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Holz im Hochbau – Natur trifft Hightech

Holz als genialer Baustoff gewinnt zunehmend an Bedeutung: Holz wächst nach, ist nachhaltig bewirtschaftbar und schont auf Grund seiner CO2-Bindung die Umwelt. Neue technische Entwicklungen und Baumethoden ermöglichen neue Formen der Gestaltung von Holzbauten, zum Beispiel von Gebäuden mit 10 Stockwerken und mehr. Forschende im Field of Expertise Sustainable Systems entwickeln und verbessern die sogenannte Brettsperrholzbauweise für den Holzmassivbau. Das federführend an der TU Graz am Institut für Holzbau und Holztechnologie sowie am Kompetenzzentrum holz.bau forschungs gmbh entwickelte Brettsperrholz (BSP) besteht aus kreuzweise verklebten Massivholzlagen und weist Abmessungen von bis zu 20 m Länge, 4 m Breite und über die Anzahl der Brettlagen beliebiger Dicke auf. Diese Massivholzelemente sind besonders stabil und tragfähig, sie können mit Hilfe moderner Fertigungstechnologien einfach und leicht bearbeitet, und sogar gekrümmt geformt werden. Gebäude, die mit BSP errichtet werden, sind klimafreundlich und nachhaltig. Knapp die Hälfte der österreichischen Bundesfläche ist mit Wald bedeckt; in der Steiermark beträgt der Waldflächenanteil sogar rund 2/3 der Landesfläche, sodass Holz sowohl regional als auch österreichweit eine bedeutende volkswirtschaftliche Rolle spielt.

Holz als Baustoff von gestern, heute und morgen

Wie lassen sich der nachwachsende Rohstoff Holz und die Anforderungen an ein ressourcenschonendes und umweltgerechtes Bauen bestmöglich vereinen? Eine Lösung liegt in der Verwendung von Brettsperrholz. Brettsperrholz, international auch als Cross Laminated Timber (CLT) bezeichnet, ist ein Baumaterial, das vor rund 25 Jahren federführend am Institut für Holzbau und Holztechnologie der TU Graz und am Kompetenzzentrum holz.bau forschungs gmbh entwickelt wurde. Es besteht aus mehreren kreuzweise verklebten Brettlagen aus Massivholz; wobei zu dessen Produktion meist Nadelholz wie Fichte, Lärche oder Kiefer, aber auch Laubholzarten wie Birke, Esche und Buche Verwendung finden. Die Bretter werden zu bis zu 20 Meter langen und vier Meter hohen, massiven Holzelementen mit, über die Anzahl der Brettschichten, beliebiger Dicke verarbeitet. BSP hat sich in den vergangenen Jahren von einem Nischenprodukt zu einem mittlerweile auch international stark nachgefragten und industriell gefertigten Produkt entwickelt. Neben Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie gewerblichen Bauten ist damit auch die Errichtung mehrgeschossiger Gebäude möglich. Diese Holzmassivbauweise ist international gefragt, wie Gerhard Schickhofer, Vorstand des Institutes für Holzbau und Holztechnologie erklärt: Die kreuzweise verklebten Massivholzbretter können für Bauwerke von bis zu 10 Geschoßen, wie z. B. in Melbourne/Australien, verwendet werden; in Wien ist derzeit sogar ein Hochhaus mit 24 Stockwerken in Planung. Wir sprechen hier von Holzbauten in bedeutenden Großstädten, die bereits auf diese Bauweise setzen.

Bildquelle: holz.bau forschungs gmbh

Aus orthogonal verklebten Brettlagen entstehen ganze Massivholzelemente, aus denen sich die Aussparungen für Fenster und Türen in einfacher Weise ausschneiden lassen.

Bildquelle: Schickhofer
Gerhard Schickhofer, Leiter des Institutes für Holzbau und Holztechnologie

Immer mehr Gebäude im städtischen Raum werden mit Brettsperrholz gebaut. Es gibt Hotels, Schulen, Büros und vielgeschossige Wohnbauten. Die Bauweise mit diesem tollen Bauprodukt hat großes Potenzial!

Bildquelle: holz.bau forschungs gmbh

Die Produktion großflächiger Wand-, Dach- und Deckenbauteile erlaubt einen sehr hohen Vorfertigungsgrad. Die lastabtragende Struktur kann in kürzester Zeit errichtet werden.

Kontakt

Institut für Holzbau und Holztechnologie
Inffeldgasse 24/I
8010 Graz
www.lignum.tugraz.at

Gerhard SCHICKHOFER
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Institutsleiter
Tel.: +43 316 873 4600
gerhard.schickhofer@tugraz.at

holz.bau forschungs gmbh
Inffeldgasse 24/I
8010 Graz

Manfred AUGUSTIN
Dipl.-Ing.
Geschäftsführer
Tel.: +43 316 873 4604
manfred.augustinnoSpam@tugraz.at 
www.holzbauforschung.at

Bildquelle: holz.bau forschungs gmbh

Brettsperrholz – Vorteile, die überzeugen

Bauwerke aus Brettsperrholz sind klimafreundlich, nachhaltig und günstig. Brettsperrholz zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus:

  • Das Ausgangsmaterial war anfangs an sich minderwertiges Schnittholz ‒ die verwendeten Bretter aus den Stammrandzonen sind besonders fest und steif und eignen sich besonders gut für die Verarbeitung ‒ mittlerweile wird auf Grund der großen Nachfrage aber vorwiegend sogenannte Hauptware eingesetzt.
  • Durch das Verkleben von Längs- und Querlagen sind die Massivholzelemente besonders formstabil. Dadurch bleiben die bei Holz sonst üblichen Dimensionsänderungen bei Feuchteschwankungen aus.
  • Brettsperrholz ist nahezu beliebig form- und problemlos von Industrierobotern bearbeitbar; mittlerweile können auch gekrümmte BSP-Bauteile erzeugt werden.
  • Das Bauprodukt Brettsperrholz ist einfach zu verarbeiten und zu montieren.
  • Gebäude, die Brettsperrholz für den Holzmassivbau einsetzen, sind extrem erdbebensicher.
  • Bauwerke aus Brettsperrholz sind besonders rasch aufgebaut; es ist auch die Produktion von modulartigen Raumzellen in einfacherweise Weise möglich.
  • Bauten im Massivholzbau zeichnen sich durch schlanke Wandkonstruktionen, eine hohe Tragfähigkeit und sehr gute Brand- und Schalleigenschaften aus.
  • Die Massivholzwände eignen sich auch für temporäres Bauen. Dabei werden flexible Wohnmöglichkeiten zur zeitlich beschränkten Nutzung geschaffen, die um einiges hochwertiger sind als Stahlcontainer, aber ‒ bei entsprechender Planung und Ausführung ‒ ähnlich günstig.
  • Bauprodukte aus Holz können am Ende der Nutzung wiederverwertet werden.

Überzeugende Gründe, die zum Beispiel Japan dazu bewogen haben, den Holzmassivbau mit Brettsperrholz künftig flächendeckend einzusetzen und eng mit den Forschenden an der TU Graz zusammenzuarbeiten.

Anwendungsorientiert forschen

Um das Ausschöpfen des gesamten technischen Potenzials der Holzmassivbauweise zu ermöglichen, verfeinern die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter an den beiden Grazer Forschungsinstitutionen die Brettsperrholzmethode noch weiter. Die Forschenden betreiben vor allem anwendungsorientierte Forschung, aber auch Grundlagenprojekte.

Die Forschenden

  • entwickeln komplette Bausätze und/oder Komponenten, die bereits vorgefertigt geliefert werden und im Werk oder vor Ort mit entsprechenden innovativen Verbindungstechniken wie selbstbohrenden Holzbauschrauben oder Systemverbindern verbunden werden.
  • entwickeln auf Brettsperrholz und anderen Holzwerkstoffen basierenden, kombinierten Produkten oder aber als Hybride (z. B. Holz-Stahl oder Holz-Beton Aufbauten) aufgebaute Bauteile für neue Anwendungsgebiete, etwa für weit spannende Deckenkonstruktionen, Wände und Decken.
  • optimieren die Fertigung der Platten, zum Beispiel die Verklebung und prüfen die Verwendbarkeit alternativer Holzarten in unterschiedlichen Kombinationen, z. B. aus Laubholz wie Birke oder Buche.
  • testen das Trag-, Verformungs- und Schwingungsverhalten sowie die bauphysikalischen Kennwerte der Elemente.
  • bemühen sich um die Erforschung und Entwicklung neuartiger Verbindungstechniken, wie z. B. das Einkleben von Metallblech und/oder Holzwerkstoffen in die BSP-Elementen oder die Fügung von Bauteilen mit noch größeren Abmessungen z. B. durch Schraubpressverklebung.
Bildquelle: holz. bau forschungs gmbh

Biegeprüfung einer Brettsperrholzplatte aus Birke

Bildquelle: holz.bau forschungs gmbh

Das Trag-, Verformungs- und Schwingungsverhalten sowie bauphysikalische Kennwerte von Brettsperrholzelementen und alternative Holzarten werden getestet. In der obigen Abbildung ist beispielsweise die Prüfung einer punktförmig beanspruchten Brettsperrholz-Platte mit den Abmessungen 2,5 x 4 m abgebildet.

Bildquelle: holz.bau forschungs gmbh

Zyklische Prüfung einer Brettsperrholz-Wandverbindung

Bildquelle: holz.bau forschungs gmbh

Ermittlung der Schwingungskenngrößen von BSP-Plattenstreifen im Labor

Bildquelle: holz.bau forschungs gmbh

 

 

Leitgedanke: Bausystem = Element + Verbindungstechnik

Das zukünftige Erfordernis im Bauwesen wird in der Entwicklung effizienter und finanziell leistbarer Bauwerke liegen. Diese kann u. a. über eine größtmögliche Vorfertigung im Werk in Verbindung mit der Definition von – dafür ist Brettsperrholz (BSP) in besonderem Maße geeignet – klar strukturierten Bausystemen umgesetzt werden.

Das aktuelle Forschungsprogramm im Rahmen des FFG-COMET K Projektes focus_solid_timber_solutions (focus_sts), dessen Konsortialführung durch die hbf wahrgenommen wird, ist in drei Areas gegliedert und baut auf diesen Leitgedanken auf:

Bausystem (bzw. Komponente) =
Element + Verbindungstechnik

AREA 1

Entwicklung von Komponenten bzw. Systemen für Dach, Decke (u.a. Rippendecken und Hybridaufbauten) und Wand sowie Aussteifungs- und Stabilisierungssystemen aus Brettsperrholz: 
Dabei wird das Schwingungsverhalten von BSP-Deckensystemen im Labor untersucht. Daraus werden Leitdetails zur Standardisierung der Bauweise entwickelt, zum Beispiel für ein geordnetes Bauen erforderlicher Leitungsführung und Haustechnik. Ein benutzerfreundliches und dynamisch wartbares Wikipedia System für BSP wird implementiert sowie die Programmierung eines kostenlos nutzbaren BSP-Bemessungsprogrammes (CLTdesigner) vorangetrieben.

 

 

AREA 2

Fragen der Produkt(-weiter)entwicklung, Prüfung und Berechnung von BSP: Die ressourcenschonende Produktion von BSP und die das BSP charakterisierenden Rollschubeigenschaften stehen im Fokus. Die Produktion von BSP aus Laubholzarten, zum Beispiel Birke wurde untersucht und erfolgreich bestätigt. Weiters wurden die BSP-Schubkenngrößen erforscht. Im Arbeitsprogramm Formulierung von Tragmodellen erfolgen die Untersuchungen bei kombinierter Beanspruchung sowie das Stabilitätsverhalten (Knicken, Kippen, Beulen) von BSP-Bauteilen. Bereits abgeschlossen werden konnte die Thematik lokaler Krafteinleitungen in Wände und Decken, die mechanische Beschreibung des Tragverhaltens von Rippenplatten (Kombination von BSP und Brettschichtholz (BSH)). Ein besonderes high-light wurde mit der Prüfung von punktgestützten BSP-Decken in Gebrauchsabmessungen sowie der zugehörigen baustatischen Modellierung gesetzt.

 

 

AREA 3

Forschung und Entwicklung zur Verbindungstechnik (VT):
Dabei wird die VT allgemein und speziell für BSP untersucht. BSP ist ausgezeichnet für den Einsatz bei dynamischer Beanspruchung (z. B. bei Erdbeben) geeignet (Abb. 4). Ein moderner und effizienter Holzbau ist ohne Vollgewindeschrauben nicht mehr denkbar, deshalb wurden und werden zahlreiche Tests durchgeführt: Einzel- und Gruppenprüfungen in der Seiten- und Schmalfläche, Blockscheren, Ermüdungsverhalten, Wasserstoffversprödung, kombinierte Beanspruchung auf Herausziehen und Abscheren, Entwicklung einer Messschraube, u.a.m.. Neben der Entwicklung von Systemverbindern und dem Aufbau eines Monitoringsystem ist das Thema der Schraubpressverklebung für die Zukunft des Produktes BSP hin zum Bausystem von großer Relevanz. Mit besonderem Interesse für eine wirtschaftliche Bauweise untersuchen die Forschenden das Einkleben von Stahlblechen und Holzwerkstoffen im Produktionswerk und das anschließende z. B. stahlbaumäßige Fügung der Bauteile.

Zusammenarbeit macht erfolgreich

Um die Forschungsziele zu erreichen, kooperieren die Ingenieurinnen, Ingenieure sowie Wissenschafterinnen und Wissenschafter des Institutes für Holzbau und Holztechnologie der TU Graz und am Kompentenzzentrum holz.bau forschungs gmbh im Field of Expertise Sustainable Systems der TU Graz national und international mit zahlreichen Forschungseinrichtungen.

Ausgewählte nationale Kooperationen

  • Holzcluster Steiermark GmbH., Graz
  • Holzforschung Austria, Wien
  • Ingenieurholzbauverband, Graz
  • Institut für Hochbau und Bauphysik, TU Graz
  • Institut für Werkstoffkunde und Schweißtechnologie, TU Graz
  • Institut für Mess- und Regelungstechnik, TU Graz
  • Labor für konstruktiven Ingenieurbau, TU Graz
  • pro:holz Austria, Wien
  • pro:holz Steiermark GmbH, Graz

Ausgewählte internationale Kooperationen

  • Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Schweiz
  • Japan Cross Laminated Timber Association, Japanische Brettsperrholz-Verband
  • Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Deutschland
  • Technische Universität München, Deutschland
  • University of British Columbia, Kanada