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Fragil bauen

Karlheinz Wagner
Erschienen in
Zuschnitt 19: warum stabil?
September 2005

Fragil bauen bedeutet leicht bauen. Seit Jahrtausenden wird dafür Holz verwendet, das aufgrund seiner hervorragenden strukturellen Eigenschaften für leichte Konstruktionen besonders geeignet ist. In der Vergangenheit wurde empirisch gebaut, eine nicht materialgerechte Verwendung des Holzes gipfelte schlimmstenfalls im Versagen der Konstruktion. Der moderne Ingenieurholzbau ermöglicht heute beliebige geometrische Formen, doch wie sinnvoll ist diese Bauweise?

Konstruieren, nicht rechnen!

Beim Entwerfen von tragenden Strukturen geht es immer um das Verhältnis von der Festigkeit (Elastizitätsmodul) zum spezifischen Baustoffgewicht und die Wahl eines materialgerechten statischen Systems unter Berücksichtigung der Verbindungstechnik und der möglichen Schlankheit der tragenden Elemente. Das Denken in vorwiegend entmaterialisierten statischen Systemen als Folge einer weitgehend auf die Baumechanik ausgerichteten theoretischen Ausbildung macht die Materialwahl sekundär und zieht häufig eine Abkehr vom Konstruieren, vom selbstverständlichen Umgang mit den auftretenden Kräften nach sich. Die Optimierung eines statischen Systems ist jedoch stark materialabhängig, weshalb vom ersten Schritt des Tragwerksentwurfs über die Entwicklung der Konstruktionsdetails bis hin zur Ausführung materialgerecht konstruiert werden muss.

Holzeigenschaften – fasergerechtes Konstruieren

Holz besitzt aufgrund seiner komplexen Mikrostruktur sehr gute strukturelle Eigenschaften. Im Prinzip besteht es aus Zellulosefasern, die in einer polymeren Matrix aus Lignin eingebettet sind. Zudem weist jeder Stammquerschnitt eine unterschiedliche Dichtigkeit von Früh- und Spätholz auf. Die Materialeigenschaften sind somit inhomogen und anisotrop, die Holzfaser ist für die außerordentlich guten mechanischen Eigenschaften des Holzes maßgebend. Zu diesen gehören Festigkeit, Materialleistungszahl – das günstige Verhältnis von E-Modul zu Dichte ist beachtlich (siehe Tabelle) – Zähigkeit und Duktilität sowie eine hohe Bruchenergie (Energie, die beim Entstehen eines Risses aufgewendet wird). Aufgrund der starken Richtungsabhängigkeit, der mechanischen Eigenschaften und der Unregelmäßigkeiten im Holz ist eine Vielzahl an Holzprodukten entstanden, die aus Holzkomponenten mit unterschiedlichen Abmessungen und entsprechenden Bindemitteln hergestellt werden. Ziel ist es, die »naturbedingten Nachteile« des Materials auszuschalten, um berechenbare Werkstoffqualitäten zu erhalten. Die Palette dieser Produkte erstreckt sich vom Brettschichtholz über Holzspan- und -faserplatten bis zu Wood Plastic Composites. Die Verwendung von Stahl-Holzverbindungen ermöglicht zudem fast alle geometrischen Kombinationen der Tragelemente.

Dabei wird jedoch ein wichtiger Punkt in Bezug auf die Festigkeit des Holzes oft übersehen: Durch die Zerkleinerung des natürlich gewachsenen Materials werden die Fasern zerstört und die Festigkeit in Faserrichtung wesentlich verringert. Dabei wäre die wichtigste Voraussetzung beim holzgerechten Konstruieren, dass die Holzfaser dem Kraftfluss folgt. Die Firma Thonet hat Möbel konstruiert, die dieses Prinzip so weit wie möglich verwirklicht haben:

Eckanschlüsse werden durch die Verwendung gekrümmter Stäbe vermieden, die Krafteinleitung erfolgt faserparallel und statt Stumpfstößen werden die anzuschließenden Stäbe parallel geführt. Dieses Prinzip kann mit gekrümmten Brettschichthölzern in Form von Bogen- und Rahmenkonstruktionen auch in großen Dimensionen umgesetzt werden.

Besonderes Augenmerk ist also auf die Verbindungen im Holzbau zu legen. Querschnittsschwächungen und Beanspruchungen quer oder schräg zur Faser in den Knoten sind für die tragenden Elemente vielfach dimensionsbestimmend. Verbindungen, die so ausgelegt sind, dass der Kraftfluss weitgehend der Faser folgt, verursachen hingegen keine wesentliche Querschnittsvergrößerungen.

Stellenwert der Belastung

Welcher Tragwerksentwurf der beste ist, hängt natürlich von der Art der Belastung, der er standhalten soll, ab. Leicht belastete Strukturen, die z.B. für Container entwickelt werden, erfordern andere Materialien als hoch belastete Strukturen, wie etwa für Kurbelwellen oder schwere Maschinen. In Zukunft werden adaptive Systeme an Bedeutung gewinnen, deren statisches System sich ohne äußere Energiezufuhr, sondern allein durch die Energie aus einer sich ändernden Belastung, an die jeweilige Situation anpasst.

      

Widerstand gegen Eulersche Knickung bei Druckstrukturen aus verschiedenen Materialien

Material Materialleistungszahl
Youngscher Modul Dichte Säule Platte
E(MN/m²) ρ(g/cm³) √Elρ ³√Elρ
Stahl 210.000 7,8 59 7,7
Titan 120.000 4,5 77 11,0
Aluminium 73.000 2,8 99 15,0
Magnesium 42.000 1,7 120 20,5
Backstein 21.000 3,0 48 9,0
Beton 15.000 2,5 49 10,0
Komposit mit Kohlenstofffasern 200.000 2,0 225 29,0
Knochen 18.000 2,0 67 21,1
Weichholz (Fichte) 10.000 0,35 290 61,4
Hartholz (Eiche) 12.000 0,65 170 35,5


Lit.: Strukturen unter Stress, J. E. Gordon

Text

Karlheinz Wagner
  • geboren 1959 in Linz
  • 1985 Diplom für Bauingenieurwesen an der TU Wien
  • 1986 Studienaufenthalt in den USA
  • seit 1991 Zivilingenieur für Bauwesen, eigenes Konstruktionsbüro
  • 1993 Doktorat der technischen Wissenschaften an der tu Wien bei Prof. Pauser
  • 1994–2004 Konsulent bei den Salzburger Festspielen
  • seit 2001 Professor für Konstruktion und Technologie an der Akademie der Bildenden Künste in Wien

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