Laubholzverwendung im konstruktiven Bereich - eine Herausforderung für die Zukunft

Die Fichte hat in Zeiten eines sich wandelnden Klimas einen immer schwereren Stand. Noch ist sie die Nr. 1 bei der Holzverwendung im konstruktiven Bereich. Angesichts sich ändernder Baumartenzusammensetzungen in unseren Wäldern hin zu immer mehr Laubholz stellt sich jedoch die Frage, welche Potentiale Laubholz in diesem Bereich hat.

Jan Bulmer, Clustermanager von proHolzBW, führte zu diesem Thema ein Interview mit Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schänzlin, Leiter des Institutes für Holzbau an der Hochschule Biberach, das in der Ausgabe 1/2019 des Waldwirt, der Mitgliederzeitschrift der Forstkammer Baden-Württemberg, erschienen ist. 

proHolzBW: Es gibt eine ganze Reihe an Anforderungen, die an Holz gestellt werden, um es im konstruktiven Bereich einsetzen zu können. Welche Vorausetzungen muss Laubholz erfüllen, damit es für diese Zwecke eingesetzt werden kann?

Prof. Schänzlin: Für den Tragwerksplaner, also dem, der u. a. die Statik eines Bauwerks berechnet, ist maßgeblich, dass die Eigenschaften eines Baumaterials bekannt sind. Ist dies der Fall, kann er das passende Ausgangsmaterial für die Anforderungen an ein Bauteil auswählen. So ist dies auch bei Holz. Um Laubholz im konstruktiven Bereich einsetzen zu können, muss es zunächst in Festigkeitsklassen eingruppiert werden können. Diese Festigkeitsklassen sind verknüpft mit mechanischen Eigenschaften, die in Normen (z.B. DIN EN 338^[1]) festgehalten sind und in der Berechnung für die Statik angesetzt werden dürfen. Um allerdings Bauholz in einzelne Festigkeitsklassen einstufen zu können, ist das vorhandene Ausgangsmaterial zunächst zu sortieren.

Diese Sortierung ist dabei auf der Ebene der Bauteile durchzuführen, da z.B. Äste und Astgrößen oder Faserabweichungen zur Bauteilachse die Festigkeit des Querschnitts beeinflussen können. Somit weichen die Tragfähigkeiten eines astfreien Bauteils stark von der Tragfähigkeit eines Bauteils mit einem Ast ab. Bisher ist die Sortierung von Laubholz allerdings – im Gegensatz zu Nadelholz – nur visuell möglich. Durch eine maschinelle Sortierung würde die Ausbeute größer, da dann an quantitativ messbaren Größen Aussagen über die Festigkeit getroffen werden können.

Dann muss das Laubholz in den für den Bau typischen bzw. sich aus den Berechnungen ergebenden Querschnittsabmessungen verfügbar sein. Hier ist die Schwierigkeit, dass es bisher keine Norm zur Herstellung von Brettschichtholzträgern aus Laubholz (mit Ausnahme der Pappel) gibt. Die bisherigen Produkte sind nur über Zulassungen geregelt, d. h. die Gültigkeit dieser Zulassungen sind i.d.R. auf 5 Jahre begrenzt, so dass bei längeren Baustellen oder ungünstigen Zeitpunkten der Fertigstellung u. U. die Zulassungen zum Zeitpunkt der Abnahme nicht mehr gültig sind und die gewählte Lösung nicht durch vergleichbare Produkte einfach ausgetauscht werden können, da die Berechnung sich auf diese spezielle Zulassung bezieht. Damit ist der Wettbewerb etwas eingeschränkt, da nicht nur die Kosten für die zu verwendenden Produkte verglichen werden müssen, sondern auch die Kosten für die Umplanung bei einem Wechsel des Herstellers den gesamten Preis beeinflussen.

Weiter beeinflusst die Dauerhaftigkeit der Bauteile die Wahl der Werkstoffe. Hier ermöglicht DIN 68800 (Vorgaben für den Holzschutz), in der viele Holzarten einer Resistenzklasse zugeordnet sind, die Auswahl des passenden Werkstoffs, sodass chemische Holzschutzmittel — je nach verwendetem Holz – u. U. eingespart werden können. Dies vereinfacht die Entsorgung am Ende der Lebensdauer des Tragwerks deutlich. Allerdings wird diese Dauerhaftigkeit z. T. dadurch erkauft, dass Gerbsäure im Material vorhanden ist. Diese Gerbsäure ist jedoch korrosiv, sodass höhere Anforderungen an den Korrosionsschutz von metallenen Holzverbindungsmitteln gestellt werden.

Weiterhin sollte eine einfache Handhabbarkeit der Bauteile gegeben sein. Bauen ist teilweise wetterabhängig und die große Frage ist immer, wie die Bauteile während des Transports und des Baus vor Witterung geschützt werden können. Dabei wird teilweise ein sehr hoher Aufwand betrieben, insbesondere wenn die Bauteile empfindlich gegenüber Befeuchtung sind. Diese Empfindlichkeit drückt sich zum einen durch Quellen, also eine Formänderung aus. Wunsch für die Zukunft ist, dass Methoden entwickelt werden und zum Einsatz kommen, die diese Produkte künstlich auf einen Feuchtegehalt trocknen, der dem Anwendungsbereich entspricht, sodass Quell- und Schwindverformungen auf ein Minimum reduziert werden können.

Zum anderen ist auch die Oberfläche empfindlich. Eine Veränderung der Oberfläche, z. B. durch Verdunklung oder Ausbleichen, ist – auch von Seiten der Architekten – oft nicht gewünscht, sodass hier besondere Maßnahmen zum Schutz getroffen werden müssen. Die notwendigen Schutzmaßnahmen sind sehr stark von der verwendeten Baumart abhängig, sodass je nach verwendetem Material andere Schutzmaßnahmen entwickelt und umgesetzt werden müssen.

Die Bemessung von Hochbauten geht von einer Nutzungsdauer von 50 Jahren aus, während im Brückenbau von einer Nutzungsdauer von 100 Jahren ausgegangen wird. Dies bedeutet, dass die Eigenschaften des Holzes über die gesamte Lebensdauer garantiert sein müssen.

Ein weiterer Aspekt ist der Brandschutz. Hier können aus der Verwendung von Laubholz Vorteile gezogen werden, da die Abbrandrate von Laubholz ab einer bestimmten Dichte (z.B. Eiche) kleiner ist, als die Abbrandrate von Nadelhölzern. Damit wird erreicht, dass die Feuerwiderstandsdauer bei gleichem Querschnitt größer ist und damit mehr Querschnitt innerhalb des Bemessungsbrands zur Verfügung steht.

proHolzBW: Welche Laubholzarten eignen sich für konstruktive Zwecke?

Prof. Schänzlin: Grundsätzlich ist eine Vielzahl von Holzarten verwendbar, sofern deren Eigenschaften bekannt sind. Aus heutiger Sicht des Tragwerksplaners ist jedoch sicher das Produkt Baubuche das Flaggschiff unter den Laubhölzern, da es durch die Herstellung als Furnierschichtholz die natürlichen Abmessungen sowohl in Höhe und Breite als auch in der Länge verlässt, Fehlstellen im Ausgangsmaterial durch den Produktionsprozess entfernt werden und gleichzeitig im Vergleich zum Nadelholz deutlich höhere Festigkeiten und damit eine sehr hohe Tragfähigkeit aufweist. Dieser Werkstoff liefert bei realen Bauteilabmessungen Druckfestigkeiten, die in den Bereich von hochfesten Betonen reichen. Damit eignet sich dieses Bauprodukt hervorragend für weitgespannte Fachwerkträger oder aber auch für hochbelastete Vollquerschnitte. Vorteil ist auch, dass dieses Produkt verfügbar und lieferbar ist. Durch diesen kommerziellen Hintergrund sind die Grundlagen für die am Bau Beteiligten durch Fachliteratur soweit aufbereitet, dass entlang der gesamte Lieferkette die Verwendbarkeit gesichert ist.

Bei anderen Arten ist dies noch nicht im vergleichbaren Umfang geschehen, auch wenn Eiche heute schon in Bereichen eingebaut wird, in denen lokal hohe Spannungen vorhanden sind. Auch sie liefert Druckfestigkeiten, die dem normalen Beton entsprechen. Allerdings ist immer die Schwierigkeit, dass das Angebot an Brettschichtholzbauteilen aus Eiche und anderen Baumarten (mit Ausnahme der Buche) sehr gering ist, sodass am Ende des Planungs- und Ausschreibungsprozesses häufig Vorteile bei Nadelholz gesehen werden. Auch das Thema Gerbsäure schränkt die Verwendung von Eiche ein und erfordert eine neue Beurteilung der bisherigen Lösungen. 

Da im Wesentlichen die bisherige Sortierung von Laubholz auf einer visuellen basiert, ergibt DIN EN 1912^[2], dass Ahorn, Eiche, Buche und Esche klassifiziert und damit heute schon prinzipiell verwendet werden können. Diese Aufzählung soll allerdings keinen ausschließenden Charakter haben, da andere Holzarten, wie z. B. Birke, Edelkastanie, Erle, Esche, Kirschbaum, Nussbaum und Ulme bei astlosen und „fehlerfreien“ Querschnitten Festigkeiten erwarten lassen, die deutlich über denjenigen der Fichte oder vergleichbaren Nadelhölzern sind (siehe hierzu z. B. DIN 68364^[3]). Der große Hinderungsgrund für die Anwendung dieser Holzarten ist allerdings, dass die Auswirkungen von Ästen und Faserabweichungen (= “Fehler“) nicht umfassend bestimmt sind, sodass eine Klassifizierung dieser Bauteile noch nicht im vergleichbaren Umfang möglich ist, wie bei üblichen Nadelhölzern.

Interessant wäre die genauere Betrachtung der Pappel. Zwar sind die mechanischen Eigenschaften dieses Materials geringer als die von Tanne, allerdings können diese geringeren Festigkeiten durch größere Querschnitte kompensiert werden, denn diese Holzart ist die einzige heimische Laubholzart, die in DIN EN 14080 (DIN für die Anforderungen an Holzbauwerke – Brettschichtholz und Balkenschichtholz) erfasst ist, so dass bereits heute Brettschichtholz in dieser Holzart hergestellt werden dürfte. Dies bedeutet, dass dieses Produkt durch eine Produktnorm geregelt ist und die Herstellung deswegen nicht über eine Zulassung geregelt werden muss. Damit ist die Anzahl der potentiellen Hersteller deutlich vergrößert. Die Herstellbarkeit von Brettschichtholz ist allerdings eine Schlüsselqualifikation des Werkstoffs, da dann die natürlichen Abmessungen des Baums verlassen, Fehlstellen herausgetrennt und damit bessere mechanische Eigenschaften erzielt werden können. Hinzu kommt, dass die Bretter während der Herstellung künstlich getrocknet werden, so dass der Einfluss des Schwindens reduziert werden kann und das Bauteil formstabiler ist. Am Ende des Tages werden allerdings der Preis und die Verfügbarkeit darüber entscheiden, inwieweit die Anwendung von Pappel — sofern verfügbar –sinnvoll ist.

Da bisher der Fokus auf der Verwendung von Nadelhölzern lag, sind für die Anwendung von Laubhölzern noch einige Wissens- und Erfahrungslücken vorhanden, die in den zukünftigen Untersuchungen (hoffentlich) geschlossen werden. Welche Holzart besonders geeignet ist, lässt sich derzeit also noch nicht abschließend beurteilen. Zukünftige Untersuchungen werden sicherlich zeigen, wie groß das Potential der einzelnen Holzarten sein wird. Ich gehe davon aus, dass die Ergebnisse dieser Untersuchungen den optimalen Anwendungsbereich der einzelnen Holzarten definieren werden, so dass sicherlich ein Großteil der zur Verfügung stehenden Holzarten im Bauwesen seinen Einsatz finden kann. Ob dies immer hochbeanspruchte Bauteile sein müssen, ist offen; allerdings werden nicht nur hochbeanspruchbare Bauteile benötigt, sondern z.B. auch teilweise leichte und einfach abbindbare Bauteile, sodass es sicherlich für jeden Anwendungsbereich eine optimale Holzart geben kann.

proHolzBW: Die Bauordnungen des Bundes und der Länder enthalten u. a. Vorgaben, welche Normen und damit auch welche Produkte im konstruktiven Bereich zur Anwendung kommen können. Für Produkte, die hier nicht in diesen Normen geregelt sind, konnte der Hersteller früher eine sogenannte (nationale) allgemeine bauaufsichtliche Zulassung beantragen. Diese nationalen Zulassungen sind allerdings durch europäische Zulassungen (European Technical Assessment ETA) in Zusammenhang mit einer Übereinstimmungserklärung (Declaration of Properties, DoP) abgelöst worden. Mit diesen Dokumenten kann das Produkt im Bau angewandt werden. Wie viele solcher Zulassungen gibt es momentan für Laubholzprodukte?

Prof. Schänzlin: Im Bereich der Tragwerksplanung konzentrieren sich europaweit etwa 10 Zulassungen auf die Herstellung von Brettschichtholz, Furnierschichtholz und Sperrholz. Die dabei verwendeten Holzarten sind z. B. Buche, Eiche, Dark Meranti (ein tropisches Laubholz) und Edelkastanie. Diese Zulassungen bedeuten allerdings, dass es häufig europaweit nur einen Hersteller dieses Produkts gibt, sodass bei einer Ausschreibung dieser speziellen Materialien eine gewisse Abhängigkeit von dem jeweiligen Hersteller vorhanden ist. Aus Sicht des Marktes wäre es wünschenswert, wenn es hier mehrere Anbieter geben würde.

proHolzBW: Wo sehen Sie zukünftig die größten Chancen für den Einsatz von Laubholz im Bauwesen?

Prof. Schänzlin: Die interessante Frage der Zukunft wird sein, ob Laubholz Nadelholz ersetzt, oder ob durch Laubholz mit seiner Festigkeit im Bereich von normal- und hochfesten Betonen nicht auch andere Materialien ersetzt werden können. Ich denke, dass Laubholz weniger im Einfamilienhausbau seine Verwendung finden wird, da dort die Bauteile (z.B. Außenwände oder Sparren) weniger von der Tragfähigkeit, sondern eher von den bauphysikalischen Anforderungen definiert werden. Eher wird es im Mehrgeschoss- und Bürobau zur Anwendung kommen, da dann z.B. die üblichen Betonstützen durch Laubholz ersetzt werden können. Dieser Baubereich wird bisher allerdings vom Betonbau dominiert, so dass durch die Verwendung von Laubholz eine Ausbreitung des Anwendungsbereichs von Holz unterstützt und erwartet wird. Voraussetzung ist allerdings, dass die zur Verfügung stehenden Abmessungen unabhängig vom Baum werden, indem dieses Material als Brettschichtholz- oder Furnierschnittholzbauteile zur Verfügung steht. Weiterhin ist es notwendig, dass Laubholz seinen heutigen „Exotenstatus“ verliert, indem z. B. mehr Anbieter auf dem Markt vorhanden sind und die Produkte nicht über Zulassungen, sondern über Produktnormen geregelt werden, so dass dieser Werkstoff ein „normaler“ Werkstoff wird, der am Ende in jeder Bemessungssoftware hinterlegt ist, um z. B. auch dem Tragwerksplaner die Berechnung dieser Bauteile zu vereinfachen.

proHolzBW: Sehen Sie unter den Laubholzarten eine Alternative zur Fichte bzw. Nadelholz?

Prof. Schänzlin: Es ist immer unklar, was die Zukunft bringt. Ich denke eher, dass es nicht zu einem 1:1-Ersatz des Fichten- bzw. Nadelholzes kommen wird, sondern dass die am Bau Beteiligten immer die Vorteile des jeweiligen Werkstoffs nutzen werden. Damit werden durch die i.d.R. höheren Festigkeiten plötzlich größere Spannweiten oder kleinere Abmessungen möglich. Dies führt zu neuen Entwurfsgrundsätzen, so dass nicht Nadelholz ersetzt wird, sondern Laubholz in einer für den Holzbau neuen Art und Weise eingesetzt wird. Am Ende des Tages werden allerdings die Kosten eine wesentliche Entscheidung bzgl. der Verwendung von Laubholz darstellen. Solange die gesamte Konstruktion aus Nadelholz (inkl. der größeren Anzahl an Bauteilen, größeren Abmessungen etc.) kostengünstiger herzustellen ist als aus Laubholz, wird Laubholz nur dann zur Anwendung kommen, wenn dieser höhere Kostenaufwand durch einen Mehrwert wie z. B. freiere Nutzung des Raums durch weniger Stützen, kleinere Bauteilabmessungen oder andere Oberflächen gerechtfertigt ist.

Neben diesen von der Bauseite entstehenden Einflüssen, beeinflussen sicherlich auch die Strategien des Forstes die zukünftige Wahl des Werkstoffs, denn dessen Verfügbarkeit hängt von den zu erwartenden Erträgen der einzelnen Arten aus den Wäldern ab. Ich bin mir ziemlich sicher, dass dann für diese Bäume eine optimale Verwendung im Bauwesen erreicht werden wird, denn jede neue Anforderung erzeugt innovative Lösungen, an die bis heute noch nicht gedacht wurde. Voraussetzung ist allerdings, dass die Ressourcen für diese notwendigen Untersuchungen zur Verfügung stehen.

proHolzBW: In diesem Jahr soll das „Technikum Laubholz“ des Landes Baden-Württemberg gegründet werden, mit welchem eine umfassende Forschung zur laubholzbasierten Rohstoffverwendung vorangetrieben werden soll. Wo sehen Sie die wichtigsten Aufgaben für das Technikum hinsichtlich der Verwendung von Laubholz als Bauholz?

Prof. Schänzlin: Aufgrund der Vielzahl an Beteiligten am Bau ist der gesamte Planungs- und Bauprozess vergleichbar mit einem Getriebe. Hakt nur ein kleines Zahnrad, funktioniert der ganze Ablauf nicht. Übertragen bedeutet dies, dass alle am Bauen Beteiligten entlang der gesamten Lieferkette mit diesem Werkstoff umgehen können müssen und bei der Verwendung dieses Werkstoffs auch dabei einen Vorteil sehen. Dies bedeutet, dass z. B. der Forst die Querschnitte in definierten Festigkeitsklassen mit definierter Feuchte liefern kann, der Architekt mit dieser höheren Tragfähigkeit altbekannte Entwurfsgrundsätze überdenkt und sich daraus neue Möglichkeiten im Hinblick auf den Entwurf von Bauwerken ergeben, der Tragwerksplaner die neue Leistungsfähigkeit kennen lernt und das Tragwerk auf diese Fähigkeiten hin optimiert, der Ausführende die Kalkulationsansätze für die Ausführung verwenden und den Einsatz der Geräte besser planen kann. Die Auswirkungen der Entscheidungen der einzelnen Gewerke haben allerdings wieder eine Rückkopplung auf die anderen Gewerke, sodass die optimale Lösung für ein Gewerk nicht immer die optimale Lösung für den gesamten Planungs- und Bauprozess darstellt. Damit wird als wichtigster Grundsatz angesehen, dass in einem Laubholztechnikum die gesamte Lieferkette vom Baum im Wald bis zum verbauten Bauteil abgebildet wird. Die Fragestellungen, die sich entlang dieser Lieferkette ergeben, sind dabei dann wissenschaftlich zu bearbeiten und die Auswirkungen auf die anderen Gewerke zu diskutieren und zu untersuchen. Durch diese integrale Bearbeitung der Fragestellungen wird erwartet, dass einerseits Lösungen für den aktuellen, heutigen Bedarf entwickelt werden, andererseits aber auch Innovationen entstehen, die dem Laubholz neue, bisher nicht angedachte Anwendungsbereiche eröffnen. Am Ende sollen Lösungen entstehen, die „aus einem Guss“ sind, sprich bei denen entlang der gesamten Lieferkette ein Optimum erreicht wird und nicht nur für ein einzelnes Gewerk, die vielleicht zu Nachteilen bei den anderen Gewerken führen.

Daher ist es die zentrale Aufgabe des Laubholztechnikums, Fragestellungen der Anwender aufzunehmen, Lösungen wissenschaftlich unter Einbeziehung der Effekte auf die gesamte Lieferkette zu bearbeiten und die gefundenen und optimierten Lösungen den Anwendern entlang der gesamten Lieferkette zurück zu spiegeln. Durch diese Interaktion und die Betrachtung der gesamten Lieferkette werden Impulse für neue innovative Lösungen gesetzt, die die Stellung des Holzbaus im täglichen Konkurrenzkampf stärken. Inwieweit dies infolge der Komplexität und der Notwendigkeit wissenschaftlicher Methoden zur Lösung der Fragestellungen durch ein Laubholztechnikum abgedeckt werden kann, ist offen. Vielleicht macht es Sinn, auch verschiedene miteinander verzahnte Departments zu installieren, wie z.B. „Laubholztechnikum Bau“ und „Laubholztechnikum Forst“, bei denen z.B. die Übergabestelle das eingesägte Brett nach dem Verlassen des Sägewerks darstellt.

Gelingt es nicht, Lösungen aus einem Guss in Bezug auf die gesamte Lieferkette zu erzeugen, wird immer ein Rädchen im Getriebe blockieren, so dass dann die Verwendung von Laubholz unter dem Konkurrenzdruck mit anderen Materialien einen schweren Stand haben wird.

^[1] DIN EN 228: Bauholz für tragende Zwecke – Festigkeitsklassen; Deutsche Fassung EN 338:2016

^[2] DIN EN 1902: Bauholz für tragende Zwecke – Festigkeitsklassen – Zuordnung von visuellen Sortierklassen und Holzarten; Deutsche Fassung EN 1912:2012 + AC:2013

^[3] DIN 68364: Kennwerte von Holzarten – Rohdichte, Elastizitätsmodul und Festigkeiten