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Forschungsprojekt

Langzeitverhalten von klebstoffgebundenen 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 im Hochbau signifikant zu erhöhen.

© Fraunhofer WKI | Libo Yan
(a) Holz-Klebstoff-Beton-Grenzfläche und (b) Holz-Klebstoff-Faser-Grenzfläche.
© Fraunhofer WKI | Christoph Pöhler
Beispielhafter Aufbau einer Deckenplatte im Holz-Beton-Verbundsystem (HBV).
© Fraunhofer WKI | Christoph Pöhler
Beispielhafte Darstellung für die Darstellung eines Holzbalkens mit Faserverbundkunststoff (FVK).

Holz-Beton-Verbundsysteme

Wir erforschen Holz-Beton-Verbundsysteme (HBV-Systeme) als eine Alternative zu Stahlbeton. Sie eignen sich insbesondere für den Einsatz unter Biegebeanspruchung, in welchem hohen Zugspannungen an der Unterseite des Verbundsystems auftreten, etwa bei Unterzügen oder Deckenplatten. Anstelle von Stahl wird Holz eingesetzt, um die im Verbund auftretenden Zugkräfte aufzunehmen.

Beispielsweise entwickeln wir Deckenplatten, bei denen zunächst eine Balkenkonstruktion mit einer Decklage aus Holzwerkstoffplatten installiert wird. Die Decklage ist fester Bestandteil der Konstruktion und dient gleichzeitig als Schalung und mögliche Stützung der Decke. 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.

 

Holz-Faserverbundkunststoff-Systeme

Holz hat eine relativ hohe Festigkeit im Verhältnis zu seinem Gewicht und bietet zudem eine hohe Anpassungs- und Verarbeitbarkeit. Allerdings ist die Zug- und Druckfestigkeit von Holz vergleichsweise gering, wodurch es sich in tragenden Konstruktionen bisher nur einschränkt verwenden lässt. Durch die Kombination mit Faserverbundkunststoff lässt sich dieser Nachteil ausgleichen. Wir entwickeln passende Faserverbundkunststoffe und Herstellungsverfahren für Holz-Faserverbundkunststoff-Systeme (Holz-FVK-Systeme).

Ein Forschungsansatz besteht darin, mehrere Lagen von Polymermatrix und Verstärkungsgewebe als Zugkomponente in eine Holzkonstruktion einzubringen. Hierfür testen wir verschiedene Herstellungsmethoden. Per Vakuuminfusion lässt sich eine hohe Qualität und Reproduzierbarkeit erzielen. Das Hand-Lay-Up-Verfahren ermöglicht in-situ-Anwendungen. Somit kann Faserverbundkunststoff sogar zur Verstärkung bestehender Holzkonstruktionen eingesetzt werden, sofern die Holzbauteile zugänglich sind.

 

Gesellschaftliche Relevanz

Heutzutage dominieren 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. Die mechanischen Eigenschaften von Stahl und Beton lassen sich außerdem 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. Darüber hinaus sind Holzkonstruktionen oft auch ästhetisch ansprechend, was ihre Nutzung weiter begünstigt.

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 und die Dauerhaftigkeit dieser hybriden Holzbausysteme einschließlich der Materialdegradation unter verschiedenen klimatischen und mechanischen Belastungsumgebungen. 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 von Holz-Hybridsystemen in künftigen Bauwerken. 

 

Wirtschaftliche Vorteile

Für Bauträger und die Bauindustrie bieten Hybridsysteme einen Weg, die steigenden Anforderungen an die Ökobilanz von Gebäuden zu erfüllen und gleichzeitig kosteneffizient zu bauen.

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.  

Durch die gezielte Kombination von Holz mit anderen Materialien verbessern sich die mechanischen Eigenschaften der Gesamtkonstruktion erheblich. 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.

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.

Projektpartner

Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB) der Technischen Universität Braunschweig

Förderung

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)

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

FNR-Förderkennzeichen: 22011617

Laufzeit: 1.12.2018 bis 30.11.2021