Ertüchtigung von Holzbalkendecken mittels neuartiger Verfahren

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1 Im Blickpunkt: Altbausanierung Ertüchtigung von Holzbalkendecken mittels neuartiger Verfahren Um Altbauten an heutige Wohnstandards anzupassen, sind in der Regel relativ zeit- und arbeitsintensive Baumaßnahmen erforderlich. Im Bereich von Deckenkonstruktionen betrifft ein zeitgemäßer Wohnstandard dabei die Bereiche Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit ebenso wie die des Schallschutzes, des Schwingungsschutzes, des Brandschutzes und der Optik. Bei Sanierungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen von Altbauten besteht eine der Hauptaufgaben von Planern darin, für diese Aspekte gleichermaßen Lösungen zu finden im Falle ausreichender Tragfähigkeit des Balkentragwerks idealer Weise unter Verwendung der bestehenden Bausubstanz. Für Holzbalkendecken haben sich in der Vergangenheit gängige Standardlösungen zur Verbesserung der Tragfähigkeit oder des Schallschutzes etabliert. Statische Ertüchtigungen werden z.b. über Verstärkungen durch seitlich angebrachte Holzlaschen oder Stahlprofile erreicht. Für Schall- und Brandschutzverbesserungen existieren vor allem Lösungsansätze durch ober- oder unseitig eingebrachte Materialebenen. In diesem Bericht werden mit der Unterspannung, dem Holz- Beton-Verbund sowie dem Aufbringen von Polymerbeton drei neuartige Verfahren für die Sanierung von Holzbalkendecken vorgestellt und anhand von Anwendungsbeispielen deren technischen Möglichkeiten aufgezeigt. Autoren: Prof. Dr.-Ing. Leander Bathon FH Wiesbaden Kurt-Schumacher-Ring Wiesbaden Fachgebiet Ingenieur-Holzbau Dipl.-Ing. (TU) Dipl.-Ing. (FH) Oliver Bletz FH Wiesbaden, Holzbaulabor Wissenschaftlicher Mitarbeiter 1. Einleitung Die Ausführungsvariante für Holzbalkendecken, die in Deutschland in den Jahren zwischen 1880 bis ca am häufigsten angewandt wurde und daher am häufigsten bei heutigen Sanierungen auftritt, ist die Einschubdecke (Abb. 1). Die Einschubdecke besteht aus Deckenbalken mit Balkenabständen bis maximal 90 cm, zwischen denen Einschübe (Fehlboden, Streifboden) in Form von Schwarten eingebracht sind. Auf diesen Einschüben liegt eine 8 bis 12 cm dicke Schüttung aus Lehm/Stroh, Sand oder Schlacke. Als Fußboden wird eine Dielung aufgebracht. An der Unterseite der Holzbalken ist in der Regel eine mit Rohrgeflecht und Putz versehene Schalung angehängt. Bei Holzbalkendecken treten Schadensfälle häufig im Bereich der Balkenköpfe in Außenwänden, bei durch Feuchtigkeit betroffenen Deckenbereichen oder bei Querschnittsschwächungen infolge von Aussparungen, Pilz- oder Insektenbefall auf. Weiterhin stellen aus heutiger Sicht zu große Durchbiegungen oder hohe Schwingungsanfälligkeiten Mängel bei Holzbalkendecken dar. In den letzten Jahren wurden für die Sanierung von geschädigten Holzbalkendecken innovative Verfahren und Systeme entwickelt, die inzwischen konkurrenzfähige Alternativen für die gängigen Standardverfahren darstellen. Diese Verfahren werden im Folgenden vorgestellt. Abb. 1: Typischer Aufbau einer Einschubdecke (aus [6]) 2. Unterspannung einer geschlossenen Holzbalkendecke BERG [2], [12] stellt mit der unterspannten Holzbalkendecke (UHB) ein Verfahren zur Sanierung von Deckenkonstruktionen vor, bei dem die Besonderheit darin besteht, dass der vorhandene Deckenaufbau bei der Sanierungsmaßnahme nicht rückgebaut oder geöffnet werden muss. Die Ertüchtigung erfolgt an der Unterseite der geschlossenen Decke. Hierfür werden schlanke Holzbohlen über schräg eingebrachte Vollgewindeschrauben mit der bestehenden Deckenkonstruktion verschraubt (Abb. 2 und 3). Durch die schubsteife Verbindung des alten Deckenbalkens mit der neuen Unterspannbohle entsteht ein Verbundquerschnitt, der eine höhere Steifigkeit aufweist als der vorherige Deckenbalken. Durch die statische Aufwertung wird die Tragfähigkeit der Decke um bis zu 100 % gesteigert und damit die Schwingungsanfälligkeit reduziert. Da die Deckenkonstruktion vor dem Befestigen der Bohlen über Schalungsstützen hochgedrückt wird (Vorspannung durch Überhöhung), können vorhandene Deckendurchbiegungen weitgehend rückverformt werden. Zudem ergeben sich bei zusätzlich federnd abgehängten Unterdecken Verbesserungen des Luft- und Trittschallschutzes. Durch Anbringen von Plattenelementen mit Brandschutzeigenschaften kann auch ein erhöhter Brandschutz erzielt werden. 34 6/2006 Abb. 6:

2 Abb. 2: Detailaufnahme einer mit einer Bohle unterspannten Deckenkonstruktion (aus [2]) Abb. 3: Herstellung einer Unterspannung (aus [12]) Abb. 4: Holz-Beton-Verbundtragwerk als -Querschnitt aus alten Holzbalken und neu aufgebrachter Betonplatte (aus [8]) 3. Holz-Beton-Verbund Eine leistungsfähige Methode zur Ertüchtigung von Holzbalkendecken stellt der Holz-Beton-Verbund dar, bei dem auf das bestehende Holzbalkentragwerk eine flächige Betonschicht aufgebracht wird und beide Materialebenen über spezielle Verbindungsmittel schubfest verbunden werden (Abb. 4). 3.1 Vorteile Der Nutzen dieser Vorgehensweise: Durch die Herstellung des Verbundes zwischen den Werkstoffen Holz und Beton zu einem -Querschnitt wirkt der Beton nicht nur als das Tragwerk beanspruchende Auflast wie es z. B. bei Sanierungen mit Trockenoder Fließestrichen üblich ist sondern bewirkt eine Erhöhung der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Decke, da sich beide Materialien am Lastabtrag beteiligen. Die Größe der Tragfähigkeits- und Gebrauchstauglichkeitszuwächse ist hierbei im Wesentlichen vom Wirkungsgrad des eingesetzten Verbindungsmittels abhängig. Bei Verbindungssystemen, die einen nahezu starren Verbund zwischen den Werkstoffen Holz und Beton herstellen, kann im Vergleich zu reinen Holzbalkendecken z. B. eine Reduzierung der Deckenverformungen um bis zu 70 % realisiert werden. Durch Einsatz von Schalungsstützen werden vorhandene Deckenverformungen zudem rückverformt. Letztlich kann die Tragfähigkeit durch den Verbundansatz um bis zu 400 % erhöht werden. Aus statischer Sicht bewirkt der Verbund mit dem Werkstoff Beton somit eine wesentliche Aufwertung der bestehenden Deckenkonstruktion. Die Systemsteifigkeit der Deckenkonstruktion wird durch die Scheibenwirkung der Betonplatte zusätzlich verstärkt. Da beim Holz-Beton-Verbund die baulichen Maßnahmen auf der Oberseite erfolgen, bleibt die Deckenunterseite in ihrem Ursprungszustand erhalten. Dies ist z. B. bei Stuckdecken häufig erstrebenswert. Weitere Vorteile von Deckensanierungen in Holz-Beton-Verbundbauweise liegen in der erheblichen Verbesserung des Schwingungs-, Schall- und Brandverhaltens durch die Einbringung zusätzlicher (nicht brennender) Masse und Steifigkeit (E-Modul des Betons ist circa dreimal höher als der E-Modul von Holz) in das Tragsystem. 3.2 Herstellung Für die Herstellung einer Holz-Beton-Verbunddecke sind grundsätzlich folgende Arbeitsschritte notwendig: Balkentragwerk und Balkenauflager von einem Fachmann auf deren Tragfähigkeit hin untersuchen lassen sowie die Abmessungen der Holzkonstruktion ermitteln. Für die angrenzenden Bauteile, insbesondere Wände und Fundamente ist zu prüfen, ob sie den neuen Anforderungen (Erhöhung des Eigengewichts und eventuell höhere Verkehrslasten) gerecht werden. Geschädigte Balken, die nicht mehr über die geforderten Tagfähigkeiten verfügen, müssen ersetzt werden. Bei geschädigten Balkenauflagern werden zusätzliche Maßnahmen erforderlich z. B. die Auflagerung über die Betonplatte. Entscheidung, ob Dielenboden und/oder Auffüllungen entfernt werden sollen. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, Im Blickpunkt: Altbausanierung 6/

3 Im Blickpunkt: Altbausanierung Abb. 5-10: Arbeitsschritte bei der Herstellung von Holz-Beton-Verbunddecken, bei denen eingeklebte HBV-Schubverbinder als Verbindungsmittel verwendet wurden (aus [8]) die Betonschicht auf die Dielung, auf das Balkentragwerk oder in die Gefache zwischen den Deckenbalken einzubringen (Abb. 5). Verlegen einer Feuchteschutzfolie zum Schutz des bestehenden Balkentragwerks vor eindringender Feuchtigkeit aus dem Betoniervorgang (Abb. 6). Einbringen der Verbindungsmittel (Abb. 7). Verlegen einer Mattenbewehrung zur Rissverteilung in der Betonplatte (Abb. 8). Betonieren mit möglichst schwindarmen Beton. Während des Betoniervorgangs und der Aushärtungsphase des Betons ist eine Unterstützung mittels Absprießungen notwendig (Abb. 9 und 10). Sollen besondere bauphysikalische Anforderungen, z. B. hinsichtlich des Wärmedurchgangs erfüllt werden, kann bei Verwendung bestimmter Verbindungssysteme auch eine Zwischenschicht (z. B. Styropor) zwischen Balkentragwerk und Betonplatte angeordnet werden. 3.3 Verbindungssysteme mit bauaufsichtlicher Zulassung In der Entwicklung von Verbindungsmitteln liegt ein Schwerpunkt der For- 36 6/2006

4 schungsaktivitäten im Holz- Beton-Verbundbau. Postulka [7] berichtet über Erfahrungen aus Polen, wo seit 1960 mehrere Zehntausend m 2 Holzdecken in Holz- Beton-Verbundbauweise saniert worden sind. Als Verbindungsmittel wurden senkrecht eingeschlagene Nägel 6,3 x 180 verwendet. In Untersuchungen zeigte sich, dass diese Verbindungsmittel relativ nachgiebig sind, d. h. um die gewünschte Erhöhung der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit zu erzielen, bedurfte es einer sehr großen Anzahl eingebrachter Nägel. Aufgrund dieser Erfahrungen begann man mit der Entwicklung von Verbindungsmitteln, die im Vergleich zu Nägeln über höhere Tragfähigkeiten und Steifigkeiten verfügen sollten. Die Entwicklung von geneigt eingebrachten Verbundschrauben brachte den ersten großen Schub für die Holz-Beton-Verbundbauweise im deutschsprachigen Raum (v. a. Schweiz und Österreich). An der EMPA Dübendorf wurde die SFS- Verbundschraube VB-48-7,5x100 entwickelt und 1998 vom DIBt bauaufsichtlich zugelassen [9]. Als weitere Verbindungsmittel kamen 2000 die TIMCO II- Verbundschraube [10] sowie 2005 die TCC- Schraube [11] hinzu. Die Schrauben werden in bestimmten Rasterabständen einzeln, paar- oder kreuzweise eingebracht. Die drei Verbindungssysteme sind im Besitz allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassungen und können daher bei Ertüchtigungen von Holzbalkendecken eingesetzt werden wurde für das Holz-Beton-Verbundsystem mit eingeklebten HBV- Schubverbindern die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung erteilt [8]. In [1] wurde über die Entwicklung dieses Verbundsystems bereits ausführlich berichtet. Beim HBV-Schubverbinder handelt es sich um ein Streckmetall mit einer Höhe von mindestens 9 cm, das zumindest über einen Teil der Länge des Balkens in eine 4 cm tief eingesägte Nut eingeklebt wird. Betonseitig wird der 5 cm herausragende Teil des HBV- Schubverbinders in der gegossenen Betonplatte verankert. Aufgrund der starren Holz-Streckmetall- Klebeverbindung und des kontinuierlichen Verbundes erreicht der HBV-Schubverbinder im Vergleich zu den drei Verbundschrauben deutlich höhere Tragfähigkeiten und Steifigkeiten. Zudem ergeben sich für die Baupraxis interessante neue Anwendungsmöglichkeiten (siehe Tabelle 1 sowie Abb. 12 bis 14). 4. Polymerbeton Von ERLER ([3], [4]) wurde eine weiteres Verfahren zur Tragfähigkeitserhöhung von Balkendecken entwickelt. Dabei wird auf die vorhandenen Balken des Tragwerks eine Schicht aus Polymerbeton aufgebracht. Unter Polymerbetonen sind hierbei Gemische aus Kunstharzen (Polyesterharze, Epoxydharze) und Quarzsanden zu verstehen, die in definierten Mischungsverhältnissen hergestellt werden. In Scher- und Biegeversuchen konnte ERLER die gewünschte annähernd starre Anzeige

5 Im Blickpunkt: Altbausanierung Abb. 11: Beispiele für Verbindungselemente bei Holz-Beton-Verbunddecken. TIMCO II-Verbundschrauben, SFS-Verbundschrauben und HBV-Schubverbinder Parameter Verbundwirkung zwischen Holzquerschnitt und Polymerbetonschicht nachweisen. Der Verbund wird dabei alleine über den Haftverbund zwischen den beiden Querschnitten hergestellt. Auf die Verwendung weiterer mechanischer Verbindungsmittel wird verzichtet. Für die Ausführung auf der Baustelle müssen die Oberflächen der Holzbalken daher äußerst sorgfältig vorbereitet werden, d. h. von Staub, Schmutz oder Sägemehl befreit sein, um die Wirkung des Haftverbundes zu gewährleisten. In ihrer Struktur zerstörte Holzbereiche sind abzutragen. Die Feuchtigkeit des Holzbal- Verbundschrauben (SFS, Timco II, TCC) HBV-Schubverbinder Allgemeine bauaufsichtliche Z Zulassung des DIBt Z Z Z Ø 7,5 mm Dicke = 2 mm Abmessungen Länge 150 mm Höhe 90 mm Gewinde 100 mm Teilstücklänge 200 mm Werkstoff Stahl bzw. Kohlenstoffstahl Kaltgewalztes Feinblech Betondicke 60 mm 70 mm d 300 mm Holzfeuchte 20 % 15 % Einfeldbiegeträger Einfeldträger, Anwendungsbereich mit druckbeanspruchter Mehrfeldträger Betonplatte oder Kragarmsysteme Deckenauflagerung über Holzbalken über Holzbalken oder Betonplatte Material der Holzschalung nur Holzschalung Zwischenschicht oder Dämmung... Übertragung einer zulässigen Erforderliche 29 Schrauben 1,12 m Schubkraft Anzahl an von 100 kn Verbindungs mitteln... einen Anfangs- für... verschiebungsmodul von 80 Schrauben 1,22 m 1000 kn/mm Tabelle 1: Verbindungsmittel im Holz-Beton-Verbundbau mit allgemeiner bauaufsichtliche Zulassung für Sanierungen von Holzbalkendecken 12 kens an den Kontaktflächen sollte maximal 18 % betragen. Nach Anbringen der seitlichen Schalbretter an die Holzbalken kann die Polymerbetonschicht in der statisch erforderlichen Dicke aufgebracht werden (Abbildung 15). Auf die ausgehärtete Polymerbetonschicht wird anschließend der Dielenboden verlegt. Mit diesem Verfahren konnten in der Vergangenheit einige Holzbalkendecken ertüchtigt werden. Vorteile dieses Verfahrens liegen in der Erhöhung der Tragfähigkeit sowie der Reduzierung von Deckendurchbiegungen. Eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung besitzt das Verfahren derzeit jedoch nicht. 5. Fazit Mit der Unterspannung, dem Holz-Beton-Verbund sowie dem Polymerbeton wurden in den vorherigen Abschnitten drei neuartige Verfahren zur Sanierung von Holzbalkendecken vorgestellt. Während die baulichen Maßnahmen bei der Unterspannung auf der Unterseite der bestehenden geschlossenen Holzbalkendecke erfolgen, setzen Holz- Beton-Verbund bzw. Polymerbeton auf der Oberseite der Balkendecke an. Bezüglich der Möglichkeiten weisen die einzelnen Verfahren Unterschiede auf. Tabelle 2 gibt hierüber einen Überblick. Aus Sicht der Autoren stellen die drei vorgestellten Verfahren interessante und innovative Lösungsansätze für die Sanierung von Holzbalkendecken dar. Wieder einmal zeigt sich, dass Verbund- und Hybridansätze mit einer gezielten Aufwertung bzw. dem Mix von Materialien hohe Anwendungspotentiale im Bauwesen besitzen. 38 6/2006

6 13 Abb : Details bei Holz-Beton-Verbunddecken. Eingeklebte Verbindungsmittel bei statischem Dreifeldträgersystem. Bewehrungsführung bei Auflagerung über Betonplatte. Dämmung zwischen Holz und Beton. Abb. 15: Einbringen des Polymerbetons bei der Sanierung eines Holzbalkens (aus [4]) 6.Literatur & Quellen [1] Bletz, O.; Kocher, D.; Bathon, L.: Neue Möglichkeiten im Holz-Beton-Verbundbau, die neue quadriga 5/2004, Seite [2] Berg, G. (2005): Holzbalkendecke Bohlen machen s spannend, Mikado 1-2/2005, Seite [3] Erler, K. (2004): Verstärkung von Holzbalkendecken mit Polymerbeton, in: Holz-Beton- Verbund Innovationen im Bau- 14 wesen, Bauwerk Verlag, Seite [4] Erler, K. (1993): Alte Holzbauwerke. Beurteilen und Sanieren, Verlag für Bauwesen Berlin [5] Mönck, W. (1999): Schäden an Holzkonstruktionen, Verlag für Bauwesen Berlin [6] Mönck, W.; Rug, W. (2000): Holzbau, Verlag Bauwesen Berlin [7] Postulka, J. (1997): Holz- Beton-Verbunddecken - 36 Jahre Erfahrung, Bautechnik 74, Heft 7, Seite [8] Internetseite der Firma Ticomtec, [9] Internetseite der Firma SFS Locher AG, [10] Internetseite der Firma Timco Schweiz GmbH, [11] Internetseite der Firma Com-Ing AG, [12] Internetseite von Prof. Dr.-Ing. Berg, Im Blickpunkt: Altbausanierung Parameter Unterspannung Holz-Beton-Verbund Polymerbeton Erhöhung der Tragfähigkeit x x x Verringerung von Durchbiegungen x x x Verbesserung des Schwingungsverhaltens x x x Erhöhung des Schallschutzes - x - Verbesserung des Brandschutzes - x - Scheibenwirkung - x - Tabelle 2: Grundsätzliche technische Möglichkeiten der einzelnen Sanierungsmethoden Anzeige 6/