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Eine kurze Geschichte der Verbindungen
Von ersten Holzverbindungen und hochfesten Knoten

erschienen in
Zuschnitt 81 Knoten und Verbindungen, Juni 2021

Die Entwicklung der Holzkonstruktionen ist seit je mit dem Schaffen von Verbindungen, der Erfindung und dem Einsatz von Werkzeugen und der Entwicklung des Materials Holz als Werkstoff eng verknüpft. Da Holz naturgemäß geringe Abmessungen und vor allem quer zur Holzfaser eine geringe Festigkeit aufweist, sind die Verbindungen zwischen Bauteilen im Holzbau besonders wichtig. Eine reine Holzverbindung fügt mindestens zwei Hölzer, wobei durch entsprechende Bearbeitung der Kontaktflächen ein Verbund erzielt wird. Die Lage im Bauwerk und die Art der Beanspruchung beeinflussen Geometrie und Zahl der Kontaktflächen.

Von Beginn an machte sich der Mensch bestimmte Wuchsformen von Bäumen wie Astgabeln zunutze und sicherte sie mit Därmen, Sehnen und Seilen. Mit Faustkeilen war er später in der Lage, ein hölzernes Bauteil an der Oberfläche abzuschaben und ein weiteres in diese Kerbe zu legen – ein Vorläufer der Blattverbindung. Es handelt sich aber noch nicht um eigentliche Holzverbindungen. Diese sind erst mit der Ablösung des Faustkeils durch die Steinaxt in der mittleren Steinzeit auszumachen – erste Spuren einer Holzverbindung finden sich ca. 5090 v. Chr. in einer Brunnenanlage in der heutigen Stadt Erkelenz in Deutschland. Mit dem Aufkommen von Bronzebeilen und -sägen kam es zu einem weiteren Entwicklungssprung in der Werkzeugtechnik, der auch auf die Holzverbindungen einen großen Einfluss hatte. Es entstanden vielfältige und komplexe Verbindungen zur Fügung der Hölzer in Längs-, Quer- und Schrägrichtung. Die heute im Handwerk üblichen Fügungsarten wie Stoß, Blatt, Zapfen, Hals oder Versatz waren in Europa vermutlich schon vor 3.000 Jahren im Bauwesen bekannt.

Bis ins 12. Jahrhundert waren Pfahl- und Blockbau die dominierenden Holzbauweisen Mitteleuropas. Ersterer hatte den Nachteil, dass tragende Bauteile der Bodenfeuchte ausgesetzt und dadurch sehr vergänglich waren. Der Blockbau wiederum erforderte eine große Menge geradwüchsigen Holzes. Die wenig holzsparende Fertigung durch das Beil, der enorme Holzbedarf der Köhlereien, Glashütten und Schiffswerften sowie das starke Bevölkerungswachstum führten zu einem eklatanten Mangel an Bauholz, der sich vom Mittelalter bis in die Neuzeit erstreckte und die Baumeister zwang, die überkommenen Bauweisen zu modifizieren und das Holz effizienter einzusetzen.

Das aufkommende Fachwerk war langlebiger und gegenüber den bisherigen Bauweisen geradezu holzsparend. Für die frühen Fachwerkbauten benutzte man durchgehende Ständer, durch welche die Geschossbalken hindurchgeschossen wurden, was den Begriff Geschossbauweise geprägt hat. Die Zimmerleute verwendeten meist Blattverbindungen, die in den schrägen Hölzern auch eine gestalterische Aufgabe übernahmen. Ab Mitte des 15. Jahrhunderts setzte sich im Fachwerk der Stockwerkbau durch, der vor allem auf Verkämmungen und Verzapfungen beruht und bis ins 19. Jahrhundert den Hausbau in Mitteleuropa dominierte. Die nur noch stockwerkhohen Pfosten konnten weitaus schlanker ausgebildet werden. Auch das nun trocken verbaute Holz war härter und tragfähiger. Die Zapfenverbindung erforderte im Vergleich zum Blatt eine geringere Passgenauigkeit, jedoch waren im Stockwerkbau mehr Hölzer nötig. Die Kunst der einzelnen Verbindung verschob sich damit hin zur Kunst der Konstruktion.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts zeichneten sich zwei Entwicklungsrichtungen ab, die auf die Holzverbindung einen entscheidenden Einfluss hatten. Die Kolonien in Übersee benötigten zahlreiche Behausungen, die in kürzester Zeit von meist ungelernten Kräften errichtet werden mussten. In der Folge entstand der Holzrahmenbau, der die Fachwerkbauweise stark vereinfacht. Er setzt sich aus schlanken Bohlen zusammen, die über genagelte, stumpfe Holzanschlüsse verbunden werden. Die ortsunabhängigen Dampfsägemühlen und die maschinelle Massenherstellung von Nägeln aus gezogenem Draht waren hierfür die Voraussetzung.

Auf der anderen Seite wurde das Baumaterial Holz in den bis dahin üblichen Fach- und Hängewerken zunehmend vom Eisen verdrängt. Die neuen Bauten des Industriezeitalters in den Städten erforderten große Spannweiten, jedoch war Holz allein den enormen Zugkräften in den Knoten nicht mehr gewachsen. Erste Metallverbinder wie geschmiedete Zuganker ersetzten die aufwendigen Zapfenschlösser. Der britische Ingenieur Thomas Tredgold (1788 – 1829) behandelte beispielsweise Holz erstmals als Werkstoff und entwarf Tragwerke mit getrennten Druckelementen aus Holz und Zugelementen aus Eisen. Die wachsenden Spannweiten erforderten den Einsatz von immer mehr geschmiedeten und später gegossenen Stahlteilen, sodass am Übergang zum 20. Jahrhundert in großen Tragwerken die kombinierten Holz-Stahl-Konstruktionen zur Regel wurden.

Schon weit früher versuchte man große Spannweiten mit Holz zu erreichen. Der französische Baumeister Philibert de l’Orme (um 1510 – 1570) erfand 1556 ein System, das gewölbte Dach- und Deckentragwerke mit kurzen Holzbauteilen erlaubte. In Form gesägte Bohlen wurden versetzt zu einem gekrümmten Binder gefügt und mit Quertraversen und einer Vielzahl von Zapfenverbindungen verbunden. Das Prinzip der geschichteten Holzbohlen setzte sich jedoch nicht durch und wurde erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts wiederentdeckt. Amand-Rose Émy (1771 – 1851) übersetzte den Bogenbohlenbinder de l’Ormes in ein gekrümmtes Tragwerk, in dem dünne geschichtete Bretter mit Bolzen gegen Schub gesichert wurden.

Aufbauend auf den Erkenntnissen Émys entwickelte Otto Hetzer (1846 – 1911) den Brettschichtholzbinder. Das Patent dafür wurde 1920 angemeldet. Eine Verklebung bewirkte die Schubfestigkeit der Lamellen und die bis dahin üblichen Sägezähne in zusammengesetzten Balken wurden auf Mikroebene reduziert. Die kraft- und formschlüssige Verlängerung der Hölzer im Balken wurde um 1940 durch die geklebte Keilzinkung erreicht, die auf der Schäftung beruht und den verbundenen Hölzern nahezu die Festigkeit eines gewachsenen Holzes verleiht. Die Balken konnten somit beliebige Längen, Querschnitte und Krümmungen annehmen, darüber hinaus machte die homogene Holzzusammensetzung die Binder präzise berechenbar. Damit waren die Grundlagen für den modernen Ingenieurholzbau geschaffen.

Je weiter die Holzverbindung vereinfacht wurde, desto mehr Bedeutung kam den Hilfsmitteln zu. Wurden geschmiedete Klammern und Nägel erst sparsam verwendet und dienten nur der Lagesicherung, entwickelte man Nagelverbindungen vor allem in den USA für eine Vielzahl von Anwendungen. Aber erst ab 1933 kam es zu einer breiten Akzeptanz der Nagelverbindungen für tragende Bauten. Der intensiven Forschung nach neuen stiftförmigen Verbindungsmitteln, ausgelöst vom Rohstoffmangel der Zwischenkriegszeit, entsprangen Einpressdübel und Bulldogdübel. Nach dem Zweiten Weltkrieg setzten sich Stahlformteile und Nagelplatten im Holzbau zunehmend durch, weil sie eine einfache Montage ohne fortgeschrittenes handwerkliches Wissen erlauben. Sie sind keine eigentlichen Verbindungsmittel, vielmehr übertragen sie über Nägel die Lasten, ohne die Hölzer in ihrem Querschnitt zu schwächen.
Heute jedoch reichen vor allem bei der Verwendung von plattenförmigen Elementen im mehrgeschossigen Holzbau altbekannte Nägel, Schrauben und Bolzen nicht mehr aus. Neu entwickelte Verbindungsmittel wie selbstbohrende Vollgewindeschrauben und eingeleimte profilierte Stahlstäbe übertragen die Kräfte axial ins Materialinnere, ermöglichen biegesteife Verbindungen und bieten Vorteile beim Brand- und Korrosionsschutz.

Die Einführung der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine erfolgte im Bauwesen relativ spät und führte zu einem Entwicklungssprung, der mit der Ablösung der handwerklich gefertigten Holzverbindungen durch die maschinelle Fertigung im 19. Jahrhundert vergleichbar ist. Ende der 1970er-Jahre entwickelte der Schweizer Ingenieur Hermann Blumer den Blumer System Binder, in dem erstmals digitale Planung, Fertigung und Bemessung im Holzbau gekoppelt sind und der noch heute in vielen Bauwerken eingesetzt wird. Die Entwicklung von kompakten Bearbeitungszentren mit Werkzeugwechsel in Verbindung mit parametrischer Planung nähert die maschinelle Fertigung wieder den Qualitäten des Handwerkzeugs an. Sie ist zugleich wirtschaftlich, sodass Holz-Holz-Verbindungen wieder zum Standard in Dachkonstruktionen und Balkenanschlüssen geworden sind. Nicht nur stabförmige, sondern auch plattenförmige Holzwerkstoffe werden vermehrt mit digitaler Fertigungstechnologie bearbeitet, um traditionelle Breitenverbindungen wie Fingerzinken neu zu denken und so auf Metallverbinder und Leim zu verzichten.

In den letzten Jahren wird Laubholz im Holzbau zunehmend wichtiger, was sich auch auf die Technik der Verbindungen auswirkt. Neue Details werden entwickelt oder alte übersetzt: So griffen die Zürcher Meili, Peter & Partner Architekten beim Dachtragwerk des Hauptsitzes der Max Felchlin ag auf einen 1942 von Wilhelm Stoy entwickelten Dreigelenkbinder mit Hartholzknoten zurück. In weitspannenden Tragwerken ersetzen Formstücke aus Buchenfurniersperrholz die bisherigen Stahlteile und ergeben hochfeste Knoten, die verschiedene Verbindungstechnologien in sich aufnehmen können. Diese kompakten, mit der Präzision digitaler Fertigungstechnik bearbeiteten Knoten verbinden Stäbe aus vielen Richtungen und geben dem Stabwerk so die architektonische Stringenz zurück, die lange von Knotenblechen verunklärt wurde.


verfasst von

Udo Thönnissen

Udo Thönnissen ist Architekt in Locarno und Zürich und verantwortet das Gebiet Holzbau am Material Hub der ETH Zürich. Er ist Kurator der Ausstellung „Holzverbindungen – Ausdruck tektonischer Kultur“, die am Material Hub konzipiert wurde und in mehreren Schweizer Institutionen zu sehen war.

Erschienen in

Zuschnitt 81
Knoten und Verbindungen

Bauen mit Holz heißt Verbindungen schaffen. In diesem Zuschnitt zeigen wir, auf welch vielfältige und teils unerwartete Weise sich Holz fügen lässt und warum Knoten mehr sind als der bloße Zusammenschluss einzelner Teile.

8,00 €

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Zuschnitt 81 - Knoten und Verbindungen

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