1 Entwicklung des mehrgeschossigen Holzbaus

Raumluftqualität – Einflüsse des Holzbaus

Maren Kohaus, Holger König

A 5.1 Holz im Innenraum, Kindergarten, Bludenz (AT) 2013, Bernardo Bader, Monika Heiss – Farbe & Design A 5.2 Empfehlungswerte für TVOC und daraus resultierende Handlungsempfehlungen A 5.3 Wärmeeindringkoeffizienten ausgewählter Baustoffe A 5.4 Einteilung der chemischen Verbindungen nach ihrem Siedepunkt Holz wird seit Jahrtausenden als Bau- und Werkstoff für menschliche Behausungen genutzt. Und auch beim zeitgenössischen Bauen werden Holz- und Holzwerkstoffe vielfältig als Konstruktionsmaterial, Fußbodenbelag, Wand- und Deckenbekleidung sowie zur Fertigung von Einrichtungsgegenständen etc. verwendet. Die Natürlichkeit und Authentizität dieses Materials erfreuen sich nach wie vor großer Wertschätzung. Insbesondere Holzoberflächen werden im Allgemeinen aufgrund ihres mate rialspezifischen Charakters, der Farbe, der Maserung und Struktur sowie aufgrund ihrer Porosität als sinnlich ansprechend bewertet, was die Studie „Interaktion Mensch und Holz” bestätigt [1]. Bedingt durch die materialspezifischen und bau physikalischen Kennwerte, wie die geringe Wärmeleitfähigkeit (¬-Wert = 0,11– 0,17 W/mK) und den niedrigen Wärmeeindringkoeffizienten, den b-Wert (Abb. A 5.3), werden Holz oberflächen als warm empfunden. Zu em wirken natürlich belassene Holzoberflächen klimaregulierend auf den Innenraum, da Holz Feuchtigkeit aus der Raumluft aufnehmen und zeitversetzt wieder abgeben kann. Der Geruch von Holz, der sich aus Emissionen von leicht flüchtigen Stoffen zusammensetzt, hat für manche Menschen sogar eine angenehm beruhigende Wirkung, wie eine Studie der Joanneum Research Forschungsgesellschaft von 2003 über die möglichen Auswirkungen eines Zirbenholzumfelds auf Kreislauf und Schlaf unter Berücksichtigung von Leistungsaspekten und dem Befinden des Menschen herausstellt [2]. Die Studie von Maximilian Moser „Schule ohne Stress” aus dem Jahr 2007 analysiert die Wirkung der Einrichtung und Ausstattung von Klassenräumen aus Massivholz. Sie kommt zu dem Schluss, dass die beruhigende Wirkung von Holz, gemessen an der Herzfrequenz und dem Vagustonus der Schüler, sich positiv auf die Gesundheit aus wirken könne [3]. In der Metastudie HOMERA von 2017 wurden 44 Forschungsprojekte analysiert und hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen Emissionen von Holz bzw. Holzwerkstoffen, der Raumluftqualität und den daraus möglichen Auswirkungen auf den Menschen untersucht. Analysen der aktuellen Prüf- und Messverfahren, die Grundlage für rechtliche Grenzwerte sind, zeigen die Komplexität des Themas und die Notwendigkeit für weitere Forschungsprojekte, die diese Ergebnisse zusammenführen [4]. Bis jedoch nähere Erkenntnisse vorliegen, wird die Diskussion, in wiefern die Emissionen der Holz- und Holzwerkstoffe des zeitgenös sischen Holzbaus als gesundheitsschädlich, holzspezifisch und somit natürlich, unschädlich oder sogar als gesundheitsfördernd angesehen werden können, weiterhin aktuell bleiben. Um Bauherren, Nutzende und auch Planende nicht weiter zu verunsichern und um Klarheit in diese Diskussion zu bringen, werden im Folgenden die relevanten Aspekte genauer betrachtet.

A 5.1

Gesundes Raumklima

Unabhängig von der Bauweise muss ein Raumklima geschaffen werden, das für den Nutzenden und für die in den Räumen vorgesehene Tätigkeit als angenehm empfunden wird. Die Behaglichkeitskriterien (nach DIN EN 15 251) geben Hinweise, welche Faktoren zu berücksichtigen sind: • Schutz vor witterungsbedingter

Kälte / Wärme sowie Nässe / Feuchte • Schutz vor zu hoher nutzungsbedingter

Feuchte und dadurch resultierender

Kondensat- und Schimmelbildung • Schutz vor Lärmbelastung von außen und innen • optimierte Lichtverhältnisse mit ausreichendem Tageslicht bei gleichzeitigem

Schutz vor überhöhter Sonneneinstrahlung (Wärme /Überhitzung)

• ausreichende Lüftung für die spezielle

Nutzung und die damit einhergehende

Verringerung der CO2-Konzentration • Schutz vor ionisierender (z. B. Radon) /nicht ionisierender Strahlung (z. B. Elektrosmog) • geringe Belastungen der Raumluft durch

Baustoffe, Ausstattung und Geräte

Ein ausreichender Luftaustausch durch manuelle oder mechanische Belüftung gewährleistet, dass anfallende Emissionen aus Bauprodukten, elektronischen Geräten sowie durch den Menschen selbst verursachte abtransportiert werden. Dennoch ist der Einsatz möglichst risikostofffreier Baustoffe unbedingt ratsam.

Raumluftemissionen

Im Gebäude verwendete Materialien können die Raumluft belasten, indem sie Partikel in Form von Staub und Fasern absondern oder Gase emittieren. Relevant für den Schadstoffanteil in der Innenraumluft ist neben dem Nutzerverhalten und den raumklimatischen Bedingungen (Raumluftfeuchte, Temperatur etc.) die Einbausituation der Baustoffe im Bauteil und ihre Beteiligung an Diffusionsvorgängen [5]. Wird von Raumluftemissionen im Zusammenhang mit holzbasierten Materialien gesprochen, tauchen immer wieder zwei Begriffe auf: VOC (Volatile Organic Compounds) und Formaldehyd.

VOC

In der Baupraxis und bei der Innenraumanalytik hat sich die Einteilung der VOCGase gemäß der Höhe des Siedepunkts durch gesetzt (Abb. A 5.4): • VVOC: sehr leicht flüchtige organische

Verbindungen • VOC: leicht flüchtige organische Verbindungen • SVOC: mittel bis schwer flüchtige organische Verbindungen

Im Verlauf von Baumaßnahmen gelangen viele unterschiedliche VOC kurzzeitig in die Raumluft. Normalerweise werden diese erhöhten Konzentrationen durch intensives Lüften während und nach den Arbeiten deutlich reduziert. Die VOC stellen zwar eine Stoffgruppe dar, sind aber sehr vielfältig. Sie können harmlos, aufgrund des Geruchs aber auch störend oder gesundheitsschädlich sein. Die bekanntesten VOC-Verbindungen sind: Alkane /Alkene, Aromaten, Terpene, Halogenkohlenwasserstoffe, Ester, Aldehyde und Ketone. Terpene und Aldehyde werden in geringen Mengen auch von Holz als typischer Holzgeruch abgesondert. Man be zeichnet diese aufgrund ihrer Herkunft aus natürlichen Rohstoffen auch als nVOC (natural Volatile Organic Compounds). Die Toxi zität von VOC ist äußerst un terschiedlich zu bewerten. So zählt beispielsweise das krebs erregende Benzol ebenso zu diesen Raum luftschad stoffen wie auch zahlreiche wesentlich harmlosere VOC, z. B. Terpene aus Naturölen, Naturfarben, aber auch aus den natürlichen Harzen des Holzes. Diese können zwar in höherer Konzentration (wie z. B. der Geruch von Terpentinöl) unter Umständen das Wohl befin den beeinträchtigen und eventuell allergen wirken, sind in den üblichen Konzen trationen im Holzbau jedoch für die Gesundheit unbedenklich.

VOC-Emissionen aus Bauprodukten

Für VOC-Emissionen aus Bauprodukten gibt es europaweit keine rechtlichen Grenzwerte oder gar Stoffverbote. Seit 2004 bildet das vom Ausschuss zur gesundheitlichen Bewertung von Bauprodukten eingeführte AgBB-Schema im DIBT-Zulassungsverfahren die Basis für die gesundheitliche Bewertung von Baupro dukt emissionen. 2018 wurde es aktualisiert und in die MVV TB (Musterverwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen) 2019 aufgenommen. Hier sind Emissionshöchstwerte für Baupro-

Stoff Wärmeeindringkoeffizient

b-Wert [KJ/Km2√s] Dämmstoff (Mineralfaser) 0,06 Kork 0,10 Holz 0,4 ... 0,5 menschliche Haut 1,0 ...1,3 Glas 1,3 ...1,5 Wasser 1,6 Beton 1,8 ... 2,2 Stahl 14 Kupfer 36 Stoffe mit hohem Wärmeeindringkoeffizienten wie z. B. Metalle werden als besonders kalt empfunden, wenn ihre Temperatur unter derjenigen der Haut liegt. Stoffe mit niedrigem Wärmeeindringkoeffizienten wie z. B. Holz oder Dämmstoffe werden hingegen bei derselben Temperatur als wärmer empfunden.

Empfehlungswerte TVOC (Raumluft) hygienische Bewertung und Handlungsempfehlungen

Stufe 1: TVOC< 0,3 mg/m3 (< 300 μg/m3) • hygienisch unbedenklich, sofern keine Einzelstoffwerte überschritten werden • „Zielwert” (= hygienischer Vorsorgebereich; ist anzustreben)

Stufe 2: TVOC> 0,3 mg/m3 (> 300 μg/m3

Stufe 3: TVOC> 1,0 mg/m3 (> 1000 μg/m3 und und < 1,0 mg/m3 < 1000 μg/m3)

und und < 3,0 mg/m3 < 3000 μg/m3) • hygienisch noch unbedenklich, sofern keine Einzelstoffwerte überschritten werden • verstärktes Lüften notwendig • hygienisch auffällig, nur befristeter Aufenthalt • gesundheitliche Relevanz grenzwertüberschreitender

Stoffe prüfen; toxikologische Einzelbewertung empfohlen

Stufe 4: TVOC> 3,0 mg/m3 (> 3000 μg/m3 und und < 10,0 mg/m3 < 10 000 μg/m3) • hygienisch bedenklich, nur befristeter Aufenthalt • toxikologische Einzelbewertung empfohlen

Stufe 5: TVOC> 10 mg/m3 (> 10 000 μg/m3 und und < 25,0 mg/m3 < 25 000 μg/m3)

• hygienisch inakzeptabel, Raumnutzung vermeiden • toxikologische Einzelbewertung empfohlen Eine TVOC-Konzentration von mehr als 3000 μg/m3 ist als hygienisch bedenklich einzustufen. Eine Zertifizierung nach BNB/DGNB kann daher nur erfolgen, wenn der TVOC-Wert im Bereich von 300 μg/m3 (bei undefinierten Messungen) bzw. 500 μg/m3 (bei definierten Messungen) bis 3000 μg/m3 liegt.

Abkürzung Bezeichnung Siedepunkt [°C] Beispiele

VVOC very volatile organic compounds (sehr leicht flüchtige organische Verbindungen) 0 bis 50 (-100) Formaldehyd, Aceton, Acetaldehyd VOC volatile organic compounds (leicht flüchtige organische Verbindungen) 50 bis (-100) bis 240 (-260)viele Lösungsmittel, wie z. B. Styrol, Xylol SVOC semi volatile organic compounds (mittel bis schwer flüchtige organische Verbindungen) 240 (-260) bis 380 (-400) Weichmacher, Biozide, Flammschutzmittel, PCB POM particulate organic matter (partikelgebundene organische Verbindungen) > 380 PAK aus Bitumenbaustoffen MVOC microbial volatile organic compounds (mikrobiell erzeugte organische Verbindungen, durch Schimmelpilze und Bakterien) im VOC-Bereich unterschiedlichste Substanzen und Substanzklassen Hat ein Gas / Stoff einen hohen Siedepunkt, ist es/er schwerer flüchtig und wird langsamer über einen längeren Zeitraum an die umgebende Luft abgegeben. Ein Gas / Stoff mit einem niedrigen Siedepunkt ist leicht flüchtig und wird daher schneller in kurzer Zeit abgegeben. Werte analog der Einteilung der WHO.

Teil B Tragwerk

1 Struktur und Tragwerk 42 Vom Stab zur Fläche 43 Kombinationen von Bauelementen 45 Materialkombinationen 45 Tragwerksplanung im Holzbau 48 Holzbau im Vergleich 49 Fazit 54

2 Bauteile und Bauelemente 56 Brettstapelwand 57 Tafelbauwand 58 Brettsperrholzwand 60 Furnierschichtholzwand 61 Träger 62 Brettstapeldecke 63 Balkendecke 64 Kastendecke 66 Brettsperrholzdecke 68 Furnierschichtholzdecke 69 Holz-Beton-Verbunddecke 70 Vergleich Holzbauelemente 72

IPE 270 Buche FSH Buche BSH Fichte FSH Fichte BSH

h = 270 mm b = 135 mm m = 36,1 kg/m h = 270 mm b = 160 mm m = 29,4 kg/m h = 440 mm b = 160 mm m = 48,8 kg/m h = 360 mm b = 160 mm m = 29,4 kg/m h = 460 mm b = 160 mm m = 31,3 kg/m

Annahmen: Stahl S 235: m =1,00 fy/x=235 N/mm2 Buche FSH und Fichte FSH: Nutzungsklasse 1 k mod = 0,9 m =1,20 (EN 1995-1-1) Buche BSH und Fichte BSH: Nutzungsklasse 1 k mod = 0,9 m =1,25 (EN 1995-1-1)

B 1.19

höhere Festigkeiten auf. Bei der Ableitung vertikaler Las ten kann die Verwendung von Laubholz im Holzbau somit völlig neue Dimensionen erschlie ßen. Mit zunehmender Veredelung (Brettschicht holz oder Furnierschichtholz aus Laubholz) lassen sich weitere Steigerungen erreichen (Abb. B 1.19). Es ist jedoch erforderlich, gleichzeitig entsprechende leistungsfähigere Verbindungen zu entwickeln. Auch bei der Herstellung von Biegeträgern ergeben sich bei zunehmender Verfügbarkeit von Laubholz neue Möglichkeiten, allerdings erhöht sich der E-Modul – und damit die Steifigkeit von (Biege-)Bau teilen – nicht im gleichen Maße wie die Festigkeit. Buchenfurnierschichtholz hat sich inzwischen als wirtschaftliches Baumaterial für Fachwerkträger etabliert, in denen hauptsächlich Normalkräfte wirken. Eindrucksvolles Beispiel ist das Schraubenwerk in Waldenburg mit Fachwerkträgern aus Buchenfurnierschichtholz als Haupt- und Nebenträger mit Spannweiten von 42 m bzw. 18,30 m (Abb. B 1.21). Im Vergleich zu Stahl oder Stahlbeton ließ sich ein deutlich leichteres Tragwerk umsetzen, was zu einem wesentlich geringerem Aufwand bei der Gründung und der Montage der großvolumigen Träger geführt hat. Auch die Anforderungen an den Brandschutz konnten zu wesentlich geringeren Kosten umge setzt werden. Die Verbindungen der Fachwerkstäbe sind so weit wie möglich als Kontaktstöße mit zimmermannsmäßigen Verbindungen ausgeführt, die die hohe Querdruck- und Schubfestigkeit des Mate rials nutzen. Außer für Gesamtkonstruktionen kommt Furnierschichtholz aus Buche häufig dann zum Einsatz, wenn einzelne Träger oder Stützen eines Tragweks höhere Lasten aufnehmen sollen, ohne dabei von der Querschnittsgeometrie der übrigen Konstruktion abzuweichen. Im mehrgeschossigen Holzbau ist Buchenfurnierschichtholz für Skelettkonstruktionen interessant, wenn Stützen und Träger hohe punktuelle Lasten aufnehmen müssen (Abb. B 1.20). Es ist zu erwarten, dass in Zukunft weitere Holzbaustoffe aus Laubholz oder als hybride Baustoffe aus Nadel- und Laubholz bis zur Marktreife entwickelt werden. Dazu zählen beispielsweise holzbewehrtes Holz aus Nadel- und Laubholzfur nieren [7] oder Brettsperrholz aus Laubholz oder hybrid aus Laubholz und Nadelholz [8].

Fazit

Bauen mit Holz hat in den letzten Jahrzehnten eine erstaunliche Evolution durchlaufen und konnte sich dadurch immer weitere Aufgabenfelder erschließen. Inzwischen stellt das Bauen mit Holz in vielen Bereichen eine hochwertige Alterna tive zu konventionellen Bauweisen dar. Das Kombinieren unterschiedlicher Holzkonstruktionen, aber auch Materialkombinationen mit anderen Baustoffen wie Beton oder Stahl ermöglichen präzise und maßgeschneiderte Lösungen für sehr unterschiedliche Aufgaben innerhalb von Gebäuden. Während Holz bauten in vielen alltäglichen Anwendungen zunehmend konkurrenzfähiger werden, erfährt auch der spe zifische Bauprozess der Vorfertigung immer mehr Wertschätzung. So prägt er Themenfelder, die die Zukunft des Bauens betreffen, wie Verbesserung von Aus führungs qualität und -geschwindigkeit oder die Möglichkeit digitalisierter und automatisierter Fertigungsprozesse. Zudem gibt der Holzbau mit seinen einzigartigen ökologischen Vorteilen Antworten auf drängende gesellschaft liche Fragen wie Energie- und Ressourcen effizienz, Kreislauffähigkeit oder Klimaneutra lität. Berücksichtigt man in Entwurf und Tragwerksplanung die Besonderheiten des Bau stoffs Holz und verwendet bei Bedarf hybride Konstruktionen, dann sind dem Bauen mit Holz kaum Grenzen gesetzt.

Anmerkungen:

[1] Deplazes, Andrea: Holz indifferent, synthetisch.

In: Detail 1/2000, S. 23 [2] CEN/TS 19 103 Design of Timber Structures –

Structural design of timber-concrete composite structures – Common rules and rules for buildings www.bgu.tum.de [3] Grundregeln der Aussteifung: Mindestens eine

Deckenscheibe verbunden mit drei Wandscheiben, deren Achsen sich nicht in einem Punkt schneiden, oder vier Wandscheiben, deren Achsen sich in mindestens zwei Punkten schneiden. [4] Platte: flächiges Element mit Beanspruchung quer zur Ebene;

Scheibe: flächiges Element mit Beanspruchung in der Ebene; kombinierte Beanspruchung häufig bei

Wand, Decke und Dach [5] Newcombe, M.; Pampanin, S.; Buchanan, A. H.:

Governing Criteria for the lateral force design of post-tensioned timber buildings. WCTE 2012

Proceedings, Final Papers. Auckland 2012, S. 148ff. [6] Wanninger, Flavio; Franghi, Andrea: Experimental and analytical analysis of a post-tensioned timber frame under horizontal loads. Engineering Structures, Bd. 113. Kidlington 2016, S. 16 – 25 [7] Lechner, Markus; Winter, Stefan: Hybride Holzbauteile aus Laubholz-Furnieren und Brettschichtholz aus

Nadelholz – Holzbewehrtes Holz. Forschungsprojekt

TU München. Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und

Raumforschung (BBSR), Bonn im Rahmen der Forschungsinitiative „Zukunft Bau“; SWD-10.08.18.718.21. Laufzeitende 06/2021 [8] Kaufmann, Hermann u. a.: Forschungsprojekt. Entwicklung eines material- und energieeffizienten Holzbausystems aus Laub- und Nadelholz (LaNaSYS).

Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR),

Gülzow. Laufzeit bis 06/2023. www.ar.tum.de und www.bgu.tum.de

B 1.19 Vergleich verschiedener BSH- und FSH-Stützenquerschnitte aus Buche und Fichte mit einem IPE 270 Stahlprofil B 1.20 neungeschossiger Verwaltungsbau, Risch- Rotkreuz (CH) 2018, Burkard Meyer Architekten a, b Holz-Beton-Verbund-Balkendecke mit primärer Skelettkonstruktion (Stützen/Unterzüge) aus Buchenfurnierschichtholz c Skelettkonstruktion und Tragwerksrhythmus sind an der Fassade ablesbar. B 1.21 Schraubenwerk, Produktionshalle, Waldenburg (DE) 2020, Hermann Kaufmann + Partner a Auflager Hauptfachwerkträger auf Stütze als zimmermannsmäßige, hochbelastbare Verbindung aus Buchenfurnierschichtholz b Auflager Nebenfachwerkträger auf Hauptträger als zimmermannsmäßige Verbindung c Produktionshalle mit Dachtragwerk aus Haupt- und Nebenträgern als Fachwerkträger aus Buchenfurnierschichtholz

a b