Elemente + Systeme by DETAIL

Edition ∂

STAIB DÖRRHÖFER ROSENTHAL

MODULARES BAUEN ENTWURF KONSTRUKTION NEUE TECHNOLOGIEN

Impressum Autoren

Gerald Staib Prof. Dipl.-Ing. Architekt Lehrstuhl für Baukonstruktion und Entwerfen, TU Dresden Andreas Dörrhöfer, Dipl.-Ing. Lehrstuhl für Baukonstruktion und Entwerfen, TU Dresden

Fachbeitrag: Jan Knippers, Prof. Dr.-Ing. Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart Thorsten Helbig, Dipl.-Ing.

Markus Rosenthal, Dipl.-Ing. Lehrstuhl für Baukonstruktion und Entwerfen, TU Dresden

Redaktion

Projektleitung: Steffi Lenzen Redaktion und Lektorat: Cornelia Hellstern

Redaktionelle Mitarbeit: Carola Jacob-Ritz, Michaela Linder, Eva Schönbrunner, Cosima Strobl, Melanie Weber Zeichnungen: Marion Griese, Caroline Hörger, Emese Köszegi, Nicola Kollmann, Simon Kramer, Elisabeth Krammer, Martin Hämmel, Daniel Hajduk Herstellung / DTP: Simone Soesters Repro: Martin Härtel OHG, Martinsried Druck und Bindung: Kösel GmbH & Co. KG, Altusried-Krugzell

Ein Fachbuch aus der Redaktion DETAIL. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts. ISBN: 978-3-7643-8655-9

Vorwort »Elementiertes Bauen« und »Bauen mit Systemen« sind Begriffe, denen »kreativer Entwurf« zuweilen entgegen gestellt wird. Aber handelt es sich tatsächlich um unvereinbare Gegensätze? Sollten sie sich nicht vielmehr ergänzen, wenn nicht gar effektiv unterstützen? Nicht selten existieren heute enorme und unter Umständen durchaus berechtigte Vorbehalte gegenüber elementierten Bauweisen, deren Ursprung meist im recht unreflektierten Umgang und Einsatz beim Bauen mit Elementen und Systemen in der jüngeren Vergangenheit liegt. Den »architektonischen« Konsequenzen wie beispielsweise zahllosen Plattenbauten in Osteuropa begegnet man allerorts. Wiederholungen wünscht sich niemand, sie sind jedoch auch nicht der Sinn elementierten Bauens. Angesichts stetig wachsender ökologischer und ökonomischer Anforderungen an das Bauen gewinnen Gebäude auf Basis von Bausystemen und vorgefertigten Produktionsmethoden jedoch heute wieder mehr und mehr Bedeutung. Mit der Publikation möchten wir den Weg zu einem sinnvollen Umgang mit vorgefertigten Elementen und Systemen ebnen: weg von der Vorfertigung als Selbstzweck hin zum dienenden Instrument einer umfassenden Entwurfsidee. Vorfertigung bedeutet nicht unmittelbar Architektur von der Stange oder die »Einheitsplatte« – im Gegenteil, moderne Systeme lassen heute eine sehr individuelle Vorfertigung einzelner Bauteile mit enormem Differenzierungsgrad zu, was die Kreativität des Planers nicht beschneidet, sondern nachhaltig unterstützen kann. Die Fragen lauten vielmehr: Was ermöglichen aktuelle Vorfertigungstechniken? Wie funktionieren sie? Wie lassen sie sich optimal ausnutzen und einsetzen?

»Elemente + Systeme« gliedert sich in fünf Hauptteile mit folgenden inhaltlichen Schwerpunkten: Eine umfassende Einführung in die Geschichte des Themas liefert Teil A des Werkes. Schon bei Nomadenvölkern der Frühgeschichte lassen sich erste Versuche vorgefertigten Bauens erkennen, während die Idee in den 1960er-Jahren mit diversen städtebaulichen und architektonischen Utopien ihren Höhepunkt erreicht. Die gestalterische Tristesse der Architektur dieser Zeit bedeutet jedoch gleichzeitig ihr »Ende«, und erst heute, fast ein viertel Jahrhundert später, besinnt man sich angesichts der wachsenden Notwendigkeit Ressourcen schonenden Bauens und der Nachfrage nach immer größerer Flexibilität im Entwurf wieder zunehmend auf den Systemgedanken. Teil B beschreibt die technischen und konstruktiven Grundlagen des elementierten Bauens. Für den planenden Architekten relevante Begriffe wie Vorfertigungsgrad, Typisierung, Modul oder Baukastensystem werden definiert und im Zusammenhang einer integralen Planung erläutert. Neben erklärenden Ausführungen zur damit verbundenen Methodik des Fügens erleichtern Planungsstrategien den praxisnahen Einstieg in die Thematik. Teil C umfasst die Anwendungsmöglichkeiten unterschiedlicher Systeme für die Konstruktion von Tragwerken und die dafür geeigneten Materialien. Skelett-, Paneel- und Raumzellenbauweisen stellen die wesentlichen Konstruktionsprinzipien im elementierten Bauen dar, wobei der Vorfertigungsgrad der für diese Bauweisen verwendeten Elemente eine enorme Rolle für die Gabäudekonstruktion spielt.

Gesondert davon behandelt Teil D elementierte Fassadensysteme. Besonders Systeme im Büro- und Verwaltungsbau enthalten beispielsweise häufig Rahmen, Scheibe, Unterkonstruktion und Sonnenschutz in einem Element – und diese finden sich nicht nur in der Hochhaushülle wieder, sondern gehören heute zunehmend zur Alltagsarchitektur. Abschließend erläutert Teil E die aktuellsten Tendenzen im Bereich computergestützter Entwurfsmethoden und Fertigungstechniken. Ein Ausblick auf künftige Entwicklungen für das Bauen mit Systemen liefert neue Impulse und lässt uns gespannt in die Zukunft blicken. Hat das Bauen mit Systemen Zukunft? Und wenn ja, wie mag diese wohl aussehen? Gelingt es uns, aus den Fehlern der Vergangenheit zu lernen und diese ins Positive umzukehren? Umfangreiche Beispiele liefern bis ins Detail zu jedem Kapitel Ideen für eine gelungene Umsetzung der Theorie in die Praxis – durchweg weit entfernt von »Einheitsbrei« und trostloser Reihung industriell produzierter Module. Sie dienen einmal mehr als Beweis, dass hoher Vorfertigungsgrad, Funktionalität und qualitativ hochwertiges Design sich nicht ausschließen. Das Wissen um die Abhängigkeiten und Bedingungen unterschiedlicher Ordnungssysteme und Bauweisen, um das Fügen der einzelnen Bauelemente und um heutige Fertigungstechniken ermöglicht den verantwortungsvollen Umgang mit elementierten Systemen und wird guter Architektur im Element- und Systembau die Türen öffnen. Verlag und Redaktion München, im Mai 2008

Inhalt Impressum

Vorwort

Einführung

Teil A

Geschichte

Die Nomaden und der sesshafte Mensch Ziegel Naturstein Holz Militärwesen und koloniale Expansion Eisen – die ersten Systeme Elementierte Betonbauweisen Rationalisierung, Serienproduktion, Typsierung und Massenwohnungsbau Das vorgefertigte Haus – der Baukasten Weitgespannte Raumtragwerke Großstrukturen und Visionen Die industrielle Fertigung – »Synonym für Fortschritt« Offene Strukturen

Teil B

Grundlagen

Industrielle Vorfertigung Baustellenvorfertigung und mobile Produktionsstätten Bauweisen Elemente Typisierung System – Bausystem Geschlossene Systeme Baukastensysteme Offene Systeme Bauhalbzeuge – Halbfabrikate

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Modul Raster Maßkoordinaten Geometrische Position von Tragwerk- und Ausbauelementen Transport Montage Fugen Toleranzen

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Teil C

Tragwerke

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Materialien im Systembau Stahl Holz Beton

50 51 51

Skelettsysteme Stahlskelettsysteme Holzskelettsysteme Betonskelettsysteme

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Gebaute Beispiele im Detail Temporäres Wohnhaus, Paris (F) Wohnhaus, Rotenburg (D) Wohnhaus, Phoenix (USA) Musterhaus, Tosu-City (J) Wohnhaus, Sakurajosui (J) Aufstockung, Preding (A) Wohnhaus, Andelsbuch (A) Wohnhaus, Gams (CH) Modeschule, Fukuoka (J) Institutsgebäude, Grenoble (F) Wohn- und Bürohaus, Kassel (D) Paneelsysteme Bauen mit Stahlpaneelen Bauen mit Holzpaneelen Bauen mit Betonpaneelen Bauen mit Mauerwerkspaneelen wund Ziegelelementen

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Gebaute Beispiele im Detail Wohnhaus, Sumvitg (CH) Wohnhaus, Dalaas (A) Wochenendhaus, Tokio (J) Wochenendhaus, Northport (USA) Wohnhaus, Münchenbuchsee (CH) Zimmerei, Feldkirch (A) Technologiezentrum, München (D) Werbeagentur, München (D) Weingut, Fläsch (CH) Hotelfachschule, Nivilliers (F)

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Raumzellensysteme Raumzellen aus Stahl Raumzellen aus Holz Raumzellen aus Beton

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Gebaute Beispiele im Detail Bürogebäude, Fellbach (D) Wohn- und Geschäftshaus, Rathenow (D) Bürogebäude, München (D) Tomihiro Art Museum, Azuma (J) Pavillon, Venedig (I) Loft, New York (USA) Café, Helsinki (FIN) Hotelanbau, Bezau (A) Fertighaus aus Dänemark (DK) Transportable Wohneinheit (D) Nakagin Capsule Tower, Tokio (J)

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Teil D

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Gebäudehülle

Tragende Fassaden Nichttragende Fassaden Fassadensysteme aus Glas Mehrschalige Glasfassadenund Fenstersysteme Fassadensysteme aus Metall Fassadensysteme aus Holz Fassadensysteme aus Beton

Fassadensysteme aus Klinkersteinen Fassadensysteme aus Naturstein Fassadensysteme aus Kunststoff

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Verglaste Gitterschalen Veränderung des Planungsprozesses Verglaste einlagige Stabschalen aus Glas

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Gebaute Beispiele im Detail Westhafen Tower, Frankfurt am Main (D) Bürogebäude, London (GB) Uptown, München (D) Hotel, Tokio (J) Museum of Contemporary Art, Chicago (USA)

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Teil E

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Entwicklungen

Von der industriellen Massenproduktion zur projektbezogenen Vorfertigung Computergestütztes Entwerfen Computerunterstützte Produktionsprozesse Bauroboter Nutzerspezifische Maßanfertigung Digitale Bausysteme

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Anhang

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Autorenportraits Verordnungen, Richtlinien, Normen Literatur Abbildungsnachweis Personenregister Sachregister

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Einführung »Elemente« und »Systeme« – diese Begriffe erzeugen nicht nur bei Architekten sehr schnell Assoziationen, die mit Industrieprodukten, Serienfertigung, Fließband – oder konkreter, mit Bauten der Nachkriegszeit zu tun haben. Also Bilder, die von Technik, Gleichartigkeit und auch von Monotonie geprägt sind. Die Serienproduktion auf der Fertigungsstraße einer Autofabrik akzeptieren wir als etwas Alltägliches, dagegen finden jedoch Serien gleicher Teile in der Architektur, belastet durch die Beispiele der jüngeren Architekturgeschichte, bei uns wenig Akzeptanz. Diese Reaktion hat sicher nichts mit der Idee der »Reihung« gleicher Teile in der Architektur zu tun, sondern mit der sehr vom Technischen geprägten Anwendung industrieller Fertigelemente. Das ist ein erster emotionaler Eindruck. Lässt man sich jedoch auf dieses Thema ein und betrachtet die Geschichte der Architektur unter besonderer Berücksichtigung dieses Aspektes, so stößt man auf hervorragende Beispiele des »Bauens mit Systemen«. Es eröffnet sich eine spannende, vielfältige, facettenreiche Seite vom Machen von Architektur, von der Beziehung zwischen Architektur, Handwerk und Industrie, von der Bedeutung der Konstruktion in der Architektur und von der Art und Weise, wie Architektur entsteht. Es zeigt sich, welche Hoffnungen und Wünsche in Industrie und Technik projiziert wurden, um mit ihrer Hilfe die Architektur zu erneuern. Und es zeigt aber auch, wie eindimensionale technische Entwicklungen in Sackgassen geführt haben.

Wohnhaus, Overijse (B) 2004, Buelens Vanderlinden Architects

Prinzipiell ist jedes Bauwerk ein Gefüge aus Wand, Decke und Dach. Für jeden Teil eines Gebäudes haben sich im Laufe

der Jahre eigenständige Systemen entwickelt, sei es am Beispiel des Systems »Wand« der Ständerbau aus Pfosten und Wandausfachungen, die im Verbund geschichtete Ziegelwand oder die moderne Elementfassade, die keine tragende Funktion mehr übernimmt und nur noch den Raumabschluss bildet. Das Konstruieren mit Elementen oder in Systemen ist somit die Basis des Bauens. Wie sich diese Techniken des Bauens mit Systemen in der Geschichte der Architektur entwickelt haben und vor allem wie damit heute gearbeitet wird, ist das Thema dieses Buches. Zu Beginn wird skizziert, wie dieser Entwicklungsprozess einem ständigen Suchen und Versuchen entsprach, das Bauen und dessen Techniken erst mit den traditionellen, später mit den neuen Materialien Eisen und Beton zu verbessern. Den Schwerpunkt des Buches bilden die Darstellung der Möglichkeiten, die es inzwischen beim Bauen mit vorgefertigten Elementen in Systembauweise gibt, und ein Ausblick auf Potenziale und Entwicklungstendenzen unterschiedlicher Bautechniken. Betrachtet werden die Konstruktionssysteme Skelett-, Paneel- und Raumzellenbauweise anhand der Materialien Stahl, Holz und Beton. Die Geschichte des Bauens ist auch die eines langen Differenzierungsprozesses: Das Gesamtsystem »Bauwerk« hat sich durch veränderte Ansprüche und die immer komplexer werdenden energetischen, materiellen, technischen, sowie funktionalen Bedingungen mehr und mehr zu einem vielschichtigen Gefüge differenzierter Systeme aufgelöst. Die einzelnen Elemente werden nun entsprechend ihrer speziellen Aufgabe individuell entwickelt, produziert und montiert.

Zwei Beispiele, die diese Veränderung signifikant demonstrieren, sind das Centre Pompidou in Paris von Renzo Piano / Richard Rogers (1977) und die Hongkong & Shanghai Bank von Norman Foster (1986). Diese Gebäude zeigen nicht nur auf damaligem technisch höchstem Niveau, wie sie funktionieren, sondern auch die Aufgaben eines jeden Bauteils sind hier einzeln ablesbar. Inzwischen ist jedes größere Bauwerk ein Konstrukt aus verschiedenen Systemen, ohne dass diese allerdings als gestalterisch eigenständige Teile erkennbar sind. Die für die 1960er-Jahre typischen geschlossenen Systeme, die ein Gebäude bis hin zum Innenausbau festlegen, gibt es in diesem Sinne nicht mehr. Das Bauwerk hat sich zu einem Gefüge verschiedener spezifischer Systeme hin entwickelt. Für Standardelemente wie Tragsysteme, Fassadenkonstruktionen und Trennwände haben sich auf technologischen Typologien basierende Standards herausgebildet, die wiederum die Grundlage für die unterschiedlichsten Systeme darstellen. Industriell hergestellte Bauteile sind so selbstverständlicher Bestandteil unserer Architektur geworden. Die Produktion einzelner Elemente eines Systems bedeutet heute nicht mehr zwangsläufig die Herstellung einer Serie gleicher Teile, wie es aus technischer und ökonomischer Sicht bis vor geraumer Zeit noch üblich war. Durch die modernen, computergestützten Planungs- und Produktionsverfahren kann jedes Element, eingebunden in ein vernetztes System, einzeln entwickelt, hergestellt und zusammengefügt werden. Somit lässt sich heute für jeden baulichen oder technischen Teil eines Gebäudes das bestmögliche, an die Situation ange-

passte System finden – von der vorinstallierten Leichtbetonelementwand bis hin zur technisch komplizierten mehrschaligen Elementfassade. Diese Differenzierung der Systeme wirkt sich auch auf die Struktur der Produzenten aus. Die Firmen bieten meist nicht mehr alles an, sondern kleinere und mittlere Betriebe haben die Möglichkeit, ihre Nische zu finden und für einen speziellen Bereich optimale Lösungen zu entwickeln und anzubieten. Der Wunsch, Architektur und Industrie enger zusammenzubringen und deren Möglichkeiten auszunutzen, hat die Entwicklung von Systemen als ein Bestandteil des modernen, industriell gestützten Bauens gefördert. In der seriellen Fertigung von Elementen, deren Zusammenschluss in Systemen und der damit verbundene Rationalisierung des Bauprozesses sahen seit Beginn der Industrialisierung Architekten die Chancen einer längst überfälligen Erneuerung. Die Industrialisierung des Bauprozesses der Nachkriegszeit führte jedoch zu einer Ernüchterung hinsichtlich der Verwendung von Bausystemen. Es zeigte sich, dass allzu deterministische, abgeschlossene Systeme zu keinen akzeptablen Lösungen führen. Da sich ein System meist aus seiner Aufgabe heraus entwickelt und die bereits bestehenden ständig optimiert werden, wird die Vielfalt und Unterschiedlichkeit der Systeme weiterhin zunehmen. Umso mehr wird es Aufgabe des Architekten sein, die ständig wachsende Diskrepanz zwischen Wissen und Möglichkeiten des Bauens und die Entwicklungen in anderen Bereichen wie Technologie, Industrie und Wissenschaft gering zu halten. Nur so können Lösungen gefunden werden, die heutigen Bedingungen

und Anforderungen gerecht werden. Frei Otto hat Ordnungen und Prinzipien der Natur untersucht, um Lösungen zu finden, die mit einem Minimum an Aufwand ein Maximum an Leistung erbringen. Joseph Paxton hat als experimentierender Gärtner mit Ingenieuren und Firmen Lösungen entwickelt, die in Vielem noch heute als modern gelten, R. Buckminster Fuller benutzte die Möglichkeiten und Ergebnisse der Automobil- und Flugzeugindustrie um sie in das Bauwesen einzubringen. Ebenso fanden über Architekten und Konstrukteure wie Peter Rice und Norman Foster heute gebräuchliche moderne Fassadenkonstruktionen wie Structural Glazing oder punktgehaltene Konstruktionen den Weg aus diesen Industriezweigen in die Architektur.

Technische Lösung stellen zwar einen wichtigen Aspekt dar, aber eben nur einen der vielen, die Architektur ausmachen. Das Technische ist somit nicht der primäre Anlass der architektonischen Planungen. Oder wie es Le Corbusier sinngemäß schon Anfang des vergangenen Jahrhunderts beschrieben hat: Bauen ist immer ein Zusammenfügen von Bauelementen, alles steht zur Verfügung, aber der Architekt hat die Wahl und damit die Verantwortung für die Architektur. Es liegt an ihm, welche Elemente auf welche Weise zu einem architektonischen Ganzen gefügt werden.

Das bedeutet, der Austausch an Wissen und Kompetenz, die Öffnung für ungewöhnliche Lösungsansätze, der Blick über die Aspekte des Bauens hinaus, die Lust, Dinge auszuprobieren, zu experimentieren, muss wieder im Zentrum der architektonischen Arbeit stehen. Die Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern, Entwicklern und Ingenieuren anderer Fachbereiche soll und wird dabei eine wesentliche Rolle spielen. Dieser interdisziplinäre Transfer von Wissen, Denk- und Lösungsansätzen ist für die Arbeit des Architekten unerlässlich, um eine Form des Bauens zu entwickeln, die vorausschauend den technischen, ökologischen und sozialen Anforderungen gerecht wird.

La Grande Arche, Paris (F) 1989; Johann Otto von Spreckelsen und Paul Andreu; Handskizzen: Peter Rice

Das »System Gebäude« als Einheit vieler einzelner Teile und Systeme wird komplexer, die Verzahnung dieser Systeme werden enger, die Differenzierung der einzelnen Teile und Systeme nimmt dabei zu.

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Kristallpalast, Hyde Park, London (GB) 1851, Joseph Paxton Skelettstruktur Kristallpalast, London Bogardus Factory, New York (USA) 1848, James Bogardus Schnitt Kornmühle für die Türkei (GB) 1840, William Fairbairn; Dieses Gebäude gilt als das erste komplett in Guss- und Schmiedeeisen konstruierte Haus in England. Vorfertigung in London, per Schiff in die Türkei transportiert und in Istanbul errichtet. Schokoladenfabrik Noisel-sur-Marne (F) 1872, Jules Saulnier; Die Konstruktion erinnert an Holzfachwerk und ist mit glasierten, teils farbigen Ziegeln ausgefüllt. gusseiserne Bogenelemente, Bibliothèque St.-Geneviève Bibliothèque St.-Geneviève, Paris (F) 1850, Henri Labrouste

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Die Glashäuser

Der Gärtner Joseph Paxton entwickelte für die Weltausstellung 1851 in London auf der Basis seiner Erfahrungen im Gewächshausbau in Zusammenarbeit mit den Ingenieuren Fox and Henderson in sehr kurzer Zeit ein architektonisch und technisch vollendetes Bausystem, den Kristallpalast (Abb. A 15, S. 19, A 17 und A 18). Möglichst wenig verschiedene standardisierte Bauteile wurden auf der Grundlage einer modularen Ordnung nach dem Baukastenprinzip zu einem Skelett zusammengesetzt. Dabei sollte nach Paxtons eigenen Worten »das Produzieren und Zusammensetzen der vorgefertigten Teile gleichsam wie eine Maschine funktionieren« [3]. Es gab für den Kristallpalast, mit einer Gesamtlänge von 564 m, 124 m Breite und 40 m Höhe für Erd- und für Obergeschoss jeweils nur zwei verschieden Stützenformen. Die Fachwerkbinder behielten trotz unterschiedlicher Abstände ihre Höhe bei, das gefaltete »ridge and furrow«-Dach, eine auf Holzprofilen und Rinnenbalken aufgelagerte stabile Dachkonstruktion mit einem hohen Grad an Transmission der Sonnenstrahlung, war in unzählige gleiche Elemente gegliedert. Das Grundmodul für die Skelettkonstruktion war das maximale Maß der damals in Massen herstellbaren Glasscheibe. Der Architekt und Konstrukteur Konrad Wachsmann bezeichnete den Kristallpalast als »sichtbar gewordene[n] Wendepunkt [...], durch den die gesamte Entwicklung der Baugeschichte eine andere Richtung einschlug« [4]. Der Glaspalast demonstrierte die Möglichkeiten industriellen, rationalisierten Bauens in der Fertigung der Bauelemente, aber auch in der Abwicklung des Bauprozesses in Fließproduktion. Er zeigt wie Planer, Ingenieure und Firmen als Team zusammenarbeiten können und A 18

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setzte in seiner strukturellen Klarheit und als grenzenloser Raum eine ganz neue Diskussion in der Architektur in Gang. Eiserne Hochbauten

Der amerikanische Unternehmer und Konstrukteur James Bogardus errichtete 1848, inspiriert durch eine Englandreise, auf der er wohl auch Fairbairns Kornmühle (Abb. A 20) gesehen hatte, in New York sein eigenes viergeschossiges Betriebsgebäude (Abb. A 19). Die Fassade, war komplett aus vorgefertigten gusseisernen Elementen konstruiert und damit ein Vorläufer der späteren »curtainwall«. Ziel war es, eine dauerhafte, ökonomische und feuerwiderstandsfähige Konstruktion zu schaffen und die klassischen Formen von Naturstein im »italienischen Stil« möglichst kostengünstig und weniger massiv zu imitieren. James Bogardus wie auch sein Konkurrent Daniel Badger produzierten und montierten gusseiserne Außenwände für vier- bis sechsgeschossige Geschäfte, Warenhäuser und Büros. Die vorfabrizierten Elemente konnten aus einem Katalog ausgewählt werden. Das System war so entwickelt, dass es jederzeit demontiert und an anderer Stelle wieder aufgebaut werden konnte. Die Tragkonstruktion der Gebäude war anfangs noch in Mauerwerk mit Holzbalkendecken ausgeführt, später dann ebenfalls komplett in Gusseisen. Mitte des 19. Jahrhunderts erreichte diese Architektur ihren Höhepunkt.

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Elementierte Betonbauweisen

Zu dieser Zeit trat neben das Eisen ein weiteres modernes Material hinzu. Dem Gärtner Joseph Monier gelang es 1849, Blumenkübel aus Zement durch Einlegen A 22

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Haus in der Gartenstadt Letchworth (GB) 1904, John Brodie; Die in der Fabrik vorgefertigten, geschosshohen, raumgroßen Betonpaneele wurden auf der Baustelle mit einem Kran versetzt. Versetzen eines Hennebique-Hauses, 1896 »Unit Structural Concrete Method», 1916, John E. Conzelmann; Fertigteilskelettsystem mit Wand-, Decken- und Dachplatten aus Eisenbeton, das für Industrieund Eisenbahnbauten, später auch für Wohnungsbau eingesetzt wurde. bewehrte Betonfertigteile, Frankreich 1854, François Coignet »System Domino«, 1914, Le Corbusier

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von Draht stabiler zu machen. Er experimentierte mit dieser Technik und entwickelte so die ersten Bauteile aus Stahlbeton. Dem Bauen stand nun ein zusätzliches, sehr leistungsfähiges Material zur Verfügung, das es ermöglichte, monolithische Konstruktionen hoher Stabilität herzustellen. 1891 setzte der französische Betonunternehmer E. Coignet beim Bau des Casinos in Biarritz erstmals Betonfertigteile ein (Abb. A 27). Fünf Jahre später entwickelte der Konstrukteur und Unternehmer Francois Hennebique für die französischen Staatsbahnen ein Bahnwärterhäuschen als erste Raumzelle aus Beton (Abb. A 25).

Rationalisierung, Serienproduktion, Typisierung und Massenwohnungsbau A 26

Unter dem Einfluss der Industrialisierung wurden im Bauwesen neue qualitative Maßstäbe hinsichtlich Konstruktion, Raum und Form geschaffen. Es gab nun neue, schnellere Wege Produkte mit Maschinen industriell in großen Serien herstellen zu können, die somit kein individuelles Ergebnis handwerklicher Arbeit mehr waren. Die Formen moderner Industrieprodukte, wie Maschinen, Ozeandampfer oder Automobile, und die schnörkellosen, im 19. Jahrhundert entstandenen Ingenieurkonstruktionen hatten großen Einfluss auf das Denken und Handeln der Architekten. Die Architektur sollte mithilfe der Industrie in formaler, sozialer und ökonomischer Hinsicht grundlegend erneuert werden. Gebäude sollten standardisiert und elementiert als Serie in der Fabrik hergestellt werden, um sie auf der Baustelle nur noch nach dem Baukastenprinzip zusammenzufügen. Man erhoffte sich, mit diesen neuen Möglichkeiten die drängenden Probleme im Wohnungsbau zu A 27

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lösen. Der Bevölkerungszustrom in die Großstädte, insbesondere in Frankreich, Deutschland und England, wuchs im Laufe des 19. Jahrhunderts ständig an. Die zunehmende Wohnungsnot, vor allem unter ärmeren Arbeitern, und die elenden Zustände in den entstandenen Massenquartieren erforderten Lösungen und neue, kostengünstige Baumethoden. Die Forderung nach besser organisierten Siedlungen, durchlüfteten, gut belichteten und bezahlbaren Wohnungen wurde immer lauter. Einige Politiker und Planer erkannten, beeinflusst auch von den industriellen Entwicklungen in Amerika, dass Quantität und Qualität im Wohnungsbau nur mit einer entsprechenden Produktionsweise zu erreichen ist. Industriell hergestellte Bauelemente und schnellere Montagetechniken, aber auch eine rational durchorganisierte Baustelle sollte den herkömmlichen handwerklichen Baubetrieb ablösen.

herzustellen, wurde zum Wunschbild. Rationalisierung, Standardisierung, Typisierung und Normierung sollten maßgebend für die Architektur werden.

Die Vereinigten Staaten wurden mit ihren schlichten, nicht architektonisch gestalteten Silo- und Technikbauten und der rationellen Organisation ihrer Industrie Vorbild für die Europäer. Der 1856 geborene Frederick Winslow Taylor entwickelte das sogenannte Scientific Management bzw. den Taylorismus, eine wissenschaftliche Betriebsführung, im Rahmen derer Arbeitsabläufe in alle Einzelheiten zerlegt und detailliert analysiert wurden, um anschließend die Produktion rationeller, schneller und ökonomischer zu organisieren. Daraufhin führte Henry Ford 1913 die Arbeit am Fließband im Automobilbau ein. Sein Konzept der modernen Fertigung von Fahrzeugen revolutionierte auch die moderne Kultur. Die Architekten der Avantgarde ließen sich von der industriellen Massenproduktion im Automobilbau beeinflussen. Die Idee, Häuser wie Autos

In der Erklärung von La Sarraz sprach sich 1928 der Congrès International d’Architecture Moderne, kurz CIAM, für Rationalisierung und Standardisierung als notwendige ökonomische Produktionsmethoden aus.

Der Architekt Peter Behrens forderte 1918 in seiner Schrift »Vom sparsamen Bauen« die Mechanisierung des Bauvorgangs und dass »diese Industrialisierung der Bauteile [gemeint waren Fenster, Türen usw.] noch viel weitgehender und großzügiger in Angriff genommen werden muss« [5]. In einer Anwendung der einheitlichen Maße und Formen der Fabrikationsprodukte im Kleinhausbau könnten die Grundlagen zu einer industriellen Massenproduktion gelegt werden, die einer möglichst weitgehenden Verbilligung des Kleinhauses die Wege ebnen könnte [6]. Um weitere Kosten zu sparen forderte er somit, dass der Taylorismus auch im Bereich des Kleinhausbaus eingeführt werden sollte.

Le Corbusier griff schon früh die aus der Industrie kommenden technischen und formalen Entwicklungen auf und beeinflusste so viele Architekten. In »Vers une architecture« schrieb er im Kapitel »Häuser im Serienbau«: »Ein großes Zeitalter ist angebrochen. Ein neuer Geist ist in der Welt. Die Industrie, ungestüm wie ein Fluss, der seiner Bestimmung zustrebt, bringt uns die neuen Hilfsmittel, die unserer von dem neuen Geist erfüllten Epoche entsprechen. Das Gesetz der Sparsamkeit lenkt gebieterisch unser Tun. Das Problem des Hauses ist ein Problem

unserer Zeit. Das Gleichgewicht der Gesellschaftsordnung hängt heute von seiner Lösung ab. Revision der geltenden Werte, die Revision der wesentlichen Elemente des Hauses. Der Serienbau beruht auf Analyse und experimenteller Forschung. Die Großindustrie muss sich des Bauens annehmen und die einzelnen Bauelemente serienmäßig herstellen. Es gilt die geistigen Voraussetzungen für den Serienbau zu schaffen.« [7] 1914 entwickelte er das »Domino-HausProjekt« (Abb. A 28), ein Bausystem aus Betonstützen und -deckenbalken. Vorfabrizierte, serienmäßig hergestellte Fenster, Türen und Wandschränke konnten individuell zusammengestellt werden. Dieses Haus, im Gerüst nur bestehend aus Pilotis und auskragenden Deckenplatten, revolutionierte die Baukonstruktion. Ein 1921 entworfenes Typenhaus bezeichnete er mit »Citrohan«, »mit anderen Worten, ein Haus wie ein Auto, entworfen und durchkonstruiert wie ein Omnibus oder eine Schiffskabine« [8]. In Deutschland waren Martin Wagner, Ernst May und Walter Gropius auf dem Gebiet der Reformierung des Wohnbaus die treibenden Kräfte. Martin Wagner, Stadtbaurat in Berlin, forderte seit 1918 die Rationalisierung des Bauens und die Typisierung von Wohnungen. Die Baukosten sollten gesenkt werden, um bezahlbare Wohnungen zu erhalten. Der traditionelle handwerkliche Baubetrieb sollte durch gewerkschaftlich organisierte Bauhütten in einen rationalisierten Industriebetrieb überführt und Handarbeit von Maschinen übernommen werden. Beim Bau der Siedlungen Britz und »Onkel Toms Hütte« in Berlin wurde zwar die Bauabwicklung durch den Einsatz

C 2.1

Skelettsysteme Skelettsysteme bilden aus linearen Bauteilen wie Stützen und Trägern ein Stabwerk. Im Zusammenwirken mit Aussteifungselementen sind sie eine in sich stabile Konstruktion, die sowohl vertikale als auch horizontale Lasten aufnehmen kann. Bei Gebäuden, deren Tragstruktur als Skelett konzipiert ist, werden tragende Elemente konstruktiv und funktional klar von den nichttragenden Elementen der Außenhülle und des Innenausbaus getrennt. Generell gilt bei der Planung von Skelettsystemen, dass die Tragstruktur und die Ausbildung der Knotenpunkte im Kontext mit Ausbau- und Fassadensystemen entworfen werden müssen, Außen- und Innenwände sind nicht tragend. Das tragende Skelett liegt entweder innerhalb oder außerhalb der Gebäudehülle. Hinsichtlich des Wärmeschutzes wird ein innen liegendes Skelett bevorzugt, die Außenhülle kann somit wärmebrückenfrei gedämmt und konstruiert werden. Der Raumabschluss erfolgt durch ausfachende Wandsysteme oder nichttragende Raumzellen. Bei einem Skelettsystem sind die Träger als Einfeldträger zwischen gebäudehohen Stützen gespannt oder liegen als Durchlaufträger auf geschosshohen Stützen auf. Die Träger sind auf Biegung beansprucht, da sie die Lasten der Deckenplatte und Dachkonstruktion abtragen. Die Stützen nehmen die vertikalen Lasten aus dem Träger auf und leiten sie in die Fundamente ab. Bei der Planung eines Skelettsystems ist die Stützenanordnung sinnvoll mit der Grundrissorganisation abzustimmen. Innerhalb eines Stützenrasters ist eine flexible Nutzung des Gebäudes möglich. Aussteifungselemente nehmen z. B. durch Wind verursachte Horizontalkräfte auf und

stabilisieren die Skelettkonstruktion. Die Aussteifung kann entweder horizontal durch Deckenscheiben oder vertikal durch Wandscheiben, Diagonalverbände, Rahmen, biegesteife Eckverbände, eingespannte Stützen oder Kerne erfolgen (Abb. C 2.1). Bei der Planung sollte das Aussteifungskonzept frühzeitig festgelegt werden, da die Art der Aussteifung einen hohen Einfluss auf Raumnutzung und Fassadengestaltung hat. Aussteifungselemente in der Ebene der Außenhaut sind vorteilhaft für eine freie Grundrissgestaltung. Biegesteife Eckverbände ermöglichen dabei durchgehende Fassadenflächen, da auf Auskreuzung und Diagonalverbände in den Feldern verzichtet werden kann. Die Verbindungstechnik und die Wahl der Profile sind maßgebend für die Gestalt einer Skelettkonstruktion. Besonders der Knotenpunkt, der alle tragenden und aussteifenden Elemente verbindet, wird während der Detailplanung präzise und sorgfältig entwickelt [1].

C 2.1

Aussteifungssysteme im Skelettbau a Rahmen mit biegesteifen Eckverbänden b Diagonalverbände c Wandscheiben d Kerne C 2.2 frei geformte Tragstruktur eines Stahlskeletts, Guggenheim Museum, Bilbao (E) 1997, Frank O. Gehry a Skelettstruktur b Gebäudehülle aus Titanplatten C 2.3 Zusammenwirken von Aussteifungs- und Fassadenelementen im Stahlskelettbau, Haus in Shimgamo (J) 1994, Waro Kishi and Associates C 2.4 Explosionsisometrie, Haus in Shimgamo

Stahlskelettsysteme

den. Um eine einfache Montage und Demontage zu ermöglichen, ist die Wahl der richtigen Verbindungstechnik wichtig.

Seit der Entwicklung des modernen Stahlbaus werden Stahlskelettsysteme als Konstruktionsprinzip für die unterschiedlichsten Gebäudetypen eingesetzt. Stützen und Träger aus Profilstahl bilden dabei ein Stabwerk, das mit schlanken Querschnitten und geringem Gewicht hohe Tragfestigkeit erzielt und große Stützenabstände zulässt. Dadurch sind große Spannweiten mit wenigen Bauelementen möglich, wirtschaftlich sind dabei 6 bis 18 m [2]. Für die Abmessung der Stahlbauteile gilt weltweit die Maßeinheit Millimeter. Beim Entwerfen werden Stützen- und Trägerabstände mithilfe eines Strukturrasters festgelegt. Der Einsatz von Computern erlaubt heutzutage in Planung und Konstruktion eine Abkehr von orthogonalen Tragstrukturen und ermöglicht die Umsetzung beliebig geformter Skelettstrukturen (Abb. C 2.2).

C 2.2

C 2.3

Konstruktionselemente

zeugprodukten weiterverarbeitet wird. Bauhalbzeuge aus Gusseisen und -stahl werden in einem Arbeitsgang durch das Gießen des noch flüssigen Rohmaterials in Formen hergestellt (Abb. C 2.6, S. 56).

Der Herstellungsprozess für Bauhalbzeuge aus dem Rohstoff Stahl setzt sich aus den Verfahren Urformen und Warm-, bzw. Kaltformen zusammen. Beim Urformen wird durch taktweises Blockgießen oder kontinuierliches Stranggießen eine Urform erzeugt, die durch Warm- oder Kaltwalzen zu verschiedenen Bauhalb-

Profilstahl Profilstähle sind Bauhalbzeuge, die im Stahlbau für Stützen und Träger verwendet werden. Baustahl wird in den Qualitäten S 235 bis S 355 (DIN EN 10 027) sowie den hochfesten Stahlsorten StE 460 und StE 690

Beim Skelettbau werden Lasten über Träger und Stützen in die Fundamente abgeleitet. Aussteifungselemente in horizontaler und vertikaler Richtung gewähren die Stabilität der Konstruktion. Die Elemente des Tragwerks bestehen aus Walzprofilen, Hohlprofilen oder zusammengesetzten Bauteilgruppen. Die horizontale Aussteifung erfolgt durch Deckenplatten oder liegende Fachwerkverbände. Vertikal kann das tragende Stahlgerippe durch biegesteife Eckverbindungen, Dreieckverbände oder Wandscheiben ausgesteift werden (Abb. C 2.3 und 2.4). Für Skelettbausysteme werden alle tragenden Bauteile im Werk vorgefertigt und anschließend zur Baustelle transportiert. Die Bauteile können mit entsprechendem Hebewerkzeug direkt vom Montagefahrzeug in die Einbaustelle gehoben werC 2.4

C 2.5

mit Chrom hochveredelte Stahlstütze, Haus Tugendhat, Brünn (CZ)1930, Ludwig Mies van der Rohe C 2.6 Verfahren zur Herstellung von Bauhalbzeugen und Bauteilen aus Stahl a Herstellungsprozess von Bauhalbzeugen b Herstellungsverfahren von Bauteilen und Bauteilgruppen C 2.7 Fachwerkträger a Schwere Fachwerkträger, Anschluss Verbundstäbe an Gurte mit zwei Knotenblechen

b Leichte Fachwerkträger, Anschluss Verbundstäbe an Gurte mit einem Knotenblech c Fachwerkträger aus Profilstahl d Fachwerkträger aus Rundstahl C 2.8 Wabenträger C 2.9 Profilarten a Winkel- und Kleinprofile b Hohlprofile c Rund- und Vierkantstahl d Breitflanschprofile e Normalprofile f Profile mit parallelen Flanschen C 2.10 Abmessungen und Gewicht von Stahlprofilen

C 2.5

hergestellt. Für Stahlskelettkonstruktionen kommen Stabstahl, Formstahl und Hohlprofile in unterschiedlichsten Querschnitten und Dimensionen zum Einsatz. Für Stützen verwendet man in der Regel Breitflanschträger, Rechteckoder Rundprofile, für Träger schwere Walzprofile oder Kombinationen verschiedener Profile [3] (Abb. C 2.9).

struktionen verwendet. Für Anschlüsse mit Schraubverbindungen sind sie weniger geeignet.

Normalprofile INP und UNP Aufgrund ihrer schrägen Flansche werden Normalprofile für geschweißte Kon-

Profile mit parallelen Flanschen IPE, UPE Durch ihre geringe Flanschbreite sind IPE-Profile weniger zur Aufnahme von

Breitflanschprofile HEA, HEB, HEM Breitflanschprofile können aufgrund ihrer großen Flanschbreite hohe Lasten und Torsionsbeanspruchung aufnehmen und werden für Träger und Stützen benutzt.

Bauhalbzeug projektneutral

mechanisch Bearbeiten

Beschichten

Fügen

Profile

Bohren

Verzinken

Schrauben

Sägen

Kunststoff beschichten

Stecken Klemmen

Rohre Schneiden

Bleche

Stanzen

Folien beschichten Lackieren

Nieten Schweißen Kleben

Bauteile, Baugruppen projektspezifisch Wandbauteile Wandrahmen, Wandelemente Sandwichelemente Deckenbauteile Deckenelemente Dachelemente Skelettbauteile Stützen und Träger aus Profilen, Fachwerk-, Gitter-, Wabenträger

Druckkräften geeignet und werden daher vor allem als Biegeträger eingesetzt. UPE-Profile eignen sich aufgrund ihres C-förmigen Querschnitts als Randträger für Deckenkonstruktionen. Sie können paarweise an Stützen angeschlossen werden, wodurch eine Zangenkonstruktion entsteht. Hohlprofile Hohlprofile sind in ihren Querschnitten quadratisch, rechteckig oder rund. Sie werden in der Regel als Stützen oder als Element für Fachwerkträger verwendet und sind ideal für zentrische Belastungen. Man unterscheidet kaltgewalzte RRK-Profile, die leichter und kostengünstig als warmgewalzte RRW-Profile sind. Letztere weisen eine höhere Knicksteifigkeit auf. Rund- und Vierkantstahl RND, VKT Bei Zugbeanspruchungen sind vor allem Bauteile aus Rund- und Vierkantstahl von Vorteil. Sie können mit größerem Querschnitt auch als Druckglieder in Betonverbundstützen dienen.

Urformen

Warmumformen

Kaltumformen

Warmwalzen kontinuierlich Blockgießen taktweise Stranggießen kontinuierlich

Strangpressen taktweise Formguss taktweise b

Profile, Rohre, Bleche glatte Oberfläche hohe Maßgenauigkeit

Rollformen kontinuierlich

Profile, Rohre, Bleche glatte Oberfläche mittlere Maßgenauigkeit

Abkanten Tiefziehen taktweise

Blechformteile, Profile glatte Oberfläche mittlere Maßgenauigkeit

Profile, Rohre glatte Oberfläche hohe Maßgenauigkeit

Formgussstücke Stahlguss, Gusseisen mittlere Maßgenauigkeit

Kaltwalzen kontinuierlich Warmwalzen kontinuierlich

Produktart Profile, Rohre, Bleche raue Oberfläche geringe Maßgenauigkeit

9 a

C 2.6

13 b

a c

d C 2.7

Winkel- und Kleinprofile Winkel- und Kleinprofile benutzt man für Schlosserarbeiten, Geländer, Fenster oder Türen. Tragende Funktion können sie als Zugelement in Fachwerkträgern übernehmen [4] (Abb. C 2.10). Bauteile aus Stahlprofilen Vorgefertigte Bauteile werden aus projektneutralen Bauhalbzeugen, d.h. Stahlprofilen, durch mechanisches Bearbeiten, Fügen und Beschichten hergestellt. Im Stahlbau sind dies beispielsweise Fachwerkträger, Lochstegträger oder Rahmen. Die Fertigung der Bauteile erfolgt durch Bohren, Sägen, Schneiden oder Stanzen von Bauhalbzeugen, die anschließend durch Schrauben, Schweißen oder Stecken gefügt werden. Als Korrosionsschutz dienen Beschichtungen aus Zink, Kunststoff oder Lack. Fachwerkträger Fachwerkträger bestehen aus Obergurt, Untergurt und diagonal angeordneten Verbundstäben. Bei Belastung werden

16 e

18 f

1 Winkelstahl – rundkantig, gleichschenklich 2 Winkelstahl – rundkantig, ungleichschenklich 3 T-Stahl – rundkantig, hochstegig 4 U-Stahl 5 Z-Stahl – Normalprofil 6 Flachstahl b 7 HEA 8 HEB 9 HEM c 10 INP 11 UNP d 12 IPE 13 UAP e 14 Rechteckig 15 Quadratisch 16 Rund f 17 RND 18 VKT C 2.9

die Fachwerkstäbe nur auf Druck oder Zug beansprucht. Da keine Biegebeanspruchungen auftreten, kann die Dimensionierung der Träger optimiert werden. Mit geringem Materialeinsatz können somit große Stützenabstände überspannt werden. Die Verbindung von Obergurt, Untergurt und Verbundstäben erfolgt gelenkig. Bei schweren Fachwerkträgern aus Profilstahl werden Gurte und Verbundstäbe mit jeweils zwei Knotenblechen verbunden, die senkrecht zur Flanschebene des Gurtträgers verschweißt sind. Die Flansche der Verbundstäbe können anschließend mit den Knotenblechen verschweißt oder verschraubt werden. Leichte Fachwerkträger benötigen nur ein Knotenblech für die Verbindung. Bei Fachwerkträgen aus Stahlhohlprofilen erfolgt die Verbindung mit stumpf geschweißten Anschlüssen. Die Träger erlauben eine ungehinderte Führung der Versorgungsleitungen in Trägerebene (Abb. C 2.7).

Bezeichnung

Wabenträger / Lochstegträger Wabenträger werden aus IPE-, HEA- oder HEB-Profilen hergestellt. Dazu wird der Steg eines Vollwandträgers – entsprechend statischer Nachweise – mit zwei wellenartigen oder einem geraden Schnitt aufgetrennt, und die zwei Teile anschließend mittels Schweißverbindungen versetzt wieder zusammengefügt. Die statische Höhe lässt sich so bei gleichbleibender Materialmenge und Eigengewicht vergrößern. Wabenträger eignen sich vor allem bei großen Spannweiten zur Übertragung der Biegemomente. Durch die so entstandenen Aussparungen in den Stegen, deren maximaler Durchmesser 70 % der Trägerhöhe beträgt, können zudem Installationsleitungen gelegt werden (Abb. C 2.8) Verbindungstechniken und -elemente

Die Art der Verbindung und die dazu nötigen Verbindungsmittel richten sich nach Verwendung des Bauteils und dessen Funktion in einem Bausystem. Im Stahl-

kleinste Abmessung (h x b)

Breitflanschträger HEA leichte Reihe HEA 100 HEB normale Reihe HEB 100 HEM verstärkte Reihe HEM 100 Normalprofile INP UNP

C 2.8

INP 80 UNP 65

Profile mit parallelen Flanschen IPE IPE 80 IPET IPET 80 UPE UPE 80

größte Abmessung (h x b)

(96 ≈ 100 mm) 16,7 kg/m (100 ≈ 100 mm) 20,4 kg/m (120 ≈ 106 mm) 41,8 kg/m (80 ≈ 42 mm) (65 ≈ 42 mm)

HEA 1000 HEB 1000 HEM 1000

(990 ≈ 300 mm) 272,0 kg/m (1000 ≈ 300 mm) 314,0 kg/m (1008 ≈ 302 mm) 349,0 kg/m

5,9 kg/m 7,1 kg/m

INP 550 UNP 400

(550 ≈ 200 mm) 166,0 kg/m (400 ≈ 110 mm) 71,8 kg/m

(80 ≈ 46 mm) 6,0 kg/m (40 ≈ 46 mm) 3,0 kg/m (80 ≈ 50 mm) 37,9 kg/m

IPE 600 IPET 600 UPE 400

(600 ≈ 220 mm) 122,0 kg/m (300 ≈ 220 mm) 61,2 kg/m (400 ≈ 115 mm) 72,2 kg/m

Hohlprofile RRW/RRK quadratisch RRW 40 ≈ 40 (40 ≈ 40 mm) RRW/RRK rechteckig RRW 50 ≈ 30 (50 ≈ 30 mm) ROR rund ROR 21,3 (Ø 21,3 mm)

3,4 kg/m 3,6 kg/m 0,9 kg/m

RRW 400 ≈ 400 (400 ≈ 400 mm) 191,0 kg/m RRW 400 ≈ 4200 (400 ≈ 200 mm) 141,0 kg/m ROR 813 (Ø 813 mm) 159,0 kg/m

Rund- und Vierkantstahl RND RND 10 VKT VKT 10

0,6 kg/m 0,3 kg/m

RND 500 RKT 200

(Ø 10 mm) (6 ≈ 6 mm)

(Ø 500 mm) 1540,0 kg/m (200 ≈ 200 mm) 314,0 kg/m C 2.10

bau unterscheidet man zwischen festen und lösbaren Verbindungen. Feste Verbindungen Nieten Trotz der hohen ästhetischen Qualität dieser Verbindungstechnik wird die kraftschlüssige Nietverbindung nur noch im Denkmalschutz oder bei der Reparatur genieteter historischer Konstruktionen eingesetzt, da sie aufgrund des hohen Arbeitsaufwands nicht wirtschaftlich ist. Bei der klassischen Vollnietentechnik wird die weißrot glühende Niete aus dem Nietofen genommen, mit der Drahtbürste entzundert und in das Nietloch eingesetzt. Für die erforderliche Presskraft sorgen Niethämmer, Nietpressen oder Nietautomaten. Schweißen Stahlbauteile wie beispielsweise Einzelelemente von Fachwerkträgern können mittels elektrischem Lichtbogen- oder Gasschmelzschweißen verbunden werden. Man unterscheidet den Schweißvorgang in handgeführte oder automatisierte Schweißungen. Vor dem Schweißen müssen die Bauteile vorjustiert werden.

b C 2.11

C 2.12

Lösbare Verbindungen Schrauben Schraubverbindungen zählen im Stahlbau zu den wichtigsten lösbaren Verbindungen, die einen späteren Austausch von Bauteilen und die Demontage einer Konstruktion zulassen. Sie machen es möglich, Skelettkonstruktionen innerhalb kurzer Zeit zu errichten. Schrauben können auf Zug und Abscherkräfte belastet werden. Sie ermöglichen den kraftschlüssigen Zusammenschluss von Bauteilen wie beispielsweise Träger an Stütze (Abb. C 2.11). Bei frei liegenden Skelettkonstruktionen bestimmen die Schrauben maßgeblich die Gestaltung der Knotenpunkte und müssen daher im Entwurf berücksichtigt werden (Abb. C 2.13).

der Krafteinleitung erhalten Träger und Stützen in Flanschebene eine zusätzliche Verstärkung durch Rippen. Die Ausbildung der Rahmenecke bei Schraubverbindungen folgt dem Prinzip der Schweißverbindung. Die hochfeste Verschraubung nimmt Querkräfte und Biegemomente auf (Abb. C 2.14).

Aussteifungselemente und -systeme

Rahmenecken Biegesteife Rahmenecken können im Stahlbau geschweißt oder geschraubt werden. Träger und Stützen werden an ihren Enden mit einer Kopfplatte verschweißt. Je nach Konstruktionsart wird die Kopfplatte mit dem Flansch der Stütze oder des Trägers verbunden. Im Bereich

b C 2.13

Diagonalverbände Skelettkonstruktionen, bei denen die Anschlusspunkte zwischen Stützen und Trägern gelenkig ausgebildet sind, können mit diagonal liegenden Verbandstäben ausgesteift werden. Die Knotenpunktausbildung richtet sich nach dem Gewicht der Verbandstäbe. Leichte Verbandstäbe sind meist Winkelprofile, die mit einem Knotenblech verschweißt oder verschraubt werden, das am Anschlusspunkt zwischen Träger und Stütze befestigt ist. Bei schweren Verbandstäben wie beispielsweise T-Profilen werden zwei Knotenbleche benötigt, die parallel am Anschlusspunkt zwischen Träger und Stütze jeweils am Rand des Flansches befestigt sind. Die Flansche des Verbundstabs werden mit den Knotenblechen verschweißt oder verschraubt [5] (Abb. C 2.12). Scherwände Zum Abtragen großer Horizontalkräfte sind Scherwände aus Stahlblech geeignet. Als ausfachendes Element schließen sie die Felder zwischen Stützen und Trägern. Die Verbindung der Bleche mit den Profilen erfolgt allseitig kraftschlüssig durch Schweißen oder Schrauben. Bei geringen Horizontalkräften kann das Stahlskelettes auch durch Wände aus Mauerwerk oder Beton ausgesteift werden. Bei vorgefertigten Betonscheiben werden stählerne Knotenbleche in die Ecken der

C 2.14

d C 2.15

Platten einbetoniert und mit Rundstählen oder Kopfbolzendübeln verankert. Die Betonwand wird mit einer Schraubverbindung an die Stahlkonstruktion angeschlossen, die zur Montage nötige Fuge zwischen Kopfplatte und Betonscheibe anschließend mit Fugenmörtel vergossen. (Abb. C 2.15) Geschossdecken Bei Stahlskelettkonstruktionen sind die Geschossdecken vorgefertigte Betonplatten oder Stahlprofilbleche, die auf Vollwand-, Waben- oder Fachwerkträgern aufliegen. Der statische Verbund von Deckenplatte und Träger erhöht die Tragfähigkeit der Deckenkonstruktion und verringert so deren Durchbiegen. Ein besonders wirtschaftliches System für Geschossdecken im Stahlskelettbau ist die sogenannte Slim-Floor-Decke (Abb. C 2.16). Die speziell dafür entwickelten Träger dienen als Auflager für die vorgefertigten Hohldeckenplatten, die Elemente Deckenträger und -platte liegen bei diesem System in einer Ebene. Durch das Schließen der Fugen zwischen den einzelnen Platten mit Beton entsteht ein Verbundelement. Die statischen Eigenschaften entsprechen so einer Unterzugdecke mit Verbundkonstruktion.

der Stahlplatte können Anschlussteile angeschweißt werden. • Die Betonwand wird mit Aussparungen versehen, in die Auflagerplatten aus Stahl eingelegt und im Beton verankert werden. Die Stahlträger werden in die Aussparungen eingesetzt und mit der Wand verbunden, indem der Flansch des Trägers anschließend mit der Stahlplatte verschraubt wird. (Abb. C 2.17) C 2.16

C 2.11

C 2.12

C 2.13 C 2.14

Kerne Ist bei Stahlskelettkonstruktionen das aussteifende Element ein Betonkern, müssen Stahlträger und Deckenplatten an die Wände des Kerns angeschlossen werden. Hierfür gibt es drei Möglichkeiten: • Anschlussteile aus Stahl werden in die Wände des Kerns einbetoniert. Der Steg des Trägers wird mittels Schraubverbindung angeschlossen. • Eine Stahlplatte wird bündig in die Wand einbetoniert und verankert. Auf

C 2.15

C 2.16 C 2.17

Schraubanschlüsse von Stütze und Träger a gelenkiger Anschluss mit geschweißter Anschlusslasche b biegesteifer Anschluss mit eingeschweißten Rippen und angeschweißter überstehender Stirnplatte c biegesteifer Anschluss mit eingeschweißten Rippen und angeschweißter Stirnplatte d gelenkiger dreidimensionaler Anschluss e biegesteifer dreidimensionale Anschluss f biegesteifer dreidimensionaler vorgefertigter Anschluss Anschluss leichter und schwerer Diagonalverbände in einer Skelettkonstruktion a mit einem Knotenblech b mit zwei Knotenblechen geschraubter Anschluss von Stahlprofilen a Verbindung mit Stahlplatten am Flansch b Verbindung mit Stahlplatten am Steg Rahmenecken a geschweißt b geschraubt Scherwände a Mauerwerkscheibe für geringe Horizontalkräfte b Stahlblechwand gegen Beulen ausgesteift c Betonfertigplatte d Betonfertigplatte mit Knotenblech schlanke Deckensysteme (Slim-Floor-Decke) Kerne a Anordnung von einem aussteifenden Kern im Gebäude b Anordnung von zwei aussteifenden Kernen im Gebäude c Anschlussteil aus Stahl im Kern einbetoniert d Stahlplatte bündig im Kern verankert e Kernwand mit Aussparung für den Anschluss eines Stahlträgers

e C 2.17

b C 2.31

C 2.30

} Merk Multi-Krallen-Dübel (MKD) (Merk Holzbau GmbH & Co.) Der Merk Multi-Krallendübel besteht aus einer stählernen Grundplatte mit aufgeschweißten Nägeln von 50 mm Länge. Die Größe der 10 mm starken Grundplatte ist von den Abmessungen der zu verbindenden Holzbauteile abhängig. Die Krallendübel werden vor allem für Holzfachwerkkonstruktionen verwendet (Abb. C 2.33).

C 2.33

} Mi-Platte (MiTek Industries GmbH) Mi-Nagelplatten sind aus feuerverzinktem Stahl und haben einseitige nagelförmige Ausstanzungen. Als Platten oder Winkel hergestellt, werden sie in die stumpf gestoßenen Holzelemente seitlich eingepresst (Abb. C 2.34).

Aussteifungselemente und -systeme

Scheiben Holzskelettkonstruktionen können mit Platten aus Holzwerkstoffen, Blechen sowie statisch als Scheibe wirkenden Wänden aus Beton und Mauerwerk ausgesteift und stabilisiert werden. OSB-, MDF- oder Sperrholzplatten eignen sich dabei aufgrund ihrer zweiachsigen Spannrichtung und der einfachen Montage besonders für die Beplankung und Aussteifung von Holzständerbauweisen. Der kraftschlüssige Anschluss an die Skelettkonstruktion erfolgt durch Schraubund Nagelverbindungen. Kopfbänder Kopfbänder sind diagonal angebrachte Bretter oder Kanthölzer. Sie wirken als Aussteifung der Rahmenecken und können gleichzeitig Knickaussteifung für die Stützen sein. Kanthölzer werden mit Laschen, eingeschlitzten Stahlwinkeln, Stahlschuhen oder durch einen handwerklich ausgebildeten Versatz mit der Konstruktion verbunden. Bretter können dagegen beidseitig auf die Rahmenecke geschraubt oder genagelt werden (Abb. C 2.30).

Kopfbandanschlüsse a an Stütze mit eingeschlitztem Winkel b an Träger mit Lasche C 2.31 Diagonalverbände a Diagonalverbände bei Fachwerkrahmen b Anschlusspunkt Diagonalverband im Fachwerk mit eingeschlitztem Stahlblech und Nagelverbindung C 2.32 Auskreuzungen a Anordnung von Spannschlössern in Stahldiagonalen zur Auskreuzung von Skeletttragwerken b Anschluss einer Auskreuzung mit eingeschlitztem Stahlwinkel an einer Rahmenecke C 2.33 Merk Multi-Krallendübel: Anordnung der

C 2.32

Diagonalverbände Holzskelettkonstruktionen werden mit diagonal eingesetzten Streben aus Kanthölzern oder Brettern in vertikaler und horizontaler Richtung ausgesteift. Durch Versatz oder Verbindungselemente wie eingeschlitzte Stahlbleche oder Stahlschuhe sind sie mit den gegenüberliegenden Ecken eines Rahmens verbunden. Streben aus Kantholz bilden dabei gleichzeitig die Unterkonstruktion für Wandaufbauten. Die Verbindung der Bretter erfolgt durch Nagel- oder Schraubverbindungen (Abb. C 2. 31). Bei Sparren- und Holzständerkonstruktionen, werden Längsverbände aus Stahlbändern oder Holzlatten zur Aussteifung auf die Konstruktion genagelt. Auskreuzungen Auch sich kreuzende Stahlseile, Rundoder Flachstähle können in einer Holzrahmenkonstruktion die Aussteifung bilden, sie sind allerdings nur auf Zug belastbar. Um die Auskreuzungen in den Rahmenecken mit den Holzbauteilen zu verbinden, werden eingeschlitzte Kopfplatten oder Stahllaschen verwendet. Auskreuzung

C 2.30

C 2.34

C 2.34 C 2.35

C 2.36 C 2.37

C 2.38 C 2.39

Krallen (Nägel) auf der Stahlplatte Ansicht und Schnitt einer Mi-Platte Konstruktionsprinzipien (1 Stütze, 2 Träger, 3 Nebenträger): Knotenpunkte bei a Stütze und Riegel b Träger auf Stütze c Stütze und Doppelträger d Doppelstütze und Träger Stütze und Riegel: Anschluss Riegel an Nebenträger mit Stahlblechformteil und Dübel Träger auf Stütze: Anschluss Hauptträger an Stütze, Anschluss Nebenträger an Hauptträger mit Stahlblechformteilen und Stahldübeln Holzraumfachwerk, Schnitt Knotenpunkt Dachtragwerk als Holzraumfachwerk

1 3

d C 2.35

aus Stahlseilen und Rundstählen werden zusätzlich durch Spannschlösser oder Spannmuffen stabilisiert [10] (Abb. C 2.32). Konstruktionsprinzipien

Holzskelettkonstruktionen unterscheiden sich je nach Anordnung und Ausbildung von Stütze und Träger.

Decke können als Bohlen oder Balken ausgebildet sein (Abb. C 2.35b). Am Auflagerpunkt wird der Träger quer und die Stütze längs zur Faserrichtung belastet. Überschreiten die Auflagerpressungen dabei 2,0 N/mm2, müssen sie durch zusätzlich eingebaute Stahlelemente in Form von Winkeln oder Balkenschuhen aufgefangen werden (Abb. C 2.37).

Träger auf Stütze Die Konstruktion besteht aus geschosshohen Stützen mit aufliegenden Hauptträgern als Einfeld- oder Mehrfeldträger. Die Nebenträger für die Unterkonstruktion der

Stütze und Doppelträger – Doppelstütze und Träger Der Träger besteht aus zwei Balken, die als Zange die Stütze beidseitig umschließen. Die Balken werden mit Passbolzen, Einlassdübeln oder Stahlprofilen an die Stütze angeschlossen. Die Nebenträger können analog zum Stützen-TrägerSystem als Bohlen oder Balken ausgeführt werden. Die außen meist sichtbaren doppelten Zangenköpfe sind ein die Fassade prägendes Merkmal dieser Konstruktionsweise (Abb. C 2.35c). Das System kann auch umgekehrt aus Doppelstütze und Träger bestehen. Zwischen den Stützen ist dabei als Auflager für den Hauptträger ein Füllholz erforderlich [11] (Abb. C 2.35d).

C 2.36

C 2.37

Stütze und Riegel Bei diesem Skeletttragwerk sind die Stützen gebäudehoch, die Riegel können allseitig an den Stützen angebracht werden und so einzelne Einfeldträger bilden (Abb. C 2.35a). Haupt- und Nebenträger liegen dabei in einer Ebene. Als Verbindungsmittel eignen sich Stahlblechformteile, Stabdübelsysteme oder Hakenplatten, die für die Ausbildung der Knotenpunkte serienmäßig hergestellt werden (Abb. C 2.36).

Holzraumfachwerk MERO Das Holzraumfachwerk hat sich aus dem Stahlbau entwickelt (siehe S. 61) und ist eine Mischkonstruktion aus stabförmigen BSH-Bindern und Stahlknotenkugeln mit 18 Anschlussmöglichkeiten. In die Stäbe sind Stahlrohre eingelassen, die über Dübel an den Kugeln befestigt und so zu einem Tragwerk gefügt werden. Das System ist aufgrund der Schraubverbindungen leicht demontierbar [12] (Abb. C 2.38 und C 2.39).

C 2.38

C 2.39

C 2.40 C 2.41 C 2.42

Induo Holzskelettsystem a Anschluss Träger an Stütze b Explosionsisometrie eines Knotenpunktes HD-Haus Holzskelettsystem a Anschluss Träger an Stütze b Isometrie, Anschluss Träger an Träger Fassadenschnitt einer modernen Fachwerkkonstruktion

} Induo (induo-Systemholztechnik) Induo ist ein industriell vorgefertigtes Skelettbausystem aus Stützen und Riegeln. Als Verbindungselemente dienen gusseiserne Anker mit Innengewinde, die längs in den Riegel eingelassen und mit einem in der Stütze liegendem Stahlelement verschraubt werden. Für die Aussteifung des Skeletttragwerks ist die Ausbildung einer Auskreuzung mit Stahlrundstäben oder Stahlseilen möglich (Abb. C 2.40). Das System unterliegt keinen Einschränkungen durch Module oder Raster [13]. • Einsatzbereiche: Wand, Decke, Dach • Nutzung: Ein- und Mehrfamilienhäuser, Industrieund Verwaltungsbauten, Aufstockungen, Wintergärten und Balkone, Raumtragwerke, Hallentragwerke

C 2.43

Knotenpunkt Fachwerk 1 Stütze 2 Träger C 2.44 Platform-Konstruktion C 2.45 Balloon-Frame-Konstruktion C 2.46 FrameWorks Bausystem a Vertikalschnitt Anschluss Decke an Wand b Montage eines Holzständerbaus

} HD-Haus (Hansen & Detlefsen GmbH) Dieses System ist ein Skelettbausatz aus Brettschichtholzelementen, das einschließlich der Verbindungsmittel vorgefertigt wird. Für die Geschossdecken können Balkendecken aus Vollholz, Trägerdecken aus Brettschichtholz oder Massiv- und Hohlkastendecken verwendet werden (Abb. C 2.41). Der Rasterabstand der Wandpfosten, Deckenbalken und Deckensparren beträgt als Standardmaß 1,25 m, was den Einbau von Holzwerkstoffplatten ohne Verschnitt ermöglicht. Die Konstruktion kann aufgrund einer einfachen Montage in Eigenleistung errichtet werden [14]. • Einsatzbereiche: Wand, Decke, Dach • Nutzung: Ein- und Mehrfamilienhäuser

Fachwerkbau Der traditionelle Fachwerkbau hatte bereits erste Ansätze von Vorfabrikation, da die einzelnen Elemente in der Zimmerei gefertigt und aufeinander abgestimmt wurden. Das Tragwerk dieser Holzbauweise besteht aus Schwellen, Pfosten, Riegeln, Pfetten und diagonal aussteifenden Streben, die mittels Zapfen, Versatzungen und Überblattungen miteinander verbunden sind. Die klassische Fachwerkbauweise mit in der Fassade sichtbaren Konstruktionselementen findet man nur noch selten. Im modernen Fachwerkbau wird die Konstruktion in der Regel an der Außenseite mit Holzwerkstoffplatten, an der Innenseite mit Gipskartonplatten verkleidet und mit Dämmstoffen ausgefacht. Die Lastabtragung folgt aber weiterhin den traditionellen Prinzipien (Abb. C 2.42).

5 4 a

a 3

1 2 3 4 5 6

b C 2.40

Schwelle Einbinder Innere Bekleidung Lattenrost, Dämmung Fachwerkwand ausgefacht (Tragwerk) Balken, Balkenlage (Deckentragwerk) Tragschicht, Deckenschalung

C 2.41

C 2.42

2 2

C 2.43

C 2.44

Die Schwelle bildet dabei die Basis der Konstruktion und ist das verbindende Bauteil zwischen Boden- und Wandaufbau. Sie liegt auf einem Beton- oder Mauersockel und wird von den Pfosten quer zur Faser auf Druck belastet. Die Pfosten tragen in einer Fachwerkwand die vertikalen Lasten aus Decke und Dach ab und werden statisch auf Knicken und Biegen beansprucht. Der Abstand zwischen den Pfosten ergibt sich aus der Anordnung von Fenstern und Türen. Die horizontal liegenden Riegel werden als Unterkonstruktion für Wandbekleidungen verwendet und können Sturz- oder Brüstungsriegel für Fenster und Türen sein. Die Pfetten bilden den oberen Abschluss der Fachwerkwand. Sie sind die Auflager für Deckenbalken oder Sparren und leiten deren Lasten an die Pfosten weiter. Die Streben geben durch ihre Schrägstellung der Fachwerkkonstruktion die notwendige Steifigkeit. Sie werden immer gegen einander wirkend paarweise angeordnet und führen Horizontalkräfte in Pfosten oder Schwelle ab (Abb. C 2.43). Die Ableitung aller Lasten erfolgt über die Kontaktstöße des Holzes. Mit ingenieurtechnischen Verbindungsmitteln wie Hakenplatten oder Winkelprofilen werden die Bauteile gefügt. Sie sind einfach einzusetzen und statisch leicht zu bestimmen. Im Fachwerkbau sind viele Bauteile wie Schwellen, Riegel und Pfetten horizontal angeordnet. Bei der Planung muss daher die Setzmasse berücksichtigt werden.

des Bauens zum Durchbruch. In Amerika wird noch heute ein Großteil der Wohnbauten in dieser Bauweise ausgeführt. Der Holzständerbau ist ein Skelettbau, der aus Bohlen und mit Nägeln als Verbindungsmittel schnell errichtet werden kann. Die Bohlen bilden neben dem Deckentragwerk auch die Wandkonstruktion. Diese besteht aus eng zueinandergestellten Bohlen mit normierten Querschnitten, die durch eine Beplankung aus horizontal angebrachten Brettern oder Holzwerkstoffplatten ausgesteift wird. Die Holzbauteile können ohne zusätzliche Verbindungsmittel vernagelt werden. Bei der Ständerbauweise unterscheidet man zwei Konstruktionsprinzipien: die Platform- und die Balloon-Frame-Konstruktion.

Holzständerbau Der Ständerbau entstand Mitte des 19. Jahrhunderts im Zuge der Industrialisierung in Amerika, als der Bedarf an Wohnraum beständig zunahm. Die neuen Möglichkeiten, Nägel industriell in Massen herstellen zu können, verhalf dieser Art

Bei der Platform-Konstruktion liegt die Deckenplatte auf den geschosshohen Ständerelementen (Abb. C 2.44). Die Montage erfolgt geschossweise, d. h. die Wände des Folgegeschosses werden auf der darunterliegenden Deckenplatte errichtet. Beeinflusst von der Platform-Bauweise wurden in Europa Anfang des 20. Jahrhunderts die ersten Ständerkonstruktionen errichtet. Aus der Weiterentwicklung der Platform-Konstruktion ging später der Rahmenbau hervor, der hinsichtlich seines Konstruktionprinzips dem Holzpaneelbau zuzuordnen ist (Systembeispiel siehe S. 117).

C 2.45

} FrameWorks Bausystem (Trus Joist sprl) Das FrameWorks Bausystem basiert auf der Balloon-Frame-Bauweise. Bei diesem System werden Träger und Stützen aus Paralam-Furnierstreifenholz, Träger und Randbohlen aus TimberStrand-Langspanholz und TJI-Stegträger verwendet (siehe S. 62). Die Gurte der TJI-Stegträger bestehen aus Furniersperrholz, die Stege aus OSB-Platten. Sie werden im Holzskelettbau für Wandstützen, Deckenbalken und Dachträger benutzt (Abb. C 2.46). Das System ist nicht an ein Raster gebunden [15]. • Einsatzbereiche: Wand, Decke, Dach • Nutzung: Ein- und Mehrfamilienhäuser, Industrieund Verwaltungsbauten, Schulen und Kindergärten

a Bodenaufbau auf schwimmendem Estrich TJI-Träger mit Dämmung Gipskartonplatte auf Lattung

Bei der Balloon-Frame-Konstruktion verlaufen die Ständerreihen der Außenwand hingegen über mehrere Geschosse. Die Geschossdecke wird auf an der Wand angebrachten Konsolen befestigt oder die Deckenbalken liegen auf Zwischenrahmen, die geschossweise mit den Ständerelementen verbunden werden (Abb. C 2.45).

Außenwand hinterlüftet Konterlattung Holzwerkstoffplatte Dämmung Holzwerkstoffplatte Gipskartonplatte b

C 2.46

Bodenaufbau VerbinTragkonstruktion dung, (Brettsperrholz) Verankerung

Bodenaufbau Tragkonstruktion Verbindung, (z. B. Spanplatte) Verankerung

Fußschwelle b Äußere Bekleidung Dämmschutzschicht Zusatzdämmung Dämmung mit Distanzlattung Tragkonstruktion

c C 3.14

Bauen mit Holzpaneelen

In der Holzpaneelbauweise unterscheidet man zwischen Tafelbau, Rahmenbau Blockbau und Bauen mit Holzmodulen. Paneelelemente im Holztafelbau sind beispielsweise massive Holztafeln und Holzwerkstoffplatten mit aussteifenden Querrippen, im Holzrahmenbau dagegen sind es beplankte Holzrahmenkonstruktionen. Holzpaneelbauarten

Die verschiedenen Bauarten werden im Folgenden beschrieben: Holztafelbau Tragende Elemente im Holztafelbau sind Klein- und Großtafeln aus Holzwerkstoffen, die statisch als Scheibe wirken (Abb. C 3.15). Sie übernehmen sowohl die Funktion des Tragwerks als auch der Raumbildung. Die Lasten werden über die Plattenelemente in Fundamente abgeleitet, bei Holzbauweisen sind dies Betonbodenplatten. Die kraftschlüssige Verbindung zweier Holztafelelemente wird im Stoß in der Regel mit Nut und Feder, Überfälzungen,

Äußere Bekleidung Hinterlüftung Dämmung Tragkonstruktion Innere Bekleidung

Stabdübeln aus Hartholz oder Stahl und aufgenagelten Lochblechen hergestellt (Abb. C 3.14). Die Eckverbindung erfolgt mittels einer Verankerung mit Schrauben oder Bolzen. Für den Schutz der Fugen gegen das Eindringen von Feuchtigkeit sind geeignete Dichtmittel wie Dichtprofile oder Dichtbänder zu verwenden. Die Art des Transports und der Hebewerkzeuge richtet sich nach den Elementgrößen und dem daraus resultierenden Gewicht. Großtafeln kommen besonders beim Fertighausbau als raum- bzw. gebäudehohe Wandelemente zum Einsatz. Die Holztafeln für Außen- und Innenwände können bis zu 14,5 m lang sein. Die Deckenelemente sind bis zu 2,5 m breit und können Spannweiten bis 10 m überbrücken. Kleintafeln sind raumhoch und haben eine Breite von 60 bis 125 cm, die Abmessungen der Deckenelemente entsprechen denen der Großtafeln. Aufgrund des geringen Bauteilgewichts der Tafeln können einfache Hebewerkzeuge verwendet werden. Die Wandtafeln sind sowohl bei Klein- als auch bei Großtafeln zwischen 60 und 120 mm stark.

Man unterscheidet im Holztafelbau nach Konstruktion mit Holzblocktafeln oder Massivholzbauteilen. Holzblocktafeln Holzblocktafeln werden aus Holzwerkstoffplatten hergestellt und durch Querrippen gegen Knicken stabilisiert. Dabei entstehen sehr steife und formstabile Bauelemente. Die Felder zwischen den Rippen werden mit Wärmedämmung ausgefacht oder können der Installationsführung dienen (Abb. C 3.17). Massivholzplatten Massive Holzplatten werden aus Vollholz, Holzwerkstoffplatten oder Holzspänen unter Druck zu homogenen Platten verleimt (Abb. C 3.18). Im Vergleich zu Holzblocktafeln sind sie in zwei Achsen beanspruchbar. Im Werk werden die Platten montagefertig vorbereitet, Öffnungen für Fenster und Türen sowie Aussparungen für Installationsleitung passgenau eingefräst (Abb.C 3.16). Bauklimatisch notwendige Dämmung wird außen auf dem Tragwerk angebracht, die Stärke variiert je nach Anforderung an den Wärmeschutz [2] (Abb. C 3.19).

C 3.17

C 3.15

114

C 3.16

C 3.18

Kopfschwelle

Bodenaufbau Tragkonstruktion (Brettstapelplatte)

C 3.14

Verbindung, Verankerung

C 3.15 C 3.16

Außenwandbekleidung, hinterlüftet Dämmung mit Distanzlattung Brettstapelplatte Beplankung (statisch wirksam) C 3.19

C 3.17 C 3.18 C 3.19

Verbindung von massiven Holztafelelementen a Überfälzung b Nut und Feder c Stabdübelverbindung Positionierung eines Holztafelelements Rohbau eines Gebäudes mit Massivholztafeln, Ateliergebäude, Hellerau (D) 2004, Deutsche Werkstätten Hellerau, Albrecht Quinke Holzblocktafel Massivholztafel Anschluss Decke an Wand mit tragenden Bauteilen aus Dickholzplatten

a Brettsperrholzkonstruktion b Flachpressplattenkonstruktion c Brettstapelkonstruktion C 3.20 System Haas a Fügung von Brettstapelelementen mit doppelter Nut-und-Feder-Verbindung b Vertikalschnitt Anschluss Wand Decke C 3.21 LIGNOTREND Flächenelement a Holzblocktafelelemente b Vertikalschnitt Anschluss Wand Decke C 3.22 Lignatur-Flächenelement a Kasten-, Schalen-, Flächenelement b Vertikalschnitt Anschluss Decke an Wand in Holzrahmenbauweise

} System Haas (Haas Fertigbau GmbH) Die Massivholzbauteile sind Brettstapelplatten, deren Abmessungen bis zu 600 mm in der Breite bei einer Stärke von 80 bis 240 mm betragen. Bei Einfeldträgern sind Spannweiten von 6 m möglich, bei Durchlaufträgern 7,5 m. Verbunden sind die einzelnen Elemente mit Nut und Feder, Fremdfedern oder oberseitigen Streifen aus Holzwerkstoffplatten. Die Besonderheit dieses Systems liegt darin, dass die Platten mit CNC-Fräsen bearbeitet werden können (Abb. C 3.20). • Einsatzbereiche: Wand, Decke, Dach • Nutzung: Ein- und Mehrfamilienhäuser, Industrieund Verwaltungsbauten, Schulen und Kindergärten, Sportbauten, Landwirtschaftsgebäude

} LINGOTREND Flächenelement (LINGOTREND AG) Die Holzblocktafeln dieses Systems sind bis zu 18 m lang und 600 mm breit bei einer Plattenstärke von 282 mm (Abb. C 3.21a). Die Platten sind aufgrund ihres mehrschichtigen Aufbaus sehr massestabil und bieten guten Schallschutz. Die Hohlräume zwischen den Queraussteifungen können die Installationen aufnehmen (Abb. C 3.21b). • Einsatzbereiche: Wand, Decke, Dach • Nutzung: Ein- und Mehrfamilienhäuser, Industrieund Verwaltungsbauten, Schulen und Kindergärten

} Lignatur (Lignatur AG) Die Holzblocktafeln sind als tragende Kasten-, Flächen- und Schalenelemente erhältlich. Verbunden werden sie über doppelte Nut und Feder oder Stabdübel. Bei einer Stärke von 120 bis 320 mm sind die Kastenelemente 195 mm, die Flächen- und Schalenelemente 514 mm und 1000 mm breit. Alle Elemente erfüllen wärme- und schalldämmendene Anforderungen, die Kastenelemente sind zudem innenseitig gedämmt. Die Tafeln können CNC-gesteuert bearbeitet werden (Abb. C 3.22). • Einsatzbereich: Wand, Decke, Dach • Nutzung: Ein- und Mehrfamilienhäuser, Industrieund Verwaltungsbauten, Schulen und Kindergärten

Bodenbelag schwimmender Estrich

Bodenbelag schwimmender Estrich Lignotrend Element mit Kalksplittfüllung Beplankung

BS-Holz-Elemente System Haas

Außenbekleidung Konterlattung, Lattung Dämmung mit Winddichtung BS-Holz-Elemente System Haas Gipskartonplatte b

C 3.20

Bodenbelag schwimmender Estrich

Lignatur-Flächenelement

Außenwand hinterlüftet Konterlattung, Lattung Dämmung Lignotrend Element Beplankung b

C 3.21

Außenbekleidung Konterlattung, Lattung Wandständer / Dämmung Installationsebene mit Dämmung Wandbekleidung C 3.22

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Wochenendhaus in Northport

Das abgelegene Wochenendhaus liegt an der Grand Traverse Bay auf einer Halbinsel im Lake Michigan und entstand in einer Bauzeit von nur acht Wochen. Dieser Prototyp eines elementierten Hauses in Mischbauweise verbindet die Vorteile des Leichtbaus mit denen des Massivbaus: Vorfertigung und kurze Montagezeiten werden mit Speichermasse kombiniert und führen so zu einem wirtschaftlichen Ergebnis. Der teilweise in den Hang geschobene massive Sockel aus Stahlbeton enthält die Schlaf- und Technikräume. Darauf sitzt der großzügig verglaste Leichtbau aus Holzpaneelen. Ein zusätzlicher Stahlrahmen sorgt für die nötige Aussteifung und ermöglicht außerdem relativ große Spannweiten sowie Auskragungen bei geringer Trägerhöhe. Die Wandelemente werden zunächst untereinander verbunden, dann auf die Geschossdecken gestellt. Auch das Dach und die Treppen sind vorfabriziert. Der klar strukturierte Kubus überrascht im Inneren aufgrund einer Split-Level-Organisation mit offenen fließenden Räumen. Ein zweigeschossiger Wohnraum im Obergeschoss schafft Blickbeziehungen in die anderen Räume sowie zum Außenraum.

9 10

Nutzung: Konstruktion: System: lichte Raumhöhe: Bruttogeschossfläche: Gesamtbaukosten: Baujahr: Bauzeit:

134

Einfamilienhaus Holz Paneel 2,47– 3,77 m 137 m2 298 524 ™ (brutto) 2002 8 Wochen

3 2

Projektbeteiligte • Gebäudedaten Architekten: Anderson Anderson Architecture, San Francisco Mitarbeiter: Mark Anderson, Peter Anderson, Brent Sumida, Hannah Brown, Dennis Oshiro, Rito Sio, Carla Dominguez, Lawton Eng Tragwerksplaner: Terry Nettles, Gig Harbor Bauherr: Dan und Sue Brondyk

2 a

a 1

16 17 12

Grundrisse Maßstab 1:200 Explosionszeichnung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Lagerraum Technik Zugang zum Garten Eingang Zimmer Balkon Essbereich Küche Wohnbereich Gästebereich Fundament Stahlbeton Stahlrahmen Sandwichpaneel Wand Sandwichpaneel Dach Deckenpaneele vorgefertigte Stahltreppe innen Kragarm Stahlkonstruktion Balkon vorgefertigte Stahltreppe außen Fassadenkonstruktion auf Stahlrohrgerüst

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Winkeltafelanker

Fassadentafelanker

Druckschraube

Verstiftung

Druckschraube a

c D 1.23

Fassadensysteme aus Beton

Zu den Fassadenelementen aus Beton gehören neben Platten auch Sandwichelemente aus einer Verbundkonstruktion mit Wärmedämmung, bei der tragende Wand und Außenhülle aus Beton hergestellt sind (Abb. D 1.25). Betontafeln können auch als nichttragende Elemente der Fassade vorgehängt werden (Abb. D 1.26). Dies macht eine Bewehrung unerlässlich. Da bei einer Bewehrung mit Stahl die notwendige Stärke der Elemente zum Schutz vor Korrosion ca. 7 cm betragen muss, wird Beton inzwischen meist mit Glasfasern oder Textilien bewehrt (Abb. D 1.28 b). Die Betonplatten können so mit einer Mindeststärke von nur noch 3 cm hergestellt werden (Abb. D 1.28 a). Bei den Fassadenelementen kann es sich um kleinoder großformatige Platten handeln (Abb. D 1.27). Die Abmessungen der Kleinformate variieren zwischen 0,2 und 1 m2. Großformate sind aus Gründen der Herstellung, Montage und des Transports maximal 5 m lang. Für Attikaabdeckun-

D 1.25

204

gen, Eckausbildungen und Fensterlaibungen gibt es Sonderelemente in Form von Winkeltafeln (Abb. D 1.24).

D 1.24

durch Sandstrahlen, Stocken, Säuern und Profilieren erfolgen. Befestigung

Für die architektonische Wirkung eines Gebäudes ist auch die Oberflächenbehandlung der Fassadenelemente von Bedeutung. Bei Verwendung von Ortbeton ist sie aus Gründen der Herstellung eingeschränkt. Die Oberflächen vorgefertigter Betontafeln können dagegen beliebig beschaffen oder eingefärbt sein, die Gestaltung wird in den Herstellungsprozess integriert oder die Platten werdennach Aushärten des Betons bearbeitet. Zur plastischen Gestaltung von Fassadentafeln verwendet man reliefartige, durch CNC Technologie hergestellte Formplatten, die in die Schalung eingelegt werden. Eine hohe Sichtbetonqualität erhält man durch glatte Schalungen beispielsweise aus Stahl oder Kunststoff. Die Sichtbetonflächen werden durch Polieren oder durch das Auftragen einer Lasur weiterbehandelt. Eine Oberflächengestaltung von bereits erhärteten Platten kann

Für Fassadenelemente aus Beton gibt es verschieden Arten der Befestigung: an Hängeankern, die an der Unterkonstruktion befestigt sind, durch Auflagerung auf Konsolen oder über Schweißverbindungen. Anker aus Edelstahl sind heute in der Praxis das meistverwendete Befestigungselement für Fassadentafeln aus Beton. Sie tragen das Eigengewicht der Tafeln und leiten, symmetrisch angeordnet, gleichmäßig die Lasten in das Tragwerk. Speziell bei Skelettkonstruktionen sind die Fassadenelemente an Riegeln befestigt, wobei die Halteanker in Ankerschienen eingehängt oder direkt mit dem Stahlskelett verschweißt sind. Generell müssen die Befestigungselemente der Fassadentafeln neben dem Eigengewicht der Platten auch Spannungs- und Windkräfte aufnehmen und diese an die tragende Konstruktion weiterleiten.

D 1.26

D 1.27

Oberflächenbeschaffenheit

D 1.29

Fassadensysteme aus Klinkersteinen

D 1.23

D 1.24 D 1.25 D 1.26 D 1.27 D 1.28

D 1.29 D 1.30 D 1.31

Befestigung von Betonfassadenelementen a an Einlegteilen b an Dübeln c an Ankerschienen Winkeltafel zur Attikaabdeckung Sandwichelemente mit Beton Montage eines vorgefertigten Fassadenelements aus Beton, Phaeno Schience Center, Wolfsburg (D) 2005, Zaha Hadid Fassade aus vorgefertigten Betontafeln, Wohnhaus im Kanton Aargau (CH) 2005, Schneider & Schneider Fassade mit glasfaserverstärkten Betonelementen, Wohn- und Bürohaus, Kassel (D) 1999, Alexander Reichel a Sonderelement (Fensterbank) b Ausschnitt Fassade Fassadenelement mit Verblendschicht aus Klinkern Wandverkleidung aus Natursteinplatten, Pavillon, Barcelona (E) 1930 (Wiederaufbau 1989), Ludwig Mies van der Rohe Fassadenelement mit Verblendschicht aus Klinkern, Hochhaus am Potsdamer Platz, Berlin (D) 2000, Hans Kollhoff a Horizontalschnitt b Ansicht

Fassadenelemente aus Mauerwerk sind nichttragende Bauteile aus Beton und frostbeständigem Klinker als Verblender (Abb. D 1.29). Die Elemente sind bis zu 8 m lang und 3,6 m hoch. Um Passgenauigkeit und hochwertige Qualität zu erreichen, erfolgt die Herstellung im Werk in Stahlschalungen. Die Fassadenelemente können bereits mit Öffnungen für Fenster und Sonnenschutz hergestellt werden (Abb. D 1.31). Bei der Produktion platziert man die Klinker auf einer in der Schalung liegenden Gummimatte, deren Gegenrelief dem späteren Fugenbild entspricht. Die Fugen werden mit einem speziellen Fugenmörtel geschlossen und Bewehrung auf das Mörtelbett gelegt, bevor die Stahlschalung mit Normalbeton ausgegossen wird. Die Klinker verbinden sich gut mit dem Beton, da sie in der Länge halbiert sind und dadurch an der Schnittstelle eine saugfähige Oberfläche entsteht. Bei diesem Prozess besteht die Möglichkeit, zusätzlich reliefartige Strukturen für die

D 1.30

Oberflächengestaltung einzuarbeiten. Die Fassadenelemente werden oben mit dem tragenden Bauteil verbunden und auf der Unterseite mit Edelstahldübeln auf Betonsimsen des Rohbaus fixiert. Für die Fugenabdichtung sind an den Seiten der Fassadenelemente durchgehende Nuten ausgespart, in denen dauerelastische Gummiprofile liegen. Somit lassen sich außen liegende Silikonfugen vermeiden. Fugen können auch so eingeplant werden, dass Reliefs in den Mauertafeln diese überdecken [7].

Fassadensysteme aus Naturstein

Naturstein kann durch Spalten, Sägen und Fräsen zu plattenförmigen Elementen verarbeitet werden. Im Fassadenbau sind dies in der Regel dünn geschnittene Steintafeln wie beispielsweise Sandstein-, Granit-, Basalt- oder Schieferplatten (Abb. D 1.30 und D 1.33, S. 206). Die Platten müssen physikalische Voraussetzungen wie Mindestdruck, Biegefestigkeit und Frostbeständigkeit erfüllen.

2 1 2 3 4 b

D 1.28

Brüstungselement Stützenverkleidung Lisene Sprosse

2 b

3 D 1.31

205

Bürogebäude in London Das 15-stöckige Bürogebäude liegt im Zentrum von London nahe der Themse. Die Fassadenfläche beträgt ca. 22 000 m2. Die beiden Hauptfassadentypen, die sogenannten A-Wall und B-Wall, die in einem kleinen Teilbereich auch gebogen ausführt wurden, sind grundsätzlich mit Festverglasungen bzw. Dreh- oder Dreh/ Kipp-Flügeln ausgestattet. Die A-Wall ist eine stockwerkhohe Elementfassade mit vorgehängten Ketten aus Natursteinelementen mit Edelstahlverbindungsteilen und zwischengespannten starren Sonnenschutzelementen. Sie erstreckt sich über weitgehende Teile der Stockwerke eins bis sieben. Bei der B-Wall handelt es sich um eine zweischalige Fassade mit eloxierten Aluminiumpressgitterrosten im Zwischenraum. Die Innenfassade wurde mit in der Fassade integrierten Sonnenschutzanlagen ausgestattet. Die klare, transparente Außenverglasung ist schuppenförmig angeordnet, wobei jede Scheibe lediglich durch vier Gussteile gehalten wird. Einige Elemente der B-Wall haben in die Fassade integrierte Terrassentüren und an der Innenfassade befestigte Flucht- und Zugangsleitern.

Projektbeteiligte • Gebäudedaten Architekten: Arup Associates Ltd, London Tragwerksplaner: Arup Associates Ltd, London Fassadenberater: Arup Facade Engineering, London Fassadenplaner: Josef Gartner GmbH, Gundelfingen Bauherr: The British Land Comapny PLC, London Nutzung: Konstruktion (Fassade): System: Baujahr: Bauzeit:

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Büro Stahl / Glas Paneel 2002 – 2003 (Fassade) ca. 15 Monate (Fassade)

5 Axonometrie Systemschnitt horizontal Systemschnitt vertikal Maßstab 1:20

6 1

1 2

Isolierverglasung in Aluminiumprofil Wärmedämmung

B-Wall (zweischalige Glasfassade) b

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Brüstungsglas Sonnenschutzlamellen Aluminiumpressgitterrost, eloxiert Aluminiumguss-Kragarm Aluminiumflachprofil Dreh/Kipp-Flügel

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A-Wall (stockwerkshohe Elementfassade) 9 10 11 12 13 14

Edelstahlzugstangen Edelstahlbefestigung Jura-Kalkstein-Platte Aluminiumsonnenschutz Brüstungsglas Drehflügel

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9 11 10

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