Bei der statischen Berechnung von Bauten in Holzrahmenbauweise gibt es eine Lücke: Wände mit Fensteröffnungen werden für die horizontale Aussteifung nicht berücksichtigt. Ein Schweizer Forschungsprojekt will das mit mathematischen Modellen und groß angelegten Versuchen ändern.
Gebäude müssen nicht nur vertikal wirkenden Lasten wie Schnee und Eigengewicht standhalten, sondern auch solchen, die von der Seite auf sie einwirken, etwa durch den Wind an der Fassade oder durch Erdbeben. Im Planungsprozess müssen Bauingenieure diese horizontalen Lasten berechnen, um ausreichend steife und tragsichere Bauten zu entwerfen. Beim Holzrahmenbau gibt es hier allerdings eine entscheidende Wissenslücke: „Weder in der Schweiz noch in anderen europäischen Ländern existiert eine Regelung dazu, wieviel Horizontallast eine Holzrahmenwand trägt, wenn sie eine Fensteröffnung enthält“, erklärt Nadja Manser, Wissenschaftliche Mitarbeiterin der Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt). „Sobald ein Fenster in der Fassade eingeplant ist, muss das ganze Wandsegment vom planenden Ingenieur so behandelt werden, als sei dort nur Luft. Das ist nicht effizient.“
Forschung für mehr Effizienz
Im Rahmen eines vierjährigen Forschungsprojekts der Empa, der Berner Fachhochschule und der ETH Zürich soll deshalb mehr Effizienz im Holzrahmenbau dank verbesserten statischen Berechnungen erreicht werden. Das Vorhaben wird unterstützt vom Schweizer Bundesamt für Umwelt (BAFU) im Rahmen des „Aktionsplans Holz“ sowie von mehreren Industriepartnern und Verbänden. „Wir untersuchen die horizontale Aussteifung von Gebäuden mit Holzrahmenbauwänden, die Fensteröffnungen enthalten“, präzisiert Nadja Manser. Sie hat sich mit ihrem Team und ihren Projektpartnern 2021 zum Ziel gesetzt, die Wissenslücke zu schließen und die Voraussetzungen dafür zu schaffen, auch Wände mit Fensteröffnungen bei der Gebäudeaussteifung zu berücksichtigen. Die Versuche begannen im kleinen Rahmen an der Berner Fachhochschule in Biel, zunächst mit einzelnen Beplankungsplatten, wie sie im Holzrahmenbau verwendet werden, danach mit kleinen Wandelementen und schließlich mit eingeschossigen Wänden mit verschieden großen Fensteröffnungen.
Zeit und Material sparen
Die abschließenden Großversuche führten die Forschenden in der Bauhalle der Empa durch: zuerst mit zweigeschossigen Holzwänden, danach mit langen eingeschossigen Wänden, mit jeweils zwei Fensteröffnungen nebeneinander. Die Erkenntnisse daraus fließen in ein neues Computermodell, mit dem die horizontale Aussteifung der Wände mit Fensteröffnungen berechnet werden kann. Die Arbeiten am Modell sind noch nicht abgeschlossen, die ersten Ergebnisse jedoch versprechen viel: Der Beitrag der Wände mit Fensteröffnungen an die Gebäudeaussteifung ist groß genug, dass demnach in Zukunft weniger teure und arbeitsintensive Stahlverankerungen benötigt werden sollen. „Bei gewissen Gebäuden kann womöglich auf einen Betonkern verzichtet werden, der heute bei vielen Holzbauten notwendig ist, um die gewünschten Steifigkeitswerte zu erreichen“, fasst Nadja Manser die bisherigen Ergebnisse zusammen. Dies spart Zeit und Material und ermöglicht wirtschaftlichere und nachhaltigere Holzbauten.
Bevor das neue Berechnungsmodell in der Industrie zum Einsatz kommen kann, soll es noch vereinfacht werden. Dafür arbeiten die Forschenden eng mit ihren Industriepartnern zusammen. „Es war nicht immer einfach, die unterschiedlichen Ansprüche seitens der Industrie und der Forschung unter einen Hut zu bringen. Aber dafür können die Resultate unserer Arbeit rasch zur Anwendung kommen“, freut sich Manser.
Projektbeteiligte:
- Nadja Manser, Doktorandin
- Giovanni Saragoni, Techniker Bauhalle
- René Steiger, Gruppenleiter
- Lukas Kramer, wiss. Mitarbeiter
Beteiligte Partner
Quelle: Empa, Anna Ettlin
