Holz-Beton-Verbunddecken im Neubau Aktueller Stand der Technik

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1 Holz-Beton-Verbunddecken Holz-Beton-Verbunddecken im Neubau Aktueller Stand der Technik Als Holz-Beton-Verbundbauweise (HBV) bezeichnet man eine Bauweise, bei der zwei räumlich getrennte Querschnitte aus Holz und Beton über spezielle Verbindungsmittel zu einem Verbundquerschnitt verbunden werden. Die HBV-Bauweise war in den letzten Jahren im Blickpunkt der Forschung. Mehrere Forschungs- und Entwicklungsvorhaben wurden an diversen Forschungseinrichtungen zu einzelnen Themenaspekten im Holz- Beton-Verbundbau abgewickelt. Gleichzeitig konnten in der Baupraxis zahlreiche Objekte in HBV- Bauweise ausgeführt werden. Nachdem in der Vergangenheit in der HOLZBAU bereits mehrfach über Konstruktionen in Holz-Beton-Verbundbauweise berichtet wurde, wird im folgenden Beitrag der aktuelle Stand der Technik im Bereich des Neubaus von HBV-Decken beschrieben. Wirkungsweise und Verbindungsmittel Bei der Holz-Beton-Verbundbauweise wird ein Holzquerschnitt mit einer flächigen Betonschicht zu einem Verbundquerschnitt verbunden. Als Verbindungsmittel können verwendet werden: Aus dem Holzbau bekannte Verbindungsmittel, z.b. Schrauben, Bolzen, Nagelplatten oder eingeklebte Gewindestangen. Spezialbauteile aus Stahl wie auf Stahlplatten aufgeschweißte Kopfbolzendübel (System Tecnaria), massive Flacheisen (Flachstahlschlösser) oder eingeklebte Streckmetalle (HBV-Schubverbinder). Speziell für diese Anwendung entwickelte und zugelassene Verbundschrauben. Kerven, Einschnitte oder Versätze im Holzquerschnitt. Aus statischer Sicht be - wirkt der Verbund der beiden Teilquerschnitte Holz und Beton eine Aufteilung der äußeren Beanspruchungen auf beide Querschnitte. Bei biege beanspruchten Bauteilen übernehmen in der Regel die Holzquerschnitte die auftretenden Zugspannungen, während der Beton in der Druckzone angeordnet ist. Die zwischen den Teilquerschnitten angeordneten Verbindungsmittel stellen zum einen die Verbindung der Teilquerschnitte her, zum anderen übertragen sie die auftretenden Schubkräfte zwischen Holz und Beton. Die Systemkennwerte für die Schubtragfähigkeit und den Verschiebungsmodul von Verbindungssystemen müssen im Vorfeld durch Versuche ermittelt werden. Beide Kennwerte sind erforderlich für die Durchführung von statischen Be - rechnungen. Bei Verbindungssystemen mit vorliegender allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung sind diese Systemkennwerte im Rahmen von Zulassungsversuchen bereits ermittelt worden und in den Zulassungen genannt. Weiterhin werden in den bauaufsichtlichen Zulassungen die Anwendbarkeiten der einzelnen Verbindungssysteme geregelt (z.b. Bauteile, Holzarten, Betongüten, etc). In Deutschland wurden für 7 Verbindungssysteme im Holz-Beton-Verbundbau allgemeine bauaufsichtliche Zulassungen für die An - wendung im Bereich des Neubaus von Geschoss - decken ausgestellt. Eine Aufstellung der Verbindungssys teme zeigt Tab. 1. Folgende konstruktive Hinweise zu Holz-Beton- Verbunddecken gelten im Allgemeinen: Sofern keine Kerven oder Versätze als Verbindungsmittel verwendet werden, wird betonseitig der aus dem Holz herausragende Teil der eingesetzten Verbindungsmittel im gegossenen Frischbeton verankert. Autoren: Prof. Dr.-Ing. Leander Bathon Dipl.-Ing. (TU) Dipl.-Ing. (FH) Oliver Bletz Fachhochschule Wiesbaden Fachbereich Architektur und Bauingenieurswesen Institut für Baustoffe und Konstruktion Tabelle 1: Verbindungssysteme mit allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung für den Neubau von HBV-Decken. Z.-Nummer Verbindungssystem Verbindungsmittel Z EW-Holz-Beton-Verbundelement Nagel Z SFS Verbundschraube Verbundschraube Z Timco II Verbundschraube Verbundschraube Brettstapel-Beton-Verbunddecke Quer zur Tragrichtung Z mit Flachstahlschlössern in einer Holznut eingesetzter Vollmetallstreifen HBV-System mit eingeklebtem Längs zur Tragrichtung Z HBV-Schubverbinder in eine Holznut eingeklebter Streckmetallstreifen Z TCC Schrauben Verbundschraube Z Würth ASSY VG plus Schraube Verbundschraube 48 2/2009

2 Abb. 1: Unteransicht einer HBV-Decke, die über die oberseitige Betonplatte aufgelagert wurde. Foto: Holzbau Gröber [2] Ein Beton, der mindes - tens der Druckfestigkeitsklasse C20/25 entspricht, darf eingesetzt werden. Eine risseverteilende Mattenbewehrung sowie ggf. zusätzliche Bewehrungsquerschnitte (zur Aufnahme von Zugspannungen) werden in der Betonplatte angeordnet. Die Dicke des Betonquerschnitts beträgt in Abhängigkeit der äußeren Randbedingungen (Lasten, Stützweite, Schallschutzanforderungen, Deckensteifigkeit, Schwingungsverhalten) in der Regel zwischen 6 cm und 20 cm. Zwischen Holz und Beton wird zum Schutz des Holzes in der Regel ein Feuchtigkeitsschutz (z.b. Folie, Pappe, Imprägnierung, Papier) angeordnet. Auf eine ausreichende Überlappung und Verbindung (z.b. Kleben, Schwei ßen) der einzelnen Bahnen ist zu achten. Während des Betonierens ist die HBV-Konstruktion zu unterstützen, um zusätzliche Verformungen zu vermeiden. Die Auflagerung von HBV-Decken erfolgt in der Regel über den Holzquerschnitt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Auflagerung über die Betonplatte vorzunehmen. Hierbei müssen in die Holzquerschnitte im Auflagerbereich zusätzliche Verbindungsmittel eingebracht werden, mit denen die im Holzquerschnitt vorliegenden Kräfte in die Betonplatte hochgehängt werden. Holz-Beton-Verbundbauforschung Forschungserkenntnisse im Bereich des Holz-Beton- Verbundbaus (Anwendung: Geschossdeckenneubau) liegen insbesondere aus den in Tabelle 2 dargestellten Gebieten vor. Wie deutlich wird, sind mit der Zeit vielfältige Aspekte im Bereich der Holz-Beton-Verbundbauforschung thematisiert worden. In der Summe führten diese Forschungs - tätigkeiten zu einem Wissensstand, der es heute möglich macht, technisch und wirtschaftlich optimierte Holz-Beton-Verbund - konstruktionen in der Baupraxis einzusetzen. Vorteile und Ausführungsvarianten von HBV-Decken Deckenneubaukonstruktionen in Holz-Beton-Verbundbauweise haben sich in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt. Hierbei können drei wesentliche Holz-Beton-Verbunddecken 2/

3 Holz-Beton-Verbunddecken Tabelle 2: Forschungsthemen im Bereich des Holz-Beton-Verbundbaus. Forschungsthema Entwicklung von Verbindungsmitteln Mehrere Verfahren haben sich bewährt, z.b. γ-verfahren nach DIN 1052: , analytische Lösung über Differentialgleichungen, Differenzenverfahren, Schubanalogie nach DIN 1052: , Stabwerksmodellierung, numerische Modellierung (FEM). Verwendung von Betonen mit besonderen Eigenschaften oder Charakteristik, z.b. Stahlfaserbeton, Leichtbeton, ultrahoch- fester oder selbstverdichtender Beton. Untersuchung spezieller Deckschichten, z.b. Calciumsulfatestrich oder Polymerbeton. Holzseitig wurden vielfältige Baustoffe getestet, z.b. KVH, Brettschichtholz, Brettstapel, Brettsperrholz oder Kerto. Untersuchung des unterschiedlichen Kriech- und Schwind- verhaltens von Holz und Beton unter einer Dauerbeanspruchung. Untersuchungen zum Brandverhalten, zum Schallschutz, zum Wärmeschutz, zur Dampfdiffusion sowie zum Schwingungsverhalten. Zudem existieren Ergebnisse über den experimentell ermittelten Verlauf der Ausgleichsfeuchte innerhalb des Holzquerschnitts bei Holz-Beton-Verbundkonstruktionen ohne Feuchtigkeitsschutz zwischen den Teilquerschnitten. Herleitung von Berechnungs- und Modellierungs- ansätzen Verwendung hochwertiger Baustoffe Langzeittragverhalten Bauphysikalische Eigenschaften Parameter Statik Beschreibung Bestimmung der Tragfähigkeit und Steifigkeit. Ermittlung und Bewertung weiterer Parameter, wie z.b. Wirtschaftlichkeit, Handhabung, Herstellaufwand oder Vorfertigung. Tabelle 3: Eigenschaften von Neubaudecken in Holz-Beton-Verbundbauweise. Bauphysik Sonstige Evolutionsschritte ausgemacht werden. Mit jedem Evolutionsschritt steigt der Vorfertigungsgrad der Deckenkonstruktion an: Vorgefertigte Holzelemente in Verbindung mit auf der Baustelle aufgebrachter Ortbetonschicht. Vorteil/Eigenschaft Hohe Tragfähigkeit der Decke. Geringe Deckenverformungen infolge hoher Biegesteifigkeit bei vergleichsweise geringer Eigenlast. Hohe Systemsteifigkeit und -festigkeit durch in die Deckenkonstruktion integrierten Beton. Aussteifende Wirkung durch Betonplatte (Scheibenwirkung). Optimales Ausnutzen der spezifischen Werkstoffeigenschaften (Holz: Zugkräfte, Beton: Druckkräfte, Verbindungsmittel: Scherkräfte). Vielseitigkeit bei statischen Systemansätzen (Einfeldsysteme, Mehrfeldsysteme, Kragarmsysteme). Freie Raumgestaltung durch freie Deckenspannweiten bis 15 m und mehr. Sicherheit im Bruchzustand durch duktile Verbindungsmittel zwischen Holz und Beton. Geringe Schwingungsanfälligkeit infolge hoher Biegesteifigkeit bei vergleichsweise geringer Eigenlast. Guter Brandschutz durch nicht brennbaren Beton. Gute Rauchdichtigkeit durch dichte Betonplatte. Guter Luftschallschutz durch zusätzliche Masse des Betons. Guter Trittschallschutz. Wirtschaftlichere Systemansätze im Vergleich zu Deckensystemen aus Stahlbeton oder reinen Holzdecken bei vergleichbarem Ausführungsniveau (fertige Unteransicht). Schneller Bauablauf, da Ausführungsvarianten mit sehr hohem Vorfertigungsgrad der Deckenelemente existieren. Geringeres Eigengewicht von Holz-Beton-Verbunddecken im Vergleich zu massiven Stahlbetondecken. Deckenansichten mit natürlicher Ästhetik und Gestaltungsvielfalt des nachwachsenden Rohstoffs Holz. Vorgefertigte Holzelemente in Verbindung mit im Werk aufgebrachter Ortbetonschicht. Vorgefertigte Holzelemente in Verbindung mit vorgefertigten Stahl - betonelementen. In der Baupraxis bestätigte sich, dass Deckenkonstruktionen in Holz-Beton- Verbundbauweise über zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Konstruktionen in Holz- oder Stahlbetonbauweise verfügen. Die in Tabelle 3 dargestellten technischen, bauphysikalischen und baubetrieb - lichen Eigenschaften sind (in Abhängigkeit des jeweils eingesetzten Verbindungs - systems) erzielbar. Infolge der Anforderungen in der Baupraxis wurden mit der Zeit einige Standardlösungen für Deckensysteme in Holz- Beton-Verbundbauweise entwickelt. Neben Balkenkonstruktionen kommen auch Plattentragwerke in Form von flachliegenden Holzelementen sowie Sonderquerschnitte wie z.b. Kastenträger oder Verbundbauteile aus Brettschichtholz zum Einsatz. Im Folgenden werden exemplarisch Anwendungsbeispiele für heutige Deckenneubauten in Holz-Beton-Verbundbauweise vorgestellt, wobei sowohl auf die klassischen Ausführungsvarianten als auch auf neuere Entwicklungen wie die HBF-Decke und die HBV-TT-Decke eingegangen wird. HBV-Balkendecke Die HBV-Balkendecke ist eine Deckenkonstruktion, bei der unterseitig eine klassische sichtbare Holzbalkendecke vorliegt. Die oberseitig in den Holzbalken eingebrachten Verbindungsmittel sowie die Betonplatte bleiben von der Unterseite her verdeckt. Diese Deckenvariante eignet sich gut für Spannweiten bis ca. 10 m. 50 2/2009

4 Abb. 2: Holz-Beton-Verbundecke im Neubau Unteransicht einer HBV-Balkendecke mit sicht - Abb. 3: HBV-TT-Deckenkonstruktion bestehend aus in der Zugzone angeordnetem Brettschichtholzträger mit zur Schubübertragung eingeklebten HBV- Schubverbindern sowie in der Abb. 4: HBV-Rippedecke bestehend aus Holzbalken und oben liegender schubfest verbundener, konstruktiv bewehrter Betonplatte. Als Verbindungsmittel barer Bretterverschalung zwischen den Brettschichtholzbalken. Foto: Ticomtec [4] Druckzone liegendem Beton (seitlich auf den Träger aufgesetzte Filigranelemente mit zusätzlicher Mattenbewehrung und oberseitigem Aufbeton). Foto: Holzbau Gröber [2] werden häufig in den Holzquerschnitt eingeklebte HBV-Schubverbinder gemäß allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung Z verwendet. Foto: FH Wiesbaden HBV-TT-Decke Eine Ausführungsvariante, die einen besonders hohen Vorfertigungsgrad aufweist, stellt das von der Firma Holzbau Gröber GmbH [2] entwickelte HBV-TT- Deckensystem dar. Dieses Deckensystem ist eine Variante der HBV-Balkendecke, wobei die sichtbaren Holzverschalungen durch Filigrandeckenelemente aus Stahlbeton ersetzt werden. Bei der HBV-TT-Decke werden im Holzleimbauwerk Brettschichtholzträger mit eingeklebten HBV- Schubverbindern vorgefertigt und auf die Baustelle geliefert. Nachdem sie dort in die gewünschten Positionen eingehoben worden sind, werden industriell hergestellte Stahlbetonfertigteile (Filigrandecken) zwischen die einzelnen BSH- Träger (quer zur Spannrichtung der Hauptträger) aufgelegt. Die Filigranelemente sind hierbei kostengünstig und schnell produzierbar. Mit einem Baukran lassen sie sich einfach und mühelos verlegen. Auf der Baustelle muss nur noch eine Stahlbewehrung verlegt sowie die Ortbetonschicht aufgebracht werden. Der Vorteil dieses Konstruk - tionsansatzes liegt darin, dass sowohl Holzbauer als auch Betonbauer ihr werkstoffspezifisches Know how mit in das Produkt Holz- Beton-Verbunddecke einbringen können. Somit sind sowohl Holzproduzent als auch Betonhersteller an der Wertschöpfung der Decke beteiligt. HBV-Rippendecke Die HBV-Rippendecke besteht aus einer oben liegenden Betonplatte sowie unten liegenden, im Raster angeordneten Holzbalken. Die Deckenelemente werden im Werk (Holzbauwerk, Betonwerk) komplett vorgefertigt und lassen sich auf der Baustelle schnell und leicht verlegen. Die 2/

5 Holz-Beton-Verbunddecken Abb. 5: HBV-Kastendecke. Foto: ERNE [1] Abb. 6: HBV-Akustikdecke. Foto: Lignotrend [3] Abb. 7: Holz-Beton-Verbundecke im Neubau Unteransicht einer Flachdecke aus flachliegenden Brettschichtholzelementen. Unterstützung der Decke während des Betoniervorgangs. Foto: Bletz Betonoberseite der Rippendecke ist belagsfertig. Auf ein Glätten oder Nachbearbeiten der Oberfläche in einem zusätzlichen Arbeitsgang kann verzichtet werden. Nach dem Verlegen der einzelnen Deckenelemente müssen diese zum Erzielen der gewünschten Scheibenwirkung miteinander gekoppelt werden. Dies geschieht in der Regel über das Ausbetonieren von speziellen Vergusstaschen. Die HBV-Rippendecke kann mit einer federnd abgehängten Unterdecke in Trockenbauweise geschlossen werden, um Vorteile hinsichtlich des Schallschutzes (entkoppelte Ebene) zu nutzen. HBV-Kastendecke Als Lösung für große Spannweiten wurde die HBV-Kastendecke entwickelt. Diese Decken va - riante besteht aus in Ras - tern angeordneten Holzrippen, an die an der Unterseite ein statisch wirksames Zugband angebracht ist (i.d.r. über eine Klebeverbindung). Oberseitig liegt auf den Holzrippen eine Holzwerkstoffplatte auf, wodurch das Kastenelement kreiert wird. Über die oberseitig in die Holzrippen eingesetzten Verbindungsmittel wird der Kraftfluss zwischen Holzrippen und oberseitiger Betonschicht hergestellt. Die Hohlräume der Kastendecke können durch den Einsatz spezieller Materialien oder Baustoffe (z.b. Wärmedämmung) zur Verbesserung definierter bauphysikalischer Eigenschaften genutzt werden. HBV-Akustikdecke Als Sonderausführung der HBV-Kastendecke kann die HBV-Akustikdecke angesehen werden. Hierbei wird das Zugband der HBV- Kastendecke durch ein spezielles bauteilintegriertes Akustikelement ersetzt. Die ses ist in mehreren Ausführungsvarianten erhältlich. Die Ausführungsva ri - anten unterscheiden sich hinsichtlich der Holzart und der Fugenbreite (4 mm, 8 mm, 20 mm). Die wesentlichen Vorteile der HBV- Akustikdecke liegen in der deutlich verbesserten Raum akustik sowie der attraktiven Deckenansicht. HBV-Plattendecke Die HBV-Plattendecke besteht aus flach liegenden Holzelementen mit einer schubfest verbundenen oberseitigen Betonplatte. Als Holzelemente kann in Abhängigkeit des Herstellers Brettschichtholz, Brettstapel, Brettsperrholz oder Furnierschichtholz eingesetzt werden. Die i.d.r. im Holzwerk vorgefertigten Holzelemente lassen sich auf der Baustelle schnell verlegen. Die Deckenvariante eignet sich gut für Spannweiten bis ca. 10 m. HBF-Decke Bei der HBF-Decke handelt es sich um eine Ausführungsvariante einer Holz- Beton-Verbunddecke, die über herausragende Schallschutzeigenschaften verfügt. Wie durch Schallschutzversuche am IFT Rosenheim gezeigt werden konnte, besitzt die HBF- Decke hervorragende Eigenschaften hinsichtlich des Trittschallschutzes (Messwerte L n,w bis 33 db), des Luftschallschutzes (Messwerte R w bis 80 db) sowie beim Spektrumsanpassungswert für Tieftöne (C i, = 6 db). Bezüglich des Aufbaus besteht die Besonderheit der HBF- Decke darin, dass spezielle Betonfertigteile als Druckgurte eingesetzt werden. Diese Betongute werden an definierten Positionen auf das Holzzugband aufgesetzt und über HBV-Schubverbinder schubfest mit diesem verbunden (durch das Ausgießen von Vergusstaschen, in die die HBV-Schubverbinder hineinragen). Durch diese Vorgehensweise (Nutzen von Betonfertigteilen) wird der Feuchtigkeitseintrag in die Holzkonstruktion auf ein Minimum (nur infolge Vergussbeton) reduziert. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Hohlräume unter den Betonfertigteilen mit einer Schüttung zu füllen. Hierin liegt der Hauptgrund für die herausragenden Schallschutzeigenschaften der HBF- 52 2/2009

6 Abb. 8: HBF-Decke bestehend aus unterseitigem Holzzugband, vorgefertigten Stahlbetonelementen und oberseitigem Deckenaufbau. In die Hohlräu- Decke. In die Hohlräume können zudem Rohr- und Installationsleitungen verlegt werden. Fazit Holz-Beton-Verbundkonstruktionen gehören nach langjährigen Forschungsund Entwicklungstätigkeiten zum Stand der Technik. Die Bauweise hat sich beim Neubau von Geschoss - decken etabliert. Holz- Beton-Verbunddecken verfügen aus statischer, konstruktiver, bauphysikalischer und wirtschaftlicher Sicht über zahlreiche positive Eigenschaften. Drei wesentliche Evolutionsschritte me der Decke wird eine Füllung eingestreut. Weiterhin können Rohr- und Installationsleitungen in den Hohlräumen verlegt werden. Zeichnung: Lignotrend [3] können im Bereich des Holz-Beton-Verbunddeckenneubaus ausgemacht werden, wobei mit jedem Evolutionsschritt der Vorfertigungsgrad der Decke ansteigt. Neben den klassischen Ausführungsvarianten (HBV-Balkendecke, HBV-Rippendecke, HBV- Kastendecke, HBV-Plattendecke) existieren seit Kur - zem mit der HBF-Decke und der HBV-TT-Decke zwei neuartige HBV- Deckenkonstruktionen. Die Möglichkeiten, die die HBV-Bauweise im Bereich des Deckenneubaus bietet, sind dadurch weiter angewachsen. Literatur & Quellen [1] Fa. Erne AG, Werkstraße 3, CH-5080 Laufenburg, [2] Fa. Holzbau Gröber GmbH, Biberacher Straße 19, D Eberhardzell-Füramoos, [3] Fa. Lignotrend Produktions GmbH, Landstraße 25, D Weilheim-Bannholz, [4] Fa. Ticomtec GmbH, Goethestraße 60, D Haibach, Abb. 9: HBF-Decke während eines Traglastversuchs an der MPA Wiesbaden. Foto: Bletz Abb. 10: Ausgeführtes Bauvorhaben mit einer HBF-Decke. Foto: Bathon Holz-Beton-Verbunddecken Anzeige Natürliche Dämmstoffe aus Holzfasern Perfekter Schutz vor: Kälte Sommerhitze Lärm Dach Wand Boden Decke Wohlfühlen das ganze Jahr Vertrieb für Smrecina Hofatex im Deutschland und Österreich: Hofatex GmbH, Kalvarienbergstr Stühlingen, Deutschland tel.: / fax: / Das ökologische Baumaterial für die komplette Dämmung Ihres Hauses oder Ihrer Wohnung. Die leichte und einfache Verwendung. Nachgewiesen von den Kunden auf den meisten hochentwickelten Märkten mit der Dämmung ihrer Art Deutschland, Italien. 2/ ZÁRUKA KVALITY GARANZIA QUALITE GARANTIE DI QUALITÀ QUALITY GUARANTEE QUALITÄTIS GARANTIE