DE19934865A1 - Vertikal verspanntes Holzbausystem zur Herstellung und Errichtung von teilfertigen Gebäudeaußenwandteilen - Google Patents

Abstract

Bei bekannten Bausystemen sind Wandelemente gemäß ihrer endgültigen Verwendung und Positionierung in einem Gebäude zunächst vorzuplanen und dann herzustellen, da die jeweiligen Öffnungen für Türen und Fenster den Erfordernissen des Tragwerkes und der Grundrißplanung entsprechen müssen. Das neue Bausystem soll es für umfangreiche Bauaufgaben ermöglichen, teilfertige Wandelemente für ein Gebäude oder für mehrere gleichartige Gebäude unabhängig von diesen Faktoren einzusetzen. DOLLAR A Um jedem Wandelement die Eigenschaft zu geben, sowohl geschlossen als auch geöffnet eingesetzt werden zu können, wird das Rahmentragwerk mit einer Verspannung zu einem neuartigen vorgespannten Holzrahmentragwerk kombiniert und es wird eine neue Technik zum Einsetzen der Fenster und Türen mit Umrahmung und Dichtung vorgestellt. Alle für ein Gebäude verwendeten Wandelemente werden also identisch hergestellt mit Ausnahme der in den Schenkellängen variablen, aber ansonsten baugleichen Eckelemente. DOLLAR A Das System ist verwendbar für alle im Holzbau üblichen Gebäudenutzungen bei oberseitig geraden Wandabschlüssen.

Description

Die Erfindung betrifft ein vertikal verspanntes Holzbausystem, das geeignet ist, teilfertige Wände für Ge­ bäude derart herzustellen und zu errichten, daß jedes einzelne Element der Wandkonstruktion eines Gebäudes bzw. mehrerer in Bezug auf die Geschoßzahl und die Geschoßhöhen gleichartiger Gebäude vollständig identisch vorgefertigt werden kann unabhängig davon, ob das einzelne Wandelement Öffnungen haben soll oder nicht. Dabei werden die Elemente gebäudehoch, also von ihrem unteren Auflager bis zur Dachkante, hergestellt. Le­ diglich die ansonsten baugleichen Ecken der Wandkonstruktion werden in ihrer Schenkellänge variiert, um das Maßsystem der Fertigwände auf den jeweiligen Grundriß abzustimmen. Die Öffnungen innerhalb eines Ele­ mentes können unter Berücksichtigung des zu erhaltenden seitlichen Anschlußbereiches an das nächste Element frei wählbar positioniert werden.

Der heutige Stand der Technik bei der Vorfertigung von Wänden differenziert vor allem die Fertigstel­ lungstiefe der Elemente, beginnend bei der Herstellung ganzer Gebäude außerhalb der Baustelle. Die Produktion geschieht stationär unter Zuhilfenahme von Robotern und mit einer immensen technischen Vorrüstung. (Zeit­ schrift DETAIL, Jahrgang 1998, Heft 5 bis 7, beginnend mit Heft 5 S. 837 ff; Zeitschrift VDI nachrichten, Jahr­ gang 1999, Ausgabe Nr. 21, S. 17).

Daneben gibt es auf einer den Herstellungsaufwand betreffend niedrigeren Ebene die konventionelle Her­ stellung einzelner Wandsegmente aus Beton, Stein, Kunststoff, Holz ect, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Fertigstellungsgrad entsprechend kleiner ist. Hier steht nicht so sehr die rationalisierte Gesamtherstellung eines Gebäudes im Vordergrund, sondern eher die Verlagerung einzelner Gewerke in den "Vorbaustellenbereich", also in das Herstellungswerk oder die Zimmerei, wo rationeller gearbeitet wird als auf einer Baustelle.

Mit dem für die Erfindung maßgeblichen Baustoff Holz ist heute die größte technische und wirtschaftliche Effizienz in aller Regel durch den Holzrahmenbau (timber frame) zu erzielen, da die Kombination aus Stütze und Scheibe mit neueren hochbelastbaren Holzwerkstoffplatten zu einer enormen Material- und Arbeitseinspa­ rung führt und diese Bauweise für die Vorfertigung von Wandelementen geradezu prädestiniert ist (Buch "Holz­ rahmenbau" vom Bund Deutscher Zimmermeister, Bruderverlag, 2. Auflage, zuerst erschienen 1992; Zeitschrift "mikado Magazin für Holzbau und Ausbau", Jahrgang 1998, Ausgabe Nr. 1, S. 12 ff).

Bekannt sind zahlreiche Varianten von Stützen-Scheiben-Konstruktionen, so z. B. Raster-Holz- Bauelemente (Patentschrift DE 43 29 413 A1), individuell auf die Gebäude zugeschnittene Elementierungen (Zeitschrift "quadriga, Das Holzbau-Magazin für Architekt und Zimmermann", Jahrgang 1999, Ausgabe Nr. 1, S. 24 ff) oder auch der vervielfältigte Fassadenbau mit wiederkehrenden Elementen (Zeitschrift "VfA Profil Das Architektenmagazin", Jahrgang 1998, Ausgabe Nr. 6, S. 45 ff). Desweiteren wird noch differenziert darin, ob die vorgefertigten Wandelemente stockwerkweise, also im "platform framing" oder in der der Erfindung zugrunde liegenden "ballon framing" mit Außenwandelementen, die über die Geschosse hinweg vom unteren Auflager bis zum oberen Abschluß geführt werden, konstruiert wurden (Zeitschrift "DETAIL", Jahrgang 1995, Ausgabe Nr. 3, S. 392f; Zeitschrift "Deutsches Architektenblatt", Jahrgang 1999, Ausgabe 7, S. 961 ff). Eine weitere Mög­ lichkeit, im Holzbau sehr weitgehend die Fassadenelemente vorzuproduzieren, liegt in der Massivholztechnik (Zeitschrift "DETAIL", Jahrgang 1997, Ausg. Nr. 1, S. 8f).

Allen Herstellungsweisen gemeinsam ist, daß die einzelnen Wandelemente immer projektbezogen, also für ein bestimmtes Gebäude hergestellt werden. Je genauer sie dem Endzustand entsprechen, um so größer ist der planerische und herstellungstechnische Aufwand. Als Beispiel sei noch einmal das fertige Element der industri­ ellen Hausproduktion genannt, das eine einhundert prozentige Planungstiefe sowie die entsprechende maschi­ nelle Potenz voraussetzt. Als Beispiel für einen eher reduzierten Aufwand gilt das Massivholz-Wandbauelement (Zeitschrift "DETAIL", Jahrgang 1997, Ausg. Nr. 1, S. 8f, s. o.)., dessen Bearbeitung vor der Baustellenanliefe­ rung aufgrund der Homogenität seines Tragwerkes nur noch im Längen- und Breitenschnitt, dem möglicherwei­ se schrägen Anschnitt der Giebel und dem Herstellen der Öffnungen für Türen und Fenster besteht.

Die Vielzahl der auf dem Markt erhältlichen fertigen oder halbfertigen Wandelemente verfügen nicht über die Eigenschaft, unabhängig von der fertigen Planung eines Gebäudes in entsprechender Stückzahl vorproduziert werden zu können, da für deren projektbezogene Vorfertigung eine exakte Vorplanung der späteren Öffnungen unabdingbar ist, und zwar in Bezug auf die Position und die Dimension der Öffnungen und auch in Bezug auf die Auswirkungen, die diese Öffnungen auf die Tragwerkseigenschaften des Gebäudes besitzen.

Bisher nicht praktiziert wird der Einsatz von Wandelementen, die auch ohne eine konkrete Vorplanung des jeweiligen Gebäudes vorgefertigt und an jeder beliebigen Stelle des Gebäudes auch als geöffnetes Element ein­ gesetzt werden können mit dem deutlichen Vorteil einer sehr effizienten Herstellung. Es ist also das Problem zu lösen, ein Wandsystem von den Faktoren vorbestimmte Position und Wandöffnung unabhängig zu machen und dennoch die Standsicherheit zu gewährleisten. Jedes einzelne für ein Gebäude mit oberseitig geradem Wandab­ schluß verwendete Wandelement muß demzufolge exakt gleich und beliebig zu öffnen sein. Dabei soll eine marktgerechte Vielfalt an Gebäudeformen und Nutzungen erhalten bleiben. Die Anzahl der Geschosse und die Geschoßhöhen sind variabel. Die dabei zu berücksichtigenden technischen und planerischen Regeln zur Ver­ wendung der erfindungsgemäßen Elemente schränken deren Gebrauchswert im Hinblick auf diese Vielfalt nicht ein, da jede gängige architektonische Lösung umgesetzt werden kann.

Die hohe Flexibilität des erfindungsgemäßen Wandsystems wurde dadurch erreicht, daß die geraden Wandteile grundsätzlich alle mit Öffnungen für Türen und Fenster zu versehen sind bei Beibehaltung des An­ schlußbereiches an das Nebenelement. Denn das bedeutet im Umkehrschluß, daß überall dort, wo Öffnungen erforderlich werden auch Öffnungen möglich sind. Jedes Wandelement hat technisch und baulich dieselben Voraussetzungen und kann demzufolge identisch und bereits vor der Planung des Gebäudes hergestellt werden, was oben erwähnte ökonomische Vorteile mit sich bringt. Für die Umsetzung der Vielzahl von möglichen Bau­ lösungen sind diese Wandelemente innerhalb einer Wandachse beliebig oft einsetzbar und jede Wandseite mün­ det in ein Eckelement, das die unterschiedlichen Gesamtwandlängen und Anstellwinkel der Wände zuläßt. Um die Stabilität des Wandsystems auch für den Fall noch zu gewährleisten, daß tatsächlich überall dort Öffnungen vorhanden sind, wo sie möglich sind, wird die Steifigkeit des geöffneten Wandbauteils erfindungsgemäß durch mechanische Einwirkung, nämlich durch eine Zugspannung parallel zu den lastabtragenden Stützen, erhöht. Das als Rahmen mit Stütze und Scheibe konzipierte Wandelement verliert durch großteiliges Entfernen der sie aus­ steifenden Scheibe seine Stabilität gegen Kräfte, die sie als rechtwinkeliges Viereck zu einer Raute verformen wollen. Die Resistenz des Bauteils gegen diese Verformung wird erhöht durch das Einbringen einer Zugspan­ nung auf den Teil der Scheibe, der unversehrt geblieben ist. Diese Kraft wirk also vom obersten Punkt eines jeden Elementes bis in die Gründung des Gebäudes, und zwar zu beiden Seiten seines Anschlusses an das be­ nachbarte Element. Zugleich bedeutet das Verspannen der einzelnen Elemente eine Sicherung gegen Abheben des Gebäudes, was für Leichtbaukonstruktionen eine große Bedeutung hat sowie eine erhebliche Erleichterung für die Montage mit sich bringt, da maßgenaues Arbeiten vorgegeben ist. Die Spannung wird der jeweiligen Gebäudehöhe angepaßt.

Das Einsetzen von Türen und Fenstern in die geöffnete Holzwerkstoffplatte geschieht durch erfindungsge­ mäßes Ergänzen eines Standard-Fensterelementes mit Leibungs- und Anschlagrahmen.

Nachfolgend werden die wesentlichen Inhalte der Erfindung anhand des Beispiels eines zweigeschossigen Gebäudes dargelegt. Die Erfindung bleibt jedoch unabhängig von der Anzahl der Geschosse und der Geschoß­ höhen. Die Darstellung der Einleitung von zusätzlich zum eigentlichen Tragwerk in die Konstruktion eingelei­ teten Zugspannungen ist nur beispielhaft, da auch andere Detaillösungen wie z. B. Spannseile, Gewindestangen, Haken-Ösen-Konstruktionen oder andere Metalle oder Kunststoffe, der Erfindung denselben Zweck erweisen.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Wandfertigteile geschieht in Kombination mit Eckelementen, herge­ stellt in der gleichen Systematik mit geänderten Längen der Seiten. Dies zeigen verschiedene Grundrisse. Fig. 1 zeigt ein einzelnes Element Fig. 2 und 3 zeigen mögliche Kombinationen von Grundelement und Eckelement. Das Grundelement (1) wird jeweils völlig unverändert verwendet und durch innere (2) oder äußere (3) Eckele­ mente bzw. nicht rechtwinkelige Eckelemente (4) zu einem variablen Grundriß zusammengesetzt. Die geschlos­ senen Eckelemente dienen dabei der Hauptaussteifung des Gebäudes gegen horizontal wirkende Kräfte.

Die statisch wirksamen Elemente eines jeden erfindungsgemäßen Wandelementes sind wie im Grundriß in Fig. 4 dargestellt die Holzwerkstoffplatte (1) ganz oder teilweise, Fußschwelle (2), Geschoßschwelle bei mehr als einem Geschoß (3), Kopfschwelle (4), Fußrähm (5), Geschoßrahm bei mehr als einem Geschoß (6), Kopf­ rähm (7), die aus Holzwerkstoffplatte und Kanthölzern kombinierten durchlaufenden Stützen beidseitig (8) so­ wie die innere Stütze (9). Nicht statisch wirksam sind die bei geschlossenen Wandelementen vollständig und bei geöffneten Wandelementen teilweise vorhandenen Mittelstützen (10) und Innenstützen (11). Fig. 5 zeigt diese Elemente im Schnitt. Zum Zweck eines exakten und einfachen aneinander Befestigens der Elemente und auch zur Herstellung der Winddichtheit der gesamten Konstruktion ragt die Holzwerkstoffplatte Fig. 4 (12) in den Bereich des benachbarten Wandelementes und überlappt dadurch die Anschlußfuge. Um Toleranzen in der Breite der Wandelemente zu überbrücken, ist jedes Element einseitig mit einem Filzstreifen (13) ausgestattet, der entsprechend komprimierbar ist. Zur Verdeutlichung enthält die Fig. 5 außerdem die Darstellung eines mögli­ chen Auflagers (14) der Elemente sowie die mögliche Position von Zwischengeschoßdeckenbalken (15) und Dachbalken (16).

Die erfindungsgemäße Vorspannung (1) der Holzrahmen (2), die es ermöglicht, die Steifigkeit der heilen Restwandflächen (3) bei geöffnetem Wandelement wie in Fig. 6 in der schematisierten Wandansicht von innen dargestellt gegen horizontal wirkende Kräfte (F1) zu erhöhen sowie das Gebäudes gegen abhebende Kräfte (F2) zu sichern, wird folgendermaßen erreicht: Zunächst wird in die Gründungsebene, beispielsweise eine Stahlbe­ tonbodenplatte, die als Fundament für die Konstruktion bei unterkellerten und nicht unterkellerten Gebäude gleichermaßen dient die Fußplatte (Fig. 7 in der Schnittzeichnung, Fig. 8 in der Ansicht) einbetoniert. Dieses erfindungsgemäße Fußeisen besteht aus einem Winkeleisen (1) mit unterseitig angeschweißten Rundeisen (2) für die Zugverankerung im Beton, Bohrungen (3) für die exakte Befestigung der Winkel an der Betonschalung, einem aufgeschweißten Gewindebolzen (4) zur Verankerung während der Bauzeit sowie zur punktgenauen Montage der Wandelemente und einem aufgeschweißten gelochten Flacheisen (5) zur Aufnahme der gabelför­ migen Aufhängung (6) der Spannvorrichtung (7) des Stahles (8). Jeweils im Anschlußbereich eines Wandele­ mentes an das benachbarte Element wird ein Fußeisen einbetoniert. Zur Montage wird das Wandelement mit der Fußschwelle (9), die eine entsprechende Aussparung (10) hat, in die Fußplatte "hereingehoben" und dann mit ihr verbunden. Als Gegenstück zur Fußplatte wird in die Oberseite des aufgerichteten Wandelementes die erfin­ dungsgemäße Kopfplatte (Fig. 9 in der Schnittzeichnung, Fig. 10 in der Ansicht) eingelassen. Diese ist identisch mit der Fußplatte Fig. 7 mit Ausnahme der fehlenden Rundeisen (2) sowie der Verwendung eines Flachstahls (8) anstelle eines Winkeleisens.

Zum Zweck der einfachen und exakten Schnellmontage der Wandelemente (1) Fig. 11 werden diese also zunächst nebeneinander auf die exakt vorgerichteten Fußeisen (2) gesetzt (beispielsweise durch Einbetonieren mit Hilfe einer dem Maßsystem der Wandelemente entsprechenden Längenlehre), sodann wird die Kopfplatte (3) so aufgelegt, daß die aufgeschweißten Bolzen (4) und Flacheisen (5) in die dafür vorgesehene Aussparung (6) greifen und dadurch bereits provisorisch die Elemente miteinander verbinden. Abschließend werden die Stabstähle (7) beiderseits eines jeden Wandelementes durch die entsprechenden Bohrungen (8) geführt (nur bei Mehrgeschossigkeit), mit den Spannschlössern (9), den gabelförmigen Haltern (10) sowie mit dem zur Aufnah­ me der Gabel aufgebohrten Flacheisen (6) verbunden und nach Erfordernis verspannt. Die Verspannung durch ein geeignetes Zugelement, z. B. Stabstahl mit Spannschloß, kann bei geschlossen bleibenden Wandelementen auch diagonal (11) erfolgen, da das gabelförmige Anschlußstück (10) zur Kraftübertragung auf die Fuß- und Kopfplatte jeweils in Richtung der Wand drehbar gelagert ist.

In Fig. 12a wird schematisch die Vorspannung des Wandrahmens verdeutlicht. Um den durch die Öffnun­ gen der Wandscheiben geschwächten Widerstand gegen die horizontal wirkende Kraft zu erhöhen, wird ein Übergewicht des vertikalen Kräfteanteils herbeigeführt. Bei der vergleichenden vektoriellen Betrachtung des Tragwerkes wird deutlich, daß die Kraftresultierende ohne Vorspannung (1), gebildet aus der Gewichtskraft (2) und der anzunehmenden horizontalen Windkraft (3) einen relativ zur Vertikalen offenen Winkel (4) bildet. Die in Fig. 12b dargestellte Kraftresultierende mit Vorspannung (5) hingegen, die durch die vertikal gerichtete Kraft (6) ergänzt wurde, hat einen wesentlich geschlosseneren Winkel (7), wodurch die Kraft wesentlich leichter ab­ leitbar wird. Die gewissermaßen "künstlich eingebrachte Gewichtskraft" ersetzt unter anderem die im Vergleich zu anderen Bautechniken extrem geringe Eigenlast der Konstruktion. Zusammengefaßt hat die erfindungsgemä­ ße Kombination des Holzrahmentragwerkes mit den vorgestellten, die erforderliche Zugspannung erzeugenden Bauteilen drei Funktionen:

• 1. Montagesystem zur paßgenauen Aneinanderreihung der Wandelemente,
• 2. Absichern des Gebäudes gegen Sogkräfte.
• 3. Verkleinerung des Angriffswinkels der resultierenden Gesamtkraft auf das Bauteil und damit Hinlenkung der Kraft in Richtung Fundament.

Durch diesen Eingriff in das Tragwerk ist es möglich geworden, jedes Wandelement nach dessen Herstellung für Fenster und Türen zu öffnen und also diese Wandelemente exakt gleich zu bauen.

Für die Umsetzung der erfindungsgemäßen Vorgabe, eine teilfertige Wand nach der Herstellung mit Öff­ nungen zu versehen, wird ein Einbausystem für Fenster und Türen vorgestellt. In Fig. 13 ist das zunächst ge­ schlossene Wandelement dargestellt, dann in Fig. 14 das Fenster mit seinem vormontierten erfindungsgemäßen Umbaurahmen, dann in Fig. 15 das geöffnete Wandelement und schließlich in Fig. 16 das um das Fenster- Rahmen-Element ergänzte Wandelement. In Fig. 17 bis Fig. 20 ist dieser Vorgang im Schnitt dargestellt. Dabei ist in Fig. 17 das ungeöffnete Element, in Fig. 18 das geöffnete Element, in Fig. 19 das Fenster-Rahmen- Element und in Fig. 20 das mit dem Rahmen versehene fertige Öffnungselement wiedergegeben. Fig. 14 zeigt die einzelnen Bestandteile des Fenster-Rahmen-Elementes. Das handelsübliche Fenster (1) erhält zunächst einen Rahmen aus Holzwerkstoffplatte (2). Über die Anschlagtiefe des Fensters in der Leibung entscheidet die vor­ montierte Anschlagverleistung (3). Außenseitig erhält der Fensterrahmen ebenfalls eine Anschlagverleistung (4), die die Anschlagtiefe des gesamten Fensterelementes innerhalb der Wand festlegt. Beide Anschlagverleistungen sind variabel, um auf verschiedene Fensterarten und Ausbauwünsche reagieren zu können. Auf beide Verlei­ stungen ist eine beidseitig klebende Dichtung (5) aufgebracht, die nach der Fenstermontage für einen völlig dichten Einbau sorgt. Mit der Fenster Rahmen-Kombination ist es möglich geworden, eine millimetergenaue Fenstermontage in eine Wand vorzunehmen, die keinerlei Vorbereitung für diese Öffnung hat und ebenso als geschlossene Wand hätte weiterbehandelt werden können.

Fig. 21 verdeutlicht beispielhaft den gesamten Montagevorgang in einer Axonometrie. Auf die nur als Pfeil dargestellten Fußeisen (1) wird das Wandelement (2) montiert und mit den nur als Pfeil dargestellten Kopfeisen (3) mit dem Untergrund zugfest verankert und verspannt. Die Wandteile, die Fenster oder Türen bekommen, werden aus der Wandkonstruktion herausgetrennt (4). Das dabei anfallende Material wird für die Einsetzrahmen (5) wiederverwendet. Das Öffnen der Wandscheibe beeinträchtigt die Tragwerkstabilität nicht, da wie vor be­ sprochen die Vorspannung der Zugverankerungen sowie die als geschlossene Wandteile verbleibenden Eckele­ mente der Wände die zu berücksichtigenden Belastungen aufnehmen. Nach Heraustrennen werden die bereits mit Fenstern/Türen und der vorbesprochenen Anschlagverleistung versehenen Leibungsrahmen (5) in die Öff­ nungen eingebaut.

Fig. 22 zeigt in einer Axonometrie ein Beispiel für die Kombination von geschlossenen Wandeckelementen und geöffneten Wandelementen für ein zweigeschossiges Gebäude unter Weglassung aller zur Verdeutlichung nicht erforderlichen Informationen.

Bei Gewährleistung einer dem Stand der Technik entsprechenden hohen Bauqualität des gesamten Wand­ systems (Wärmedammverhalten, Wärmespeicherkapazität, Winddichtigkeit, bauphysikalisch ausgereifte Ge­ samtkonstruktion mit unzerstörbarer Dampfdiffusionsdichtheit, Installationsebene, hoher Selbstausbaukomfort, Lebensdauer, Gestaltungsvielfalt ect.) ist es möglich, eine Reduzierung des Aufwandes zur Realisierung einer Baumaßnahme sowohl im vorbereitenden als auch im ausführenden Bereich zu erzielen. In der Vorbereitungs­ phase wird mit vordefinierten. universell einsetzbaren Rasterbauteilen und den sie ergänzenden Ausgleichsele­ menten der Ecksituationen eine Planung möglich, die für Wandöffnungen für Türen und Fenster ohne Sonder­ bauteile auskommt. Da die Randbedingungen des Tragwerkes lediglich geschlossene Eckbereiche und unbe­ rührte Anschlußbereiche der einzelnen Elemente vorgeben, ist jede gängige Lösung auch planerisch einfach umzusetzen. Die Vorteile in der Ausführung liegen in der sich stets wiederholenden Gestalt des vorgefertigten Wandelementes, das auch dann nicht in geänderter Form hergestellt werden muß, wenn später Öffnungen vorzu­ sehen sind.

Claims (1)

1. Vertikal verspanntes Holzbausystem zur Herstellung und Errichtung von teilfertigen Gebäudeaußenwand­ teilen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - die Wände bestehen bei deren Herstellung aus nur zwei Typen von Elementen, aus immer gleichen, ge­ raden Wandelementen und aus in den Schenkellängen variablen, aber ansonsten zu den Wandelemen­ ten baugleiche Eckelementen.
• - die Wandelemente sind dergestalt miteinander und mit dem Untergrund durch Bauteile verbunden und verspannt, daß diese Verspannung durch Erhöhung der vertikalen Kraft die Wirkung der horizontalen Kraft auf das Tragwerk verringert.
• - die Montage von Türen und Fenstern geschieht unabhängig von den vorproduzierten Elementen durch nachträgliches Öffnen der Holzwerkstoffplatte und Einsetzen der mit einem Umfassungsrahmen und Anschlagelementen versehenen Fenster- und Türenelemente.