Die Holz-Beton-Verbundbauweise liegt im Trend - warum eigentlich?

Die Bauwirtschaft unterliegt aufgrund sich fortwährend verändernder Bedürfnisse seitens Architektur und Gesellschaft sowie der Rohstoffverfügbarkeit einem stetigen Wandel bzw. einer stetigen Weiterentwicklung. Bedingt durch den Mangel an Bewehrungsstahl wurden bereits in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts alternative Tragkonstruktionen erforscht. Hieraus ging u.a. eine Verbunddecke aus Holz und Beton hervor. Angesichts einer wieder zunehmenden Verfügbarkeit von Bewehrungsstahl ab Anfang der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts rückte das Interesse an der Holz-Beton-Verbundbauweise (HBV) zunächst wieder in den Hintergrund. Heutzutage gewinnt das Konstruktionsprinzip HBV wieder an Bedeutung: Die Gründe hierfür liegen auch in der angestrebten Dekarbonisierung der Bauwirtschaft. Allein der Gebäudesektor ist für rund 37% der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich – dabei entfallen rund 27% auf die Herstellung und 63% auf die Nutzung von Gebäuden (vgl. 2021 Global status report for buildings and construction, UN environment program). Im Hinblick auf die Herstellung gilt die Zement- und Stahlherstellung als wesentlicher Emissionstreiber. So erscheint es nur sinnig, überall dort, wo es möglich ist, die Verwendung von Beton und Stahl zu reduzieren. Die Holz-Beton-Verbundbauweise stellt mittels optimaler Kombination der Materialien Holz und Stahlbeton eine bewährte, zeitgemässe, markt- und klimagerechte sowie attraktive Lösung v.a. im mehrgeschossigen Holz- bzw. Hybridbau dar. Im Gegensatz zu einer konventionellen Stahlbetondecke geht mit HBV-Decken eine erhebliche Einsparung von Stahl und Beton einher. In Verbindung mit dem langfristig im Holz gespeicherten Kohlenstoffdioxid sind daher nahezu klimaneutrale Deckenkonstruktionen ausführbar. Die Holz-Beton-Verbundbauweise kann daher als eine geeignete Ergänzung zur klassischen Holzbauweise erachtet werden. Um die jeweiligen Vorzüge bestmöglich nutzen zu können, sind es allerdings die projektspezifischen Parameter, die über die Wahl der anzuwendenden Bauweise entscheiden.

Im Folgenden wird im Rahmen der Holz-Beton-Verbundbauweise ausschliesslich auf Holz-Beton-Verbunddecken (HBV-Decken) eingegangen. Diese bilden ein hybrides System dar, welches die Vorzüge von zwei Baustoffen, die i.d.R. mittels mechanischen Verbindungsmitteln oder Formschluss verbunden sind, optimal miteinander kombiniert. Somit ist der Beton in der Biegedruckzone (oben), das Holz (linear oder flächig) hingegen in der Biegezugzone (unten) eines Deckenelements verortet. Der Beton ist aufgrund seiner hohen Festigkeit und Steifigkeit besonders für Druckbeanspruchungen geeignet. Demgegenüber ist Holz für den Einsatz in der Zugzone prädestiniert. Somit entfällt der in üblichen Stahlbetonquerschnitten vorhandene Beton in der Zugzone. Dieser trägt im gerissenen Zustand nicht mit und stellt lediglich eine Belastung dar. Darüber hinaus ist in den überwiegenden Fällen nur eine Schwindrissbewehrung in HBV-Decken vorzusehen. Hierdurch können Querschnitte entstehen, die bei einem vergleichsweise geringen Eigengewicht eine relativ hohe Steifigkeit aufweisen. Ein HBV-System besteht grundsätzlich aus verschiedenen Komponenten, die in ihrer Ausprägung variieren können. Daher ist eine massgeschneiderte Kombination in Anlehnung an das spezifische Bauvorhaben anzuwenden bzw. zu entwickeln. Die Vielfalt möglicher Systemkombinationen ist in Abbildung 3 schematisch dargestellt. Die nachstehende Abbildung 1 zeigt exemplarisch zwei HBV-Deckenelemente.

HBV-Decken verfügen über äusserst vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber reinen Holzdecken ist die erhöhte Steifigkeit der HBV-Konstruktion. Die höhere Tragfähigkeit ermöglicht durch effiziente Materialkombination und einen verhältnismässig geringen Materialeinsatz grössere Spannweiten. Gegenüber reinen Stahlbetondecken wird in diesem Zusammenhang ein weiterer Vorteil ersichtlich: HBV-Decken weisen ein vergleichsweise geringes Eigengewicht auf. Das Eigengewicht bei Stahlbetondecken kann i.d.R. als ein limitierender Faktor für die ökonomische sowie ökologische Sinnhaftigkeit bei der Überbrückung von grossen Spannweiten angesehen werden. Demgegenüber sind bei reinen Holzdecken im mehrgeschossigen Wohnungsbau erhebliche Mehraufwendungen nötig, um Spannweiten von mehr als 6 Meter zu realisieren. Diese Mehraufwendungen liegen in unverhältnismässig grossen Deckenstärken sowie in der Bewältigung der Schwingungsproblematik. Darüber hinaus wirken sich HBV-Decken positiv auf die Ausbildung von steifen Deckenscheiben im Sinne der Aussteifung aus. Im Hinblick auf die Abtragung horizontaler Lasten kann der Aufwand für die Herstellung eines Anschlusses an ein lastabtragendes Bauteil (z.B. massiver Treppenhauskern / Holz-Beton-Hybridtreppenhauskern) im Vergleich zu herkömmlichen Holzdecken als geringer erachtet werden.

Neben statischen sowie ökologischen und ökonomischen Vorteilen bei bedarfsgerechtem Einsatz zeichnen sich HBV-Decken ebenfalls durch gute bauphysikalische Eigenschaften aus. Aufgrund der höheren Steifigkeit und Masse ist die Dämpfung von Schwingungen wesentlich ausgeprägter als bei reinen Holzdecken, woraus ein erhöhter Schallschutz resultiert. Daher kann auf Ersatzmassnahmen (z.B. Splittschüttungen) wie sie im mehrgeschossigen Holzbau üblich sind - um der Schwingungsproblematik zu begegnen - verzichtet werden. Ferner sind HBV-Decken in Bezug auf eine Brandbeanspruchung positiv zu bewerten, da sie eine wirksame Barriere gegen Feuerausbreitung darstellen.

Zusätzlich zu technischen Vorteilen ist auch die gestalterische Vielfalt gegenüber Stahlbeton- und Holzdecken vorteilhaft. Daneben ist eine Differenzierung von HBV-Decken in Ortbetonbauweise und vorgefertigten HBV-Decken unerlässlich, um ein vollumfassendes Bild der Vor- und Nachteile der HBV-Bauweise zu erhalten. 

Zusammenfassung allgemeiner Vor- und Nachteile von HBV-Decken:

Vorteile

• Ideale Nutzung jeweiliger Materialeigenschaften
• Grosse Spannweiten bei wirtschaftlichem Materialeinsatz
• Hohe Steifigkeit
• Gute Schallschutzeigenschaften
• Gute Brandschutzeigenschaften
• Industrielle Vorfertigung möglich
• Vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten

Nachteile

• Nicht wirtschaftlich für kurze Spannweiten
• Ökologische Verträglichkeit besser als bei Stahlbetondecken, aber schlechter als bei reinen Holzdecken

Die Mehrzahl der bis dato errichteten Gebäude mit HBV-Tragstrukturen sind in situ, sprich in Ortbetonbauweise erstellt worden. Diese konventionelle Ausführung bringt diverse Schnittstellen verschiedener Gewerke mit sich und birgt aufgrund gesteigerter Komplexität Unsicherheiten in Bezug auf den Bauablauf. Die Maxime einer fortlaufenden Montage bedarf daher einer zielorientierten Koordination von Arbeitsschritten und Materialanlieferungen. Allerdings spielt die Komplexität des Grundrisses und die hieraus hervorgehenden Varianzen nur eine untergeordnete Rolle. Ausserdem ist hier neben einer einfachen Integration der Haustechnik im Überbeton die monolithische Scheibenausbildung aufgrund durchlaufender Bewehrung und i.d.R. unterbruchfreier Betonage einfach herstellbar. Im Umkehrschluss gelten ebenjene Aspekte als Herausforderungen für die Planung, Produktion und Montage von vorgefertigten HBV-Decken. 

Der Planungsaufwand bei einem Einsatz von vorgefertigten HBV-Decken ist im Vergleich zur Ortbetonbauweise höher. Dieser Mehraufwand ist mitunter in der Planung von speziellen Anschlussdetails der vorgefertigten HBV-Deckenelemente begründet. Die Anschlüsse stellen eine funktionstüchtige Schubkraftübertragung aus horizontalen Kräften sowie die Einleitung von daraus resultierenden Zugkräften in den oft massiven Erschliessungskern sicher. Ebenso muss z.B. das Verlegen von Elektroleerrohren in der Werkplanung Berücksichtigung finden. Grosse Varianzen und geringe Wiederholungen erhöhen den Planungs- und Produktionsaufwand. 

Prinzipiell gilt es zwei Arten der Vorfertigung von HBV-Decken in Anlehnung an den Ort der Verbundherstellung zu differenzieren. Eine Verbundherstellung im Werk bedeutet, dass Holz und Beton bereits im Produktionswerk schubfest miteinander verbunden werden, somit entsteht ein fertiges HBV-Deckenlement. Das Fertigteil kann nach erforderlicher Aushärtungszeit auf die Baustelle geliefert und montiert werden (s. Abbildung 2). Andererseits besteht die Möglichkeit, den Verbund von Holz und Beton in situ mit Halbfertigteilen herzustellen. Eine Holzunterkonstruktion sowie eine vorfabrizierte Stahlbetonplatte  werden separat auf die Baustelle geliefert, montiert und schubfest miteinander verbunden. Die Herstellungskosten von vorgefertigten HBV-Decken sind aufgrund spezieller Anschlussdetails und eines stationären, kleinteiligeren Produktionsprozesses i.d.R. etwas höher anzusiedeln. Diese Mehrkosten relativieren sich jedoch bei genauerer Betrachtung der gesamten Bauzeit sowie anfallender Kosten in der Ortbetonbauweise. 

Während im Regelfall sämtliche HBV-Decken in Ortbetonbauweise vom untersten bis ins oberste Geschoss eines Gebäudes abgespriesst werden müssen, bis die erforderliche Aushärtungszeit des Betons im zuletzt betonierten Geschoss erreicht ist, kann bei der Montage von vorgefertigten HBV-Decken darauf komplett verzichtet werden. Neben Einsparungen für Arbeitsaufwand und Materialbereitstellung seitens Baumeister sind es vor allem bauablaufrelevante als auch qualitative Aspekte, die beim Einsatz von vorgefertigten HBV-Decken vorteilhaft sind. Aufgrund des Wegfalls von Betontrocknungszeiten sowie Standzeiten von Deckenspriessen und der Konzentration der Baustellentätigkeiten auf Montagearbeiten können nachgelagerte Ausbaugewerke sehr viel früher ihre Arbeit aufnehmen, wodurch eine deutliche Reduktion der Bauzeit resultiert. So können Zwischenfinanzierungskosten reduziert und frühere Mieteinnahmen generiert werden. Darüber hinaus kann die Qualität der Bauausführung aufgrund witterungsunabhängiger Produktion sowie einer durchgängigen Qualitätskontrolle aus einer Hand erhöht werden. Der Einsatz von vorgefertigten HBV-Decken verringert zudem das Risiko von Feuchteschäden, da mit der trockenen Montagebauweise kein zusätzlicher Feuchteeintrag wie beim Ortbetonbau einhergeht. Vorteilhaft ist ebenfalls eine logistische Entflechtung von ineinandergreifenden Gewerken an einem Bauteil.

Insgesamt kann keine Aussage darüber getroffen werden, welche Herstellungsmethodik pauschal die Geeignetste ist. Vielmehr ist es eine Abwägung der genannten Aspekte über die Tauglichkeit in Abhängigkeit der vorherrschenden Rahmenbedingungen und der spezifischen Gebäudecharakteristika, die zur Auswahl einer Herstellungsmethodik bzw. zu einer Kombination führt.

Zusammenfassung der Vor- und Nachteile von HBV-Decken bei Verbundherstellung in situ mit Ortbeton:

Vorteile

• Einfache Integration von Haustechnik im Überbeton
• Einfache Scheibenausbildung
• Einfache Anschlussdetails
• Wirtschaftlichkeit unabhängig von Raster und Grundriss

Nachteile

• Schnittstellen innerhalb der Deckenkonstruktion
• Feuchteeintrag und somit Gefahr von Feuchteschäden
• Lange Standzeit der Deckenspriesse behindert Arbeitsfortschritt

Zusammenfassung der Vor- und Nachteile von vorgefertigten HBV-Decken bei Verbundherstellung im Werk / Verbundherstellung in situ mit Halbfertigteilen:

Vorteile

• Trockene und schnelle Montagebauweise
• Logistische Entflechtung von ineinandergreifenden Gewerken an einem Bauteil
• Unterbruchfreier Bauablauf möglich und damit Reduktion der Bauzeit
• Erhöhung Ausführungsqualität durch witterungsunabhängige Produktion und stetige Qualitätskontrolle aus einer Hand
• HBV-Decke als Notdach nutzbar

Nachteile

• Integration von Haustechnik in Überbeton  möglich, aber i.d.R. aufwendig
• Höherer Planungsaufwand
• Mehraufwand abhängig von Komplexität und Elementvarianz
• Elementgrösse beschränkt durch Transportbestimmungen
• Wirtschaftlichkeit abhängig von Raster und Grundriss

Grundsätzlich ist in 1 m³ Holz rund 1 Tonne CO₂ gebunden. Sofern dieses Holz in langlebigen Produkten Verwendung findet, wird der einmal im Baum gespeicherte Kohlenstoff dem natürlichen Kreislauf langfristig entzogen und hilft, das Klima zu entlasten. Holzbauten können daher als beständige Kohlenstoffdepots verstanden werden. Die wohl nachhaltigsten Auswirkungen auf die CO₂-Bilanz haben darüber hinaus entsprechende Substitutionseffekte: Das Holz ersetzt bzw. reduziert den Einsatz anderer energieintensiver Materialien wie Beton und Stahl, deren Herstellung einerseits erhebliche Mengen CO₂ freisetzt und andererseits auf endlichen Rohstoffen basiert.

Die vorstehende Abbildung 4 veranschaulicht die Umweltwirkungen verschiedener Deckensysteme. Das Treibhauspotential (GWP – global warming potential) wird als CO₂-Äquivalent in der Einheit kg/m² angegeben und ist als eine Masszahl des relativen Beitrags zum Treibhauseffekt zu verstehen. Darüber hinaus sind Umweltbelastungspunkte (UBP) angegeben. Diese bilden eine vergleichbare Bewertungseinheit ab und werden mit der Methode der ökologischen Knappheit ermittelt. Hierbei handelt es sich um ein stoff- und energieflussorientertes Bewertungsinstrument, welches die ökologischen Auswirkungen in einer Kennzahl zusammenfasst. Der Berechnung der in der Abbildung dargestellten Werte liegen totale Kennzahlen zugrunde, diese berücksichtigen sowohl die Herstellung als auch die Entsorgung (gilt sowohl für GWP als auch UBP).

Je kleiner die verbaute Menge an Stahl und Beton, desto ökolisch verträglicher erscheinen die aufgezeigten Bauteile. Insbesondere infolge eines hohen Primärenergieverbrauchs für die Materialherstellung für Stahl und Beton, respektive Zement, fällt ebenjene ökologische Bewertung eher negativ aus. Im Vergleich zur Stahlbetondecke kann bei der Herstellung von HBV-Decken die Menge an Beton um etwa 50%, an Stahl um etwa 60% reduziert werden. Ebenfalls bei der Produktion von Holzprodukten wird CO₂ emittiert. Wenngleich eine Speicherung von CO₂ in der GWP-Gesamtrechnung positiv berücksichtigt wird und somit das Treibhauspotential der gesamten Deckenkonstruktion verringert, geben die Umweltbelastungspunkte Aufschluss für eine differenziertere Betrachtung. 

Bei Gegenüberstellung beider abgebildeten HBV-Varianten erscheint die HBV-Decke mit CLT (Cross Laminated Timber, auch Brettsperrholz) bei alleiniger Betrachtung des Treibhauspotentials vorteilhafter als die HBV-Rippendecke. Dies liegt im grösseren und somit ineffizienteren Verbrauch der Ressource Holz begründet, weswegen vergleichweise mehr CO₂ gebunden ist. Allerdings ist die Herstellung für einen Quadratmeter bearbeitetes Holz im Rahmen des gewählten Deckensystem weitaus energieintensiver. Dieser Umstand spiegelt sich bei Betrachtung der Umweltbelastungspunkte wider. Daher ist zwecks ökologischer Beurteilung stets eine differenzierte Untersuchung sinnvoll. Zudem darf nicht ausser Acht gelassen werden, dass ein vermehrt ineffizienter Ressourcenumgang zu einer Ressourcenverknappung, einer Teuerung und einem Bruch in der Aufwärtsdynamik des Holzbaus führen kann. Die zuvorderst genannten Substitutionseffekte mit grosser Wirkung würden entsprechend ausbleiben. Da den herangezogenen Basiskennzahlen zumeist Durchschnittswerte zugrunde liegen, können mit einer spezifischeren Beachtung und Untersuchung der Rohstoffflüsse und Produktionsbedingungen deutliche Verbesserungen einhergehen. Stellschrauben hierfür können z.B. eine CO₂-arme Lieferkette oder eine auf erneuerbaren Energien beruhende Produktion von Bauprodukten sein. Zusammenfassend können HBV-Decken aufgrund ihrer Speicherwirkung als beinahe klimaneutral bewertet werden, d.h. sie beeinflussen das Klima nur geringfügig. 

Abgesehen davon, dass die Wahl eines Bausystems stets abhängig sein sollte, von den projektspezifischen Charakteristika, ist die Holz-Beton-Verbundbauweise grundsätzlich für die nachfolgenden Anwendungsgebiete prädestiniert:

Neubau von Geschossdecken bei:

• Mehrgeschossigem Wohnungsbau
• Gewerbebau
• Schulungs-, Tagungs- und Bildungsbauten
  
  

Verwaltungsbauten

Sanierung und Ertüchtigung von bestehenden Holzbalkendecken

Bezugnehmend auf die Gestaltung sind im Rahmen von HBV-Decken vielfältige Möglichkeiten denkbar. Nebst der Möglichkeit die Tragstruktur vollflächig mittels einer abgehängten Decke – seien es Gipsfaser-/Gipskarton- oder Massivholzplatten – zu verkleiden, ist es ebenfalls möglich, die gesamte Struktur oder auch nur einen Teil sichtbar auszubilden (s. Abbildung 5). In der Kombination lineare HBV-Decken und abgehängte Decken ist es darüber hinaus möglich, die Zwischenebene als installationsführende Schicht zu nutzen. Im Hinblick auf die Energieeffizienz kann der Beton auch als Speichermedium für Wärme oder Kälte dienen. In diesem Fall können entsprechende Heizungs-/Kühlungsleitungen in der Abhängung zwischen den Rippen integriert werden. Ebenso können in dieser Ebene Lüftungsleitungen, Sprinklerleitungen und -köpfe sowie Beleuchtungselemente integriert werden.

Die Holz-Beton-Verbundbauweise gewinnt zunehmend an Bedeutung, weswegen derzeit auch eine sukzessive Etablierung in der Baupraxis feststellbar ist. Die Bauweise kann als hilfreiche Ergänzung zum klassichen Holzbau gesehen werden, um die Ziele der Bauwirtschaft im Hinblick auf die angestrebte Dekarbonisierung zu erreichen. Neben den gesammelten praktischen Erfahrungen sind es insbesondere die eingangs beschriebenen statischen und bauphysikalischen Aspekte sowie eine fortlaufend stattfindende Forschung, die die HBV-Bauweise als zukunftsträchtig erachten lässt. Ferner stellen wir fest, dass HBV-Lösungen sehr wohl mit den Chakteristika des Holzbaus vereinbar sind. Die gesammelten Erfahrungen haben gezeigt, dass wir HBV-Decken unter Einbezug des Systemgedankens industriell vorfertigen können, eine hohe Planungssicherheit erlangen sowie ökologisch, emmissionarm, schnell und trocken in Monatagebauweise bauen können. Insofern werden die positiven Charakterista des Holzbaus weniger getrübt, sondern dienen vielmehr als Dogma und Leitgedanke bei der Eingliederung von HBV-Systemen in unsere bestehenden und bewährten Holzbausysteme und -prozesse. 

Zusammenfassend stellt die Holz-Beton-Verbundbauweise aus Sicht der Renggli AG eine geeignete Ergänzung zur klassichen Holzbauweise dar, da sie die Leistungsfähigkeit und Einsatzgebiete im Holz- bzw. Hybridbau erweitert. Daneben kann auch eine verbesserte ökologische Verträglichkeit gegenüber dem Massivbau herangezogen werden, um den Trend rund um das Thema HBV erklären zu können.

Wollen Sie mehr darüber erfahren, welche Aspekte es zu beachten gilt, um Ihr Bauvorhaben in Holzhybridbauweise wirtschaftlich umzusetzen?

Kontaktieren Sie uns. Gerne kommen wir mit Ihnen ins Gespräch, eruieren die Machbarkeit und entwickeln ggf. gemeinsam das passende HBV-System für Ihr Bauvorhaben.

Ihr Ansprechpartner:

Marvin Reisener
Leiter Entwicklung / Innovationen

MSc. Management (Bau, Immobilie, Infrastruktur)

Telefon +41 62 748 22 07

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