Geschossdecken aus Stahl und Beton verursachen rund 40 Prozent der grauen Emissionen von Gebäuden. Für komplexe, mehrgeschossige Gebäude fehlte bisher jedoch eine praxistaugliche Alternative. Mit einem Baudemonstrator haben Forschende der Universität Stuttgart jetzt erstmals gezeigt, wie Geschossdecken nachhaltig aus einem neuartigen Holz-Beton-Verbund System gebaut werden können.
Der Demonstrator, der im Juni im Rahmen des Future Cleantech Festivals in Remscheid getestet wurde, zeigt „UniversalTimberSlab“ – die erste punktgestützte, mehrachsig weit spannende Flachdecke in Holz-Beton-Verbundbauweise. „Mit UniversalTimberSlab wollen wir den mehrgeschossigen Holz-Beton-Verbundbau deutlich flexibler, leistungs- und anpassungsfähiger machen. Der Demonstrator ist das Ergebnis mehrjähriger Forschung an der Universität Stuttgart und beruht auf innovativen digitalen Planungs- und Fertigungsmethoden“, sagt Professor Achim Menges, Leiter des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) und Sprecher des Exzellenzcluster Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für eine transformative Architektur (IntCDC).
Schlank wie Stahlbeton, aber deutlich nachhaltiger
„UniversalTimberSlab“ ist schlank und leistungsfähig wie eine Stahlbetondecke, aber deutlich nachhaltiger. Das System setzt auf den nachwachsenden Rohstoff Holz, eine materialeffiziente Konstruktion und zirkuläres Design. Im Vergleich zu herkömmlichen Holzdeckensystemen, die bei größeren und zweiachsigen Spannweiten Unterzüge benötigen, spart „UniversalTimberSlab“ 30 bis 70 Zentimeter Konstruktionshöhe ein – ein wichtiger Kostenvorteil: Bei gleicher Raumhöhe können in einem Gebäude mehr Geschosse untergebracht werden und die Fassadenfläche reduziert sich um bis zu 20 Prozent.
Holzbasierte Geschossdecke überzeugt im Belastungstest
„UniversalTimberSlab“ setzt zudem völlig neue Maßstäbe für gestalterische Möglichkeiten im Holzbau. Das System ist punktgestützt, das bedeutet, die Lasten des Gebäudes werden über Stützen abgetragen, die in größerem Abstand zueinander aufgestellt sind. Tragende Zwischenwände werden nicht benötigt, Wände lassen sich je nach Bedarf frei anordnen. In Gebäuden mit Mischnutzung lassen sich so unterschiedliche Raumaufteilungen für Handel, Gastronomie, Büros und Wohnungen flexibel realisieren. Zudem können Flächen später ohne große Mühe umgeplant werden, falls eine Umnutzung des Gebäudes ansteht. Die Decke könnte damit zur weiteren Verbreitung des innerstädtischen Holzbaus beitragen.
Die Gamechanger: Neue Deckensegmentierung, digitale Planungsmethoden
Im Holzbau werden große Deckenflächen in einzelne Elemente gegliedert. Während diese Elemente bisher aus technischen Gründen gleichmäßig angeordnet werden mussten, können mit dem „UniversalTimberSlab“ System nun auch komplexe und unregelmäßige Deckengeometrien realisiert werden. Das Prinzip beruht auf einer neuen, zum Patent angemeldeten Segmentierungsmethodik. Einfach vorfertigbare Brettschichtholzsegmente mit geraden Lamellen sorgen für Kosteneffizienz. Entsprechend dem Kraftverlauf angeordnete Fasern in der Decke optimieren die Tragfähigkeit des Systems.
Im Projekt wurden zudem neue digitale Werkzeuge für den Holzbau entwickelt: In der Planung generieren KI-gestützte Tools detaillierte Modelle für zahlreiche Grundriss- und Gebäudevarianten und unterstützen bei der Entwurfsoptimierung. Verschiebt eine Planerin oder ein Planer zum Beispiel eine Stütze, wird sofort sichtbar, welche Auswirkung dieser Schritt auf Kosten, Deckenhöhe und Nachhaltigkeit hat.
Meilenstein: Erfolgreicher Demonstrator in Remscheid
„Besonders spannend war für uns, den ersten Belastungstest nicht im Labor durchzuführen, sondern vor den rund 200 Besucherinnen und Besuchern des Future Cleantech Festivals in Remscheid. So konnte die für die Baupraxis erforderliche Tragfähigkeit unter realen Bedingungen nachgewiesen werden“, sagt Professor Jan Knippers, Leiter des Instituts für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE).
Für den Praxistest realisierte das Team innerhalb von nur drei Monaten einen 9 x 5m großen, vollmaßstäblichen Demonstrator eines zweiachsigen und 8 x 4m weit spannenden Deckenfeldes. Mit nur 36 cm war es so schlank wie eine vergleichbare Stahlbetondecke, benötigte jedoch rund zwei Drittel weniger Stahlbeton.
Im Vorfeld führten die Forschenden computergestützte Berechnungen durch, sogenannte FEM-Simulationen, um zu untersuchen, wie sich die Deckenkonstruktion unter Belastung verformt und schwingt. Im Praxistest wurde der Demonstrator mit insgesamt 20 Tonnen zusätzlich zum Eigengewicht belastetet. So konnte die Tragfähigkeit für einen hoch beanspruchten Bürobau mit Ausbaulasten von 1,4 kN/m² und einer Nutzlast von 3,0 kN/m² getestet werden. Die Messungen bestätigten die Simulationen mit einer maximalen Verformung von nur 12 mm. Zusammen mit einer Eigenfrequenz von über 8 Hz, also acht Schwingungen pro Sekunde, erfüllte die Decke die Ansprüche an Geschoßbauten im Hinblick auf Durchbiegungen und Schwingungen.
Aussicht auf schnellen Technologietransfer: Erstes Pilotprojekt in Planung
Mit dem erfolgreichen Machbarkeitstest haben die Forschenden einen entscheidenden Meilenstein auf dem Weg zur breiten Anwendung des „UniversalTimberSlab“ im mehrgeschossigen Holzbau erreicht. „Das System setzt auf bestehende Fertigungskompetenzen der Holzbauindustrie. Es bietet damit gute Voraussetzungen, nach erfolgreichem Abschluss weiterer Entwicklungsarbeiten rasch in größeren Bauprojekten eingesetzt zu werden“, sagt Hans Jakob Wagner, Gruppenleiter am ICD und Leiter des EIC Pathfinder Projekts „UniversalTimberSlab“.
Das erste Pilot-Gebäude ist bereits in Vorbereitung
Die Stadt Oberkochen im Ostalbkreis plant das „Zukunftsforum“, ein dreigeschossiges, 1.400m² großes Gebäude in der neuartigen „UniversalTimberSlab“-Bauweise. Das Gebäude soll Ausstellungen, Arbeitsflächen, Makerspaces, Werkstätten und Labore beherbergen.