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Holz-Beton-Verbund: Eine innige Verbindung

Die Holz-Beton-Verbundbauweise hat sich in den vergangenen Jahren als eigenständige Bauweise etablieren können. Ein Anwendungsgebiet liegt in der Sanierung von bestehenden Holzbalkendecken. Die verbleibende Holzbalkenlage geht mit der Betonplatte einen Verbund ein, wodurch nicht nur die Tragfähigkeit sondern auch der Schallschutz verbessert wird. Diesen Verbund herzustellen ist zum Beispiel möglich mit in das Holz eingeklebten Streckmetallen.

Die verbleibende Holzbalkenlage geht mit der Betonplatte einen Verbund ein, wodurch nicht nur die Tragfähigkeit sondern auch der Schallschutz verbessert wird. Diesen Verbund herzustellen ist zum Beispiel möglich mit in das Holz eingeklebten Streckmetallen.

Holzbalkendecken wurden in Deutschland in den Jahren zwischen 1880 bis circa 1960 häufig als Einschubdecken ausgeführt und treten daher bei Sanierungen oder Ertüchtigungen oft auf. Die Einschubdecke besteht aus Deckenbalken mit Balkenabständen bis maximal 90 cm, zwischen denen Einschübe (Fehlboden, Streifboden) in Form von Schwarten eingebracht sind. Auf diesen Einschüben liegt eine 8 bis 12 cm dicke Schüttung aus Lehm/Stroh, Sand oder Schlacke. Den Fußboden bildet eine Dielung aus gespundeter Schalung. An der Unterseite der Holzbalken hängt in der Regel eine mit Rohrgeflecht oder Rabitzgewebe und Putz versehene Schalung.

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Verschiedene Varianten der Holz-Beton-Verbundbauweise. Zeichnungen: FHW, Holzbaulabor

Erhöhung der Biegesteifigkeit durch Holz-Beton-Verbund

Eine Möglichkeit geschädigte Holzbalkendecken zu sanieren, ist die Holz-Beton-Verbundbauweise. Dafür tragen die Handwerker auf der Dielung der bestehenden Holzbalkendecke eine Betonschicht auf, nachdem sie eine Holzschutzfolie verlegt haben. Spezielle Verbindungsmittel stellen den Verbund zwischen diesen beiden Werkstoffen her. Die Dicke der Betonplatte beträgt bei Sanierungen in Abhängigkeit von den äußeren Randbedingungen (Lasten, Stützweite, Schallschutzanforderungen, Schwingungsverhalten) in der Regel zwischen 6 cm und 12 cm. Durch den Verbund zwischen den Werkstoffen Holz und Beton zu einem π-Querschnitt beteiligen sich beide Materialien am Lastabtrag und erhöhen die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Decke. Gerade bei Sanierungen von Holzbalkendecken kommen Einfeldträger häufig vor. Bei diesem statischen System übernimmt die oberseitig angeordnete Betonplatte die Druckspannung, während die unten liegenden Holzbalken die Zugspannung im Verbundquerschnitt aufnehmen. Die zwischen den beiden Teilquerschnitten Holz und Beton angeordneten Verbindungsmittel übertragen die zugehörigen Schubkräfte.

Eine weitere Möglichkeit einen Holz-Beton-Verbund herzustellen, besteht darin, den Beton in die Gefache zwischen den Deckenbalken einzubringen. Die Verbindungsmittel werden in diesem Fall seitlich in die Holzbalken eingebracht. Bei diesem Ansatz geht zwar die Scheibenwirkung des Betons verloren, man reduziert jedoch die Aufbauhöhe der Decke. Dies kann in Bezug auf Anschlüsse, Türzargen, etc. interessant sein.

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Verbindungssysteme nehmen den Schub auf

Die Erhöhung der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit durch die Herstellung einer Holz-Beton-Verbunddecke im Vergleich zur ursprünglichen Holzbalkendecke ist im Wesentlichen von den Eigenschaften des eingesetzten Verbindungsmittels abhängig. Bei Verbindungssystemen, die einen nahezu starren Verbund zwischen den Werkstoffen Holz und Beton herstellen, kann im Vergleich zu reinen Holzbalkendecken eine Erhöhung der Biegesteifigkeit der Decke um bis zu 500 Prozent im Vergleich zu der ursprünglichen Holzbalkendecke erreicht werden. Gleichzeitig kann die Tragfähigkeit der Deckenkonstruktion durch den Verbund um bis zu 400 Prozent erhöht werden. Durch Einsatz von Schalungsstützen werden vorhandene Deckenverformungen zurückgebildet. Die Systemsteifigkeit der Deckenkonstruktion wird durch die Scheibenwirkung der Betonplatte erhöht.

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Die Tabelle listet die Verbindungsmittel im Holz-Beton-Verbundbau auf, die über eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung für die Sanierung von Holzbalkendecken verfügen.

Bei den im Bereich der Sanierung für den Holz-Beton-Verbund bauaufsichtlich zugelassenen Verbindungsmitteln wird zwischen verschiedenen Arten von Verbundschrauben und eingeklebten Streckmetallen unterschieden. Verbundschrauben stellen ein mechanisches, punktuelles, Verbindungssystem dar. Eingeklebte Streckmetalle bilden eine geklebte, kontinuierliche Verbindung zwischen Holz und Beton. Das Streckmetall, ein speziell zugelassenes gelochtes Blech, ist dann sinnvoll einzusetzen, wenn ein hoher Verschiebungsmodul und eine hohe Schubtragfähigkeit erforderlich sind. Die Verformung bleibt auch bei hohen Lasten relativ gering. Die Streckmetalle können bei Mehrfeldträgern oder Kragarmen eingesetzt werden.

Vorteile der Holz-Beton-Verbundbauweise

Deckensanierungen mit der Holz-Beton-Verbundbauweise weisen vielfältige statische und bauphysikalische Vorteile auf:

- Erhöhung der Tragfähigkeit

- Reduzierung von Deckendurchbiegungen

- Verringerung der Schwingungsanfälligkeit durch Erhöhung der Steifigkeit der Deckenkonstruktion

- Optimale Nutzung der spezifischen Werkstoffeigenschaften

- Erhöhung des Luftschallschutzes durch Einbringen zusätzlicher Masse in die Decke

- Verbesserung des Trittschallschutzes bei zusätzlicher Entkopplung des Bodenbelags

- Verbesserung des Brandschutzes durch oberseitig aufgebrachte Betonplatte (Ausführungen bis F90-B möglich)

- Höhere Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu herkömmlichen Sanierungsverfahren für Holzbalkendecken infolge des geringeren Aufwands

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Vor dem Herstellen der Betonplatte nivellieren Handwerker das vorhandene Gefälle mit einem Leichtbeton. Zeichnung: TiComTec

Die Auflagerung erfolgt über die Betonplatte

Beim Holz-Beton-Verbundsystem mit eingeklebten Streckmetallen kann die Auflagerung über die oben liegende Betonplatte erfolgen. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Balkenköpfe so zerstört sind, dass sie zur Lagerung nicht mehr taugen. Die Mitarbeiter des Referates Holz des Materialprüfamts Wiesbaden führten Untersuchungen zu dieser sogenannten indirekten Lagerung durch. Dafür klebten sie zwei parallele Streckmetalle im Bereich der Balkenköpfe hochkant in eine Nut ein. Über diese wurde die im Holzquerschnitt wirkende Querkraft in die Betonplatte geleitet. Eine zusätzliche Stab- und Schlaufenbewehrung verankerte die Kraft zurück in die Betonplatte.

In mehreren Einfeldbiegeversuchen wurden unterschiedliche Bewehrungs- und Hochhängungsvarianten untersucht; in [1] sind die Versuche und deren Ergebnisse sowie ein Bemessungsvorschlag ausführlich beschrieben.

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Bei dem vorhergehenden rechnerischen Ansatz zur Berechnung der Querkraftanteile im Verbundträger teilt sich die Querkraft Q am Auflager im Verhältnis der tatsächlichen Steifigkeitsanteile der Querschnitte Holz und Beton auf. Die effektive Biegesteifigkeit EIef wird dabei gemäß DIN 1052 (Biegeträger aus nachgiebig miteinander verbundenen Querschnittsteilen) ermittelt.

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Während der Versuchsdurchführung untersuchen Mitarbeiter des Holzbaulabors der FH Wiesbaden Plattenbalken auf ihre Tragfähigkeit. Foto: FHW, Holzbaulabor

Sandschichten gleichen die Durchbiegung aus

Die Baumaßnahme Sparkasse Aschaffenburg ist ein typisches Beispiel für ein Objekt, bei dem die Holz-Beton-Verbundbauweise zur Ertüchtigung der Deckenkonstruktion eingesetzt wurde. Das Bauwerk, erbaut nach dem ersten Weltkrieg, wurde im Zuge von Modernisierungsmaßnahmen kernsaniert. Die Einschubdecken besaßen als statische Einfeldsysteme Spannweiten von circa 6 m. Die Bimsdielen, die auf den Fehlböden vorgefunden wurden, hatten eine Höhe von 12 cm. Die bestehende Holzbalkendecke war grundsätzlich tragfähig, wies jedoch ein starkes Gefälle auf; auf 24 m in der Diagonalen bestand eine Höhendifferenz von 20 cm. Die Deckenbalken wiesen Querschnitte von b/h ≈ 14/20 cm auf und waren in Rasterachsabständen von e ≈ 68 cm angeordnet.

Die Räumlichkeiten wurden bis dato als Büro- und Lagerräume genutzt. Die Deckenbalken waren für diese Nutzung und die damit verbundenen auftretenden Lasten jedoch nicht bemessen und wiesen daher zum Teil sehr große Durchbiegungen auf. In der Vergangenheit glichen oberseitig aufgebrachte Sandschichten die Durchbiegungen aus. Diese zusätzlichen Lasten verursachten wiederum Durchbiegungen, die die erneut aufgetragenen Sandaufschichtungen wieder kompensieren sollten. Insgesamt wurden während der Nutzungsdauer vier Lagen aufgetragen, so dass die Dicke der Sandschicht zu Beginn der Umbaumaßnahmen in Feldmitte circa 10 cm betrug. Deckenunterseitig bekleidete die Räume ein Rohrputz. Die Balkenköpfe der Deckenbalken waren zum Teil zerstört. Feuchtigkeitseinwirkungen im Bereich der Sanitärräume beschädigten einen Teil der Einschübe ebenfalls stark.

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Die eingeklebten HBV-Schubverbinder übernehmen nach Fertigstellung des Holz-Betonverbundes die Schubkräfte. Foto: TiComTec

Sanierungsmaßnahmen verbessern auch den Schallschutz

Um die Räumlichkeiten über der Holzbalkendecke nach der Sanierung als Büroeinheiten nutzen zu können, ertüchtigten die Planer die tragfähige Holzbalkendecke zu einer Holzbetonverbunddecke. Dafür trugen Handwerker zunächst die Sandaufschüttungen ab und tauschten die beschädigten Einschübe im Bereich der Bäder aus. Einen Ausgleich des Deckengefälle schafft ein extremer Leichtbeton (m = 200 kg/m³), den die Handwerker in dafür angefertigte Schalungskästen pumpten.

Nach dem Verlegen einer Trennlage als Feuchteschutz klebten sie die HBV-Schubverbinder als Verbindungsmittel in die in die Holzbalken eingebrachten Schlitze ein. Als Bewehrung für die Betonstege setzten sie A-Böcke (Gitterträger). Zur Aufnahme der Zugspannungen in der Betonplatte dient eine Mattenbewehrung Q335A. Im Bereich der zerstörten Balkenköpfe brachten die Handwerker Verbindungsmittel und Bewehrungszulagen für die indirekte Auflagerung der Holz-Beton-Verbunddecke ein. Anschließend betonierten sie einen fließfähiger Beton der Betonfestigkeitsklasse C20/25 in einer Dicke von 8 cm. Nach dem Abbinden des Betons erfolgte der weitere Deckenaufbau in Form eines Trittschallschutzes und schwimmenden Estrichs. Im Zuge des Ausbaus wurde eine abgehängte Akustikdecke angebracht.

Mit Hilfe der Holz-Beton-Verbundbauweise ist die Decke nun für eine ständige Last von g = 4,5 kN/m² und eine Verkehrslast von p = 3,5 kN/m² ausgelegt. Die Eigenfrequenz der Decke beträgt 5,83 Hz. Nach DIN 1052:2004 musste somit ein besonderer Schwingungsnachweis geführt werden. Die Resonanzuntersuchung lieferte eine rechnerische Schwingbeschleunigung der Decke von a grenz = 0,1 m/s². Der in der Literatur angegebene Grenzwert für Wohlbefinden von agrenz = 0,1 m/s² ist somit eingehalten. Die Nachweise zur Einhaltung der Schwinggeschwindigkeit wurden ebenfalls erfüllt, wodurch der Nachweis zum Schwingungsverhalten in der Summe erbracht wurde. Der bewertete Norm-Trittschallpegel der Decke berechnet sich zu Lnw,R = 48 dB, das bewertete Luftschalldämmmaß zu Rw,R = 54 dB.

Fazit: Eignung der Verbindungsmittel beachten

Die Holz-Beton-Verbundbauweise stellt eine Bauweise dar, die im Bereich von Deckenertüchtigungen vielfältige Vorteile aufweist. Diese Vorteile betreffen dabei die Bereiche der Statik des Trag- und Verformungsverhaltens ebenso wie Bereiche der Bauphysik. Mehrere Verbindungssysteme existieren und sind in Deutschland bauaufsichtlich zugelassen. Unterschiede zwischen den einzelnen Verbindungssystemen treten zum Beispiel bei den Anwendungsmöglichkeiten, den Systemkennwerten und dem Herstellungsaufwand auf. Planer und Ausführende sollten an dieser Stelle nach Eignung für den gegebenen Anwendungsfall genau vergleichen.

Leander Bathon und Oliver Bletz

Prof. Dr.-Ing. Leander Bathon ist Professor für Holzbau und Baukonstruktion an der FH Wiesbaden sowie Leiter des Materialprüfamts Wiesbaden Referat Holz. Dipl.-Ing. (TU) Dipl.-Ing. (FH) Oliver Bletz ist Mitarbeiter am Materialprüfamt Wiesbaden Referat Holz.

Literaturtipps

[1] Bathon, L.; Bletz, O. (2006): "Konstruktionsansätze für weitgespannte Decken sowie Brücken in Holz-Beton-Verbundbauweise", Bautechnik 83, Heft 6, Seite 435 - 439

[2] Deutsches Institut für Bautechnik (2003): "Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-9.1-342, SFS- Verbundschrauben VB-48-7,5x100 als Verbindungsmittel für das SFS Holz-Beton-Verbundsystem"

[3] Deutsches Institut für Bautechnik (2000): "Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-9.1-445, Timco II Schrauben als Verbindungsmittel für das Timco Holz-Beton-Verbundsystem"

[4] Deutsches Institut für Bautechnik (2004): "Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-9.1-557; Holz-Beton-Verbundsystem mit eingeklebten HBV-Schubverbindern"

[5] Deutsches Institut für Bautechnik (2005): "Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-9.1-603, TCC Schrauben als Verbindungsmittel für das TCC Holz-Beton-Verbundsystem"

[6] Deutsches Institut für Bautechnik (2006): "Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-9.1-648, Würth ASSY VG plus Schrauben als Verbindungsmittel für Holz-Beton-Verbundkonstruktionen"

[7] Kreuzinger, H.: "Holz-Beton-Verbundkonstruktionen. Nachweise in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit", In: König, Holschemacher, Dehn: "Holz-Beton-Verbund. Innovationen im Bauwesen. Beiträge aus Praxis und Wissenschaft", Seite 101 - 122

[8] Mohr, B.: "Deckenschwingungen. Vorschläge zur Bewertung", bauen mit holz 11/2001, Seite 29 38