Verfügbarkeit und Potenzial für den konstruktiven Einsatz von Laubholz in Deutschland
Der in der deutschen Forstwirtschaft seit einigen Jahren stattfindende, von Naturschutzzielen und dem Klimawandel motivierte Waldumbau von einförmigen Nadelholz- hin zu Laub-Misch-Beständen führt zur stetigen Steigerung der Laubholzproduktion und langfristig zur Verringerung der Nadelholzanteile.
Die Laubbaumarten umfassen vielfältige Gattungen, Arten und Hybride, die in Bezug auf technische und chemische Eigenschaften, Struktur, Farbgebung und Dauerhaftigkeit sehr spezifische Charakteristika aufweisen.
Betrachtet man den Vorrat an Holzmasse in deutschen Wäldern (1,4 Mrd. m3 Laubholz) und den jährlichen Zuwachs (12,36 Mio. m3 Laubholz) im Vergleich zum aktuellen Verbrauch (Abb. C), dann wird deutlich, dass seitens der Rohholzmengen einer Vervielfachung der Laubholzverwendung im Bauwesen kaum Grenzen gesetzt sind.
Ein realistisches Potenzial für einen vermehrten Einsatz von Laubholz in konstruktiven, lastabtragenden Baukonstruktionen erfüllen derzeit nur sechs einheimische Holzarten: Ahorn, Buche, Eiche, Esche, Pappel und auch Birke. Für sie wurden in den letzten Jahren laubholztypische Sortierverfahren entwickelt und deren Festigkeit an Schnittholzdimensionen untersucht, sodass eine Einstufung in die europäischen Festigkeitsklassen nach EN 338 erfolgen konnte (Abb. G). Dabei zeigte sich, dass insbesondere die Holzarten Buche und Esche über ein sehr hohes Festigkeitspotenzial verfügen, wenn zusätzlich zur visuellen Festigkeitssortierung eine maschinelle Ermittlung des Elastizitätsmoduls erfolgt.
Noch nicht ausgeschöpft sind auch die hohen Zugfestigkeiten von Laubholzarten im oberen Dichtebereich. Versuche an Buche und Esche ergaben mittlere Werte von ca. 60 N/mm2, womit die Festigkeit der Fichte um gut 100 % übertroffen wird.
Besonderheiten im Holzaufbau
Laubhölzer haben einen komplexen Gefügeaufbau und teilen die Zellfunktionen »Leiten« und »Festigen« auf zwei Zellarten auf, die mit den Speicherzellen artspezifisch in Stammlängs- und -querrichtung angeordnet sind. Die Ausbildung der Einzelzellen (Zellwanddichte, Steigungswinkel der Mikrofibrillen, chemische Zusammensetzung) und ihre Anordnung im Holzgewebe bestimmen die physikalisch wichtigen, in Längs- und Querrichtung verschiedenen Kenngrößen der Hölzer.
Trotz gewisser Systemordnungen (z. B. Jahrringaufbau, Holzstrahlstruktur) gibt es große Streuungen der Eigenschaftswerte sowohl zwischen den Arten als auch innerhalb einer Art. Laubhölzer haben zudem unterschiedliche Strategien entwickelt, um ihre Leitungsbahnen im Kernholz gegen Eindringen von Luft zu schützen. Von der Ausprägung dieser Mechanismen wird die Aufnahmeintensität von Flüssigkeiten in den Holzkörper bestimmt.
Ein zentraler Nachteil ist das teils hohe und ungleichmäßige Quell- und Schwindverhalten einzelner Laubholzarten, z. B. bei der Buche, was bei Feuchtewechseln bzw. bei der meist zeitintensiven Holztrocknung zu hohen Spannungsgradienten im Holzgefüge führt, die in reversiblen Dimensionsveränderungen und in Rissen münden. Aufgrund der höheren Dichten entwickeln Hartlaubhölzer wie Buche, Eiche und Esche bei der Feuchteaufnahme hohe Quellkräfte, die bei der Verwendung zu beachten sind.
Holztechnologische Lösungswege
Wegen der durch das Holzgefüge bedingten Charakteristika lässt sich das ganze Potenzial der Laubhölzer im Holzbau nur dann nutzen, wenn entweder die Vollholzquerschnitte reduziert, und statt Vollholz verklebte Produkte zum Einsatz kommen, oder wenn durch thermische bzw. chemische Materialmodifikationen die Feuchteaufnahme vermindert wird. Beide Maßnahmen zielen auf eine Beeinflussung der Auswirkungen des oft sehr ausgeprägten Quell- und Schwindverhaltens ab.
Die Holzmodifikation bewirkt eine chemische Veränderung der Zellwandpolymere, um deren Wechselwirkungen mit dem Wasserdampf zu regulieren. Es sind thermische, chemische und physikalische Verfahren entwickelt und industriell umgesetzt, die insbesondere bei Holzarten mit geringer Dauerhaftigkeit (z. B. Buche und Esche) Verbesserungen der biologischen Widerstandsfähigkeit erzielen. Allerdings werden durch die Behandlungen auch die elastomechanischen Eigenschaften reduziert, sodass thermisch oder chemisch behandelte Hölzer bisher nicht als tragende Bauelemente geeignet sind.
Eine Reduktion der Lamellendicke hingegen ist technisch einfach und bewirkt unter anderem eine schnellere und homogenere Holztrocknung. Aus den dünneren Holzlamellen lassen sich durch Verklebung formstabile Produkte in Bauteilabmessungen herstellen, die sich leicht an die konstruktiven Erfordernisse anpassen lassen. Auch Äste, die bei Laubholz einen größeren Einfluss auf die Festigkeitswerte ausüben als bei Nadelholz, können prozesstechnisch ausgekappt werden. Bisherige Erkenntnisse deuten darauf hin, dass bei Brettschichtholz aus Laubholz die Dicke der Holzlamellen auf unter 25 mm reduziert werden sollte, um später feuchtebedingte Spannungen und Rissbildungen zu minimieren. Die Verklebung ist hierbei von zentraler Bedeutung, um die geeigneten Laubhölzer im konstruktiven Bereich verwenden und zudem in Hybridträgern mit anderen Holzarten kombiniert einsetzen zu können. Für Buchenholz wurde in den letzten Jahren die Lamellenstärke aus Ausbeutegründen bis auf Furnierdicken reduziert. Ein industriell hergestelltes Buchen-Furnierschichtholz (BU-FSH) ist mit bauaufsichtlichen Zulassungen auf dem Markt verfügbar.
Gezielter Laubholzeinsatz bei hohen Lasten
Laubholz eignet sich aufgrund seiner hohen Zug- und Druckfestigkeit insbesondere für schlanke stabförmige Tragwerkselemente (z.B. Stützen und Träger) – idealerweise in Form von Brettschicht- oder Furnierschichtholz, um größere Spannweiten filigran zu überbrücken oder um hohe Lasten abzuleiten. Die höhere Festigkeit und Steifigkeit führt in der Konstruktion zu erheblichen Materialeinsparungen bei gleicher Tragfähigkeit.
Die komplett als Holzbau realisierte Vierfachsporthalle der regionalen Sportanlage Sargans (Abb. D–F) verfügt über ein ebenso filigranes wie ästhetisches Tragwerk. Während die biegesteifen Rahmenecken der Halle aus Fichte-Brettschichtholz (GL36h) bestehen, die durch eingeleimte Stahl-Gewindestangen vorgespannt sind, wurde das Deckentragwerk der seitlichen Nebenraumbereiche teilweise in Laubholz ausgeführt – im Bereich der Sanitärräume beispielsweise verstärkt Esche den Fichte-Brettschichtholzträger der Holz-Beton-Verbunddecke. Dadurch ließ sich eine Festigkeitsklasse von GL40 erreichen.
Verbindungsmittel und Knotenausbildung
Der Vorteil von Laubholz- gegenüber Nadelholz-Produkten ist ihre deutlich höhere Leistungsfähigkeit bei form- und kraftschlüssigen Verbindungen, durch die zugleich höhere Anforderungen an die konstruktiven Details und Verbindungsmittel entstehen. Abhängig von der Festigkeit und der höheren Beanspruchung der Holzkonstruktion sind daher hochbelastbare Verbindungsmittel einzusetzen: Klebeverbindungen, Verbindungen mit eingeklebten verformten Stahlteilen, Stabdübel-Verbindungen und Schrauben.1
Formschlüssige Verbindungen, wie etwa Dübel, Zapfen oder Schwalbenschwänze, lassen sich mit Laubholz im maschinellen Abbund sehr präzise herstellen. Laubholz-Bauteile eignen sich aber auch zur lokalen Verstärkung von statischen Verbindungen aus anderen Holzsorten – z. B. bei Träger-Stützen-Knotenanschlüssen aus BSH, bei denen durchlaufende Stützen am Knotenpunkt mit Laubholz ausgebildet werden, um die mechanischen Eigenschaften (Querdruckfestigkeit) zu verbessern.Beim Natural House of Ressources der ETH Zürich (Abb. H– I) wurde auf diese Weise die Tragstruktur der oberen zwei Geschosse als vorgespannte Holzrahmenkonstruktion mit Knotenverstärkungen in Esche entwickelt.2
Die im Vergleich zu Nadelholz höhere Rohdichte von Hartlaubhölzern bedingt überdies einen großen Eindring- bzw. Eindrehwiderstand.3 Im Gegensatz zur herkömmlichen Verwendung selbstschneidender Vollgewindeschrauben bei weichen Nadelholzarten (wie etwa Fichte-BSH) ist hier ein Vorbohren von Nagel- und Schraubenlöchern unerlässlich. Bei langen Schrauben empfiehlt sich zusätzlich die Verwendung von Gleitmitteln. Zu beachten ist auch die Wahl geeigneter Schneidewerkzeuge und Bohrer, die aufgrund der Holzhärte eine kürzere Standzeit haben.
Feuchteschutz
Im Gegensatz zu Nadelhölzern sind Laubholzarten oft sehr feuchteempfindlich. Der konstruktive Holzschutz, wie in der DIN 68800-2 beschrieben, ist hier Prämisse der Planung und Ausführung. Statisch beanspruchte Bauteile sollten grundsätzlich witterungs- und feuchtegeschützt eingebaut werden. Insbesondere Buche, die bei Feuchteaufnahme stark quillt, eignet sich nur für witterungsgeschützte Konstruktionen. Der Einsatz von Buchenfurnierschichtholz (Buchen-FSH) für tragende Zwecke ist daher nach bauaufsichtlicher Zulassung nur für die Nutzungsbedingungen der Gebrauchsklassen 1 und 2 zulässig.
Im Rahmen eines Forschungsprojektes an der TU München wurde für den Bau von Parkgaragen eine hybride Konstruktion mit Stützen und Trägern aus Buchen-FSH und einer Decke aus Stahlbeton-Fertigteilen entwickelt (Abb. J – L). Gegenüber herkömmlichen Bausystemen aus Stahl wertet die hohe Oberflächenqualität des Buchenholzes das Parkhaus gestalterisch auf und ermöglicht zudem eine ökologische und nachhaltige Bauweise. Um die Buchenholzkonstruktion zu schützen, bedarf es einer Fassade, die ausreichende Regendichtigkeit bei gleichzeitiger freier Belüftung sichert. Der Prototyp ist daher mit einer Fassade aus Lärchenholzlamellen in Kombination mit umlaufenden, auskragenden Holzbrettern geplant.
Erfahrungen im Umgang mit Holzwerkstoffen aus Buche zeigen, dass sich das Material schon bei geringem Feuchtigkeitsanstieg verändert. Es besteht die Gefahr von Verfärbungen, Quellen und Fugenöffnungen bei Klebverbindungen, was neben ästhetischen Mängeln vor allem auch die Schädigung der Konstruktion bedeuten kann.
Ein Bürogebäude komplett aus Laubholz
Beim Neubau des Bürogebäudes der euregon AG, einem dreigeschossigen Holz-Skelettbau (Abb. M – P), wurde Buchen-FSH konsequent für Tragwerk, Fassade und Innenausbau eingesetzt.
Der Holzschutz in der Bauphase war von Anfang an geplant, um die Qualität der sichtbaren Holzoberflächen über die Bauphase zu sichern. Auf der sichtbaren Holzbalkendecke (Stützenabstand 5,10 m) mit Haupt- und Nebenträgern im Abstand von 85 cm liegt eine 40 mm starke Buchen-FSH Platte, die sofort nach Einbau mit einer geklebten Abdichtung versehen wurde. Die Stützen und Träger wurden vom Holzbauunternehmen in der Fertigung mit einer wasserverdünnbaren Mittelschichtlasur auf feinstteiliger Reinacrylatbasis beschichtet. Trotzdem ließ sich das Eindringen von Wasser in der Bauphase nicht gänzlich verhindern, was an manchen Stellen zu Verfärbungen der Deckenuntersicht führte. Die dunklen Flecken auf der Oberfläche der Buchenplatte konnten jedoch später mit Oxalsäure gebleicht werden.
Fazit
Dank der technischen Materialeigenschaften und dem hohen ästhetischen Potenzial finden konstruktive Holzwerkstoffe aus Laubholz in der Architektur heute zunehmend Anwendung. Laubholz bietet als ausreichend verfügbarer Rohstoff in der Zukunft vielversprechende Möglichkeiten – als schlanke Bauteile oder statisch wirksame Elemente für hoch beanspruchte Konstruktionen – und wird sicherlich mit weiteren material- und bautechnischen Innovationen überraschen.
