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Langzeitverhalten von Holz-Hybridsystemen für nachhaltige Bauten

Ressourcenschonung und Energieeffizienz bestimmen das Bauen der Zukunft. Holz ist ein umweltfreundlicher und vielseitiger Baustoff. Neben der guten Ökobilanz bieten Holzkonstruktionen auch diverse technische Vorteile. Innovative Holz-Hybridsysteme haben noch bessere mechanische Eigenschaften, eine höhere Dauerhaftigkeit und ermöglichen schlanke Bauteilaufbauten. Damit sind sie nicht nur ressourcenschonender als konventionelle Bauweisen, sondern erweitern auch den architektonischen Spielraum. In diesem Projekt untersuchen wir das Langzeitverhalten solcher Hybridsysteme, optimieren sie und schaffen somit die Grundlage für ihren Einsatz in der Bauindustrie. Unser Ziel ist es, den Anteil von Holz in künftigen Bauwerken signifikant zu erhöhen.

 

Holz ist ein vielseitiger und natürlich vorkommender Werkstoff. Es hat eine relativ hohe Festigkeit im Verhältnis zu seinem Gewicht und bietet zudem eine hohe Anpassungs- und Verarbeitbarkeit. Daher ist es nicht überraschend, dass Holz einer der frühesten und am längsten verwendeten Baustoffe ist. Darüber hinaus sind Holzkonstruktionen oft auch ästhetisch ansprechend, was ihre Nutzung weiter begünstigt.

Heutzutage dominieren jedoch Mauerwerk, Stahl und Beton den Markt. Insbesondere Stahlbeton wurde speziell auf die hohen Belastungszustände im mehrgeschossigen oder weitspannenden Hoch- und Ingenieurbau zugeschnitten. Die Kombination aus Beton (hohe Druckfestigkeit) und Stahl (hohe Zugfestigkeit) sorgt für eine hohe Gesamtstabilität. Außerdem sind Stahl und Beton homogen. Die mechanischen Eigenschaften von Stahl und Beton lassen sich präzise vorhersagen und gezielt auf die vorgesehene Beanspruchung einstellen. Bei korrekter Ausführung ist Stahlbeton überdies sehr dauerhaft, auch bei wechselhafter Witterung.

Die Herstellung, Verarbeitung und Wiederverwertung von Stahlbeton ist allerdings sehr energieintensiv. Durch den hohen Energieeinsatz und durch chemische Prozesse bei der Zementherstellung werden große Mengen CO2 freigesetzt. Auch die langen Transportwege der Rohstoffe wirken sich negativ auf die CO2-Bilanz aus. Holz hat einen deutlich geringeren Energiebedarf, ist als schnell nachwachsender Rohstoff klimafreundlicher und zudem lokal verfügbar. Angesichts der Rohstoffknappheit und steigender Energiepreise rückt Holz als Baumaterial auch aus wirtschaftlicher Sicht wieder in den Fokus der Bauindustrie.

Neben diversen Vorteilen weist Holz allerdings auch einige nachteilige Eigenschaften auf, die seine Verwendung als Baumaterial in tragenden Konstruktionen bisher einschränken. Holz hat eine vergleichsweise niedrige Zug- und Druckfestigkeiten senkrecht zur Faserrichtung und, abhängig von der Holzart, eine relativ geringe Dimensionsstabilität und Haltbarkeit bei schwankender Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Außerdem unterliegen die mechanischen Eigenschaften von Holzkonstruktionen aufgrund der natürlich gewachsenen Holzstruktur immer gewissen Schwankungen. Um trotz der Variabilität eine Ausfallsicherheit zu gewährleisten, geht man vom ungünstigsten Fall aus. Daher sind Holzkonstruktionen tendenziell überdimensioniert.  

Um den Anwendungsspielraum von Holzkonstruktionen zu erweitern, werden zwei innovative Holz-Hybridsysteme untersucht, mit denen sich die nachteiligen Eigenschaften von Holz ausgleichen lassen. Durch die gezielte Kombination mit anderen Materialien verbessern sich die mechanischen Eigenschaften der Gesamtkonstruktion erheblich. Insbesondere an Stellen mit hoher Belastung sind die Hybridsysteme sehr vorteilhaft, beispielsweise im Zugspannungsbereich eines Balkens, in Bauteilverbindungen oder als Umhüllung von Pfeilern. Die Variabilität der mechanischen Eigenschaften der Gesamtkonstruktion wird außerdem reduziert und damit das Verhalten genauer vorhersagbar. Die Hybridsysteme ermöglichen somit schlankere Aufbauten, erweitern die Gestaltungsspielräume und sparen Ressourcen.

 

Holz-Beton-Verbundsystem (HBV)

Im Vergleich zu herkömmlichem Stahlbeton verwenden Holz-Beton-Verbundsysteme (HBV) Holz anstelle von Stahl, um die im Verbund auftretenden Zugkräfte aufzunehmen. Dieses Hybridsystem fördert die Verwendung von Holz als nachhaltigen Werkstoff im Bauwesen. Desweiteren kann dieses System Vorteile für den Einsatz unter Biegebeanspruchung bieten, in welchem die hohe Zugspannungen an der Unterseite des Verbundsystems auftreten, wie bspw. bei Unterzügen oder Deckenplatten. Bei Letzteren wird zunächst eine Holzbalkenkonstruktion mit einer Decklage aus Holzwerkstoffplatten installiert. Die Decklage ist fester Bestandteil der Konstruktion und dient sowohl als Unterstützung als auch als Schalung. Sie wird mit einem Kleber bestrichen und anschließend mit Frischbeton ausgegossen. Die Betonschicht sorgt für eine hohe Festigkeit in der Druckzone, während das Holz Zugkräfte aufnimmt. Im Verbund ergibt sich somit eine hohe Biegefestigkeit. Im Vergleich zu Stahlbetondecken werden große Anteile an Zugbewehrung und Beton eingespart. Außerdem erleichtern HBV-Systeme die Verarbeitung auf der Baustelle, denn im Gegensatz zur konventionellen Bauweise wird die Schalung nach Aushärtung des Betons nicht entfernt.

 

Kombination aus Holz mit Faserverbundkunststoff (Holz-FKV)

Holz-Faserverbundkunststoff-Systeme nutzen die Festigkeiten von synthetischen (z. B. Glas oder Carbon) und natürlichen (Flachs oder Basalt) Fasern im zugbeanspruchten Bereich aus. Je nach Anwendung und Beanspruchung werden hierfür mehrere Lagen aus Kleber und Fasergewebe auf der Zugseite von Holzkonstruktionen angebracht. Für die Applikation von FVK kommen verschiedene Methoden wie bspw. Vakuuminfusion oder das sog. Hand-Lay-Up-Verfahren, welches bei hohen Ansprüchen an Flexibilität oder in-Situ Verstärkungen Vorzüge bietet. Im Gegenzug bietet die Vakuuminfusion eine hohe Qualität und Reproduzierbarkeit.  Durch die Verstärkung des Holzbalkens mit Faserverbundkunststoff lässt sich die Zugfestigkeit und Steifigkeit des Bauteils deutlich erhöhen und die hohe, natürliche Variabilität des Holzes besser kontrollieren. Und zwar so weit, dass auch der Einsatz bislang wenig genutzter Holzarten und Sortierklassen denkbar ist. Damit könnte sich der Spielraum für eine klima- und umweltgerechte Forstwirtschaft erweitern. Aufgrund seiner flexiblen Verarbeitung kann Faserverbundkunststoff sogar in bereits bestehenden Holzbauten dazu eingesetzt werden, die tragende Konstruktion zu verstärken.

 

Bislang gibt es wenig Erkenntnisse über das Langzeitverhalten der beiden Holz-Hybridsysteme unter verschiedenen Umweltbedingungen. Die aktuellen Studien beschränken sich auf das Kurzzeitverhalten. Eine Nachwuchsforschergruppe unter der Leitung des Fraunhofer WKI untersucht nun erstmals das Langzeitverhalten dieser hybriden Holzbausysteme. Das Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Fraunhofer WKI und des Instituts für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB) der Technischen Universität Braunschweig betrachtet das Langzeitverhalten der Materialien einschließlich der Materialdegradation unter verschiedenen klimatischen und mechanischen Belastungsumgebungen. Die Untersuchungen werden auf Mikro-, Meso- und Makroebene durchgeführt und konzentrieren sich auf die folgenden zwei Themenbereiche:

- Mikrostruktur und die Mechanismen des Verbunds innerhalb der beiden Hybridsysteme

- Langzeitverhalten und Dauerhaftigkeit der beiden Hybridsysteme unter verschiedenen klimatischen und mechanischen Belastungsbedingungen

Die Untersuchungen helfen uns dabei, das Langzeitverhalten von klebstoffgebundenen Holz-Hybridsystemen verstehen und einschätzen zu können. Auf Basis dieser Erkenntnisse werden wir die Systeme optimieren und entwickeln Richtlinien für die sichere Konstruktion. Somit ebnen wir den Weg für den Einsatz in künftigen Bauwerken.

 

Projektpartner: Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)

Projektträger: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)

Laufzeit: 1.12.2018 bis 30.11.2021

 

(a) Holz-Klebstoff-Beton-Grenzfläche und (b) Holz-Klebstoff-Faser-Grenzfläche
Copyright: © Foto Fraunhofer WKI, Libo Yan; (a) Holz-Klebstoff-Beton-Grenzfläche und (b) Holz-Klebstoff-Faser-Grenzfläche