Holz-Beton-Verbund Systeme Praxis und Tendenzen

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1 Holz-Beton-Verbund Systeme - Praxis und Tendenzen P. Jung 1 Holz-Beton-Verbund Systeme Praxis und Tendenzen Timber-Concrete-Composite systems Comparison and trends Les systèmes bois-béton au banc d essai comparatif et tendances Pirmin Jung PIRMIN JUNG Ingenieure AG CH-Rain

2 2 Holz-Beton-Verbund Systeme - Praxis und Tendenzen P. Jung 21. Internationales Holzbau-Forum IHF 2015

3 Holz-Beton-Verbund Systeme - Praxis und Tendenzen P. Jung 3 Holz-Beton-Verbundsysteme Vergleich und Tendenzen 1. Einstieg «Ein Brückenbau besteht zur Hauptsache aus einem Konzept, einer konstruktiven Durchbildung, einer Berechnung und der Realisierung. Man kann nicht sagen, einer dieser Punkte sei der weitaus wichtigste. Die Ingenieure legen den Schwerpunkt mit der Berechnung meist auf einen Punkt, von dem ich meine, er sei nicht so wichtig. Nach meinem Dafürhalten wäre dem Konzept mehr Aufmerksamkeit zu schenken. Und zusätzlich muss geschaut werden, dass das konzipierte Projekt auch tatsächlich realisiert werden kann. Eine Berechnung, die weit über die Toleranzen der Baugenauigkeit hinausreicht, macht keinen Sinn. Ebenso eine konstruktive Durchbildung, die bei der Bauausführung Toleranzen verlangt, die kaum eingehalten werden können.» Zitat von Christian Menn in «die baustellen», Fachzeitschrift für Hoch-/Tief- und Spezialbau Nr.7/ Was hier Christian Menn über den Brückenbau sagt, gilt sinngemäss für den heutigen Umgang mit Holz-Beton-Verbunddecken durch die Ingenieure und die staatlichen Kontrollbehörden. Auch bei HBV-Decken kann sehr viel gerechnet, theoretisch entwickelt und nachgewiesen werden. Oft reichen aber einfachere statische Modelle, um das Tragverhalten zuverlässig nachzuweisen. Für das Funktionieren der Deckenkonstruktion und die Zufriedenheit des Bauherrn ist ebenso die richtige Ausführung massgebend. In meinen Vortrag werde ich: den praktischen Einsatz von HBV-Decken durch PIRMIN JUNG bei unterschiedlichen Projekten aufgezeigen. Es werden Überlegungen erläutert, welche jeweils zum einen oder zum anderen Deckensystem führten, aufzeigen, welche Parameter für die Bemessung massgebend sind und wie die Ausführung der geplanten Konstruktionen sichergestellt wird, diskutieren, wohin die Entwicklung bei den HBV-Decken gehen könnte. 2. Vielfältige Systeme HBV-Decken können bei Geschossbauten je nach Spannweite, Anforderungen an die Optik, an den Schallschutz, den Brandschutz und die maximal mögliche Deckenstärke, die optimale Deckenkonstruktion sein. Bei PIRMIN JUNG wurden bisher in rund 180 Projekte mit total ca. 325 Häuser und 720 Decken ca m 2 HBV-Decken geplant und dann auch ausgeführt: 1% Abbildung 1: Aufteilung nach Projektarten der bei PIRMIN JUNG geplanten HBV-Decken 12% 10% 1% 7% 69% Einfamilienhaus Mehrfamilienhaus Schule und öffentliche Bauten Industrie und Gewerbe Landwirtschaft Brücken

4 4 Holz-Beton-Verbund Systeme - Praxis und Tendenzen P. Jung 21. Internationales Holzbau-Forum IHF 2015 Die meisten Decken werden mit flächiger Holzschicht geplant. Dieser Aufbau ist wirtschaftlich sinnvoll bis ca. 8,0 m Spannweite. Aufgrund der Forderung nach gutem Schallschutz, insbesondere im Tieftonbereich, wird der Überbeton immer mindestens 120 mm stark gewählt. Bei akustischen Anforderungen z.b. in Schulhäusern oder Bürogebäuden kann ein Querschnitt mit ca. 50% Holz in der unteren Schicht zweckmässig sein. Dabei wird der statische Deckenquerschnitt als T-Träger ausgebildet. Bei grossen Spannweiten oder im Sanierungsbereich kommen Rippendecken zum Zug. Beim Schubverbund werden möglichst kostengünstige, steife Verbindungen gewählt, welche im Versagensfall möglichst ein plastisches Tragverhalten zeigen. Abbildung 2: Je nach Projektanforderung optimale HBV-Verbunddeckensysteme Abbildung 3: Möglichst kostengünstiger, steifer Schubverbund

5 Holz-Beton-Verbund Systeme - Praxis und Tendenzen P. Jung 5 3. Projektbeispiele 3.1. Überbauung Grünmatt, Zürich ( ) Die Familienheimgenossenschaft in Zürich realisierte in vierzehn 3- und 4-geschossigen Mehrfamilienhäusern 172 Wohneinheiten. Schon im Wettbewerbsprojekt wurden Holzbauten vorgeschlagen, welche mit Flachdecken (Spannweite bis 6,2m) in HBV ausgeführt wurden. Um den Holzbau zu zeigen, blieb die Untersicht sichtbar. Für die möglichst homogene Deckenuntersicht (stark zeichnende Fugen waren nicht erwünscht) wurde als Holzschicht ein gehobelter, scharfkantiger Brettstapel gewählt. Als Schubverbund bot sich an, den Brettstapel auf der Oberseite mit +/- Oberfläche auszuführen, in welchen je Auflagerseite drei stehende Flachstahlschlösser eingelegt wurden. Abbildung 4: Genossenschaftsbau Grünmatt mit HBV-Flachdecken 3.2. Wohn- und Gewerbehaus C13, Berlin (2012) Der 5- und 7-geschossige Wohn- und Gewerbebau in Berlin ist auf einem einheitlichen Raster von 5,0 x 5,0 m aufgebaute. Um bei möglichst schlanken Decken mit sichtbarer Holzoberfläche möglichst hohe Schallschutzwerte zu erreichen, wurden wiederum flächige HBV-Decken eingesetzt. Als Tragschicht wählte man liegendes Brettschichtholz. In Räumen mit grosser Personenbelegung wurde die Holzschicht auf 50% der Fläche reduziert, um hier Akustikkasten auszubilden. Der Schubverbund wurde über Querkerven ausgeführt. Abbildung 5: 7-geschossiges Wohn- und Geschäftsgebäude in Berlin mit HBV-Flachdecken und mit Akustikdecken in Räumen mit grossen Personenbelegungen.

6 6 Holz-Beton-Verbund Systeme - Praxis und Tendenzen P. Jung 21. Internationales Holzbau-Forum IHF Kantonsschule Kreuzlingen (1998) Der Wettbewerbsbeitrag für die 4-geschossige Kantonsschule in Kreuzlingen war ein Massivbau. Auf Druck der örtlichen Holzlobby prüfte der Bauherr HBV-Decken. Der erste Vorschlag mit den flächigen Brettstapel, die mit Akustikprofilierung angedacht waren, vermochte die geforderten Nachhallzeiten nicht zu erfüllen. Die Idee war dann, die Brettstapel zu erhöhen und in der Fläche zu reduzieren, um dazwischen Akustikhohlkasten auszuführen. Diese Konstruktion erfüllte die hohen Ansprüche an die Akustik bei gleichbleibender, flächiger Holzuntersicht. Bei maximaler Deckenspannweite von 8,0 m musste der 3,2 m lange Betonkragarm im Erschliessungsbereich in der HBV-Decke eingespannt werden, was über Verguss der Holzstirne mit dem Betonkragarm und Anschlussbewehrung auf der oberen Zugseite sichergestellt wurde. Abbildung 6: HBV-Deckenkonstruktion der Kantonsschule Kreuzlingen mit integrierten Akustikkasten. Die betonierten Deckenkragarme im Erschliessungskern sind in die HBV-Decken eingespannt Beispiel: Dienstgebäude der Armee in Liestal (2002) Die unterschiedliche Nutzung von Grossküche und Kantine im Erdgeschoss, von Theorieräumen im Obergeschoss und von Hotelzimmern im Dachgeschoss, verlangte möglichst flexible Grundrisse. Die freitragenden HBV-Decken mit 11,5 m Spannweite ermöglichen dies. Als Konstruktion wurde eine Balkendecke mit Aufbeton gewählt. Als Verbundsystem wurden gekreuzte SFS-HBV-Verbundschrauben (ca Stück!) eingesetzt. Abbildung 7: Dienstgebäude mit unterschiedlicher Nutzung auf den Geschossen. HBV-Balkendecke mit 11,5 m Spannweite.

7 Holz-Beton-Verbund Systeme - Praxis und Tendenzen P. Jung Beispiel: Einsatzzentrale Sanität und Rettung, Bern (2012) Auch die neue Einsatzzentrale für die Sanitäts- und Rettungsdienste des Kantons Bern wurde bereits im Wettbewerb als Holzbau geplant. Der Bau ist 3-geschossig, kann aber auf 6 Geschosse aufgestockt werden. Das Stützenraster von 7,50 x 7,60 m erlaubt, die Grundrisse flexibel zu nutzen. Als Minergie-P-Bau war eine hohe Speichermasse gefordert, um das Aufheizen im Sommer zu reduzieren. Die Lösung war hier eine HBV- Balkendecke mit sichtbarem Überbeton. Auf die montierten Balken wurden Filigran- Betonelemente gelegt, welche mit einem Ortbeton übergossen wurden. Abbildung 8: HBV-Balkendecke mit sichtbarem Überbeton, um die Speichermasse in den Räumen zu optimieren. Verbundsystem mit eingeklebten Gewindestangen «System GSA». 4. Interne Entwicklung HBV-Deckenkonstruktionen sind eine Konstruktionsart, die normativ kaum geregelt ist. Als projektierender Ingenieur hat man sich an den Stand der Technik zu halten, welcher in der Schweiz durch die SIA-Normen abgebildet wird. Dies sind eher offene Normen, welche dem projektierenden Ingenieur Gestaltungsfreiheit ermöglichen. Auch gibt es in der Schweiz keine bauaufsichtlichen Zulassungen und auch keine Prüfingenieure. Der Ingenieur steht für die geplanten Konstruktionen in voller Verantwortung. Bei PIRMIN JUNG hat man schon vor 20 Jahren das Potential von HBV-Konstruktionen erkannt. Um Planungssicherheit zu erlangen, wurde früh damit begonnen, zusammen mit Forschungsanstalten Konstruktionssysteme zu testen und die HBV-Technologie weiter zu entwickeln. Es begann mit einer Deckenkonstruktion, bei welcher der Schubverbund über die sägerohe Holzoberfläche funktioniert. Neben Biegeversuchen wurde dafür an der EMPA in Dübendorf ein Grossbrandversuch über 90 Minuten durchgeführt. Es wurden Steifigkeiten unterschiedlicher Kerven ermittelt und zusammen mit Partnern an der BFH-AHB Biel die Swiss-Wood-Concret-Decke entwickelt. Dabei handelt es sich um eine Hohlkastendecke, bei welcher der Beton in der unteren Zugzone angeordnet ist.

8 8 Holz-Beton-Verbund Systeme - Praxis und Tendenzen P. Jung 21. Internationales Holzbau-Forum IHF 2015 Abbildung 9: Mit internen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wird die Zuverlässigkeit der Planung und der Ausführung von HBV-Decken laufend optimiert. 5. Planung 5.1. Bemessung Über die Steifigkeit des Schubverbundes wird viel geforscht und diskutiert. Viel mehr Einfluss auf das Trag- und Verformungsverhalten haben aber die Materialkennwerte des Holzes und des Betons! Die folgende Grafik zeigt die Bemessung einer Musterdecke (Ausnutzung Tragsicherheit 33%, Verformung L/500). Eindrücklich, wie die Materialkennwerte (E-Modul, Kriech-, Schwindmass, Höhe Überbeton), welche in der Praxis nie so genau bekannt sind, für die Bemessung viel relevanter sind als die Verbundsteifigkeit. Abbildung 10: Einfluss der baupraktischen Unterschiede der Materialkennwerte auf die Bemessung.

9 Holz-Beton-Verbund Systeme - Praxis und Tendenzen P. Jung Haustechnik in HBV-Decken Noch kaum einmal gab es eine HBV-Decke, in welcher nicht irgendeine Hautechnikleitung eingelegt werden musste. Besonders wichtig ist, dass die Haustechnikplaner bereits im Rahmen der Vorplanung zu den Eigenschaften und zum Bauablauf von HBV-Decken orientiert sind und über die Möglichkeiten des Einlegens von Installationen ins Bild gesetzt werden. Unsere Erfahrungen geben wir an die Haustechnikplaner weiter, kontrollieren laufend ihre Planungen innerhalb der HBV-Decken. Natürlich gibt es auch umfassende Kontrollen während der Ausführung betreffend der Statik und dem Schallschutz. Abbildung 11: Die Haustechnikplaner sind im gesamten Planungsprozess bezüglich der Planung ihrer Installationen in den HBV-Decken zu führen, die Installationen sind vom Ingenieur vor dem Betonieren bezüglich der planmässigen Einlage (Statik) und dem Schallschutz (Körperschall von Abläufen) zu kontrollieren. 6. Tendenzen 6.1. Optimierte Anschlussbauteile HBV-Decken sind in Kombination mit den Anschlussbauteilen zu planen, da diese bis zu 30% der Kosten pro m 2 Deckenfläche betragen können. Zukünftig wird es hier darum gehen, Material einzusparen und den Überbeton auch in die zweite Tragrichtung mit zu berücksichtigen. Für vorgefertigte HBV-Decken werden Kombinationen mit Fertigbetonbauteilen spannend sein. Abbildung 12: Überlegungen zur Optimierung und damit Kostenreduktion bei den Unterzugsystemen

10 10 Holz-Beton-Verbund Systeme - Praxis und Tendenzen P. Jung 21. Internationales Holzbau-Forum IHF Einsatz von Buchen-Furnierschichtholz Mit Buchenfurnierschichtholz steht dem Holzbau seit neuerer Zeit ein Hochleistungsmaterial zur Verfügung, mit welchem HBV-Decken mit ganz neuen Dimensionen realisiert werden können. Die Holzplatte wird auf 60 bis 80mm reduziert, der kostengünstige Überbeton erhöht. Damit werden HBV-Decken realisierbar, welche bezüglich den Kosten nicht mehr viel teurer sind als herkömmliche Betondecken. Mit der sichtbaren Holzoberfläche überzeugen die Decken mit ansprechender Optik. Abbildung 13: Einsatz von Buchenfurnierschichtholz für HBV-Decken Biaxiales Tragverhalten von HBV-Decken Aufgrund der Forderungen des Schallschutzes muss der Überbeton oft mindestens 120mm stark sein. Diese Betonschicht hat ein Eigentragverhalten in beide Richtungen in Deckenspannrichtung und quer dazu. Querschnitte von Unterzügen und Deckenstärken können in bestimmten Fällen reduziert werden, wenn diese Eigensteifigkeit in der Bemessung mit angesetzt und der Überbeton entsprechend bewehrt wird. Abbildung 14: Ausnutzen des biaxialen Tragverhaltens aus dem Überbeton 6.4. Vorfertigung von HBV-Elementen Bei PIRMIN JUNG wurde das Vorfertigen bei unterschiedlichen Projekten evaluiert, bei einzelnen Projekten auch umgesetzt. Grundsätzlich würde das Vorfertigen dem Gedanken des Holzbaues voll und ganz entsprechen. Wenn aber die Kosten gerechnet werden, zeigt sich, dass das Vorfertigen kaum rentiert. Zum einen muss der Beton 2x verladen und herumgefahren werden, die Elemente werden schwerer und erfordern einen grösseren Baustellenkran und schlussendlich müssen alle Fugen schubsteif vergossen werden.

11 Holz-Beton-Verbund Systeme - Praxis und Tendenzen P. Jung 11 Abbildung 15: Aufbringen des Überbetons in den Hallen des Holzbauers 6.5. Schnellabbindender Überbeton Als kostengünstige und sinnvolle Alternative zur Vorfertigung hat sich der Einsatz von schnellabbindendem Überbeton bewährt. Zusammen mit SIKA hat PIRMIN JUNG einen Zugschlagstoff definiert, welcher das Schwind- und Kriechverhalten optimiert, parallel dazu der Beton in 4 Tagen 80% die Endfestigkeit erreicht. Abbildung 16: Mit schnellabbindendem Beton die Spriesszeit reduzieren und damit den Bauprozess optimieren Anerkanntes Nachweisverfahren Trotz den vielen geplanten und realisierten Projekten mit den über m 2 HBV- Decken kann bei Projekten in Deutschland baurechtlich noch immer eine Zustimmung im Einzelfall gefordert werden. Da die Bemessung normativ nicht geregelt ist, gibt es mit den Prüfingenieuren bei fast jedem Projekt Diskussionen betreffend dem untersuchten statischen Modell, den angesetzten Verbundsteifigkeiten und den geführten Nachweisen. Vergessen wird dabei, dass die Decken bezüglich der Tragsicherheit zu ca. 1 / 3 ausgenutzt sind, und dass die Eigenschaften der eingebauten Materialien, insbesondere des Überbetons (deren Eigenschaften aufgrund des Mischens, des Alters des Frischbetons und des Verdichtens von m 2 zu m 2 ändern) viel entscheidender sind. Im Rahmen eines ZIM-Projektes erarbeiten wir zusammen mit der Universität Stuttgart, Frau Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann eine Musterbemessung, welche akzeptiert werden sollte. Für die Evaluation werden Push-Out-Versuche und Versuche an Deckenelementen gefahren. Merke: Bei der Planung von HBV-Decken ist die Theorie und die Praxis gleichwertig zu berücksichtigen viel mehr als bei anderen Konstruktionen.