktions- und Administrationsbereiche im Inneren mit natürlichem Tageslicht versorgen. Auch wenn die geschwungenen Stützen im Außenbereich aufgrund der Biegebeanspruchung und der damit verbundenen Verformung bei Vertikallast statisch nicht die optimale Form aufweisen, so ist doch der Baustoff Holz gut in der Lage, diese Biegebeanspruchungen ohne Schäden über einen langen Zeitraum aufzunehmen. Ungeachtet dessen sind jedoch die formalen Ausdrucksmöglichkeiten der geschwungenen Träger und Stützen beeindruckend. Die bis zu 10 m langen geschwungenen Träger, die einen Stich von immerhin 1 m aufweisen, sind wirtschaftlich nur in Brettschichtbauweise realisierbar.

Weingut Pérez Cruz in Chile. Architekt: José Cruz Ovalle, 2000 – 02.

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Die gleiche Bauaufgabe, eine Produktionseinrichtung für Wein im Norden Spaniens, eine sehr ähnliche, wenngleich reduziertere Formensprache und vor allem die gleiche Brettschichttechnologie, aus der die parabolförmigen Träger der Hauptkonstruktion bestehen, zeichnen die 18 m weit spannende Holzkonstruktion in der Nähe von Valladolid von Rogers Stirk Harbour aus. Das Primärtragwerk der Bögen beruht auf den Dreigelenkbogen, ein statisch bestimmtes System, das sich darin auszeichnet, dass in Feldmitte (im Scheitelpunkt der Bögen) und in ihren Auflagern lediglich gelenkige Verbindungen ausge­ bildet werden. Diese Tragwerke zeichnen sich durch besonders hohe Materialeffizienz und, bedingt durch die gelenkigen Auflager, einfache Fundamente aus, was sie zu effektiven und wirtschaftlichen Konstruk­ tionen macht. Die Hauptträger sind im Abstand von 9 m angeordnet, was zur Folge hat, dass der große Abstand zwischen den Bögen eine entsprechend hohe und massive Sekundärträgerlage und zusätzlich eine Tertiärträgerlage parallel zu den Hauptbögen erfordert. Die eigentliche Dachschale scheint über den Bögen zu schweben, ein Effekt, der von den v-förmigen Stahlverbindungen zwischen Hauptbogen und Nebenträger herrührt. Diese Aufspreizungen in Nebenträgerlage nehmen zum Boden hin zu, so dass die Dachschale im Auflagerbereich der Bögen in gewisser Höhe zusammentrifft und einen kontinuierlichen Raumeindruck im Inneren der Produktionshalle entstehen lässt. Die hinterlüftete Dacheindeckung aus Terrakotta-Platten, das tief eingegrabene Untergeschoss aus Beton, die tiefen Fassadenrücksprünge von 9 m in den Stirnfassaden verhindern eine zu starke Aufheizung des Gebäudes im Sommer und sind für eine gleichmäßige Tempera­turverteilung im ganzen Jahr verantwortlich, eine der Grundanforderungen für die Produktion und vor allem für die Lagerung von Wein (was im Kellergeschoss geschieht). Der Einsatz der Brettschichtholztechnologie ist auch hier, wie im vorherigen Fall, auf die Möglichkeiten der Herstellung von in lediglich einer Ebene gekrümmten Elemente beschränkt, was keine komplexe, computergesteuerte Fertigung verlangt. Hier reichen einfache Matrizen, an die die einzelnen Holzlagen unter Spannung angeschmiegt und untereinander verleimt werden, um die gewünschte Formgebung zu erreichen.

Bodegas Proto, Peñafiel, Valladolid, Spanien. Architekt: Rogers Stirk Harbour + Partners. Tragwerksplanung: Arup/Boma/Agroindus, 2003 – 08.

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Die in der Nähe von Genf in Frankreich realisierte Anlage umfasst so unterschiedliche Funktionen wie ein Einkaufszentrum, ein Hotel, Restaurants, Sportanlagen und ein großes Freizeitbad. Das Einkaufs- wie auch das Sportzentrum mit ihrer insgesamt ca. 15.000 m2 Grundfläche sind in einem leicht geschwungenen, schmalen Stahlbetonskelettbau mit begrünten Dächern untergebracht, wohingegen der überdachte Teil des Freizeitbades sich mit seiner geschwungenen Dachform als räumliches Holzfachwerk prägnant vor dem Alpenpanorama im Hintergrund abzeichnet. Die Holzkonstruktion des Freizeitbades umschließt insgesamt 4.300 m2 Grundfläche, deren wellenartige Form eine Gesamtlänge von 120 m und 65 m Breite einfasst. Die Dachkonstruktion besteht aus 14 Zweigelenkbögen mit Spannweiten von 30 bis 42 m, die als fachwerkar­ tige Bogenträger aus gekrümmten Ober- und Untergurten aus heimischem Tannen-Brettschichtholz mit 320 mm Durchmesser und 2,97 m maximaler statischer Höhe ausgebildet sind. Die Sekundärstruktur wird durch insgesamt 1.300 Brettschichtholzelemente mit ebenfalls kreisförmigen Durchmessern ausgebildet, die die räumliche Fachwerkstruktur in Gebäudelängsrichtung vervollständigen. Dabei werden zwei Fachwerkbinder derart miteinander verbunden, dass eine Art Dreigurtbinder entsteht, definiert durch die beiden Fachwerkbinder und einen im Teilungsfeld befindlichen Obergurt aus gekrümmten Stäben. Für die Verbindung der einzelnen Holzstäbe untereinander wurde das patentierte System Résix® der Fa. SAS Simonin ein­gesetzt. Dabei werden zwei Fachwerkbinder derart miteinander verbunden, dass eine Art Dreigurtbinder entsteht, definiert durch die beiden Fachwerkbinder und einen im Teilungsfeld befindlichen Obergurt aus gekrümmten Stäben. Durch die im Holz eingelassene metallische Verbindung wird gleichzeitig ein Korrosionsschutz der Metallteile in der chlorreichen Atmo­sphäre des Schwimmbades erreicht. Die Nebenträger, die die einzelnen Fachwerksbögen horizontal verbinden, sind sickenartig abfallend gekrümmt, um sich der Form der pneumatischen ETFE-Kissen anzupassen, die die eigentliche Dachhaut bilden und die jeweils an den Obergurten der Holzbinder, die gleichzeitig die Naht- und Kontaktstelle der Kissenkonstruktion darstellen, durch Anschlusselemente aus Aluminium befestigt werden. Die Holzkonstruktion des räumlichen Fachwerks ist ohne den Einsatz von CNC-Bearbeitungsmaschinen technisch und ökonomisch nicht realisierbar. Die im Querschnitt runden und gleichzeitig linear gekrümmten Holzstäbe der Ober- und Untergurte und der Verbindungsstäbe zwischen den Obergurten sind mit Standard-Holzbearbeitungsmaschinen nicht zu fertigen. Der kleine Unterschied zwischen Bogenträgern mit rechteckigem oder rundem Querschnitt bedingt einen radikalen Wechsel in der Fertigungstechnologie, da die Freiformflächen, die aus der zweifachen Krümmung resultieren, großforma­tige, mehrachsige CNC-gesteuerte Werkzeugmaschinen für ihre Fertigung benötigen.

Freizeitzentrum Vitam’Parc in Neydens, Haute-Savoie, Frankreich. Architekt: L 35 Arquitectos, Barcelona. Tragwerksingenieur Holzbau: Charpente Concept France, Perly, 2007 – 09.

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grob zusammengeleimt und in einem weiteren Schritt per CNC-kontrollierter Werkzeugmaschine auf die exakte Form zugeschnitten. Dabei teilt sich der Fertigungsprozess in einen handwerklichen Teil, in dem nach traditionellen Methoden die Rohform gefertigt wird, und in einen hochgradig automatisierten, häufig sehr komplexen Teil, der geometrischen Formgebung durch die computergesteuerte Werkzeugmaschine. Dabei sind die Möglichkeiten der computergesteuerten Werkzeugmaschinen vielfältig: Sie reichen von CNCgesteuerten Abbundanlagen mit dreiachsiger Beweglichkeit, die die einzelnen Werkstücke in x-, y- und zRichtung bearbeiten können, bis hin zu fünfachsigen CNC-Maschinen, die aufgrund zweier weiterer räumlicher Freiheitsgrade am Werkzeugkopf eine hochgradig komplex-räumliche Werkstückbearbeitung mit Unterschnitten und Aushöhlungen erlauben. Neben Fräsköpfen sind auch Sägen und Bohrer am Werkzeugkopf

montierbar, was die Bearbeitungsmöglichkeiten entsprechend vervielfacht. Da die Formgebung aus Voll­ material im Falle von Holz besonders einfach und werkzeugschonend ist, hat sich insbesondere im Holzbau diese avancierte Form der Materialformgebung als auch wirtschaftliche Variante durchgesetzt. In Fällen sehr großer Spannweite ist selbst bei optimaler Planung und Ausführung von Brettschichtholzträgern eine wirtschaftliche Grenze von Trägerhöhe zu Spannweite erreicht. Neben Möglichkeiten der kons­ truktiven Unterstützung durch Stahlzugglieder (unterspannte Träger) ist auch eine nichtsichtbare Verbundlösung aus Holz mit Kunststoff-, Glas- oder Karbon­fasern eine Möglichkeit der Verbesserung der statischen Leistungsfähigkeit von Brettschichtholzträgern. Hierbei werden Kohle-, Glas- oder Aramidfasern in der Zug­ zone von Biegeträgern aus Brettschichtholz verklebt. Dabei werden die Kunstfasern parallel oder quer zur

Der Turm hat eine Gesamthöhe von 66 m. Jeweils sechs Brettschichtholzpfosten 20/20 cm bilden eine der sechs Hauptstützen. Dank der Brettschichtholztechnologie war es möglich, den Turm in vier Segmenten auf der Baustelle vorzumontieren und diese dann per Kran in ihre Höhenposition zu bringen. Aussichtsturm „bahnorama“ im Rahmen der Neuplanung des Hauptbahnhofs in Wien, Österreich. Architekt: RAHM-Architekten, 2008 – 10.

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Aussichtsturm „bahnorama“. Ansicht von Nord-Westen.

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Holzfaserung, entweder als unidirektionales Fasergebinde oder als flächige Matte, direkt in die PolyurethanVerleimung einzelner Brettlamellen mit eingebettet. Die Verleimung verbindet somit die Brettlamellen untereinander und dient gleichzeitig als Matrix für den Faserwerkstoff. Weitere Vorteile des Mitverleimens sind die gute Kraftübertragung der Fasern auf eine große Holz­ oberfläche und der Schutz des faserverstärkten Kunststoffes vor Brandangriff durch das umhüllende Holz. Bei einer Verlegung der Kunstfaser parallel zur Holzfaser kann die Zugfestigkeit und damit die Biegesteifigkeit des Holzbauteils erheblich verbessert werden. Eine Studie der Universität für Bodenkultur in Wien besagt, dass durch den Verbund mit Kunstfasern die Biegefestigkeit des Brettschichtholzes um 70 % verbessert und eine Erhöhung der Biegesteifigkeit um 15 % erreicht werden kann. Bei einer Einbringung der Kunstfaser quer zur Holzfaserung erhöhen sich die Bruchlasten um annähernd das Doppelte, verglichen mit einem konventionellen Brettschichtholzelement. In beiden Fällen zeigt der Verbund unter Grenzbelastung ein ausgesprochen duktiles Verhalten, d. h. es kommt wohl bei Überschreiten der zulässigen Lasten zu einer bleibenden Verformung (Fließen), der Verbund bleibt jedoch intakt, es kommt zu keinem signifikanten Spannungsabfall im Querschnitt, wie etwa beim spröden Versagen von Stahl oder eben auch von Holz unter Zugbelastung. In allen Fällen ist die Menge des eingebrachten Verbundmaterials sehr gering. Mit weniger als 0,7 % antei-

ligem Gewicht des Verbundträgers ist der Anteil der faserverstärkten Kunststoffe zu vernachlässigen. Auch wenn es auf den ersten Blick absurd erscheint, einen Verbundwerkstoff aus zwei Faserwerkstoffen (Holz und Kunststoff) zu erzeugen, so ist diese Kombination durchaus sinnvoll. Auch hier gilt wieder das Primat der Homogenisierung: Äste, Schrägfaserigkeit und die Anisotropie des Holzes (richtungsabhängiges Verhalten) schränken die theoretisch sehr guten Materialeigenschaften in der Praxis ein. Durch Zugabe von Kunstfasern können nicht nur rechnerisch garantierte Festigkeitswerte erreicht werden, auch können, im Fall der Verstärkung quer zur Faserrichtung, Biegesteifigkeiten und Bruchfestigkeiten erreicht werden, die im Brettschichtholzbau sonst nicht zu erlangen wären. In der Verbundtechnologie Holz-Kunstfaser wird in Zukunft noch einiges zu erwarten sein, vornehmlich im Fall weitgespannter Konstruktionen, insbesondere hinsichtlich der Tatsache, dass bis zu einer Verdoppelung der Leistungswerte Bruch- und Biegefestigkeit stattfindet, dabei jedoch weniger als 1 % an Verbundmaterial eingesetzt werden muss.

Furnierschichtholz Kerto-S, insbesondere für Träger großer Spannweiten geeignet.

Parallam Furnierstreifenholz (Parallel Strand Lumber).

Furnier- und Faserwerkstoffe Neben den Vollholz-Werkstoffen sind außerdem die Neuentwicklungen im Bereich der Furnier- und Faserwerkstoffe zu nennen, die zunehmend auch in weitgespannten Holztragwerken Verwendung finden und

ebenfalls eine radikal neue Ästhetik von Tragwerken aus Holz definieren. Eine frühe Form dieser Holzwerkstoffe stellen die Furniersperrhölzer dar, die mit Beginn der Furnierproduktion und den entsprechend benötigten Schälmaschinen um 1850 entwickelt wurden. Anfangs als Decklage für den Möbelbau entwickelt, wurden die im Millimeterbereich dicken Furniere bald zur Herstellung von besonders belastbaren und homo-

Ein interessantes neuzeitliches Beispiel eines weitgespannten Tragwerks aus Furniersperrholzplatten stellt der Serpentine Gallery Pavilion der Architekten Álvaro Siza und Eduardo Souto de Moura aus dem Jahr 2005 dar. Das Tragwerk des Pavillons besteht aus Furniersperrholzplatten und wird in einer der Zollinger-Bauweise ähnlichen Methode mit zweifeldigen Elementen zusammengesetzt. Wie in der ZollingerBauweise werden in den Verbindungspunkten der Holzelemente keine Biegemomente übertragen, was zu einer geometrisch sehr einfachen und technisch anspruchslosen Ausführung des Knotenpunktes führt. Für diese Konstruktionstypologie der Gitternetzschalen ist die Formbeständigkeit ihrer Einzelelemente jedoch von besonderer Bedeutung. Unterschiedliche Schwindmasse in Längs- wie Querrichtung, wie im Falle von Vollholz, hätten Verformungen, Zwängungen bis hin zu Schäden in der Dacheindeckung zur Folge gehabt. Das in allen Achsen gleichmäßig auf Feuchtigkeitsänderungen reagierende Sperrholz mit seinem sehr geringen Schwindmaß (0,4 % in alle Flächenrichtungen) bildet zusammen mit der Dacheindeckung aus Polykarbonatplatten einen im Gesamtverformungsverhalten sehr homogenen Konstruktionsaufbau. Die hohen Festigkeitswerte des eingesetzten Furniersperrholzes erlauben überdies auch die Ausführung der Verbindungen als Verzapfungen und Perforationen im gleichen Material. Die eventuell kritische Langzeitbeständigkeit von Sperrholz (Ablösung der einzelnen Furnierlagen durch eintretende Feuchtigkeit, Temperaturspannung usw.) spielte bei diesem Saisonpavillon keine Rolle, zumal die Dacheindeckung durch Polykarbonatplatten vor direkter Witterung schützt.

Ausstellungspavillon der Serpentine Gallery, London, Großbritannien. Architekten: Álvaro Siza, Eduardo Souto de Moura. Tragwerksplanung: Cecil Balmond (Arup), 2005.

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genen Furniersperrholzplatten verwendet. Das Schälen von Furnieren aus dem Stammdurchmesser und das anschließende unter Pressen um 90 Grad versetzte Verleimen dieser millimeterdünnen Schichten lässt einen Werkstoff entstehen, der mehr Eigenschaften eines modernen Kunststoffes als des Ausgangsmaterials Holz aufweist. Die Furnier-Schichthölzer (unter LVL als Abkürzung ihrer englischen Bezeichnung für Laminated Veneer Lumber bekannt) werden hauptsächlich für Beplankungen und im Möbelbau eingesetzt und bestehen aus mindestens drei um 90 Grad versetzten verleimten Furnierlagen, die maximal 7 mm dick sein können. Entsprechend ihrem Einsatzbereich und in Abhängigkeit vom verwendeten Klebstoff unterscheidet man Platten für den Trocken-, Außen- und Feuchtbereich. Für die Furniere werden vorwiegend einheimische Holzarten wie Buche, Birke, Pappel, Fichte oder Kiefer verwendet. Importierte Furniersperrhölzer bestehen auch aus Douglasie oder diversen Tropenhölzern (wie Limba, Okume etc.). Die hohe Formbeständigkeit von Furniersperrholz im Vergleich zum Massivholz als auch seine optionale

Feuchtigkeitsbeständigkeit lassen diesen Holzwerkstoff in letzter Zeit auch in weitgespannten Dachkonstruk­ tionen Anwendung finden, auch wenn sein Einsatzfeld auf witterungsseitig geschützte Anwendungen oder temporäre Bauwerke beschränkt ist. Ein im Bauwesen relativ neuer Holzwerkstoff ist das Furnierstreifenholz (Parallam PSL, Parallel Strand Lumber), das aus ca. 15 mm breiten und 3 mm dicken Schälfurnierstreifen aus Nadelholz (Douglas Fir oder Southern Yellow Pine) besteht, mit Phenolharz in Faserlängsrichtung zu Endlosbalken verklebt, entsprechend zugeschnitten wird. In Europa wird PSL nicht hergestellt, sondern ausschließlich aus Nordamerika importiert. Furnierstreifenholz wird meist als stabförmiges Bauteil in Tragwerken eingesetzt. Es besitzt eine sehr hohe Formstabilität und Festigkeit und kann deshalb anstelle von Brettschichtholz verwendet werden. Das Standardmaß des Balkens beträgt 483 × 280 mm, kleinere Querschnitte werden vom Hersteller zugeschnitten, größere können durch Verleimen von mehreren Standard-Querschnitten erstellt werden. Die Rohdichte

Tragbalken aus Furnierstreifenholz, Siedlung in Wald­kraiburg, Deutschland. Architekt: Hubert Riess, 1996.

Magnum Board®. Die bis zu 15 m langen und geschosshohen Wandscheiben werden aus bis zu 10 Lagen von 25 mm starken OSB/4-Platten untereinander verklammert und verleimt, so dass maximal 250 mm starke Wandscheiben entstehen. OSB/4-Platten zeichnen sich im Gegensatz zu den herkömmlichen OSB-Platten der Klassen 1 – 3 durch hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit aus und können außerdem als hochbelastbare Platten für tragende Zwecke eingesetzt werden.

von PSL entspricht mit 600 bis 700 kg/m³ in etwa der des eingesetzten Nadelholzes (Douglasie) und ist im Vergleich zu Tanne (450 kg/m³) und Kiefer (520 kg/m³) recht hoch. Aufgrund seines hohen Preises (PSL ca. 1.500 Euro/m3; im Vergleich: Konstruktions-Vollholz KVH 300 – 400 Euro/m3, Brettschichtholz BSH ca. 1.000 Euro/ m3) wird es nur selten eingesetzt, obwohl es in seiner Oberflächentextur, Farbigkeit und Homogenität interessante Akzente setzt. Aus der Mitte des 20. Jahrhunderts stammen die modernen Holzwerkstoffe, die durch Zerspanung bzw. Zerhächselung des Rohstoffes Holz und Neuzusammenfügung mithilfe von Bindemitteln erzeugt werden. Diese Verfahrenstechnik ermöglicht die Herstellung von homogenen, meist plattenförmigen Holzwerkstoffen. Durch Veränderung der Zusammensetzung sowie durch unterschiedliche Fertigungstechnologien kann eine Vielzahl unterschiedlichster, für den Ausgangswerkstoff Holz meist neuer Materialeigenschaften generiert werden, die die Bandbreite der Einsatzmöglichkeiten wesentlich erhöht. Neben den weitgebräuch­

lichen Spanplatten, die vor allem im Möbel- und Innenausbau eingesetzt werden, sind vor allem die in den 1940er Jahren in den USA entwickelten Grobspanplatten oder Langspanplatten bekannt (nach ihrer amerikanischen Abkürzung für Oriented-Strand-Board auch als OSB-Platten bezeichnet). In ihnen sind die technologischen Verfahren von Span- und Sperrholz vereint. Die Verspanung des Ausgangsmaterial macht die OSBPlatte der Spanplatte vergleichbar, wobei im Gegensatz zur sehr feinen Verspanung des Holzes in der Spanplatte vergleichsweise große Spane von bis zu 200 mm Länge, 50 mm Breite und mehreren Millimetern Dicke in der Langspanplatte eingesetzt und mit Kunstharzbindemittel unter hohem Druck und Wärme verpresst werden. Die Holzspäne sind parallel angeordnet, werden jedoch in den Außenschichten der Platte um 90 Grad versetzt angeordnet, was zu einer Sperrwirkung, ähnlich einer Furniersperrholzplatte, führt. Auch wenn die gebräuchlichen OSB-Platten mit Dicken von 12 bis 30 mm im Bauwesen hauptsächlich als Dach- und Wandbeplankung eingesetzt werden, so ist eine Neuentwicklung der OSB-Platte, die unter dem Na-

Die 1991 fertiggestellte Abbundhalle misst 30 × 60 m und wird in ihrer Länge von zwei Kranen mit je 6,3 t Nutzlast befahren, was eine erhebliche statische Belastung des Dachtragwerks bedeutet. Die Dachkonstruktion besteht aus im Abstand von 4 m angeordneten Parallam-Fachwerkträgern, die in dieser kastenartigen Konstruktion als Licht-Sheds auch der Belichtung dienen. Auch die Stützen sind aus Parallam. Aufgrund der hohen Festigkeit des Furnier­streifenholzes Parallam konnte eine massive Brettschichtholzkonstruktion vermieden werden, die über 2,5 m Höhe erreicht und den Lichteinfall vermindert hätte. Kaufmann Holz AG, Abbundhalle in Reuthe, Österreich. Architekt: Hermann Kaufmann.

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men Magnum Board® vermarktet wird, auch für tra­ gende Bauteile interessant. Hierbei handelt es sich um eine OSB-Platte, die aus mehrlagig verleimten und geklammerten 25-mm-OSB4-Platten, d. h. Platten, die im Feuchtbereich und für tragende Zwecke einsetzbar sind, bestehen. Die Platten werden in drei bis zehn Lagen zu 75 bis 250 mm starken Elementen verklebt, die aufgrund ihrer Materialstärke und statischen Eigenschaften einen Einsatz als Wand- oder Dachelemente erlauben. Es ist davon auszugehen, dass diese OSBPlatten in dem einen oder anderen Fall Dreischichtplatten bzw. Sperrholzplatten in faltwerkartigen Strukturen ersetzen werden, da ihre weitaus homogenere Materialstruktur erhebliche Vorteile gegenüber den vorher genannten Vollholzwerkstoffen bringt. Der Quadratmeter OSB3 in 22 mm Stärke war Mitte 2014 für etwa 10 Euro/m2 erhältlich, weitaus günstiger als die entsprechende Dreischichtholzplatte für ca. 25 Euro/m2 und die Sperrholzplatte für ca. 20 Euro/m2. Zu dem durchaus günstigen Preis des OSB-Produktes müssen jedoch, wenn sie sichtbar und witterungsbeständig ausgeführt werden, die Kosten für die Kantenbehandlung der OSB-Platten hinzugefügt werden, da wie bei der Spanplatte der Kern der Platte aus groben Spanlagen besteht und sehr feuchtigkeitsgefährdet ist. Eine weitere Neuentwicklung in der Materialtechnologie im Holzbau ist die sogenannte „Holzmodifizierung“, bei der durch mechanische, chemische oder thermische Verfahren die Holzstruktur derart verändert wird, dass eine wesentliche höhere Dauerhaftigkeit und Maßbeständigkeit als im unmodifizierten Fall erreicht wird. Dies geschieht meist dadurch, dass die Wassermoleküle, die sich in den Zellwänden des Holzes befinden, durch Hitze aus dem Molekülgefüge entfernt werden bzw. ihre Anlagerung chemisch verhindert wird. In einem anderen Behandlungsverfahren wird durch Hydrophobierung die Wasseraufnahme des Holzes reduziert, was auch zu einer höheren UV-Beständigkeit des Holzes führt. Auch wenn diese Technologie noch keine große Verbreitung im Holzbau gefunden hat, so ist doch davon auszugehen, dass sie im weitgespannten Holzbau durch bessere Verfügbarkeit und reduzierte Verfahrenskosten vermehrt angewandt werden wird.

Brettsperrholz Neben den altbekannten Furniersperrhölzern sind vor allem in den letzten 20 Jahren neue Vollholzwerkstoffe entstanden, die wie die Furniersperrholzplatten auf der sperrenden Wirkung versetzt verleimter Schichten be-

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ruhen. Wie bei den Brettschichthölzern werden stabförmige bzw. brettartige Vollholzquerschnitte zu größeren­ Bauelementen zusammengeleimt. Vor allem sind hier die Brettsperrhölzer (BSP) und ihre Vielzahl von sprachlichen Ableitungen wie Kreuzlagenholz (KLH®), Dickholz, Cross Laminated Timber (CLT) zu nennen. Das Brettsperrholz ist nach dem Brettschichtholz ein weiterer Schritt hin zu einer Homogenisierung der Materialeigenschaften des Holzes. Bekannte und unerwünschte Eigenschaften von Massivholz, wie Rissbildungen oder Krummwerden des Holzes, sind im Brettsperrholz vermindert. Mehrere einzelne Brettlagen von 10 bis ca. 35 mm Dicke werden im 90-Grad-Winkel zueinander versetzt zu Plattenstärken von 42 bis zu ca. 500 mm Dicke verleimt. Es sind Längen von bis zu 20 m und Breiten von 5 m realisierbar. Die immer ungerade Anzahl der kreuzweise verleimten Schichten erlaubt die immer parallele Anordnung der Fasern in den Deckschichten. Verwendet wird meist Seitenware, d. h. die Bretter, die am äußeren Rand des Stammes des Baumes liegen, vorwiegend von Holzarten wie Fichte, Kiefer, Tanne oder Lärche. Diese Abschnitte weisen wesentlich bessere Festigkeitseigenschaften als die Regionen näher am Kern auf, haben aber den Nachteil der größeren Verformungen unter Temperatur- und Feuchtigkeitseinfluss, was sie für andere Einsatzzwecke­ unattraktiv werden lässt, im Falle der Verwendung als Brettsperrholz jedoch unwichtig ist. Durch die Sperrung der mindestens drei versetzt verleimten Holzlagen wird die unterschiedliche Dimensionierung je nach Richtung des Holzes ausgeglichen. Holz schwindet bzw. quillt sehr unterschiedlich bezogen auf die drei Hauptrichtungen (längs zur Faserrichtung, tangential zu den Jahresringen, radial zum Stammdurchmesser). Bei Änderung der Holzfeuchtigkeit um 1 % ist das Schwindmaß von Fichte in Längsbzw. Faserrichtung mit 0,01 % am geringsten, jedoch vielfach höher in Radialrichtung (0,19 %) und noch stärker in Tangentialrichtung (0,36 %). Durch das Sperren der Holzlagen durch 90 Grad versetztes Verleimen kann das Schwinden und Quellen auf ein vernachlässigbares Maß, im Bereich des Schwindmaßes von Massivholz in Längsrichtung, reduziert werden (0,02 in Plattenebene, 0,24 % senkrecht zur Plattenebene). Die gegenüber von Vollholz und auch dem Brettschichtholz wesentlich homogeneren Eigenschaften des Brettsperrholzes stellen einen großen Vorteil für weitgespannte Tragwerke dar, da aufgrund der gleichmäßigen Schwindung Zwängungen, Risse und sich öff-

Die Elementfertigungshalle der Fa. Obermayr Holzkonstruktion mit 3.500 m2 Grundfläche ist ein Beispiel für den Einsatz von Holzwerkstoffen für großmaßstäbliche und weitgespannte Konstruktionen. Sowohl die lisenenartig, wandinnenseitig angebrachten Wandstützen als auch die zwei Reihen Innenstützen mit 27 m Abstand zueinander, die die faltige Struktur der Dachbänder abstützen und die Kranbahnen tragen, bestehen konventionell aus Brettschichtholz. Die Außenwände und auch die Dachbänder, die untereinander versetzt angeordnet sind und deren Versatz große shedartige Lichtöffnungen ermöglicht, sind aus 44 cm starken, wärmegedämmten Holzsandwichelementen gefertigt, deren innere Beplankung aus Spanplatte und deren äußere aus OSB (Oriented Strand Board) besteht. Neben geringem Gewicht und der Möglichkeit, den Sandwichkern effektiv dämmen zu können (in diesem Fall wurden die 40 cm Zwischenraum mit Steinwolle gedämmt), ist auch die hohe statische Leistungsfähigkeit der Konstruktion bemerkenswert: An der Ostseite des Gebäudes kragt das Dach über 18 m stützenfrei aus, zur Aussteifung in Längsrichtung werden nur die versetzten Wände der bis zum Boden herabgelassenen Bänder hinzugezogen. Die hohe Leistungsfähigkeit der Konstruktion ist auch der Stahldiagonalausfachung, die die einzelnen Bänder miteinander konstruktiv verbindet, geschuldet: Durch sie entsteht eine einem räumlichen Fachwerk analoge, torsionssteife Konstruktion, die einen sehr hohen Verglasungsanteil erlaubt und damit für eine hervorragende natürliche Belichtung der Halle sorgt.

Produktionshalle Obermayr, Schwanenstadt, Österreich. Entwurf: F2 Architekten, 2005.

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Brettsperrholzplatten als Dachelemente des Einkaufszentrums G3 in Gerasdorf, Österreich. Die großen Vorteile von Brettsperrholz gegenüber anderen Holzwerkstoffen mit parallelem Faserverlauf liegen in der weitgehenden Rissfreiheit und der gleichmäßig geringen Schwindung in beiden Plattenachsen. Entwurf: ATP, Architekten und Ingenieure.

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nende Fugen stark vermindert werden. Andererseits sind die durch die Sperrwirkung erzeugten, erheb­ lichen Scherkräfte im Kontaktbereich der Leimfuge zu berücksichtigen. In der Wechselwirkung von Feuchtigkeits- und Temperaturschwankung können diese Fugen sich mit der Zeit öffnen und den Verbund der einzelnen Lagen zerstören, was eine Vielzahl von Schadensbildern zur Folge haben kann. Außerdem bedeutet Sperrwirkung nicht, dass die Brettsperrholzplatte in allen Eigenschaften isotrop, d. h. richtungsunabhängig

Ein anderes Beispiel für den Einsatz von Brettsperrholzplatten ist die Faltstruktur für die kleine Kapelle der Diakonissengemeinschaft von St. Loup im waadtländischen Pompaples, welche als Provisorium den Zeitraum bis zur Fertigstellung des zu renovierenden Gotteshauses für die Gemeinschaft überbrücken helfen soll. Dieses auf den Prinzipien der Origami-Faltung basierende Projekt wurde vom Architekturbüro Localarchitecture, in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Holzkonstruktionen IBOIS der École Poly­ technique Fédérale Lausanne (EPFL) entwickelt und im Jahre 2008 realisiert. Für die kleine Kapelle für knapp 100 Personen mit einer Grundfläche von 130 m2 wurden für die vertikalen Elemente 40 mm starke und für die horizontalen 60 mm starke Brettsperrholzplatten verwendet, die untereinander mit Lochblechen und Schrauben verbunden wurden. Innenseitig roh belassen, wurden an ihrer Außenseite lediglich eine Dichtungsbahn und eine imprägnierte Dreischichtplatte mit 19 mm Stärke angebracht. Die beiden Giebel­ seiten der Kapelle sind durch Polykarbonatplatten in einem unregelmäßigen Holzrahmen geschlossen. Die gegenläufigen Falten des aus 92 verschiedenen Facetten bestehenden Tragwerks bereichern die Raumwirkung der Kapelle, dienen zur notwendigen Aussteifung des Gebäudes und haben einen positiven Einfluss auf die Innenraumakustik. Durch die Schrägen unterstützen sie außerdem die Dachentwässerung, was nicht zuletzt deshalb zu einer derart einfachen Detaillierung des Gebäudes geführt hat.

Kapelle St. Loup in Pompaples, Schweiz. Architekt: Localarchitecture, Danilo Mondada und SHEL, in Zusammen­arbeit mit dem Lehrstuhl für Holzkonstruktionen IBOIS der École Polytechnique Fédérale Lausanne (EPFL), 2008.

Materialentwicklung im Holzbau

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ist. Bedingt durch die ungleiche Anzahl von Furnieroder Brettlagen existiert eine Hauptspannrichtung, die der Deckfurnierrichtung bzw. der Faserrichtung der äußeren Brettlagen entspricht. Wenn diese Platten einachsig tragen sollen, so ist auf ihren Einbau in Hauptspannrichtung unbedingt zu achten. Da im Fall von weitgespannten Tragwerken meist eine klar definierte Hauptspannrichtung vorliegt, ist der Nutzen in der Anwendung von Brettsperrholz auf einige Sonderfälle beschränkt, in denen entweder keine klare Hauptspannrichtung vorliegt oder aber neben der Hauptspannrichtung auch erhebliche Querkräfte bzw. Biegemomente auftreten. Auch die Faltwerke, in denen die Plattensegmente an ihren Kanten vielfältigen Belastungszuständen ausgesetzt sind, sind ein Anwendungsgebiet der Brettsperrholzplatte. Des Weiteren bietet der Markt eine Vielzahl von Produkten mit zusammengesetzten Querschnitten in Form von Hohl-, Rippen- oder Kastenprofilen (wie Lignotrend®, Lignatur®, Steko® etc.) an, deren Einzelelemente teilweise auch eine absperrende Wirkung durch wechselseitige Verleimung aufweisen. Diese Produkte stellen standardisierte Lösungen für bestimmte Aufgabenbereiche dar, die sich durch einen hohen Vorfertigungsgrad und Systemintegration auszeichnen und mit entsprechend geringem Aufwand auf der Baustelle ausgeführt werden können. Auf eher traditionelle Vorbilder verweisen die Brettstapeldecken, die aus senkrecht gestellten und miteinander verleimten, verdübelten oder vernagelten Brettern bestehen und – wie der Name bereits ausdrückt – vorwiegend im Geschossbau eingesetzt werden, wo Akustik, Brandschutz und thermische Speichermasse der Konstruktion eine Rolle spielen. Im Bereich der zusammengesetzten Querschnitte, die für Träger und Stützen Verwendung finden, sind die sogenannten Kreuzbalken zu nennen, aus Segmenten zusammengesetzte Balken, die jeweils aus vier miteinander verleimten Rundholzsegmenten bestehen. Aufgrund der Verleimung mit dem Kernholzbereich nach außen entsteht ein rhombenartiger Hohlraum im Balkenkern, der das Gewicht des Balkens reduziert, ohne dabei die Tragfähigkeit zu verringern.

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Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass in den letzten Jahrzehnten eine Reihe von Neuentwicklungen im Bereich der Holzwerkstoffe stattgefunden hat, die wesentlich die Möglichkeiten des Holzbaus revolu­ tioniert hat. Neben den schon länger bekannten Brettschichthölzern und deren modernem Derivat Brettsperrholz, das sich vor allem durch seine isotropen Eigenschaften vom Brettschichtholz unterscheidet und in statisch hochgradig komplexen Tragsystemen Anwendung findet, sind vor allem die fasergebundenen Holzwerkstoffe zu nennen, die in Zukunft ungeahnt neue Konstruktionen ermöglichen werden. Diese plattenförmigen, noch stärker isotrop wirkenden Materia­ lien ermöglichen sehr leichte, hocheffiziente Faltwerke, Kassettentragwerke oder biegesteife Rahmentragwerke in Holz; Konstruktionen, die bereits heute in einigen interessanten Referenzobjekten Anwendung finden. Die plattenartigen Holzwerkstoffe werden langfristig auch das Klischee des Holzbaus als stabförmige, einachsig gerichtete Konstruktionslogik hin zu einer zweiachsig gerichteten plattenbasierten Konstruktionsästhetik verändern, eine Tendenz, die im Geschossbau schon seit einigen Jahren zu beobachten und in ersten Ansätzen auch im Ingenieurbau festzustellen ist. Eine zweite große Renaissance werden die Brettschichtholzkonstruktionen erfahren. In Kombination mit der in den letzten Jahren technologisch weit fortgeschrittenen CNC-Fertigung werden formal-gestalte­ rische Lösungen heute realisierbar, die noch vor Kurzem lediglich in extrem aufwändiger handwerklicher Fertigung realisierbar waren. Die Homogenisierung des Holzes durch Vorsortierung, Fehlstellenbeseitigung, Keilzinkung und Verleimung in der Brettschichtholzherstellung stellt die Grundlage einer weitergehenden, qualitativ hochwertigen CNC-Bearbeitung des Holzes dar und liefert damit das nötige Ausgangsmaterial für die spanabtragende Formgebung der modernen Abbundmaschinen. Diese neue Materialästhetik einer geometrisch nicht planar-linear eingeschränkten Geometrie bleibt bis auf Weiteres dem Holzbau vorbehalten, da kaum ein anderes Baumaterial sich so werkzeugschonend und einfach bearbeiten lässt wie Holz.

Fünfgeschossige Passivhäuser mit Einsatz von KLH® Kreuzlagenholz–Massivholzplatten. Baugruppenprojekt zur Börse in Berlin-Prenzlauer Berg, Deutschland in der Bauphase. Architekt: Müller Büro, 2010.

Lignotrend®-Deckenplatte.

Materialentwicklung im Holzbau

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CNC-Fertigung im Holzbau Simone Jeska

Die Digitalisierung der Fertigungsprozesse und damit verbunden die kontinuierliche, digitale Prozesskette vom Entwurf bis zur Fertigung verändert nicht nur die handwerkliche Arbeit grundlegend, sondern sie beeinflusst die Architektur, die Tragwerkskonstruktionen und die Abläufe im Bauprozess nachhaltig. Der viel beschriebene epochale Wandel vom Industriezeitalter zum Informationszeitalter zeigt sich in der Fertigung im Holzbau mit zeitlicher Verzögerung als Entwicklungssprung, der vergleichbar ist mit der Ablösung der handwerklichen Fertigung durch die maschinelle Fertigung im 19. Jahrhundert. Christoph Schindler beschreibt die grundlegenden Veränderungen in der Fertigung durch die Digitalisierung in seiner Doktorarbeit „Ein architektonisches Periodisierungsmodell anhand fertigungstechnischer Kriterien, dargestellt am Beispiel des Holzbaus“.1 Bezug nehmend auf den Technikhistoriker Akos Paulinyi, der die Technikgeschichte anhand der Werkzeuge der jeweiligen Epochen aufspannt und diese in Hand­ Werkzeug-Technik und Maschinen-Werkzeug-Technik unterteilt, führt Schindler den Begriff der InformationsWerkzeug-Technik ein, die eine zweite Zäsur in der ­Geschichte markiert.2 Der Einfluss der jeweiligen Fertigungstechnik auf die Konstruktionen und damit auf die Architektur wird an konkreten Beispielen deutlich. Fachwerkhäuser, bei denen die tragende Holzkonstruktion manuell in der Hand-Werkzeug-Technik bearbeitet wurden, zeichnen sich dadurch aus, dass jedes Bauteil ein Unikat ist, das mit dem angrenzenden Bauteil indi-

viduell verbunden wird – passgenaue Verbindungen wurden hergestellt, indem das eine Bauteil dem anderen Bauteil als Schablone diente. Mit der Einführung dampfbetriebener Maschinen und der Massenproduktion von Nägeln wurden die Arbeitsprozesse sowie die Bauteile und die Verbindungen standardisiert – handwerkliche Holzverbindungen, wie Schäftungen, Ausblattungen oder Schwalbenschwänze sind maschinell nicht herstellbar und werden durch metallische Verbindungen ersetzt. Die vorgefertigten Balloon-FrameHäuser in den USA aus standardisierten Elementen und Verbindungen, die in Massen hergestellt werden, sind das Ergebnis dieser Fertigungstechnik. Durch die Verlagerung der Informationen auf die Maschinenebene und die Verknüpfung mit einer ausdifferenzierten, flexiblen Werkzeugführung können wieder komplexere geometrische Zusammenhänge erfasst und gefertigt werden, denn die Maschine verarbeitet nicht nur Informationen zu den Abmessungen der Bauteile, sondern verknüpft diese Informationen zusätzlich mit Angaben zur Position im Gesamttragwerk und setzt sie in Relation zu den jeweils benachbarten Bauteilen. Veränderungen der Informationen – der Abmessungen oder der Geometrie der Bauteile – bedeuten nun keinen Mehraufwand mehr, was zur Folge hat, dass jedes Bauteil­wie bei der Hand-Werkzeug-Technik als Unikat hergestellt werden kann, ohne höhere Kosten zu ver­ursachen. Dadurch lassen sich einerseits frei geformte Tragwerksgeometrien mit einer Vielzahl unterschiedlich geformter Träger bewältigen,

1 Die drei Herstellungstechniken lassen sich anhand der drei Faktoren Stoff (Material), Energie und Information – ein Material wird unter Anwendung von Energie auf der Grundlage von Informationen bearbeitet – unterscheiden. Die Doktorarbeit wurde 2009 an der ETH Zürich bei Prof. Hovestadt eingereicht. Siehe auch: C. Schindler „Die Mittel der Zeit – Herstellungsinnovation im Holzbau“, Arch+, Heft 188, 2008. 2 Während mit Handwerkzeugen das Material manuell mit Muskelkraft geformt wird, übernehmen mit der Industrialisierung Maschinenwerkzeuge das Halten und Führen des Materials und des Werkzeugs und ersetzen so die Muskelkraft, wobei der Mensch weiterhin die Maschinen steuert. Mit der Einführung des Computers haben sich die Informationswerkzeuge etabliert, die zusätzlich zum Halten und Führen der Werkzeuge und Werkstücke die Fertigungsmaschinen steuern. Die Maschine koordiniert die Verarbeitung von Material und Information.

Durch die digitale Fertigung als Teil einer digitalen Prozesskette verändern sich die Abhängigkeiten im Bauprozess.

CNC-Fertigung im Holzbau

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und andererseits gewinnen­die komplexen, ehemals handwerklich hergestellten Verbindungen wieder an Bedeutung. Analog zur viel beschworenen „Mass Custumisation“3 können nun individuelle Holzkons­ truktionen quasi industriell gefertigt werden. Sichtbar wird diese neue Fertigungsmethode an den weit spannenden Hallentragwerken aus Holz, die seit Mitte der 1990er Jahre die Architektur erobern. Sporthallen aus gekrümmten, geschwungenen Brettschichtholzträgern und Thermen oder Salzlager aus Gitternetzschalen mit Spannweiten bis zu 120 m sind nur einige Beispiele dieser neuen Ingenieurholzbauten, die ohne den präzisen und effizienten Abbund und die leistungsfähigen Verbindungen nicht hätten hergestellt werden können.

Mit der Einführung digital gesteuerter Fertigungswerkzeuge Mitte der 1980er Jahre verändert sich der Holzbau Schritt für Schritt.4 Vorerst werden die neuen Werkzeuge genutzt, um den Abbund zu präzisieren und ­Arbeitsabläufe zu beschleunigen; Bohrungen und Aussparungen können nun millimetergenau positioniert werden, was sich auf die Verbindungstechnologie auswirkt. Verbindungen, bei denen die Bauteile über Schlitzbleche und Stabdübel oder Stifte miteinander verbunden werden und die eine exakte Übereinstimmung der vorgebohrten Löcher im Holz und der gestanzten Lochungen in den Stahlknotenblechen benötigen, sind Ergebnisse dieser Entwicklung.5 Die neuen Verbindun-

gen hatten direkte Auswirkungen auf die Effizienz der Herstellung und die Spannweiten der Tragwerke. Während die Handwerker Anfang der 1980er Jahre für das ten Berechnen und Zeichnen eines einzigen genagel­ Fachwerkknotens mehrere Stunden benötigten,6 können die neuen Verbindungen in wenigen Minuten entworfen und bemessen sowie die Bestelllisten erstellt werden. Einen weiteren Sprung in der Entwicklung und Herstellung von Holztragwerken bedeutete die Einführung von fünfachsigen, CNC-gesteuerten Bearbeitungszentren mit automatischen Werkzeugwechslern Anfang der 1990er Jahre.7 Die neuen Werkzeuge bieten die Möglichkeit, sich gleichzeitig in zwei Achsrichtungen zu bewegen, so dass gekrümmte Geometrien und schräge oder gekrümmte Aussparungen auf schrägen Flächen präzise und effizient hergestellt werden können. Aufgrund der stetigen Weiterentwicklung der Maschinen und deren Software gleichen die CNC-gesteuerten Abbundmaschinen mittlerweile „intelligenten“ Robotern aus der Industrie. Mit schwenk- und drehbaren Aggregaten ausgestattet, die sich beliebig in den linearen x-, y- und zAchsen (oder parallel zu diesen Achsen) sowie den Schwenkachsen8 A, B und C bewegen können, hobelt, fräst, bohrt, nutet, sägt, kehlt, fälzt und schleift die Maschine bei Bedarf an mehreren Werkstücken gleichzeitig, wobei den Formen und der Ausrichtung der Anschnitte, Aussparungen, Zapfen und Löcher sowie des Werkstücks selbst fast keine Grenzen gesetzt sind. Dabei bewegen sich nicht nur die Werkzeuge, sondern

Sechsachsiger Roboter mit frei schwenkbarem Arm, Universität Stuttgart, Deutschland.

Abbundanlage K2i mit einem sechsachsigen Roboteraggregat. Fa. Hundegger, 2011.

Bearbeitung der Bauteile

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parallel dazu das eingespannte Werkstück. Nach vorgegebenen Prioritäten, den Anforderungen im Bearbeitungsprozess entsprechend, wählt und wechselt die Maschine die Werkzeuge aus und bearbeitet das Holz damit vierseitig. Zusätzlich wählen die Fertigungsanlagen das zu bearbeitende Werkstück aus einem Holzstapel aus und positionieren es auf der Maschine. Anhand von Lasermessungen werden die genaue Lage und Dimensionierung des Rohlings an den Rechner übergeben, so dass die Bearbeitungsdaten angepasst werden können. Am Ende des Fertigungsprozesses beschriftet ein maschinenintegriertes Nummerierungssystem, das auf Veränderungen automatisch und „intelligent“ reagiert, das Werkstück, um die exakte Positionierung im Gesamtgefüge zu fixieren – die Montage der als Einzelstücke hergestellten Träger oder Platten zu einem Tragwerk ist ohne eindeutige Zuordnung im Gesamtgefüge nicht möglich –, und stapelt die fertigen Bauteile zu sortierten Holzpaketen. Fertigungsanlagen für die Herstellung von plattenförmigen Werkstücken im Elementbau tragen zusätzlich die Klebstoffe auf und verschrauben, nageln oder klammern die Elemente. Gesteuert wird die Maschine von einem integrierten Rechner, der die Daten von der CAM-Software übernimmt. Die CAM-Software wandelt die CAD-Zeichnungen in Produktionsdaten9 um, legt die Bearbeitungschoreografie fest und übernimmt bei dem Zuschnitt von Plattenmaterial das sogenannte Nesting. Trotz dieser automatisierten „Hightech-Fertigung“ der Holzbauteile ist der Abbund zweifach gekrümmter

3 Mit der Digitalisierung der Planungs- und Fertigungsprozesse Ende der 1980er Jahre kam der Begriff der „Mass Costumisation“ auf – die industrielle Massenfertigung individueller Produkte. 4 Mit der Einführung des HP 85 im Jahre 1980 kam der erste Computer mit Bildschirm auf den Markt, der die Möglichkeit bot, grafische Elemente darzustellen. Ab 1984 wurden CAD-Programme und CNC-gesteuerte Fertigungsmaschinen in der Holzbearbeitung eingeführt: 1984 stellte die schwedische Fa. Burmek die SPL 270-1 vor, 1985 verkaufte die deutsche Fa. Hundegger die erste Hundegger P8. 5 Hermann Blumer erkannte Anfang der 1980er Jahre die Chancen der digitalen Bearbeitung im Holzbau und entwickelte den sogenannten Blumer-SystemBinder; diese neue Verbindungstechnik beruht auf einer weiteren Standardisierung, so dass die Berechnung der Verbindung von einem eigens geschriebenen Programm ausgeführt werden konnte. 6 Bis Mitte der 1980er Jahre war es in den Zimmereien noch üblich, Abbundpläne zu zeichnen und den Abbund am Boden aufzureißen. 7 Die CNC-gesteuerte, fünfachsige „Lignamatic“ wurde Ende der 1980er Jahre von der Fa. Krüsi in der Schweiz entwickelt. Der Prototyp wurde 1990 von Hermann Blumer eingesetzt. Die Maschine unterscheidet sich von der heutigen „Lignamatic“ hauptsächlich in der Rechenkapazität der Steuerung – der Prototyp hatte eine Speicherkapazität von 800 MB, während die neuen Maschinen Daten im Terrabite-Bereich verarbeiten können –, der Geschwindigkeit der Werkstückbearbeitung und der leistungsfähigeren Software. 8 Die Schwenkachsen A, B, und C sind Drehachsen entlang der Hauptachsen x, y und z; mit den Schwenkachsen B und C kann das Werkzeug in jedem beliebigen Winkel (z. B. senkrecht zu einer gekrümmten Fläche) bewegt werden. 9 Anhand der Bauteilgeometrien legt die Software die geometrischen und technischen Informationen, wie z. B. die Wahl der Werkzeuge, die Vorschubgeschwindigkeit, die Drehzahl, die Ausrichtung im Raum, die Bewegungsrichtung, die Reihenfolge der Arbeitsschritte, die Art und Lage der Spannvorrichtung, fest.

In Abhängigkeit von der Spannweite (33 – 38 m) sind die linsen­ förmigen Brettschichtholzträger individuell geformt. Eissporthalle in St. Pölten, Österreich. Architekten: Sam/Ott-Reinisch. Holzbau: Glöckel Holzbau GmbH, 2007.

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Bauteile, die von allen Seiten bearbeitet werden müssen,10 eine Herausforderung. Bereits das Aufspannen der Elemente gestaltet sich schwierig, da bei der Herstellung der Krümmung in der zweiten Ebene keine ebene Auflagerfläche mehr existiert. Bei Maß­toleranzen der einzelnen Träger im Zehntelmillimeter­bereich sind die Positionierung der Werkstücke und die Präzision der Werkzeuge von wesentlicher Bedeutung. Für die millimetergenaue Positionierung der Träger auf der Abbundanlage werden derzeit CNC-gefertigte Schablonen genutzt, deren Konstruktion bereits im Planungsprozess integriert ist. Als Alternative können Geometrie und Lage der Träger mittels einer Lasermessung von der Maschine erfasst und nach erfolgter Umrechnung der Daten bearbeitet werden. Die gewählte Positionierund Fixiermethode, die Schwingungen und Verformungen des Werkstücks während der Bearbeitung sowie die Verwendung von gebogenen Rohlingen, deren Maßhaltigkeit üblicherweise variiert, haben sowohl Einfluss auf die Maßgenauigkeiten als auch auf die Bearbeitungsabläufe und -strategien und müssen in der Planung berücksichtigt werden.

Bauen mit Stäben Zeigte sich der Wandel durch die Digitalisierung der Fertigung anfänglich in erster Linie in der Präzision und Geschwindigkeit der Planung, Berechnung und Produktion, so werden die Auswirkungen nun an den räumlich komplexen und / oder individuellen Geome­ trien der Träger, Stäbe und Verbindungen sichtbar. Besonders Tragwerke, die sich aus einer großen Anzahl individueller Einzelstäbe zusammensetzen, können nun wirtschaftlich aus Brettschichtholzstäben vorgefertigt werden. Die Holzkuppeln der sogenannten Saldomes, die zweifach gekrümmte Gitternetzschale,11 die Wiederentdeckung der Zollinger-Bauweise12 oder auch die Herstellung von Achterbahnen aus Holz machen dies deutlich. Wurden die Holzstäbe ursprünglich vor Ort teilwei­ se nachgearbeitet und den Gegebenheiten angepasst, können nun die Geometrien der Stabaussparungen ­sowie der zweifach gekrümmten Schienen13 präzise bestimmt und wirtschaftlich vorgefertigt werden – die Auswirkungen zeigen sich in der zunehmenden Größe

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Für die flächenoptimierte Positionierung der individuell geformten Platten auf dem standardisierten Plattenmaterial wurde ein Programm modifiziert, das üblicherweise in der Textilindustrie für den Zuschnitt von Stoffen genutzt wird. „Burst“, North Haven, Australien, System Architects 2006. 22mm-005

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und spektakulären Erscheinung der Achterbahnanlagen. Gleiches gilt für die Zollinger-Bauweise, die seit Anfang des 21. Jahrhunderts durch die wirtschaftliche und präzise Vorfertigung der Brettschichtholzstäbe eine Renaissance erlebt. Für das Tonnendach der Messehalle in Rostock mussten 1.794 gekrümmte Brettschichtholzstäbe (20 × 75 cm) mit neun unterschiedlichen Geometrien an den Enden geschiftet und oberseitig abgegratet werden. Mit biegesteifen Knotenpunkten ausgebildet, überspannen die aus kurzen Stäben bestehenden Tragwerke der Messehallen und Bahnsteigüberdachungen heute bis zu 68 m. Während der Wiederholungsfaktor der Rippengeometrien bei den symmetrischen Tonnendächern relativ hoch ist, bestehen die Gitternetzschalen der frei geformten, zweifach gekrümmten Dächer der Thermen in Bad Orb und Bad Sulza14 ausschließlich aus individuell geformten Rippen. Ebenfalls an die Zollinger-Bauweise angelehnt, setzt sich das viereckige Gitternetz mit einem Achsraster von etwa 1,80 m aus kurzen, einfach gekrümmten Stäben zusammen, die mit einer Länge von etwa 3,60 m jeweils zwei Felder überspannen.

10 Die Rohlinge werden grundsätzlich übermaßig geliefert und allseitig bearbeitet, um die Maßgenauigkeit zu gewährleisten. 11 Bisher wurden zweifach gekrümmte Gitternetzschalen und Kuppelnetzwerke entweder durch die lagenweise Anordnung von biegsamen Brettern (Brettstapelbauweise) oder Latten hergestellt, die vor Ort mittels Schablonen oder Gerüsten in die stetig gekrümmte Form gebracht und fixiert oder aus polygonal angeordneten, geraden Stäben zusammengesetzt wurden. 12 Während die historischen Tragwerke in der Zollinger-Bauweise Spannweiten bis zu 40 m erreichten, konnten die Dachkonstruktionen der Messehallen in Rimini (2001), in Rostock (2002) und in Friedrichshafen (2002) sowie die Bahnsteigüberdachung in Kassel mit Spannweiten bis zu 68 m in Anlehnung an die Zollinger-Bauweise errichtet werden. 13 1999 meldete der Tragwerksplaner Werner Stengel ein Patent für die Herstellung von Achterbahnschienen aus vorgefertigten, verleimten Hölzern, die in Abschnitten als fertige Schienen montiert werden. Die vorgefertigte, zweifach gekrümmte Holzschiene aus Furnierschichtholz wurde erstmals bei der Holzachterbahn Colossos in Soltau eingesetzt. 14 Bereits 1999 wurde eine derartige frei geformte Gitternetzschale als Dachtragwerk der Therme in Bad Sulza ausgeführt. Damals wurden die Rippen des Tragwerks von der Fa. Burgbacher auf einer 3-Achs-CNC-Abbundanlage der Fa. Hundegger (P10) gefertigt und mussten per Hand nachgearbeitet werden. Die doppelt gekrümmten Randträger wurden komplett per Hand abgebunden. Die Dachtragwerke der Thermen überspannen eine Fläche von 2.200 m2 (Bad Orb) bzw. 1.750 m2 (Bad Sulza); die Schalen lagern auf doppelt gekrümmten Randträgern mit acht bzw. neun Auflagerpunkten und haben Spannweiten von bis zu 45 m.

Moderne Maschinen zur Bearbeitung von Holzplatten sind zur Flächenoptimierung und maximalen Materialausnutzung mit sogenannten Nesting-Programmen­ausgestattet. Hier: Fertigungsbeispiel der SPM-2 der Fa. Hundegger.

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Während die Krümmung an der Oberseite dem Verlauf der Dachflächengeometrie folgt, wurden für die Unterseite zwölf unterschiedliche Krümmungsradien (5 bis 250 m) festgelegt, so dass sich der Querschnitt der einzelnen Rippen zu den Stabenden hin kontinuierlich verjüngt (die Überhöhung in Stabmitte dient dem Anschluss der Stäbe in den Kreuzungspunkten. Zusätzlich wurden die Stäbe oberseitig für den Anschluss der Deckenverkleidung genutet. Auf diese Weise entstanden 682 komplex und individuell geformte Stabgeometrien. Höhepunkte der digitalen Fertigungstechnik und gleichzeitig Prototypen einer kontinuierlichen digitalen Bauprozesskette auf der Grundlage parametrischer Modelle15 sind die in jüngster Zeit fertiggestellten Projekte mit frei geformten, zweifach gekrümmten Tragwerken oder Oberflächen wie der Golfclub in Yeoju, das Centre Pompidou in Metz oder das Theater- und Konzertgebäude in Kristiansand. Die komplexen Freiformflächen sind mit herkömmlichen Fertigungs- und Planungsmethoden nicht mehr zu bewältigen, denn sie lassen sich anhand von zweidimensionalen Zeichnungen (Grundriss, Aufriss, Schnitt) weder exakt darstellen noch berechnen, und die meist vielzähligen, individuellen Bauteile, die aufeinander abgestimmt werden müssen, könnten nicht in einem angemessenen zeitlichen und wirtschaftlichen Rahmen gefertigt werden. Eine dreidimensionale Darstellung der Geometrie und eine direkte Übertragung der Daten von der Planung bis zur Fertigung sowie eine Kopplung an leistungsfähige Maschinen sind für die Realisierung derartiger Projekte unabdingbar. Um die stetig gekrümmten Geometrien darstellen und letztendlich fertigen zu können, wurde als Grund­ lage für die Planungen, Berechnungen, Produktion und

15 An kleineren Projekten, wie zum Beispiel an dem BMW-Pavillon auf der IAA 1999 von Bernhard Franken und ABB Architekten oder dem ESG-Pavillon von Ludger Hovestadt, wurde diese Produktionsmethode bereits erfolgreich erprobt. Die Form des BMW-Pavillons wurde damals mit einem Programm aus der Filmindus­ trie parametrisch modelliert; das Tragwerk bestand aus einer gitterförmigen Aluminiumspantenkonstruktion, auf der die Hülle aus gebogenen PMMA-Platten punktförmig befestigt wurde. 16 Bei einem parametrischen Modell wird die Form nicht anhand festgelegter Dimensionen definiert, sondern anhand festgelegter Regeln, die bestimmen, wie die Form in Abhängigkeit von bestimmten Parametern konstruiert wird und wie sich die Einzelteile zueinander verhalten. Bei Änderungen an einer Stelle reagiert das gesamte System adäquat – Konstruktionsschritte werden so automatisiert.

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Montage der Projekte ein parametrisches Modell16 entwickelt. Die parametrische Zeichnung, die im Maschinenbau und Industriedesign als Entwurfs- und Planungsinstrument seit Langem eingesetzt wird, hat den Vorteil, dass die Form nicht auf der Grundlage absoluter Werte definiert wird, sondern anhand festgelegter Regeln, die in Abhängigkeit von bestimmten Parametern die Konstruktion der Form und das Verhältnis der Einzelteile zueinander bestimmen. Dadurch können die Auswirkungen auf die Geometrie der einzelnen Bauteile durch Änderungen an der Gesamtgeometrie oder an einem Detail erfasst, berechnet und automatisch angeglichen werden – bei Änderungen an einer Stelle reagiert das gesamte System adäquat. Planungsschritte, wie zum Beispiel die Festlegung der Geome­ trie der Bauteile und Knotenpunkte, die Bestimmung ihrer Lage im Raum und ihrer Relationen zueinander sowie zu den Gebäudeachsen, werden automatisiert. Trotz Automatisierung bedeutete jedoch jeder Planungs- und Berechnungsschritt dieser nichtstandardisierten Geometrien eine Herausforderung und erforderte Sonderlösungen. Bei der statischen Berechnung, zur Bestimmung der Schnittkräfte und Dimensionierung der etwa 45.000 Stäbe des Holztragwerks in Metz zum Beispiel, mussten 96 Windlastfälle und 80 Schneelastfälle, die 1,2 Millionen Kombinationsmöglichkeiten ergeben, berücksichtigt werden. Um den Umfang der Berechnungen in einem angemessenen Zeitraum bewältigen zu können, wurden neue, mehrstufige Programme entwickelt und eingesetzt. Da die Verbindungen und Knotenpunke sowie die Segmentierung der Träger die Steifigkeit des Tragwerks beeinflussen, musste das Tragwerk in all seinen Einzelteilen dargestellt werden – jeder Gurt, jedes Schubbrett und jeder

Für die gigantischen Holzgerüste von Achterbahnen müssen teilweise bis zu 120.000 Holzstäbe abgebunden werden, die aufgrund der Überschneidungen und Durchdringungen des Tragwerks mit unterschiedlichen windschiefen oder schrägen Ausblattungen und Kerven versehen werden müssen, so dass die Stäbe zusätzlich zu einem großen Teil individuelle Geometrien aufweisen. Mammut, Erlebnispark Tripsdrill, Deutschland. Ing.-Holzbau Cordes, 2008.

Die doppelt gekrümmte Gitternetzschale setzt sich aus kurzen Brettschichtholzstäben zusammen, die individuelle Geometrien aufweisen. ToskanaTherme in Bad Orb, Deutschland. Architekt: Ollertz Architekten. Tragwerk: Trabert + Partner, 2010.

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Knotenpunkt wurde mit seiner entsprechenden Ausrichtung im Raum konstruiert –, um die endgültige Dimensionierung der Bauteile festzulegen. Für die Festlegung der Trägersegmentierung wurden aufwändige Optimierungen und Berechnungen durchgeführt. Auf diese Weise konnten Materialkosten reduziert, die Anzahl der Längsstöße minimiert, die Fertigungsprozesse vereinheitlicht und die Fertigungszeiten verkürzt werden. Zur Ermittlung der optimalen geometrischen Relation zwischen Rohling und fertigem Träger bzw. Trägersegment wurden das Abspannungsvolumen und die damit verbundenen Maschinenstunden berechnet sowie die Kosten für die Längsstöße den

Kosten für die Herstellung gekrümmter Rohlinge gegenübergestellt – kürzere Segmente verursachen Kosten bei der Herstellung der Anschlüsse, längere Segmente müssen aus kostenintensiven, gekrümmten Rohlingen gefertigt werden. Dabei musste zusätzlich der statisch vorgegebene, maximale Faserschnittwinkel von 5 Grad, der entlang jedes Trägers in einem Abstand von 25 cm berechnet wurde, berücksichtigt werden. Während des Optimierungsprozesses war die permanente Rückbindung an die statische Analyse notwendig, und erst nach endgültiger Festlegung der Segmentierung und vorliegender Statik konnte mit der Fertigung der Rohlinge begonnen werden.

17 ESG-Pavillon ist die Abkürzung von „Endless Space Generated by individual sections“-Pavillon; ganz im Sinne einer „Mass Customisation“ wurde ein Programm entwickelt, das den Nutzern als Entwurfsinstrument zur Verfügung steht, um einen Pavillon den eigenen Wünschen entsprechend zu entwerfen. Den Rahmen für die Entwurfsvarianten bildeten ein inneres (2 × 2,25 m) und ein äußeres Rechteck (3 × 2,85 m), innerhalb deren Grenzen die Entwurfsvarianten entwickelt werden konnten.

Das geschwungene, doppelt gekrümmte Holztragwerk überspannt eine Fläche von 8.000 m2. Centre Pompidou in Metz, Frankreich. Architektur: Shigeru Ban/Jean de Gastines. Holzbau: Holzbau Amann GmbH. Tragwerk: Ove Arup, Hermann Blumer, SJB Kemper Fitze AG, 2010.

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Knotenpunkte Analog zur Wiederentdeckung und Weiterentwicklung traditioneller Tragwerke erleben auch traditionelle Holzverbindungen wie Schwalbenschwänze, Schäftungen, Zapfen, Versätze und Verblattungen durch die Digitalisierung und Automatisierung der Fertigung eine Renaissance. Die neuen, „alten“, CNC-gefertigten Verbindungen sind nicht nur als Alternative zu Balkenschuhen, Nagel- und Schlitzblechen bei dem Bau von Dachstühlen ein ästhetischer Gewinn und bei der rung historischer Fachwerkbauten eine wirtSanie­ schaftliche Variante zur handwerklichen Herstellung,

sondern ihre Etablierung im Ingenieurholzbau stellt ein Novum dar. Die Rückbesinnung auf die handwerklichen Verbindungstechniken spiegelt sich auch in Forschungsprojekten und studentischen Arbeiten wider. Um die Möglichkeiten einer digitalen Produktionskette vom Entwurf bis zum fertigen Produkt auszuloten, entwickelte Ludger Hovestadt an der ETH Zürich mit seinen Studenten 2004 den sogenannten ESG-Pavillon17 – einen möbelartigen Pavillon aus Holz und Kunststoff. Das Holztragwerk bestand aus Sperrholzplatten, die zu Rahmen mit variablem Querschnitt zusammengesetzt, in einem Abstand von 60 cm aufgereiht und über Holzstege miteinander verbunden waren. Die Rahmenseg-

In Abhängigkeit von dem verfügbaren Rohmaterial, den Transportmöglichkeiten sowie der Größe des Arbeits­ bereichs der Abbundanlage, die die maximale Länge der Trägersegmente vorgeben, wurden die Segmente unter Berücksichtigung der Krümmungsradien in Gruppen zusammengefasst und unterschiedlichen Rohlingsgeometrien zugeordnet.

Digitale Darstellung eines Trägersegments mit Aussparungen. Golfclub in Yeoju, Südkorea.

Aus dem 3D-Modell mit Vorgaben zu der Lage der Tragwerksknotenpunkte wurde eine kontinuierlich gekrümmte Referenzfläche entwickelt. Anhand der ermittelten Trägerdimensionen konstruiert das Programm die Geometrie der zweifach gekrümmten Träger entlang der einfach gekrümmten Stabachsen und erfasst automatisch die Schnittflächengeometrie der Knotenpunkte. Geometrieaufbereitung: iCapp, Fertigungsoptimierung: designtoproduction.

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mente wurden über CNC-gefräste, verleimte Schwalbenschwanzverbindungen zu einem steifen Rahmen gefügt; Zapfenverbindungen stellen den Anschluss der Holzstege an die Rahmen her. Als Fortsetzung dieses Experiments entwickelten die Studierenden an der Hochschule Liechtenstein18 ihre Entwürfe auf der Grundlage parametrisierter, traditioneller Holzverbindungen nach dem Bottom-up-Prinzip: „zuerst werden Knoten, dann Gerüste und schließlich Räume entworfen“. Neben diesen räumlich komplexen Geometrien der Anschlusspunkte erleichtert die CNC-Technologie jegliche Form der individuellen Ausbildung von Knotenpunkten. Bei dem räumlichen, unregelmäßigen Fachwerk der Automanufaktur Wiesmann wurden die Verbindungen der Fachwerkstäbe statt mit den üblichen Stahlblechen durch 40 mm starke Sperrholzplatten hergestellt, die in die geschlitzten Stabenden gesteckt und vernagelt wurden. Aufgrund der Unregelmäßigkeit des Tragwerks hatte jede Sperrholzplatte einen anderen Zuschnitt und jeder Knotenpunkt eine andere Anordnung der Nägel. Die individuelle Nagelung der Verbindungen wurde anhand von CNC-gefertigten Schablonen hergestellt. Bei frei geformten Tragwerken, die sich aus stabförmigen Elementen zusammensetzen, entstehen räumlich komplexe Knotenpunkte, die in der Herstellung und bei der Montage bewältigt werden müssen. Bisher wurden die Stäbe entweder im Anschlussbe-

reich standardisiert und über geometrisch komplexe Stahlverbindungsteile (Knotenbleche etc.) gefügt, oder sie wurden vor Ort in die gewünschte Position gebogen und fixiert.19 Durch die Parametrisierung der CAD-Daten und die Kopplung an CNC-gesteuerte, fünfachsige Bearbeitungszentren lassen sich die räumlich kom­ plexen Anbindungen bewältigen, indem die Stäbe im Bereich der Knotenpunkte individuell bearbeitet und mit standardisierten Stahl-Einbauteilen verbunden werden. Dadurch werden die Montage erleichtert, die Tole­ranzen des fertigen Tragwerks auf ein Minimum reduziert – das Tragwerk gleicht fast einem Möbelstück – und die Entwicklung neuer Knotenpunkte und Verbindungen begünstigt. Das in sechs Trägergurten aufgelöste, komplexe Tragwerk des Centre Pompidou in Metz wurde mit einfachen Stabverbindungen aus vorgespannten Gewindestangen (M24) realisiert.20 Ein weiteres Beispiel für diese Entwicklung sind die Knotenpunkte und Verbindungen des Dachtragwerks in Yeoju, bei dem erstmals traditionelle Holzverbindungen im Ingenieurholzbau eingesetzt wurden. Ebenso wie in Metz wird das frei geformte Dach von einem Gitternetz aus drei Trägerachsen gebildet, bei dem sich jeweils zwei Achsen kreuzen; während sich jedoch die in Trägerscharen aufgelösten Träger des Centre Pompidou auf unterschiedlichen Ebenen kreuzen, treffen die Träger in Yeoju in derselben Ebene aufeinander. Da die Knotenpunkte aufgrund der Brand-

Bei dem Tragwerk des Golfclubs in Yeoju durchdringen sich die Träger ebenengleich. Die doppelt gekrümmten Trägersegmente wurden mit schrägen und gleichzeitig gekrümmten Aussparungen für die Blattverbindungen versehen.

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schutzanforderungen nicht mit Stahlverbindungsmitteln ausgeführt werden konnten, wurden sie mit doppelten Überblattungen umgesetzt. Um die Biegesteifigkeit des Tragwerks zu erhöhen21 und die Montage zu erleichtern, wurden die Träger als Stabpaare ausgeführt, die im Wechsel mit gegenseitigen Ausblattungen oder Rücken an Rücken aufeinander liegen. Mit dieser paarweisen Anordnung der Stäbe erreichen die Verbindungen für die Biegebeanspruchung einen Wirkungsgrad von 90 %. Eine Herausforderung war dabei nicht nur der Nachweis der Tragfähigkeit der Verbindungen,22 sondern die Definition und Herstellung der Schnittflächengeometrie, da die Kreuzungspunkte von gebogenen und gleichzeitig tordierten Trägern in ihren Schnittflächen keine ebenen, sondern sogenannte HP-Flächen – doppelt gekrümmte hyperbolische Paraboloide – ergeben, die zusätzlich, den Trägerkrümmungen entsprechend, unterschiedliche Geometrien aufweisen. Da sich die üblichen Planungsinstrumente für derartige Konstruktionen nicht eigneten, musste ein Programm mit allgemeingültigen Regeln für alle Kreuzungspunkte entwickelt werden, das die Blattverbindungen im 3DModell automatisch konstruiert.23 Am Ende dieser Planungs- und Berechnungsprozesse, die die exakte Geometrie jedes einzelnen Trägers festlegen, wird die Bauteilgeometrie der Stäbe (in Metz waren das 45.000 Stück) in Daten übersetzt, die die Abbundanlage steuern. Dank der detaillierten stati-

18 Oliver Fritz am Lehrstuhl für Architektur und Digitale Medien setzt dieses Konzept „Das Begreifen im Experiment“ gemeinsam mit Johannes Käferstein und Urs Meister vom Lehrstuhl Konstruktives Entwerfen um. 19 Die zweifach gekrümmten Kuppelnetzwerke wurden meist in Brettstapelbauweise oder aus biegsamen Lattenrosten ausgeführt (Multihalle in Mannheim, Kindergarten in Triessen, Ausstellungspavillon in Nara etc.). 20 In einer Versuchsreihe an der Hochschule für Architektur, Bau und Holz in Biel wurden 2007 mehrere Modelle im Maßstab 1:1 mit Abmessungen von bis zu 10 × 12 m vorab gebaut, um die Tragfähigkeit und Steifigkeit der Verbindungen zu überprüfen und statistisch auszuwerten. 21 Im Vergleich zu einer traditionellen Blattverbindung zweier sich kreuzender Träger mit hälftigem Ausschnitt erhöht sich der Biegewiderstand bei einer Ausführung mit aufgelösten Trägerquerschnitten um das Dreifache. Gleichzeitig konnte durch die Auflösung der Träger die jeweilige Haupttragrichtung gestärkt werden. 22 Verbunden mit der Etablierung neuer, nicht-standardisierter Knotenpunkte ist die Ermittlung statisch relevanter Kennwerte anhand von Versuchen, die dann die Di­mensionierung der Einbauteile oder wie bei dem Tragwerk in Yeoju jene der Verleimung vorgeben. Für die Verbindungen der Tragwerke in Metz und Yeoju wurden an der Berner Fachhochschule umfangreiche Versuchsreihen durchgeführt. 23 Es gibt zwar im Holzbau seit Langem CAD-Programme, die Verbindungsdetails parametrisch darstellen, jedoch nicht das Arbeiten mit Freiformgeometrien beherrschen. Daher wurde die komplette Planung für Metz und für Yeoju mit einer branchenfremden Software durchgeführt, deren Daten dann über neue Programme an die übliche CAD-Software übertragen wurden. Für Yeoju lieferte designtoproduction fertige 3D-Modelle aller Bauteile (in Metz konstruierte die Holzbaufirma die Bauteile selbst mithilfe der Plug-ins)

Bei dem Tragwerk des Centre Pompidou in Metz, Frankreich, kreuzen sich in den Knotenpunkten vier gekrümmte und gleichzeitig verdrehte Brettschichtholzgurte (140 × 440 mm) auf unterschiedlichen Ebenen. Hexagonale Holzdollen aus Buchenfurnierschichtholz gewährleisteten die maßgenaue und unkomplizierte Montage dieser geometrisch anspruchsvollen Punkte und dienten den vorgespannten Gewindestangen, die die Knoten fixieren, als Führungsschiene. Die exakte Positionierung und senkrechte Ausrichtung der 15.000 Dollen auf den verdrehten und tordierten Oberflächen war nur anhand der digitalen Präzisionswerkzeuge möglich. Die Position der lagenweise montierten Gurte wurde über kurze Schrauben und konische Doppelmuttern fixiert.

CNC-Fertigung im Holzbau

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schen Tragwerksmodelle konnten die im Bauablauf auftauchenden Probleme und Detailfragen sofort überprüft und die notwendigen Anpassungen an neue Gegebenheiten auch während des Fertigungsprozesses vorgenommen werden.

Bauen mit Platten Ebenso wie die Tragwerke aus stabförmigen Holzbauteilen erfahren Tragwerke aus plattenförmigen Elementen durch die Digitalisierung der Planung und Herstellung einen Innovationsschub. Das Ergebnis sind individuell zugeschnittene Wandscheiben und Dachschalen oder ungewöhnliche Gitternetzschalen und Trägerroste aus Holzplatten. Systemhäuser, die für eine kostengünstige Fertigung ursprünglich auf standardisierte Bauteile angewiesen waren, können nun individuell, „just-in-time“ gefertigt werden, ohne Mehrkosten zu verursachen – den Grundrisslayouts und innenräum­lichen Zusammenhängen sind keine Grenzen mehr gesetzt. Zusätzlich können die Platten mit gen Aussparungen versehen und die Oberfläbeliebi­ chen anhand von Fräsungen frei gestaltet werden, was letztend­lich zu einer Renaissance des Ornaments führt. Ein Paradebeispiel für die neue Generation von Systemhäusern ist „Burst“, das 2006 gebaute Strandhaus in North Haven. Windschiefe und spitz zulaufende Wandund Dachflächen aus beschichteten, wärmegedämmten Holzplatten, die großflächig über die gesamte Gebäudelänge spannen, lassen keinen Zweifel an der Individualität des Serienhauses – ein Eindruck, der durch die applizierten Blumenornamente unterstützt wird. Das Prinzip der seriellen Einzelanfertigung setzt sich im Tragwerk fort. Das Tragwerk besteht aus 25 mm starken, in der Höhe und Länge variierenden Sperrholzrippen, die über einfache, x-förmige Stahlplatten miteinander verbunden sind und so einen Gitter­rost aus unregelmäßigen Rauten ausbilden. Der horizontale Gitterrost des Bodens setzt sich in der vertikalen und horizontalen Tragstruktur von Wand und Dach fort. Durch die Ausbildung von Vor- und Rücksprüngen dienen die tragenden Rippen im Innenraum gleichzeitig als Unterkonstruktion für Treppenstufen, Podeste, Sitzbänke und Einbauschränke und geben außenseitig den Verlauf der windschiefen Wand- und

24 Das Strandhaus mit einer Grundfläche von 100 m2 konnte für 150.000 Euro gebaut werden. Ein zweiter Prototyp wurde in New York 2008 im Rahmen der Ausstellung „Home Delivery: Fabricating the Modern Dwelling“ aufgebaut – eine Ausstellung, die neue Visionen von nachhaltigen, vorgefertigten Häusern zeigt.

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Dachflächen vor, so dass schließlich 1.100 Sperrholz­ rippen mit individuellen Zuschnittgeometrien gefertigt wurden. Für die Planung und den Zuschnitt wurde ein Computerprogramm, das in der Textilindustrie zur Herstellung von Schnittbögen verwendet wird, genutzt. Aus den vielzähligen Gebäudeschnitten entlang jeder einzelnen Trägerachse generiert die Software die Geometrie der einzelnen Rippen, errechnet deren wirtschaftlichste Anordnung auf dem Plattenmaterial und übergibt die Daten an die CNC-Fräse, die die Bauteile herstellt, nummeriert und zu Paketen bündelt.24 Mit dem kleinen Strandhaus in North Haven entstand nicht nur eine neue Häusergeneration im Systemhausbau, sondern zusätzlich ein neues Konstruktionsprinzip. Die Planer nutzten die Vorteile des Plattenmaterials, das unkompliziert und geometrisch beliebig zugeschnitten werden kann, um ein ungewöhnliches, gitterrostartiges Tragwerk auszubilden, das mehr erfüllt als nur die tragende Funktion. Bei dem Sonnendach in Sevilla wird diese Konstruktions- und Fertigungsmethode aufgegriffen und in einen größeren Maßstab übersetzt. Die frei geformte Gitternetzschale aus Kerto-Q-Furnierschichtholzplatten lagert auf sechs turm­artigen Stützen und überdacht in einer Höhe von bis zu 28 m eine Platzfläche von etwa 10.000 m2. Die Furnierschichtholzplatten sind in einem orthogonalen, quadratischen Raster von 1,50 m angeordnet und formen ein dreidimensionales Volumen mit konkaven und konvexen Oberflächen, die frei auf und ab schwingen. Dadurch ergeben sich für die Rippen 3.400 unterschiedliche Bauteile, deren Geometrien nicht nur individuell, sondern außerdem frei geformt sind – rechte Winkel oder gerade Linien existieren nicht. Mit einer maximalen Höhe von 3 m und statisch bedingten Stärken zwischen 68 mm und 311 mm variieren die Längen in Abhängigkeit von der Krümmung und der Faser­neigung von max. 7 Grad zwischen 1,50 und 16,50 m. Über Stahleinbauteile biegesteif verbunden, überspannt das Holzgitternetz Längen von bis zu 40 m. Die Auswirkungen der seriellen, digitalen Einzelanfertigung auf die Architektur zeigen sich nicht nur in neuen, ungewöhnlichen Tragwerkskonstruktionen, sondern werden ebenso sichtbar in der Gestalt von Fassaden- und Wandkonstruktionen, die sich aus einer Vielzahl kleiner Elemente zusammensetzen. Beispiel-

Direkt in das Tragwerk gefräste Ornamente sind eine Neuinterpretation traditioneller Holzschnitzereien. Neue Monte Rosa Hütte, Schweiz. Gramazio & Kohler, 2009.

CNC-Fertigung im Holzbau

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haft für diese Tendenz ist die doppelt gekrümmte, wellenförmige Wandoberfläche des Theater- und Konzertgebäudes „Kilden“ in Kristiansand. Sie wird von etwa 14.000 konisch zugeschnittenen, tordierten Eichenholzbrettern geformt, die auf eine Unterkonstruktion aus gebogenen Brettschichtholzträgern geschraubt wurden. Aus der komplexen, unregelmäßigen Geometrie der Oberfläche ergibt sich eine Vielzahl individueller Einzelteile und Verbindungen – die verdrehten und gleichzeitig konisch zugeschnittenen Bretter der doppelt gekrümmten Wand verursachen an den Kontaktpunkten mit der Unterkonstruktion der Brettschichtholzträger jeweils eine andere Verbindungsgeometrie –, die mit allen Details dreidimensional beschrie­ ben und gefertigt wurden. Eine präzise Nummerierung

Von der Straßenseite aus betrachtet erscheint das Haus als unregelmäßig gefaltetes Volumen auf Stützen. „Burst“, North Haven, Australien. System Architects, 2006.

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gänge im Bauprozess kulminieren in der Planungsphase, wodurch sich die Komplexität und der zeitliche Aufwand des Bauablaufs von der Baustelle in die Planung verschieben; Merkmal dieser Verschiebung ist das umfangreiche und komplexe Datengeflecht in der Planungsphase. Das komplette Tragwerk existiert bereits als virtuelles Modell bis ins Detail, bevor es gebaut wird, und muss als physisches Modell nur noch wie ein Puz­zle zusammengesetzt werden. Kenntnisse über die Möglichkeiten und Grenzen der Montage, des Materials und der Fertigung müssen bereits in der Planung berücksichtigt werden – die Knotenpunkte und Schnittstellen des Tragwerks sowie die Montagekonzepte müssen zum Beispiel bereits vor der statischen Analyse bekannt sein.

der Bretter gab die genaue Lage im Gesamtgefüge vor. Da jedes Brett nur an einer ganz bestimmten Stelle der Fassade eingesetzt werden konnte, war das Nummerie­ rungssystem von wesentlicher Bedeutung. Die Tendenz, große Holztragwerke, Fassaden und Wände aus einer Vielzahl individuell geformter Bauteile zu fügen und die digitale Fertigung als Teil einer kontinuierlichen digitalen Prozesskette bedingen sich gegenseitig. Die Parametrisierung der Geometrie, die auf der einen Seite die Planung vereinfacht, verursacht andererseits einen Wandel im Ablauf der Planungsund Bauprozesse, deren Abhängigkeiten, Bedingungen und Verflechtungen neu definiert werden müssen. Planung, Berechnung, Fertigung und Montage als ursprünglich voneinander getrennte, chronologische Vor-

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Laser-Cut Pieces Number Guide

Laser-Cut Pieces Letter Guide

Trotz „serieller“ Fertigung hat jede Fassa­den­ platte einen anderen Zuschnitt.

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Chart — All the pieces to be laser cut

Scale: 1:20 m

Durch den L-förmigen Zuschnitt der Holzrippen an den Übergängen zwischen Boden und Wand sowie Decke entstehen ganz automatisch biegesteife Ecken. Die zugeschnittenen Sperrholzplatten wurden anhand einfacher Positionspläne auf der Baustelle von Studenten zusammengesetzt.

CNC-Fertigung im Holzbau

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Außerdem müssen die Verbindungen möglichst simpel sein, die Bauteile eindeutig zugeordnet werden können und Kontrollmechanismen für die exakte Positionierung berücksichtigt werden. Besonders bei der Montage von frei geformten Tragwerksgeometrien bedeutet die Herstellung eines Bezugssystems für das Einmessen der Positionspunkte vor Ort einen großen Aufwand, der jedoch durch eine größtmögliche Vorfertigung minimiert werden kann. Bei der Vormontage werden zur Kontrolle der Maßgenauigkeit und der exakten Ausrichtung der Träger entweder Kontrolllinien definiert oder Schablonen errichtet. Der Einsatz von Schablonen ist zwar eine sichere, aber aufgrund der

Komplexität der Schablonen gleichzeitig eine planungs-, zeit- und kostenintensive Methode, die nur sinnvoll ist, wenn die Schablonen mehrfach genutzt werden können, wie zum Beispiel bei der Dachkonstruktion des Golfclubs in Yeoju, Südkorea (siehe S. 109). Das Fügen der Bauteile ist hingegen vergleichsweise simpel: Übersichtspläne mit dem Nummerierungssystem entsprechend gekennzeichneten Trägern geben die Lage im Gesamtgefüge vor. An den beschriebenen Projekten, die als Vorreiter das Potenzial der CNC-Technologie nutzten, werden gleichzeitig die Schwachstellen und Probleme, die im Fertigungsprozess auftreten, sichtbar. Fehlende pas-

Für den Zuschnitt der Bretter wurden die Torsionen jedes einzelnen Bauteils in eine ebene Fläche zurückgerechnet. Die genuteten Brett­ schichtholzträger und die CNC-gefertigten Schraublöcher gaben die exakte Position der Bretter vor.

Die Geometrie der Wandfläche entwickelt sich von einem geraden Dachrand in einer Höhe von 22 m zu einer wellenförmigen Grundrisslinie, die am Boden weit zurückspringt. Theater- und Konzertgebäude in Kristiansand, Norwegen. ALA Architects, designtoproduction, 2012.

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sende Planungsinstrumente und Schnittstellen führten zu aufwändigen Sonderlösungen; branchenfremde Programme aus der Textil- oder Automobilindustrie25 wurden für diesen Zweck umgeschrieben und Schnittstellen26 mussten erst entwickelt werden.27 Trotz dieser Schwierigkeiten sind die Vorteile der digitalen Fertigung evident: Bei der Produktionsvorbereitung ist die Anfertigung von Bauteilzeichnungen mit den entsprechenden Aussparungen und Bohrungen für Knoten- und Anschlusspunkte automatisiert, und Änderungen können jederzeit vorgenommen und automatisch angepasst werden. Stück- und Materiallisten, die für den Einkauf der Rohlinge notwendig sind, werden

ebenfalls automatisch generiert; durch die präzise Erfassung und zeitliche Berechnung der einzelnen Arbeitsschritte können Fertigungszeiten exakt bestimmt werden. Durch die Bündelung der notwendigen Abbundarbeiten in eine Maschine und die digitale Steuerung der Werkzeugpositionen werden das Aufmessen, das „Anreißen“, das Bauen von Lehren und das Umlagern der Werkstücke von Maschine zu Maschine überflüssig und damit die Fertigungszeiten extrem verkürzt. Außerdem führen die Präzision der Fertigung, die kostenneutrale Produktion von Unikaten sowie die Möglichkeit, geometrisch komplexe Bauteile zu produzieren, zu Innovationen im Holzbau.

25 Für die Umwandlung der dreidimensionalen DXF-Daten des Entwurfs in ein geglättetes, parametrisches NURBS-Modell bei dem Dachtragwerk in Metz wurden Spezialisten aus der Automobilindustrie hinzugezogen, da die üblichen CAD-Programme an ihre Leistungsgrenzen kamen. 26 Bei der Fertigung des Dachtragwerks in Yeoju führten fehlende Programmierschnittstellen der CAM-Software dazu, dass die gekrümmten Bauteile auf der Grundlage der detaillierten 3D-Modelle im CAM-System als Einzelstücke programmiert wurden. 27 Bereits Anfang der 1990er Jahre zeigte sich die Problematik der CNC-Fertigung an der fehlenden Standardisierung der Softwareschnittstellen zwischen den CAD-, CAE- und CAM-Daten, was zu zeit- und arbeitsaufwändigen Planungen führte: Da die vorhandenen Entwurfszeichnungen der Architekten und Tragwerksplaner nicht übernommen werden konnten, mussten sowohl die Ausführungszeichnungen und die Werkstattplanung als auch die Daten für die Fertigung neu erstellt bzw. aufbereitet werden. Das Forschungsvorhaben „Datentransfer im Holzbau“, von der DGfH initiiert, untersuchte 1995 dieses Thema.

Für die einzelnen Plattenzuschnitte ergeben sich frei geformte Geometrien. Die Plattengeometrien wurden nach dem „Eierschneideprinzip“ aus dem digitalen Volumenmodell ermittelt.

Die Gitternetzschale aus Furnierschichtholzplatten wird über Diagonalstreben aus Stahl ausgesteift. Metropol Parasol in Sevilla, Spanien. Jürgen Mayer H., Arup Ingenieure, Finnforest Merk, 2011.

CNC-Fertigung im Holzbau

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Experimentelle und ephemere Strukturen Simone Jeska

Bei dem Schweizer Pavillon auf der Expo 2000 in Hannover werden gestapelte Kanthölzer zu einem labyrinthischen Klangkörper, der auf die Verführung der Sinne setzt. Das geschichtete Holz, im kollektiven Gedächtnis eingeprägt als Holzstapel vor dem ländlichen Haus, das zum Heizen und Kochen bereitliegt, erfährt eine Umdeutung und führt zu Irritationen. 8,68 m hohe Holzstapel aus zwei parallel angeordneten Balkenlagen (100  ×  200  mm) mit quer liegenden Stapelhölzern (45 × 45 mm) bilden die semipermeablen Wände eines von Gängen und Höfen geprägten Raumgefüges, das allseitig, ohne räumliche Begrenzung, zugänglich und

Stapel 4

Bevor sich neue Materialien und Tragwerke sowie neue Verbindungs- und Fertigungstechniken in der baulichen Realität manifestieren und sich als anerkannte Baumaterialien und Bautechniken etablieren, werden sie oftmals im Experiment und an ephemeren Strukturen und Bauten erprobt. Holz als günstiges und leicht zu bearbeitendes Material eignet sich dabei besonders für das Experimentieren mit Neuem. Gestapelte Kanthölzer und Holzkisten kreieren Räume, die zwischen Kunst und Architektur angesiedelt sind; sie nutzen die atmosphärische Wirkung sowie die kulturelle Bedeutung des Materials und beeindrucken durch ihre Schlichtheit.

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Der Pavillon auf der Expo 2000 besteht aus zwölf konstruktiv voneinander unabhängigen Stapeln aus mindestens vier parallel  verlaufenden Stapelwänden. Zugseile, mit kleinen Knicken an den Halterungen, wirken der horizontalen Verschiebung der Stapel­ wände (etwa 60 mm) als Folge von Schwinden entgegen. Höhen­ änderungen infolge von Schwinden und Kriechen von bis zu 23 cm wurden über Zugfedern am Kopf der Spannseile ausgeglichen. Atelier Peter Zumthor & Partner, 2000.

Ferienhaus in Kumamura, Japan: Der kleine Waschraum direkt neben dem Eingang ist der einzige geschlossene Raum in der offenen, fließenden Raumlandschaft. Die Infrastruktur des Hauses, wie Heizung- Strom- und Wasser­ leitungen treten nicht in Erscheinung, so dass der Eindruck der zufällig gestapelten Hölzer durch nichts gestört wird. Sou Fujimoto Architects, 2008.

Experimentelle und ephemere Strukturen

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nur in den Bereichen der Cafeteria und Nebenräume überdacht ist. In einer Höhe von 6,25 m sind die Stapelwände über Querbalken miteinander verbunden. Die Biegesteifigkeit der lose gestapelten Balken sowie der Rahmenecken wird durch vertikale, vorgespannte Stahlseile erzeugt, die in einem Abstand von 3 m die Holzstapel mit dem Boden verankern. Der Pavillon entzieht sich dem üblichen Verständnis von gebautem Raum; vielmehr entstehen durchlässige Raumschichten, die den Besucher, je weiter er in das Innere des Pavillons vordringt, von der „Außenwelt“ trennen. Wie bei dem Betreten eines Waldes verlieren sich die akustischen und visuellen Außenbezüge, bis sich im Kern des Gefüges ein eigenständiger, atmosphärisch dichter Klang- und Lichtraum entfaltet: Zenitlicht durchdringt den dachlosen Pavillon, der für musikalische und vokale Darbietungen zum Resonanzraum wird. In seiner Ursprünglichkeit knüpft das Holz an das Erinnerbare an und wird gleichzeitig zu einem vielschichtigen, mehrdeutigen System. Sou Fujimoto nutzt ebenfalls das Ursprüngliche und Unverfälschte des Materials für seine Neuinterpretation einer traditionellen Blockhütte. Das würfelförmige Ferienhaus in Kumamura (Japan) mit einer Kantenlänge von 4,20 m wird von 191 gestapelten Zedernkanthölzern mit einem Querschnitt von 350 × 350 mm gebildet. Die Kanthölzer sind in elf horizontalen und

zwölf vertikalen Schichten gestapelt, wobei jede horizontale Schicht eine andere Grundrissstruktur ausbildet und jede vertikale Schicht ein anderes Schnittbild ergibt. So entwickelt sich im Inneren des Würfels ein komplexer, höhlenartiger Raum, in dem die gestapelten Hölzer gleichzeitig als Treppenstufen, Sitzbänke, Stehtische, Regale oder Podeste genutzt werden können. Durch die scheinbar willkürliche Stapelung der Kanthölzer entstehen Vor- und Rücksprünge, Hohlräume und Nischen, die von dem Bewohner quasi erklommen werden, um sich einen passenden Platz zum Schlafen, Essen, Lesen, Schreiben und Ruhen zu suchen. Damit entzieht sich das Ferienhaus dem üblichen Verständnis von Architektur. Mit Ausnahme des kleinen Badezimmers neben dem Eingang gibt es weder abgetrennte Räume noch in ihrer Nutzung festgelegte Bereiche und Bauteile: Die Treppe wird zum Tisch oder zur Bank, die Wand wird zur Treppe oder zum Regal. Erst durch den Bewohner findet eine temporäre Definition des Ortes statt. Das Kantholz wird zu einem universalen Baustein, der zugleich Hülle, Tragstruktur, Raumstruktur und Möbel ist und so das gesamte Spektrum des Materials mit seinen physikalischen und statischen Eigenschaften sowie seinen­Oberflächenqualitäten ausschöpft. Gewindestahlbolzen (d = 18 mm), die die Balken vertikal und horizontal miteinander verbinden, und rahmenlose, einfachverglaste Fenster (6 mm) sowie­

Der amorphe Pavillon auf der Ski-Weltmeisterschaft 2005 in Oberstdorf, Deutschland, besteht aus 1.300 Europaletten. Prof. Matthias Loebermann, Hochschule Biberach.

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eine rahmenlose Glasplatte als Dach treten kaum in Erscheinung und verstärken den Eindruck eines lose geschichteten Holzstapels. Während bei dem Expo-Pavillon und dem Ferienhaus in Japan das Holzmaterial in seiner (fast) ursprünglichsten Form zur Anwendung kommt, werden bei dem Palettenpavillon in Oberstdorf industriell gefertigte Alltagsgegenstände zum Baumaterial. Im Alltag ein unbeachtetes „Billigprodukt“, beweisen die Europaletten als Wandbausteine eingesetzt ihre Tragfähigkeit und erfahren eine ästhetische Umdeutung und Aufwertung. Die Forderung der Nachhaltigkeit und des unkomplizierten Auf- und Abbaus durch ungelernte Kräfte waren die Vorgaben zum Bau des Pavillons, der Sportlern und Medien auf der Ski-Weltmeisterschaft 2005 als Treffpunkt diente. Die Paletten bilden über einer­amorphen Grundfläche von etwa 8 × 18 m ein organisch geschwungenes, 6 m hohes Raumgefüge mit konvex geformten Wänden. Durch die spiralförmige Grundrissanordnung der Holzmodule in den unteren Schichten entsteht ein Zugang, der – wie bei einem Schneckenhaus – einen fließenden Übergang von außen nach innen herstellt und trotz fehlender räumli-

cher Begrenzung den Aufenthaltsbereich im Kern vor der Witterung schützt. Die Konstruktion selbst ist denkbar simpel: 1.300 Europaletten wurden horizontal schichtweise um eine halbe Achse versetzt und vertikal mit Überständen oder Rücksprüngen von wenigen Zentimetern gestapelt. LKW-Zuggurte, die in einem Abstand von etwa 2,50 m vertikal durch die Paletten gefädelt wurden, verspannen die modularen Elemente miteinander, so dass der Pavillon konstruktiv betrachtet eine „vorgespannte“ Raumschale ergibt, die über Zuganker im Boden verankert ist. Und trotz oder gerade wegen dieser verblüffenden Schlichtheit wird das Profane zum Sublimen. Die Holzpalette als Baumodul ist tragende Struktur, diaphane Hülle und Ornament zugleich. Neben diesen vom Holzmaterial inspirierten Raumexperimenten hat die Verknüpfung von neuen, digitalen Entwurfs-, Berechnungs- und Fertigungsmethoden in den letzten Jahren besonders an den Hochschulen zu einigen bemerkenswerten Holzkonstruktionen geführt. Als Ergebnis des jährlichen Studentenwettbewerbs für einen Sommerpavillon an der AA in London1 ent-

1 Der Pavillon stand im Sommer 2008 auf dem Bedford Square in London. Betreut wurde der Entwurf der Studierenden an der Architectural Association School von Charles Walker und Martin Self, die das Sommerpavillon-Programm im Rahmen des „Design & Make Studio“ in den Jahren 2005 – 09 leiteten.

Die Struktur der Gitterschale aus etwa 650 senkrechten, hell gebeizten Furnierschichtholzplatten wurde digital entwickelt. Die versetzt angeordneten Querrippen sind am Kopfende mit den gebogenen Längsrippen verschraubt. Sommerpavillon, London, Großbritannien, Studierende der AA, 2008.

Experimentelle und ephemere Strukturen

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stand eine ungewöhnliche Gitternetzschale aus Furnierschichtholzplatten. Hintergrund des Entwurfs war das Ausloten der Möglichkeiten neuer Technologien für die Architektur; dementsprechend wurde die Pavillongeometrie mithilfe eines 3D-Computerprogramms entwickelt und das Tragwerk an einer CNC-Fräse gefertigt. „Swoosh“ nannten die Studierenden ihren Pavillon, weil er im Grundriss zwei punktsymmetrisch gespiegelte Schleifen, die an das Nike-Label angelehnt sind, nachbildet. Über dem schleifenförmigen Grundriss entwickelt sich die Gitternetzstruktur durch kontinuierliche Höhenänderungen von flachen Bänken an den entgegengesetzten Enden der Schleifen zu auskragenden, schirmartigen Sonnendächern, die in der Mitte zu einem bogenüberwölbten Durchgang verschmelzen. Die Gitternetzschale wird von gebogenen, meist mehrteiligen Rippen aus 51 mm starken Furnierschichtholzplatten gebildet, die über rechteckige Querrippen aus 27 mm starken Furnierschichtholzplatten miteinander verbunden und am Fußpunkt in einem Abstand von wenigen Zentimetern strahlenförmig an Stahlschwertern befestigt sind. Der ungewöhnliche Einsatz von Holzplatten als Ausgangsmaterial für eine Gitternetzschalenkonstruktion, die üblicherweise aus Holzstäben gebaut wird, hat in dem Serpentine-Pavillon von Álvaro Siza ein berühmtes Vorbild. Durch den spielerischen und freien Umgang mit dem Material und der Kons­

ebogenes Streifensegment, Birkensperrholz 6,5mm, lasiert ugbeanspruchtes Streifensemgment, Birkensperrholz 6,5mm, lasiert opplungsdetail, Verhakungskanten in den Streifen entstehen mit dem uschnitt und werden durch 2 Holzkeile biegesteif verbunden ügedetail, halbversenkte Zapfenverbindung, Fügung immer n zugbeanspruchten Streifensegmenten olzkeil, Fichte, lasiert, Abmessungen der Holzkeile differieren und erden zu insgesammt 40 Gruppen Ab- bzw. Aufgerundet pante, Birkensperrholz 21mm, lasiert, in 10mm Nut versenkt, 5mm Zapfen zur Befestigung der Streifen odenelement, 21mm Birkensperrholz, lasiert erbindungsdetail, Streifen wird mit 70x21mm Aussparung passgenau uf die Spante gesetzt und verschraubt andverkleidung, Birkensperrholz 4mm, lasiert Kiesfüllung Unterschiedliche Parameter für die Taillierung der Segmente dentifikationsnummern für alle Segmente

ID: 3-2#2f

(34°#1,17°) 34°#2°

truktion entstand eine geschwungene, raumbildende Skulptur, die dem Holzbau neue gestalterische Möglichkeiten aufzeigt. Bei dem temporären Forschungspavillon der Universität Stuttgart war das Materialverhalten von Birken­ sperrholz, das sich durch seine biegeweichen Eigenschaften bei gleichzeitiger hoher Festigkeit auszeichnet, die Grundlage für die Entwicklung eines neuartigen Tragwerks.2 Mit eigens entwickelten Planungsinstrumenten konnte ein Tragwerk konzipiert werden, das die Elastizität des Materials nutzt, um ein stabiles, steifes System herzustellen. Bei diesem sogenannten biegeaktiven Tragwerk3 werden Biegespannungen nicht vermieden, sondern aktiv eingesetzt, und die elastische Verformung des Materials wird zum formgebenden Parameter der Pavillongeometrie. Das raumbildende Tragwerk des Pavillons bestand aus 6,5 mm dünnen und 10 m langen Birkensperrholzlamellen. Radial in 3,50 m weit spannenden Bögen ­angeordnet, ergab sich eine Torusform mit einem Außendurchmesser von 10 m. In Längsrichtung sind die Lamellen über zugfeste „halbversenkte Zapfenverbindungen“ mit einer reißverschlussähnlichen Geometrie verbunden. In Querrichtung sind die jeweils benachbarten Lamellen punktuell miteinander verzahnt, so dass wellenförmige, gegenläufige Bogengeometrien aus abwechselnd zug- und biegebeanspruchten Seg-

(34°#1,46°) 34°#2°

a x*a=24 0m

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Abwicklung für Modell Abwicklung für 3D3D Modell

Das Bogenpaar besteht aus abwechselnd zug- und biegebeanspruchten Segmenten. Kleine Holzkeile, die an den Verzahnungen eingesetzt wurden, verhindern, dass das dünne Material an den gewellten Übergängen bricht.

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Abwicklung für Fertigung Abwicklung für Fertigung Darstellung 1 1 Darstellung

Abwicklung Fertigung Abwicklung für für Fertigung Darstellung 2 2 Darstellung

Lamellengeometrien und Segmentierung für die Fertigung.

menten entstehen; jedes Zugsegment hält das benachbarte Biegesegment elastisch in Form. Dabei stabilisiert die Eigenspannung der gebogenen Lamellen die Konstruktion. Da sich bei dem Tragwerk die Geometrie, das Tragverhalten und das Material gegenseitig bedingen, wurde als Entwurfsinstrument ein Programm entwickelt, in dem die formbestimmenden Parameter, wie zum Beispiel die materialspezifischen Kennwerte,4 die in Messreihen ermittelt wurden, und die statisch relevanten Werte,5 integriert werden. Das Ergebnis war ein digitales, sogenanntes „Informationsmodell“,6 das die Daten für alle folgenden Arbeitsschritte lieferte. Anhand der Positionierung der Lamellenverzahnungen, die ebenfalls im Informationsmodell gespeichert waren, konnten bereits in der Entwurfsphase am Computer unterschiedliche Pavillongeometrien auf die mögliche Realisierbarkeit überprüft und als 3D-Geometriemodelle automatisch generiert werden.

Die realisierte Pavillongeometrie bestand aus 80 individuell geformten Lamellen mit Breiten von bis zu 500 mm, die sich aus 400 Segmenten zusammensetzen; die individuellen Bauteile enstanden durch die unterschiedlichen Bogenlinien und die versetzt angeordneten­ Verzahnungen. Die Zuschnittgeometrien der Lamellen wurden anhand der Daten des „Informationsmodells“ automatisch berechnet und als CNC-Fertigungsdaten geliefert, so dass die Bauteile in nur drei Wochen an einer CNC-gesteuerten Sechsachsfräse produziert und montiert werden konnten. Im selben Jahr zeigte das Institut für Holzkons­ truktion IBOIS der EPFL auf der Ausstellung „Timber Project“ 7 die Ergebnisse seiner Forschungsarbeiten, die sich mit der Effizienz und konstruktiven Ausführung von Holztragwerken beschäftigen. Neue Holzwerkstoffe und Fertigungstechniken werden mit digitalen Darstellungs- und Berechnungsmethoden von Tragwerken verknüpft, um „neue Architekturformen in

2 Der Pavillon stand im Sommer 2010 auf dem Gelände der Universität Stuttgart; er war das Ergebnis einer gemeinsamen Forschungsarbeit des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen (ICD) und des Instituts für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE). Um das Relaxationsverhalten der Sperrholzplatten und damit die Tauglichkeit der Tragstruktur zu überprüfen, wurde die tatsächliche Pavillongeometrie mit einem 3D-Laserscanner erfasst und dokumentiert. 3 Bei biegeaktiven Tragwerken basiert die Formgebung auf der elastischen Strukturverformung des Materials. Aus geraden Stäben oder Platten mit einer hohen Bruchdehnung (einer hohen Tragfähigkeit bei geringer Steifigkeit) entstehen komplexe, gekrümmte Geometrien; die Holzgitterschalen aus Holzlatten, die erstmals in den 1960er gebaut wurden, wie z. B. die Multihalle in Mannheim von Frei Otto, sind ebenfalls biegeaktive Tragwerke. Damals wurde die Geometrie anhand von Hängemodellen entwickelt. 4 Anhand von experimentellen Modellversuchen wurde das elastische Biegeverhalten der Sperrholzplatten ermittelt: Minimale Biegeradien, die auftretenden Spannungen sowie die Abhängigkeiten der Biegelinien benachbarter Lamellen wurden erfasst und als Parameter in das Programm aufgenommen. 5 Auf Grundlage der experimentell ermittelten Daten und der daraus entwickelten Geometrie wurde ein FEM-Programm geschrieben, das unter Berücksichtigung des tatsächlichen Materialverhaltens das Biege- und Tragverhalten berechnete, so dass die endgültige Bemessung der Lamellen unter Berücksichtigung der anfallenden Lasten erfolgen konnte. 6 Das „Informationsmodell“ war ein speziell programmiertes Computerskript, in dem alle relevanten Informationen gespeichert waren; eine wesentliche Aufgabe des Informationsmodells war die Verwaltung der räumlichen Positionen und Geometrien der Lamellenverzahnungen. 7 Die Ausstellung fand vom 26. Februar bis zum 30. Mai 2010 in Lausanne unter der Federführung von Prof. Yves Weinand, Leiter des Holzbaulabors IBOIS, statt.

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Holz“ zu entwickeln. Eines der ausgestellten Projekte war das sogenannte „textile Modul“.8 Nach dem Vorbild textiler Strukturen und Webtechniken wurde aus der Verschränkung zweier doppelt gekrümmter Sperrholzplatten eine bogenförmige Tragstruktur entwickelt, aus der sich durch unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten größere Systeme herstellen lassen.9 Durch die Addition des Moduls in Längsrichtung entstehen „geflochtene“ Bögen, die, aneinandergereiht und in Querrichtung über zusätzliche stab- oder keilförmige Elemente verknüpft, eine tonnengewölbte, „verwebte“ Struktur ergeben. Mit der flächenförmigen Webstruktur soll ein Systemeffekt erzeugt werden, der bei textilen Geweben dafür verantwortlich ist, dass das Versagen eines Elements keinen negativen Einfluss auf die Tragfähigkeit des Gesamtgefüges hat.

Die Tragfähigkeit der gewebten Bogenstruktur wurde anhand zweier Prototypen unterschiedlicher Größe getestet. Der größere Bogen mit einer Höhe von etwa 2,10 m und einer Spannweite von etwa 4,50 m wurde aus 40 cm breiten und 6 mm starken Sperrholzplatten hergestellt.10 Als wesentliches und überraschen­ des Merkmal ergaben Belastungstests, dass sich das textile Modul bei vertikaler Belastung am Bogenmittelpunkt stabilisiert – die gebogenen Sperrholzplatten dehnen sich in Längsrichtung aus, und der dreieckige Querschnitt11, der für die Tragfähigkeit verantwortlich ist, wird schmaler und höher. Die Experimentalbauten der Universität Stuttgart und des IBOIS beeindrucken und überraschen mit ihren ungewöhnlichen Tragwerken, die das Spektrum effizienter, biegeaktiver Strukturen erweitern. Gleich-

Durch das Anheben der Tragstruktur erhält der Pavillon einen Zugang. In diesem Bereich werden die Spanten zu dünnen Stützen verlängert. Temporärer Forschungspavillon, Stuttgart, Deutschland. ICD und ITKE der Universität Stuttgart, 2010.

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zeitig werden mit einem Entwurfsinstrument, das die Zeichnung zur direkten Abbildung der Realität werden lässt, der Architektur neue Möglichkeiten eröffnet. Neben der Entwicklung neuer, biegeaktiver Trag­ strukturen aus Holz führen digitale Entwurfsinstrumente und Fertigungstechniken auf der anderen Seite zu einem neuen Verständnis und Erscheinungsbild von Wand- und Tragstrukturen. Unter dem Begriff der sequenziellen Strukturen untersuchen die Studierenden an der ETH Zürich das konstruktive und architek­ tonische Potenzial von Wänden und Tragwerken, die sich aus der Addition kleiner Holzstäbe ergeben.12 Mithilfe einer robotergesteuerten Fertigungsanlage werden die Stäbe individuell zugeschnitten und im Gesamtgefüge exakt positioniert. Auf diese Weise entstehen reliefartig geformte, geschwungene Wände, die sich kontinu-

8 Das „textile Modul“ ist seit 2007 Untersuchungsgegenstand der Dissertation „Tragendes Holzgewebe: Die Anwendung textiler Prinzipien im baulichen Maßstab“ von Markus Hudert am IBOIS. Da die Krümmung der Platten – und damit die Geometrie des Tragwerks – von den Eigenschaften (Elastizität und Festigkeit) des Materials und der Position der Fixierungspunkte an den Überschneidungen bestimmt wird, ist die präzise geometrische Beschreibung des Grundmoduls sehr komplex und Bestandteil der laufenden Forschungen. 9 Die Forschungsarbeit untersucht mögliche Holztragwerke, die aus der Addition des „textilen Moduls“ entwickelt werden können (unterschiedliche Strukturen aus „double-layered build-ups“ sind das bisherige Ergebnis der Forschung). 10 Der zweite Bogen, mit einer Spannweite von etwa 1,60 m und einer Höhe von etwa 60 cm, bestand aus 10 cm breiten und 2 mm starken Sperrholzstreifen. 11 Im Bogenmittelpunkt bilden die Sperrholzplatten im Querschnitt die Schenkel eines offenen Dreiecks; bei vertikaler Belastung wird der Winkel zwischen den Dreiecksschenkeln spitzer, so dass sich die Tragfähigkeit erhöht. 12 Parallel und ergänzend zu den studentischen Arbeiten arbeitet der Lehrstuhl zum Thema „Additive Gestaltungs- und Fabrikationsprozesse“. Fokus der Arbeit ist die Wechselbeziehung zwischen Fertigungs- und Entwurfsprozessen. Es wird die These aufgestellt, dass der Einsatz digitaler Entwurfs- und Fertigungsmethoden ein neues digitales Handwerk begründet. Die Möglichkeit, große Mengen an Informationen zu verarbeiten, bewirkt einen qualitativen Wandel in der Architektur. Die Betrachtung additiver Prozesse unter Anwendung eines Industrieroboters sollte zu einem konzeptionellen System führen, in dem die Gestaltung von individuellen Fabrikationsprozessen einen integrativen Bestandteil des architektonischen Entwurfs darstellt. Tobias Bonwetsch arbeitet an dem Lehrstuhl zu diesem Thema an seiner Dissertation.

Der „gewebte“ Bogen auf der wandernden Ausstellung „Timber Project“ (seit 2010) besteht aus inneren und äußeren Bogenelementen, so dass die Zwischenräume überdeckt werden. Die Addition der „textilen“ Module in Längsrichtung erfolgt über zwei Holzstäbe, die zwischen den Sperrholzstreifen des jeweiligen Moduls eingebracht sind. Holz­keile zwischen den Modullagen stellen die Querverbindung her. Institut für Holzkonstruktion IBOIS der EPFL.

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ierlich und subtil verändern – ebene Flächen gehen nahtlos in gekrümmte Flächen über, oder Vor- und Rücksprünge entwickeln sich kontinuierlich entlang geschwungener Linien. Die Wände erhalten so einen modellierten, skulpturalen Charakter, und die Bedeutungsebene der einzelnen Module verschiebt sich vom Konstruktiven zum Ornamentalen. Sowohl das Modul als auch das übergeordnete (Wand-)System als ehemals geometrisch standardisierte Bauelemente und Bauteile erfahren durch den Einsatz digital gesteuerter Roboterfertigung eine Individualisierung der Form. Ein temporärer Pavillon demonstriert das gestalterische Poten­ zial und die Tragfähigkeit der sequenziellen Holzstrukturen. Für die überdachte, offene Raumstruktur wurden aus den geschichteten Holzstäben nach einem festgelegten Aufbauprinzip 16 Stützen mit unterschiedlichen Geometrien gefertigt. Vor- und Rücksprünge sowie Verdrehungen der einzelnen Holzschich­ten zueinander führen zu dreidimen­sional komplexen Stützengeometrien. Ausgehend von einer quadratischen Basis von etwa 0,40 × 0,40 m verjüngt und weitet sich der Stützenschaft kontinuierlich und fließend und mündet in dem quadratischen Stützenkopf von 2,00 × 2,00 m. Obwohl diese Randbedingungen für alle Stützen gelten, entstehen durch die Verdrehung der Grundflächen an der Basis und am Stützenkopf in unterschiedlichen Winkeln an den jewei­ligen Schäften tordierte Flächen, die sich geometrisch unterscheiden. Die Positions­ berechnung der Holzstäbe sowie deren millimetergenaue Positionierung übernahm der Industrieroboter. Schraubverbindungen stellen den Verbund der Holzmodule her, und LKW-Gurte, die im Stützenhohlraum vom Fuß- zum Kopfpunkt spannen, wirken den Zugspannungen in den stiftförmigen Verbindungen entgegen.13

Als Weiterentwicklung der vorgefertigten, additiven Strukturen wurde im Rahmen des Forschungsprojekts In-Situ Robotic Fabrication,14 das die Anpassungsfähigkeit, Flexibilität und Mobilität der digitalen Fertigung sowie die Interaktion von Mensch und Maschine während des Bauprozesses zum Kernpunkt hat, eine mobile Robotereinheit 15 entwickelt, mit deren Hilfe der Fertigungsprozess auf die Baustelle verlagert wird. Als Prototyp wurde aus Holzmodulen eine „fragile Wandstruktur“ im Parkhaus der ETH Zürich errichtet. Die mobile Robotereinheit, die sich den Notwendigkeiten entsprechend eigenständig positioniert, fügte 1.000 Module zu einer geschwungenen, raumhohen Wand. Um auf die sich permanent ändernden Bedingungen im Bauprozess reagieren zu können und die Umgebung, die Bauteile sowie die Maßtoleranzen zu erkennen, ist der Roboter mit einem Lasersystem ausgestattet, das die vorgefundenen Gegebenheiten an den Roboter meldet. Die Messdaten werden in die Aufbaustrategie integriert und die Positionierung der einzelnen Elemente individuell berechnet. Die Robustheit und Anpassungsfähigkeit der mobilen Fabrikationseinheit konnte auf der Konferenz „Fabricate“ 2011 in London bei der Fertigung und Montage einer tektonisch unbestimmten Wandstruktur, die durch die Verwendung von Holzmodulen mit variierenden Höhen (30, 45, 60 mm) erzeugt wurde, demons­ triert werden. Der Roboter reagierte auf Unebenheiten und Ungenauigkeiten der vorpositionierten Module, die aufgrund der variierenden Modulhöhen verstärkt wurden, durch Anpassung der Fügeposition und der Fügegeschwindigkeit sowie durch die Korrektur der Modulposition, ohne jedoch in das vorgegebene Geometriegefüge einzugreifen.

13 Die LKW-Gurte sind an der Stahlplatte am Stützenfuß und dem Stahlkreuz am Kopf der Stütze befestigt; sie stabilisieren die Konstruktion in erster Linie während des Transports und der Montage. 14 Das Forschungsprojekt In-Sitn Robotic Fabrication (dimRob) war Teil des internationalen, EU-geförderten Projekts „ECHORD – European Clearing House for Open Robotics Development“. Unter der Leitung von Prof. Alois Knoll vom Lehrstuhl Echtzeitsysteme und Robotik an der Technischen Universität München unterstützt und fördert das Projekt die Zusammenarbeit von Hochschulforschung und Industrie im Bereich der Robotertechnik. 15 Der neue Roboter wurde 2011 auf der FABRICATE on London vorgestellt; die mobile Robotereinheit wurde an der ETH Zürich in Zusammenarbeit mit der Fa. Bachmann Engineering AG entwickelt.

Die sequenziellen Wandstrukturen ergeben sich aus der Addition kleiner Holzstäbe. Gramazio & Kohler, ETH Zürich.

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Die Geometrie der additiven Wandstrukturen wird anhand festgelegter Regeln bestimmt, die entsprechend der Aufbaulogik direkt programmiert werden. Aus der Materialwahl und der Modulgröße entstehen spezifische Bedingungen für den Fügeprozess (Überstände, Aufbaustabilität, Tragvermögen, Gesamtstabilität etc.), die in Abhängigkeit von der Fabrikationsmöglichkeit das „Design“ bestimmen. Entscheidungen nach ästhetisch-gestalterischen Aspekten werden innerhalb der vorgegebenen Regeln empirisch am Modell überprüft. Die mobile Roboterfertigung additiver Strukturen verknüpft Produktion und Montage und zeigt damit einen nächsten Schritt in der Entwicklung intelligenter architektonischer Fertigungsprozesse auf.

Grundriss „West Fest Pavillon“.

Der „West Fest Pavillon“ wurde auf dem dreitägigen Festival zur Einweihung einer Autobahnerweiterung als Bar genutzt. Die Holzstäbe (60 × 40 mm) der vorgefertigten Stützen wurden von einem Industrieroboter individuell gefertigt und positioniert. Gramazio & Kohler, ETH Zürich, 2009.

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Neben den material- oder fertigungstechnisch initi­ierten Projekten entstehen seit einigen Jahren vermehrt bionisch inspirierte Projekte. Forscher und Architekten experimentieren mit Wabenstrukturen, Faltwerken oder sogenannten performativen Strukturen und versuchen so, die effizienten Strukturen der Natur auf die Architektur zu übertragen. Wabenstrukturen, die in der Natur bei Bienenstöcken, Zellstrukturen oder Schildkrötenpanzern zu finden sind, eignen sich besonders für die Ausbildung unregelmäßiger Formen. Als Trägerroste ausgebildet sind sie eine Neuinterpretation der traditionellen Kassettendecke. Während die einzelnen Felder der Kassettendecken üblicherweise durch sich kreuzende Träger entstehen, sind die wabenförmigen Trägerroste meist aus kastenförmig gefügten Brettschichtholzelementen zusammengesetzt, die über Knotenbleche und Stabdübel miteinander verbunden sind. In Analogie zu organisch gewachsenen Zellstrukturen bedingen sich die unregelmäßigen Geometrien der jeweils benachbarten Waben gegenseitig.16 Aus der Unregelmäßigkeit der Wabenformen ergibt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Trägerlängen und Schnittflächen in den Knotenpunkten, die in der Kombination zu einem geringen Wiederholungsfaktor der Trägergeometrien führen. Mit der Einführung digitaler CNC-Fertigung im Holzbau können die Trägerroste aus quasi maßgeschneiderten Einzelteilen jedoch problemlos wirtschaftlich hergestellt werden. Die Verknüpfung digi­taler Fertigung und Planung mit dem Ziel einer digitalen Kette von der Konzeptentwicklung bis zur Produktion war bei dem Pavillon auf der Bundesgartenschau in Koblenz (2011) Fokus des Entwurfs.17 Der an ein Blätterdach erinnernde polygonale Trägerrost faltet sich im Bereich der schalenartigen Holzstützen auf, so dass sich die Tragstruktur dreidimensional verformt.

Der Roboter schichtete auf der FABRICATE 2011 1.330 Holzmodule mit einer Größe von 250 × 100 mm und variierenden Höhen zu einer tektonisch unbestimmten Wandstruktur auf.

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Anhand eines 3D-Geometriemodells konnte der Trägerrost mit seinen Verformungen erfasst, geplant und gefertigt werden. Durch den Einsatz neuer Technologien, der zur Abkehr von einem rigiden Raster im rechten Winkel führt, wird das Tragwerk selbst zum Ornament. Gefaltete Blattstrukturen oder die Origamitechnik des Papierfaltens demonstrieren eindrücklich den stabilisierenden Effekt der Faltungen und die Effizienz gefalteter Strukturen.18 Mit der Herstellung großformatiger Holzplatten, den Kenntnissen zu deren Materialkennwerten sowie der Einführung der digitalen Planung, Berechnung und Fertigung,19 die die Tesselierung­ beliebig geformter Körper, die Bestimmung der Schnittgrößen und die unkomplizierte Herstellung der unterschiedlich geformten Einzelteile ermöglichen, rücken Holzfaltwerke wieder vermehrt in das Blickfeld der Architekten und Forscher.20 Während jedoch Papier ­ oder dünne Stahlbleche ohne Probleme gefaltet oder gekantet werden können, müssen Holzfaltwerke aus einzelnen Platten gefügt und an den „Faltkanten“ statisch miteinander verbunden werden. Die konstruktive Lösung der Kraftübertragung an den schmalen Kontaktflächen ist bei der baulichen Umsetzung von Falttragwerken aus ebenen Holzplatten das Hauptproblem, das gelöst werden muss.21 Bisher übliche Verbindungen mittels Futterhölzern, Nagelblechen und Stahllaschen wirken meist der Leichtigkeit und Schlichtheit der gefalteten Strukturen sowie dem „Bild“ des Faltens entgegen. Das Verleimen oder Verschrauben der Kanten als „unsichtbare“ Kantenverbindung ist derzeit ausschließlich bei Faltwerken aus Brettschichtholzplatten mit ausreichender Materialstärke möglich. Um diesem Problem zu begegnen, entwickelte die RWTH in Aachen im Rahmen eines Forschungsprojekts Falttragwerke mit einer neuartigen Kantenverbindung,

der sogenannten „textilen Fuge“.22 Grundlage und Ausgangsmaterial für die „textile Fuge“ sind zwei Furnierschichtholzplatten mit einer resorcinharzverleimten textilen Mittellage aus Polyestergewebe. Das plattenförmige Verbundmaterial wird entlang der Faltwerkkante auf der einen Seite geschlitzt und auf der anderen Seite V-förmig gefräst, so dass die Platten an der Kante ausschließlich über das mittige Textilgewebe verbunden und damit echte Drehbewegungen und Faltprozesse möglich sind. Aus den eigens für das Forschungsprojekt gefertigten Textil-Holz-Verbundplatten mit einer Größe von 1,80 × 27 m wurden unterschiedliche, gefaltete Trag­ strukturen entwickelt und erprobt. Als Ergebnis entstanden unter anderem bogenförmige Tragwerke mit dreieckigen, gegenläufigen Faltungen, doppelt gekrüm­ mte Strukturen aus individuell geformten, hexagonalen

16 Ludger Hovestadt experimentierte 2005 mit seinen Studenten an der ETH Zürich am Lehrstuhl für Computer Aided Architectural Design (CAAD) mit kastenförmigen „Zellstrukturen“ aus Spanplatten, die er zu einem kugelförmigen Pavillon mit einem Durchmesser von 4 m fügte. Der Pavillon, der für die SWISSBAU 05 entwickelt wurde, demonstrierte die Möglichkeiten einer digitalen Kette vom Entwurf bis zur Fertigung. Die Unregelmäßigkeit der „Zellen“ ergibt sich aus der digitalen Simulation von „gestörten Wachstumsprozessen“ – das Zellwachstum wurde um gegebene quadratische Öffnungen herum simuliert. 17 Der Pavillon „treehugger“ ist das Ergebnis eines Forschungsprojekts der Handwerkskammer Koblenz mit der Fachhochschule Trier, Lehrgebiet Digitales Konstruieren und Entwerfen, und dem Architekturbüro one fine day in Düsseldorf. Anhand des Pavillonentwurfs wurden unterschiedliche digitale Entwurfsinstrumente überprüft, die die Verknüpfung konzeptioneller und konstruktiver Planung ermöglichen. 18 Faltungen lassen sich grundsätzlich in zwei Kategorien unterteilen: in Längsfaltungen mit stetig verlaufenden Kanten und wechselseitigen Graten und Kehlen, deren Verläufe parallel, gekrümmt oder windschief sein können, und in Punktund Facettenfalten, deren Faltkanten sich in einem Punkt schneiden, so dass facettenartige, drei- oder viereckige Teilflächen tetraeder- oder pyramidenförmige Auffaltungen ausbilden. 19 Vor Einführung der digitalen Planungs- und Berechnungsmethoden konnten nur regelmäßige, mathematisch beschreibbare geometrische Körper mit regelmäßigen Faltungen berechnet werden (parallel verlaufende Längsfaltungen über einem rechteckigen Grundriss oder auf einen Punkt zulaufende Längsfaltungen über einem runden oder quadratischen Grundriss). 20 Die 1950er und 1960er Jahre waren die Blütezeit der Falttragwerke. Filigrane Falttragwerke aus Stahlbeton von Pier Luigi Nervi und Félix Candela sorgten für Furore. Renzo Piano, Arthur Quarmby und andere Architekten experimentierten mit Falttragwerken aus Kunststoffplatten. Ebenso entstanden weltweit einige bemerkenswerte Faltwerke aus Holz. Da jedoch weder das damalige Plattenmaterial noch die Berechnungsmethoden geeignet waren, um Falttragwerke aus einteiligen Holzplatten zu realisieren, setzten sich die Holzfaltwerke aus stabförmigen Elementen zusammen, die dann teilweise mit Plattenmaterial beplankt wurden. Einzige Ausnahmen sind das Anette-Kahn-Wohnheim in Tübingen, das 1962 aus Wolffstegplatten (6 cm) ein Faltwerk mit gegenläufiger Längsfaltung erhielt, und eine Faltüberdachung für die IBA 1976 in Ostberlin aus zweilagigen, diagonal angeordneten Brettern (siehe hierzu Dissertation von Katharina Leitner, 2004). 21 Die Verbindungen der schmalen Kantenflächen müssen vertikale und horizontale Gelenkkräfte sowie Schubkräfte übertragen können. 22 Prof. Wilfried Führer (Lehrstuhl Tragwerklehre, RWTH Aachen) beschäftigte sich seit den 1990er Jahren in Zusammenarbeit mit den Firmen Kerto und Finnforest Merk mit Flächentragwerken aus Holzwerkstoffplatten. Katharina Leitner untersuchte in ihrer Dissertation „Tragkonstruktionen aus plattenförmigen Holzwerkstoffen mit der textilen Fuge“ die Möglichkeiten der Kantenausbildung

Der gewölbte, fünfeckige Gitterrost aus 8 cm starken und 40 cm hohen Brettschichtholzwaben lagert auf fünf eingerückten  Holzstützen, die durch ihre schalenartig gekrümmte Form einen fließenden Übergang zur Dachstruktur ausbilden. Durch die Wölbung des Gitterrosts entstand eine „Schalenwirkung“, so dass auf einen umlaufenden Randträger verzichtet werden konnte. „Treehugger“, Pavillon auf der BUGA Koblenz, Deutschland. FH Trier, Prof. Hoffmann mit der Handwerkskammer Koblenz und Architekturbüro one fine day, 2011.

mittels eines eingelegten textilen Materials und betreute die studentischen Seminararbeiten.

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Waben, eine tesselierte Ringnetzkuppel sowie ein bogenförmiges Raumtragwerk mit Spannweiten von etwa 2,50 m.23 Unabhängig von der Effizienz der Tragwerke beeindruckt die „textile Fuge“ durch die Schlichtheit des Prinzips: Die geschlitzten, großformatigen Platten konnten ohne aufwändige Verbindungsdetails, wie ein Blatt Papier, einfach gefaltet werden.24 Ebenfalls ungelöst oder sehr aufwändig war bisher die Ermittlung des Tragverhaltens von Faltwerken, was sich aus der Vielzahl der Einflussfaktoren, aber auch aus fehlenden adäquaten Planungsinstrumenten erklärt. Das IBOIS in Lausanne näherte sich diesem Problem und entwickelte ein Computerprogramm, mit dem komplexe Faltwerke unkompliziert im 3D-Modell dargestellt, verändert und gestalterisch überprüft werden können und das außerdem problemlos mit statischen Berechnungsprogrammen verknüpft werden kann.25 Das Computerprogramm stellt die Falttragwerke anhand zweier polygonaler Linien dar: des sogenannten Riffelungsprofils, das die Höhe und Neigung der Hauptfalten bestimmt und maßgeblich die Tragfähigkeit des Falttragwerks festlegt, und des Querschnitts­ profils, das die Faltungen quer zu den Hauptfalten beschreibt. Es legt die Knickwinkel der Umkehrfalten fest

Textile Fuge. Katharina Leitner, RWTH Aachen, Finnforest Merk, 2000 – 2003.

und bestimmt somit die Faltwerkgeometrie. Anhand der beiden Linien generiert das Programm das Faltwerk, so dass in kurzer Zeit unterschiedliche Faltwerktypen räumlich gestalterisch und statisch überprüft oder der gewünschte Faltwerktyp den statischen Anforderungen entsprechend angepasst und festgelegt werden kann. Gekoppelt an eine digital gesteuerte CNC-Fräse können die Geometriedaten der Faltwerkflächen direkt übernommen und die Platten unkompliziert gefertigt werden. Bei dem Neubau der Kapelle in Pompaples (vgl. S. 55) fand die neue Darstellungsmethode erstmals Anwendung bei einem realisierten Projekt. Das Falttragwerk der Kapelle besteht aus schrägen Längsfaltungen mit parallel verlaufenden Kehlen und schräg angeordneten Graten in der Dachfläche, die sich aus den unterschiedlichen und wechselseitig gegenüberliegenden Amplituden der Hauptfalten in den Grundrisslinien der beiden Längswände ergeben. Zusätzlich sind die Falten sowohl im Grundriss als auch im Längsschnitt auf einer Kurve angeordnet und bilden dementsprechend unterschiedliche Neigungen und Höhen aus. Da sich die Faltungen des Riffelungs- und Querschnittsprofils gegenseitig bedingen – die Modulation an einer Linie wirkt

Grundlage für die Herstellung der gefalteten Tragwerke ist ein eigens für die Experimentalbauten produziertes Verbundmaterial aus Furnierschichtholzplatten und textiler Mittellage.

Wabenstruktur: Die Waben setzen sich aus rautenförmigen Platten zusammen, die über das textile Material miteinander verbunden und mittels Stahl­ winkeln in der gewünschten Position fixiert wurden. Entwurf: Ch. Grosse Kathöfer, M. Soldan. Bogenfaltwerk: Die Winkel der Fräsungen geben die genaue Ausrichtung der Faltwerkteilflächen zueinander vor. Die tesselierte Kuppel setzt sich aus 120 dreieckigen Teilflächen zusammen, die durch die Faltung von 24 streifenförmigen Sperrholzplatten (2 × 6 mm) entstehen. Entwurf: L. Berger, R. Albrecht, A. Scheibe, J. Voelker, J. Vielhaber.

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sich sofort auf die andere Linie aus –, ist die kontinuierliche Höhenentwicklung des Volumens eine Folge der gekurvten, bauchigen Grundrissform. Aus den Modulationen des ursprünglich regelmäßigen, „einfachen“ Faltwerks ergeben sich für die Faltwerkflächen individuelle Zuschnittgeometrien, die für die Fertigung direkt dem Planungsprogramm entnommen wurden. Das 3 bis 7 m hohe Falttragwerk besteht aus 40 mm und 60 mm starken Brettsperrholzplatten, die entlang der Falten auf gekantete Lochbleche geschraubt wurden und an den Fußpunkten über Zugbän­ der, die das „Aufspreizen“ der Konstruktion verhindern,­ miteinander verbunden sind.26 Mit 60 mm dünnen Dachplatten, die einen Raum von bis zu 9 m überspannen, verdeutlicht die Kapelle eindrucksvoll die Effizienz gefalteter Strukturen. Durch die Stauchung der Falten und die dadurch bedingte Höhenentwicklung im Innenraum mit dem Hochpunkt über dem Altar sowie der Rhythmisierung des Raumes durch die Falten wird das Falttragwerk zu einer modernen Interpretation sakraler Architektur. Die Faszination für Faltwerkstrukturen gründet, neben der statischen Effizienz, ganz wesentlich in der räumlichen Wirkung, die hauptsächlich von dem Falt-

muster bestimmt wird. Je kleiner die Teilflächen sind, desto komplexer und atmosphärisch dichter werden die plastisch geformten Räume. Das Problem der Falte nimmt jedoch mit der Kleinteiligkeit und der Anzahl der

23 Eine Doktorarbeit wurde 2004 an der RWTH Aachen, Lehrstuhl für Baukonstruk­ tion 1 (Prof. W. Führer) eingereicht. Die Experimentalbauten entstanden in den Jahren 2000 – 03; aufgrund fehlender Materialkennwerte und mangels passender FEM-Elementarten erfolgte die Berechnung der Falttragwerke (Bestimmung der Schnittgrößen) nur näherungsweise. Um die Tragfähigkeit der textilen Verbindung im baulichen Maßstab unter Beweis zu stellen, wurde aus 27 mm dünnen Furnierschichtholzplatten ein gefaltetes Bogensegment mit dreieckigen Teilflächen hergestellt. Mit einer Spannweite von 7 m und einer Höhe von 3,50 m verdeutlicht die Konstruktion das Potenzial der Falttragwerke. Da fälschlicher­ weise ein nicht tragfähiges Textilmaterial eingeleimt wurde, wurden die einzelnen Platten des Faltwerks über aufgeschraubte, transparente Kunststofflaschen (Makrolon®) miteinander verbunden. 24 Das eingeleimte Textil überträgt Schubkräfte und deren Zugkraftanteil. Druckkräfte werden durch die Kontaktpressung der Holzplatten übertragen. 25 Im Rahmen seiner Promotionsarbeit „Origami – structure plissée en panneaux de bois massif“ untersuchte Hani Buri am IBOIS das Potenzial gefalteter Strukturen für die Architektur. In diesem Zusammenhang entwickelte er die neue, digitale Darstellungsmethode von Faltwerken. Um sowohl die Methode als auch die ermittelten statischen Werte zu verifizieren, baute er ein gefaltetes Bogentragwerk mit einer Spannweite von 6,70 m aus 21 mm starken, trapezförmigen und im Fischgrätenmuster angeordneten Fichtensperrholzplatten, die über 80 mm lange Schrauben miteinander verbunden wurden. Die Verformungen des belasteten Tragwerks lagen über den ermittelten Werten, und die Verbindungen versagten bereits bei einer Belastung von 27 kN. 26 Trotz der starren Schraubverbindung an den Faltwerkkanten, die in den Falten lokale Einspannmomente verursacht, wurden die Falten für die statische Berechnung als Gelenke dargestellt.

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Grundriss und Schnitt der Kapelle in Pompaples.

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Als Außenhülle wurden imprägnierte Dreischichtholzplatten (d = 19 mm) mit offenen Fugen auf dem Tragwerk, oberhalb der bituminösen, wasserführenden Schicht, mittels Kanthölzern befestigt. Die Fassaden der Stirnseiten bestehen aus Poly­ carbonat-Stegplatten.

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Teilflächen zu. Mit der Ausführung einer Steckverbindung für ein bogenförmiges Tragwerk aus gefalteten Holzmodulen wurde am IBOIS eine neue Fügetechnik erprobt. Die gefalteten Holzmodule bestehen aus trapez­ förmigen Dreischichtplatten. Durch die alternierende Faltung an der kurzen oder an der gegenüberliegenden langen Seite der Trapezfläche entstehen zwei unterschiedliche Module, die – wie bei einem Kartensteckspiel – abwechselnd ineinandergesteckt werden. Zu diesem Zweck sind die Module oben und unten mit schrägen Schlitzen versehen, die kontinuierlich ihren Winkel zur Plattenebene und zum Plattenquerschnitt verändern, so dass durch das Ineinanderstecken der Module die gewünschte Bogenform entsteht. Da sich die Schenkel der Module kreuzen, entsteht eine dreidimensionale Tragstruktur, die innen- und außenseitig des Bogens jeweils ein anderes Erscheinungsbild hervorruft.­ Ebenfalls aus dreidimensionalen Modulen besteht die amorphe, höhlenartige Holzschale der Universität Stuttgart, die Waben- und Faltwerkstrukturen miteinander verknüpft. Der Pavillon ist das Ergebnis einer Forschung, die sich mit der Übertragbarkeit biologischer Strukturbildungsprozesse auf die Architektur mittels neuer digitaler Entwurfs- und Fertigungstechniken beschäftigte. Für das Projekt wurde die kugelförmige Schale von Seeigeln untersucht und die strukturbildenden Merkmale als Parameter für den Entwurfsprozess in dem eigens entwickelten Entwurfs- und Simu­la­tions­ programm übernommen. Durch die zusätzliche Verknüpfung mit den materialspezifischen Eigenschaften

von Sperrholzplatten sowie dem Tragverhalten der Verbin­ dungen, die experimentell ermittelt wurden, konnte die „Morphologie“ des Pavillons am Computer ent­wickelt und optimiert werden.27 Als Ergebnis dieser „morphologischen Prozesse“ entstand ein Schalentragwerk 28 aus gefalteten, wabenförmigen Modulen, die sich wiederum aus verleimten Sperrholzplatten zusammensetzen. Wie bei den Plattenskeletten treffen sowohl in dem übergeordneten System der Module als auch im untergeordneten System der Platten jeweils drei Elemente in einem Punkt aufeinander. In Analogie zu dem lebenden Organismus, der im Wachstumsprozess auf unterschiedliche Bedingungen mit Geometrieanpassungen reagiert, sind die Module dem Kräfteverlauf und der Pavillongeometrie entsprechend unregelmäßig und individuell geformt – in Schalenbereichen mit einer geringen Krümmung sind Waben von etwa 2 m Durchmesser zu finden, während die Waben an den Rändern, den Öffnungen und in Bereichen mit starken Krümmungen teilweise nur noch eine Größe von etwa 0,5 m aufweisen. Die Unregelmäßigkeit der Struktur setzt sich in den Geometrien der Fingerzinken, die an jedem Plattenstoß eine andere Form aufweisen, fort. Erst durch die digitale Präzisionsarbeit und die Ergänzung der sechsachsigen CNCFräse um eine weitere Bearbeitungsachse 29 konnten die 850 individuell geformten Platten mit unterschiedlichen Zinkengeometrien exakt gefertigt werden. Durch die digitale Simulation organischer Strukturgesetze konnte eine Konstruktionsmethode entwi-

konkaves Element U-förmige Einschnitte für die Steckverbindungen konvexes Element

konkaves Element konvexes Element

Die Tragfähigkeit der Konstruktion wurde an einem Prototyp mit einer Spann­ weite von 7,50 m und einer Höhe von etwa 3,50 m auf dem Gelände der EPFL getestet. Die gefalteten Module aus 21 mm starken Dreischichtplatten wurden an einer fünfachsigen CNC-Maschine gefertigt, da die Schlitze sowohl zum Plattenquerschnitt als auch zur Plattenebene einen schrägen Verlauf haben.

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Die Dreischichtplatten mit Seitenlängen von 80 cm wurden über verleimte Dübel und Schraubverbindungen gefügt – die Faser­ richtung der mittleren Holzschicht, die quer zur Einschraubrichtung orientiert ist, gewährleistet eine tragfähige Verbindung. Prof. Yves Weinand, IBOIS, EPFL.

Etwa 50 individuell geformte, dreidimensionale Module wurden zu einer etwa 70 m2 großen und 4,50 m hohen Holzschale gefügt. Versuchs­ pavillon, Stuttgart, Deutschland. ICD und ITKE der Universität Stuttgart, 2011.

27 Da die strukturbildenden und statischen Parameter in dem Entwurfsprogramm integriert waren und eine permanente Rückkopplung an ein Finite-ElementeProgramm stattfand, konnten die Winkel, in denen die Elemente aufeinander­ treffen, und der Kräfteverlauf jederzeit überprüft und verändert werden. 28 Aufgrund der biegeweichen Verbindungen der Elemente über polyurethanverleimte Fingerzinken und Verschraubungen entstand eine verformbare, biegetragfähige Schale. 29 Durch die Anordnung der Platten während der Bearbeitung auf einer Drehscheibe und deren Kopplung an den sechsachsigen Roboter entstand ein siebenachsiges Fertigungssystem.

Das kugelförmige Plattenskelett des Seeigels, das sich aus polygonalen, räumlichen Modulen zusammensetzt, die an den Rändern miteinander verzahnt sind, war das Vorbild für den Entwurf des Pavillons. Die 6,5 mm starken, trapezförmigen oder hexagonalen Sperrholzplatten treffen in unterschiedlichen Winkeln zwischen 15 und 165 Grad aufeinander und sind über verleimte Fingerzinkenverbindungen miteinander verzahnt. Sowohl die Fertigung als auch die Berechnung der frei im Raum angeordneten Fingerzinkenverbindungen waren Herausforderungen.

Experimentelle und ephemere Strukturen

/ 91

Der Pavillon bildet im Innern einen Haupt- und einen Nebenraum aus. Der Nebenraum entsteht durch die Trennung der inneren und äußeren Schale der Hohlkörper, so dass man durch das Innere der Module läuft. Durch die Fixierung an eine Bodenplatte wurde der Pavillon gegen Windsog gesichert.

92 /

ckelt werden, die es erlaubt, aus unregelmäßigen Modulen beliebig geformte Geometrien auszubilden. Ein weiteres Beispiel für die Übertragung natür­li­ cher Prozesse auf die Architektur ist das selbsttragende,­ reaktive Wandsystem, das auf wechselnde mikroklimatische Verhältnisse durch Formänderungen reagiert.30 Vorbild war der reagible, reversible Mechanismus eines Fichtenzapfens, dessen schuppenartige Struktur sich in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit öffnet oder schließt. Die Wechselwirkungen aus Umwelteinflüssen, Materialeigenschaften und Systemverhalten, die bei dem Fichtenzapfen zu beobachten sind, bildeten die Grundlage für das Wandsystem. Statt den üblicherweise unerwünschten Verformungen durch Schwin­ den und Quellen entgegenzuwirken, werden die natürlichen Eigenschaften des Holzmaterials genutzt, um die Licht- und Luftdurchlässigkeit des Wandsystems zu steuern. In Versuchsreihen wurden die Formänderungen sowie die Reaktionszeit von Furnierverbundelementen unter sich verändernden hygroklimatischen Bedingungen in Abhängigkeit von der Faserrichtung, der Adsorptionsfähigkeit bzw. Resorptionsfähigkeit sowie dem Verhältnis von Plattenstärke zu Plattengröße untersucht. Auf dieser Grundlage wurden rautenförmige Module bestehend aus einer tragenden Unterkons­ truktion und Funktionsschichten aus feuchtigkeitsempfindlichen Furnieren entwickelt. Aus deren Addition

ergibt sich eine geschwungene, frei geformte Wandoberfläche aus offen geschuppten Holzschindeln, die sich bei erhöhter Luftfeuchtigkeit durch Spannungsunterschiede im Material anlegen und die Fläche regendicht verschließen. Die Reaktion ist reversibel und beruht auf konstanten Materialeigenschaften. Damit die reaktive Struktur unter realen Bedingungen eingesetzt werden kann und das Öffnen und Schließen der „Haut“ den Anforderungen und Bedürfnissen entsprechend funktioniert, muss der Feuchtegehalt der Furniere sensibel auf die klimatischen Bedingungen der Umgebung zum Zeitpunkt des Aufbaus der Struktur abgestimmt werden. Bei der Montage an einem sonnigen Tag entspricht der Feuchtegehalt der gewölbten, geöffneten Struktur der relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebung, so dass sich die Fasern bei einsetzendem Regen und zunehmender Luftfeuchtigkeit längen und sich die Struktur regendicht verschließt.31 Jenseits der auf Effizienz ausgerichteten Baukultur entstanden an den Hochschulen durch interdisziplinäre Zusammenarbeit und die Verknüpfung digitaler Entwurfs- und Fertigungsinstrumente in den letzten Jahren experimentelle Strukturen, die neue Wege für den Holzbau aufzeigen. Holz wird gestapelt, geflochten, gebogen, gewebt oder gefaltet. Die dabei entstehenden Strukturen erweitern das Spektrum der Holztragwerke und sind eine ästhetische Bereicherung für die Architektur.

30  Die sogenannte „reaktive Flächenstruktur“ wurde 2005 – 07 von Steffen Reichert an der Hochschule für Gestaltung (HfG) Offenbach am Fachgebiet Visualisierung und Materialisierung unter der Leitung von Achim Menges entwickelt. Als Fortsetzung dieser Arbeiten forschen Achim Menges und Steffen Reichert im Rahmen des Projekts „Biomimetic Responsive Surface Structures“ an der Universität Stuttgart am Institut für Computerbasiertes Entwerfen zu Anwendungsmöglichkeiten hygroskopisch aktuierter Furnierverbundelemente. In Zusammenarbeit mit dem Architekturbüro Scheffler+Partner entwickelte das Institut 2010 einen Pavillon mit einer frei geformten, wabenförmigen Holztragstruktur, die sich bei Regen aufgrund der Materialeigenschaften der Furnierverbunde schließt. 31 In Experimenten wurde eine Deckschicht aus Furnieren und synthetischen Zwischenlagen mit einem optimalen Fasersättigungspunkt entwickelt, so dass der Öffnungswinkel den lokalen klimatischen Bedingungen angepasst werden kann.

Reaktive Wandfläche: In Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit öffnen oder schließen sich die etwa 0,80 × 0,80 m großen, rautenförmigen „Holzschuppen“. Prof. Achim Menges, Steffen Reichert, ICD Universität Stuttgart, 2010.

Experimentelle und ephemere Strukturen

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Projekte

Messehalle 11 Frankfurt a. M., Deutschland Standort

Messegelände Frankfurt a. M., Ludwig-Erhard-Anlage 1, 60327 Frankfurt a. M., Deutschland

Bauherr

Messe Frankfurt Venue, Frankfurt a. M.

Bauzeit

Mai 2007 – 09; Fertigstellung: Juli 2009

Architektur

Hascher Jehle Architektur, Berlin

Projektsteuerung

FAAG Technik GmbH, Frankfurt a. M.

Werkplanung

ATP Achhammer-Tritthart & Partner, München

Tragwerksplanung, Statik

RSP Remmel + Sattler, Frankfurt a. M.

Holzbau

WIEHAG, Altheim

Vorwiegend eingesetzter Holzwerkstoff

Brettschichtholz (BSH) aus Fichte

Khaled Saleh Pascha

Die zweigeschossige Messehalle 11 in Frankfurt. Das weit auskragende Dach mit seiner Dachkonstruktion aus Brettschichtholz wirkt wie schwebend über den Stahlbetongeschossen.

95

Die 2009 fertiggestellte neue Messehalle 11 fasst zusammen mit dem neuen Eingangsgebäude den westlichen Bereich der Frankfurter Messe städtebaulich neu ein. Die Dachkonstruktion der Messehalle ist eines der eindrucksvollsten Beispiele für den Einsatz von Holz für weitgespannte Konstruktionen. Der im Rahmen eines 2006 durchgeführten Wettbewerbsverfahrens entstandene Gebäudekomplex aus zweigeschossiger Messehalle und Eingangsgebäude West besticht durch seine schieren Dimensionen: Mit Außenmaßen von 196,7 m auf 114,8 m und einer Höhe von über 27 m und Hallennettomaßen von 156 auf 76 m gehört die Halle 11 zu den größeren Frankfurter Messehallen, mit ihren zwei Geschossen mit jeweils über 11.900 m2 Bruttogeschossfläche lediglich von den Messehallen 3, 4, 8 und 9 übertroffen. Die obere Halle ist, im Gegensatz zur Halle im Erdgeschoss, über 79 m stützenfrei. Noch im Wettbewerb war vorgesehen, das Dach als Stahlkonstruktion auszuführen. Während der Ausführungsplanung wurde jedoch die Stahlkonstruktion gegen eine Holzkonstruktion ausgewechselt, was in erster Linie den hohen Stahlpreisen im Moment der Ausschreibung geschuldet war. Die Alternative in Holz erwies sich als erheblich günstiger, immerhin konnten

dadurch ca. 5 Millionen Euro eingespart werden. Weiterhin war die Holzkonstruktion um 100 t leichter (1.250 t gegenüber 1.350 t für das Stahltragwerk). Außerdem konnten durch den Einsatz des nachwachsenden Rohstoffes Holz 2.160 t CO2 gebunden werden, wohingegen die Stahlalternative für ihre Produktion 1.740 t CO2 freigesetzt hätte. Das Dachtragwerk der Messehalle 11 ist eine Einfeldträgerkonstruktion mit einer Stützweite von 79 m und beidseitiger Dachauskragung von 17,40 m. Das weit auskragende Dach gibt dem Gebäude eine elegante und entmaterialisierte Erscheinung. Die bis zu 6,60 m hohen Fachwerkträger aus Fichten-Brettschichtholz wurden diagonal durch metallische Zugseile ausgefacht, eine im Gegensatz zu reinen Druck-/Zugdiagonalen aus Holz sehr filigrane Kons­ truktion, was dazu führt, dass die gesamte Fachwerkkonstruktion, trotz ihrer gewaltigen Dimension, sehr transparent und leicht erscheint. Die Zugstangen, die zum Einsatz kamen, sind der auftretenden Belastung entsprechend in Anzahl und Querschnitt angepasst: Die vom Auflagerpunkt aus diagonal abfallenden Zugelemente sind für den vorherrschenden Lastfall Eigengewicht entsprechend dimensioniert und bestehen aus zwei parallel gespannten Stahlstäben. Die in Gegenrich­

Grundriss E11_1 0

50m

Grundriss der oberen Halle. Die Fachwerkhauptträger stützen sich auf der die Halle innen begrenzenden Wand der Nebennutzungsbereiche ab. Rechts von der Messehalle ist das neue Eingangsgebäude zu erkennen, das sowohl Eingang für die neue Messehalle als auch einen neuen Haupteingang für die Messe darstellt und Teil der Gesamtplanung des Architekturbüros Hascher Jehle Architektur ist. Grundriss E11_1

0

96 /

50m

Das Fachwerk im Rohbau (im Maßstabsvergleich ist der Umriss eines Menschen dargestellt). Die Diagonalauskreuzung durch Stahlstäbe variiert in Dimension und Anzahl je nach Lastfall.

Querschnitt der zweigeschossigen Messehalle 11. Auf dem Dach wurde auch das Rückkühlwerk installiert. Eine ganze Reihe von Entrauchungsöffnungen im Dach garantiert ein schnelles Abführen der Rauchgase im Brandfall.

Messehalle 11

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tung angebrachten Diagonalen sind nur im Fall von Sogkräften, die im Vordach oder auch im Feld auftreten können, notwendig. Entsprechend reduziert sind ihre nur einfache Anzahl und ihr Durchmesser. Im Bereich der weiten Auskragung sind Fachwerk­ elemente mit kombinierten Zug- und Druckdiagonalen aus Brettschichtholzelementen eingebaut worden. Diese Füllstäbe aus Brettschichtholz sind aber wegen der allseitigen Verkleidung des Dachrandes unsichtbar. Hölzerne Nebenträger verbinden die Obergurte der im Achsabstand von 10,40 m angeordneten Fachwerkhauptträger miteinander. Aufgrund der allseitig umlaufenden Auskragung und der damit notwendigen statischen Höhe der Nebenträger, die erhebliche Biegebeanspruchung durch die Auskragung erfahren, ist jeder vierte Nebenträger im Bereich der zwei letzten Achsen in der Randzone ebenfalls als Fachwerkträger in gleicher Höhe wie die Hauptträger ausgebildet. Das gesamte Dachtragwerk wurde in 38 Auflagerpunkten auf den beiden seitlichen Stahlbetonwänden schwimmend gelagert. Durch den Einsatz von bewehrten Elastomerlagern wurde sichergestellt, dass bei Dimensionsänderung durch Temperaturschwankungen oder anderer Belastung die Auflagerpunkte keine zusätzlichen Schubkräfte auf die Außenwände übertragen müssen. Durch die weite Auskragung an allen vier Seiten war das Dach vor Abheben durch Windsog zu sichern. Aus diesem Grund verlaufen parallel zu den Fach­

werkpfosten in den Auflagerpunkten zusätzliche Zugseile, die im Falle von Sogkräften durch Wind aktiviert werden.­ Die enormen Abmessungen der Fachwerkgurte machten eine komplette Vorfertigung der Fachwerkträger unmöglich. Auf der Baustelle fand die Montage liegend auf Böcken statt. Der Obergurt wurde in zwei Segmenten mit je 39 m Länge vorgefertigt und auf der Baustelle zusammengefügt. Im Falle des Untergurts waren drei Segmente nötig, wobei der mittlere eine Länge von 50 m hatte. Der Anschluss zur Übertragung der Zugkräfte bestand in Stahllaschenverbindungen und schräg eingedrehten Schrauben. Im Falle der Fachwerkgurte kam Brettschichtholz der Qualität GL 32c nach DIN 1052 zum Einsatz, wobei GL für „Glued Laminated Timber“ steht und die nachfolgende Zahl 32 die zulässige Biegespannung in N/ mm2 angibt. Die enormen Kräfte, die in den Schnittpunkten der Fachwerkkonstruktion auftreten, als auch einige geometrische Besonderheiten der ausgeführten Konstruktion führten zu einigen Neuentwicklungen in der Verbindungstechnik: So wurden Vollgewindeschrauben beidseitig des Stahlschwertes, die unter 90 Grad zu den Stabdübeln und quer zur Faserrichtung des Holzes liegen, eingelassen. In Versuchen konnte nachgewiesen werden, dass diese Verstärkung eine 380 % höhere Bruchlast im Knotenbereich erfordert als eine unverstärkte Konstruktion.

B

ISOMETRIE Dachtragwerk Messehalle 11 M=1:300

C

D

E

F

G

H

4350 0

J

0

1040 0 1040 0

1040 K

0

1040 0 1040

Y14 L

4350

Y13

Y12

4350

Y11

Y10

0

4350

1040

4350

Y9 Y8

M

N

1: 300 O

3900

3900

Y7 Y6

0 1040 00 1947

3900

3900

Y5 Y4

0 1040

3900

3900

Y3 Y2

0

3900

1040

3900

Y1 Y0

3900

0

1040

3900 1128 00

Y−1 Y−2

3900

3900

0 1040

3900

Y−3 Y−4

Y−5

3900

0

3900

1040

3900

Y−6 Y−7

Y−8

3900

0

1040

3900

3900

Y−9

Y−10

Y−11

3900

350

4350

Y−14

4350

4350

4350

4350

4350

4350

X−10 X−12

X−9

4350

4350

X10 X9

X7 X6

X5 X4

X3 X2

X1

X−1 X−2

X−3 X−4

X−5 X−6

X−7

12

4350

Y−12 Y−13

4350

X8

1235

X−8

X−11

P

Isometrie des Dachtragwerks. Im Bereich der Schmalseiten des Gebäudes sind die fachwerkartigen Nebenträger zu erkennen, die die notwendige statische Höhe für die 17,60 m große Auskragung des Dachrandes ermöglichen.

98 /

X12 X11

Die Dachkonstruktion ist im Innenraum sichtbar gelassen, d. h. die Fachwerkträger sind nicht verkleidet oder durch eine abgehängte Decke versteckt. Als einziger Schutz wurden die Unterseiten des Tragwerks lasiert, ansonsten aber nicht weiter behandelt. Die Messehalle 11 ist ein Beispiel für die Dimen­ sionen und Leistungsfähigkeiten moderner weit spannender Holzkonstruktionen. Was noch vor einigen Jahrzehnten nur als Stahl-, Stahlbeton- oder eventuell noch als aufwändige Membrankonstruktion realisierbar schien – 11.930 m2 stützenfreie Grundfläche bei

Die auskragenden Fachwerkbinder im Rohbau. Die Anschlüsse der einzelnen Stäbe erfolgten durch Schlitzbleche und Stabdübel. Vollgewindeschrauben entgegen der Faserrichtung des Holzes verhindern das Aufreißen des Holzes in den Anschlusspunkten. Vor Einbau Sikadur-31 CF auftragen

Anschlussdetail der Außenecke des Dachtragwerks, an der die Konstruktion des auskragenden Daches angeschlossen wird (geringer dimensionierte Gurtstäbe). Zu erkennen ist die reine Stahl-Stahl-Verbindung im Anschlusspunkt von Hauptfachwerk und auskragendem Fachwerk. Auch ist die Zugsicherung für das Abheben unter Sogbelastung im Eckpfosten des Fachwerks zu sehen.

Schlitzblechanschluss Dachecke am Obergurt des Fachwerks. An die herausstehenden Schlitzbleche werden Obergurt und Diagonalfüllstab des 90 Grad anschließenden Fachwerks angeschlossen. Die Lasche mit der zentralen Bohrung ist Teil der Sogsicherung gegen Abheben des Tragwerks und wird später mit einem Zugseil vertikal an das Stützenauflager angeschlossen.

Messehalle 11

/ 99

79 m Spannweite, 17,40 m umlaufende Dachauskragung –, ist heute konkurrenzfähig in Holz realisierbar. Selbst der sonst den Holzbau erschwerende Brandschutz stellte kein wirkliches Problem dar, konnte doch durch geschicktes Platzieren von relativ niedrigen Rauchschürzen und Entrauchungsschächten im Dach das Anforderungsprofil im Brandfall erreicht werden. Somit war es sogar möglich, die innere Fachwerkkonstruktion ohne weitere brandschutztechnische Maßnahmen innenseitig sichtbar zu lassen. Dass die Ausführung in Holz im Vergleich zu einem konventionellen Stahltragwerk auch noch eine um fast 4.000 t bessere CO2-Bilanz aufweist, zeigt in beeindruckendem Maße, dass der Baustoff Holz anderen Materialien nicht nur ebenbürtig, sondern in bestimmten Punkten sogar weit überlegen ist.

Anschlusspunkt mit den Zugseildiagonalen. Die Bohrlöcher sind entsprechend der Schrägstellung der Vollgewindeschrauben vorgebohrt.

Die Untersicht auf die sichtbar gelassene Fachwerkkonstruktion in der oberen Messehalle.

100 /

Geschäftsgebäude BIP-Computer Santiago de Chile, Chile Standort

Avenida Francisco Bilbao 2296 – Providencia, Santiago de Chile, Chile

Bauzeit

2006 – 07; Fertigstellung: 2007

Architektur

Alberto Mozó Studio www.owa.cl

Projektbeteiligte

Alberto Mozó Leverington, Francisca Cifüntes, Mauricio Leal

Bauingenieur

Juan López Ingenieros

Bauausführung

Estructura Madera Arauco S.A + Constructora Las Torcasas

Vorwiegend eingesetzter Holzwerkstoff

Brettschichtholz (BSH) aus Monterey-Kiefer

Khaled Saleh Pascha

Ansicht des BIP-Gebäudes von Westen.

101

Das Büro- und Geschäfthaus BIP-Computer befindet sich in dem östlich des Zentrums gelegenen Bezirk Providencia in Santiago de Chile. Der Neubau beherbergt im Erdgeschoss einen Verkaufsraum für Computer. Im Obergeschoss befindet sich der Büro- und Verwaltungsbereich der Firma. Die in die Neuplanung integrierten zwei Bestandsgebäude von 1936 dienen dem Bauherrn als Verkaufsraum, Lager und Werkstatt. Eine Grundforderung an den Architekten war die einfache und schnelle Auf- und Abbaubarkeit der Konstruktion, da nur eine Zwischennutzung des Grundstücks vorgesehen war. Der Architekt Alberto Mozó entwickelte ein Tragsystem auf Basis von Standardprofilen (Hilam Estándar)­ des chilenischen Holzproduzenten Arauco mit Abmessungen von 342 mm × 90 mm. Die Brettschichtholzbin-

der können bis zu einer Länge von 30 m hergestellt werden, wobei im vorliegenden Fall die Standardbauteillänge von 10 m im Fall der Stützen und Horizon­ talträger verwendet wurde. Wesentlicher Vorteil der Anpassung der Stützen- und Trägerdimensionen an Produktabmessungen von Standardquerschnitten war der erhebliche Preisvorteil, der zu erzielen war: Der Kubikmeter Brettschichtholz in dieser Standardabmessung konnte für umgerechnet 770 Euro, konfektioniert und einbaufertig, erworben werden. Lediglich im Bereich der Brüstung entschied der Architekt, einen Brettschichtholzträger mit einer Höhe von 490 mm statt 342 mm einzubauen, da die Isolierglaselemente preislich günstig nur in der Standardabmessung von 250 cm Höhe zu erhalten waren. Die verwendeten Isolierglaspaneele besitzen in ca. 50 % der Fälle ein Polyestervlies im Zwischenbereich der Doppelverglasung.

BIP-Computer, Lageplan, oben links und unten rechts sind die Bestandsgebäude eingezeichnet, die den Neubau (mitte links) flankieren. Das gesamte Grundstück umfasst eine Grundfläche von 1.654 m2, wovon 150 m2 vom Neubau eingenommen werden.

Westansicht des Neubaus und des mit einbezogenen Altbaus, der als Reparatur- und Service-Center dient.

102 /

BIP-Computer, Eingangsbereich mit Anschluss an den Altbau. Die Giebelfassade ist mit handelsüblichen Schalplatten, die für den Betonbau verwendet werden, eingekleidet.

Grundriss Erdgeschoss.

Geschäftsgebäude BIP-Computer / 103

Zum einen erlaubt diese Maßnahme den Blend- und Sichtschutz in den Bereichen mit direkter Sonneneinstrahlung bzw. dort, wo die Fassade mit geringem Abstand an die vorhandenen Altbauten stößt. Zum anderen verbessert sich laut dem Architekten durch diese Maßnahme auch die Wärmedämmeigenschaft des Glas­elements. Das für die Brettschichtholzelemente verwendete Holz ist das in Chile weit verbreitete Pinus radiata (Monterey-Kiefer), das aus forstlichem Anbau im Süden Chiles gewonnen wird. Die Verleimung der einzelnen Lamellen erfolgt durch Melamin-Harnstoff-Formaldehyd-Harze (MUF), um die erhöhten Anforderungen an Feuchtigkeitsbeständigkeit zu gewährleisten. Den dunkelbraunen Farbton erhält das Holz durch eine Lackierung mit einem offenporigen Schutzlack, der gleichzeitig durch seine pestiziden Bestandteile gegen Termiten schützt, die in Chile weit verbreitet sind. Konstruktive Grundidee der zangenartigen Diagonalverstrebung war es, eine Aussteifung lediglich über die Rahmenwirkung der rhombenartigen Netzstruktur der Fassade zu erreichen. Jeder Kreuzungspunkt der Träger- und Stützenebenen ist durch eine 6-Punkt-Verschraubung (am inneren Brüstungsträger 8-Punkt) mit

Die Fassadenkonstruktion im Moment der Vorortmontage. Die 6 mm starken Metallplatten im Kreuzungsbereich der Stützen sind gut zu erkennen.

104 /

Schaftdurchmesser von 3/4" (19 mm) derart biegesteif ausgeführt, dass eine ausreichende Aussteifung in Längsrichtung des Gebäudes erreicht wird. Um die hohen Einzelkräfte der Verschraubung im Kontaktstoß sicher einleiten zu können und um den Schlupf in den Bohrlöchern der Holzbauteile zu verringern, wurden 6 mm starke, galvanisierte Stahlplatten zwischen die Holzelemente eingefügt. Alle Träger- und Stützenebenen sind räumlich voneinander getrennt, d. h. Träger und Stützen fungieren als Durchlaufträger bzw. Durchlaufstützen, die zangenartig untereinander in den Kreuzungspunkten verbunden sind. Neben den statischen Vorteilen einer solchen Konstruktion erlaubt diese Bauweise auch die einfache Demontage und Wiederverwendung der einzelnen Bauteile. Auch dies half, die Rohbaukosten gering zu halten, die sich auf lediglich 620 Euro/m2 beliefen. Da lediglich die Längsfassaden aus dem rauten­ förmigen Diagonalnetz der aussteifenden Stützen bestehen, musste für die Stirnseiten des Gebäudes ein eigenständiges Aussteifungssystem entwickelt werden. Alberto Mozó löste das Problem, indem die gleichen gekreuzten Stützen, die das Rautenmuster der Fassaden bestimmen, vereinzelt auch im Innenraum erschei-

Montage der Holzkonstruktion auf der bereits betonierten Bodenplatte.

Anschluss der Innenstützen an den Deckenbalken. Erkennbar sind die gekreuzten Innenstützen, die direkt an jeden neunten (im Außenfeld zwölften) Deckenbalken angeschlossen sind.

Anschluss Treppe an Betonstütze. Die Wendeltreppe, die die Geschosse untereinander verbindet, besteht − wie der restliche Rohbau − ebenfalls aus Brettschichtholz­ trägern mit 342 × 90 mm Querschnitt. Die Wendeltreppe ist einseitig im Wendelbereich eingespannt.

Geschäftsgebäude BIP-Computer / 105

nen. Sie dienen lediglich zur Aussteifung und haben keine lastabtragende Aufgabe. Die Innenstützen folgen einer der gekreuzten Stützenachsen der Längsfassade, was zur Folge hat, dass sie eine Neigung aus der Senkrechten von 6,7 Grad aufweisen, die sich auch in den Stirnfassaden abzeichnet und dem Gebäude einen dynamischen Charakter gibt. Dank der weitgehenden Vorfabrikation konnte der Bau in lediglich vier Monaten abgeschlossen werden. Nach Betonierung des Kellergeschosses wurden die bereits komplett vorkonfektionierten Brettschichtträger, die betonierte Grundplatte des Erdgeschosses als Montagefläche nutzend, horizontal als Fassade vormontiert. Jeder der 10 m langen Brettschichtholzträger hat ein Gewicht von 80 kg und konnte somit ohne weiteres Hebezeug von den Monteuren vor Ort bewegt und montiert werden. Nachdem die Holzkonstruktion beider Längsfassaden komplett vormontiert war, wurden die ca. 12 t schweren Längsfassaden per Fahrzeugkran in ihre jeweilige Position gebracht und per Abspannung mit Stahlseilen gesichert. An den Innenflächen der Fassaden wurden in die bereits montierten Balkenschuhe

die Deckenbalken eingehängt und befestigt und anschließend die zur Aussteifung nötigen Innenstützen montiert. Im Anschluss wurden die Stirnflächen im oberen Teil des Gebäudes geschlossen. Nach außen schließen Schaltafeln diesen Teil der Fassade ab. Danach folgen Kontralattung, Dichtungsbahn, Wärmedämmung und schließlich Sperrholzplatten, die den inneren Raumabschluss darstellen. Das Dach bilden die gleichen Deckenbalken mit 90 auf 242 mm Abmessung, dem eine Sekundärträgerlage aus Holzbalken mit 90 auf 90 mm Abmessung folgt. Auf dieser wiederum befindet sich eine Beplankung mit 18 mm starken Sperrholzplatten, gefolgt von 100 mm Wärmedämmung, einer 15 mm starken OSB-Platte und schließlich einer 6 mm starken galvanisierten Metall­ deckung, die den Dachabschluss bildet. Die im Abstand von 50 cm verlegten Deckenbalken wurden mit handelsüblichen bewehrten Betonplatten im Maß 50 × 50 cm gedeckt, die normalerweise im Außenbereich Verwendung finden (sogenannte „Pastelones de Concreto“). Der große Vorteil dieses industriellen und vor allem sehr preiswerten Produkt, ist seine hohe

Durchbruch im 1. Obergeschoss. Die Innenstützen laufen, wie die Fassadenstützen, über alle drei Geschosse durch. Dies bedingt Durchbrüche in den Obergeschossen. Um das Problem architektonisch zufriedenstellend zu lösen, wurden die Durchbrüche architektonisch „thematisiert“, d. h. größer als nötig ausgebildet und durch Stahlroste gesichert. Ein unbestreitbarer Nachteil dieser Lösung ist, dass eine akustische und raumlufttechnische Trennung der einzelnen Geschosse nicht möglich ist. Auch die Innenstützen wie die Deckenbalken bestehen aus Standardquerschnitten von 342 × 90 mm.

106 /

BIP-Computer, Ansicht von der Avenida Suecia. Die partiell durch Polyestervlies transluzenten Glaselemente verbessern den Sicht- und Blendschutz.

Geschäftsgebäude BIP-Computer / 107

thermische Masse, die im heißen Sommer Santiagos das für leichte Holzkonstruktionen typische schnelle Aufheizen des Gebäudes vermindert. Außerdem verbessert die hohe Dichte und Masse des Produkts die akustischen Eigenschaften der Zwischendecke. Das Geschäftsgebäude von Alberto Mozó in Santiago de Chile ist ein ausgezeichnetes Beispiel für die Möglichkeiten, die der moderne Holzbau heute bietet:

ein extrem hoher Vorfertigungsgrad mit all seinen Vorteilen der Kosten- und Zeitersparnis, die einfache und verlustfreie Demontage und Wiedererrichtung des Bauwerkes, die Leichtigkeit der verwendeten Holzbauteile, was den Einsatz von Hebezeugen auf ein Minimum reduziert, und nicht zuletzt die ökologischen Vorteile einer Bauweise, in der dauerhaft CO2 auf der Basis eines nachwachsenden Rohstoffs gespeichert wird.

Verlegen des Fußbodens mit handelsüblichen Betonplatten, die normalerweise im Gartenbau verwendet werden.

Aufrichten der Längsfassaden, Einhängen der Deckenträger und Montage der aussteifenden Innenstützen.

108 /

Clubhaus der Haesley Nine Bridges Golfanlage Yeoju, Südkorea Standort

Yeoju, Südkorea

Planungszeit

2006 – 09; Fertigstellung: März 2010

Architektur

Shigeru Ban, Tokio, Japan / Kevin S. Yoon, KACI International, Seoul

Tragwerksingenieur

SJB. Kempter. Fitze, Eschenbach

Beratung Tragwerksplanung

Création Holz, Hermann Blumer, Herisau

Geometrieanalyse

designtoproduction, Fabian Scheurer, Zürich

Dachflächenausformung

iCapp GmbH, Zürich

Werkplanung und Produktion

Blumer Lehmann AG, Gossau

Vorwiegend eingesetzter Holzwerkstoff

BSH (Brettschichtholz) aus Fichte

Simone Jeska

In dem neuen Clubhaus befinden sich ein Restaurant, Konferenzräume, ein Spa-Bereich, kleine Apartments, Büros und die VIP-Lounge.

109

Mit dem Neubau der Golfanlage in Yeoju wurde auf dem Gelände ein neues Clubhaus, das sich durch ein außergewöhnliches Dachtragwerk auszeichnet, errichtet. Der dreigeschossige Neubau wird von einem Gitternetz aus ein- und zweifach gekrümmten Brettschicht­ holzträgern überspannt. Einundzwanzig baumartige Stützen, die in einem quadratischen Achsraster von 9 m angeordnet sind, tragen das 76 × 36 m große Dach. Mit einem Durchmesser von 60 cm am Fußpunkt weiten sich die Stützen kontinuierlich, bis sie auf einer Höhe von 9,60 m einen Durchmesser von 1,50 m erreichen und am Stützenkopf als einzelne Stützenstäbe wie das Astwerk eines Baumes fließend in das Holzgeflecht des Dachtragwerks übergehen.1 In den Schnittflächen – in der Mitte jedes 9 × 9 m großen Jochs – auf der Höhe von 13,60 m bildet das Dachgeflecht Scheitellinien aus und kragt an den Dachrändern als umlaufendes Vordach 4,50 m weit aus.

Grundriss und Schnitt.

110 /

Die frei geformte Dachgeometrie wurde als parametrisches Modell anhand der definierten Positionen des Dachrands, der Stützen und der Scheitellinien sowie der Tangentialwinkel am Übergang der Stützen zum Dach entwickelt.2 Durch Projektion eines ebenen, regelmäßigen Achsrasters auf die gekrümmte Dachgeometrie erfolgte die Definition der Trägerachsen – das Achsraster besteht aus drei Trägerachsen mit einem Achsabstand von etwa 90 cm, die so angeordnet sind, dass sich jeweils zwei Achsen kreuzen und ein Maschennetz aus Sechs- und Dreiecken entsteht. Anhand umfangreicher statischer Berechnungen und Nachweise – die Tragfähigkeit der Konstruktion für 20.000 Knoten, 30.000 Stäbe und 30 Lastfälle konnte nur mittels neu geschriebener Programme nachgewiesen werden – wurden die Trägergeometrien entlang der Achsen generiert. Die Überlagerung der netzartigen Maschenstruktur mit der zweifach gekrümmten Dachfläche führt zu geometrisch

1 Die Stützenstäbe der eingespannten Stützen wurden aufgrund der großen Knicklänge von fast 14 m zu einer Hohlstütze verleimt. Zur zusätzlichen Belichtung und Belüftung der Innenräume befinden sich über den Baumstützen Lichtkuppeln mit einem Durchmesser von 3 m. 2 Während bei dem Dachtragwerk des Centre Pompidou in Metz als Vorläuferprojekt das parametrische Modell auf der Grundlage der vorgegebenen Geometrie entwickelt wurde, wurde die Dachgeometrie des Golfclubs von der Fa. designtoproduction direkt als parametrische Geometrie anhand der Rand­ bedingungen generiert. Da das Erstellen parametrisierter Daten die übliche Planungssoftware der Bauindustrie überfordert hätte, half die Fa. iCapp bei der Entwicklung des digitalen Modells.

Am Stützenkopf verhindert ein innen liegender Zugring das Aufspreizen der mehrteiligen Stützen.

Am Kopf der Stützen haben die einzelnen Holzstäbe einen quadratischen Querschnitt von 100 x 100 mm

Die 12 Vertikalstäbe sind radial angeordnet

Aus 6 V-förmigen Holzstäben werden 12 Stäbe mit rechteckigem Querschnitt

Mit zunehmendem Durchmesser der Stützen werden sowohl die Abstände zwischen den Stäben als auch die V-förmigen Einschnitte in den Vertikalstäben größer

Mit zunehmendem Durchmesser der Stützen werden die 12 radial angeordneten Stäbe erkennbar

Die runden Hohlstützen setzen sich aus zwölf kreisförmig angeordneten Brettschichtholzstäben mit einem Querschnitt von etwa 136 × 200 mm zusammen, die am Stützenschaft über eine Schraubpressverleimung miteinander verbunden sind.

Clubhaus der Haesley Nine Bridges Golfanlage / 111

komplexen Trägern, deren Krümmungen und Torsionen mit unterschiedlichen Radien und Richtungswechseln eine Vielzahl individueller Formen erzeugen. Die Komplexität der Planung des doppelt gekrümmten Tragwerks setzt sich in der Detaillierung der Knotenpunkte fort. Als Weiterentwicklung traditioneller Schäftungen und Blattverbindungen, die erstmals an einem Ingenieurholzbau realisiert wurden, sind die Knotenpunkte in zweierlei Hinsicht ein Novum. Das Konzept der ebenengleichen Durchdringung der Träger, das auf den hohen Brandschutzanforderungen gründet, führte zu der Rückbesinnung auf die alte Holzbautradition; dementsprechend wurden die Längsverbindungen der Träger mit Schäftungen und die Anschlüsse in den Kreuzungspunkten mit Blattverbindungen ausgeführt. Da in jedem Knotenpunkt ein- und zweifach gekrümmte Träger aufeinandertreffen, entstehen als Kontaktflächen der Ausblattungen hyperbolisch-paraboloide Flächen mit einer Vielzahl unterschiedlicher Querschnitte. Um die Biegesteifigkeit des Tragwerks zu erhöhen3 und die Montage zu erleichtern, wurden die Träger nicht einfach mit gegenseitigen Ausblattungen ausgeführt, sondern in Trägerpaare aufgelöst und jeweils mit hälftigen Ausblattungen versehen. Während ein Trägerpaar mit den ebenen Rückseiten aufeinanderliegt, kreuzt das zweite Trägerpaar ober- und unterseitig mit einer gegenseitigen Ausblat-

horizontal entlang horizontal at these lines

der Scheitellinien

63.3°

16.3°

1408

tangency continuity jenseits dieser Linie inside this line kontinuierlich gekrümmt

8

1360

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Anhand der parametrisch entwickelten Referenz­fläche der Dach­ geometrie konnten die räumlich gekrümmten Achsen, Trägergeometrien und Knotenpunkte entwickelt, festgelegt und dargestellt werden. Mit den vorhandenen CAD-Programmen hätten derart komplexe Geometrien nicht bearbeitet werden können.

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Das parametrische Modell der Dachgeometrie wurde anhand definierter Vorgaben entwickelt. Aufgrund der Regelmäßigkeit der Geometrie setzt sich das Tragwerk aus fünf Elementtypen zusammen.

tung; wendet man die Methode auf ein dreiachsiges System an, dann entstehen drei symmetrische Trägerpaare, die sich ebenengleich durchdringen. Zur Ver­ einfachung der Fertigung wurde das mittlere Trägerpaar zu einem Träger zusammengefasst, so dass das Gitternetz in fünf Trägerlagen produziert und montiert wurde. Für die Festlegung der Trägersegmentierung wurden die Kosten der Rohlinge und der Maschinenstunden für die Fräsarbeiten gegeneinander abgewogen sowie der statisch relevante Faserschnittwinkel von maximal 10 Grad überprüft und die maximale Bauteillänge von 11 m berücksichtigt.4 Anhand der Festlegungen wurden sowohl die Einzelstückzeichnungen mit den doppelt gekrümmten Kontaktflächen der Blattver-

bindungen und Schifterschnitte sowie den Bohrungen und Aussparungen für die Holz-Stahl-Verbindungen als auch die Materialeinkaufslisten von dem Programm automatisch generiert.5 Durch die Parametrisierung und damit einhergehend die Automatisierung der Planung konnten Änderungen an der Geometrie und deren Auswirkungen jederzeit erfasst und auch während der Ausführung noch berücksichtigt werden. Insgesamt wurden für das Dachtragwerk 3.500 meist doppelt gekrümmte Trägersegmente mit 476 unterschiedlichen Geometrien und 15.000 geometrisch komplexen Blattverbindungen produziert. Trotz der Regelmäßigkeit der Tragwerksstruktur, die in fünf unterschiedliche Elementtypen aufgeteilt werden konnte,6 war die Fertigung bereits bei der

3 Im Vergleich zu einer traditionellen Blattverbindung zweier sich kreuzender Träger mit hälftigem Ausschnitt erhöht sich der Biegewiderstand bei einer Ausführung mit aufgelösten Trägerquerschnitten um das Dreifache. Gleichzeitig konnte durch die Auflösung der Träger die jeweilige Haupttragrichtung gestärkt werden. 4 Um mit dem Container verschifft werden zu können, durften die Bauteile eine Länge von 11 m nicht überschreiten. 5 Der Parametrisierung der Geometrie und damit der Automatisierung der Planungsschritte ist es zu verdanken, dass das Dachtragwerk trotz seiner Komplexität in weniger als acht Monaten geplant, berechnet, abgebunden, transportiert und montiert werden konnte. 6 Da das zugrunde liegende Sechseckraster achssymmetrisch und nicht punktsymmetrisch ist, entstehen für die Dachkonstruktion zwei unterschiedliche Rand- und Eckfelder.

Systemskizze: ebenengleiche Durchdringung der Träger mit hälftigen Ausblattungen.

Die doppelt gekrümmten Träger weisen teilweise zusätzlich Verwindungen auf, so dass sich das Verhältnis der Bauteilseiten zueinander kontinuierlich verändert.

Aufgrund der komplexen Dachgeometrie musste jedes Trägersegment für den Abbund einzeln konstruiert werden.

Clubhaus der Haesley Nine Bridges Golfanlage / 113

Das Holztragwerk, das zum Teil aus stark gekrümmten Stäben besteht, erinnert an „geflochtene“ Korbstrukturen.

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Herstellung der Rohlinge eine Herausforderung,7 da sich für die Lamellen der Brettschichtholzträger in Abhängigkeit von den Krümmungsradien unterschied­ liche Schichtdicken ergaben. Stark gekrümmte Träger mit Krümmungsradien von bis zu 1 m wurden zum Teil aus 5 mm starken Lamellen von Hand geleimt – eine Methode, die zwar im Treppenbau üblich ist, für den Einsatz tragender Bauteile jedoch Einzelgenehmigungen benötigte. Um die zweifach gekrümmten, geometrisch komplexen Träger fertigen zu können, musste die fünfachsige CNC-Abbundanlage nachgerüstet und eine neue Software geschrieben werden. Fehlende Datenschnittstellen zwischen CAD und CAM erforderten einen großen Aufwand für die maschinentaugliche Aufbereitung der geometrischen Daten; um das Projekt in einem halben Jahr realisieren zu können, waren Programmierer

und Maschinenführer drei Monate lang in drei Schichten beschäftigt.8 Ein weiteres Problem stellten die zulässigen Toleranzen im Zehntelmillimeterbereich dar, die auf die Vielzahl der Verbindungspunkte und die Ausführung traditioneller Holzverbindungen zurückzuführen sind. Zweifach gekrümmte Trägergeometrien, die allseitig bearbeitet werden, müssen entweder einmal umgespannt werden oder werden aus bereits gekrümmten Rohlingen hergestellt. Dementsprechend wird die exakte Positionierung und Fixierung der gekrümmten Bauteile auf der Abbundanlage zu einem ausschlaggebenden Kriterium für das Gelingen des Projekts. Schließlich wurden die einzelnen Bauteile zur eindeutigen Identifizierung und Zuordnung im Gesamtsystem des Tragwerks nummeriert 9 und in 26 Containern nach Südkorea transportiert. In einem beheizten Baustellenzelt mit konstanter, verleimgerechter Tempera-

7 Aufgrund des Zeitdrucks wurden die Brettschichtholzrohlinge europaweit von unterschiedlichen Herstellern bezogen. 8 In der kurzen Zeit wurde außerdem eigens für das Projekt eine neue Fertigungshalle gebaut. 9 Bei einem Tragwerk, das sich aus tausenden, individuell geformten Einzelteilen zusammensetzt, ist die eindeutige Identifizierung und Zuordnung im Gesamtsystem unabdingbar. Die gesonderte Erfassung jedes einzelnen Bauteils ist jedoch mit herkömmlichen Methoden in einem wirtschaftlichen Rahmen nicht möglich, so dass auch dieser Arbeitsschritt frühzeitig in die parametrisierten Produktionsdaten integriert werden muss.

Die gekrümmten Trägersegmente sind für die Ausbildung der Knotenpunkte mit Ausblattungen versehen. Durch die regelmäßige Tragwerkstruktur haben die Trägergeometrien teilweise einen Wiederholungsfaktor von zwölf.

Durch die vorgegebene Montagereihenfolge und die Blattverbindungen, die im Fügeprozess keinen Spielraum zulassen, richteten sich die fünflagigen Trägersegmente bei der Vormontage der Dachelemente selbst aus.

Clubhaus der Haesley Nine Bridges Golfanlage / 115

tur und Luftfeuchte wurden die Trägersegmente zu 81 m2 großen Dachelementen zusammengefügt; mithilfe digital entworfener, CNC-gefertigter Schablonen10 konnten die zweifach gekrümmten, frei im Raum befindlichen Trägersegmente exakt positioniert werden. Anhand von Positionsplänen wurden die Träger wie bei einem Puzzle lagenweise zusammengefügt und über eine Schraubpressverleimung miteinander verbunden. Den Nachweis über die Tragfähigkeit sowie Anweisungen für die Verleimungen erbrachten Versuchsreihen an der Fachhochschule in Biel.11

Dank der Vormontage mussten bei der Montage des Dachtragwerks nur noch 32 Elemente gefügt werden. Das frei geformte Dachtragwerk des Clubhauses, das sich zu einem großen Teil aus ein- und zweifach gekrümmten Trägern zusammensetzt, lotet die Grenzen der Planungs- und Fertigungsprozesse neu aus und etabliert erstmals traditionelle Holzverbindungen im Ingenieurholzbau. Digitalisierung und Handwerk gehen bei dem Projekt eine kongeniale Symbiose ein.

10 Da jedes Dachelement mehrfach hergestellt wurde, lohnte sich diese aufwändige Methode der Vorfertigung mittels digital gefertigter Schablonen. 11 Bei den Versuchsreihen wurde hauptsächlich die Tragfähigkeit der Schäftungen überprüft.

Das Dachtragwerk während der Montage.

Die Herausforderung bei der Montage war die millimetergenaue Positionierung der großen Dachelemente mit dem Kran, da 24 Schlitzbleche in unterschiedlichen Winkeln und Höhen gleichzeitig eingeführt werden mussten.

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Nachts spiegelt sich das Tragwerk in dem künstlich angelegten Teich.

Austria Center Vienna – „Eingangswelle“ Wien, Österreich Standort

Bruno-Kreisky-Platz 1, 1220 Wien, Österreich

Planungszeit

2005 – 07; Fertigstellung: Juni 2007

Architektur

DI Christian Knechtl

Tragwerksingenieur

RWT plus ZT GmbH

Werkplanung und Produktion

Buchacher Holzleimbau, seit 2011: Buchacher Holzbausysteme GmbH

Vorwiegend eingesetzter Holzwerkstoff

Brettschichtholz (BSH) aus Lärche / Dreischichtplatten (75 mm) als Verschalung

Khaled Saleh Pascha

Das neue Eingangsgebäude des ACV und die begleitende Bebauung.

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Das in den 1970er Jahren fertiggestellte Austria Center Vienna (ACV) ist ein Gebäudekomplex, der für Kongresse, Tagungen und alle Arten von Konferenzen benutzt wird. Er bildet, zusammen mit der benachbarten UNOCity, dem Sitz der Vereinten Nationen in Wien, einen Schwerpunkt der städtebaulichen Entwicklung Wiens auf der nördlichen Donauseite. Der Wiener Architekt Christian Knechtl wurde im Rahmen einer Studie beauftragt, Konzepte für eine Umund Neugestaltung des Areals um das ACV zu erstellen. Schon in der ersten Konzeptidee schlug der Architekt die fast ohne Änderungen realisierte pergolaähnliche Konstruktion vor, die dem bestehenden Haupteingang vorgesetzt wurde und die zusammen mit der neu gewonnenen Vertikalität des Neubaus den Haupteingang

klar markiert. Dadurch wurde auch funktionalen Kriterien Rechnung getragen, wie der Schaffung eines Vorplatzes und eines angemessenen Witterungsschutzes für die ankommenden Gäste. Die „Eingangswelle“, wie sie landläufig genannt wird, ist ein komplett in Brettschichtholz gefertigtes flechtartiges Tragwerk, das sich im oberen Bereich auf der Dachterrasse des 2. Obergeschosses des Bestandsgebäudes abstützt und ansonsten mit zehn Fußpunkten auf der Stahlbetondecke der Tiefgarage ruht. Die Abmessungen sind gewaltig: Den 32 m Länge und 26 m Tiefe steht eine Gesamthöhe von 17  m gegenüber, ­Abmessungen, die durchaus einem mittelgroßen fünf­ geschossigen Bürogebäude entsprechen. Das rautenartige Geflecht der Tragstruktur ist aus Brettschichtholz-

Die „Eingangswelle“, die den Haupteingang zum Konferenzzentrum neu markiert und gleichsam eine überdachte Vorfahrt zum Altbau darstellt.

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stützen mit Abmessungen von 70 cm bis zu 170 cm Tiefe und 20 cm Breite gefertigt. Die jeweils äußeren Rautenträger wurden „gerade gezogen“ und definieren dadurch Anfang und Ende des Bauwerks. Die Gesamtlänge der Brettschichtholzstützen beträgt 50 m, wobei aus Gründen des Transportes und der Montage eine Zweiteilung erfolgte. Allein 260 m3 Brettschichtholz der Qualität BS 14 wurden verarbeitet. Hinzu kamen 6 t Stahlteile, die im Wesentlichen die Verbindungsmittel zwischen den Holzsegmenten darstellen, wobei aber auch einige zur Aussteifung benötigte Druckstäbe und Zugdiagonalen in Stahl gefertigt wurden. Aufgrund der enormen Windkräfte, die an diesem Standort herrschen, waren die zusätzlichen Sicherungen notwendig. Als Verschalung im oberen Bereich der Konstruktion

Die Holzkonstruktion, wie sie sich dem Besucher in Augenhöhe präsentiert.

Blick von Westen auf das Eingangsgebäude. Der lediglich fünfgeschossige Altbau des ACV schließt sich dahinter an.

Austria Center Vienna – „Eingangswelle“ / 119

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wurden Dreischichtplatten mit 75 mm Dicke eingesetzt, die gleichzeitig für die notwendige Aussteifung sorgen. Allein für diese Position wurden 1.100 m2 bzw. 85 m3 Plattenmaterial benötigt. So simpel die Tragstruktur mit ihren verschwenkten Rauten auch scheint, die Umsetzung erforderte Technologien, die noch bis vor Kurzem nicht zur Verfügung standen. Die Ausführung der Holzkonstruktion lag in den Händen der Fa. Buchacher in Hermagor, Öster­reich, die aufgrund ihrer Kompetenz und der zur Verfügung stehenden Fertigungstechnologien in der Lage war, ein Projekt dieser Größe und Komplexität in nur sechs Wochen komplett vorzufertigen und in weiteren vier Wochen vor Ort aufzubauen. Die Entwurfsund Werkplanung erfolgte durch den Einsatz von 3Dbasierten CAD-Zeichenprogrammen, die Fertigung erfolgte durch entsprechende CAM-Programme, die den Abbund und Zuschnitt des Holzes durch CNC-ge-

stützte Maschinen steuerten. Auch alle notwendigen Vorbohrungen und Fräsungen wurden bereits in der Phase der Elementfertigung vorgenommen. Jeweils eine der beiden um 30 Grad versetzten Flechtlinien besteht aus einem lediglich einmal unterteilten, ansonsten durchlaufenden Brettschichtholzträger. Die Elemente in der anderen Richtung sind jeweils als Passstücke zwischengesetzt. In den Anschlusspunkten erfolgt die Befestigung durch Querzugverstärkungen mittels Stabdübeln und speziellen Gewindestangen des Systems WB der Fa. SFS intect. Da aufgrund der Geometrie der komplex-räumlichen Anschlüsse auch Abscherkräfte auftreten können, d. h. auch Kräfte in Richtung der Verbindungsmittel selbst wirken, gewährleisten die Gewinde­stangen, die vollständig versenkt und damit unsichtbar von außen sind, die nötige Kraftübertragung im Anschlusspunkt. Die eigentliche Vorortmontage erfolgte, indem zuerst ein komplettes Randsegment

Untersicht der flechtartigen Holzkonstruktion. Gut sind die Einkerbungen in der Dreischichtplatte erkennbar, die die Anpassung an den Außen­radius ermöglichen. Die Stahlabspannungen und Stahldruckstäbe im oberen Bereich des Fotos sind für die Aufnahme der hohen Windlasten an diesem Standort erforderlich.

Abwicklung des Tragwerks. Erkennbar sind die durchlaufenden Träger (von links nach rechts) und die zwischengesetzten Passtücke.

am Boden zusammengesetzt und mit den Anschlusspassstücken versehen und anschließend in Position gebracht wurde. Ein Holzbock auf etwa halber Gebäudetiefe unterstützte die weitere Montage. Darauf wurden die zweigeteilten, durchlaufenden Träger ausgerichtet und montiert und diese wiederum mit den Anschlussstücken für den nächsten durchlaufenden Träger versehen. Zur Montage diente lediglich ein LKW-Kran. Die Fußpunkte bilden zehn Stahlauflager, die auf der Tiefgaragendecke befestigt wurden. V-förmige Stahlstützen auf der Dachterrasse des Altbaus bilden die Anschlüsse an das Bestandsgebäude. Aufgrund der relativ engen Radien im Übergang von Fassade zu Dach wurden die 75 mm starken Dreischichtplatten auf der Rückseite eingekerbt, wodurch sie sich an die Krümmung des Tragwerks anpassen ließen. Auf diese äußere Verplankung wurde eine Polyurethan-Folie aufgespritzt, die gleichsam für Dach- und

Fassadenflächen geeignet ist und sich deshalb besonders für dieses Projekt eignete. Dieses System „Flexiskin“ hat den Vorteil gegenüber konventionellen plattenförmigen Fassadensystemen, dass es eine völlig glatte, kontinuierliche und vor allem rissfreie Oberfläche erzeugt und dies, aufgrund des Aufspritzens, auch auf gekrümmten Oberflächen. Die errechneten horizontalen und vertikalen Verformungen betragen maximal 10 cm in beide Richtungen. Da keine bruchgefährdeten Materialien eingebaut wurden und das Bauwerk keine raumabschließende Funktion hat, was die Aufnahme von Toleranzen komplizieren würde, haben diese Maßänderungen aufgrund von Dilatation keine negativen Auswirkungen auf Funktion und Gebrauchstüchtigkeit des Gebäudes. Das Gebäude selbst besitzt keine technische Infrastruktur; es wird nachts indirekt beleuchtet, es sind aber keinerlei Leuchtkörper in die Struktur integriert.

Fotos vom Bauablauf. Jeweils eine Trägerlage ist durchlaufend, die andere wird in Segmenten zwischengesetzt.

Austria Center Vienna – „Eingangswelle“ / 121

Der neue Eingangsbereich des ACV ist in vielerlei Hinsicht ein bemerkenswertes Beispiel für die Möglichkeiten des modernen Holzbaus. Zum einen beeindrucken seine Dimensionen und die Tatsache, dass trotz seiner gewaltigen Größe das Gebäude wesentlich kleiner und beim Annähern fast schon intim wirkt. Zum anderen beeindrucken die Eleganz und Einfachheit der Lösung. Größe und Eleganz sind Attribute, die nicht unbedingt mit dem Baustoff Holz assoziiert werden. Geschwungene Träger mit 50 m Länge und einer hohen Oberflächenqualität waren lange Zeit dem Stahlbetonbzw. seinem Schalungsbau vorbehalten. Es sei hier an Referenzen wie den Palazzetto dello Sport von Pier ­Luigi Nervi aus dem Jahre 1957 erinnert, dessen vorgefertigte, geschwungene Betonpfeiler eine ähnliche Eleganz und Simplizität bei vergleichbaren Dimensio-

Blick vom Windfang des Altbaus auf die neue Eingangssituation.

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nen ausstrahlen wie das Wiener Projekt. Der große Unterschied beim Wiener Beispiel liegt jedoch in der Materialität. Holz gibt der Struktur eine Maßstäblichkeit. Obwohl die Primärstruktur ebenfalls enorme Dimen­ sionen besitzt, verweisen Maserungen, Strukturen, ­Unregelmäßigkeiten, die Farbnuancen und die unterschiedlichen Oberflächentexturen des Materials auf eine uns bekannte Erfahrungs- und Maßstabsebene. Insbesondere im Kontext der anderen Bauten, die das unmittelbare Umfeld des ACV bilden, fällt dieser Unterschied besonders auf: Das hölzerne Flechtwerk mit ­seiner sinnlich-organischen Formensprache will „begriffen“ und „erfahren“ werden, etwas, was für die benachbarten abstrakten und abweisenden Stahl-GlasGroßstrukturen nicht behauptet werden kann.

Fußgängerbrücke in Kollmann Südtirol, Italien Standort

Kollmann, Südtirol, Italien

Bauzeit

2008; Fertigstellung: 2008

Architektur Tragwerksingenieur

Thomas Schrentewein, Lignaconsult, Bozen.

Projektbeteiligte

Sebastian Vigl, Manuel Schieder, Alessandro Tombolato

Ausführung

Zimmerei Robert Mauroner, Villanders

Vorwiegend eingesetzter Holzwerkstoff

Brettsperrholz (BSP) aus Fichte für den Hauptträger / Kragträger für Fahrbahn aus Brettschichtholz (BSH) aus Fichte

Khaled Saleh Pascha

Ansicht von Norden.

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Diese kleine Brücke wurde in der Ortschaft Kollmann in Südtirol im Zuge einer Neugestaltung des zentralen Platzes realisiert. Hierbei wurde auch der Holzsteg, der den Ganderbach überquerte, durch eine kleine Fußgängerbrücke, die im Notfall auch die Befahrung durch ein Rettungsfahrzeug erlaubt, ersetzt. Die besondere, räumlich gekrümmte, asymmetrische Form der Brücke, die exzentrische Position des massiven Brückenträgers und die daraus resultierenden statischen Besonderheiten führten zu der Wahl von Brettsperrholz als Baumaterial, ein Werkstoff, der bis dato wenig im Brückenbau eingesetzt wurde. Die Asymmetrie der Brücke zeigt sich nicht nur in der exzentrischen Anordnung des Hauptträgers und der bogenförmigen Grundrissform, sondern auch in der Fahrbahnbreite, die zwischen 2,34 und 3,06 m variiert. Aufgrund der bogenförmigen Form der Brücke und des nur einseitig angeordneten Brückenträgers mit seinen auskragenden Nebenträgern, die die eigentliche Brückenfahrbahn tragen, treten erhebliche Torsionskräfte auf, d. h. dass das Holz nicht nur in Trägerachsenrichtung, sondern auch in Querrichtung Belastungen erfährt. Brettsperrholz, das durch seine kreuzweise Verleimung wesentlich isotroper als das in Faserrichtung verleimte Brettschichtholz ist, eignet sich hierzu besonders gut. Der veränderliche Querschnitt ist den

Grundriss der Brücke in Kollmann.

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auftretenden Schnittgrößen entlang der Trägerachse angepasst. Jede der elf Schichten, aus denen der Brückenträger besteht, hatte an ihren Längsseiten radiale Einschnitte mit unterschiedlichem, zunehmendem Radius, so dass der trapezförmige Ausgangsquerschnitt auf der Höhe der Auflager zu einem dreieckigen Querschnitt in Brückenmitte variiert und der Brücke ihre charakteristische organische Form in der Seiten- und Unteransicht gibt. Der minimal erforderliche Dreiecksquerschnitt in Brückenmitte ist auf das Biegemoment bemessen und verringert gleichzeitig das Torsionsmoment in den ­Auflagern im Lastfall Eigengewicht. Laut Entwurfsver­ fasser war die Grundüberlegung für die besondere, mehrfach gekrümmte Form des Hauptträgers, die Torsionskräfte durch das veränderliche Eigengewicht des massiven Trägers, verursacht durch die Verkehrslasten, gegenseitig aufheben zu lassen bzw. zu optimieren. Dies gelang nur zum Teil. Was sich jedoch als sehr vorteilhaft herausstellte, sind die resultierenden trapezförmigen Querschnitte der Träger an ihren Auflagerpunkten, die die Einleitung der Torsions- und Querkräfte in die Widerlager vereinfachen. Die Auflager wurden als Gabellager derart ausgebildet, dass eine Einspannung in Längsrichtung erreicht wurde. Einbetonierte M30-Bolzen in den Auflagern stellen den Kontakt mit

den Stahlplatten der Auflagerschuhe der Holzkonstruktion her. Es wurden elf Schichten von dreilagigen Brettsperrholzplatten GL 24h von jeweils 84 mm Dicke zu einem Hauptträger verleimt. Die Bezeichnung GL 24h bedeutet „Glued Laminated Timber“ mit einer zulässigen Biegespannung von 24 N/mm2 in gleichbleibender Qualität über die gesamte Querschnitthöhe. Jede einzelne der insgesamt elf Schichten des 19,35 m langen Trägers wurde aufgrund der Längenbeschränkung von 16 m der lieferbaren Brettsperrholzplatte aus zwei Platten zusammengesetzt und über einen Bock, eine Art Lehrgerüst, das die gewünschte Krümmung mit einem Radius von minimal 25,20 m generiert, nacheinander mit den anderen Segmentschichten durch Schraubpressleimung verbunden, wobei jeweils eine Stoßüberdeckung von 4 m eingehalten wurde. Mit wenigen Schrauben als Verbindungsmittel zwischen den nachfolgenden Brettlagen gelang es, die Position der einzelnen Schichten in ihrer bogenförmigen Form zu fixieren, die dann zusätzlich flächig miteinander verleimt sind. Die Befürchtung, dass die bogenförmige Form nach Entfernen des Bocks sich teilweise wieder zurückbiegen könnte, war unbegründet: Der Träger behielt nach der Montage seine durch das Lehrgerüst definierte Form.

Querschnitt bei 1/2 (Brückenmitte)

Brückenhauptträger 11 Schichten Brettsperrholz 84 mm - 3s

Vollgewindeschrauben 12 x 350 mm

Vollgewindeschrauben 12 x 160 mm

Querschnitt bei 1/4

Brückenhauptträger 11 Schichten Brettsperrholz 84 mm - 3s

Vollgewindeschrauben 12 x 350 mm

Vollgewindeschrauben 12 x 160 mm

Querschnitt bei I = 0 (Auflager)

Brückenhauptträger 11 Schichten Brettsperrholz 84 mm - 3s

Handlauf Iroko Geländer Stahl

Vollgewindeschrauben 12 x 400 mm Passbolzen M16 / 24 Stück Bodenbelag Lärche 4 cm Längsträger 8 x 8 C24 Kragträger h = 20/20cm GL 24h Betonauflager Verankerung Gewindestangen M30

Querschnittdetails der Brücke.

Fußgängerbrücke in Kollmann / 125

Die Herstellung des Hauptträgers dauerte zwei Wochen und wurde komplett in der Werkstatt des ausführenden Holzbaubetriebs durchgeführt. Der komplett vorgefertigte, etwa 15 t schwere massive Hauptträger wurde mit dem als Lehre dienenden Bock auf einem Tieflader an seinen Einbauort gebracht und per Mobilkran auf die vorbereiteten Fundamentpunkte montiert. Daraufhin erfolgte die Montage der Querträger im Abstand von 1,32 m für den begehbaren Brückenquerschnitt. Da der Hauptträger asymmetrisch an einer Außenseite der Brücke liegt, wurden die Querträger als konische, nach außen hin verjüngte, dem Momentenverlauf folgende Kragträger ausgebildet. Diese wurden mit Vollgewindeschrauben d=12 mm mit dem Hauptträger verbunden. Im Anschluss wurden weitere Längsträger mit 8 × 8 cm Querschnitt und darauf die eigentliche Fahrbahn aus 4 cm dicken Bohlen aus Lärchenholz befestigt. Der Hauptträger wurde für die statische Berechnung in 20 gleiche Teile unterteilt. Zwei Stäbe haben somit dieselben Querschnittskennwerte. Die Ermittlung dieser effektiven Querschnittskennwerte war sehr aufwändig, zumal die Flächenträgheitsmomente zu transformieren waren. Einzig beim Dreiecksquerschnitt­ in Brückenmitte war dies nicht notwendig. Einer Besonderheit von Brettsperrholz musste zudem Rechnung getragen werden: Die sogenannten Querlagen der Platten dürfen für den Biege- und Schubspannungs-

Längsschnittverlauf der einzelnen abgewickelten Brettlagen, wobei Position 1 den südlichen Rand der Brücke bildet, an dem die auskragenden Nebenträger der Fahrbahn angebracht sind, und Position 11 den nördlichen Abschluss der Brücke darstellt.

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nachweis nicht berücksichtigt werden. Somit ergaben sich nur für den Torsionsspannungsnachweis am Auflager Vorteile aus der naturgemäßen Anordnung der Querlagen. Die für die Bemessung des Hauptträgers entscheidenden Lastfälle waren die über dem Auflager resultierenden Kräfte aus Querkraft und Torsion und die Biegung in Feldmitte respektive in Brückenmitte. Trotz der Komplexität des gekrümmten Hauptträgers mussten für die konstruktive Durchbildung nur zwei wesentliche Anschlüsse entworfen werden. Die Auflager mit den Stahlschuhen, die für die Torsion und den Auflagerdruck bemessen wurden, und die Anschlüsse der Querträger an den Hauptträger mit Stahlflanschen, die auf das Einspannmoment und die Querkraft ausgelegt wurden. An den Auflagern wurden die Stahlformteile zu einem einzigen Stück zusammengefasst. Eine zweilagige Bekleidung aus Lärchenholzschindeln schützt den Hauptträger vor Witterungseinflüssen, eine Konstruktion, die sich noch in vielen erhaltenen historischen Beispielen anderer Brücken in der Region wiederfindet. Zusätzlich schützt eine Folie den Brückenträger vor Feuchtigkeit. Ein filigranes Geländer aus Stahl dient als Handlauf auf der Seite der auskragenden Querträger. Der Brückenhauptträger auf der gegenüberliegenden Seite dient gleichzeitig als Brüstung und Absturzsicherung für den nördlichen Bereich der Brücke.

Herstellungs- und Montageprozess des Hauptträgers: Verbinden der einzelnen Brettlagen über ein Lehrgerüst, das den gewünschten Radius definiert. Fertigung des geleimten Hauptträgers in der Werkstatt. Transport und Montage des Trägers.

Fußgängerbrücke in Kollmann / 127

Die Brücke in Kollmann ist ein hervorragendes Beispiel für die gestalterischen und konstruktiven Möglichkeiten, die sich durch die modernen Holzwerkstoffe, in diesem Fall der Brettsperrhölzer, ergeben. Asymmetrisch ausgebildete Massivträger, die gesicherte Abführung von quer zur Stabsachse auftretenden Biegekräften, Schwindungsbegrenzung bei sehr großen, vorgefertigten hölzernen Einfeldträgern und insgesamt eine hohe Robustheit der Konstruktion sind Merkmale moderner Brettsperrholztechnologie. Aus diesen konstruktiven Qualitäten erwächst auch eine neue gestalterische Freiheit, durch die das klassische Bild von Holzkonstruktionen als streng gerichtete, im Achsenraster definierte Bauweise Schritt für Schritt einer dynamischen, der statischen Belastung durch Momente und Querkräfte folgenden Ästhetik weicht. Hier nähert sich der moderne Holzmassivbau dem Stahlbetonbau an, mit dem großen Unterschied, dass keine aufwändigen Schalungen benötigt werden. Wie das Beispiel in Kollmann sehr schön zeigt, lassen sich geometrisch anspruchsvolle Formen durch die Addition zweidimensional unterschiedlicher Platten und das Ausnutzen der Elastizität von Holz erzeugen.

Am Hauptträger angeschlossener sekundärer Kragträger. Einsetzen des vorgefertigten Hauptträgers in die vorbereiteten Auflager. Auskragende Nebenträger mit Unteransicht der Fahrbahn.

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Gessentalbrücke bei Ronneburg, Deutschland Standort

Gessental bei Ronneburg (BUGA-Gelände), Deutschland

Fertigstellung 2006 Architektur Tragwerksplanung

Büro für Ingenieur-Architektur, Richard J. Dietrich, Traunstein

Statik und Dynamik

Köppl Ingenieure, Rosenheim

Prüfstatik

Josef Trabert, Geisa

Ausführung und Produktion

Schaffitzel Holzindustrie GmbH + Co, Schwäbisch Hall

Vorwiegend eingesetzter Holzwerkstoff

BSH (Brettschichtholz), aus Fichte blockverleimt

Simone Jeska

Die Gessentalbrücke führt als Teil des Fernradweges „Thüringer Stadtkette“ über das 25 m tiefe und bis zu 300 m breite Gessental bei Ronneburg.

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Die Gessentalbrücke wurde im Rahmen der Bundesgartenschau (BUGA) 2007 in Gera und Ronneburg errichtet, um zwei Ausstellungsbereiche miteinander zu verbinden. Aufbauend auf den Erfahrungen bei der Essinger Brücke1 wurde sie als 225 m lange Spannbandbrücke2 mit einem homogenen, hölzernen Trägerband3 aus blockverleimtem Brettschichtholz entwickelt. Sowohl in der Ansicht als auch im Grundriss beschreibt die Brücke eine Wellenform. Im Grundriss entwickelt sich die geschwungene Form kontinuierlich zwischen Breiten von 2,90 bis 3,90 m, wobei sich die

breiten Trägerflächen jeweils über den Auflagern, an den Hochpunkten des Spannbandes, befinden. In der Ansicht entsteht die wellenförmige Linie der Hängebrücke durch die vier Hochpunkte der beiden Betonwiderlager, die das Trägerband spannen, und der zwei Stützenpaare aus Stahlrohr, die das Band über dem Tal stützen und umlenken. Mit Wellenlängen von bis zu 80 m entstehen durch die baumkronenartige Verzweigung der Stützenköpfe freie Spannweiten von 52,50 m in den Randfeldern und 55 m im mittleren Feld. In den Feldern, zwischen den Auflagern, richtet sich die Form des Spannbandes der Seilzuglinie entsprechend aus. Die optimierte Seilzuglinie wird durch sensibles Austa-

1 Als Vorläufer der Gessentalbrücke kann die 193 m lange Holzbrücke über den Main-Donau-Kanal bei Essing gesehen werden. Die 1986 fertiggestellte Brücke, ebenfalls von Richard J. Dietrich entwickelt, ist die erste Brücke mit Spannbändern aus Brettschichtholz. Hintergrund hierfür war die Weiterentwicklung der Leimtechniken. Die Essinger Brücke überspannt vier Felder und besteht aus neun Brettschichtholzträgern (22 × 65 cm), die oberseitig über eine Diagonalschalung und unterseitig über ein Diagonalgitterwerk ausgesteift werden. 2 Spannbandbrücken sind Hängebrücken, deren Seilkonstruktion an den Ufern verankert wird. Sie haben ihren Ursprung in den Übergängen, bei denen Pflanzenfasern genutzt wurden, um tiefe Schluchten zu überbrücken. 3 Die Möglichkeit, ein solches Trägerband durch Blockverleimung einzelner Brettschichtholzträger herzustellen, war für die Essinger Brücke bauaufsichtlich noch nicht zugelassen.

14 Stk. Daueranker 14 Stk. Daueranker

Ansicht und Grundriss der 225 m langen Spannbandbrücke auf dem BUGA-Gelände bei Ronneburg, Deutschland.

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rieren von Funktion, struktureller Effizienz und Wirtschaftlichkeit ermittelt. Bei einer großen Stichhöhe des Durchhangs verringern sich die Zugkräfte, was sich einerseits positiv auf die Dimensionierung der Widerlager und des Brückenquerschnitts auswirkt, andererseits jedoch der Stabilität der Brücke entgegenwirkt. Als statisch optimierte Seilzuglinie ergab sich für das 50 cm dünne Spannband der Gessentalbrücke eine Stichhöhe von 2,20 m im mittleren Feld mit Zugkräften von etwa 800 t (8.100 kN), die im Material und in den Verbindungen übertragen und von den Widerlagern aufgenommen werden müssen. Da das hängende Trägerband jedoch die maximal zulässigen Steigungen von 6 % für eine behindertengerechte Ausführung überschreitet und das Zugband andererseits mit geringeren Stichhöhen in den Widerlagern sehr hohe Kräfte und damit höhere Kosten verursacht hätte, wurde das Holzband aufgedoppelt. Während das tragende Spannband in seinem Verlauf einer statisch optimierten Form entspricht, wird die Neigung der Oberfläche über aufgemm starke Furnierschichtholzplatten ständerte, 51  (Kerto-Q) hergestellt. Die Furnierschichtholzplatten lagern auf vier Brettschichtholzbalken, die parallel zur SCHNITT IN FELDMITTE

SCHNITT IM FELD NAHE KOPPLUNG

SCHNITT ÜBER WIDERLAGER/PFEILER

Konisch zugeschnittene Brettschichtholzbalken gleichen die Höhendifferenzen von Spannband und Oberfläche, die zwischen 10 cm im Auflagerbereich und 50 cm in Feldmitte variieren, aus.

Die Breiten des Trägerbands entwickeln sich fließend zwischen 2,90 und 3,90 m.

Gessentalbrücke / 131

Spannrichtung angeordnet sind und mit dem Spannband verschraubt wurden. Durch die Aufdopplung wird neben der Seilzug­ linienoptimierung ein positiver Effekt für das Schwingungs- und Torsionsverhalten des Tragwerks erzielt. Bei den schlanken Konstruktionen der Hängebrücken sind das Schwingungsverhalten aus dynamischen Beanspruchungen der Passanten und der Windlasten sowie die Torsionssteifigkeit wesentliche Parameter für die Standsicherheit des Bauwerks. Der kastenförmige Querschnitt der Brücke, der durch die Aufdopplung entsteht, wirkt der Torsion und den vertikalen Schwingungen in den frei gespannten Feldern entgegen. Zusätzlich erzeugt die Schraubverbindung der Brettschichtholzbalken mit dem Spannband eine Reibung, die vertikale Schwingungen dämpft. Die Taillierung des Bandes in Feldmitte erhöht die Torsionssteifigkeit, und die Aufweitungen bilden an den Hochpunkten Aussichtsplattformen aus.

Um die Horizontallasten, die hauptsächlich durch Windbeanspruchung entstehen, aufnehmen zu können, sind die Stahlstützen in Brückenquerrichtung als Stützenböcke mit zueinander geneigten, A-förmigen Stützenstielen ausgebildet und das Spannband biegesteif mit den Auflagern verbunden. Zur Kraftumlenkung und Weiterleitung der Zugkräfte bis in die Widerlager und um Zwängungen in der Konstruktion zu verhindern, wurden die Auflager in Längsrichtung beweglich, als kippende Gelenke ausgeführt. Andererseits erlauben die bis zu 23 m hohen, elastischen Stahlrohrstützen leichte Bewegungen in Längsrichtung. Das 225 m lange Spannband setzt sich aus neun Teilstücken zusammen, die in der Werkhalle vorgefertigt wurden. Da die etwa 26 t schweren und 30 m langen Trägerabschnitte aufgrund der großen Dimensionen nicht an einer CNC-gesteuerten Abbundanlage produziert werden konnten, wurden die Brückenteile handwerklich bearbeitet. Bei einer Passgenauigkeit

Laterne

Laterne

Laterne

Laterne

SCHNITT A-A ÜBER STÜTZPFEILER

Gelenklager unverschieblich Zugstab ø60 mm mit Anschweißlaschen

Detail 8

Streben Stahlrohr S235 ø323,9 x 8

Detail 9

Kastenförmiger Anschluß

Gelenklager längsverschieblich

mit Gelenkschelle

Zugstab ø60 mm mit Anschweißlaschen

Querfesthaltung

Detail 8

Stützen Stahlrohr S355 ø457 x 20

Quertraverse Stahlrohr S355 ø323,9 x 20

Streben Stahlrohr S235 ø323,9 x 8 Streben Stahlrohr S235 ø323,9 x 8

Querverbindung Stahlrohr S235 ø193,7 x 6,3

Montagestoß Schweißnaht

Montagestoß Schweißnaht Querverbindung Stahlrohr S235 ø193,7 x 6,3

In Längsrichtung des Spannbandes bilden die Baumstützen am Kopf jeweils drei Auflagerachsen mit einem Achsabstand von 5 m aus, so dass sich das Holzband an den Auflagerpunkten über sechs Achsen wölbt und für die Zuglinie eine sanfte, kontinuierliche Rundung entsteht.

132 /

von etwa 1 cm auf die gesamte Brückenlänge stellte diese Art der Herstellung eine große Herausforderung für die Handwerker und die Planer dar. Die blockverleimten Träger setzen sich aus stehend verleimten, gekrümmten Brettschichtholzträgern der Festigkeitsklassen GL 28 h bzw. GL 32 h mit Querschnitten von etwa 20 × 50 cm zusammen, die der Grundrisskrümmung entsprechend an den Seitenflächen mit Handkreissägen zugeschnitten4 und an den Stirnseiten für den Einbau der Anschlussbleche horizontal geschlitzt wurden.

4 Der Konturenschnitt der Seitenfläche erfolgte ober- und unterseitig der Trägerplatte, da die Eindringtiefe der Handkreissägen maximal 25 cm beträgt.

Filligrane Stahlrohrstützen, als Stützenpaare ausgebildet, leiten die Zugkräfte bis in das Widerlager.

Gessentalbrücke / 133

Vor Ort wurden die Brückenteile an den Laschen, die über Kopfplatten an den innen liegenden Stahlblechen angeschweißt sind, miteinander verbunden und an den Betonwiderlagern über 14 GEWI-Verpressanker mit einer Länge von bis zu 18 m in dem felsigen Baugrund verankert. Die Montage der Brücke erfolgte sukzessiv an einem Widerlager beginnend mithilfe von Gerüsttürmen, die den Brückenteilen als Auflagefläche dienten. Um die exakte Höhe der Stahlgerüste festzulegen, wurde vorab die Montagelinie des Trägerbands ermittelt, bei der die Nachgiebigkeiten und Toleranzen der Verbindungsmittel berücksichtigt werden – auf der Brückengesamtlänge entsteht durch die Addition der Toleranzen eine Längenänderung von etwa 3 cm, was einen

zusätzlichen Durchhang von 15 bis 20 cm bedeuten würde. Die Gerüste hatten Höhen von bis zu 23 m und mussten aufgrund der Windlasten statisch nachgewiesen werden. Als „Hilfsstützen“ nehmen die Stahlgerüste Vertikallasten der Brückenabschnitte auf, die während der Montage als Biegeträger wirken. Nach der kompletten Montage der Brücke werden die Gerüsttürme abgesenkt, so dass sich das Trägerband spannt und der statisch ermittelten Seillinienform entsprechend ausrichtet. Bei tragenden Holzbauteilen im Außenbereich ist der Witterungsschutz von essenzieller Bedeutung. Dementsprechend wurde das Holzband oberhalb der Furnierschichtholzplatte abgedichtet und mit einem diagonal verlegten Stehfalzblech geschützt. Auf der

Schlitzblech 10mm

Bolzen ø70

Schlitzblech 10mm

Stabdübel ø16 je 3x M30–10.9

Kopfplatte t = 40

Kopfplatte t = 40

Stabdübel ø16 4 Reihen à 10 Stück pro Platte

Stabdübel ø16

Stabdübel ø16 3 Reihen à 8 Stück pro Platte mittlere Verbindung Querfest

Im Bereich der Auf- und Widerlager kamen gelenkige Anschlüsse mit Bolzen zur Ausführung, und im Feldbereich wurden die Anschlüsse biegesteif mit Schraubverbindungen ausgeführt. Die Anschlussbleche werden je Brückenabschnitt von bis zu 400 Stabdübeln (d = 16 mm) fixiert und übertragen so die hohe Zugkraft von 8.100 kN.

134 /

Der wellenförmige Grundriss ist nicht nur formal, sondern auch funktional und konstruktiv begründet.

Gessentalbrücke / 135

5 Ursprünglich sollte das Spannband als Stahlbetonkonstruktion gebaut werden. Die Herstellung der Widerlager für diese „schwere“ Konstruktion hätte jedoch zu erheblichen Kostenüberschreitungen geführt. 6 Hängebrücken aus Stahl werden meist mit mechanischen Schwingungsdämpfern ausgeführt, um das Aufschaukeln der Konstruktion zu verhindern.

Blechabdeckung lagert ein Holzrost aus Lärchenholzbohlen als Gehwegbelag, der jederzeit problemlos ausgetauscht werden kann. Die Seitenflächen der Brücke werden durch eine hinterlüftete Dreischichtholzplatte aus Lärchenholz geschützt. Üblicherweise werden die primär auf Zug beanspruchten Spannbandbrücken aus Stahlbeton oder Stahl errichtet. Dementsprechend ist die Entscheidung für das Material Holz auf den ersten Blick ungewöhnlich. Auf den zweiten Blick zeigen sich die Vorteile des Holztragwerks gegenüber einer Stahl- oder Stahlbetonkonstruktion: Durch das geringe Eigengewicht im Vergleich zu Stahlbeton verringern sich die Zugkräfte in den Widerlagern um zwei Drittel,5 und aufgrund seiner Eigendämpfung, die den rhythmischen Schwingungen und damit dem Aufschaukeln der Hängekonstruktion entgegenwirkt, ist Holz den anderen Materialien überlegen.6 Trotz der schlanken Konstruktion mit einer Plattenstärke von nur 50 cm lagen die Schwingungen der Brücke selbst bei den Besucherströmen während der BUGA weit unter dem kritischen Wert.

Mithilfe von Schablonen und sogenannten Spiralbohrern konnten die Bohrungen für die 460 mm langen Stabdübel in der Trägeroberfläche millimetergenau hergestellt werden.

Vormontierte Brückensegmente: Mehrschnittige Stabdübelver­ bindungen mit drei horizontal angeordneten Stahlblechen stellen die Längsverbindungen der Brückenteile her. Um die Passgenauigkeit der Anschlüsse zu gewährleisten, wurden für den Einbau der Anschlussbleche die jeweils benachbarten Brückenteile über Rundstähle provisorisch miteinander verbunden und vorpositioniert.

136 /

In speziellen Blockleimpressen konnten die bis zu 3,90 m breiten Träger hochkant verleimt werden.

Elefantenhaus, Zoo Zürich Zürich, Schweiz Standort

Zürichbergstrasse 221, 8044 Zürich, Schweiz

Fertigstellung

Frühjahr 2014

Architektur

Markus Schietsch Architekten GmbH, Zürich

Statik

Walt + Galmarini AG, Zürich

Parametrische Modellierung

Kaulquappe GmbH, Zürich

Holzbau

ARGE Elefantenpark Holzbau – Implenia Bau AG Holzbau, Zürich, und Strabag AG Holzbau, Lindau

Vorwiegend eingesetzter Holzwerkstoff

Brettsperrholzplatten, dreilagig

Simone Jeska

Die frei geformte Dachschale aus Brettsperrholzplatten überspannt eine Fläche von etwa 6000 m2. Als flache Wellenform mit naturbelassenen Holz­ oberflächen ausgebildet, integriert sie sich in die Waldlandschaft der Umgebung.

137

Mit der Erweiterung des Züricher Zoos um einen Elefantenpark entstand gleichzeitig ein neues, großräumiges Innengehege, das in die hügelige Landschaft der Umgebung eingebettet ist. Das charakteristische Element des Elefantenhauses ist seine Dachstruktur, die als flache, gewellte Holzschale ausgebildet ist. Im Grundriss beschreibt die frei geformte Holzschale eine amorphe Form mit einem Durchmesser von etwa 80 m und überspannt eine Fläche von etwa 6.000 m2. Geometrisch entspricht sie einer flachen, „deformierten“ Parabelkalotte mit einem außermittigen Hochpunkt von etwa 18 m Höhe und einem wellen­

1

2

3

4

5

förmig ausgebildeten Dachrand, der in unterschied­ lichen Höhen zwischen 80 cm und 10 m auf und ab schwingt. Die Hochpunkte des Dachrands markieren die Zu- und Ausgänge für die Besucher sowie die Verbindungen zwischen den Innen- und Außengehegen.­ Basis der Dachgeometrie war eine ausschließlich auf Druck beanspruchte Schalenkonstruktion, die aus der Umkehrung eines Hängemodells entwickelt wurde. Das hängende Membranmodell wurde zur statischen Optimierung der Dachform anhand der festgelegten Tiefpunkte und der maximalen Gebäudehöhe am Computer simuliert. An den Tiefpunkten des Dachrands la-

6

583.50

Die Holzschale vereint das Innengehege mit dem Besucherbereich, die Stallungen sowie einen zweigeschossigen Eventbereich unter einem Dach. Der zweigeschossige Eventbereich mit Besucherplattform kann für geschlossene Veranstaltungen gemietet werden.

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gert die freitragende Dachschale auf Stützenbündeln aus sieben bis neun 40 bis 60 cm breiten und etwa 2 m tiefen Stahlbetonstützen sowie auf der 5 m hohen, gebogenen Betonwand.1 Die Kraftübertragung an den Auflagern übernimmt ein vorgespannter Ringbalken aus Stahlbeton, der die Holzschale am Rand fasst und sich dementsprechend als räumlich verdrehtes Band darstellt. 271 polygonale, unregelmäßige Oberlichter aus dreilagigen, transparenten ETFE-Folienkissen versorgen die große Kuppelhalle mit Tageslicht. Durch die großflächige Perforierung der Dachkonstruktion mit

1 An jedem Auflagerpunkt wirken horizontale Druckkräfte in einer Größenordnung von etwa 500 t. Felsanker und Bohrpfähle mit einem Durchmesser von 70 cm

Die Tragstruktur und die lamellenartige Struktur der Holzfassade bilden ein durchgängiges System mit fließenden Übergängen zwischen den dichten Bereichen konzentrierter Lastableitung und den offenen, transparenten Bereichen mit einer Durchlässigkeit von Innen und Außen.

nehmen die Lasten auf.

Die dicht angeordneten, lamellenartigen Fassadenpfosten setzen den Rhythmus der Tragstruktur fort.

Elefantenhaus, Zoo Zürich / 139

einem Öffnungsanteil von etwa 35 % löst sich das Schalentragwerk in eine netzartige Strahlenstruktur auf, die sich dem Kräfteverlauf, aber auch der gewünschten Lichtsituation entsprechend am Dachrand verdichtet. Statt der üblichen Ausführung in Beton wurde das Schalentragwerk erstmals aus massiven Holzplatten hergestellt. Im Gegensatz zu Beton ist Holz jedoch ein anisotroper Werkstoff, der in seiner Leistungsfähigkeit von der Kraftbeanspruchung längs zur Faserrichtung bestimmt wird. Um dennoch eine gleichmäßige Lastabtragung in alle Richtungen zu gewährleisten, besteht die Holzschale aus drei Lagen, 80 mm starken Brettsperrholzplatten, die der Anordnung der Auflager entsprechend jeweils 60 Grad verdreht zueinander montiert und miteinander vernagelt wurden. Oberseitig auf die Schale geschraubte Holzrippen dienen der Aussteifung. Mittig auf den Brettsperrholzstrahlen angeordnet, verbinden sie die Auflager mitein­ ander und verstärken so die Haupttragrichtungen, entlang der Oberlichter angeordnet verstärken sie die Plattenränder an den Öffnungen. Die Querschnitte der Holzstäbe setzen sich aus dreilagigen, 8 cm starken

Die „Strahlen“ entlang der Haupttragrichtungen der Dachschale geben die Grundstruktur der unregel­mäßigen Oberlichter vor. Durch die großflächige, unregelmäßige Perforierung wirkt das Schalentragwerk wie ein zufällig entstandenes Flechtwerk und weckt Assoziationen an natürlich gewachsene Strukturen.

140 /

Die Montage der einzelnen Nebenrippenlagen erfolgte in den Kreuzungspunkten nach klaren, vorbestimmten Regeln, die deren Unterbrechung und Durchgängigkeit festlegten. 85 cm lange selbstbohrende Schrauben, die in einem 45-Grad-Winkel eingebracht wurden, verbinden die obere Furnierschichtholzplatte mit den Holzrippen und den Brettsperrholzplatten der Holzschale.

Holzbohlen zusammen, die während der Montage der Dachkrümmung entsprechend gebogen wurden. Die Hauptrippen (24 × 32 cm) sind in den Kreuzungspunkten über Zuglaschen aus Stahl miteinander verbunden und mit Mörtel vergossen, und die Nebenrippen (24 × 16 cm) durchdringen sich aufgrund des Wechselspiels von unterbrochenen und durchlaufenden Rippenlagen ebenengleich. Den oberen Abschluss der tragenden­Schale bildet eine 57 mm starke Furnierschichtholzplatte, die über selbstbohrende, schräg angeordnete Schrauben2 mit den unteren Schichten verbunden­ist, so dass eine wabenartige Hohlkastenkonstruktion entsteht, die sich als siebenteiliger, nachgiebiger Verbundquerschnitt mit einer Gesamthöhe von 54 cm darstellt. Da für eine derartige Verbundkonstruktion mit extrem nachgiebigen Nagel- und Schraubverbindungen und offenen Fugen keine statisch relevanten Werte vorlagen, wurden das Tragverhalten der Konstruktion in Versuchsreihen3 überprüft und die ermittelten Werte in das statische FE-Modell übernommen. Auf Grundlage des statischen Modells wurde ein parametrisiertes Geo-

metriemodell entwickelt, das den folgenden Planungsschritten als Referenzzeichnung diente. Anhand der parametrischen Darstellung konnten sowohl die Geometrien der Rippen, des Betonrings sowie des Lehrgerüsts automatisch generiert als auch das verfeinerte statische Modell erstellt werden. Zur Ermittlung der einzelnen Plattengeometrien wurde das dreidimen­ sionale digitale Modell in jeder Plattenlage in 2,90 m bis 3,40 m breite Streifen4 zerlegt, die dann in ebene

2 Die selbstbohrenden SFS-Schrauben mit einem Durchmesser von 13 mm und einer Sonderlänge von 850 mm stellen den Verbund der Konstruktion her. Mit einer hohen Auszugsfestigkeit sind die Schrauben für die Übertragung von Schubkräften geeignet. Gleichzeitig weisen die speziell beschichteten Schrauben einen erhöhten Korrosionsschutz auf. 3 Besonders wichtig war die Überprüfung der Dehnsteifigkeit der auf Druck beanspruchten Schale. An der Materialprüfungsanstalt in Dübendorf wurden sechs Druckversuche, ein Zugversuch, drei Schubversuche und zwei Biegeversuche durchgeführt. Als Ergebnis der Versuche zeigte sich ein ähnliches Verhalten bei einer Beanspruchung auf Druck oder Zug und dass die Konstruktion trotz der großen Nachgiebigkeit der Fugen, aufgrund der mehrfachen Aufdoppelung eine ausreichende Biegesteifigkeit aufweist. Die Biegesteifigkeit entspricht nur etwa 30 % eines vergleichbaren Querschnitts mit starrem Verbund. 4 Die Differenz der Streifenbreiten ergibt sich aus der jeweiligen Dachkrümmung, die aufgrund der Transportmöglichkeiten in der Abwicklung eine maximale Breite von 3,40 m nicht überschreiten darf.

Die transluzenten ETFE-Folien­kissen der Dachausschnitte versorgen den etwa 18 m hohen Kuppelraum gleichmäßig mit Tageslicht.

22 cm lange Nägel verbinden die Holzplatten zu einem Schalentragwerk. Mit Hilfe einer Schablone können der Abstand zwischen den Nägeln und die Anzahl der Stiftverbindungen exakt eingehalten werden – auf einem Quadratmeter wurden 100 Nägel eingebracht. Der Vorteil der vielzähligen kleinen Metallstifte als Verbindungsmittel zeigt sich einerseits in dem duktilen Verhalten und andererseits in der Robustheit der Konstruktion – bei Versagen eines Nagels übernehmen die benachbarten Verbindungen mühelos dessen Aufgabe.

Elefantenhaus, Zoo Zürich / 141

Flächen umgerechnet wurden. Um die zweifach gekrümmten Flächen in eine plane Ebene umrechnen zu können, orientierten sich die Planer am Membranbau und modifizierten dessen Software unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften der Holzplatten.5 Für die maschinentaugliche Aufbereitung der geometrischen Daten, die in dem Statikprogramm nur als Dreiecksmaschen vorlagen, wurden die Schnittflächen der Platten nachträglich in kontinuierlich gekrümmte Splines umgewandelt, so dass sich für jede Platte eine individuelle Zuschnittgeometrie mit geschwungenen Kanten und unregelmäßigen Ausschnitten ergab. Beginnend am Kuppelhochpunkt wurden die Dreischichtholzplatten lagenweise über ein Lehrgerüst aus

5 Da sich zweifach gekrümmte Flächen geometrisch nicht exakt abwickeln lassen, wurden die ermittelten Abwicklungen im parametrischen Modell auf Abweichungen überprüft und die Parameter für die Umrechnung optimiert. Zur Verifizierung der errechneten Plattenzuschnitte und des Biegeverhaltens wurde vorab ein Modell der Dachschale im Maßstab 1 : 20 gebaut. 6 Die Spanten hatten Längen zwischen 2,60 und 3,00 m und lagerten auf 880 Gerüst­pfosten, deren Höhenkoten dem digitalen Modell entnommen und mit

parallel angeordneten Holzspanten (8 × 25 cm), die in einem Achsabstand von 2,57 m quer zu der untersten Plattenlage montiert wurden, gebogen. Der Verlauf und die Fräsungen der Spantenoberkanten,6 die der komplexen Dachgeometrie entsprechen, konnten anhand des parametrischen Modells automatisch generiert werden. Bereits durch das Gewicht sowie den geometrisch exakten Zuschnitt passen sich die bis zu 3,40 m breiten und 15 m langen Platten an die vorgegebene Form an. Um die frei geformte Geometrie eindeutig zu erzeugen und außerdem eine ausreichende Stabilität während der Montage zu gewährleisten, wurde die unterste Plattenlage vollflächig, ohne Öffnungsaussparungen verlegt – nur die oberste Plattenlage erhielt digital vorgefertigte Aussparungen, die den endgültigen Öffnungsgeometrien entsprachen. Für die kraftschlüssige Verbindung der Platten in Längsrichtung wurden die Plattenenden wellenförmig gefräst, mit gekreuzt angeordneten Schrauben bewehrt und mit Mörtel vergossen. In Querrichtung verhindern 20 mm breite, offene Fugen die direkte Kraftübertragung benachbarter Platten und somit einen ungünstigen Kräfteverlauf quer zur Holzfaser.

Tachymetern auf der Baustelle eingemessen wurden.

Aus den abgewickelten Plattenstreifen konnten die Plattengeo­ metrien für den Zuschnitt ermittelt werden.

142 /

Etwa 600 einachsig gekrümmte Brettschichtholzplatten mit Breiten zwischen 3,20 und 3,40 m und Längen zwischen 10 und 15 m wurden von einem digital gesteuerten Roboter individuell zugeschnitten.

Ebenso wie die Teile eines Puzzlespiels sind die Brettschichtholzplatten Unikate und passen nur an eine einzige, bestimmte Stelle des Tragwerks.

Aufgeständerte Holzspanten geben die Dachform vor. Mit Schichtdicken von 35/10/35 mm weisen die dreischichtigen Brettsperrholzplatten eine eindeutige Tragrichtung auf.

Anhand eines Positionsplans konnten die individuell gefertigten Platten eindeutig platziert werden.

Elefantenhaus, Zoo Zürich / 143

6

5 4 3 2 1

6 5 4 3 2 1

Wartungsebene Wartungsebene Dachabdichtung/| ETFE-Kissen ETFE-Kissen Dachabdichtung Dämmebene Dämmebene

Bevor der Besucher entlang des kurvenreichen Weges den Hang hinab durch eine asiatische Wald- und Flusslandschaft in die Welt der Elefanten geführt wird, präsentiert sich ihm die frei geformte Dachschale von oben mit ihren wabenförmigen Holzplatten, die die oberste Schutzschicht der Dachkonstruktion bilden. Trotz der großen Dimensionen wirkt der Neubau nicht als Fremdkörper. Das naturbelassene Material, die Konstruktion, die die wellenförmige Landschaft der Umgebung nachzeichnet, sowie die Farbigkeit, die sich der Umgebung anpasst, sind dafür verantwortlich, dass sich das Elefantenhaus harmonisch in den Grünraum integriert.

Installationsebene Installationsebene ObergurtplatteHohlkasten Hohlkasten Obergurtplatte Dachschale Dachschaleaus aus 33 Lagen 3-Schichtplatten 3-Schichtplatten

Detailschnitt isometrisch: Aufgrund der zusätzlichen PLANUNGSSTAND Installationsschicht, der INDEX ÄNDERUNGEN Ausführungsplanung ElefantenparkZooZüPROJEKT rich abgeschrägte Randträger, Randträger oberer A Anpassung RegelschnittDachaufbau-AxoPLANBEZEICHNUN nometrie Fixierung abgeschrägte Randträger oberer sowieBder aufgeständerten Holzplatten als1:20 obererDATUM Dachabschluss FORMAT MASSSTAB 11.12.12 204_AP_DA_0PLAN-NR. 1.01 INDEX B A3 beträgt der gesamte Dachaufbau mehr als 1,5 m. Die ETFE-Folienkissen erhielten als Schutzschicht gegen Hagelschlag eine zusätzliche transparente Folie.

BAUHERRSCHAFT HTEKT IETSETH CHSIA ARCHITEKTENGMBH ZooZürichAG HITEKTEN Zürichbergstrasse 2218044 Zürich STRASSE 69 I8004 ZÜRICH I38 CH [email protected] 38 440 F+41 44444 41 Wärmedämmung MARKUSSCHIETSCH.COM T+41 848 966 983 F+41 44254 2510

Als oberste, abschließende Schicht lagern 33 mm starke Furnierschichtholzplatten in einem Abstand von 60 cm über der Dachabdichtung auf Punktständern. Durch die wabenförmige Struktur der Platten erinnert die riesige Dachschale an einen Schildkrötenpanzer.

144 /

Doppelturnhalle Borex-Crassier, Schweiz Standort

Doppelturnhalle, Rue de la Tour 55, 1263 Crassier, Schweiz

Bauzeit

2005 – 07; Fertigstellung: 2007

Architektur

Graeme Mann und Patricia Capua Mann, Lausanne

Tragwerksingenieure

AIC Ingenieurs-conseils SA, Lausanne

Werkplanung und Produktion

Zaugg AG, Rohrbach

Vorwiegend eingesetzter Holzwerkstoff

Mischkonstruktion aus Brettschichtholz (BSH) und Konstruktionsvollholz (Fichte)

Simone Jeska

Durch die Topografie des Geländes, die einen geschosshohen Geländesprung aufweist, tritt die Halle nur an der Südseite zum angrenzenden ­Landschaftsraum in ihrer gesamten Höhe von 9 m in Erscheinung.

145

Bei dem Neubau der Doppelturnhalle am Dorfrand von Borex ist die Wiederentdeckung einer in Vergessenheit geratenen Holzkonstruktion verantwortlich für das prägnante Erscheinungsbild, das sich im Innenraum entfaltet. Als Erweiterung einer vorhandenen Sporthalle nimmt der Neubau die bestehenden Gebäudekanten auf und ist über einen zweigeschossigen Baukörper mit dem Bestand verbunden. Die Hallen werden im Norden über den mittigen Verbindungsbau erschlossen, wobei sich der ebenerdige Zugang im Innern des Gebäudes als Galerie zu der neuen Halle öffnet. Die 32 × 28 m große, stützenfreie Halle wird dreiseitig von 5,80 m hohen Gitterfachwerkträgern umschlossen. Während die nahezu raumhohen Fachwerkträger hangseitig auf den Betonwänden zu den angrenzenden Nebenräumen lagern, überspannt der

Träger an der Talseite ein raumbreites, etwa 2,50 m hohes Panoramafenster, das den Blick auf die Landschaft freigibt. Das Holzgitterfachwerk hat seine Ursprünge im Brückenbau des 19. Jahrhunderts. Es wurde von dem amerikanischen Architekten und Ingenieur Ithiel Town, der den Träger 1820 als „Town’s Lattice Truss“ patentieren ließ,1 entwickelt. Die historischen Gitterträger bestanden aus sich diagonal kreuzenden Holzlatten, die von zwei horizontalen Holzstäben gefasst und miteinander verschraubt oder vernagelt wurden. Durch die Verwendung kleiner, gleich dimensionierter Stäbe, die leicht hergestellt werden konnten, sowie die Ausführung mit einfachen Nagelverbindungen statt über aufwändige Zimmermannsverbindungen konnten die Träger unkompliziert von ungelernten Arbeitskräften vor

1 Die günstige und effiziente Bauweise wurde in den folgenden Jahrzehnten an einer Vielzahl gedeckter Brücken in den USA und in Europa angewendet. Noch heute sind zahlreiche Gitterträgerbrücken erhalten. Die Bull’s Bridge in Connecticut, die West Cornwall Bridge in der Nähe von Cornwall, die Eagleville Bridge in Washington County sind historische Beispiele dieser Bauweise.

-1

Ebene –1.

146 /

Der 32 m weit spannende Gitterfachwerkträger scheint über dem breiten Panoramafenster zu schweben.

longitudinal section

Längsschnitt.

Doppelturnhalle / 147 0

10

30m

Ort zusammengefügt werden. Aufgrund des hohen Arbeitsaufwands geriet diese Konstruktionsart jedoch im Laufe des 20. Jahrhunderts in Vergessenheit. Fehlende Erfahrungswerte bezüglich der Herstellung und Tragfähigkeit dieser ungewöhnlichen Holzkonstruktion hatten zur Folge, dass erst bei einer zweiten, schweizweiten Ausschreibung ein Holzbauunternehmen gefunden wurde, das sich an die Aufgabe heranwagte. Im Gegensatz zu ihren historischen Vorbildern bestehen die Gitterträger der Sporthalle aus einem dreilagigen Holzstabwerk; dem Kräfteverlauf entsprechend kamen für die Holzstäbe unterschiedliche Holzarten mit Festigkeitsklassen zwischen GL 24 und GL 36 sowie mit unterschiedlichen Querschnitten zur Anwendung.

1.20

Isometrie Tragwerk.

Dachaufbau roof construction extensive roof 80 mm extensive green Begrünung 8cm granularbituminös soil Abdichtung, bituminous sealing layer Wärmedämmung 160 mm 16cm rigid foam insulation polythene PE-Folie vapour barrier 6.5cm stiffened Trägerplatte zurfloor Aussteifung 65 mm Brettschichtholzträger laminated timber beam 120 x 22 cm section x 22cm Lattung120 40 mm 4cm camber Decke aus Holz abgehängte

12

12 0 4

5.80

3.40

suspended wooden ceiling

12

17 décalage

04

12

2

Fassade façade constructionsatiniert 42 mm Dreifachverglasung, 42mm triple glass made up of: Fassadenpfosten, 2 x 8mm outer layerStahl 80 x 120 mm mat satinato Gitterfachwerkträger: 16mm air Stäbe space 100 x 200 mm vertikale 1 x 10mm inner layer Diagonalstäbe: 120 x 120 m/ 40 x 120 mm 8 x 12cm steel support RHS laminated beam:120 x 1200 mm Ober- undtimber Untergurt: 4 12 20 10 x 20cm vertical beam 12 x 12cm & 4 x 12cm diagonal beam 12 x 120cm higher and lower beams in the central layer

24

10

24

1.20

18

élévation a

élévation b

bois diagonal 12/4 cm

bois diagonal 12/12 cm bois vertical 10/20 cm

Bodenaufbau élévation Sportboden Typ „Lausanne“ floor construction Zementestrich 85 mm sporting floor type "Lausanne" Fußbodenheizung 8.5cm cement screed with underfloor heating100 mm Wärmedämmung separation layer in PVC 30 cm Stahlbetonbodenplatte 10cm thermal insulation Magerbeton 100 mm 30cm reinforced concrete 10cm lean concrete

20/20

24

a

10

24

10

24

34

plan

Vertikalschnitt.

148 /

0

1

Horizontalschnitt Tragwerk.

2m

34

34

34

élévation b

Zwischen den 12 cm breiten Ober- und Untergurten, die als Brettschichtholzträger ausgeführt sind und eine Höhe von 1,20 m aufweisen, wurden Diagonalstreben mit einem Querschnitt von 120 × 120 mm in einem Achsabstand von 240 mm ebenengleich angeordnet. Konstruktionsvollholzstäbe aus Fichte mit einem Querschnitt von 120 × 40 mm, die quer zu den mittigen Druckstäben diagonal über die gesamte Trägerhöhe angeordnet sind, wirken als Zugbänder. Ebenfalls in einem Achsabstand von 240 mm wurden die Bänder außenseitig über Nagelverbindungen zugfest an die Gurte angeschlossen und über selbstbohrende Schrauben mit den Druckstäben verbunden. Als zusätzliche dritte Lage spannen Vertikalstäbe aus Brettschichtholz

Die ausschließlich auf Druck belasteten Diagonalstäbe schließen über einen doppelten Versatz an die Horizontal­balken der Ober- und Untergurte an und sind zusätzlich über Schlitzbleche und zweischnittige Stabdübelverbindungen gesichert.

raumseitig von der Ober- zur Unterkante der Gurte. In einem Achsabstand von 340 mm über selbstbohrende Schrauben mit dem Gitterwerk verbunden, nehmen die 100 × 200 mm starken Stäbe Druckkräfte auf. Ursprünglich sollten die Träger wie ihre historischen Vorbilder vor Ort gefertigt werden. Um die geforderte Präzision der knapp 200 m2 großen Träger zu gewährleisten, wurde das Gitterwerk jedoch auf dem Werksgelände zusammengefügt, mit einem Schwer­ transporter auf die 200 km entfernte Baustelle transportiert und in nur zwei Wochen mithilfe zweier Mobilkräne montiert. Der 32 m lange Gitterträger wird mit knapp 8 t pro Laufmeter belastet und darf sich wegen der anschlie-

Schlitzbleche verstärken den Eckanschluss der Gitterfachwerkträger. Mit einer Breite und Höhe von 1,50 m sind sie in den Ober- und Untergurt der Träger eingebracht.

Doppelturnhalle / 149

ßenden Glasfassaden nur minimal verformen. Träger und Dach sind deshalb biegesteif miteinander verbunden. Das Dachtragwerk wird von Brettschichtholzträgern mit einem Querschnitt von 120 × 22 cm gebildet, die den Raum in einem Abstand von etwa 2 m überspannen. Die Deckenbalken sind mit den Obergurten der Fachwerkträger biegesteif verbunden und werden über eine 65 mm starke Mehrschichtholzplatte ausgesteift. Während im Innenraum die Holzoberflächen der Träger und Wandbekleidungen die Atmosphäre bestimmen, prägt eine Hülle aus geätztem Glas das Außenbild des Neubaus. Vertikale, 6 m hohe Glasbänder bilden eine ebenmäßige, glatte Oberfläche und kon­ trastieren so die Körperhaftigkeit der Holzkonstruktion. Als 42 mm starke Dreischeibenverglasung ausge-

führt, ist die Fassade in einem Abstand von etwa 1 m vor die Holzträger gehängt. Die 1,40 m tiefen Außenwände aus Holzträger und vorgelagerter Glasschicht ermöglichen eine dreiseitige, fast raumhohe Belichtung der Sporthalle. Das Tageslicht, das von den geätzten Glasscheiben gebrochen wird, dringt als diffuses Licht durch die kleinen Öffnungen des Gitterträgers in den Raum und unterstützt das gleichmäßige, ungerichtete Erscheinungsbild des Trägers, das durch die Vielzahl sich kreuzender Stäbe entsteht. Von außen zeichnet sich die Holzstruktur je nach Tageszeit und Lichtsituation als diffuse oder klare Kontur an der Fassade ab. Durch die Überlagerung und Verschmelzung der Strukturen ist der Gitterwerkträger mehr als nur eine tragende Struktur – er ist diaphane Außenwand und dekoratives Ornament zugleich.

In dem begehbaren Raum zwischen Holztragwerk und Fassade befinden sich automatisch gesteuerte Lüftungsklappen, die für eine natürliche Querlüftung der Sporthalle sorgen.

150 /

Drei Holzachterbahnen Colossos Standort Heide Park 1, 29614 Soltau, Deutschland Bauzeit 9 Monate; Fertigstellung: 2001 Entwurf und Tragwerksplanung

Dipl.-Ing. Werner Stengel, Ing.-Büro Stengel, München

Werkplanung und Produktion

Ing.-Holzbau Cordes, Rotenburg (Wümme)

Produktion der Holzschienen

Merk Holzbau, Aichach

Balder Standort Liseberg Park, Örgrytevägen 5, 40222 Göteborg, Schweden Bauzeit

9 Monate; Fertigstellung: 2003

Entwurf und Tragwerksplanung

Dipl.-Ing. Werner Stengel, Ing.-Büro Stengel, München

Werkplanung und Produktion

Ing.-Holzbau Cordes, Rotenburg (Wümme)

Produktion der Holzschienen

Merk Holzbau, Aichach

Mammut Standort Erlebnispark Tripsdrill, Treffentrill 1, 74389 Cleebronn, Deutschland Fertigstellung 2008 Entwurf und Tragwerksplanung

Dipl.-Ing. Werner Stengel, Ing.-Büro Stengel, München

Werkplanung und Produktion

Ing.-Holzbau Cordes, Rotenburg (Wümme)

Produktion der Holzschienen

Ing.-Holzbau Cordes, Rotenburg (Wümme)

Vorwiegend eingesetzter Holzwerkstoff

Gerüst: Vollholz (Kiefer, kerngetrennt); Schiene: Vollholzbohlen (Kiefer, lagenweise verlegt und verleimt) oder Furnierschichtholz

Simone Jeska

Mammut im Erlebnispark Tripsdrill. Die Holzachterbahn fügt sich trotz ihrer Größe in die Landschaft ein.

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Mit der Wiederentdeckung der Vergnügungsparks als Freizeit- und Familienerlebnis seit den 1970er Jahren erleben auch die stationären Holzachterbahnen eine Renaissance.1 Der Wechsel von Berg- und Talfahrten sowie von kurvigen, geneigten und geraden Streckenverläufen entspricht einer emotionalen Spannungschoreografie, die durch den Schienenverlauf vorbestimmt wird. Obwohl sich die Streckenverläufe den örtlichen Gegebenheiten und Choreografien entsprechend individuell gestalten, folgen die Traggerüste der Achterbahnen grundsätzlich den gleichen Konstruktionsprinzipien: Das Primärtragwerk wird von etwa 3 m breiten Fachwerkstützen aus Konstruktionsvollholz mit Querschnitten von 6 × 14 cm bis 10 × 20 cm gebildet, die entlang des Grundrisslayouts errichtet werden.

1 Ende des 19. Jahrhunderts wurde die ursprünglich aus Russland stammende Holzrutschbahn in Amerika weiterentwickelt und mit einem achtförmigen Streckenverlauf in Serie hergestellt. Mitte des 20. Jahrhunderts lösten transportable Stahlkonstruktionen, die von den „fahrenden“ Schaustellern auf den Festplätzen auf- und abgebaut wurden, die Holzkonstruktionen ab. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts wurden weltweit etwa 4.000 Holzachterbahnen gebaut. Derzeit entstehen weltweit jährlich etwa fünf Anlagen. 2 Aufgrund der Windlasten und der dynamischen Beanspruchungen müssen die Stöße sowohl Druck- als auch Zugkräfte aufnehmen können. Die Druckkräfte werden über Kontaktpressung, die Zugkräfte werden über die Laschenverbindung übertragen. 3 Bei Colossos in Soltau wurden ca. 55.550 Geka-Dübel eingesetzt, die überwie­ gend zweiseitig mit Elektropressen vorgepresst und anschließend per Hand oder mit Elektroschrauber angezogen wurden.

Grundriss und Systemskizze Tragwerk. Colossos in Soltau, Deutschland.

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Die unterschiedlichen Höhen der Stützen von bis zu 60 m entsprechen dem Verlauf der Berg- und Talfahrten. Die Längsverbindungen der vertikalen Fachwerkstäbe, die sich aus bis zu 11,60 m langen, stumpf gestoßenen Kanthölzern zusammensetzen, werden über zwei etwa 1 m lange Holzlaschen und vier Bolzen hergestellt.2 Die diagonalen und horizontalen Fachwerkstäbe sind als Zangenkonstruktion ausgeführt und über Bolzenverbindungen und hochtragfähige, verformungsarme Geka-Dübel3 zug- und druckfest an die vertikalen Kanthölzer angeschlossen. Als Längsaussteifungen verbinden horizontale, aufgenagelte Holzlatten (6 × 10 cm, 4,5 × 10 cm, 8 × 10 cm) die Fachwerkträger miteinander. Diagonale Auskreuzungen mit Querschnitten von 10 × 14 cm, die ein rautenförmiges Netz quer über das gesamte Traggerüst

Die Fachwerkstützen werden in Abständen von 1,60 bis 3,20 m errichtet.

Horizontale Holzstäbe, die als Zangenkonstruktion ausgebildet sind, verbinden die schrägen Abstrebungen mit den Fachwerkstützen und dienen so der Aussteifung und Knicklängenreduzierung.

Die Abstrebungen sind über aufgenagelte Holzlatten miteinander verbunden.

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spannen, wirken dem Knicken der Stützen entgegen. Sie leiten die Horizontalkräfte der Windlasten und der dynamischen Lasten aus dem Fahrbetrieb in die Einzelfundamente ab. In Bereichen größerer Fliehkraftoder Windbeanspruchungen werden die Fachwerkstützen auf unterschiedlichen Höhen in Abständen von etwa 7,50 m ein- oder beidseitig über zug- und druckfeste Stäbe abgestrebt, die wiederum über horizontale und dem Kraftfluss entsprechend geneigte Holzstäbe miteinander verbunden sind. Auf den Stützenköpfen werden die Schienenschwellen, die sogenannten „ledger“, angebracht. Als Auflagerbalken für die meist zweifach geneigten Schienen sind die Schwellen den Schienenneigungen entsprechend in Winkelschrägen angeordnet und an den Auflagerflächen abgeschrägt. Die parallel angeordneten Schienen, die schließlich auf den Schwellen montiert werden, bestehen aus teilweise doppelt gekrümmten Holzträgern und einer Stahlblechabdeckung;4 die zweifache Krümmung er-

gibt sich aus dem gekurvten und gleichzeitig geneigten Schienenverlauf. Das auf geraden Strecken noch relativ übersichtliche Traggerüst wird durch den mehrfach gekurvten, teilweise sich überlagernden und mehrgeschossigen Streckenverlauf zu einer räumlich komplexen Tragstruktur, die sich aus einer Vielzahl individuell geformter Einzelstäbe zusammensetzt. Die daraus resultierenden umfangreichen Arbeitsschritte der Planung, Fertigung und Montage sind dabei nicht nur eine logistische Herausforderung. Mit der Einführung und Verknüpfung digitaler Entwurfs-, Berechnungs- und Fertigungsprozesse Ende der 1990er Jahre wurden die Arbeitsvorgänge bei der Fertigung und Montage der Holzgiganten vereinfacht und die Bauzeit extrem reduziert. Mittlerweile kann das gesamte Traggerüst anhand des Grundrisslayouts und der statischen Systemskizzen der einzelnen Fachwerkstützen am Computer dreidimensional dargestellt werden, so dass die Einzelstückzeichnungen der Bau-

Bei Colossos in Soltau wurden die Schienen aus Furnierschichtholz vorgefertigt.

Die teilweise doppelt geneigten und gekrümmten Schienen sind über Stahlschuhe mit den Schwellen verbunden.

teile mit sämtlichen Bohrungen und Aussparungen automatisch erstellt, in fertigungstechnische Daten umgewandelt und die Einzelteile von der fünfachsigen CNC-gesteuerten Abbundanlage gefertigt und gekennzeichnet werden können.5 Die Hürden und Möglichkeiten der digitalen Fertigung lassen sich an den drei Holzachterbahnen, die in einem Zeitraum von sieben Jahren gebaut wurden, aufzeigen. Bei der Holzachterbahn in Soltau konnte aufgrund der vorhandenen, exakten digitalen Daten die Schiene erstmals vorgefertigt und zeitgleich mit dem Traggerüst montiert werden.6 Die teilweise doppelt gekrümmten Schienenträger aus Furnierschichtholz7 mit einem Querschnitt von 20 × 40 cm wurden in 6 m langen Abschnitten an fünfachsigen CNC-Fräsen aus größeren Rohlingen herausgefräst und über feuerverzinkte Stahlschuhe (t = 12 mm) mit zwei bis fünf Bolzen – in Abhängigkeit der Schienenneigung – an den Schwellen befestigt.

4 In Teilbereichen der Strecke, in denen die Holzschienen durch Führungsräder der Fahrzeuge belastet werden, wird die Schiene durch Metallbleche verstärkt. Außerdem sind die Schienen teilweise an den Innenseiten mit einer Nase versehen, um das Abheben der Fahrzeuge zu verhindern. 5 Traditionell wurden die Bauteile vor Ort geometrisch angepasst und gebohrt, was mit einem enormen Montageaufwand verbunden war. 6 Der auf Achterbahnkonstruktionen spezialisierte Ingenieur Werner Stengel meldete 1999 für die Schienenkonstruktion aus vorgefertigten, verleimten Holzträgern, die in Abschnitten als fertige Schienen montiert werden, ein Patent an. Durch die zeitgleiche Montage mit dem Traggerüst können so die Bauzeiten extrem verkürzt werden. Außerdem erlauben die präzise digitale Planung und Fertigung die Anpassung des Schienenverlaufs an die „Herzlinie“. Anhand der „Herzlinie“ werden die Schienen in den Kurven in Gegenrichtung ausgelenkt, um unerwünschte Querbeschleunigungen der Wagen während der Fahrt zu vermeiden. Bisher wurden die Schienenträger, die sich aus mehrlagigen, vernagelten Holzbrettern zusammensetzten, erst nach Fertigstellung des gesamten Traggerüsts vor Ort montiert, indem die unterste Brettlage manuell auf den Schwellen ausgerichtet (gebogen) und die weiteren Lagen mit dieser über Nägel verbunden wurden. Die Stahlabdeckung wurde nachträglich angepasst. 7 Im Vergleich zu Schienen aus Vollholzbohlen haben die Furnierschichtholzträger eine höhere Tragfähigkeit, Witterungsbeständigkeit (aufgrund der Mikrorisse in den Schälfurnieren sind die Träger komplett durchimprägniert), Formstabilität und Lebensdauer. Die Furnierschichtholzträger wurden von der Fa. Merk Holzbau in Aichach gefertigt.

Bei den unübersichtlichen Traggerüsten der Achterbahnen kreuzen und durchdringen sich bis zu 90.000 Holzstäbe, die zu einem großen Teil individuelle Geometrien mit windschiefen Aussparungen und schrägen Bohrungen aufweisen.

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Während bei der Planung und Fertigung der Holzachterbahn in Soltau8 noch sämtliche Bohrungen und Ausklinkungen sowie die Geometrien der gekrümmten Bauteile des Sekundärtragwerks aufgrund fehlender Softwareschnittstellen manuell in die Maschinensteuerung 9 der CNC-Abbundanlage eingegeben und das Primär- und Sekundärtragwerk zur Bewältigung der Datenmengen getrennt voneinander und zusätzlich abschnittsweise konstruiert werden mussten,10 konnte die gesamte Holzkonstruktion für die Achterbahn in Göteborg einschließlich der Sekundärkonstruktion mit den Aussteifungen, Treppen und Wegen entlang der Schiene sowie der Geländer digital geplant werden.11 Nur die windschiefen, unregelmäßigen Blätter und Kerven, die sich durch Überschneidungen und Durch-

8 Colossos in Soltau war damals die größte Holzachterbahn der Welt. Die 1.344 m lange Strecke erreicht eine Höhe von 51,40 m und hat an der steilsten Stelle eine Neigung von 61 Grad. Die Wagen fahren mit einer Geschwindigkeit von bis zu 110 km/h. 9 Da die Überprüfung der Geometriedaten am Rechner der Abbundanlage aufgrund unvollständiger grafischer Darstellung der Bauteile noch nicht möglich war, mussten die Bauteile vereinzelt noch vor Ort nachgearbeitet werden. 10 Die Tragwerksplaner lieferten für die Primärkonstruktion der Achterbahn in Soltau 3.000 Zeichnungen für die Darstellung der Systemskizzen und der Bauteilgeometrien der Einzelstäbe. Außerdem konnte die aussteifende Wirkung der Schienen auf das Gesamtsystem nicht berücksichtigt werden, da das Bemessungsprogramm die große Anzahl an Einzelstäben im Gesamttragwerk – 90.000 Stäbe mussten bemessen werden – nicht bewältigen konnte. Für die lastverteilende Wirkung der Schienen, die in den Bahnabschnitten mit großen Fliehkräften wesentlich ist, wurde die Bahn abschnittsweise modelliert und berechnet. 11 Trotz „Verschlankung“ der Dateien (ohne Achsen, Hilfskörper, Attribute) hatte die 3D-Zeichnung der Gesamtkonstruktion, die sich aus 34.000 Einzelstäben zusammensetzte, eine Größe von 72 MB und überstieg damit die Leistungsgrenzen der damaligen Arbeitsspeicher. Für das Zusammenfügen der acht Planungsdateien sowie für die Integration der facettierten Schienengeometrie in die 3D-Zeichnung mussten Softwarespezialisten hinzugezogen werden. 12 Das Besondere an der Holzachterbahn „Balder“ in Göteborg ist der spektakuläre Streckenverlauf auf teilweise drei übereinander angeordneten Ebenen, was den engen Platzverhältnissen geschuldet ist. Dadurch entstanden zusätzliche Überschneidungen und Durchdringungen des ohnehin komplexen und unübersichtlichen Tragwerks. Die einseitige Anordnung der schrägen Abstrebungen – ebenfalls aufgrund des Platzmangels – führte zu einer aufwändigen Gründung. 13 Das Patent „Verfahren zum Verlegen einer Holzschiene für ein Fahrgeschäft, insbesondere für eine Achterbahn, und Holzschiene zu diesem Zweck“ wurde im November 2007 von der Fa. Holzbau Cordes angemeldet. 14 Die Leimverbindung wurde bei der Bemessung der Schienenträger nicht berücksichtigt. 15 Die Konturschablonen wurden für die parallel angeordneten Schwellen getrennt konstruiert, da sich insbesondere in quer geneigten Bereichen des Strecken­ verlaufs unterschiedliche Geometrien ergeben.

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dringungen der Sekundärkonstruktion ergaben, 12 mussten manuell an der Maschinensteuerung nachgearbeitet werden. Bei dem Bau der Achterbahn im Freizeitpark Tripsdrill bei Cleebronn konnte dank der Weiterentwicklung der Software erstmals die aussteifende Wirkung der Schiene in den statischen Berechnungen berücksichtigt werden. Außerdem führten die unproblematische digitale Kontinuität von der Planung bis zur Fertigung sowie der Einsatz neuer Verbindungstechnologien zu einer­Neuentwicklung der Schienenkonstruktion.13 Die Schiene wurde – ganz traditionell – aus achtlagigen, 5 cm dicken Kiefernholzbohlen, die über Rillennägel und Polyurethan-Leim miteinander verbunden wurden,14 vor Ort gefertigt. Doch im Gegensatz zu der traditionellen Bauweise, deren manuelle Ausrichtung Unregelmäßigkeiten und Unstetigkeiten im Streckenverlauf verursachte, konnten die Position und Ausrichtung der Holzbohlen mittels zusätzlicher, digital berechneter und gefertigter Hilfskonstruktionen sehr präzise bestimmt werden. Konturschablonen spannen als Auflagerfläche für zusätzliche Hilfsschwellen zwischen den Fachwerkstützen.15 Statt der bisherigen Stahlschuhe stellen nun selbstbohrende SFS-Doppelgewindeschrauben den Verbund der Schiene zu den Schwellen her. Durch die Digitalisierung der Arbeitsprozesse entfällt das nachträgliche Bearbeiten der Holzstäbe auf der Baustelle, und die Bauteile müssen vor Ort nur noch zusammengefügt werden. Dabei sind die eindeutige Kennzeichnung für die Zuordnung jedes einzelnen Bauteils im Gesamtgefüge sowie ein übersichtlicher Montageplan von wesentlicher Bedeutung. Da die Montage sukzessiv von unten nach oben erfolgt und das Traggerüst an jeder Stelle erklommen werden kann, werden für den Aufbau nur Einhängevorrichtungen für die Schutzgurte und Kräne für die Positionierung der Bauteile benötigt. Die 90.000 Holzbauteile der Achterbahn Colossos wurden in einer siebenmonatigen Montagezeit millimetergenau zusammengefügt, so dass sich bei einer Gesamthöhe von etwa 52 m Höhenabweichungen von maximal 5 mm ergaben. Diese geringen zulässigen Maßabweichungen sind hauptsächlich der Integration der Schienen in das Primärtragwerk geschuldet. Mindestens ebenso komplex wie die Fertigung und Montage der Achterbahnen ist die statische Berechnung des Tragwerks. Zu den üblichen Eigen-, Windund Schneelasten müssen die dynamischen, kurzzeitig einwirkenden Lasten aus den fahrenden Wagenschlitten, die besonders in den Kurven zusätzliche Horizon-

  Digital erstelltes 3D-Modell der Holzachterbahn in Göteborg, Schweden. Drei Holzachterbahnen / 157

tallasten verursachen, bei der Dimensionierung der Stäbe und Verbindungen berücksichtigt werden. Bereits die Windlasten verursachen eine theoretische horizontale Verschiebung von etwa 10 cm quer zur Fahrbahn.16 Die unterschiedlichen Beanspruchungen des Tragwerks durch die dynamischen Lasten und die Windlasten spiegeln sich in der Vielzahl unterschied­ licher Verbindungen – bei der Achterbahn in Soltau kamen 43 unterschiedliche Knotenverbindungen zur Ausführung – sowie der Ausführung der Einzelfundamente, die für jede Stütze und Abstrebung den spezifischen Beanspruchungen entsprechend statisch dimensioniert werden, wider. Wesentliche Aspekte dauerhaft bewitterter Holzkonstruktionen sind der Holz- und Korrosionsschutz sowie die Verformungen infolge von Quellen und Schwinden. Die kleinen Holzquerschnitte, die zu einem hohen Montageaufwand führen, sind für das Verformungsverhalten als Folge von Quellen und Schwinden von Vorteil. Trotz der enormen Dimensionen der Traggerüste wird die Konstruktion bei Feuchtigkeitseinwirkungen lediglich elastischer. Durch die Verwendung

von kesseldruckimprägniertem, kerngetrenntem Kiefernholz17 der Sortierklassen S 10 und S 1318 wird die Rissbildung minimiert und das Eindringen von Feuchtigkeit verhindert. Da der mehrlagige Schienenträger hohe Anforderungen an die Formstabilität erfüllen muss, ist er komplett durchimprägniert und zusätzlich mit einem chemischen Holzschutz versehen. Als Korrosionsschutz werden sämtliche Stahlverbindungsmittel (Bolzen, Dübel, Nägel, Schrauben etc.) feuerverzinkt und als Sonderanfertigung produziert; die Bolzen werden aufgrund der erforderlichen Zinkschichtdicken mit Untermaß hergestellt. Trotz dauerhafter Bewitterung erreichen die Achterbahnen aus Holz eine Nutzungsdauer von weit mehr als 50 Jahren – einige Holzachterbahnen in Europa sind seit knapp 100 Jahren in Betrieb.19 Vergleicht man die historischen Traggerüste mit den heutigen Holzachterbahnen, so wird der Einfluss der digitalen Planung und Fertigung deutlich: Aus den ehemaligen Holzrutschbergen sind gigantische Raum­ skulpturen mit spektakulären Streckenführungen geworden.20

16 Die tatsächliche Verschiebung ist jedoch wesentlich geringer, da in der Berechnung die aussteifende Wirkung der Schienen nicht berücksichtigt wurde – in den Kurven wirken die Schienen als gekrümmtes Zugband mit relativ großer aussteifender Wirkung. 17 Bei kerngetrenntem Holz werden die Stämme mittig durchtrennt, um die Spannungen, die vom Holzkern ausgehen, zu vermeiden und damit die Rissbildung zu mindern. Das Holz wurde mit Übermaß geschnitten, auf Tränkfeuchte getrocknet, gehobelt und erst nach dem Abbund kesseldruckimprägniert. 18 Die Sortierklassen S 7 bis S 13 bezeichnen die Holzgüte und Festigkeit von Schnittholz. Durch die Verwendung von Vollholz der Sortierklasse S 13 und S 10 wird die Stammware nur zu 25 – 30 % ausgenutzt, da für die Herstellung des kernfreien Holzes (S13) die Markröhre aus dem Stamm herausgeschnitten wird. Querschnitte der Sortierklasse S 13 sowie Bauteile großer Längen machten den Einschnitt von bis zu 140 Jahre alten Stämmen erforderlich. 19 Zur Wartung und Überwachung der Konstruktionen, bei denen vor allem der Sitz der Bolzen überprüft wird, finden regelmäßig Kontrollgänge statt. Eine durchgehende Bodenplatte unter der gesamten Bahn erleichtert das Auffinden herausgefallener Bolzen. 20 Die Fahrerlebnisse werden heute anhand der „Airtime“, des Schwebezustands der Passagiere, miteinander verglichen.

Die Fahrt aus 60 m Höhe mit Geschwindigkeiten von bis zu 100 km/h wird als freier Fall empfunden. In den zahlreichen Kurven und Achterschleifen auf teilweise drei Geschossen wirken auf die Passagiere Kräfte bis zum Vierfachen des eigenen Körpergewichts.

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Toskana-Therme Bad Orb, Deutschland Standort

Horststraße 1, 63619 Bad Orb, Deutschland

Bauzeit

2008 – 10; Fertigstellung: Mai 2010

Architektur

Ollertz Architekten, Fulda

Tragwerksingenieur

Trabert + Partner, Geisa

Werkplanung und Produktion

HESS-Timber, Kleinheubach

Vorwiegend eingesetzter Holzwerkstoff

BSH (Brettschichtholz) in Kombination mit Holzlatten aus Fichte

Simone Jeska

Der Neubau ersetzt als zeitgemäße Badelandschaft mit Therapie- und Gesundheitsbereichen das alte Thermalbad aus den 1960er Jahren.

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Zwischen Kurhotel und Gradierwerk gelegen, grenzt die neue Therme in Bad Orb im Westen an den Kurpark und fügt sich mit dem wellenförmigen Dach in die Hügellandschaft des Spessarts ein. Entsprechend der frei gestalteten, terrassierten Anordnung der Badelandschaft überspannt das Dach, das als Holzrippenschale ausgebildet ist, eine amorphe Grundfläche von 2.200 m2 mit einer Länge von 65 m und einer Breite von 42 m. Außerdem zeichnet das Dach in den Längs- und Querschnitten Wellenformen mit unterschiedlichen Amplituden und Wellenlängen nach, so dass sich für die Dachform eine frei geformte Geometrie ergibt. Ausgangsform der doppelt gekrümmten Dachgeometrie war ein an acht Fixpunkten hängendes Seilnetz, das am Computer simuliert wurde. Dementsprechend

folgen die Wölbungen der Wellenform der sogenannten Kettenlinie, die sich bei hängenden Seilnetzen einstellt. Die geometrischen Abweichungen in Form von Aufwölbungen an den Dachrändern entstanden durch die simulierte Vorspannung der Seile. An dem entsprechenden Schalenmodell wurden weitere Formoptimierungen, die das schubfeste Verhalten der Schalenkonstruktion berücksichtigen, vorgenommen. Mit einem rautenförmigen Maschennetz überlagert, das den Achsen der Holzrippen entspricht, entstehen in dem Schalentragwerk normalkraftbeanspruchte Druckstäbe, die auf geodätischen Linien angeordnet sind. Durch die Überlagerung der frei geformten Dachgeometrie und des regelmäßigen Netzes mit Maschenweiten von 1,80 m ergeben sich für die einzelnen Brett-

Die Grundrissfläche der Dachschale setzt sich aus Kreissegmenten mit unterschiedlichen Radien zusammen.

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schichtholzrippen (GL 24h), die jeweils zwei Felder überspannen, unterschiedliche Längen von 0,19 m bis 3,80 m. Ebenso wie die Längen variieren auch die Rippenquerschnitte. Während die Brettschichtholzrippen oberseitig geometrisch der frei geformten Dachfläche entsprechen und dementsprechend verwundene Ebenen aufweisen, folgen die Unterseiten der Stäbe zwölf vorab festgelegten Radien zwischen 5 und 250 m. Zusätzlich sind die Rippen mit einem längs verlaufenden Falz (30 × 50 mm) versehen, der beidseitig der Rippen­ oberkanten dem Anschluss der abgehängten Schallschutzelemente dient. Aus den unterschiedlichen Radien, Längen und Oberflächengeometrien ergeben sich für die 682 Holzrippen sehr komplexe, individuelle Geometrien.

Das geschwungene Dach formt Wellentäler, die an den Dachrändern fast den Boden berühren, und Wellenberge, die über dem Innenraum und an den Dachrändern Höhen von bis zu 10 m erreichen.

Dreidimensionale Darstellung des Tragwerks.

In einer an die Zollinger-Bauweise angelehnten Konstruktion setzt sich die Schale ausschließlich aus kurzen Stäben zusammen, die jeweils zwei Felder des Gitternetzes überspannen.

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An den wellenförmigen Rändern wird das Rippennetz von einem umlaufenden blockverleimten Brettschichtholzträger (GL 28h) mit einem Querschnitt von 240 × 800 mm gefasst. Der 170 m lange, doppelt gekrümmte Träger setzt sich aus acht Trägersegmenten zusammen, die wiederum aus 25 Teilstücken bestehen. Das Dach lagert an den Tiefpunkten des wellenförmigen Randträgers auf acht Stahlbetonauflagern, die im Osten, an der Kurparkseite, eine Höhe von nur 2 m aufweisen und im Westen auf dem angrenzenden, eingeschossigen Gebäudeteil platziert sind.

Der Randträger leitet die Lasten der Schale ausschließlich über Druckkontakt in die Widerlagerkons­ truktion. Zu diesem Zweck wurden die 2 × 0,8 × 2 m großen Betonauflager mit einer oberseitigen Aussparung versehen, die der zweifach gekrümmten Auflagergeometrie der Träger entspricht. Die Aussparungsgeome­ trien im Beton wurden digital ermittelt und die Schalungen an der CNC-Abbundanlage gefertigt. Neben der statischen Berechnung sind die Aufbereitung der Daten und die Bauteilbeschreibungen der einzelnen Rippen, die für den Abbund benötigt werden,

Für die Herstellung der doppelt gekrümmten Randträgerrohlinge wurde das Pressbett eigens digital entwickelt und mittels CNCFräsen hergestellt.

Schlanke Stahlstützen, die in regelmäßigen Abständen im Innenraum entlang der Fassade angeordnet sind, verhindern unerwünschte Verformungen sowie das Ausbeulen der Dachränder im Anschlussbereich der Glasfassade. Die Betonauflager sind ausschließlich auf Druck belastet.

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bei doppelt gekrümmten Freiformflächen eine besondere Herausforderung, die nur durch eine digitale Kontinuität bewältigt werden kann. Um die individuellen Bauteile bei der Montage eindeutig zuordnen zu können, müssen bei dem Datentransfer nicht nur Geome­ triedaten, sondern auch zusätzliche Attribute wie die der Bauteilname und die Positionsnummer übertragen werden. Grundlage für die Fertigung war ein dreidimensionales CAD-Modell, anhand dessen die Einzelstückzeichnungen mit den Bohrungen und Aussparungen sowie die Produktionsdaten erstellt wurden. Um die Herstellungskosten zu minimieren, wurden die Brettschichtholzrippen für das Gitternetz vorab zwölf Rohlingsgeometriegruppen mit unterschied­­ lichen Radien zugeordnet. Die gekrümmten Rohlinge mit einem Querschnitt von 160 × 240 mm wurden an einer sechsachsigen CNC-Abbundanlage fünfseitig bearbeitet und nummeriert. Für die Herstellung der Randträger wurden doppelt gekrümmte, blockverleimte Rohlinge verwendet. Zu diesem Zweck wurden einfach gekrümmte, 40 mm starke Trägerlamellen aus Fichtenvierkanthölzern (30 × 40 mm) hergestellt, die im Pressbett achtlagig mit

Anhand der Nummerierung kann die Position der Holzrippen im Gesamtsystem eindeutig identifiziert werden.

Die gekrümmten Brettschichtholzrippen weisen ober- und unterseitig unterschiedliche Krümmungsradien auf.

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der entsprechenden Krümmung in der zweiten Ebene mit Resorcinharz zu einem übermaßigen Rohling von 24 × 100 cm verleimt wurden. Aufgrund der exakt gefertigten Rohlingsgeome­ trien mussten die zweifach gekrümmten Rohlinge der Randträger nur noch vierseitig, an den Schmalseiten, bearbeitet und mit den entsprechenden Aussparungen, Fälzen­, Schlitzen und Bohrungen für die Längsverbindungen sowie für die Anschlüsse der Rippen und Schallschutzdecke versehen werden. Etwa 40 mm tiefe, individuell geformte Aussparungen dienen dem Anschluss der Rippen an den Randträger. In Abhängigkeit von dem Anschlusswinkel wurden die Rippen entweder über Schraubverbindungen (8 × 200 mm) mit einem Einschraubwinkel von 45 Grad sowie einem oberseitigen Nagelblech gesichert oder ge-

Zwei kreuzweise verlegte Schichten aus Nadelholzbrettern bilden im Verbund mit dem Gitternetz als formgebende, dritte Schicht das Schalentragwerk.

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schiftet und mittels Vollgewindeschrauben mit dem Randträger verbunden. Eine Besonderheit der Konstruktion sind die Knotenpunkte der Rippen, die an traditionelle, handwerkliche Holzverbindungen anknüpfen. Die gekrümmten Holzstäbe werden lediglich über einseitig eingeleimte Buchenholzdübel mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Länge von etwa 14 cm verbunden und über aufgenagelte Stahllaschen gesichert. Auf diese Weise konnte der Einsatz von korrosionsgefährdeten Stahlverbindungsmitteln auf ein Minimum reduziert werden, was aufgrund der salz- und chlorhaltigen Luft in der Therme eine wesentliche Voraussetzung ist. Die Realisierung dieser einfachen Holzverbindung ist zum einen der effektiven und exakten CNC-Fertigung zu verdanken, die das millimeterge-

naue Bohren der Einbringöffnungen in unterschied­ lichen Winkeln ermöglicht, sowie der Ausbildung einer dreilagigen Schalenkonstruktion. Das Rippennetz erzeugt als dritte Lage, im Verbund mit den oberseitigen, schubfesten Holzbeplankungen, die Schalengeometrie und stabilisiert die Form, indem es dem Ausbeulen der Konstruktion unter Lasteinwirkung entgegenwirkt. Rechnerisch wird die Schalenwirkung des Tragwerks ausschließlich von der oberseitigen, doppellagigen Beplankung erzeugt, da durch Verformungen infolge von Schwindprozessen in den Knotenpunkten der Brettschichtholzrippen Fugen entstehen können, die eine Übertragung der Druckkräfte verhindern. Die Holzschalung aus 30 mm dicken und 100 mm breiten Nadelholzbrettern wurde auf das Rippennetz genagelt und konstruktiv mit Polyurethanklebstoff verleimt.

Die frei geformte Holzrippenschale wurde mithilfe eines Raumgerüsts montiert.

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Beginnend an den Randträgern, die anhand der Betonauflager und zwei weiterer Messpunkte exakt positioniert wurden, wurden die Brettschichtholzrippen elementweise gefügt. Messpunkte gaben die Position der Knotenpunkte vor, und Orientierungsbohrungen bzw. Markierungen an den Stabenden halfen bei der Ausrichtung der einzelnen Rippen während der Montage. Aufgrund der exakt gefertigten Anschlüsse und Stabgeometrien richtet sich die komplexe Dachgeometrie zwischen den Messpunkten selbst aus. Die frei geformte Holzrippenschale beeindruckt nicht nur durch die Schlichtheit der Konstruktion: Aufgrund der raumhohen Verglasungen scheint die extrem dünne Dachschale über der Landschaft zu schweben.

Während die Trägersegmente im Auflagerbereich nur gestoßen sind, wurden die Trägerteilstücke zwischen den Auflagern über Schlitz­ bleche und mehrschnittige Stabdübelverbindungen miteinander verbunden.

Im Innenraum wird das wellenförmige Dach zum Symbol für das Wasser.

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Sachregister Abbundanlage 46, 56, 60, 62, 63, 67, 69, 115, 132, 155, 156, 162, 163 Abbundhalle in Reuthe (AT) 51 Acetylierung 26 Anisotropie 15, 25, 26, 48, 140 Augenstab 21 Ausblattung 59, 65, 67, 69, 112 Aussichtsturm „bahnorama“, Hauptbahnhof Wien (AT) 46, 47 Automanufaktur Wiesmann 68 Bahnsteigüberdachung in Kassel (DE) 63 Balkenschuhverbindung 15 Balloon-Frame 59 Bauart Emy (siehe auch Brettlamellen-Konstruktion) 10 Baugruppenprojekt zur Börse, Berlin (DE) 57 Bertsche-Knoten 11, 13, 15 Birke 50, 80 Blattverbindung 68, 69, 112, 113, 115 BMW-Pavillon auf der IAA 1999 (DE) 64 Bodegas Proto, Peñafiel (ES) 44 Bohlenbinder-Konstruktion 10, 11 Brettlamelle 11, 41, 48 Brettlamellen-Konstruktion (siehe auch Bauart Emy) 10, 37 Brettsperrholz (BSP) 15, 48, 52, 54, 55, 56, 89, 123, 124, 125, 126, 128, 137, 140, 143 Brettstapelbauweise 63, 69 Brettstapeldecke 56 Buche 22, 27, 30, 31, 50, 69, 165 Buchenholzdübel 22 CAD (Computer-aided design) 61, 68, 69, 75, 112, 115, 120, 163 CAE (Computer-aided engineering) 75 CAM (Computer-aided manufacturing) 61, 75, 115, 120 Carbonfaserkunststoffe (CFK) 31 Centre Pompidou in Metz (FR) 64, 66, 68, 69 Centro Cultural Matucana 100 37 CNC-Fertigung (Computerized Numerical Control) 39, 42, 45, 46, 56, 58, 60, 61, 62, 63, 67, 68, 70, 74, 75, 80, 81, 84, 85, 86, 88, 90, 115, 116, 120, 132, 155, 156, 162, 163, 165 Cross Laminated Timber (CLT) 52 Deckfurnier 56 Delamination 31 Dickholz 52 digitale Fertigung 73 Douglasie 50, 51 Dreigelenkbogen 44 Dreigurtbinder 45 Dreischichtholzplatte 52, 89, 90, 117, 120, 121, 136, 142 Eiche 25, 30, 72 Einkaufszentrum G3 in Gerasdorf (AT) 54 Einkomponenten-Polyurethanklebstoff 23 Eissporthalle St. Pölten (AT) 61 Emy, Armand-Rose 10 Epoxidharz 17, 20, 23, 26, 31, 32

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Esche 27, 30, 31, 34 ESG-Pavillon („Endless Space Generated by individual sections“Pavillon) 64, 66, 67 ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen) 45, 139 Fachwerkbinder 45, 99 Fachwerkkonstruktion 12, 13, 96, 97, 100 Fachwerkträger 15, 96, 98, 99, 146, 150, 152 Faserverstärkter Kunststoff 31, 48 FEM (Finite-Elemente-Methode) 81, 89, 91, 141 Ferienhaus in Kumamura (JP) 77, 78, 79 Festigkeitsklasse 27, 29, 30, 34, 35, 133, 148 Fichte 32, 40, 50, 52, 89, 95, 96, 109, 123, 129, 145, 149, 163 Formholzprofile 28, 32 Fragile Wandstruktur im Parkhaus der ETH Zürich (CH) 84 Freiformfläche 45, 64, 163 Freizeitzentrum Vitam’Parc, Neydens (FR) 45 Furnierschichtholz 29, 31, 63, 75, 79, 80, 87, 88, 131, 134, 140,141, 144, 151, 155 Furniersperrholzplatte 49, 50, 51, 52, 70, 89 Furnierstreifenholz (PSL) 50, 51 Fußgängerbrücke in Georgien 25 Gewindestange 15, 17, 18, 20, 21, 22, 26, 68, 69, 120 Gewinde-Stangen-Anker (GSA) 21 Gitternetz 49, 63, 68, 110, 113, 161, 163, 164 Gitternetzschale 18, 19, 20, 22, 60, 63, 70, 75, 79, 80 Gitterträger 146, 148, 149, 150 Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) 23 Golfclub in Yeoju (KR) 64, 67, 68, 74 Götterbaum 30 Hängebrücke 130, 132, 136 Hängemodell 81, 138 Hängewerk 12 Hartholzdübel 23 Harzagglomeration 37 HESS LIMITLESS-Patentstoß 25 Hetzer, Karl Friedrich Otto 37 Hochregallager für Salz, Ebensee (AT) 39 Hohlkastenkonstruktion 141 Hohlkastenprofil 32 Holzachterbahnen 62, 63 Holzbalken 9 Holzbalken armiert 12 Holzbalken zusammengesetzte / gekoppelte 9 Holzbalkendecken 9 Holz-Beton-Verbundkonstruktion 32 Holzfaltwerk 86, 87 Holz-Glas-Verbundkonstruktion 32, 33, 34, 35 Holzgüteklasse 37 Holz-Holz-Klebeverbindung 23 Holz-Kunststoff Verbundkonstruktion 34 Holzlamelle 12, 24, 27, 29, 37, 38, 41, 80 Holzmodifizierung 52

Holzrippe 70, 73, 140, 160, 161, 163,165, 166 Holzrippenschale 160, 165, 166 Holzschale 90, 91, 138, 139, 140 Holzschale der Universität Stuttgart (DE) 90 Holzschweißen 24 Holz-Stahl-Klebeverbindung (HSK) 21 Holzverbundkonstruktion 32 Holzwerkstoffe 15, 17, 26, 37, 49, 51, 52, 53, 54, 56, 81, 87, 128 Homogenisierung (des Holzes) 41, 42, 48, 52, 56 HP-Fläche (doppelt gekrümmter hyperbolischer Paraboloid) 69 Hybridkonstruktion 29, 30, 31 Hydrophobierung 26, 52 isotrop 26, 56, 124 Jumbo-Wellennagel 15 Kapelle in Pompaples (CH) 55, 88 Kaseinleim 40 Keilzinken 18, 24, 41, 56 Kiefer 50, 51, 52, 151, 156, 158 KLH® Kreuzlagenholz Knochenleim (Glutinleim) 38, 40 Knotenblech 20, 68, 86 Konstruktions-Vollholz (KVH) 51, 145, 149 Koppelleiste 32, 33, 34 Kreuzbalken 56 Kreuzlagenholz (KLH®) 52, 57 Kunstharzgebundene Furnierschichtplatten (KHP) 31 Kunstharzleim 40 Kunstharzpressholz 29, 31 Kuppelnetzwerk 63, 69 Lärchenholz 13, 31, 52, 117, 126, 136 Laves-Balken 12 Lignatur® 56 Lignin 24, 25 Lignotrend® 56, 57 Limba 50 Lochblech 21, 22, 23, 55, 89 LVL (Laminated Veneer Lumber) 50 Magnum Board® 50, 51 Massivholz 41, 42, 50, 52, 57 Melamin-Harnstoff-Formaldehyd-Harze (MUF) 104 Melaminharz (MUF-Klebstoff) 17, 27 Messe Wels (AT) 42 Messehalle Rostock (DE) 63 Messehallen in Friedrichshafen (DE) 63 Messehallen in Rimini (IT) 63 Monterey-Kiefer (Pinus Radiata) 101, 105 Nagelblech 26, 67, 86, 164 Nagelverbindung 146, 149 Neue Monte Rosa Hütte (CH) 71 NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) 75 Nut-Kamm-Verbindung 21 Okume 50 Origamitechnik 55, 86, 89 OSB (Oriented Strand Board) 50, 51, 52, 53, 106 Palettenpavillon in Oberstdorf (DE) 79 Pappel 30, 50 Parametrischer Entwurf 64, 68, 69, 73, 75, 110, 111, 112, 113, 141, 142 Pavillon „Treehugger“ in Koblenz (DE) 87 Pavillon auf der Bundesgartenschau in Koblenz (DE) 86

Pavillon Bedford Square in London (GB) 79 Pfettendach 10 Phenolharz 31 PMMA (Polymethylmethacrylat) 34, 64 Polyureaklebstoff 17 Polyurethanklebstoff 17, 23, 48, 156, 165 Produktionshalle Obermayr, Schwanenstadt (AT) 53 PUR-Prepolymer 17 Randträger 63, 87, 162, 163, 164, 165, 166 Resorcinharz 17, 28, 87, 164 Salzlagerhalle in Rheinfelden (CH) 19, 40 Schäftung 18, 59, 67, 112, 116 Schalenkonstruktion 138, 160, 165 Schalentragwerk 23, 90, 139, 140, 160, 164 Schalenwirkung 87,165 Schlitzblech 60, 67, 99, 116, 149, 166 Schwalbenschwanzverbindungen 10, 39, 59, 67, 68 Schweizer Pavillon auf der Expo 2000, Hannover (DE) 77, 79 Schwindmaß 49, 52 Seilzuglinie 130, 131, 132 Sendeturm Gleiwitz 13 Serpentine Gallery Pavilion (2005) 49, 80 Sherpa-Verbinder 15, 17 Silikonklebstoff 35 Sommerpavillon der Studierenden der AA, London (GB) 79 Sortierklasse 41, 158 Southern Yellow Pine 50 Spannbandbrücke 130, 136 Sperrholzplatte 17, 49, 52, 67, 68, 73, 81, 82, 83, 90, 106 Sprengwerk 12 Stabdübel 23, 25, 26, 27, 60, 86, 98, 99, 120, 134, 136, 149, 166 Steko® 56 Stichhöhe 131 Strandhaus „Burst“, New Haven (US) 70 System Resix® 45 Tanne 45, 51, 52 Temporärer Forschungspavillon der Universität Stuttgart (DE) 82 textile Gewebe / textile Armierung 29, 32 Textile Modul, Institut für Holzkonstruktion IBOIS (CH) 81, 82, 83 Textil-Holz-Verbund 87 Theater- und Konzertgebäude in Kristiansand (NO) 64, 72 Therme Bad Orb (DE) 22, 63, 65 Therme Bad Sulza (DE) 22, 63 thermomechanische Verdichtung 28, 29 Trägerrost 42, 70, 86 Verbindung, metallisch 13, 20, 45, 59 Verbindung, zimmermannsmäßig 9, 15, 59 Verbindungen, geklebt 17, 18, 21 Verbundkonstruktion 32, 33, 34, 35, 141 Versatz 67 Vierfachsporthalle in Sargans 30 Vollgewindeschraube 16, 26, 27, 98, 99, 100, 126, 165 Vorfertigung, Vorfabrikation 56, 63, 74, 98, 106, 108, 116 Wärmebehandlung (des Holzes)26 Weingut Pérez Cruz (CL) 43 weitgespannte Konstruktion 53, 96 West Fest Pavillon, Wettswil am Albis (CH) 85 Zangenkonstruktion 152, 153, 154 Zapfen 10, 29, 60, 67, 68, 80 Zollinger-Bauweise 11, 12, 22, 49, 62, 63, 161

Sachregister

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Bibliografie ALLGEMEIN Ernst, Hartmut (Hrsg.) (2008): Holzbau der Zukunft. [Leitung und Koordination des Verbundprojektes „Holzbau der Zukunft“, TU München]. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag. Graubner, Wolfram (Hrsg.) (1994): Holzverbindungen. Gegenüberstellungen japanischer und europäischer Lösungen. [Fotos: Walter Grunder. Zeichn.: Louise Oldenbourg]. 5. Aufl. Stuttgart: DVA. Haller, Peer (Hrsg.) (2007): Holzverbindungen und Holzverbundwerkstoffe. Fachbeiträge zum 7. Holzbauforum in Leipzig. Berlin: Huss-Medien. Haller, Peer (Hrsg.) (2009): Fertigung im Holzbau. Fachbeiträge zum 9. Holzbauforum in Leipzig. Berlin: Huss-Medien. Haller, Peer et al. (Hrsg.) (2011): Hochleistungsholztragwerke – HHT – Entwicklung von hochbelastbaren Verbundbauweisen im Holzbau mit faserverstärkten Kunststoffen, technischen Textilien und Formpressholz. BMBF-Vorhaben 0330722A-C; Abschlussbericht. Dresden: TU Dresden, Institut für Stahl- und Holzbau (ISH) in Kooperation mit dem Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM). Hascher, Rainer (Hrsg.) (2009): Grenzgänger aus Holz. 12 Fach­ tagung Holzbau Berlin und Brandenburg, 18. Dezember 2008. Berlin. Herzog, Thomas; Natterer, Julius; Schweitzer, Roland; Volz, Michael; Winter, Wolfgang (2003): Holzbau-Atlas. 4., neu bearb. Auflage, Basel, München: Birkhäuser, Edition Detail. Holl, Christian; Siegele, Klaus (Hrsg.) (2006): Holz – große Tragwerke. Konstruktion, Architektur, Detail. Reihe Baumaterialien. München: DVA. holz.bau forschungs GmbH Graz; TU Graz (2007): Verbindungstechnik im Ingenieurholzbau. 6. Grazer Holzbau-Fachtagung. Graz: Verlag der Technischen Universität Graz. Kolb, Josef (2010): Holzbau mit System. Tragkonstruktion und Schichtaufbau der Bauteile. Basel: Birkhäuser. Neuhaus, Helmuth (2009): Ingenieurholzbau. Grundlagen, Bemessung, Nachweise, Beispiele. 2. Aufl. Wiesbaden: Vieweg+Teubner. Niedermaier, Peter (2005): „Holz-Glas-Verbundkonstruktionen. Ein Beitrag zur Aussteifung von filigranen Holztragwerken“. Diss. TU München. Pfeifer, Günter; Liebers, Antje; Reiners, Holger (1998): Der neue Holzbau. Aktuelle Architektur, alle Bausysteme, neue Technolo­ gien. München: Callwey. Schwaner, Kurt (Hrsg.) (2009): Zukunft Holz – Statusbericht zum aktuellen Stand der Verwendung von Holz und Holzprodukten im Bauwesen und Evaluierung künftiger Entwicklungspotenziale. Biberach: Hochschule Biberach, Institut für Holzbau. Steiger, Ludwig (2007): Holzbau. Basel, Boston, Berlin: Birkhäuser. Steurer, Anton (Hrsg.) (2006): Entwicklung im Ingenieurholzbau. Der Schweizer Beitrag. Basel, Boston, Berlin: Birkhäuser. Stungo, Naomi (Hrsg.) (1998): Neue Holzarchitektur. Einl. v. Christoph Affentranger. Übers. v. Joanna Zajac-Wernicke. Stuttgart: DVA.

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Über die Autoren

Dank

Rainer Hascher, geboren 1950, studierte Architektur an der Universität Stuttgart und gründete 1979 sein eigenes Architekturbüro. Nach verschiedenen Rufen als Professor an die Universitäten Aachen, Stuttgart und Berlin lehrte er von 1989 bis 2013 Konstruktives Entwerfen und Klimagerechtes Bauen. Seit 1992 arbeitet er mit Sebastian Jehle zusammen. Neben vielen Wettbewerbserfolgen erhielt ihr Büro Hascher Jehle Architektur für realisierte Bauten zahlreiche Auszeichnungen, u.a. beim Deutschen Architekturpreis, Deutschen Städtebaupreis, Deutschen Stahlbau-, Beton- und Holzbaupreis. 2001 wurde er an die Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften berufen. 2006 nahm Hascher Jehle Architektur an der 10. Internationalen Architektur Biennale in Venedig teil. 2007 wurde er Gründungsmitglied der Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB)

Für die informativen Gespräche und die Unterstützung möchten wir Hermann Blumer, Christian Burgbacher, Charles von Büren, Ulf Cordes, Mathias Hofmann, Hans Hundegger, Christian Knechtl, Wolfram Kübler, Alberto Mozó, Fabian Scheurer, Joachim Schindelhauer, Thomas Schrentewein und Josef Trabert danken. Für ihr vorbildliches Engagement und ihren unermüdlichen Einsatz in der Bildrecherche sei Frau Julia Pauli herzlich gedankt. Unser besonderer Dank gilt der Lektorin Henriette Mueller-Stahl.

Simone Jeska, geboren 1965, studierte Architektur an der Technischen Hochschule Nürnberg sowie Architekturtheorie und Architekturgeschichte an der ETH Zürich. Sie lebt in Berlin und arbeitet an der TU Berlin am Institut für Architektur als wissenschaftliche Mitarbeiterin. Als freie Autorin hat sie mehrere Publikationen im Bereich Architektur vorgelegt; darunter die Architektureinführung für Kinder „Von der Burg zum Blob“, den „Entwurfsatlas Bürobau“ und eine Buchpublikation zum Thema „Transparente Kunststoffe“. Khaled Saleh Pascha, geboren 1965, studierte Architektur an der Technischen Universität Berlin, an der er auch promovierte. Er lebt und arbeitet jeweils halbjährig als Professor an der Katholischen Universität in Santiago de Chile und als Post-Doc-Universitätsassistent an der Technischen Universität in Wien. Seine Forschungs- und Lehrtätigkeit umfasst die Bereiche Holzbau, bioklimatische Architektur und Architekturtheorie. Er ist Autor diverser Artikel und Buchkapitel zu diesen Themen, die in England, Österreich, Deutschland und in Chile veröffentlicht wurden.

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