Holz-Beton-Verbund

Der Begriff Holzbetonverbund bezeichnet sowohl die Bauweise und auch die durch diese Bauweise hergestellten Tragglieder (Holz-Beton-Verbundträger).

Holz-Beton-Verbundträger sind zusammengesetzte Bauteile, bei denen ein Betonträger und ein Holzträger über eine Verbindungsfuge zum Zwecke des Lastabtrags gekoppelt werden.

Allgemeines/Anwendung

Ein Verbund zwischen Beton und Holz ist eine wirkungsvolle Hybrid-Lösung für Brücken und Balken- oder Brettstapeldecken mit hohen Beanspruchungen. Durch die Nutzung der Verbundkonstruktion Holzbalken oder Brettstapel und Betonplatte kann die Trägfähigkeit und die Steifigkeit wesentlich erhöht werden. Eine Erhöhung der Tragfähigkeit und Steifigkeit um das 2- bis 5-fache im Vergleich zum einfachen Balken-Tragwerk ohne Verbund ist möglich. Die Schwingungsanfälligkeit der Verbundkonstruktion ist somit wesentlich geringer als beim einfachen Holztragwerk. Dies ist insbesondere von Bedeutung, da die DIN 1052:2004 im Vergleich zur DIN 1052:1988 höhere Anforderungen an das Schwingungsverhalten von Tragkonstruktionen stellt. Gleichzeitig verbessern sich beim Einsatz als Deckenkonstruktion die Schall- und Brandschutzeigenschaften der Decke. Grundsätzlich können mit den existierenden Verbundsystemen auch Altbaudecken mit den vorgenannten Vorteilen ertüchtigt werden. Der Wirkungsgrad des Verbundes – und damit die wirksame Biegesteifigkeit des Gesamtquerschnittes – ist abhängig von der Steifigkeit (Nachgiebigkeit und Kraftaufnahme) der verwendeten Verbindungsmittel. Treten zwischen den beiden Verbundquerschnitten Verschiebungen auf, ist die wirksame Verbundsteifigkeit in der Schubfuge geringer als bei Verwendung einer starren Verbindung. Eine Aussage über das Maß der Verschieblichkeit gibt der Verschiebungsmodul des gewählten Verbindungsmittels. Mit Verschiebungen in der Verbundfuge ist bei Verwendung von Nägeln, Schrauben, Betonstählen, Bolzen oder speziell entwickelten Verbunddübeln zu rechnen. Einen nahezu starren Verbund erreicht man durch die Verwendung von HBV-Schubverbindern. In Deutschland wurden bis jetzt insgesamt sieben Verbindungslösungen bauaufsichtlich zugelassen.

Herstellung/Material/Verbindungstechnik/Fertigung

Die Betonplatte wird in den meisten Fällen monolithisch ausgeführt. Auf die Brettstapeldecke oder die Fußbodenbretter der traditionellen Holzbalkendecke wird eine Folie aufgebracht. Nach dem Einbringen der Verbindungstechnik kann der Beton aufgebracht werden. Hauptsächlich wird Beton normaler Güte C 25/30 nach DIN 1045-1 verwendet. Bei hohen Anforderungen können auch höhere Betongüten erforderlich werden. Die Plattendicke liegt im Allgemeinen zwischen 60 und 140 mm. Es können besonders bei Neubauten auch Fertigteil-Betonplatten zur Anwendung gelangen. Neuerdings werden zunehmend auch Holz-Beton-Fertigteilelemente bei Bauvorhaben eingesetzt.

Verbundschrauben: Eine inzwischen ausgereifte und bewährte Technik sind spezielle Verbundschrauben mit einem Durchmesser mit 7,5 mm. Der Vorteil dieser Verbindungslösung liegt darin, dass die Schraube ohne Vorbohren in das Holz eingeschraubt wird. Pro Arbeitskraft lassen sich 200 Verbundschrauben pro Stunde einbringen. Die Verbundschrauben werden paarweise im Winkel 45°/135° gegeneinander versetzt eingeschraubt. Zwischen Betonplatte und Holzbalken darf beim Verbundsystem nach den Bestimmungen der bauaufsichtlichen Zulassung eine bis maximal 30 mm dicke Schalung eingebaut werden bzw. bei Altbaudecken vorhanden sein.

Grundsätzlich können mit diesem Verbundsystem Altbaudecken im Spannweitenbereich zwischen 4,0 bis 6,0 m auf eine Verkehrslast von 5,0 kN/m² ertüchtigt werden. Für Neubauten können bei Balkenabständen bis 3,5 m Deckenspannweiten bis 8 m mit Deckenlasten von 5 kN/m² hergestellt werden. Grundsätzlich sind jedoch nur statische Einfeldträgersysteme mit druckbeanspruchter Betonplatte ausführbar. Möglich ist auch eine Holz-Beton-Verbundlösung mit Brettsperrholzplatten. Die Praxistauglichkeit des mit den Schrauben nach Zulassung Z-9.1-342 herstellbaren Verbundssystems konnte zum Beispiel in Deutschland anhand von bisher 180 ausgeführten Objekten und in Europa bei über 500 Objekten unter Beweis gestellt werden.

HBV-Schubverbinder: HBV-Schubverbinder sind perforierte Streckmetallstreifen (Materialdicke 2,5 mm, Höhe 9–12 cm), die holzseitig in Trägerrichtung in eine 3,2 mm breite Nut und 4 cm tiefe Nut eingeklebt werden. Die Nut wird dabei in einem vorherigen Arbeitsgang mit einer Kreissäge eingebracht. Der herausragende Teil der HBV-Schubverbinders wird in der Betonplatte verankert. Als Kleber wird ein Spezialkleber auf PUR-Basis verwendet. Das Holz-Beton-Verbundsystem mit eingeklebten HBV-Schubverbindern ist bauaufsichtlich zugelassen (Z-9.1-557). Es darf bei statischen Einfeldsystemen, Mehrfeldsystemen und Kragarmsystemen eingesetzt werden. Aufgrund der kontinuierlichen Kraftübertragung zwischen den Teilquerschnitten Holz und Beton und der eingesetzten Klebetechnologie kann ein nahezu starrer Verbund zwischen den Teilquerschnitten hergestellt werden. Anwendungen finden sich vor allem im Neubau von Holz-Beton-Verbunddecken, Holz-Beton-Verbundwänden und Holz-Beton-Verbunddächern sowie der Sanierung und Ertüchtigung von bestehenden Holzbalkendecken. Laut Zulassung sind Spannweiten bis 15 m realisierbar. Auch Brückenkonstruktionen wurden mit dem HBV-Verbundsystem bereits gebaut.

Flachstahlschlösser: Zur Herstellung eines Verbundes zwischen Beton und Brettstapeldecken wurden so genannte Flachstahlschlösser untersucht und erprobt. Die Stahlgüte des Flachstahles ist S 235. Die Flachstahlschlösser werden in quer zur Faserrichtung verlaufende untermaßige Sägeschlitze eingetrieben. Als Betongüte kann C 25/30 bis C 60/75 verwendet werden. Mit zunehmender Betongüte erhöht sich der Verschiebungsmodul. Die maximale Stützweite beträgt 10 m. Fertigteilelemente sind ebenfalls möglich.

Dennert Holz-Beton-Verbundelement: Duobalken werden mittels Nagelplatten mit einer Leichtbetonplatte zu einem Fertigteilelement verbunden. Die Verwendung der Elemente ist auf eine Anwendung bei Dachkonstruktionen mit unten liegender vorwiegend zugbeanspruchter Betonplatte beschränkt. Die Fertigteilelemente sind maximal 3 m breit und maximal 10 m lang. Der Abstand der Duobalken untereinander beträgt 400 bis 1000 mm.

BS-Verbundanker: Es wird ein spezieller Stahlanker über Vergussmörtel in Aussparungen mit dem Holz verbunden. Zusätzlich sichern zwei Holzschrauben das Stahlteil gegen Abheben. Die Schubkraft in der Fuge zwischen Beton und Holz wird über Druck parallel zur Faser in das Holz übertragen. Das Stahlteil wird durch abgebogene Betonstähle mit dem Beton verbunden. Eine bauaufsichtliche Zulassung ist für diese Verbundlösung nicht notwendig. Das System ist für Balkendecken im Neu- und Altbau anwendbar.

Wissenswertes für die Planung

Die DIN 1052:2004 enthält Bemessungsgrundlagen für Holz-Beton-Verbund-Konstruktionen. Es stehen zwei Rechenverfahren zur Verfügung. Das Möhler-Verfahren und die Schubanalogie nach Kreuzinger. Die für die Bemessung notwendigen Werte, wie Verschiebungs- und E-modul, oder der charakteristische Wert der Schubtragfähigkeit des Verbindungsmittels sind der jeweils gültigen bauaufsichtlichen Zulassung zu entnehmen. Es besteht auch die Möglichkeit, Holz-Beton-Verbundkonstruktion mit Stabwerksmodellierungen oder FE-Modellierungen zu berechnen.

Verbundschrauben: Die Bemessung erfolgt mit einer speziellen Bemessungssoftware. Die Staffelung der Verbundschrauben entsprechend dem Schubfluss in der Fuge ist mit dem Programm ohne weiteres möglich.

HBV-Schubverbinder: Lignotrend-Beton-Verbundelemente können für Tragwerke mit bis zu drei Feldern und beidseitigen Auskragungen mit einer speziellen Software bemessen werden. Für Neubauten werden verschiedene Deckenkonstruktionen angeboten, so z. B. Balkendecken, Rippendecken, Kastendecken, Variodecken, Plattendecken, Akustikdecken und Hohlkastendecken.

Flachstahlschlösser: In der Praxis bevorzugt werden Fertigteildecken, die durch die anbietende Firma dimensioniert werden.

BS-Verbundanker: Für die Bemessung stehen Bemessungstabellen zur Verfügung.