Typisierung von Bauteilanschlüssen für Hybridbauweisen

Anbindung vorgefertigter nichttragender Außenwandelemente in Holzrahmenbauweise an Stahlbeton-Tragkonstruktionen in Skelett- und Schottenbauweise


Bachelorarbeit, 2015

43 Seiten, Note: 2,0


Leseprobe


Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Komponenten der Hybridbauweise
2.1 Bauen mit vorgefertigten Elementen
2.2 Tragsystem aus Beton
2.2.1 Skelettbauweise
2.2.2 Schottenbauweise
2.3 Außenwand aus Holzrahmenbauelementen

3 Systemvarianten
3.1 Variante „vorgehängt“
3.2 Variante „eingestellt“

4 Maßtoleranzen
4.1 Grundlagen
4.2 Toleranzen bei der Hybridbauweise

5 Befestigungsmittel und -systeme
5.1 Befestigung am Holzrahmenelement
5.2 Befestigung an der mineralischen Tragstruktur
5.2.1 Nachträglich montierte Befestigungsmittel
5.2.2 Einbetonierte Befestigungsmittel
5.2.3 Zusammenfassung der Eigenschaften

6 Typisierung der Bauteilanschlüsse
6.1 Montage und Parameter
6.1.1 Eingestellte Variante
6.1.2 Vorgehängte Variante
6.2 Lastannahmen
6.3 Statische Bemessung
6.3.1 Eingestellte Variante
6.3.2 Vorgehängte Variante

7 Zusammenfassung und Ausblick

8 Literaturverzeichnis

9 Abbildungsverzeichnis

10 Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

Seit Jahrtausenden werden im Bauwesen aus technischen und gestalterischen Gründen verschiedene Materialien miteinander kombiniert. Dabei werden die positiven Eigenschaften der Baustoffe genutzt, um negative Eigenschaften auszugleichen. Seit Jahrhunderten besonders beliebt ist die Mischbauweise aus mineralischen Baustoffen und Holz, wie zum Beispiel der Fachwerkbau. Diese geriet allerdings in Deutschland Anfang des 20. Jahrhunderts etwas in Vergessenheit. Erst seit der Ölkrise in den 70er Jahren und dem daraus resultierenden neuen Bewusstsein für das Energiesparen, das in den Wärmeschutzverordnungen von 1977, 1984 und 1995 mündete, wurde der Holzbau und damit auch der Holzmischbau wiederentdeckt. Die immer weiter steigenden Anforderungen an den Wärmeschutz der Gebäudehülle veranlassten viele Planer dazu, sich wieder mit dem Holz- und Holzmischbau auseinander zu setzen, da sich der Werkstoff Holz durch seine hervorragenden Wärmedämmeigenschaften auszeichnet [Dederich 2006]. In den folgenden Jahren wurde der Holzrahmenbau durch die Entwicklung von modernen Holzwerkstoffen stetig verbessert und spätestens seit der Energieeinsparverordnung (EnEV) im Jahr 2002, die die Anforderungen an den Wärmeschutz erneut anhob, erlebt der Holzmischbau einen rasanten Aufschwung in Deutschland und hat einen stetig steigenden Anteil am Gesamtbauvolumen [Huth 2009].

Problemstellung und Zielsetzung

Großen Anteil an diesem Aufschwung hat die Hybridbauweise zwischen einer Stahlbetonkonstruktion in Skelett- oder Schottenbauweise in Verbindung mit nichttragenden Außenwandelementen in Holzrahmenbauweise. Diese ist eine der am häufigsten verwendeten Mischbauweisen in Deutschland und wird in dieser Arbeit näher betrachtet. Sie besticht durch ihre hervorragenden physikalischen Eigenschaften. Die hochwärmegedämmte Außenwand bietet einen ausgezeichneten Wärmeschutz der nahezu ohne Wärmebrücken ausgeführt werden kann. Dazu kommen die hohe Wärmespeicherfähigkeit der Innenbauteile aus Beton, die zum sommerlichen Wärmeschutz beitragen, und die positiven Auswirkungen der Massivbauweise auf den Schallschutz. Neben den physikalischen Eigenschaften ist vor allem die hohe industrielle Vorfertigung der Hybridbauweise, welche zu extrem kurzen Bauzeiten führt, ein entscheidender Vorteil. So können bereits nach kürzester Bauzeit die weiteren Ausbauarbeiten in witterungsgeschützten Räumen stattfinden.

Voraussetzung um all diese Vorteile nutzen zu können ist dabei eine gelungene Kombination der unterschiedlichen Gewerke, was eine Menge Koordinations- und Planungsaufgaben mit sich bringt. Aufgrund noch nicht allzu vieler Erfahrungen mit abgeschlossenen Bauprojekten im Hybridbau, kommt dabei besonders der Detailplanung eine besonders große Rolle zu. Dies ist vor allem bei der Ausbildung der Bauteilanschlüsse von großer Bedeutung, da diese einen entscheidenden Anteil an der Einhaltung der bauphysikalischen Anforderungen an die Außenwand haben. Um diesen Planungsaufwand zu verringern, wurden in vielen europäischen Ländern Bauteile im Mischbau bereits standardisiert und typisiert. Da in Deutschland die Hybridbauweise noch am Anfang ihrer Entwicklung steht, fehlen solche Typisierungen hierzulande weitestgehend [Dederich 2006]. Deshalb sollen in dieser Arbeit Bauteilanschlüsse für Hybridbauweisen im Hinblick auf mögliche Befestigungsmittel und -systeme untersucht und hinsichtlich verschiedener bautechnischer Randbedingungen typisiert werden. Dies soll in Zukunft den individuellen Planungsaufwand verringern und dabei helfen die Kosten für Planung, Fertigung und Montage zu senken.

Aufbau der Arbeit

In Kapitel 2 werden zunächst die Grundlagen der Hybridbauweise und ihren Komponenten erarbeitet. Dabei werden zunächst die Prinzipien des Bauens mit vorgefertigten Bauelementen beschrieben, aus denen der Hybridbau größtenteils hergestellt wird. Anschließend werden die üblichen Aufbauten des Tragsystems in Skelett- und Schottenbauweise, sowie der Außenwandelemente in Holzrahmenbauweise dargestellt. Im Anschluss daran werden die Systemvarianten des Hybridbaus näher erläutert. In Kapitel 4 werden dann die Grundlagen der Maßtoleranzen und ihre Anwendung im Hybridbau erklärt. Kapitel 5 fasst mögliche Anschlussvarianten der Holzrahmenbauelemente an die tragende Struktur hinsichtlich unterschiedlicher Befestigungsmittel und –systeme zusammen, bevor im sechsten Kapitel dann die typologische Entwicklung der Anschlussdetails unter Berücksichtigung der vorgenannten Randbedingungen erfolgt und eine beispielhafte Bemessung durchgeführt wird.

2 Komponenten der Hybridbauweise

2.1 Bauen mit vorgefertigten Elementen

Für die einzelnen Komponenten der Hybridbauweise werden immer häufiger Systeme mit vorgefertigten Bauteilen verwendet. Diese industrielle Vorfertigung der Elemente hat durch Witterungsunabhängigkeit und den optimalen Bedingungen im Werk gegenüber traditionellen Konstruktionsprinzipien den Vorteil, dass die Produktion mit konstanter Qualität erfolgt. Dadurch verkürzt sich die Bauzeit auf der Baustelle, Kosten können im Bauprozess eingespart werden. Die Kunst ist es, die einzelnen Bauelemente, wie z.B. Wandtafeln und deren Fügung durch Typisierung und Maßkoordination systematisch aufeinander abzustimmen. Dafür werden Raster verwendet, die Lage und Maße der Bauteile bestimmen. Man unterscheidet dabei das Ausbauraster, das die Lage aller raumschließenden Bauteile bestimmt und das Konstruktionsraster, das die Lage der tragenden Bauteile bestimmt. Als geometrische Grundlage dienen das Achs- und das Bandraster. Beim Achsraster werden die Bauteilstärken nicht berücksichtigt. Die Achslinien decken sich mit den Bezugslinien des Rasters. Das Bandraster dagegen berücksichtigt die Bauteilstärke und bestimmt die Lage der Bauteile in ihrer tatsächlichen Dimension (Abbildung 1). Das Raster selbst ist ein Vielfaches des Moduls. Der Modul ist das Grundmaß für ein geometrisches Ordnungssystem. In Europa gilt der allgemeine Grundmodul M = 100 mm. Bauteilmaße von Gebäuden, die sich auf diesen Modul beziehen, müssen ganzzahlige Vielfache des Grundmoduls sein [Staib et al. 2008]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Bezugslinien der Rasterarten [Staib et al. 2008]

2.2 Tragsystem aus Beton

2.2.1 Skelettbauweise

Bei der Skelettbauweise gibt es im Gegensatz zum klassischen Massivbau eine strikte Trennung der Tragstruktur und des Raumabschlusses. Bauteile wie Stützen, Träger und Deckenplatten bilden ein tragendes Skelett, das mit nichttragenden Elementen geschlossen wird (Abbildung 2). Stützen leiten die Vertikallasten aus Dach, Decke und Träger in die Fundamente ab, die vertikale Aussteifung übernehmen Wände, Kerne oder eingespannte Stützen [Ackermann 1983].

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Abbildung 2: Skelettbau [Ackermann 1983]

Betonskelettbauten werden fast ausschließlich in Fertigteilbauweise erstellt und haben einen hohen Rationalisierungsgrad. Die unterschiedlichen Bauteile sind typisiert und können je nach Anforderungen angepasst werden. Vorteile des Skelettbaus sind daher die Flexibilität der Fassaden- und Grundrissgestaltung und die Wirtschaftlichkeit [Peck 2013]. Die Vorgefertigten Stützen werden meist mit Rechteckquerschnitt hergestellt und auf der Baustelle in Köcher- oder Blockfundamente eingespannt. Wird die Stütze gelenkig an das Fundament angeschlossen, muss die Aussteifung durch vertikale Kerne oder Wandscheiben erfolgen. Als Auflager für Träger und Deckenplatten dienen Konsolen. Die Träger werden als L-, T-, und Rechteckprofile hergestellt. Sie dienen als Auflager für Decken- und Dachelemente. Die Decken werden entweder mit vorgefertigten Voll-, Hohl-, oder Stegdeckenelementen gebildet, oder als Elementdecke aus teilweise vorgefertigten Deckentafeln mit Ortbetonergänzung hergestellt. Die vorgefertigten Deckenelemente werden bei der Montage an der Stoßfuge mit Fugenmörtel vergossen, um eine kraftschlüssige Verbindung herzustellen. Vollplatten werden eher für kleine Stützweiten unter 6 m eingesetzt, wohingegen Hohldecken meist für Spannweiten zwischen 6 und 16 m verwendet werden. Bei noch größeren Spannweiten, wie z.B. im Industriebau finden vorgespannte Stegdecken mit Spannweiten bis zu 20 m Verwendung. Im Betonskelettbau unterscheidet man zwischen zwei grundsätzlichen Konstruktionsprinzipien. Die Konstruktion mit durchlaufenden Stützen und die Konstruktion mit durchlaufenden Trägern (Abbildung 3) [Staib et al. 2008].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Betonskelettkonstruktionen [Staib et al. 2008]

Bei der Planung von Betonskelettbauten wird für das Tragsystem meist ein Achsraster verwendet. Der Abstand der Stützen auf der Längsseite wird dabei meist zwischen 5 und 8 m gewählt. Für die raumbildenden Bauteile, also das Ausbauraster, wird dagegen meist ein Bandraster als überlagerndes System gewählt. Das Ausbauraster bei Skelettbauten liegt meist zwischen 1,20 m und 1,70 m. Tragsystem- und Ausbauraster müssen daher aufeinander abgestimmt werden [Abel o.J.].

2.2.2 Schottenbauweise

Die Schottenbauweise ist eine Mischform des klassischen Massivbaus und des Skelettbaus. Als Tragsystem wirken Wandscheiben (Schotten) quer zur Gebäudelängsachse, die gleichzeitig als Trennelemente zwischen zwei Wohnungseinheiten fungieren können. Zwischen den Schotten ist eine flexible Grundrissorganisation möglich. Die Fassade bleibt frei von Tragwirkungen (Abbildung 4), weshalb die Öffnungen an der Längsseite flexibel mit nichttragenden Wand- bzw. Fassadenelementen geschlossen werden können. Der Abstand der Innenwände wird dabei durch mögliche Spannweiten der einseitig gespannten Decken eingeschränkt und aus Gründen der Wirtschaftlichkeit meist kleiner als 6m gewählt [Ackermann 1983].

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Abbildung 4: Schottenbau [Ackermann 1983]

Im Gegensatz zum Betonskelettbau wird der Schottenbau noch nicht so häufig in Fertigteil-bauweise hergestellt. Hier überwiegt noch die Herstellung in Ortbetonbauweise. Der Vorteil gegenüber der Fertigteilbauweise ist dabei die Anpassungsfähigkeit auf der Baustelle und die monolithische Ausführung der Bauteilanschlüsse. Diese führen meist zu statisch un-bestimmten Systemen, die ein sehr gutes Tragverhalten haben und bereits die vertikale Aussteifung übernehmen. Bei der Ortbetonbauweise ist allerdings durch schwankende Bedingungen auf der Baustelle das Einhalten der Toleranzen schwieriger. Teilweise wird daher auch im Schottenbau auf Fertigteile zurückgegriffen. Die Tragenden Wände werden dabei mit vorgefertigten Stahlbetontafeln hergestellt. Die Decken können durch Halb-fertigteile mit Ortbetonergänzung durchlaufend ausgeführt, oder analog zum Skelettbau mit vorgefertigten Platten aus Stahlbeton gebildet werden. Diese sind durch ihren einachsigen Lastabtrag (Abbildung 5) und die begrenzte Bauteilbreite besonders geeignet für den Schotten- und Skelettbau. Beim Schottenbau wird im Gegensatz zum Skelettbau meist auch für das Tragsystem ein Bandraster verwendet, das die Bauteilabmessung und den Abstand zwischen den Bauteilen definiert [Staib et al. 2008].

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Abbildung 5: einachsig gespanntes Deckentragwerk [Fouad 2013]

2.3 Außenwand aus Holzrahmenbauelementen

Die Außenwand bzw. die Fassade wird beim Hybridbau aus vorgefertigten Holzrahmenbau-elementen gebildet. Das Grundprinzip bei der Konstruktion des Holzrahmenbaus ist die Mehrschichtigkeit, bei der jeder Schicht unterschiedliche Funktionen zugewiesen werden (Abbildung 6). Der tragende Rahmen aus Konstruktionsvollholz sorgt für die horizontale und vertikale Lastabtragung, während die mindestens einseitig, oft aber auch beidseitige Beplankung mit Holzwerkstoffplatten sowohl die Aussteifung der Konstruktion, als auch die Wind- bzw. Luftdichtung und den Brandschutz übernimmt. Die Abmessungen der plattenförmigen Beplankung bestimmen dabei den Achsabstand der Rippen, welcher meist die Hälfte oder ein Drittel der Beplankungsbreite von 1,25m oder 2,5m beträgt. Deshalb sind viele Baustoffe im Holzrahmenbau auf ein Rastermaß von 625mm (seltener 833mm) ausgelegt. Der Hohlraum zwischen den Rippen ist mit Dämmung gefüllt, die hauptsächlich für den Wärme- aber auch für den Schall- und Brandschutz zuständig ist [Dederich 2009].

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Abbildung 6: Aufbau einer Holzrahmenbauwand [Dederich 2009]

Früher wurde der Holzrahmenbau diffusionsdicht ausgeführt. Dabei wird die aussteifende Holzwerksstoffplatte an der Außenseite angeordnet und innen eine dampfsperrende Folie montiert. Diese Konstruktion hat eine sehr geringe Durchlässigkeit, was allerdings zum Nachteil wird, wenn sie Undichtheiten aufweist. Durch Fehlstellen eingedrungenes Wasser bleibt dann nämlich in der Konstruktion „gefangen“ und kann massive Schäden anrichten. Deshalb wird heutzutage fast ausschließlich die in den 1990er Jahren entwickelte diffusionsoffene Bauweise gebaut. Bei der diffusionsoffenen Bauweise wird die aussteifende Holzwerkstoffplatte innen angeordnet und übernimmt dort zusätzlich die Funktion der dampfbremsenden und luftdichten Ebene. Auf die dampfsperrende Folie kann dadurch ganz verzichtet werden. Im diffusionsoffenen Bauteil fällt normalerweise kein Tauwasser an und eventuell im Bauteil anfallende Feuchte kann sehr gut nach innen oder außen austrocknen. Die Außenseite kann dabei beliebig als Wärmedämmverbundsystem oder hinterlüftete Fassade ausgebildet werden (Abbildung 7). An der Innenseite wird meistens eine Installationsebene (gedämmt oder ungedämmt) angeordnet. Die maximalen Abmessungen der Wand- bzw. Fassadenelemente werden durch den Transport beschränkt [Dederich 2009].

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Abbildung 7: Außenwände im Holzrahmenbau [Dederich 2009]

3 Systemvarianten

Beim Hybridbau wird der Anschluss der Fassadenelemente an die Tragkonstruktion in verschiedenen Varianten ausgeführt. Sie werden eingeteilt hinsichtlich ihrer Lage bzw. der Befestigung. Grundsätzlich unterscheidet man die Varianten „vorgehängt“, „eingestellt“, „aufeinandergestellt“ und „zurückgestellt“ (Abbildung 8). Die zwei erstgenannten Varianten werden nun im Weiteren genauer erläutert. Die Varianten „zurückgestellt“ und „aufeinandergestellt“ werden aufgrund ihrer deutlichen Nachteile gegenüber den anderen Varianten, wie zum Beispiel die größere erforderliche Fugenbreite zum Einkippen der zurückgestellten Elemente, oder die Abhängigkeit der oberen Fassadenelemente vom untersten Element bei der „aufeinandergestellten“ Variante, nur in Ausnahmefällen verwendet, und daher in dieser Arbeit nicht näher behandelt [Dederich 2006].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Anschlusspunkte [Dederich 2006]

3.1 Variante „vorgehängt“

Vorgehängte Fassadenelemente, auch „curtain walls“ genannt, werden meist geschossweise an den Decken befestigt (Abbildung 9). Die Befestigung muss das Eigengewicht der Fassadenelemente und die Windlasten vollständig an das Tragwerk weiterleiten. Die geschossweise Befestigung verursacht zwar einen höheren Montageaufwand, allerdings können dadurch Maßabweichungen des mineralischen Tragsystems besser ausgeglichen werden. Die vorgehängte Fassade kann aber auch geschossübergreifend ausgeführt werden. Dabei läuft die Fassade unabhängig vom Konstruktionsraster der tragenden Struktur über mehrere Geschosse hinweg. In Abhängigkeit von der gewählten Elementgröße, die hauptsächlich von Transport- und Montagemöglichkeiten abhängig ist, bleibt die Anzahl der Fugen und Durchdringungen der Außenhülle sehr gering. Das wiederum reduziert die Anzahl der Anschlussdetails, die im Hinblick auf den Witterungsschutz, sowie die Wind- und Luftdichtheit der Außenwand besonders betrachtet werden müssen, auf ein Minimum [Dederich 2006].

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Abbildung 9: Variante "vorgehängt" [Dederich 2006]

Bei der vorgehängten Fassade unterscheidet man hinsichtlich der Befestigung zwei grundsätzliche Prinzipien. Bei der stehenden Konstruktion, auch „vorgestellt“ genannt, erhöht die Druckkraft des Eigengewichts die Momentenbelastung aus der Windlast. Bei der hängenden Konstruktion dagegen wirkt sich die Zugkraft des Eigengewichts abmindernd auf das Biegemoment infolge Windkraft aus (Abbildung 10). Beide Varianten können über mehrere Geschosse ausgeführt werden [Ackermann 1983].

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Abbildung 10: hängende und stehende Fassadenkonstruktion [Ackermann 1983]

3.2 Variante „eingestellt“

Bei der eingestellten Fassade wird die Tragkonstruktion mit den Außenwandelementen, auch „in-fill-wall-panels“ genannt, ausgefacht. Ihre Last tragen sie direkt vertikal in die Deckenkonstruktion ab. Bei einer horizontalen Lastabtragung, wie bei der Schottenbauweise wird die Last über die Innenwandkonstruktion abgetragen. Hinsichtlich der Führung der Außenhaut und der Dämmebene werden zwei Konstruktionsarten unterschieden (Abbildung 11).

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Abbildung 11: Konstruktionsvarianten eingestellter Wandelemente [Dederich 2006]

Die durchlaufende Führung der Außenhaut und Dämmebene, bei der die Fassade und die Dämmschicht komplett vor der Tragkonstruktion angeordnet werden, wird allerdings hauptsächlich für Außenwandelemente aus Massivholz verwendet. Bei den Außenwand-elementen in Holzrahmenbau wird dagegen meist die durchlaufende Fassade mit zwischengestellter Dämmung eingesetzt, weil dort Konstruktion und Dämmung in einer Ebene liegen. Die Wetterschutzschicht wird hierbei nicht durchbrochen, die Anzahl der Fugen ergeben sich aus dem Konstruktionsraster [Dederich 2006].

[...]

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Details

Titel
Typisierung von Bauteilanschlüssen für Hybridbauweisen
Untertitel
Anbindung vorgefertigter nichttragender Außenwandelemente in Holzrahmenbauweise an Stahlbeton-Tragkonstruktionen in Skelett- und Schottenbauweise
Hochschule
Technische Universität München
Note
2,0
Autor
Jahr
2015
Seiten
43
Katalognummer
V301681
ISBN (eBook)
9783668000629
ISBN (Buch)
9783668000636
Dateigröße
2467 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
bauteile, anschlüsse, bauteilanschlüsse, typisierung, hybridbau, hybridbauweise, mischbau, mischbauweise, schottenbau, schottenbauweise, skelettbau, skelettbauweise, vorgefertigte elemente, vorfertigung, holzrahmen, holzrahmenbauweise, maßtoleranzen, befestigungsmittel, befestigungen, befestigungssysteme, vorgehängt, eingestellt, fassadenelement, fassade, schraubanker, bolzenanker, verbundanker, injektionsanker, ankerschiene
Arbeit zitieren
Dominik Ertl (Autor:in), 2015, Typisierung von Bauteilanschlüssen für Hybridbauweisen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/301681

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