Holz-Beton-Verbund Systeme - Praxis und Tendenzen | P. Jung
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Timber-Concrete-Composite systems –
comparatif et tendances
Holz-Beton-Verbund Systeme - Praxis und Tendenzen | P. Jung
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Holz-Beton-Verbundsysteme Vergleich und Tendenzen
1. Einstieg
«Ein Brückenbau besteht zur Hauptsache aus einem Kon- zept, 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 Berech- nung meist auf einen Punkt, von dem ich meine, er sei
nicht so wichtig. Nach meinem Dafürhalten wäre dem Konzept mehr Aufmerksamkeit zu schenken. Und zusätz-
lich muss geschaut werden, dass das konzipierte Projekt auch tatsächlich realisiert werden kann. Eine Berechnung, die weit über die Toleranzen der Bau- genauigkeit hinausreicht, macht keinen Sinn. Ebenso eine
konstruktive Durchbildung, die bei der Bauausführung Toleranzen verlangt, die kaum eingehalten werden kön- nen.»
Zitat von Christian Menn in «die baustellen», Fachzeitschrift für Hoch-/Tief- und Spezialbau Nr.7/8 2010
Was hier Christian Menn über den Brückenbau sagt, gilt sinngemäss für den heutigen
Umgang mit Holz-Beton-Verbunddecken durch die Ingenieure und die staatlichen Kon-
trollbehörden. Auch bei HBV-Decken kann sehr viel gerechnet, theoretisch entwickelt
und nachgewiesen werden. Oft reichen aber einfachere statische Modelle, um das Trag-
verhalten 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 Aus-
führung 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 Pro-
jekte mit total ca. 325 Häuser und 720 Decken ca. 172‘000 m2 HBV-Decken geplant und
dann auch ausgeführt:
Abbildung 1: Aufteilung nach Projektarten der bei PIRMIN JUNG geplanten HBV-Decken
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Die meisten Decken werden mit flächiger Holzschicht geplant. Dieser Aufbau ist wirt-
schaftlich 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 Büro-
gebäuden 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 Schub-
verbund 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
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Die Familienheimgenossenschaft in Zürich realisierte in vierzehn 3- und 4-geschossigen
Mehrfamilienhäusern 172 Wohneinheiten. Schon im Wettbewerbsprojekt wurden Holz-
bauten vorgeschlagen, welche mit Flachdecken (Spannweite bis 6,2m) in HBV ausge-
führt 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 Akustikde- cken in Räumen mit grossen Personenbelegungen.
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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 Akustikhohlkas-
ten 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 An-
schlussbewehrung auf der oberen Zugseite sichergestellt wurde.
Abbildung 6: HBV-Deckenkonstruktion der Kantonsschule Kreuzlingen mit integrierten Akustikkasten. Die be- tonierten Deckenkragarme im Erschliessungskern sind in die HBV-Decken eingespannt.
3.4. Beispiel: Dienstgebäude der Armee in Liestal (2002)
Die unterschiedliche Nutzung von Grossküche und Kantine im Erdgeschoss, von Theorie-
räumen 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 Verbundsys-
tem wurden gekreuzte SFS-HBV-Verbundschrauben (ca. 48‘000 Stück!) eingesetzt.
Abbildung 7: Dienstgebäude mit unterschiedlicher Nutzung auf den Geschossen. HBV-Balkendecke mit 11,5 m Spannweite.
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3.5. 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 gefor-
dert, 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 wei-
ter zu entwickeln. Es begann mit einer Deckenkonstruktion, bei welcher der Schubver-
bund 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.
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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 Material-
kennwerte (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.
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5.2. Haustechnik in HBV-Decken
Noch kaum einmal gab es eine HBV-Decke, in welcher nicht irgendeine Hautechniklei-
tung 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 Installati- onen 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 m2 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 Fertigbeton-
bauteilen spannend sein.
Abbildung 12: Überlegungen zur Optimierung und damit Kostenreduktion bei den Unterzugsystemen
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terial 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 Holzober-
fläche überzeugen die Decken mit ansprechender Optik.
Abbildung 13: Einsatz von Buchenfurnierschichtholz für HBV-Decken.
6.3. 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 Deckenstär-
ken 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 Gedan-
ken 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 grösse-
ren Baustellenkran und schlussendlich müssen alle Fugen schubsteif vergossen werden.
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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.
6.6. Anerkanntes Nachweisverfahren
Trotz den vielen geplanten und realisierten Projekten mit den über 172‘000 m2 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 ausge-
nutzt sind, und dass die Eigenschaften der eingebauten Materialien, insbesondere des
Überbetons (deren Eigenschaften aufgrund des Mischens, des Alters des Frischbetons
und des Verdichtens von m2 zu m2 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.