ETH House of Natural Resources

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1 ETH House of Natural Resources Prof. Dr. Andrea Frangi & Prof. Dr. Eleni Chatzi ETH Zürich, Institut für Baustatik und Konstruktion (IBK) Plattform Zukunft Bau, Schlussveranstaltung Empa Akademie, 27. März 2014 Datum

2 ETH House of Natural Resources Pilothaus als zukunftweisendes grossmassstäbliches und transdisziplinäres Forschungs-, Lehr- und Demonstrationsobjekt mit innovativen Technologien und Bauteilen aus Laubholz 2

3 Ausgangslage Umzug der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) von der Gloriastrasse im Zentrum auf den ETH Hönggerberg Neubau HIA (Versuchshalle) Versuchshalle anfangs März 2013 durch VAW bezogen Übergabe an Nutzer und Betrieb am 2. Mai 2013 VAW benötigt insgesamt 65 Arbeitsplätze HIA: 20 Arbeitsplätze HIT: 45 Arbeitsplätze Vorschlag von D-BAUG für einen angemessenen Bürotrakt für das VAW-Personal als Annex zum Neubau HIA Annexbau (ETH House of Natural Resources) bietet zudem die einmalige Chance zur Erforschung, Entwicklung, Umsetzung, Prüfung und Demonstration von Innovationen im Bereich Laubholz und nachhaltiges Bauen mit der nachwachsenden Ressource Holz 3

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6 ETH House of Natural Resources Beteiligte Institute D-BAUG Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW), Prof. Dr. R.M. Boes Institut für Baustatik und Konstruktion, Prof. Dr. Andrea Frangi, Professur für Holzbau Prof. Dr. Mario Fontana, Professur für Stahl- und Verbundbau Prof. Dr. Eleni Chatzi, Professur für Strukturmechanik Prof. Dr. Bozidar Stojadinovic, Professur für Baudynamik und Erdbebensicheres Bauen Institut für Baustoffe Prof. Dr. Ingo Burgert, Professur für holzbasierte Materialien D-ARCH Institut für Technologie in der Architektur Prof. Dr. Arno Schlüter, Assistenzprofessur für Architektur und Nachhaltige Gebäudetechnologien 6

7 Holz-Beton- Verbunddecke aus Buche Vorgespannte Holzrahmen Adaptive Solarfassade Bioinspirierte Holzmodule ETH House of Natural Resources???? Erneuerbare Energien Holzfassade mit erhöhter Dauerhaftigkeit Nachhaltige Wasserkraft 7

8 ETH House of Natural Resources Umsetzung, Demonstration und Validierung von vielversprechenden Innovationen im Laubholzbau Holz-Beton-Verbunddecken aus Buche (Umsetzung, Demonstration und Validierung vom SNF Projekt Nr ) Vorgespannte Holzrahmenkonstruktion mit Laubholzverstärkung (Umsetzung, Demonstration und Validierung vom KTI- Projekt Nr PFIW-IW: vorgespannte Holzrahmenkonstruktion; Industriepartner Häring & Co.AG) 8

9 Skelettbau Grossmaschige Stützenraster Flexible Grundrisse Beliebige Anordnung von Innen- und Aussenwänden Grossflächige transparente Fassaden möglich Fugenlose Aussenhülle um die Tragstruktur 9

10 Vorgespannte Holzrahmenkonstruktion mit Laubholzverstärkung Biegesteife Knotenverbindung mit Vorspannung und Laubholzverstärkung Zentrische Vorspannung Hohe Steifigkeit, self-centering, duktiles Tragverhalten (Erdbeben) Vorteile Einfacher Aufbau Hoher Vorfertigungsgrad Sehr schnelle Montage Wirtschaftlich Laubholzverstärkung 10

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13 Holz-Beton Verbundbauweise Prinzipieller Aufbau Holz-Beton-Verbunddecken mit Brettstapelelementen Holz-Beton-Verbunddecken mit Holzbalken 18

14 Holz-Beton Verbundbauweise Vorteile Tragwiderstand Steifigkeit (Schwingungen, Verformungen) Brand- und Schallschutz Nachhaltigkeit Quelle: Lignatec 25/2011 & 26/2012, Lignum 19

15 Wirtschaftlichkeit Holz-Beton-Verbunddecken (HBV) sind wirtschaftlich, da Holz durch Beton ersetzt wird. HBV mit Brettstapel ca. 210 CHF/m 2 (Holz ca. 130 CHF/m 2 ) HBV mit Buchenplatten ca CHF/m 2 Quelle: P. Jung, Tagung Bau und Wissen,

16 Holz-Beton Verbunddecke aus Buche Buchenplatte als Schalung und Bewehrung (40-60mm) Verbund durch Kerven bzw. wellenförmigen Vertiefungen Betonschicht ( mm) - Schwindbewehrung - evtl. nur mit Stahlfasern bewehrt 21

17 Motivation: Laubholz nachhaltig Nutzen Forstwirtschaft: Umstellung von reinen Nadelwäldern zu Mischwäldern Mehr Laubholz wird in Zukunft zur Verfügung stehen Laubholz wird oft direkt thermisch verwertet Keine nachhaltige Nutzung von Laubholz 22

18 Material 40 mm 20 % Cross layers Mechanical properties parallel to the grain [N/mm2] (Van de Kuilen 2012) Mean Char. Value Bending strength Tensile strength Compressive strength E-Modules

19 Holz-Beton Verbunddecke aus Buche 24

20 Biegeversuche Prüfkörper Concrete 6 m Beech-LVL plate 120 mm 40 mm Shear connection (notches) 25

21 Biegeversuche Versuchsresultate: Versagenarten Querkerven: kombinierter Biege- und Zugbruch im Holz 55 kn 55 kn Biege- und Zugbruch Querkerven: Schubbruch im Betonquerschnitt 50 kn 50 kn 26

22 Biegeversuche Versuchsresultate: Bruchlasten F u F u Bemessungslast: q d = 12.3 kn/m 2 Bemessung Tragsicherheit: Eigengewicht g: 3.3 kn/m 2 Auflast: 2.5 kn/m 2 Nutzlast: 3.0 kn/m 2 F u [kn] L q R g+2*f u /A [kn/m 2 ] Verhältnis q R / q d [-] L: Spannweite b: Breite A: Fläche (A=b*L) Kerven grösste Tragreserve starre Verbindung Wellen x x x Schubbrüche Verbindung Abheben der Betonplatte Nachgiebig Wellenform noch nicht optimal! 27

23 Tragverhalten F Vergleich mit anderen Bauweisen Brettstapel-Beton Verbunddecke aus Fichte C24 und Beton C50/60 L = 6 m F Breite = 600 mm Höhe = 160 mm h Fichte = 80 mm h Beton = 80 mm h tot = 160 mm Biegebruchkraft pro Zylinder: F u 40 kn Holz-Beton Verbunddecke aus Buchenfurnierschichtholz und Beton C50/60 h Buche = 40 mm h Beton = 120 mm h tot = 160 mm Biegebruchkraft pro Zylinder: F u 55 kn (+ 38 %) Beton C 50/60 Beton C 50/60 FSH aus Buche 120 mm 40 mm 160 mm 160 mm 10 Bewehrungseisen Durchmesser 18 mm 28

24 Tragverhalten Vergleich mit anderen Baustoffen Zugwiderstand von ca kn/m für 40mm dicke LVL Buchenplatte (Zugfestigkeit Buche von ca. 50 N/mm 2 ) Zugwiderstand von ca kn/m mit Bewehrung Durchmesser 26mm jede 125mm (Bewehrungsfläche = 4247 mm 2 /m) (Zugfestigkeit Bewehrung von 460 N/mm 2 ) 29

25 ETH House of Natural Resources - Tragstruktur Vorgespannter Holzrahmen Hybriddecken Monitoring + Modellierung 30

26 Tragstruktur 6.5 m 31

27 Tragstruktur Holzstützen aus Esche 6.5 m 32

28 Tragstruktur Vorgespannte Holzträger mit Laubholzverstärkung 6.5 m 33

29 Tragstruktur Holz-Beton Verbunddecke aus Buche 6.5 m 34

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36 ETH House of Natural Resources - Tragstruktur Wie gehen wir mit den Komplexitäten um? 41

37 ETH HoNR Monitoring + Modellierung Level 1: Forward Engineering Versuche: alle zerstörungsfrei Rahmen 2D und 3D (Labor Feldversuche) Monitoring Modellierung mit SAP

38 Modellierung des 3D Rahmens (SAP2000) Level 1: Forward Engineering Physikalisches Modell Modellierung der Eigenschwingungsformen: Translationsschwingungen Rotationsschwingun gen 43

39 ETH HoNR Monitoring + Modellierung Level 2: Entwicklung eines effizienten Monitoringsystems Minimal Invasion-Maximal Information Prinzip 44

40 ETH HoNR Monitoring + Modellierung 45

41 ETH HoNR Monitoring + Modellierung Anregung der Tragstrutkur mit Shaker Resultate: Eigenfrequenzen und Dämpfungswerte 46

42 Monitoring Accelerometers Tiltmeters FBG strain gages Load cells LVDTs horizontal LVDTs vertical LUNA Moisture content Temp. & Rel. humidity 47

43 Level 3: Inverse Engineering Model Updating 48

44 Versuchsaufbau im Labor 2 Versuchstypen: Dynamischer Rüttler Impulshammer Sinuswelle Impuls Anordnung der Beschleunigungssensoren: Elektro mechanischer Rüttler: a f max 6 g Hz A11 A12 A13 A14 A21 A22 Pinned connection between column and strong floor Relevanter Frequenzbereich und Anregungsrichtung A23 A24 A31 Shaker A32 A33 49

45 Versuchsaufbau 3D Holzrahmen (Baustelle) 2 Versuchstypen: Dynamischer Rüttler Impulshammer Sinuswelle Impuls Beschleunigungssensoren: Relevanter Frequenzbereich und Anregungsrichtung (Rüttler) 50

46 Vergleich der Resultate Numerisches Modell (2D) 2D Versuchsrahmen 3D Rahmen Modellparameter: Lagerung Stützenfüsse G 5 kn / m E 11 kn / mm k knm/ rad 3 2 Magnitude (db) A11y A12y A13y A14y A21y A22y A23y A24y A31y A32y A33y Frequency (Hz) Magnitude (db) A11x A13x A21x A22x A24x A31x A32x A34x A41x A42x A43x A44x A54x A54x Frequency (Hz) f1= 9.3Hz f1= 8.33Hz f1= 12Hz Steifigkeitserhöhung 51

47 ETH HoNR Monitoring + Modellierung Level 4: Monitoring Framework 52

48 Level 4: Monitoring Framework Hybrid Structure Filtering and preliminary Signal Processing Sensing units of various types (acceleration, strain, wind field data, temperature, humidity) Smart Monitoring Decision 0 1 s 1 h 1 d 1m 1y 10y 50y Time Scale Short Term Assessment Long Term Assessment 53

49 ETH HoNR Monitoring + Modellierung Level 4: Zuverlässigkeitsanalyse Ziel: Höhere & nachhaltigere, innovative Gebäude 54

50 Wissenstransfer Lehr- und Demonstrationsobjekt für Studierende der Bauingenieurwissenschaften und Architektur sowie Besucher Wichtiger und direkter Transfer von Grundlagenwissen und aktuellsten Erkenntnissen aus der Forschung in die Praxis 55

51 ETH House of Natural Resources Innovatives und nachhaltiges Tragwerk aus Laubholz Vorgespannte Holzrahmenkonstruktion mit Laubholzverstärkung Deckensysteme aus Laubholz Tragverhalten kann in einem realen Gebäude unter Gebrauch über mehrere Jahre untersucht werden messbare Grössen vs. subjektive Wahrnehmungen Demonstrations- und Informationsobjekt für Studierende, Planer, private und öffentliche Bauherren und für die ganze Baubranche Pilothaus als 56

52 ETH House of Natural Resources Danksagung ETH VAW, IBK, IfB, IGP, ITA ETH Foundation BAFU Climate-Kic BTA Häring & Co AG, Pollmeier Massivholz GmbH & Co.KG, Hess & Co AG, Stahlton AG, Purbond AG, Holcim Ltd. SMARTEC SA, Marmota Engineering AG Pilothaus als 57