Holz Beton Verbund – Grundlagen

Der Holz-Beton-Verbund zählt zu den Verbundbauweisen, bei denen Beton auf Druck und ein zweites Material (hier eben Holz) auf Zug belastet, miteinander verbunden sind. Durch die möglichst formschlüssige Verbindung entsteht ein »hybrides« Tragwerk mit besonderen bauphysikalischen Vorteilen, wie erhöhter Traglast und Steifigkeit.

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Eigenschaften des HBV

große Spannweiten
geringes Eigengewicht
guter Feuerwiderstand
guter Schallschutz
geringe Schwingungsanfälligkeit
Vorfertigung möglich

Normen

In Ergänzung der EC 5 »Bemessung und Konstruktion von Holzbauten« soll der HBV genormt werden. In Vorbereitung hierauf arbeiten mehrere Forschungseinrichtungen in Europa zur Zeit an einer Technical Specification. Mehrere Verbindungsmittel für den HBV sind in ETA und DIBt-Dokumenten beschrieben und für die Herstellung von Tragwerken zugelassen.

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Antikes Prinzip – neuzeitlich optimiert

Der Holz-Beton-Verbund – kurz HBV – ist ein Verfahren, bei dem Holzbalken oder flächige Holzelemente mit Ortbeton oder einem Betonfertigteil unter Verwendung spezialisierter Schubverbinder oder vorbereitender Methoden (Kerve, zukünftig ggfs. Klebung) zu einem flächigen Tragelement verbunden werden.

Holz und Beton werden seit der Antike zu gemeinschaftlichen Bauteilen verbunden, die neuzeitlichen statisch relevanten Eigenschaften eines Verbundes der beiden Bauteile sind aber erst in den 1990er-Jahren durch Entwicklung geeigneter Schubverbinder und der zugehörigen Berechnungsmodelle entstanden. HBV wird heute hauptsächlich in der Sanierung von Deckentragwerken, der Vorfertigung von Elementen und vereinzelt für den Brückenbau angewendet.

Höherer Verbundgrad – bessere Eigenschaften

Die positiven statischen Eigenschaften eines HBV-Tragwerks entstehen durch den Verbund der beiden Bauteile Holz und Beton. Der Verbundgrad γ beträgt ohne Verschraubung/Verbindung von Beton und Holz 0 % (kein Verbund). Für eine theoretische (in der Realität bislang aber noch nicht anwendbare) vollflächige »Verklebung« von Holz mit Beton würde er bis zu 100 % betragen (vollständiger Verbund). Der Verbundgrad ist abhängig von der Anzahl der Reihen und dem Abstand der sogenannten Schubverbinder in Spannrichtung. Im Regelfall wird mit zugelassenen Verbindern ein Verbundgrad von etwa 40 bis 50 % erreicht und folglich eine signifikante Tragfähigkeitssteigerung des Systems aus Holz und Beton.

Sanierung eines historischen Gebäudes am Berliner Ku’damm

Zentrales Element »Schubverbinder«

In einem auf Biegung belasteten Tragwerk wird das oben liegende Betonbauteil überwiegend auf Druck, das unten liegende Holzbauteil überwiegend auf Zug beansprucht. Die in der Verbundfuge wirkenden Schubverbinder sollen eine Relativverschiebung der beiden Bauteile verringern oder im Idealfall verhindern.

Als Schubverbinder in der der sogenannten Verbundfuge zwischen Holz und Beton kamen anfänglich Vollgewindeschrauben für den Holzbau zum Einsatz. Heute werden von verschiedenen Herstellern spezielle HBV-Schraubverbinder angeboten. Der hohe Verbreitungsgrad geschraubter Schubverbinder erklärt sich aus der präzisen Dimensionierbarkeit nach vorausgegangener Bemessung und der einfachen Anwendung auf der Baustelle. In der Vorfertigung (Neubau) kommen auch andere Verbindungsmethoden wie geklebte Lochbleche oder Kerven zum Einsatz, die jedoch für die Sanierung nicht oder nur in Idealsituationen angewendet werden können. Für Planer ist es wichtig, dass die Verbinder bauaufsichtlich zugelassen sind, da sonst für jedes Tragwerk eine Zustimmung im Einzelfall verlangt wird.

Mit geschraubten Schubverbindern können Altbau-Decken zwischen 4 und 7 m Spannweite auf eine Verkehrslast von etwa maximal 5,0 kN/m² ertüchtigt werden. Neubau-Decken können, bei Balkenabständen bis etwa 3,5 m und Spannweiten bis etwa 9 m mit einer Verkehrslast bis etwa max. 5,0 kN/m² hergestellt werden.

Alternativen zum Verbinder

Mit einem Formschluss kann ebenfalls ein HBV-Tragwerk hergestellt werden. Durch quer zur Faser verlaufende Kerven im Holzbauteil verkeilt sich das Betonteil mit dem Holz. Schrauben dienen hier lediglich der Verhinderung des Abhebens des Betonteils vom Holz. Ein relativ neuer Schubverbinder ist die sogenannte »Hybrid-Nocke« aus mit Spezialbeton gefülltem Stahlrohr, die besonders in Brettsperrholz Verwendung findet. Sie ist nahe von Balkenauflagern (an Wänden) einfach einbaubar, da ein senkrechtes Loch gefräst wird, in welches die Nocken eingeschlagen werden.

Ein flächiger Verbund ist die statisch beste Verbindung der beiden Bauteile. Dieser erfolgt durch Verklebung. Die Forschung und Entwicklung steht trotz fortschrittlicher Klebetechnologien noch am Anfang. In der Sanierung sind die Parameter, die Beachtung finden müssen vielgestaltig. Ein universelles Klebesystem muss demnach hohe Sicherheitsreserven aufweisen.

Vor-Ort-Herstellung in Sanierung und Neubau

Für die Sanierung von Deckentragwerken in Bestandsbauten mit HBV kommt nur die Verwendung von Ortbeton in Frage, da sich die vorhandenen Holzbauteile in aller Regel über die Jahre verkrümmt haben (meist Durchhang). Eine Rückstellung vor der Betonnage ist nur in begrenztem Maße möglich, ohne die Gesamtkonstruktion zu beschädigen. Auch im Neubau wird häufig erst auf der Baustelle die Betonscheibe ausgebildet. Bei großen Spannweiten ist die Logistik einfacher. Eine Trennung von Holzbauteil und Frischbeton erfolgt nicht wegen der Basizität des Betons (diese schadet dem Holz nachweislich nicht), sondern um ein Ablaufen des Betons und ein Aufsaugen der Betonmilch zu verhindern. Der Einbau der Schubverbinder bzw. die Herstellung von Kerven erfolgt entsprechend der jeweiligen Systemzulassung. Der Beton erhält eine kreuzweise Stabstahl-Bewehrung, die statisch zwar nicht erforderlich wäre, da die Betonplatte auf Druck beansprucht wird, die aber in der Regel gefordert wird, um konstruktiven Anforderungen, wie Schwinden des Betons während er Herstellung des Tragwerks zu begegnen.