Aktenzeichen: 38598/01-25
Projektlaufzeit: 03.2024 bis 12.2025
Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau
t-lab – Holzarchitektur und Holzwerkstoffe
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Graf, Forschungssprecher (Koordinator)
Dipl.-Ing. Wenchang Shi
Dieses Projekt wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) unter dem Aktenzeichen 38598/01-25 gefördert.
Zusammenfassung
Ziel des Projekts war die Entwicklung kreislauffähiger Konstruktionen für den mehrgeschossigen Holzskelettbau mit besonderem Fokus auf nichttragende, großformatige Außenwandelemente. Aufgrund ihres hohen Materialanteils und ihrer funktionalen Bedeutung nehmen Außenwände eine zentrale Rolle für die Kreislaufeffektivität von Gebäuden ein. Entsprechend standen die einfache Austauschbarkeit sowie die Wiederverwendbarkeit dieser Bauteile im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens. Ziel war es, Planende und Ausführende durch einen Konstruktionskatalog demontierbarer Ausfachungswände zu unterstützen, der systematisch Informationen zu reversiblen Verbindungstechniken bereitstellt. Im Projekt wurden reversible Verbindungskonzepte für Holztafelbauelemente entwickelt und experimentell untersucht. Die Arbeiten umfassten die Konzeption und rechnerische Auslegung von Anschlussvarianten für nichttragende Außenwände in Holzskelettbauweise. Für die Varianten „eingestellt“ und „angehängt“ wurde ein standardisiertes Montage- und Verbindungskonzept erarbeitet, das auf dem Einsatz des Doppel-Konusverbinders sowie des Konusadapters basiert. Der Doppel-Konusverbinder und der Konusadapter aus Kunstharzpressholz (KP) wurden gezielt für Anforderungen an eine zerstörungsfreie (De-)Montage bei gleichzeitig hoher Tragfähigkeit entwickelt. Zur experimentellen Verifizierung ihrer mechanischen Leistungsfähigkeit wurden Druckscherversuche durchgeführt. Für Brettschichtholz der Festigkeitsklasse GL24 erreicht der Konusadapter einen charakteristischen Schertragwert in Faserrichtung von 33,2 kN, während für den Doppel-Konusverbinder eine Tragfähigkeit von 21,8 kN ermittelt wurde. Zur Überprüfung der praktischen Umsetzbarkeit der entwickelten Verbindungskonzepte wurde ein Mock-up im Maßstab 1:1 realisiert. Der Baukörper weist einen Grundriss von 3 × 3 m bei einer Gesamthöhe von 3 m auf. Die Wandelemente wurden ohne Fensteröffnungen ausgeführt und entsprechend den entwickelten Anschluss- und Verbindungskonzepten montiert. Nach einem vollständigen Auf- und Abbau in der Werkstatt zur Prüfung der Reversibilität wurde das Mock-up zur Forschungshalle in Diemerstein transportiert und dort erneut errichtet. Auf diese Weise konnte die Funktionsfähigkeit der Verbindungsmittel und Anschlussdetails unter praxisnahen Bedingungen verifiziert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelten Verbindungskonzepte eine zerstörungsfreie Montage und Demontage ermöglichen und die Reversibilität der Außenwandelemente in der Praxis gewährleistet ist. Die experimentellen Untersuchungen bestätigen zudem, dass der Einsatz standardisierter Verbindungsmittel sowohl architektonische als auch konstruktive Freiheitsgrade bewahrt und die Anpassungsfähigkeit von Gebäuden an unterschiedliche Nutzungsanforderungen erhöht. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse empfiehlt das Projektteam die Anwendung der entwickelten Verbindungskonzepte in realen mehrgeschossigen Holzskelettbauten. Darüber hinaus wird eine Weiterentwicklung der Verbindungsmittel im Hinblick auf Fertigung, Standardisierung und Vorfertigung vorgeschlagen. Die erarbeiteten Lösungen sollten in Konstruktionskataloge für Planende und Ausführende integriert werden, um eine breite Anwendung in der Baupraxis zu ermöglichen.
1 Entwicklung der Verbindungskonzepte
Auf Basis der bestehender reversibler Verbindungstechniken werden im Folgenden vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt auf der konstruktiven Ausgestaltung der Verbindungstechniken, ihrer Integration in vorgefertigte Wandelemente sowie der Sicherstellung einer zerstörungsfreien Montage und Demontage. Die im Rahmen des Projekts entwickelten Doppel-Konusverbinder (siehe Abbildung 1) werden werkseitig in der Schwelle vormontiert und dienen der exakten Positionierung der Wandelemente im Tragwerk (siehe Schritt B in Abbildung 1 und Abbildung 2). Da in der Ebene der Außenwand keine maßgebliche Scherbeanspruchung auftritt, sind zwei Doppel-Konusverbinder ausreichend, um die entstehenden Schubkräfte aufzunehmen. Die reduzierte Anzahl der Verbindungsmittel verkürzt die Bearbeitungszeit für die konischen Bohrungen und erhöht die Wirtschaftlichkeit des Systems. Im Tragwerk ist ein entsprechendes Gegenbauteil erforderlich, das sowohl die Windlasten aufnimmt als auch die präzise Positionierung der Wandelemente sicherstellt. Hierfür wird Kantholz aus Brettschichtholz der Festigkeitsklasse GL24 verwendet, da dieses gegenüber KVH C24 eine höhere Formstabilität aufweist und Fertigungsungenauigkeiten reduziert. Das Kantholz wird über Konusadapter oder Doppel-Konusverbinder mit dem Tragwerk verbunden. Die Montage kann weitgehend werkseitig vorbereitet werden, wobei großzügig dimensionierte Bohrungen die Montage auf der Baustelle erleichtern (siehe Schritt A in Abbildung 1 und Abbildung 2). Im Tragwerk wird ein entsprechendes Gegenstück benötigt, das sowohl die Windlasten aufnimmt als auch die Wandelemente korrekt positioniert. Hierfür wird Kantholz aus BSH GL24 verwendet, da es gegenüber KVH C24 formstabiler ist und Fertigungsungenauigkeiten reduziert. Das Kantholz wird entweder über Konusadapter oder Doppel-Konusverbinder mit dem Tragwerk verbunden. Die Montage kann werkstattseitig vorbereitet werden (siehe Abbildung 1 und Abbildung 2).
Abbildung 1: Prinzipielle Darstellung eines fertigungs- und montagefreundlichen Verbindungskonzepts mit Doppel-Konusverbinder
Abbildung 2: reversible Verbindungstechnik für geschossweise austauschbare Außenwandelemente. Schritt 1 und Schritt 2: Montage des Kantholzes mittels Doppel-Konusdübel. Schritt 3 und Schritt 4: Einbau des Wandelements mittels Doppel-Konusdübel zur lagegenauen Positionierung. Die Übertragung der Windlasten erfolgt über zusätzlich eingebrachte Schrauben
2 Experimentelle Untersuchungen
Gemäß dem im Rahmen des Projekts entwickelten Verbindungskonzept übernehmen die Doppel-Konusverbinder die Scherbeanspruchungen, während die Einschraubmuffen zur Aufnahme der Zugkräfte eingesetzt werden. Die Zugtragfähigkeit von Einschraubmuffen lässt sich in ETA-120481 ermitteln. Die Schertragfähigkeit sowie die Nachgiebigkeit der Doppel-Konusverbinder werden hingegen mittels Druckscherversuchen nach DIN EN 26891 bestimmt. Nach demselben Prinzip können auch Konusadapter die Funktion der Doppel-Konusverbinder zur Aufnahme von Windlasten übernehmen. Aus diesem Grund wurden die Druckscherversuche zusätzlich mit Konusadaptern durchgeführt. Ziel war es, sowohl die Tragfähigkeit als auch die Nachgiebigkeit der Verbindungsmittel zu ermitteln.
Abbildung 3: Versuchskörper und Versuchsaufbau für die Druckscherversuche: oben Konusadapter (n = 6), unten Doppel-Konusadapter (n = 6)
Für den Konusadapter in BSH GL24 ergibt sich eine mittlere Tragfähigkeit von 34,8 kN sowie eine charakteristische Tragfähigkeit von 33,2 kN (siehe Abbildung 4).
Abbildung 4: Kraft-Verschiebungskurve von Druckscherversuchen mit Doppel-Konusverbindern bei GL24
Die mittlere Tragfähigkeit des Doppel-Konusdübels in BSH GL24 beträgt 24,2 kN, während die charakteristische Tragfähigkeit mit 21,8 kN ermittelt wurde (siehe Abbildung 5).
Abbildung 5: Kraft-Verschiebungskurve von Druckscherversuchen mit Konsadaptern bei GL24
3 Mock-Up und Nachweis der Reversibilität
Zur Überprüfung der praktischen Umsetzbarkeit und der Reversibilität der entwickelten Wandelemente wurde ein Mock-Up im Maßstab 1:1 mit den Abmessungen 3 × 3 m und einer Höhe von 3 m errichtet. Ziel war es, Montage, Demontage und Wiederaufbau unter realen Bedingungen zu erproben, die Wiederverwendbarkeit der Verbindungsmittel und Bauteile zu überprüfen sowie die konstruktive Funktionsfähigkeit unter praxisnahen Randbedingungen zu bewerten.
Die Stützen weisen einen quadratischen Querschnitt von 40 × 40 cm auf. Ihre Verbindung untereinander erfolgt über eine Nut-Feder-Konstruktion, die zusätzlich mit Konusadaptern gekoppelt wird. Die Hauptträger sind als Zangenkonstruktion aus BauBuche ausgeführt und ebenfalls mithilfe von Konusadaptern mit den Stützen verbunden. Für die Deckenelemente kommen CLT-Box-Elemente der Firma best wood SCHNEIDER® zum Einsatz, die in einem anderen Projekt am t-lab weiterentwickelt wurden. Zur Sicherstellung der erforderlichen lichten Höhe wird die obere BSP-Platte ausgeklinkt auf den Trägern gelagert.
Abbildung 6: Tragwerk für das Mock-Up
Abbildung 7: Reversible Verbindungstechnik im Tragwerk und in den nichttragenden Außenwandelementen
Zur Realisierung der Wiederverwendbarkeit der Wandelemente ist nicht nur eine reversible, zerstörungsfreie Demontage erforderlich, sondern auch ein anschließender Wiederaufbau mit den wiederverwendeten Elementen. Im Sinne dieses Ansatzes wurde das Mock-Up zunächst bei einem Industriepartner aufgebaut und anschließend demontiert. Der gesamte Prozess wurde dokumentiert und veröffentlicht. Die demontierten Bauelemente wurden anschließend zur Werk- und Forschungshalle Diemerstein des t-lab transportiert und dort erneut aufgebaut.
Abbildung 8: nichttragendes Wandelement in Holztafelbauweise
Abbildung 9: Fertiggestelltes Wandelement
Abbildung 10: Aufbau des Tragwerks mittels Konusadapter
Abbildung 11: Mock-Up mit geschossweisen austauschbaren Außenwandelementen
4 Fazit
Im Rahmen des Projekts wurden geschossweise austauschbare Wandelemente für eine reversible, kreislauffähige Holzskelettbauweise entwickelt, hergestellt und hinsichtlich ihrer technischen, konstruktiven und praktischen Funktionsfähigkeit untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeiten lag auf der Entwicklung innovativer Verbindungstechniken, insbesondere der Kombination aus Doppel-Konusverbindern und Konusadaptern, die eine zerstörungsfreie Demontage und Wiederverwendung der Bauteile ermöglichen. Das im Maßstab 1:1 errichtete Mock-Up bestätigte die grundsätzliche Machbarkeit des reversiblen Systems und lieferte wertvolle Erkenntnisse zur Handhabung, zu Montageabläufen sowie zur präzisen Positionierung der Bauteile unter realen Randbedingungen.
Das Mock-Up ermöglichte zudem die praktische Erprobung der Montage- und Demontageschritte und diente als Testumgebung für die Handhabung großformatiger Wandelemente. Dabei konnten potenzielle Montageerschwernisse frühzeitig identifiziert und konstruktiv adressiert werden, beispielsweise durch gezielte Anpassungen der Verbindungslage oder
den Einsatz vormontierter Verbindungsmittel. Gleichzeitig bestätigte die Umsetzung im Maßstab 1:1 die konstruktive Tragfähigkeit und Stabilität des Systems unter praxisnahen Einsatzbedingungen.
Technische Untersuchungen, darunter Druckscherversuche an Doppel-Konusverbindern und Konusadaptern, lieferten quantitative Daten zur Tragfähigkeit und Nachgiebigkeit der Verbindungsmittel. Die Ergebnisse zeigen, dass diese die vorgesehenen Lasten zuverlässig aufnehmen und nach der Demontage unbeschädigt wiederverwendet werden können, sofern die definierten Fertigungstoleranzen eingehalten werden.
Die Analyse der Kreislauffähigkeit verdeutlicht, dass die entwickelten Konstruktionen die zentralen Kriterien der Wiederverwendbarkeit, Austauschbarkeit und Standardisierung erfüllen. Standardisierte Grundraster von 1,35 m sowie durchdachte Bauteilgeometrien ermöglichen eine projektübergreifende Wiederverwendung der Elemente und reduzieren den Aufwand für Rückbau und Wiederaufbau. Eine eindeutige Kennzeichnung der Bauteile, beispielsweise über digitale Elementpässe, unterstützt die Rückverfolgbarkeit und erleichtert Planung, Montage und zukünftige Einsatzmöglichkeiten.
Auf Grundlage der Projektergebnisse lassen sich konkrete Empfehlungen für die Praxis ableiten. Bereits in der Entwurfsphase sollten Architektinnen und Architekten, Tragwerksplanende und Fertigungstechnikerinnen bzw. -techniker eng zusammenarbeiten, um Toleranzen, Konstruktionsdetails und Montageschritte frühzeitig abzustimmen. Eine präzise Vorfertigung der Elemente, standardisierte Abmessungen und Grundraster sowie ein klar strukturiertes Montageschema erhöhen die Effizienz und Sicherheit bei Montage und Demontage. Die Verbindungsmittel sollten so ausgelegt sein, dass sie die Bauteile zuverlässig positionieren und gleichzeitig eine einfache, zerstörungsfreie Lösung ermöglichen.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Entwicklung reversibler, kreislauffähiger Holzbauelemente technisch realisierbar, konstruktiv tragfähig und praxisrelevant ist. Die gezielte Weiterentwicklung der Verbindungstechnik und deren Erprobung im Mock-Up liefern eine fundierte Grundlage für eine wirtschaftliche und ressourcenschonende Holzbauweise. Diese kann einen substantiellen Beitrag zum zirkulären Bauen leisten und ist auf elementierte, standardisierte Baukonzepte übertragbar.