Update zum erdbebengerechten Bauen mit Holz

Am Vortag des Holzbautages erörterten Fachleute aus dem Institut für Baustatik und Konstruktion der ETH Zürich, der Abteilung für Ingenieur-Strukturen der Empa sowie aus diversen Instituten der Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau an einem vom Swiss Wood Innovation Network S-WIN organisierten Anlass in Biel neue Erkenntnisse zur erdbebengerechten Erstellung von Holzbauten. Zudem kamen ausgewählte Aspekte der Qualitätssicherung zur Sprache.

Tragwiderstand von Klammerverbindungen und OSB-Platten: Versuchsaufbau mit Prüfkörper während des Tests.
Bild BFH, Biel

Eine Broschüre von S-WIN dokumentiert die am 16. Mai in Biel vorgetragenen Ergebnisse auf 90 Seiten. Der Tagungsband zum Anlass ‹Von der Forschung zur Praxis: neue Lösungen für den Holzbau. Erdbeben und Qualitätssicherung› ist bei Lignum in Zürich online zu bestellen (CHF 80.– für Nichtmitglieder S-WIN, CHF 64.– für Mitglieder).

Link Zu den S-WIN-Tagungsbänden im Lignum-Shop

 

 

Insgesamt 13595 von 15635 zum Bau bewilligten Gebäuden waren 2015 als Wohnbauten geplant. Werden dabei allein die Holzbauten betrachtet, so sind es 2920 Projekte in dieser Bauweise, wovon 2210 Wohnbauten.

 

Die Entwicklung zeigt ab 2011 indes einen merklichen Rückgang der Einfamilienhäuser – 2011 noch 10000 derartige Baubewilligungen, 2016 nur noch 7085 Einfamilienhäuser. Der grösste Teil (75%) der 2015 bewilligten Einfamilienhäuser in Holz sind zweigeschossig. 39% der Mehrfamilienhäuser sind dreigeschossig; viergeschossig sind rund 20% gebaut.

 

Die Zahlen stammen aus einer Studie der BFH AHB, die Simon Meier von der BFH-AHB präsentierte. Sie lässt den Schluss zu, dass für Wohnbauten aus Holz trotz schwacher bis mittlerer Seismizität in der Schweiz die Bemessungssituation Erdbeben sehr oft massgebend ist und, wie es ja die Tragwerksnormen des SIA vorschreiben, zwingend zu berücksichtigen ist.

 

Studienprojekt aus dem NFP 66

 

René Steiger von der Empa stellte ein einschlägiges Studienprojekt aus dem Nationalen Forschungsprojekt NFP 66 ‹Ressource Holz› vor. Das Projekt wurde 2012–2016 bearbeitet und besteht aus drei Modulen: Verbindungen, Wandelemente sowie Systemverhalten und Bemessungsmethoden.

 

Die experimentellen und numerischen Untersuchungen an Verbindungen ergaben, dass die Angaben zu Anordnung und Mindestabständen bei Klammerverbindungen gemäss Eurocode 5 zu revidieren sind, damit das effektive Tragverhalten besser darzustellen ist, um eine optimierte Bemessung zu ermöglichen.

 

Beim Modul 2 ‹Wandelemente› zeigte sich, dass die verfügbaren und üblichen Modelle und Methoden zur Berechnung horizontaler Steifigkeiten von Wänden in Holzrahmenbau zu einer markanten Unterschätzung der geprüften Elemente führen. Ein Grund dafür ist der durch die Modelle nicht erfasste Einfluss der starken Verankerung.

 

Überdimensionierungen vermeiden

 

Steiger erklärte insbesondere, wie Modul 3 ‹Systemverhalten und Bemessungsmethoden› zu Resultaten führt, die überdimensionierte Bemessungen und damit unnötige Mehrkosten vermeiden hilft. Im modernen Erdbebeningenieurwesen stützt sich die Bemessung nicht allein auf Kräfte und Verhaltensfaktoren ab, auch das nicht-lineare Verformungsvermögen der Struktur ist explizit berücksichtigt (performance-based design).

 

Dabei hat sich im europäischen Normenwesen die N2-Methode durchgesetzt –  für Stahlbeton-, Stahl- und Mauerwerksgebäude. Diese ist auch in den Eurocodes 8 enthalten; materialspezifische Grundlagen für Holzbauten fehlen jedoch. Aufgrund der Untersuchungen in Modul 3 liegen die Grundlagen vor, diese Methode auch für Holzbauten zu validieren. Holzbau kann so besser mit anderen Konstruktionsarten verglichen werden.

 

Die schwierige Frage der Überfestigkeiten

 

Ein Bauwerk muss unabhängig von seinem Baustoff erdbebensicher sein. Bei der Erdbebenbemessung von Holzbauwerken nach einem duktilen Verhalten des Tragwerks stellt sich die Frage einer ausreichenden, allenfalls situationsbedingten Überfestigkeit. Dies zeigte Martin Geiser von der BFH-AHB (Institut für Holzbau, Tragwerke und Architektur). Vor allem betonte er, dass erdbebengerechtes Bauen bereits in der Entwurfsphase beginne.

 

Die bei seinen Untersuchungen durchgeführten Festigkeitsprüfungen, die Literaturrecherchen und unterschiedliche Auswertungen bestätigten, dass – insbesondere wenn die Streuungen der Tragwiderstände der eingesetzten Baustoffe und Verbindungen gross sind – verhältnismässig hohe Überfestigkeitsfaktoren für die Erdbebenbemessung von Holztragwerken nach dem duktilen Tragwerksverhalten erforderlich sind, um eine zielführende Hierarchie der Tragwiderstände zu erreichen.

 

Eine duktile Erdbebenbemessung sei aus Sicherheitsgründen, wegen erhöhter Robustheit und grösserer Energiedissipation im Tragwerk grundsätzlich vorteilhaft. Ausgenommen sind dabei Bauwerke der Bauwerksklasse III, für die ein Nachweis der Gebrauchstauglichkeit nach einem Erdbeben zu erbringen ist. Im Bereich des Epizentrums sei ein Überschreiten des Bemessungsbebens durchaus möglich. Dabei weisen nach dem duktilen Tragwerksverhalten bemessene Tragwerke deutlich höhere Tragreserven auf als nicht-duktil bemessene Tragwerke.

 

Bauphysik in drei Dimensionen

 

Drei Präsentationen drehten sich im weitesten Sinne um bauphysikalische Fragen. Ingo Mayer (BFH-AHB, Institut für Werkstoffe und Holztechnologie) zeigte auf, wie flüchtige organische Verbindungen (VOC) im Holzbau zu minimieren sind. Mittelfristig, so Mayer, seien insbesondere OSB-Platten aus emissionsarmen Holzarten wie Pappel, Birke oder Buche eine interessante Alternative.

 

Christoph Geyer (BFH-AHB, Institut für Holzbau, Tragwerke und Architektur) stellte ein Projekt vor, das eine neuartige Berechnungsmethode nutzt, um die dynamische oder wirksame Wärmekapazität nachzuweisen. Dabei kann die wirksame Wärmekapazität von Holzbauteilen durch Verwendung von Laubholzarten mit höherer Rohdichte (z.B. Buche) und vergrösserter Oberfläche durch Profilierung erhöht werden.

 

Die hohe Empfindlichkeit der Oberflächen von Holzträgern auf klimatische Wechsel war Thema eines Forschungsprojekts an der BFH-AHB. Bettina Franke stellte die typischen Klimabeanspruchungen an Holztragwerken vor.

 


Link www.s-win.ch