Historische Dachtragwerke Tragwirkung, Berechnung und Instandsetzung

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1 Dipl. Dipl.-Ing. Andreas Meisel WKC Hamburg GmbH - Planungen im Bauwesen, Tempowerkring 1 b, Hamburg zuvor: Technische Universität Graz Institut für Holzbau und Holztechnologie Inffeldgasse 24, 8010 Graz Historische Dachtragwerke Tragwirkung, Berechnung und Instandsetzung Abb. 1: Dachwerk des Franziskanerklosters in Graz, 15. Jhdt. 1

2 1. Einführung Zeitlich und regional entstanden völlig unterschiedliche zimmermannsmäßig errichtete Tragwerke für Dächer, die in großer Zahl die Jahrhunderte überdauert haben. Zahlreiche dieser historischen Dachwerke (darunter werden hier vor 1900 zimmermannsmäßig errichtete Tragwerke verstanden) gilt es im Sinne des Denkmalschutzes (z.b. UNESCO WKE von Graz) kommenden Generationen zu erhalten, instand zu setzen oder auch einer neuen Nutzung zuzuführen. Immer häufiger werden für diese Aufgaben Bauingenieure beauftragt, welche jedoch in der Regel aufgrund ihrer Ausbildung wenig Wissen und Verständnis für die Konstruktion und Tragwirkung historischer Dachwerke haben. Erschwerend kommt hinzu, dass diese Tragwerke ohne Kenntnis der heutigen baustatischen Erwägungen errichtet wurden. Der vorliegende Beitrag behandelt neben der Berechnung, Tragwirkung und Instandsetzung daher auch die Nomenklatur und geschichtliche Entwicklung historischer Dachwerke in Mitteleuropa beginnend mit dem 11. Jh. 2. Tragsysteme Nahezu alle Dachtragwerke lassen sich in zwei Grundtypen untergliedern: das Sparren- und das Pfettendach. Nach dem statischen System können diese wie folgt definiert werden. Sparrendach Beim Sparrendach handelt es sich um mehrfach hintereinander angeordnete Dreigelenkrahmen mit oder ohne weitere Unterstützungen (z. B. Kehlbalken) der Sparren. Die Sparren nehmen Biegemomente, Normalkräfte und Querkräfte auf. Der Horizontalschub aus den Sparren wird durch den als Zugband wirkenden Bundtram aufgenommen. Konstruktiv sind die Sparren wesentlicher Bestandteil des Tragwerks. Pfettendach (Rofen-/Rafendach) Die Sparren (historisch auch Rofen oder Rafen) des Pfettendachs sind geneigte Biegeträger, welche ein- oder mehrere Felder, mit oder ohne Auskragung überspannen und auf Pfetten aufgelagert sind. Die Sparren nehmen von geringen Normalkräften abgesehen, nur Biegemomente und Querkräfte auf. Die Pfetten wiederum lagern entweder direkt auf Mauerbänken und Wänden oder aber auf Stühlen auf. Die Pfetten tragen die Lasten im Wesentlichen über Biegung in Firstrichtung ab. Konstruktiv sind die Sparren Bestandteil der Dachhaut. Abb. 2: Gegenüberstellung der Tragsysteme, Links: Sparrendach, Rechts: Pfettendach. Die gegenwärtigen Dachwerke lassen sich meist gut den in Bild 2 dargestellten Grundtypen zuordnen,- es können kaum Zweifel über Bezeichnung und Tragwirkung auftreten. Im Gegensatz dazu fällt es z. T. schwer die globale Lastabtragung historischer Dachtragwerke nachzuvollziehen und sie umfassend zu bezeichnen. Solange ein Dachwerk nur firstnormale Konstruktionsglieder aufweist von Mauerbänken, Windrispen und Dachlatten abgesehen kann es sich nur um ein Sparren- bzw. Kehlbalkendach handeln. In vielen mitteleuropäischen Dachwerken sind allerdings firstnormale und firstparallele 2

3 Konstruktionsglieder an der globalen Lastabtragung beteiligt. Somit können Lasten sparrendachartig und pfettendachartig abgetragen werden. In diesem Beitrag wird daher davon ausgegangen, dass immer dann die Bezeichnung Sparren bzw. Kehlbalkendach zutrifft, wenn der Sparren zuerst vom Kehlbalken und erst danach von einem firstparallel verlaufenden Balken (als Rähm bezeichnet) unterstützt wird. Diese, von der konstruktiven Ausbildung der Sparrenunterstützung abhängige, Klassifizierung spiegelt auch die historische Entwicklung wieder. 3. Geschichtliche Einführung Hier wird gezeigt, dass es sich beim überwiegenden Teil der etwa vor 1800 in Mitteleuropa errichteten historischen Dachtragwerke um Kehlbalkendächer mit Hängesäulen, Kreuzstreben und/oder stehenden/liegenden Stühlen handelt. Diese Tragwerke sind seit rund einem Jahrhundert bis auf Einzelfälle nicht mehr gebaut worden. Im 19. Jh. haben sich die Pfettendächer (meist mit Hängewerken) als die an unregelmäßige Grundrisse anpassungsfähigere, leichter zu montierende und zu reparierende Dachwerke erwiesen. Auch der Holzeinsatz ist wie exemplarische Berechnungen in Graz gezeigt haben bei Pfettendächern deutlich geringer. Allerdings ist der Grad der statischen Unbestimmtheit bei den meisten Pfettendächern niedriger, sodass Kehlbalkendächer in der Regel die robusteren Tragwerke darstellen. 4. Tragwirkung Allein nach statischen Gesichtspunkten betrachtet, sind viele historische Dachtragwerke nicht logisch, ihre Konstruktion und Tragwirkung kann nicht einfach nachvollzogen werden. Einzelne Stäbe sind beispielsweise nur unwesentlich an der globalen Lastabtragung beteiligt. Weiters liegen häufig Tragwerke vor, welche sowohl pfettendachartig als auch sparrendachartig abtragen. Als Gründe für diese Besonderheiten können genannt werden, dass die Konstruktionen z. B. überwiegend von der Erfahrung und dem Mut der Ausführenden sowie von der Montagetechnologie bestimmt wurden. Statische Berechnungen spielten damals i. d. R. keine Rolle. Exemplarisch wird die räumliche Tragwirkung eines Kehlbalkendachs mit liegendem Stuhl erläutert. 5. Berechnung Für die Berechnung von Instandsetzungsmaßnahmen wird ein Konzept vorgestellt, welches die Bemessungstragfähigkeit eines geschädigten Knotens abschätzt und mit diesen Kräften die neuen Bauteile und Verbindungen bemisst. Ein komplette statische Analyse des Tragwerks, welche im Falle von historischen Dachwerken zudem mit großen Unsicherheit verbunden ist, ist hierzu nicht erforderlich. Abschließend wird eine auf Basis dieses Bemessungskonzepts konstruierte Instandsetzungslösung für einen Sparrenfußpunkt vorgestellt. 6. Instandsetzung Im vorliegenden Beitrag wird darauf hingewiesen, dass umfassende, bestandsschonende und ökonomische Instandsetzungen umfangreiche Vorarbeiten benötigen. So ist die Zugänglichkeit zu allen Traggliedern herzustellen und alle Hölzer zu reinigen. Danach erfolgt die Bestands- und Schadenserfassung sowie eine erste Zuverlässigkeitsbeurteilung. Erst danach sollten Instandsetzungsmaßnahmen konstruiert und berechnet werden. Für die Planung von Instandsetzungen werden unterschiedliche Instandsetzungskonzepte vorgestellt und deren Vor- und Nachteile erläutert. Anschließend wird exemplarisch auf Instandsetzungen in der Praxis eingegangen. 3

4 Abb. 3: Instandsetzungskonzepte. 7. Zusammenfassung Historische Dachtragwerke sind Zeugnis vergangener, zum Teil über viele Jahrhunderte bewährter Zimmermannsarbeit. Ihre Erhaltung sollte uns allen ein Anliegen sein. Der Beitrag zeigt zudem, dass sich historische Dachwerke deutlich von Ingenieurholzbauten unterscheiden. Für den Umgang mit Ihnen ist sowohl auf Seiten der Planung als auch auf Seiten der Ausführung Spezialwissen erforderlich. 4

5 Literatur und Quellen 1 ERLER Klaus: Alte HolzBauWerke : Beurteilen und Sanieren. 3. Aufl. Neufassung. Berlin : Huss- Medien GmbH Verlag Bauwesen, ISBN FRITZEN Klaus: Binder aus Gebinden : Statisches Konzept der kleinen Saalkirche als Beispiel für die Sanierung von Denkmälern. In: bauen mit holz, Brunderverlag 2002, Nr. 9, S GÖRLACHER Rainer ; et al: Tragfähigkeit und Verformungsverhalten von zugbeanspruchten Blattverbindungen in historischen Holzkonstruktionen. In: SFB 315 Jahrbuch 1990, S Berlin : Verlag Ernst & Sohn. 4 GÖRLACHER Rainer ; KROMER Martin : Tragfähigkeit von Versatzanschlüssen in historischen Holzkonstruktionen. In: bauen mit holz, Bruderverlag 1991, S GÖRLACHER Rainer ; KROMER Martin : EHLBECK Jürgen : Behutsame Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen von historischen Holzkonstruktionen. In: SFB 315 Jahrbuch 1994, S Berlin : Verlag Ernst & Sohn. 6 GÖRLACHER Rainer ; et al: Hölzerne Tragwerke : Untersuchen, Berechnen und Instandsetzen. Reihe B. Karlsruhe : Universität Karlsruhe, Sonderforschungsbereich GÖTZ Jürgen: Instandsetzung der Johanniskirche in Göttingen. In: In: 2. Grazer Holzbau- Sonderfachtagung 2011 : Historisch wertvolle Dachwerke in UNESCO Weltkulturerbe Zonen, Tagungsband. Graz : Verlag der Technischen Universität Graz. 8 HEIMESHOFF Bodo ; KÖHLER N. ; Deutsche Gesellschaft für Holzforschung (Hrsg.): Untersuchung über das Tragverhalten von zimmermannsmäßigen Holzverbindungen : T München : IRB Verlag, Forschungsbericht 9 HENRICHSEN Christoph: Reparaturen und statische Sicherungen an historischen Holzkonstruktionen. Landesamt für Denkmalpflege Hessen, Wiesbaden Konrad Theiss Verlag GmbH, Stuttgart ISBN HINKES Franz-Josef: Experimentelle und rechnerische Untersuchung zur Ermittlung der Tragfähigkeit von Zapfenverbindungen. Universität Hannover, Diss., HOLZER Stefan M.; KÖCK Bernd: Barocke Dachwerke: Konstruktion und Analyse des Tragverhaltens. In: Bautechnik, Berlin: Verlag Ernst & Sohn 2009, Nr. 1, S IBOLD Stefan: Sanieren im Dach- und Holzbau : Grundlagen - Anforderungen - Beispiele. Köln : Verlagsgesellschaft Rudolf Müller GmbH & Co. KG, ISBN KIRCHLER Markus: Modellierung eines historischen Dachstuhls Vergleich von Stab- und FE- Berechnungen. Graz, Erzherzog-Johann-Universität Graz, Fakultät für Bauingenieurwissenschaften, Dipl.-Arb., Institut für Holzbau und Holztechnologie 14 KOCH Heiko: Untersuchungen zum Last-Verformungsverhalten historischer Holztragwerke der abgestirnte Zapfen. Schriftenreihe Bauwerkserhaltung und Holzbau, Heft 5, Universität Kassel, Diss. 15 KÖCK Bernd ; HOLZER Stefan M.: Zum Tragverhalten von Überblattungen in historischen Holztragwerken. In: Bauingenieur, Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag 2011, Ausgabe 3, S KÖCK Bernd: Barocke Dachwerke: Konstruktion und Tragverhalten. Universität der Bundeswehr München. Diss., KRAFT Udo ; PRIBBERNOW Doreen: Handbuch der Holzprüfung : Anleitungen und Beispiele. 1. Auflage : Vbt Verlag Bau u. Technik, ISBN-10: KRAFT Susanne: Zur Konstruktion und zum Tragverhalten gezimmerter Kehlbalkendächer mit fachwerkartigem Längstragwerk : Untersuchungen an Dachwerken des 16. bis. 18. Jahrhunderts in Pirna. Universität Karlsruhe, Diss., MADER Gert: Methoden und Verfahren zur Erhaltung historischer Holzkonstruktionen. In: SFB 315 Heft , S Berlin : Verlag Ernst & Sohn. 20 MEISEL Andreas: Historische Dachstühle: Tragsysteme, Bestandserfassung, statische Analyse und Sanierung mit flächenhaften Holzwerkstoffen, TU Graz, Dipl.-Arb., Institut für Holzbau und Holztechnologie 5

6 21 MEISEL Andreas ; MOOSBRUGGER Thomas ; SCHICKHOFER Gerhard: Der Anteil des Tragvermögens der Dachlattung an der globalen Lastabtragung von Dachtragwerken. In: Bautechnik, Berlin: Verlag Ernst & Sohn 2010, Nr. 6, S MEISEL Andreas: Musterdetails und Instandsetzungsbeispiele. In: 2. Grazer Holzbau- Sonderfachtagung 2011 : Historisch wertvolle Dachwerke in UNESCO Weltkulturerbe Zonen, Tagungsband. Graz : Verlag der Technischen Universität Graz. 23 MEISEL Andreas ; SILLY Gregor ; SCHICKHOFER Gerhard: D(N)achhaltigkeit Graz, Forschungsbericht (unveröffentlicht) MEISEL Andreas et al: Historische Dachtragwerke aus Holz : Klassifizierung und Entwicklung aus statischer Sicht, TEIL 1. Zeitschriftenbeitrag, Veröffentlichung 2012 geplant 25 MEISEL Andreas et al: Historische Dachtragwerke aus Holz : Statische Analyse und Tragwirkung, TEIL 1. Zeitschriftenbeitrag, Veröffentlichung 2012 geplant 26 MÖNCK Willi: Schäden an Holzkonstruktionen. 3. Aufl. Berlin : Huss-Medien GmbH Verlag Bauwesen, ISBN NIER Joachim: Experimentelle Festigkeitsuntersuchungen an alten Bauhölzern und daraus abgeleitete Erkenntnisse zur Tragfähigkeitsbeurteilung. Technische Hochschule Leipzig, Diss., PETZET Michael ; MADER Gert: Praktische Denkmalpflege. Stuttgart W. Kohlhammer Druckerei GmbH + Co. - ISBN PETZET Michael (Hrsg.): Reparatur in der Baudenkmalpflege. Bayerisches Landesamte für Denkmalpflege, München Karl M. Lipp Verlag. - ISBN: SOMMER Anke: Ästhetische Restaurierung mit gerechneten Holznägeln. In: bauen mit holz, Bruderverlag 2004, Nr. 10, S THINIUS-HÜSER Klaus: Historische Holzkonstruktionen. Karlsruhe : Bruderverlag, ISBN-10: ZWERGER Klaus: Das Holz und seine Verbindungen : Traditionelle Bautechniken in Europa und Japan. Basel : Birkhäuser - Verlag für Architektur, ISBN