Fachwerkträger für große Spannweiten

„Fachwerkträger stellen durch ihre aufgelöste Konstruktionsweise eine materialsparende Möglichkeit dar, Messehallen, Hangars, Produktions- oder Lagerhallen zu überspannen. Diese Konstruktionen lassen sich durch den Einsatz von Buchenfurnierschichtholz in Kombination mit Nadelbrettschichtholz optimieren“, erklärt Projektleiter Dr.-Ing. Matthias Frese vom Fachbereich Holzbau und Baukonstruktion des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Zusammen mit Praxispartner Holzbau Bruno Kaiser GmbH entwickelten die Karlsruher Wissenschaftler zwischen 2018 und 2022 ein Fachwerkträgerkonzept für Spannweiten von bis zu 100 Metern, dessen Bauteile sich ohne spezielle Produktionsanlagen zuschneiden und mit üblichen Handwerkszeugen montieren lassen. Damit erschlossen die Projektbeteiligten nicht nur eine weitere Verwendungsmöglichkeit für Buchenholz: Das Fanabu-Fachwerkträgerkonzept ermöglicht überdies nun auch kleinen und mittleren Unternehmen den Einstieg in die Produktion weit gespannter Tragwerke.

Das Konzept sieht symmetrisch aufgebaute Trägerstrukturen mit fallenden Zugdiagonalen und vertikalen Druckstäben vor. Zum Einsatz kommen Hybridträger aus Nadelholz im Kernbereich und Buchenfurnierschichtholz in den Randbereichen als für Biege- und für Querdruckbeanspruchung optimierte stabförmige Bauteile.

In Versuchen analysierten die Experten zunächst die Belastbarkeit der einzelnen Bauteile und Anschlusspunkte des Fachwerkträgers. Vermittels Berechnungen und Simulationen ermittelten sie u. a. die Auswirkungen von Zug-, Druck- und Biegemomenten und prüften die Rotationssteifigkeit mit verschiedenen Schraubentypen hergestellter Anschlussverbindungen.

Sie entwickelten Verstärkungsmethoden für die Anschlüsse und querdruckbeanspruchten Bauteile und leiteten schließlich Bemessungsansätze und Konstruktionsempfehlungen für die Trägerkonstruktionen ab. Die Ergebnisse wurden an drei beim Praxispartner baumaßstäblich produzierten Fachwerkträgern von rund 12 Metern Länge validiert.

„Unsere Untersuchungen zeigen, dass mit Hybridträgern aus Buchenfurnier- und Nadelbrettschichtholz mit selbstbohrenden Holzschrauben wirtschaftliche und zugleich hochtragfähige Fachwerkstrukturen von bis zu 100 Metern Spannweite aufgebaut werden können“, resümiert Projektleiter Frese. Eingang in das Praxiskonzept finden zudem bei der Herstellung der Hybridträger gewonnene Erkenntnisse aus der Produktionstechnik und Erfahrungen aus dem Abbund – dem Zuschnitt der Träger.

Kommt das Fertigungskonzept bei geringeren Spannweiten von 30 bis 50 Metern zum Einsatz, wie sie derzeit bei Sport - oder Lagerhallen praxisrelevant sind, könnten die Fachwerkträger sogar mit den bisher eingesetzten Vollwandträgern konkurrieren. Deren Herstellung ist zwar weniger zeitintensiv.

Doch die Fachwerkträger bieten neben geringerem Materialverbrauch die Option, den entstandenen Dachraum zusätzlich zu nutzen, etwa als Büro- oder Abstellfläche. „Mit steigenden Materialkosten wird der Fachwerkträger auch bei kürzeren Spannweiten gegenüber dem Vollwandträger konkurrenzfähig werden“, ist Doktorand Sebastian Egner überzeugt, der als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Projekt mitarbeitete.

Weitgespannte Fachwerkträger in Holz- und Holz-Stahl-Hybridbauweisen finden vor allem bei Spannweiten ab 30 Metern Verwendung. Die stabförmigen Bauteile der Fachwerkträger bestehen aus Brettschichtholz oder Furnierschichthölzern, zugbeanspruchte Bauteile aus Stahl. Für Anschlüsse kommen bisher Stahlbleche mit Stabdübeln und Passbolzen zum Einsatz. Die Verbindungen in Fachwerkträgern werden mit Metalldübeln, Bolzen und Nägeln oder Nagelplatten aus Stahlblech mit ausgestanzten stiftförmigen Verbindungsmitteln realisiert.

Hybridträger aus Nadelholz im Kernbereich und Buchenfurnierschichtholz in den Randbereichen sind sowohl für Biege- als auch für Querdruckbeanspruchung optimierte stabförmige Bauteile. In Fachwerkträgern bieten sie eine sinnvolle Alternative zu Nadelbrettschichtholz und auch zu Stahl.

Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. / Martina Plothe, Fotos: KIT VAH