Vorteile und Einsatz der Holz-Beton-Verbundbauweise

Im Holz-Beton-Verbundbau werden zwei getrennte Querschnitte aus Holz und Beton mithilfe von Verbindungsmitteln zu einem Verbundquerschnitt zusammengefügt. Durch die Kombination der beiden Baustoffe werden deren Eigenschaften optimal genutzt. Unter Biegespannung werden die Zugkräfte vom Holz aufgenommen, während der Beton in der Druckzone angeordnet ist. Gleichzeitig ergeben sich durch die Hybridbauweise Vorteile im Brand- und Schallschutz im Vergleich zu reinen Deckenkonstruktionen im Holzbau. Die Verwendung von Holz als zentralen Baustein des Tragwerks reduziert erheblich den CO₂-Fußabdruck des Gebäudes. Der Baustoff Holz speichert auf lange Zeit das während der Wachstumsphase aufgenommene CO₂.

Aber auch in der Sanierung älterer Holzbalkendecken kommt der Holz-Beton-Verbundbau zum Einsatz. In alten Gebäuden sind häufig die Decken den Anforderungen hinsichtlich Belastbarkeit, Durchbiegung, Schallschutz und Brandschutz nicht mehr gewachsen. Durch die zusätzliche Betonscheibe und den Verbund mit der alten Balkenlage kann die bestehende Decke aufgewertet und der Zustand der Gebrauchstauglichkeit hergestellt werden.

Ausführungsvarianten

Im Gegensatz zu Schüttungen und Beschwerungen ist die Betonplatte nicht nur eine zusätzliche Schicht zur Erhöhung der Masse. Der Verbund der Betonplatte mit der Unterkonstruktion mittels Schrauben ist ausreichend steif, um die Gesamtsteifigkeit der Konstruktion deutlich zu erhöhen. Gleichzeitig ist diese Verbindung ausreichend duktil, um die Schwingungen etwas zu federn.

Der Schallschutz wird bei Decken maßgeblich durch deren Aufbau, d. h. durch Schichtfolge, beeinflusst. In der Regel besteht der Aufbau aus einem Belag, einem schwimmenden Estrich und einer Trittschalldämmung. Die einzelnen Schichten bilden dabei mit der Konstruktion ein Masse-Feder-Masse-System. Die Trittschalldämmung wirkt dabei zwischen Estrich und Konstruktion wie eine Feder. Zusätzliche massige Schichten verbessern kontinuierlich und signifikant die schalltechnischen Eigenschaften von Holzdecken. Dennoch sind Holzbalken- und Massivholzdecken mit entsprechender Beschwerung deutlich leichter als entsprechende Stahlbetondecken. In Kombination mit Trittschalldämmung, die eine niedrige dynamische Steifigkeit aufweisen, führt die Beschwerung der Decken zu besseren Eigenschaften bei Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz.

Nachweis nach DIN EN 1995-1 ɣ-Verfahren

Zur Ermittlung der Schnittgrößen kommt das in DIN EN 1995-1 vorgeschlagene ɣ-Verfahren zur Anwendung. Bei diesem Verfahren werden die Spannungsverläufe über die Trägerhöhe in Abhängigkeit der Verbindungsmittelsteifigkeit über eine effektive Biegesteifigkeit El_eff des Verbundquerschnitts ermittelt. Der ɣ-Wert berücksichtigt u. a. die Steifigkeitskennwerte K_ser und den Abstand s der Verbindungsmittel. Er liegt zwischen 0 ≤ ɣ ≤ 1 und dient der Interpolation der Biegefestigkeit zwischen lose (ɣ = 0) und starr verbundenen Trägern (ɣ = 1). Durch die geschickte Konfiguration der einzelnen Parameter können Verbundquerschnitte erzielt werden, bei denen der Betonteil weitestgehend Druckspannungen und der Holzteil weitestgehend Zugspannungen erfährt. Als statische Systeme sieht das ɣ-Verfahren ausschließlich Einfeldträger vor. In Ausnahmefällen können auch Zweifeldträger bzw. Kragträgersysteme berücksichtigt werden. Diese sind aber aufgrund zusätzlicher konstruktiver Schwierigkeiten im Bereich von Holz-Beton-Verbundsystemen nicht empfehlenswert. Aufgrund der mathematischen Herleitung der Bemessungsformeln können beim ɣ-Verfahren ausschließlich streckenlasten berücksichtigt werden. Einzellasten, die einen Sprung im Querkraftverlauf bewirken, sind nicht zulässig.

Die Anzahl der Verbindungsmittel hat einen entscheidenden Einfluss auf die Fugensteifigkeit. Der Abstand der Verbindungsmittel kann dem Querkraftverlauf entsprechend angepasst werden. Der maximale Abstand darf allerdings nicht größer als der 4-fache Mindestabstand sein. Werden als Verbundmittel Schrauben gewählt, sollten diese, um die hohen axialen Festigkeiten und Steifigkeit zu aktivieren, unter einem Winkel von α ≤ 45° eingebaut werden. Bei der Ortbetonbauweise werden Schrauben mit d = 8 mm unter 45° oder mit d = 10 mm zusammen mit dem FT-Verbinder unter 30° eingebaut. Bei Fertigteilen werden immer F-Verbinder verwendet. Die effektive Biegesteifigkeit El_eff des Verbundträgers ist abhängig von der Anzahll n und der Steifigkeit K_ser der Verbindungsmittel. Die K_ser-Wert der Verbinder können der ETA-13/0029 entnommen werden. Sie sind abhängig vom Durchmesser d des Verbindungsmittels, dem Einschraubwinkel und der effektiven Einbindelänge des Verbindungsmittels in den Holzträger.

Bei Holz-Beton-Verbundsystemen werden Baustoffe mit unterschiedlichem zeitabhängigen Verformungsverhalten zu einem Gesamttragwerk zusammengefügt. Dieser Umstand hat einen entscheidenden Einfluss auf den Spannungsverlauf und das Verformungsverhalten am Gesamtträger. Die DIN EN 1995-1 schreibt für diesen Fall eine Nachweisführung im Anfangszustand (t = 0) und im Endzustand (t = 1) vor. Das unterschiedliche Kriechverhalten und das Quell- bzw. Schwindverhalten des Holzes können durch die Abminderung der Steifigkeiten unter Berücksichtigung der entsprechenden K_def-Werte im Endzustand berücksichtigt werden. Zusätzlich sollte das plastische Schwinden des Betons unmittelbar nach Einbau des Ortbetons durch eine Ersatzlast p_sls berücksichtigt werden.

Herstellungsvarianten