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12 Meter Spannweite – ohne metallische Verbindungsmittel

Niklas von Haaren und Sebastian Dienst, Oktober 2019

In Diemersteiner Tal nahe Kaiserslautern entsteht derzeit der neue Holz-Forschungscampus des Fachbereichs Architektur der Technischen Universität Kaiserslautern. Die Statik und Konstruktion des ersten Bauwerks, eines Holzpavillons als Eingang zum Gelände, wurden von PIRMIN JUNG geplant. Verantwortlich für das Projekt ist die Forschungsgruppe Digital Timber Construction DTC an der TU Kaiserslautern unter der Leitung von Jun. Prof. Dr. Christopher Robeller. Die Forschungsgruppe hat eine Software entwickelt, mit der sich aus Brettsperrholzabschnitten leichte Flächentragwerke aus Holz fertigen lassen. Die Kuppel des Pavillons hat eine Spannweite von zwölf Metern und ist fast vier Meter hoch. Drei Flügel reichen vom Kuppeldach vorbei an drei großen, bogenförmigen Eingängen bis zum Fundament. Die Konstruktion zeigt eindrucksvoll, was allein mit Holz und ohne Metallelemente möglich ist.

Schalentragwerke - sehr dünne und in ihrer Fläche gekrümmte Kuppeldächer

Der Vorteil eines Schalentragwerks liegt in seiner hohen Materialeffizienz. Die Bauteile sind kaum auf Biegung beansprucht, Druckkräfte dominieren die Form. Während in biegebeanspruchten Bauteilen nur die Randbereiche hohe Spannungen aufweisen, ist es bei druckbeanspruchten Bauteilen möglich, sie in ihrer kompletten Fläche auszulasten.

Die Kuppel konnte durch diese Beanspruchungsart aus nur zehn Zentimeter starken Brettsperrholzplatten errichtet werden. Die Form der fünf- bis siebeneckigen Bauteile wurde mithilfe eines Algorithmus eingeteilt. Über 200 dieser jeweils nur etwa 60 Zentimeter großen Flächen, von denen jede in ihrer Geometrie einzigartig ist, werden dazu computergestützt hergestellt. Alle Bauteile konnten durch ihre kleine Geometrie aus Abschnitten hergestellt werden, die als Abfall bei der Herstellung von Wandbauteilen mehrgeschossiger Gebäude anfallen.

  • Über 200 einzelne Bauteile
    Über 200 einzelne Bauteile
  • Ein Flügel bei der Montage
    Ein Flügel bei der Montage
  • Buchedübel und X-Fix-Verbinder
    Buchedübel und X-Fix-Verbinder
  • Der Pavillon spannt über 12 Meter frei ...
    Der Pavillon spannt über 12 Meter frei ...
  • ... ohne jegliche metallische Verbindungsmittel
    ... ohne jegliche metallische Verbindungsmittel

Eingeklebte Buchendübel und X-Fix-Verbinder

Verbunden werden die Platten im Anschluss durch eingeklebte Buchendübel und X-Fix-Verbinder, das sind schwalbenschwanzförmige Holz-Holz-Verbinder in Keilform aus Sperrholz. Die X-Fix-Verbinder übernehmen in diesem Zusammenspiel die Verbindung von Zug- und Scheibenschubkräften, also derjenigen Kräfte, die aus einer Verschiebung der Flächen innerhalb ihrer Ebene gegeneinander resultieren. Sie sorgen außerdem für eine spaltfreie Verbindung der Platten während der Montage. Die eingeklebten Buchendübel fixieren die Platten und übertragen die senkrecht zu den Platten wirkende Querkraft.

  • Auszug FEM-Modellierung
    Auszug FEM-Modellierung
  • Verformungsbild FEM-Modellierung
    Verformungsbild FEM-Modellierung
  • Bauteilnummern
    Bauteilnummern

Finite-Elemente-Methode mit RFEM

Zu unserem Auftrag gehörte die statische Berechnung der gesamten Holzkonstruktion mittels Finite-Elemente-Methode. Dazu wurden alle Bauteile, sowohl die Brettsperrholz-Flächen als auch die Verbindungsmittel der Anschlüsse, im Programm RFEM von Dlubal Software modelliert. Ein FEM-Programm zerteilt diese Bauteile anschließend intern in sehr kleine Elemente, deren Länge der Nutzer als Richtgröße vorgibt. Aus den Ergebnissen der Berechnung können die einwirkenden Spannungen direkt ausgelesen werden, die anschließend als Grundlage der Bemessung dienen.

Durch die algorithmische Berechnung der Geometrie der Flächen konnte ein dreidimensionales Modell bestehend aus allen Randpunkten aller Flächen über eine Programmschnittstelle direkt in das RFEM ausgegeben werden. So war eine schnelle, fehlerfreie und millimeterexakte Abbildung dieses komplexen Tragwerks möglich.

Sehr schnell realisiert und getestet

Das gesamte Projekt wurde in kürzester Zeit realisiert, von Beginn der Ausführungsplanung bis hin zur tatsächlichen Ausführung vergingen nur acht Wochen, die Herstellung bzw. der Abbund und die Montage wurden sogar an nur acht Werktagen realisiert. Belastungstests durch sechs Hub OSB-Platten mit einer Höhe von je 1,40 Metern – entsprechend einem Gewicht von etwa 17 Tonnen! - konnten nach Fertigstellung der Konstruktion die rechnerisch nachgewiesene hohe Tragfähigkeit der Kuppel in der Praxis verifizieren

Wir danken der TU Kaiserslautern für die spannende Zusammenarbeit – und die Dokumentation der Projektarbeit!

  • Der etwas andere Belastungstest
    Der etwas andere Belastungstest
  • Etwa 17 Tonnen testen das Tragwerk
    Etwa 17 Tonnen testen das Tragwerk
  • Messpunkte Belastungstest
    Messpunkte Belastungstest

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