Nachgefragt
Welche Rolle spielt die Entwicklung von Knoten und Verbindungstechniken?

Die Bedeutung des Holzbaus und der Einsatz von Holz als ressourcenschonendem und nachhaltigem Baustoff nehmen stetig zu. Dieser Aufschwung ist wesentlich mit den Möglichkeiten und Methoden des Fügens von Holz verknüpft. Welche Rolle spielt die Entwicklung von Knoten, Verbindungsmitteln und -techniken konkret und worin liegt das Potenzial für den Holzbau der Zukunft? Dazu haben wir beim Holzbauingenieur Hermann Blumer, dem Tragwerksplaner Kurt Pock und dem Informatiker Fabian Scheurer, Mitinhaber der Firma Design-to-Production, nachgefragt.

Worin lagen die größten Innovationen in den letzten Jahren und was würden Sie als Meilenstein in der Entwicklung der Knoten und Verbindungen bezeichnen?

Hermann Blumer Die Holzverbindungen waren bis zu Beginn der 1980er Jahre die Schwachstelle in puncto Leistungsfähigkeit und Sicherheit im Holzbau. Obwohl auf hohem handwerklichen Niveau ausgeführt, wiesen die Verbindungen durch streuende Festigkeiten der anzuschließenden Holzstäbe Schwächen auf. Dazu kam der große zeitliche Aufwand für ihre Herstellung.
Der erste entscheidende Impuls war die Entwicklung des BSB-Systems, das von Anfang an als parametrisiertes System gedacht war. Gleiche Dübelstärken, gleiche Dübelabstände und vom Computer generierbare Dübelbilder waren das Ziel. Verbindungen konnten rascher geplant werden, teure Handarbeit wurde durch den Einsatz CNC-gesteuerter Maschinen rationalisiert. Der Effekt: Stabdübelverbindungen, beim BSB auch Stiftverbindungen genannt, wurden markant effizienter und zuverlässiger.
Die nächste wichtige Etappe auf dem Weg zu leistungsfähigen Verbindungen wurde Anfang der 1990er Jahre mit dem Einleimen von Stahlstangen bzw. Gewindestangen eingeleitet. Bis dahin galt diese Technik als unzuverlässig und war in den Normierungen nicht erwähnt. Hier galt es vor allem, baustoffadaptierte Kleber zu finden, wobei sich die Entwicklung vor allem auf Kleber auf Epoxidbasis fokussierte. Ein erster Erfolg in der Praxis konnte beim Bau der Säule des Heliotrops von Rolf Disch in Freiburg erzielt werden. Damit war der Grundstein für die – heute so effiziente – Verbindungstechnologie gelegt. Bis diese in die europäischen Normen aufgenommen wurde, dauerte es trotzdem noch fast zwei Jahrzehnte.
Die dritte, entscheidende Innovation wurde durch „bessere“ Schrauben wie Vollgewindeschrauben ausgelöst. In der Schraubenherstellung wurden immer neue und besser auf das Holz abgestimmte Gewinde und Vorschneider entwickelt, was für den Erfolg von Schraubverbindungen maßgebend verantwortlich war. Bei all diesen höherwertigen Verbindungstechniken ist es evident, dass die zu verbindenden Bauteile eine zuverlässige und in den Normen festgeschriebene Eigenfestigkeit haben. Aus diesem Grund planen Ingenieurinnen und Ingenieure heute kaum mehr mit visuell sortiertem Schnittholz, sondern beziehen Holzwerkstoffe wie BSH, Furnierschichtholz, BSP und Sperrholz in die Planung ihrer Konstruktionen ein.

Kurt Pock Für mich liegt die größte Innovation in der Entwicklung der selbstbohrenden Holzbauschrauben, sie sind definitiv ein Meilenstein. Sie sind heute in Dimensionen und Längen verfügbar, die man sich vor einigen Jahren noch nicht einmal vorstellen konnte: von schräg angeordneten Zugschrauben hin zu „dreidimensionalen Stabsystemen“, die im Holzquerschnitt die Lasten tief in den Querschnitt einleiten und entsprechend verteilen. Diese axial und lateral belastbaren Stäbe eröffnen ganz neue Möglichkeiten der Fügetechnik. Schräge Schrauben werden sowohl eingesetzt, um Holzquerschnitt an Holzquerschnitt zu fügen, als auch um Stahlteile anzuschließen. Auch beim Verbund von Holz und Beton kommen sie zum Einsatz.

Fabian Scheurer Im Bereich von Knoten und Verbindungen hat die fortschreitende Digitalisierung interessanterweise eine Rückkehr der Holz-Holz-Verbindungen ausgelöst. Auf CNC-Maschinen lassen sich auch komplexe Verbindungsgeometrien schnell und präzise fertigen. Dadurch fallen die Teile bei der Montage automatisch wie Puzzlestücke in die korrekte Position, was die Zeit fürs Einmessen spart und für zusätzliche Präzision und Qualität sorgt – vorausgesetzt, man denkt bei der Planung die Montage gleich mit. Traditionelle Verbindungen müssen dabei an die Besonderheiten der CNC-Fertigung angepasst werden – ein rotierender Fräser kann z. B. keine scharfkantigen Löcher erzeugen, stattdessen wird dann halt der Zapfen rund gefräst. Besonders interessant sind solche digital gefertigten Verbindungen bei Freiform-Projekten. Die Holzgitterschale des Hauptsitzes von Swatch in Biel hat rund 2.600 Knotenpunkte mit individuellen Winkeln. Für jeden davon einen individuellen Stahlverbinder zu schweißen, wäre nicht wirtschaftlich gewesen – aber der computergesteuerten Fräse ist es letztlich egal, ob sie lauter gleiche oder lauter unterschiedliche Ausblattungen ins Holz fräst, und sie ist dabei auf ein paar Zehntelmillimeter genau. Die Entwicklung des Knotens für das Swatch-Gebäude basiert im Grunde auf simplen Kreuzblatt-Verbindungen, von denen jeweils zwei übereinandergestapelt werden. Dadurch entsteht ein dreilagiges Trägersystem aus einem hohen Träger in der einen Richtung, der am Knoten von zwei „halben“ Trägern umgriffen wird und so in beide Trägerrichtungen Kraft übertragen kann. Um die Anzahl der Längsstöße zu reduzieren, mussten auch die Träger der zweiten und dritten Lage so lang wie möglich sein. Sie laufen daher über bis zu fünf Knoten. Deren Ausblattungen müssen bei der Montage alle gleichzeitig eingefahren werden, ohne dass sie verkanten. Das wäre schon bei einem 10 Meter langen geraden Träger mit einem Querschnitt von 220 mal 800 mm schwierig. Hier aber sind alle Träger gekrümmt und tordiert und die Ausblattungen zeigen in unterschiedliche Richtungen. Wir haben also einen Kreuzungsknoten entwickelt, bei dem sich die Ausblattungen nach außen öffnen und sich dadurch leicht schräg einfahren lassen. Am Ende sitzen sie sauber auf Kontakt und können Kraft übertragen. Da die weggeschnittenen Ecken am Schluss sichtbar sind, musste das Ganze nicht nur statisch funktionieren und technisch produzierbar sein, sondern auch den strengen Design-Ansprüchen von Shigeru Ban genügen.

Welche der aktuellen Verbindungstechniken werden sich durchsetzen? In welchen Entwicklungen sehen Sie das Potenzial für weitere Meilensteine?

Hermann Blumer Schraubverbindungen setzen sich durch. Verkleben könnte neue Meilensteine bringen. Das Potenzial im Holzbau liegt auch darin, dass er sich gerade beim Verbinden einen Vorteil gegenüber anderen Materialien verschaffen kann. Dazu müssen wir möglichst alles, was es zu verbinden gilt, in die Werkstatt holen und mit Robotern ausführen. Auf der Baustelle sollten wir dann nicht mehr verbinden, sondern koppeln. Vorbilder dafür sind Modulankoppelungen an eine Weltraumstation oder vollautomatische Kupplungen bei Eisenbahnwagen. Bei diesen werden neben der Kraft auch das Elektrische, die Druckluft, die Datenleitung und bald sogar das Wasser angekoppelt.

Kurt Pock Es gibt für mich zwei wesentliche Arten von Verbindungen. Einmal die Knoten, die Stäbe miteinander verbinden, und einmal die linear angeordneten Verbindungsmittel, die Platten und Scheiben aneinanderfügen. Bei beiden ist eine optimale Nutzung des Werkstoffs hinsichtlich der Kraftübertragung und ein hoher Vorfertigungsgrad im Werk wesentlich. Entscheidend ist die einfache Möglichkeit, die Bauteile auszurichten und kleine Ungenauigkeiten bei der Montage ausgleichen zu können. Nach dem Einrichten soll das volle Kraftübertragungspotenzial ohne viel zusätzlichen Arbeitsaufwand aktiviert werden. Wenn ergänzende Arbeitsschritte vor Ort erforderlich sind, dann sollten diese möglichst unabhängig vom Kran im Nachgang möglich sein.
Bei linearen Verbindungen sehe ich ein hohes Potenzial in Verbindern, die die Reibung zwischen den Querschnitten aktivieren und erhöhen. Eine weitere interessante Entwicklung sind intelligente Verbindungen, die hinsichtlich Fugen, Zwischenräumen und geringen Abweichungen tolerant sind, die vielleicht - ein- oder ausgegossen werden und nach dem Abbinden vollen Formschluss mit gleichzeitigem Kraftschluss erreichen.

Fabian Scheurer Mit steigendem Vorfertigungsgrad werden auch Verbindungen im Bau wichtiger. Sowohl bei der Vormontage von Elementen und Modulen im Werk als auch bei der Installation auf der Baustelle kommt es auf die richtige Mischung aus Passgenauigkeit und Toleranz an, damit Fügen effizient und sicher mit hoher Qualität ausgeführt werden kann. Holz ist vor allem bei komplexen Geometrien unschlagbar, weil die Verbindungsdetails zusammen mit der Bauteilgeometrie hochpräzise und computergesteuert hergestellt werden können. Bei anderen Materialien gelingt das aufgrund ihrer Eigenschaften nur sehr schwer. Spannend sind digital gefertigte Holz-Holz-Verbindungen, vor allem bei einem gemischten Einsatz von Nadel- und Laubhölzern. Mit Projekten wie dem Headquarter der Tamedia ag in Zürich, dem Hauptsitz von Swatch in Biel oder dem Kulturzentrum La Seine Musicale in Paris leisteten Hermann Blumer und sein Team Pionierarbeit für den gezielten Einsatz von -Buchenholz in hochbeanspruchten Teilen der Verbindung und kombinierten die präzise digitale Bearbeitung mit hochfesten Laubholzprodukten ganz gezielt an den Knotenpunkten.

Mit welchen Forschungsthemen sollten wir uns in Zukunft auseinandersetzen?

Hermann Blumer Heute verbinden wir nicht mehr nur Stäbe, sondern auch Platten. Immer öfter sind auch effiziente Verbindungen zwischen Holz und Beton gefragt. Der Arbeitsaufwand und damit die Kosten sind im Holzbau leider immer noch zu hoch. Die Herstellungsprozesse sind aber im Wandel, möglichst vieles wird in die Werkstatt verschoben. Auf der Baustelle wird zunehmend nur noch gekoppelt. Ich denke, dass wir in Zukunft vor allem Anwendungsforschung benötigen und uns weiter mit den Möglichkeiten der Digitalisierung auseinandersetzen. Wünschenswert wäre, wenn wir selbstheilende Verbindungen hätten. In der Natur funktioniert das schon seit Jahrmilliarden.

Kurt Pock Der Werkstoff Holz ist mittlerweile sehr gut erforscht, hier gibt es auch entsprechende Mittel der Holzindustrie. Bei der Fügetechnik sehe ich jedoch noch sehr viel Luft nach oben. Diese zwei Bereiche sind aus meiner Sicht auf unterschiedlichem Niveau. Einer tieferen Auseinandersetzung bedarf es auch, was die Verbindung von Holz mit anderen Werkstoffen betriff, zum Beispiel mit Stahlbeton. Hier brauchen wir hochleistende Verbindungen, die die unterschiedlichen Vorstellungen von Genauigkeit (im Holzbau Millimeter, im Massivbau Zentimeter) mit geringem Arbeitsaufwand und hoher Leistungsfähigkeit überbrücken, die also beiden Gesinnungen entsprechen. Gerade an dieser Schnittstelle orte ich großen Forschungsbedarf.

Fabian Scheurer Ich sehe Potenzial in der Auseinandersetzung mit Design for Manufacturing and Assembly, also mit der fertigungs- und montagegerechten Konstruktion. Im Produktdesign ist das schon seit den 1980er Jahren ein eigenes Forschungsgebiet. Dabei wird die gesamte Wertschöpfungskette in eine empirische Betrachtung einbezogen, um daraus neue Montageprozesse und Verbindungstechnologien zu entwickeln. Die Entwicklung von vorgefertigten Bauweisen könnte einen großen Schritt vorwärts machen, würde man auch hier verstärkt auf ganzheitliche Methoden in Forschung und Lehre setzen.