20 Tonnen drücken auf nur 36 Zentimeter dünne Holzdecke

Man stelle sich 20 Kleinwagen vor. Zusammen bringen sie ungefähr 20 Tonnen auf die Waage. Und nun packt man dieses Gewicht nicht auf eine massive Stahlbetondecke, sondern auf eine Konstruktion, die zu einem großen Teil aus Holz besteht und gerade einmal 36 Zentimeter hoch ist.

Genau das haben Wissenschaftler der Universität Stuttgart getan. Das Überraschende: Die Decke hielt nicht nur stand. Sie bog sich unter der zusätzlichen Last maximal zwölf Millimeter durch – ungefähr so viel wie die Dicke eines Smartphones.

Der Versuch könnte für den mehrgeschossigen Holzbau wichtig werden. Denn gerade große Geschossdecken gehören zu den Bereichen, in denen Stahl und Beton bislang schwer zu ersetzen sind.

Holzdecke statt Stahlbeton hält Last von 20 Tonnen stand

Die neue Konstruktion trägt den Namen „UniversalTimberSlab“. Für den Praxistest baute das Team innerhalb von nur drei Monaten einen neun mal fünf Meter großen Demonstrator. Das eigentliche Deckenfeld überspannte acht mal vier Meter und war lediglich 36 Zentimeter hoch.

Getestet wurde nicht abgeschirmt in einem Labor. Beim Future Cleantech Festival in Remscheid belasteten die Wissenschaftler die Konstruktion vor rund 200 Besuchern zusätzlich zu ihrem Eigengewicht mit insgesamt 20 Tonnen.

Damit simulierten sie die Belastung eines stark beanspruchten Bürogebäudes. Die zuvor am Computer berechneten Werte bestätigten sich im Versuch.

Die wichtigsten Ergebnisse:

20 Tonnen zusätzliche Belastung
maximal 12 Millimeter Durchbiegung
nur 36 Zentimeter Konstruktionshöhe
mehr als 8 Hertz Eigenfrequenz
rund zwei Drittel weniger Stahlbeton als bei einer vergleichbaren Stahlbetondecke

Die Eigenfrequenz ist dabei wichtig, weil eine Decke nicht nur stabil sein darf. Sie sollte beim Gehen und bei anderen Bewegungen auch nicht unangenehm schwingen. Mit mehr als acht Schwingungen pro Sekunde und der geringen Durchbiegung erfüllte der Demonstrator laut Universität die entsprechenden Anforderungen an Geschossbauten.

Geschossdecken verursachen einen großen Teil der Emissionen

Warum der Aufwand? Gebäude bestehen schließlich aus weit mehr als ihren Decken. Doch gerade dort steckt besonders viel Material.

Nach Angaben der Universität Stuttgart verursachen Geschossdecken aus Stahl und Beton rund 40 Prozent der grauen Emissionen von Gebäuden. Gemeint sind damit Emissionen, die unter anderem bei Herstellung, Transport und Verarbeitung der Baustoffe entstehen.

Holz bietet sich als Alternative an, stößt bei großen Gebäuden aber auf ein Problem: Herkömmliche Holzdeckensysteme benötigen bei größeren Spannweiten häufig zusätzliche Unterzüge. Dadurch werden die Decken dicker und Gebäude entsprechend höher.

Der UniversalTimberSlab soll dieses Problem umgehen. Verglichen mit herkömmlichen Holzdeckensystemen lassen sich laut Universität 30 bis 70 Zentimeter Konstruktionshöhe einsparen.

Das kann sich auf das gesamte Gebäude auswirken. Bei gleicher Raumhöhe könnten mehr Geschosse untergebracht werden. Alternativ kann das Gebäude niedriger ausfallen. Die benötigte Fassadenfläche lässt sich den Angaben zufolge dadurch um bis zu 20 Prozent reduzieren.

Die Holzfasern folgen den Kräften

Möglich wird die ungewöhnlich schlanke Konstruktion durch einen anderen Aufbau. Große Holzdecken werden aus einzelnen Elementen zusammengesetzt. Diese mussten bislang aus technischen Gründen relativ gleichmäßig angeordnet werden.

Beim UniversalTimberSlab können die Segmente dagegen an die Form und die Belastung der jeweiligen Decke angepasst werden. Die Universität hat dafür eine neue Segmentierungsmethode zum Patent angemeldet.

Verwendet werden vorgefertigte Brettschichtholzsegmente mit geraden Lamellen. Die Holzfasern werden entsprechend dem Kraftverlauf angeordnet. Vereinfacht gesagt: Das Material soll dort besonders effizient eingesetzt werden, wo die Kräfte tatsächlich verlaufen.

Auch digitale Planungsmethoden spielen eine Rolle. KI-gestützte Werkzeuge können unterschiedliche Gebäude- und Grundrissvarianten berechnen. Verschiebt ein Planer beispielsweise eine Stütze, sollen unmittelbar die Folgen für Kosten, Deckenhöhe und Nachhaltigkeit sichtbar werden.

Wände können später wieder versetzt werden

Ein weiterer Unterschied steckt unterhalb der Decke. Das System wird punktuell über Stützen getragen. Tragende Zwischenwände sind deshalb nicht zwingend erforderlich.

Das eröffnet für Gebäude mehrere Möglichkeiten:

Büros lassen sich später leichter in andere Räume aufteilen
Wohnungen, Handel oder Gastronomie können unterschiedliche Grundrisse erhalten
Zwischenwände können unabhängig von der Tragstruktur angeordnet werden
eine spätere Umnutzung erfordert weniger Eingriffe in die Gebäudestruktur

Gerade bei Gebäuden, die viele Jahrzehnte stehen, kann das entscheidend sein. Ändert sich ihre Nutzung, muss nicht zwangsläufig die Tragstruktur mit verändert werden.

Zwei Drittel weniger Stahlbeton

Ganz ohne Beton kommt die neue Decke allerdings nicht aus. Es handelt sich ausdrücklich um ein Holz-Beton-Verbundsystem und nicht um eine reine Holzdecke.

Der Demonstrator benötigte laut Universität Stuttgart aber rund zwei Drittel weniger Stahlbeton als eine vergleichbare Stahlbetondecke. Gleichzeitig erreichte er mit seinen 36 Zentimetern eine vergleichbare Bauhöhe.

Damit wollen die Entwickler zwei bislang schwer miteinander vereinbare Eigenschaften verbinden: die großen Spannweiten und schlanken Konstruktionen des Stahlbetonbaus mit einem deutlich höheren Holzanteil.

Noch handelt es sich allerdings um einen Demonstrator. Der erfolgreiche Belastungstest zeigt, dass das Konzept unter den getesteten Bedingungen funktioniert. Ob es sich wirtschaftlich und technisch im normalen Gebäudebetrieb bewährt, muss nun die Praxis zeigen.

Erstes Gebäude mit der neuen Decke ist schon geplant

Der nächste Schritt führt deshalb aus dem Versuch in ein echtes Gebäude. Die Stadt Oberkochen im Ostalbkreis plant bereits das sogenannte „Zukunftsforum“.

Das dreigeschossige Gebäude soll rund 1.400 Quadratmeter umfassen und mit dem neuen Deckensystem gebaut werden. Vorgesehen sind unter anderem Ausstellungsflächen, Arbeitsbereiche, Makerspaces, Werkstätten und Labore.

Für die Forscher wäre das der entscheidende Schritt vom Demonstrator zur tatsächlichen Anwendung. Das System nutzt nach Angaben der Universität bereits vorhandene Fertigungstechniken der Holzbauindustrie. Nach weiteren Entwicklungsarbeiten soll es deshalb vergleichsweise schnell auch für größere Bauprojekte einsetzbar sein.

Die 20 Tonnen in Remscheid waren damit vor allem der erste große Härtetest. Wesentlich spannender wird nun, ob eine nur 36 Zentimeter schlanke Holz-Beton-Decke auch im Alltag eines mehrgeschossigen Gebäudes hält, was der Belastungsversuch verspricht.

Kurz zusammengefasst:

Die nur 36 Zentimeter hohe Holz-Beton-Decke der Universität Stuttgart hielt im Praxistest einer zusätzlichen Belastung von 20 Tonnen stand und bog sich dabei maximal zwölf Millimeter durch.
Der „UniversalTimberSlab“ benötigt laut Universität rund zwei Drittel weniger Stahlbeton als eine vergleichbare Stahlbetondecke und kann ohne tragende Zwischenwände große Flächen überspannen.
Der erfolgreiche Belastungstest ist ein Machbarkeitsnachweis, noch kein Langzeitnachweis im Gebäudebetrieb; mit einem geplanten 1.400-Quadratmeter-Gebäude in Oberkochen soll die Technik nun erstmals praktisch eingesetzt werden.

Übrigens: Nicht nur die Bauweise entscheidet darüber, wie lange eine Decke oder Brücke hält – selbst derselbe Stahlbeton kann je nach Wetter völlig unterschiedlich schnell altern. In feuchtem Beton kann der Stahl im Inneren sogar bis zu hundertmal schneller rosten. Mehr dazu in unserem Artikel.