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Materialeigenschaften im Vergleich

Johann Riebenbauer
Erschienen in
Zuschnitt 40: Holz und Stahl
Dezember 2010, Seite 18f.

Stahl ist ein sehr genau berechenbares Material. Das Materialverhalten ist in allen Belastungsrichtungen und für verschiedene Belastungsarten gleich. Die Industrie liefert Stähle mit sehr geringen Materialschwankungen. Dies erlaubt einen stark reduzierten Sicherheitsbeiwert auf der Materialseite. Stahlbauteile lassen sich mithilfe von Schweißnähten relativ einfach miteinander verbinden. Dabei werden zu hundert Prozent tragfähige Anschlüsse geschaffen, d.h. dass die Festigkeit des Anschlussquerschnitts vollständig auf einen anderen Bauteil übertragen werden kann.

Holz ist anisotrop und sehr inhomogen. Das Verhalten unter Last ist von der Faserrichtung abhängig, zudem gibt es Unterschiede zwischen Druck und Zug. Sogar die Zeitdauer der Belastung spielt eine Rolle, da sie noch zusätzliche Dauerlasten erzeugt. Der Feuchtegehalt im Holz hat ebenfalls Einfluss auf das Materialverhalten. Durch die natürlichen Wuchsbedingungen schwanken die Materialkenn-daten in einem relativ großen Bereich. Deshalb sind hier die Sicherheitsbeiwerte auf der Materialseite deutlich höher. Durch entsprechende Vergütung kann die Streuung der Kenndaten reduziert werden. Bauteile aus Brettschichtholz, Brettsperrholz und anderen sind höher belastbar als Vollholz. Nur Rohholz kann etwas höhere Lasten ableiten, wenn die Fasern nicht angeschnitten werden. Aus statischer Sicht ist ein Rundquerschnitt allerdings nicht optimal.

Dimensionierung Stahl bietet im Vergleich zu Holz die Möglichkeit von sehr niedrigen Trägern. Nur eine eventuell nötige Brandschutzverkleidung kann die Konstruktionshöhe des Bauteils noch etwas vergrößern.
Ein Brettschichtholzträger mit einem Querschnitt von 20 mal 44 cm (GL 32) entspricht einem HEB-Träger mit 22 cm Höhe. Dieser kostet zwar doppelt so viel wie der Holzträger, ist aber deutlich niedriger.
Stahl hat eine deutlich höhere Schubtragfähigkeit. Das ist vor allem bei kürzeren Trägern, auf denen weit gespannte Decken aufliegen, maßgebend.
Der schon erwähnte Trägerquerschnitt von 20 mal 44 cm kann eine Gebrauchslast von ca. 80 kN als Querkraft übertragen, ein IPE 300 fast das Dreifache.
Stahlstützen aus Formprofilen können ebenfalls schlanker sein als Holzstützen.
Eine 3 Meter hohe Holzstütze für ca. 180 kN Last ist mit einem Querschnitt von 16 mal 16 cm (GL 24) machbar, eine Stahlstütze ist als quadratisches Formrohr mit 9 mal 9 cm ausführbar.

Lastweiterleitung Beim Auflegen von Trägern auf Stützen hat Stahl einen enormen Vorteil, da er in alle Richtungen sehr hohe Lasten abtragen kann. Holzbauteile dagegen können bei Druck normal zur Faserrichtung nur maximal 25 Prozent von jener Last aufnehmen, die sie in Faserrichtung abtragen können – ein Umstand, der vor allem im Auflagerbereich problematisch wird. Es gibt zwar Möglichkeiten, die Pressflächen zu verstärken, doch ist das mit höheren Kosten verbunden und nur bis ca. 45 Prozent der Last in Faserrichtung möglich. Mit Sondermaßnahmen und massiveren Stahlteilen ist noch etwas mehr möglich.

Bauphysik Holz hat eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit als Stahl. Kältebrücken sind bei massivem Holz nur bei Passivhäusern ein Thema, bei Stahlkonstruktionen hingegen immer.

Bearbeitbarkeit Holz kann leichter bearbeitet werden, etwa durch Fräsen, Schneiden und Bohren. Das gilt im Herstellerwerk, aber auch vor Ort, wenn man z. B. an schon bestehenden Bauteilen Veränderungen vornehmen muss. Stahlteile müssen dagegen relativ exakt vorbereitet sein, eine Nachbearbeitung vor Ort ist aufwendiger oder, wenn die Teile verzinkt sind, nicht ratsam, da die Verzinkung vor Ort nicht wiederhergestellt werden kann.

Brandverhalten Holz hat ein kalkulierbares Brandverhalten. Sein Nachteil ist, dass es eine zusätzliche Brandlast liefert. Stahl hingegen brennt nicht, verliert aber relativ schnell seine Tragfähigkeit.

Tragsysteme Bedingt durch die Möglichkeit des Schweißens können mit Stahl fast beliebige Formen hergestellt werden. Dabei können vertikale und horizontale Lasten mit demselben Tragsystem abgeleitet werden. Die Stahlrahmen können ohne Tragfähigkeitsverlust zusammengefügt werden. Stöße können an statisch weniger beanspruchten Stellen ausgebildet werden. Bei Holztragwerken müssen die Randbedingungen für steife keilgezinkte Rahmenecken optimal sein, damit sich derartige Tragwerke lohnen.

Allerdings können mit Holz sehr einfache, scheibenbasierte Tragsysteme (Faltwerke = Tragstrukturen, die über flächige Bauteile Lasten abtragen) hergestellt werden. Bei modernen Holzwerkstoffen wie Brettsperrholz können zum Beispiel Wandscheiben die Funktion der Rahmentragwerke übernehmen.

Eine Wandscheibe mit 6 Metern Spannweite kann aus einer 9,5 cm starken Brettsperrholzplatte inkl. Tür bestehen und Linienlasten von ca. 20 kN/m übertragen. Ein Stahlrahmen muss mindestens aus HEB-180-Profilen bestehen und weist bei 20 kN/m doch beträchtliche Horizontalverformungen auf, die Wandscheibe aus Holz dagegen fast keine.

Widerstand gegen Umwelteinflüsse Wasser tut beiden Materialien nicht gut. Bei Feuchtezutritt kann Holz vermorschen und Stahl rosten. Das Vermorschen des Holzes geht etwas schneller vonstatten als das Rosten des Stahls, dafür hat Holz mit aggressiven Umweltverhältnissen, wie sie z. B. in Hallenbädern gegeben sind, weniger Probleme.

Text

Johann Riebenbauer
  • seit 1998 selbstständig als Bauingenieur mit Spezialisierung auf Ingenieurholzbau und Softwareentwicklung tätig

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