Schwingungsoptimierte Holzdecken im Großformat

Für den Hausbau existieren Vorgaben, wie bei der Konstruktion entsprechender Decken Schwingungen auf ein annehmbares Maß reduziert werden können. In der heutigen Zeit fordert die moderne Architektur aber eine immer größere Flexibilität an die Grundrissgestaltung.

Gebäude sollen sich jederzeit an die individuellen Bedürfnisse der Nutzer anpassen lassen und Möglichkeiten einer Umnutzung durch z.B. flexible Trennwände haben. Für das Tragwerk bedeutet dies, dass es im Gebäudeinneren immer weniger tragende Strukturen und somit auch größere Spannweiten gibt.

Aufgrund der erforderlichen Schwingungsnachweise müssen die Bauteile meist sehr große Querschnitte haben. Bei weit gespannten Decken von über acht Metern kommen diese schnell an die Grenzen der Wirtschaftlichkeit. Grundlegend ist die Thematik des Schwingungsverhaltens von Holzdecken hoch komplex, weshalb Architektur- und Ingenieurbüros oftmals versuchen, dieser Thematik direkt aus dem Weg zu gehen und gleich auf die Kombination mit Beton, auf sogenannte Holz-Beton-Verbunddecken setzen. Diese Variante erhöht aber deutlich das Gewicht einer Decke.

Aus diesem Grund haben wir mit der Hochschule Biberach an der Weiterentwicklung des Schwingungsnachweises für Holzdecken mit großen Spannweiten geforscht. Bisher vorhandene Regelungen passen gut für Decken bis fünf, maximal sechs Metern Spannweite. Darüber hinaus braucht es aber neue, an große Spannweiten angepasste Bemessungsansätze, die es aber so noch nicht gibt. Hier genau liegt das Problem und ist der Ansatz unseres Forschungsprojektes.

Aktuell gibt es für Decken mit großen Spannweiten keine ausreichenden Erfahrungen und Messungen. Dementsprechend existieren auch keine normativen Aussagen bzw. Vorgaben. Um einer Lösung näher zu kommen, hat das Projektteam in einer Lagerhalle der Max Wild GmbH in Berkheim einen einzigartigen Versuchsstand mit einem fast 150 qm großem Deckenfeld mit 12 Metern Spannweite aufgebaut.

Diese Deckenfläche bietet die einzigartige Möglichkeit viele verschiedene Konstellationen und Szenarien auszuprobieren und zu testen.

Da verschiedene Deckenaufbauten zum Einsatz kommen sollten, wurde der Prüfstand sehr flexibel gestaltet, z.B. mit oder ohne Estrich, schwere und leichtere Aufbauten etc. Um auch die Querverteilung untersuchen zu können, wurde auch die Möglichkeit einer zwei- oder vierseitigen Lagerung geschaffen.

Besonders erwähnenswert ist die Möglichkeit der nachgiebigen Lagerung auf einem Unterzug. Häufig werden Decken und Unterzüge isoliert voneinander betrachtet. Gerade bei großen Deckensystemen kann das Zusammenspiel zwischen Decke und Unterzug aber von entscheidender Bedeutung sein. Der Prüfstand wurde so konzipiert, dass zum einen der Unterzug mitbetrachtet oder arretiert werden kann. Zum anderen kann er aber auch ausgetauscht werden, so dass die Unterschiede von Stahl- und Holzunterzügen gemessen werden konnten.

Die Versuche selbst liefen immer nach einem bestimmten Muster ab. Diese begannen mit dem sogenannten Heel Drop, dem Fallenlassen von den Zehenspitzen auf die Ferse. Im Anschluss folgte dann die Anregung in Resonanz mittels Joggen auf der Stelle. Die ausgelösten Schwingungen wurden mit acht auf der Decke verschieden angebrachten Messpunkten erfasst und anschließend ausgewertet. Mit normalem Gehen wurde die tatsächliche Nutzung abgebildet.

Mit den im Vorfeld angedachten und berechneten Konstellationen konnte aber im Laufe der Testphase kein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden. Die daraufhin entwickelten Schwingungsdämpfer wurden dann kurzerhand in den Teststand eingebaut.

Sogenannte Schwingungsdämpfer bieten effektive Möglichkeiten Schwingungen zu reduzieren. Diese werden heute schon erfolgreich bei Fußgängerbrücken eingesetzt. Bei Wohnungsdecken kamen sie bisher aber nicht zum Einsatz, da die Randbedingungen hier nicht gut passten. Speziell bei großen, weit gespannten Deckensystemen mit klaren Strukturen könnte sich das ändern.

Im Projektverlauf wurden die Dämpfer erfolgreich eingesetzt und getestet. Damit konnten nun die Schwingungen der Decke reduziert, wenn auch nicht ganz gestoppt, werden. Wie praxistauglich das im Endergebnis sein wird, wird weiter geprüft.

Durch die gemeinsame Arbeit mit Frau Prof. Hamm vom Institut für Holzbau der Hochschule Biberach und dem gesamten Projektteam wird nun im Hinblick auf die praktische Umsetzbarkeit schwingungstechnischer Bemessung von Holzdecken ein erstes durchgängiges Bemessungsverfahren erarbeitet. Somit kommen wir dem Ziel, eine «standardisierte» und schwingungsminimierende Auslegungssystematik für Decken mit Unterzügen und großen Spannweiten über acht Metern, einen großen Schritt näher.

Das Schwingen der Deckensysteme ist ein reines Gebrauchstauglichkeitskriterium. Mit dem Schwingungsnachweis wird versucht das menschliche Empfinden den Berechnungen gegenüberzustellen. Anders ausgedrückt: Es wird versucht, Parameter und Grenzwerte zu definieren, welche das subjektive Empfinden eines Menschen widerspiegelt. Da es hier nur «rein um das Gefühl» geht, wurden alle Messungen mit subjektiven Einschätzungen und Bewertungen ergänzt.

Das erklärte Ziel ist die Definition neuer Grenzwerte oder Parameter, welche die Bemessung weitgespannter Decken ermöglichen und eine verlässliche Grundlage für Planerinnen und Planer bildet.

Der Prüfstand wurde zwischenzeitlich abgebaut und die detaillierte Auswertung der Messergebnisse läuft. Der abschließende Projektbericht soll im Herbst 2023 folgen. Wir hoffen, dass wir mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse den Nachweis erbringen können, dass sich auch ohne den Einsatz von Beton ausreichend schwingungsarme und leichte Deckensysteme realisieren lassen. Wenn im Anschluss dann die grundsätzlich notwenigen Anpassungen und Aktualisierungen vorhandener Bemessungsgrundsätze und –regeln für weit gespannte Deckensysteme möglich sind, ebnet dies sicher auch den Weg für ein weiteres Wachstum im kommunalen Holzbau in Deutschland.

Es ist nicht von der Hand zu weisen, dass wir neue Räume für kommunale Gebäude und Wohnräume schaffen müssen und diese im Idealfall nachhaltig und ökologisch sind. Im Jahr 2012 lebten bereits knapp 75 Prozent der Deutschen in Städten. Der in den vergangenen Jahren vernachlässigte soziale Wohnungsbau und die enorm steigenden Mieten verdeutlichen aber, dass enorme Herausforderungen vor uns liegen. Diese bestehen unter anderem in der Optimierung bestehender Strukturen und zu Bestrebungen den vorhandenen Raum effektiver zu nutzen, indem beispielsweise Gebäude aufgestockt werden oder Baulücken geschlossen werden.

Während die gut geeigneten Bauplätze meist alle bereits belegt sind, verbleiben weniger gut geeignete Baugründe, die entweder ein kostenintensiveres Fundament erfordern bzw. deren Bebauung leichter ausfallen sollte. Diese leichtere Bauweise geht mit der Notwendigkeit einher, Ökonomie und Ökologie in Zeiten des Klimawandels zu kombinieren, was auch für die notwendige Technik im Bereich des Bauwesens entsprechende Herausforderungen mit sich bringt und aktuelle Grenzen aufzeigt.

Es ist unstrittig, dass die Nutzung von Holz im Bauwesen ökologisch empfehlenswert ist. Holz kann Kohlendioxid speichern, während bei der Herstellung von anderen Baustoffen oftmals viel Kohlendioxid anfällt. Holzbauten bringen auch den Vorteil einer leichteren Bauweise als beim Massivbau mit sich. Somit bietet sich diese Bauweise für eine mögliche Aufstockung von Gebäuden sowie für ein Bauen in Baulagen mit komplexen Untergrundverhältnissen an.

Und genau hier können die Erkenntnisse unserer Forschungsarbeit einen wertvollen Beitrag leisten, geeignete Antworten zu finden und neue Möglichkeiten aufzuzeigen, um künftig mehr Bauwerke in Holzbauweise mit neuen leichten, schwingungsreduzierten Holzdeckensystemen sicher umsetzen zu können.

• Fläche Versuchsstand: 150 qm
• Spannweite: 8 bis 12 m
• Versuche und Messungen: knapp 2.500 Stück
• Nachgiebige Lagerung auf Unterzug mit 12,2 m Spannweite
• Verschiedene Deckenaufbauten und Auflagersituationen
• Messungen mit und ohne Dämpfer