Ausgangssituation

Das Bauwesen ist in Deutschland der größte CO₂-Emittent. Der nachhaltige Umbau der Bauindustrie ist daher entscheidend für einen erfolgreichen Kampf gegen den Klimawandel. Holz als nachwachsender Baustoff kann dabei helfen, herkömmliche CO₂-intensive Baustoffe zu ersetzen. Das Bauen mit Holz hat allerdings auch Limitierungen. So werden die notwendigen Querschnitte sehr groß, wenn große Spannweiten gefordert sind. Durch die vorteilhafte Kombination der Werkstoffe Stahl und Holz sollen Hybridquerschnitte konstruiert werden, die die erforderlichen Querschnittsabmessungen deutlich reduzieren. Die Werkstoffe Holz und Stahl können sich in hybriden Querschnitten optimal ergänzen und die Schwächen des jeweils anderen Werkstoffs ausgleichen.

Projektvorstellung

Im abgeschlossenen IGF-Forschungsprojekt HoStaBau wurden Verbundmethoden zwischen den Werkstoffen Holz und Stahl entwickelt, systematisch untersucht und optimiert. Der Fokus der Untersuchungen lag dabei auf biegebeanspruchten Tragelementen. In Bauteilversuchen mit einer Spannweite von 2,4 m wurde Trag- und Verbundverhalten untersucht. Untersucht wurden Referenzträger aus Brettschichtholz GL24h, Furnierschichtholz LVL48p und Hybridträger mit zwei unterschiedlichen Geometriekombinationen sowie zwei unterschiedlichen Materialkombinationen.

Auszug aus den Versuchsergebnissen

Es wurden über 30 Versuche an hybriden Biegeträgern durchgeführt. Ein Auszug der Versuchsergebnisse ist im Bild oben dargestellt. Im linken Diagramm ist auf der X-Achse die Durchbiegung in Trägermitte und auf der Y-Achse die Maschinenkraft dargestellt. In braun sind Holz-Referenzträger dargestellt. In rot sind die hybriden Bauteile der vertikalen und in türkis die hybriden Bauteile der horizontalen Geometrie dargestellt. Das mittlere Diagramm zeigt die gemittelten Tragfähigkeiten der jeweiligen Geometriekombination. Es wird deutlich, dass die Tragfähigkeit sowohl durch die horizontale als auch die vertikale Geometrie signifikant gesteigert werden kann. Während die Bauteile mit der vertikalen Geometrie ein duktiles Versagen mit großen Verformungen zeigen, versagen die Bauteile der horizontalen Geometrie spröde im Mittelholz. Bei keinem Träger kam es zu einem initialen Versagen in der Klebschicht. Das Versagen lag immer im Holzquerschnitt.

Das rechte Diagramm veranschaulicht die Biegesteifigkeit der Bauteile. Hier kann die horizontale Geometrie ihr volles Potenzial ausschöpfen. Im Vergleich zum reinen Holzträger kann die Biegesteifigkeit durch die horizontale Geometrie um über 250 % gesteigert werden. Um die gleiche Biegesteifigkeit zu erreichen, müsste ein reiner Holzträger ca. 50 % höher sein als der hybride Träger. Detaillierte Versuchsergebnisse können in der Veröffentlichung „Bending Behavior of Hybrid Timber–Steel Beams“ nachvollzogen werden.

Anwendbarkeit in der Baupraxis und Ausblick

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde ein analytisches Nachweiskonzept entwickelt, das eine schnelle und einfache Überführung in die Baupraxis ermöglichen soll. Es konnte gezeigt werden, dass das Trag- und Versagensverhalten sehr genau vorhergesagt werden kann. Somit können gerade kleine und mittlere Unternehmen (KMU) von der Entwicklung profitieren.

Um eine möglichst breite Anwendbarkeit zu ermöglichen, muss das Bemessungskonzept experimentell und numerisch validiert werden. Auf dieser Grundlage können normative Regelungen für die Hybridbauweise erarbeitet werden. Neben der Anwendung der Hybridbauweise in Biegeträgern sollen im nächsten Schritt hybride Stützen entwickelt werden. Erste analytische und experimentelle Voruntersuchungen haben auch in diesem Anwendungsgebiet das enorme Potenzial der Hybridisierung gezeigt. So kann ein Baukasten an Hybridbauteilen entstehen, der eine Alternative zu den aktuell üblichen, energieintensiven Bauweisen bietet.

Das IGF-Vorhaben 21722 N / P 1537 "Holz-Stahl-Hybridbauweisen am Beispiel biegebeanspruchter Tragelemente (HoStaBau)" der FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde am KIT Institut für Stahl- und Leichtbau sowie am KIT Institut für Holzbau und Baukonstruktion durchgeführt.