Das Bauen mit Holz erfährt heute in seiner modernen Auffassung ein Hoch und zwar nicht nur aufgrund der Ökobilanz, sondern auch aufgrund ästhetischer und funktioneller Vorteile. Abgesehen vom reinen Holzbau gerät der Holz-Hybridbau dabei stark in den Fokus. Die Vorteile von Holz, die in der Ökologie, der Leichtigkeit sowie dem hohen Vorfertigungsgrad bestehen, liegen auf der Hand.
Aber auch Stahlbeton hat einige Vorteile. Stahlbeton ermöglicht anpassbare Tragstrukturen, die flexibel an den architektonischen Entwurf anpassbar sind, ohne notwendigerweise Unterzüge oder aufwändige Knotendetails ausführen zu müssen, sondern indem die Bewehrungsführung entsprechend ausgeführt wird. Darüber hinaus bietet Stahlbeton aber auch deutliche Vorteile mit Blick auf den Schallschutz, das Schwingungsverhalten sowie den Brandschutz.
Unter Holz-Hybrid-Bauweise (oder Holzhybridbauweise) wird – der Begriff hat unzählige Ausformungen – weitgehend ein Hochbau verstanden, der aus einer Tragstruktur aus Stahlbeton sowie aus nicht tragenden Holzfassadenelementen besteht, welche zwar nicht zur Standsicherheit des Gebäudes beitragen, aber Windlasten weitergeben sowie die bauphysikalischen Anforderungen erfüllen. Die Holztafelelemente bestehen aus der Fassade, also der äußeren Oberfläche, dann aus dem tragenden Kernelement und sodann aus einer Installationsebene und erreichen durch diesen Aufbau die hohe Funktionalität. Die Anforderungen an den winterlichen und sommerlichen Wärmeschutz, an den Feuchteschutz, an den Schallschutz sowie an den Brandschutz sind natürlich komplex.
Der Holz-Hybridbau ist dabei nicht nur im Neubau attraktiv, wo der Rohbau aus Stahlbeton möglichst schnell hochgezogen wird und die vorgefertigten Fassadenelemente sodann effizient eingebaut werden. Auch bei Sanierungen, bei denen die Fassaden rückgebaut und durch Holzfassaden ersetzt werden, entfaltet die Bauweise ihren Charme. Auch bei einem späteren Rückbau ist die Rückbaubarkeit bei Holzbauten durch die Verwendung von Holzschrauben stets gegeben.
Wie im Fassadenbau üblich, ist die Fassade als statisches System zu verstehen, welches äußere Lasten sowie Zwänge aus Verformungen abzutragen hat. Die Varianten sind folgende:
- Vorgestelltes Außenwandelement: Die Fassade ist ein eigenständiges statisches System, das die vertikalen Lasten bis zum Fußpunkt abträgt.
- Vorgehängtes Außenwandelement: Die Fassadenelemente stellen Einfeldträger dar mit festem und beweglichem Auflager, sie sind der Tragstruktur vorgelagert und an den Decken befestigt.
- Eingestelltes Außenwandelement: Die Fassadenelemente stellen Einfeldträger dar mit festem und beweglichem Auflager, lagern allerdings auf den Decken auf. Das System ist damit relativ setzungsempfindlich.
Was grundsätzlich einfach klingt und dem Laien vielfach nicht bewusst ist, sind die lastabhängigen Verformungen beim Stahlbetonbau. Vielfach werden kühne Entwürfe gewählt, womöglich ohne Stützen und mit dünnen Decken, die mit Blick auf die Tragfähigkeit vielleicht halten, was sie versprechen, aber beim Thema der Langzeitverformungen sekundäre Bauteile wie Fensterfronten und Fassaden beeinträchtigen und zum Versagen bringen. Dadurch, dass mit dem Kriechen des Stahlbetons feine Risse entstehen, die die Steifigkeit heruntersetzen, nehmen die Verformungen zu und sind als ein Vielfaches der elastischen Anfangsverformungen anzusetzen.
Abgesehen von den Toleranzen sind folglich die lastabhängigen Verformungen zu berücksichtigen. Diese sind nicht einfach zu berücksichtigen, weil es vielfach nicht klar ist, welche Lasten – abgesehen von den normativ festgesetzten ständigen und variablen Lasten – im Betrieb effektiv erreicht werden. Ebenso ist das Verhalten unter Langzeitverformungen des Stahlbetons alles andere als einfach festzulegen.
Folglich bilden die Anfangsverformungen sowie die Langzeitverformungen untere und obere Grenzwerte im Sinne einer statistischen Verteilung. Wie auch im Sinne der Auslegung bauakustischer Elemente muss folglich die Festsetzung der Nutzlasten den realistischen Betriebslasten entsprechen und ist mit dem Auftraggeber verbindlich abzuklären. Es geht grundsätzlich um Prognosewerte. Bei angrenzenden Bauteilen ist infolge Verformungen grundsätzlich ein maximaler Durchhang von L/500 einzuhalten, wobei natürlich mit Auftraggeber und Ausführenden auch andere Werte technisch ermöglicht werden können.
Weil sich obere Decke und untere Decke aber mitunter sehr verschieden verformen, ist die korrekte Auslegung der einwirkenden Verformungen eine äußerst komplexe Angelegenheit.
Um ein zwängungsfreies System zu verwirklichen, sind die statischen Systeme mit Fixlagern und Gleitlagern oder Dehnstößen auszuführen. Als Gleitlager werden im Fassadenbau vor allem Langlöcher vorgesehen, die mitunter mit Gleiteinlagen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) / Teflon oder Polytetrafluorethylen (PTFE) versehen sind und auch über akustische Profile aus Polyurethan verfügen können. Darüber hinaus kommen vertikale Dehnfugen, nämlich höhenverstellbare Profile oder ausziehbare Pfosten zur Anwendung. Diese Gleitlager sind in einer statisch nicht-linearen Berechnung als physikalisch nicht-lineare Federelemente zu berücksichtigen. Dadurch muss die Beweglichkeit der Fassade ermöglicht werden, um die Bewegungen der Tragstruktur „mitgehen“ zu können.
In einer detaillierten Tragwerksplanung müssen die folgenden Phasen analysiert werden [2], welche die Deckenverformungen beeinflussen:
Phase 1: Eigengewicht Baukörper und Temperatureinflüsse: Entstehung nach dem Ausschalen bzw. mit Bauerstellung
Phase 2: Eigengewicht Fassade: Entstehung nach Fassadenmontage
Phase 3: Eigengewicht Innenausbau, Technik, Dach und sonstige bauliche Einrichtungen: Entstehung mit Ausbau/Einbau
Phase 4: Kriechen, Schwinden und Setzungen des Baukörpers: Entstehung in einem größeren Zeitraum mit Bauerstellung bis 10 Jahre (und mehr)
Phase 5: Verkehrslasten der Nutzung, temporär/ variabel: Entstehung mit der Nutzung
Für die Vorhangfassade maßgeblich sind die Phasen 2 bis 5. Wird die Fassade über Justierungseinrichtungen nach dem Aufbringen der Fassadenlast ausgeglichen, sind die Phasen 3 bis 5 entscheidend [2]. Während Pfosten-Riegel-Fassaden nur geringe Verformungen aufnehmen können, die bei 1 – 2 mm liegen, weil keine Dehnfugen ausgeführt werden, können Elementfassaden Verformungen bis 40 mm aufnehmen.
Die durch die Fassade aufzunehmende Gesamtverformung ergibt sich aus der Durchbiegung der Tragstruktur mit der Verkehrslast, aus einer Sicherheitstoleranz sowie aus der Ausdehnung der Fassadenkonstruktion.
Die Planung einer Fassade ist folglich eine komplexe Angelegenheit im Sinne der Fassadenstatik, die immer auf die Planung und Statik des Gesamtgebäudes abgestimmt sein muss. Erfolgreich planen bedeutet, bereits im Rahmen der Projektentwicklung statische Vorkehrungen zu treffen. Umso später die Tragwerksplanung einbezogen wird, umso teurer, enttäuschender und mangelhafter wird das fertige Bauwerk.
Literatur:
[1] Oliver Fischer, Werner Lang und Stefan Winter: „Hybridbau – Holzaußenwände“, Detail Verlag, München 2019
[2] „Vorhangfassadentechnik: Planung von Baukörperverformungen“, Deutsche Bau-Zeitung 9, 2015
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