Holzkonstruktionen haben unter seismischen Belastungen erhebliche Vorteile.
Vielen Planern und Bauherren ist nicht bewusst, dass Holzbauten aufgrund ihres geringen Eigengewichtes und der Vielzahl mechanisch duktiler Verbindungsmittel einen sehr guten Erdbebenschutz bieten. Voraussetzung für einen erdbebensicheren Holzbau aber ist eine sorgfältige konstruktive Planung.
Die Sakyamuni Pagode
Eines der höchsten Holzgebäude weltweit, die 67 m hohe Sakyamuni Pagode in China, hat seit ihrer Erstellung im Jahre 1065 zahlreichen Beben widerstanden und ist noch weitgehend im ursprünglichen Zustand.
Überhaupt wurde früher weltweit in den Erdbebenzonen bewusst viel mehr mit Holz gebaut.
Durch die geschwundene Verfügbarkeit von Bauholz und das Aufkommen von Beton- und Stahlbauweisen sind diese Bautraditionen in vielen Regionen verdrängt worden.
Erste Projektversuche an kleinen Probekörpern.
Im Zuge eines Projektes im Rahmen des Zentralen Innovationsprogrammes Mittelstand (kurz ZIM) haben wir gemeinsam mit der Universität Kassel eine formschlüssige Holz-Holz-Verbindung für den Holztafelbau einwickelt.
Ziel war es, die Verbindung zwischen Rähm und Schwelle zweier übereinanderstehender, aussteifender Holztafelwände so zu gestalten, dass sie auf der Baustelle einfach zu fügen sind, aber im eingebauten Zustand trotzdem in der Lage sind, hohe Lasten sicher zu übertragen. Eine weitere Anforderung bestand darin, diese Verbindung für dynamische Lasten, wie sie im Erdbebenfall auftreten, auszulegen.
CAD-Zeichnung des Versuchsmusteraufbaus in der Prüfmaschine
Hierzu wurde ein Versuchsaufbau bestehend aus drei Holzbauteilen entwickelt. Die drei Holzquerschnitte sind untereinander nur durch formschlüssige Holznocken miteinander verbunden und greifen damit zahnförmig ineinander. Der mittlere Querschnitt wird während der Versuchsdurchführung zyklisch nach oben bzw. unten verschoben. Die beiden seitlichen Teile sind vertikal und horizontal gelagert. Sie sind in ihrer Lage also fest.
Interessante Erkenntnisse während der Versuchsreihe
Bei den Versuchen stellte sich heraus, dass die Nockenverbindung extrem steif ist (siehe Diagramm). Sie ist also in der Lage bei sehr geringen Verformungen (weniger als 1 mm) sehr hohe Kräfte (bis zu 150 kN) zu übertragen.
Versuchsverlauf: N1=Nockenhöhe 10mm; N2=Nockenhöhe 20 mm; P1 mit 40kN seitlicher Auflast; P2 mit 10kN seitlicher Auflast) (©Uni Kassel, 2017)
Anschließende Versuche erfolgten dann an ganzen Wandscheiben.
Um beurteilen zu können, wie sich die Verbindung im eingebauten Zustand und im geplanten Belastungsbereich verhält, wurden dann Versuche an ganzen Wandscheiben durchgeführt. Die Holztafelwände wurden dabei klassisch mit OSB- bzw. Gipsfaser-Platten beplankt, Schwelle und Anschlussholz entsprechend mit Nocken versehen. Am Wandkopf wurde eine zyklische Belastung in Form von horizontalen Verschiebungen aufgebracht (siehe folgende Abbildung).
Aussagekräftige Versuchsergebnisse geben guten Aufschluss.
Die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass sich die schubsteife, formschlüssige Verbindung zwischen Schwelle und Rähm so sicher auslegen lässt, dass das Versagen weiterhin in den Verbindungsmitteln zwischen Ständerwerk und Beplankung stattfindet.
Im Erdbebenfall ist genau das von großer Wichtigkeit, da die metallischen Verbindungsmittel zwischen Ständerwerk und Beplankung unter Belastung Fließgelenke ausbilden. Für die Ausbildung dieser Fließgelenke ist ein hohes Maß an Energie erforderlich, die aus der dynamischen Erdbebenlast rührt.
Im Falle eines Erdbebens kann also durch die Bildung von Fließgelenken Energie abgebaut werden.
Diese Energiedissipation kann bei der Bemessung eines erdbebensicheren Gebäudes berücksichtigt werden. Hier sind geringere Lasten anzusetzen.
In einem weiteren Versuch wurde die Nockenverbindung zu einer Art Schwalbenschwanzverbindung weiterentwickelt. Die Idee dahinter war, dass die Verbindung so auch in der Lage ist, Zuglasten, wie sie an den Endpunkten von aussteifenden Wänden auftreten, aufnehmen zu können.
Projektergebnisse als Weiterentwicklungschance
Die entwickelte formschlüssige Holz-Holz-Verbindung ist in der Lage sehr hohe Kräfte zu übertragen. Das positive Tragverhalten zeigt sich sowohl unter statischer als auch unter zyklischer Belastung. Die Verbindung lässt sich sehr sicher bemessen, sodass das Versagen weiterhin im Bereich der Verbindungsmittel zwischen Ständerwerk und Beplankungslage auftritt. Der Formschluss der Nockenverbindung leiert unter den wechselnden Belastungen nur geringfügig aus.
Das erhoffte duktile Versagen der Verbindung konnte somit allerdings nicht erreicht werden. Es zeigen sich nur geringe Verformungen. Eine Energiedissipation im Erdbebenfall ist aber weiterhin über die Verbindungsmittel der Beplankung möglich.
Gute Umsetzbarkeit in der Baupraxis durch einfache Fügung.
Der Einsatz solcher Nocken für die Übertragung von Schubkräften im Holztafelbau unter Erdbebenbelastung erscheint daher als sehr sinnvoll und sollte weiterentwickelt werden. Durch den einfachen Formschluss lassen sich übereinanderstehende Wände einfach und schnell kraftschlüssig miteinander verbinden.
Primäres Ziel einer Erdbebenbemessung ist der Schutz von Menschenleben und erdbebensicheres Bauen eine Herausforderung für das gesamte Planungsteam.
