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Esche und Buche im Ingenieurholzbau
Entwicklung des Laubholzes im Schweizer Wald
Das Landesforstinventar zeigt auf: Der Laubholzvorrat in der Schweiz nimmt stetig zu. Im Vergleich zur ersten Erhebung im Jahre 1984 und der zweiten 1995 stieg der Laubholzvorrat um 12%. Ab 1995 erhöhte sich der Laubholzvorrat nochmals um 10%. In der gleichen Periode stagnierte der Anteil Nadelholz, er verringerte sich um 1 %, von 70 auf 69% (FLI c/o WSL, 2007). Der Grund zu mehr Laubholz ist im gesamtschweizerisch flächendeckend angewandten naturnahen Waldbau zu suchen. Diese Waldform fördert eine natürliche Waldverjüngung. Dabei wird auf künstliche Bepflanzung verzichtet. Auf diese Weise werden vor allem in tieferen Lagen (Mittelland und Jura) die relativ konkurrenzstarken Laubhölzer indirekt gefördert. Die daraus entstehenden Mischwälder sind tendenziell stabiler als Wälder mit hohem Fichtenanteil oder reinem Nadelholzbestand. Immer häufiger auftretende Sturmereignisse richten gerade in diesen Wäldern enorme Schäden an. Jeder Sturm ist ein Schritt zu mehr Laubholz; die Wiederbewaldung findet mittels naturnahem Waldbau statt. Ebenso spricht die voranschreitende globale Klimaveränderung für den Anbau von Laubholz. Vor allem Fichte und Weisstanne gelten als wenig trocken-resistent. Der Klimawandel drängt diese Holzarten in höhere Lagen. Da aber mit grosser Wahrscheinlichkeit auch die Buche unter Druck gerät, wird auch diese Holzart längerfristig in höheren Lagen anzutreffen sein. An warmen und trockenen Lagen wird beispielsweise die Waldföhre an Konkurrenzfähigkeit gewinnen. Eine Option im Waldbau ist das künstliche Einbringen von Baumarten wie Douglasie oder Eiche. Beide Sorten gehören zu den Wärme- und Trockenheit-resistenteren Sorten.
Die mit Abstand häufigste Baum-Art der Schweiz ist die Fichte. Sie wird als Konstruk-tionsholz auch in Zukunft die wichtigste Holzart bleiben, ihre Dominanz wird mittel- und langfristig jedoch abnehmen. In der Schweiz stehen ausgeprägte Fichtenbestände in ländlichen Gebieten wie dem Emmental, dem Entlebuch oder im Jurabogen. Die häufigste Laubbaumart ist die Buche. Im Verlauf der letzten Jahrhunderte wurde in tieferen Lagen aus wirtschaftlichen Gründen mittels künstlicher Bepflanzung die Fichte stark gefördert, dies auf Kosten der konkurrenzstarken Buche.
Der Zuwachs an Laubholz liegt bereits heute deutlich über den Abgängen. (Abgang = Nutzung + natürliche Mortalität infolge Sturm, Käfer, Lawinen). Die Situation bei den Nadelhölzern zeigt sich gerade umgekehrt, am markantesten bei der stark nachgefragten Fichte.
Laubholz als natürlicher Hochleistungsbaustoff
Laubhölzer – besonders Buche und Esche – weisen von Natur aus höhere spezifische Festigkeiten auf als Nadelhölzer. Dadurch lassen sich schlankere, tragfähigere Tragkonstruktionen entwerfen. Die neue Holzbau AG stellt seit über 10 Jahren Brettschichtholz in Laubholz her. Gerade mit Esche, aber auch mit Buche, Eiche und Robinie konnte die Firma durchwegs positive Erfahrungen sammeln. In der Verarbeitung ist Laubholz gegenüber Fichte deutlich aufwendiger. Ebenso ist die Beschaffung von Laubholzbrettern kostspieliger, da (noch) kein Massenprodukt. Der Mehraufwand verursacht im Vergleich zu BSH in Fichte deutliche Mehrkosten. Um BSH-Laubholz effizient einzusetzen, müssen die Vorteile des Laubholzes gegenüber dem Nadelholz ausgenutzt werden. Dies sind, neben den deutlich höheren Festigkeiten (insbesondere im Bereich Biegung, Schub, Zugfestigkeit quer und parallel zur Faser, Druckfestigkeit quer sowie Rollschubfestigkeit), die massiv höheren Leistungen im Bereich der Verbindungsmittel. Ein GSA Anker (Verbindungsmittel mit eingeklebtem Gewindestab) in Esche ist um 1.5x leistungsfähiger als in Fichte, ohne dabei an Leistung bezüglich Steifigkeit und Duktilität einzubüssen. Deutlich höhere Leistungen mit Laubholz werden auch bei Stabdübel- oder Schraubverbindungen erreicht.
n’H-BSH aus Laubholz
Laubholz wurde bisher durch die neue Holzbau AG meist nur für lokale Verstärkungen im Bereich eines Anschlusses eingesetzt. Damit können die durch Verbindungsmittel geschwächten Stellen gezielt lokal verstärkt werden. Mit der höheren Leistung in den Verbindungsmitteln wird zudem der Querschnitt weniger geschwächt. All diese Massnahmen ermöglichen die Ausführung von Montagestössen mit 100% Leistung von Fichte.
Seit einigen Jahren nutzt die neue Holzbau AG die Leistung des Laubholzes auch für ganze Bauteile. Zusammen mit Herrn Prof. Ernst Gehri wurden betriebsintern verschiedene Prüfserien im Bereich Laubholz durchgeführt. Ziel der Untersuchungen war, Bemessungsgrundlagen für BSH in Esche und Buche zu erstellen. Die Untersuchungen umfassten alle relevanten Arbeitsprozesse der Brettschichtholz-Herstellung, von der Sortierung der Bretter über die Keilzinkungen bis zur Flächenverklebung. Daneben wurden im eigenen Prüfcenter Biege- und Schubprüfungen an Trägern vorgenommen, um die Leistung am Fertigprodukt zu kontrollieren. Die ganze Qualitätssicherung wurde auf die hoch beanspruchten Bauteile ausgerichtet.
Qualitätssicherung
Gegenüber dem heute als Brettschichtholz am meisten verwendeten GL24 in Fichte hat das Laubholz auf charakteristischem Niveau in fast allen Bereichen die doppelte Leistung! Dies bedingt ein ganzheitliches Qualitätskonzept, beginnend beim Eingangsrohstoff Brett bis zum Endprodukt Tragelement inklusive Verbindungen. Um die in der Tabelle aufgeführten Festigkeitswerte zu gewähren, verfügt die neue Holzbau AG über eine vollumfängliche Qualitätssicherung, die auf drei Grundsätzen basiert:
- Grad und Umfang den Kontrollen angepasst (Kontrollen wo nötig; so wenige Kontrollen wie möglich).
- Grundmaterial sowie jeder Verarbeitungsprozess so realitätsnah wie möglich prüfen.
- Die Vorgaben und Ziele (Festlegung von Prüfwerten) müssen einfach überprüfbar sein.
Als erstes wird dabei der Konstruktion aufgrund seiner Nutzung einen Grad der Kontrolle gegeben:
|KK1||Bauteil mit geringer statischer Ausnutzung|
|KK2||Ingenieurtragwerke generell|
|KK3||Anspruchsvolle Ingenieurtragwerke|
Die drei Kontrollklassen unterscheiden sich durch Grad und Umfang der durchzuführenden Prüfungen. Für die Herstellung von BSH werden folgende Kontrollen durchgeführt:
Zugeigenschaft der Bretter (Zugfestigkeit und Zug E-Modul)
Stichprobenweise Überprüfung des 5%-Fraktilwertes mittels Prüfbelastung.
Zugfestigkeit der Keilzinkenstösse Stichprobenweise Überprüfung des 5%-Fraktilwertes auf Bruch.
Scherfestigkeit der Flächenverklebung Stichprobenweise Überprüfung auf Bruch.
Projekte oder Bauteile mit Festigkeit GL48 (Laubholz) werden in der neuen Holzbau AG in die Kontrollklasse 3 eingeteilt (anspruchsvolle Ingenieurtragwerke).
Gefordert werden dabei:
- Zugprüfungen Brett: 1 von 25 Brettern.
- Keilzinkenprüfungen auf Zug: 4 Proben pro Schicht.
- Scherprobenprüfungen: Je Leimbauschicht 1 Abschnitt
Entscheidend dabei ist, dass sowohl die Bretter als auch die Keilzinken direkt auf Zug geprüft werden. Zugprüfanlagen haben sich in vielen Betrieben noch nicht etabliert, da etwas aufwendiger. Gerade an die Keilzinkung werden enorme Anforderungen gestellt, die ohne Zugprüfungsanlage nur ungenügend überprüft und demensprechend nicht verantwortet werden können.
Konstruktion mit BSH Buche
Ökonomiegebäude in Lauenen
Dieses Pilotprojekt im Hallenbau wurde erstmalig mittels 1:1-Einsatz von hochwertigem Buchen-Brettschichtholz (GL48) ausgeführt. Für die Dachkonstruktion des landwirtschaftlichen Ökonomiegebäudes in Lauenen BE wurde Buche verarbeitet. Das BAFU (Bundesamt für Umwelt, Aktionsplan Holz, Bern) half bei der Mitfinanzierung des Projekts.
|Bauherrschaft:||Christian von Siebenthal, Lauenen|
|Holzbau:||Bach + Perreten Holzbau AG, Gstaad|
|Tragwekplanung; Lieferung Haupttragwerk||neue Holzbau AG, Lungern|
Das Ökonomiegebäude ist 15.50 m gespannt mit einem Binderabstand von ca. 4 m. Der Bau liegt auf 1350 m.ü.M + 200 m (Zuschlag Gemäss SIA 261), was eine Dachlast im Grund von ca. 13.5 kN/m2 ergibt.
Eine konventionelle Tragstruktur in Fichten-BSH lag bereits vor. Ausgehend von der vorliegenden Geometrie des Gebäudes wurde eine Optimierung der Form und des Systems angestrebt.
Die oben skizzierte Form ergibt die gleichen Innenmasse der Halle. Die geringere Bauhöhe der Buchenträger ermöglicht eine steilere Formgebung mit entsprechend günstiger Geometrie. Dadurch wird das Eckmoment um rund 5 bis 8% reduziert. Zudem weist die Zugstange eine grössere Neigung auf; dank einem vergrösserten Hebelarm reduziert sich die massgebende Querkraft um 15 bis 20%. Das statisch optimierte System ermöglichte zudem die Ausbildung des Binderriegels mit konstantem Querschnitt. Dies vereinfachte die Produktion wesentlich. Zudem wurden die in der Fichtenvariante vorhandenen angeschnittene Fasern eliminiert.
Erkenntnisse Buche
Bei Einwirkungen von Feuchtigkeit weist Buche eine geringe Dauerhaftigkeit auf. Das Schwind- und Quellverhalten dieses Holzes ist zudem extrem hoch. Bereits bei geringen Feuchtigkeitsschwankungen resultieren enorme Spannungen. Aus diesem Grund müssen Lamellenabmessungen möglichst klein gehalten werden. Andere Holzarten lassen in der Regel Lamellen-Abmessungen von 40 mm und Breiten bis zu 240 mm zu. Buche lässt sich dauerhaft nur mit Lamellenstärken
Ohne finanzielle Unterstützung hätte das Ökonomiegebäude Lauenen nicht in Buche ausgeführt werden können. Die Kosten für die Binderkonstruktion in BSH Fichte lagen bei ca. 20 000.- Sfr., in Buche BSH bei über 30 000.- Sfr.
Technisch ist BSH Buche in den Festigkeitsklassen GL40 und GL48 herstellbar. Buche kann wohl noch effizienter eingesetzt werden, etwa als Furnierschichtholz.
Konstruktion mit BSH Esche
Überdachung Parkgarage in Arosa
Die Gemeinde Arosa baute 2009 in Innerarosa eine zweigeschossige Tiefgarage mit aufgesetztem Holzdach. Die Konstruktion überdacht auf beiden Seiten ein für Bergbahnen und Skischule genutztes Gebäude. Das Parkgebäude liegt an der Hauptverbindungsstrasse von Arosa. Über ein gedecktes Förderband, ausgehend vom Parking, erreicht der Wintersportler oder Wanderer direkt die neue Gondelbahn Innerarosa-Tschuggen.
|Bauherrschaft:||Politische Gemeinde Arosa|
|Architektur:||Lutz & Buss Architekten, Zürich + masKarade, Montreuil|
|Tragwerksplanung:||Walt + Galmarini AG, Zürich|
|Holzbau:||Brunner Erben AG, Zürich|
|Lieferung Haupttragwerk:||neue Holzbau AG, Lungern|
Das Holzgebäude erstreckt sich über eine Breite von 42 m und Längen von 37 und 32 m. Die Überdachung der ganzen Breite erfolgt nur im vorderen Teil. Bergseitig bleibt das Dach in einer Länge von ca. 24 m zwischen den Gebäuden offen und gibt dadurch von der Strasse aus den Blick frei auf den Weisshorngipfel. Die ersten fünf Trägerachsen stehen zudem in einem Winkel zueinander.
Statisch interessant sind die ersten vier Binderachsen. Die Träger stehen nur auf drei Stützen, so dass Spannweiten bis zu 19.70 m entstehen. Der Winkel der Achsen würde bei einer biegesteifen Firstverbindung grosse Zwängungskräfte verursachen. Deshalb sind die Träger über ein Gelenk zusammengeschlossen. Das Gebäude liegt auf über 1800 m.ü.M, die charakteristische Schneelast beträgt über 11 kN/m2. Die Trägerform entspricht der statischen Beanspruchung. Dies führt zu einer optimalen Ausnutzung in jedem Schnitt. Zwar ist das Gebäude breit, jedoch nicht hoch. Architektonisch gewünscht war eine filigrane Holzkonstruktion.
Um die gewünschten Querschnitte zu erreichen, wurden bereits im Vorfeld der Submission verschiedene Varianten geprüft. Am Anfang sah das Wettbewerbskonzept den Einsatz von blockverleimten Furnierschichtholz vor. Ausgeschrieben wurde schliesslich eine vi-suell wie auch festigkeitsmässig bessere Laubholzlösung.
Eine Fichtenkonstruktion mit gleichen Abmessungen könnte bei weitem nicht dieselben Biegemomente noch dieselben Schubkräfte aufnehmen. Durch den Einsatz von Eschenholz ist es möglich, Lamellen mit einer charakteristischen Zugfestigkeit von 40 N/mm2 zu produzieren (die höchste Klasse der Fichte ist das T26 mit einer charakteristischen Zugfestigkeit von 26 N/mm2). Auch die Schubfestigkeit der Esche kann gegenüber der Fichte um den Faktor 1.5 erhöht werden. Zudem hat Esche den Vorteil der einfachen Kombination mit Fichte.
Die Auslastung der ersten Achsen ist derart gross, dass auch in der Druckzone keine angeschnittenen Fasern stehen dürfen. Da die Träger eine veränderliche Höhe aufweisen, wurde die Druckzone über dem Auflager über einen Generalkeilzinkenstoss verklebt. Diese wird nach genauem Abrichten mit dem Zuggurt verklebt.
Nicht zu unterschätzen ist der Anschluss der Holzkonstruktion an die Betonstützen. An dieser Stelle werden Lasten von bis zu Vd=1200 kN fast nicht sichtbar in eine Betonstütze bzw. Stahlstütze mit einem Querschnitt von 200/300 mm geleitet. Die Lasten werden über gespreizte GS-Anker (ins Holz eingeklebte Gewindestangen) zu der ebenfalls ins Holz eingelassenen Auflagerplatte geleitet. Eine Verschraubung der Auflager- mit der Kopfplatte bildet die Verbindung mit der Stütze
Erkenntnisse Esche
Im Gegensatz zu Buche ist Esche deutlich einfacher zu verarbeiten. Ebenso lässt sie sich leicht mit Fichte kombinieren. Projekte wie die Parkgarage Arosa haben gezeigt, dass Esche bereits heute wettbewerbsfähige Lösungen ermöglicht, wenn spezielle Anforderungen an die Holzkonstruktion gestellt werden (wie etwa kleine Querschnittsabmessungen mit hohen Beanspruchungen). Laubholz erweitert die Brettschichtholzklassen mit höheren Leistungen. Damit öffnen sich zusätzliche Einsatzgebiete, welche im Ingenieurholzbau nicht möglich waren, und durch andere Baustoffe wie Stahl oder Beton ersetzt wurden.
Laubholzkonstruktionen in Zukunft
Laubholz besitzt das Potential eines natürlichen Hochleistungsbaustoffs im Ingenieurholzbau, davon bin ich überzeugt. Heute weisen hochwertige Werkstoffe gegenüber Massenware immer noch einen entscheidenden Nachteil auf, die Kosten. Das gilt nicht nur für Laubholz, sondern etwa auch für BSH GL36. Massenware ist derart billig, dass ein Bauteil in GL24 trotz des fast doppelten m3-Verbrauchs günstiger zu stehen kommt als ein Bauteil mit gleicher Leistung in GL48. Die Kosten des Laubolzes beeinflussen das Konstruieren. Der Ingenieur muss Lösungen mit möglichst wenig Materialeinsatz finden. Nur auf diese Weise hat Laubholz gegenüber den Nadelhölzern eine wirkliche Chance. Das Ziel soll sein, alle Vorteile des Laubholzes zu nutzen; neben den hohen Festigkeiten ist auch die Leistung der Verbindungsmittel deutlich höher.
Steg Minimum
Für eine Architekturtagung konstruierte die neue Holzbau AG einen Steg mit optimalen Laubholzeinsatz. Ziel der Arbeit war, die Fachleute mit einem filigranen „Laub“-Holzbau zu überzeugen. Entstanden ist der Steg „Minimum“:
Der Steg ist etwas über 10 m gespannt und bemessen mit den Nutzlasten einer Fussgängerbrücke. Die Form des Fischbauches erlaubte eine absolute Minimierung der Querschnitte. Obergurt, Querträger und Streben sind in Esche ausgeführt. Im Vergleich zur Fichte besitzt Esche die doppelte Leistung in Zug- und auch in Druckfestigkeit. Infolge höherer Dichte können die Verbindungsmittel wie GS-Anker oder Vollgewindeschrauben deutlich effizienter eingesetzt werden. Noch höhere Leistung erreichen Furnierschichtholz (FSH) oder Sperrholz. Beim Furnierschichtholz werden Furniere parallel, beim Sperrholz mit Querlagen zu einem Balken oder einer Platte zusammengeklebt. Furnierschichtholz wird für eine Beanspruchung in eine Richtung verwendet (Untergurt in FSH-Esche gebaut). Bei Beanspruchungen in mehrere Richtungen wird Sperrholz benötigt (Auflagerknoten in Sperrholz Buche).
Alle drei Querschnitte sind für die gleiche Zugfestigkeit ausgelegt. Der Querschnitt BSH GL24 entspricht den üblichen eingesetzten Dimensionen. Etwa 80% aller Brettschichtholz-Produkte der neuen Holzbau AG werden in dieser Festigkeitsklasse ausgeführt. Das BSH GL36 entspricht der höchsten heute eingesetzten Festigkeitsklasse (Fichte). Im Vergleichsquerschnitt des Unterzugs auf Eschen-FSH zeigt sich das enorme Potenzial des Eschen-FSH im Steg „Minimum“.
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