Bei größeren Lasten und Spannweiten ergeben die Berechnungen Balkenquerschnitte, die in den erforderlichen Längen nur schwer zu beschaffen sind. In solchen Fällen müssen zusammengesetzte Konstruktionen verwendet werden. Die unter 1 und 2 beschriebenen Konstruktionen sind vollständig handwerkliche Arbeiten. Der Einsatz moderner Verbindungsmittel ist dabei durchaus zweckmäßig.
1. Mit Dübeln verbundener Balken
Zwei Balken, beim Brückenbau mitunter auch drei, werden übereinandergelegt und anschließend mit Dübeln und Schrauben miteinander verbunden. In welchem Maß ein solcher Querschnitt die Tragfähigkeit eines entsprechenden Vollquerschnitts erreicht, hängt von der Wirksamkeit der Dübel, dem Feuchtigkeitsgrad des Holzes und der Ausführungsqualität ab. Dies wird niemals vollständig erreicht. Nach DIN beträgt das Widerstandsmoment für zwei Balken W=0,85 bh__2_/6_ und für drei Balken W=0,7 bh__2_/6_. Für Brücken werden diese Beiwerte auf 0,8 beziehungsweise 0,6 vermindert. Bei der Durchbiegungsberechnung ist für zwei Balken I=0,6 bh__3_/12_ und für drei Balken I=0,3 bh__3_/12_ anzusetzen. Bei Schwinden des Holzes sollten die Schrauben entsprechend nachgezogen werden.
Abbildung 1: Mit Dübeln verbundener Balken als Unterzug einer Deckenkonstruktion.
Für rechteckige Zimmermannsdübel, die stets aus Eichenholz hergestellt werden, beträgt die günstigste Einschnitttiefe 1/8 bis 1/10 der Höhe der einzelnen Balken; die Fasern der Dübel und der Balken müssen in gleicher Richtung verlaufen.
Um eine Durchbiegung nach unten zu verhindern, erhält der Dübelbalken vor der endgültigen Montage zur Spannweitenmitte hin eine Überhöhung oder einen Stich. Die Balken werden mit Schrauben verbunden; die Aussparungen für die Dübel werden in einem Arbeitsgang mit einer Kettenfräse hergestellt. Abbildung 1 zeigt einen Dübelbalken als Unterzug einer Deckenkonstruktion. Dübelbalken werden bis zu 15 m Spannweite hergestellt.
Dübelbalken sollten nur ausnahmsweise verwendet werden, da alle Typen neben einer verhältnismäßig geringen Tragfähigkeit großen Arbeits- und Materialaufwand erfordern. Wichtig ist, dass lastbedingte Verformungen möglichst klein bleiben.
2. Hängewerk, Sprengwerk und Hängesprengwerk
Ist der normale Balkenquerschnitt unzureichend und steht in seiner Ebene unter- oder oberhalb genügend Raum zur Verfügung, etwa bei Dachstühlen, Brücken oder Gerüsten, kann ein Hängewerk, ein Sprengwerk oder eine Kombination aus beiden angeordnet werden. Nach der Zahl der Aufhänge- oder Stützpunkte unterscheidet man einfache und doppelte Hängewerke sowie einfache und doppelte Sprengwerke. Bei der Berechnung des einfachen Hängewerks (Abb. 2) wird angenommen, dass der in Spannweitenmitte angeordnete Pfosten beziehungsweise die Vertikale und beide Streben jeweils die Hälfte der gleichmäßig auf den horizontalen Zugbalken wirkenden Last auf die Auflager übertragen. Abbildung 3 zeigt die Verbindung zwischen Vertikale und Zugbalken. Abbildung 4 zeigt ein doppeltes Hängewerk als tragende Dachkonstruktion (linke Hälfte: Dach mit Streben, rechte Hälfte: Pfettendach).
Abbildungen 2–5: Einfaches und doppeltes Hängewerk, Verbindung von Vertikale und Zugbalken sowie Knoten aus Strebe, Pfosten und Spannriegel.
Der horizontale Stab zwischen zwei Vertikalen heißt Spannriegel. Abbildung 5 zeigt den Knoten von Strebe, Pfosten und Spannriegel; bei großen Lasten wird ein Knotenblech eingesetzt. Beim Sprengwerk liegt die Tragkonstruktion unter dem Balken, der an einem Punkt (Abb. 6) oder zwei Punkten (Abb. 7) gestützt wird. Die horizontale Komponente, der Schub, muss vom Auflager aufgenommen werden. Zur Verstärkung des Zugbalkens wird der Spannriegel in Abbildung 7 mit Dübeln und Schrauben angeschlossen. Abbildung 8 zeigt ein Hängesprengwerk. Damit die Streben ohne Stoß ausgeführt werden können, muss der Zugbalken doppelt sein.
Abbildungen 6–8: Unterstützung an einem und zwei Punkten sowie Hängesprengwerk.
3. Vollwandbinder
Balkenbinder
Vollwandbalken nach dem Vorbild von I-Profilen des Stahlbaus treten als verdübelte, verleimte oder genagelte Balken auf. Die obere Spannweitengrenze beträgt 15 m. Die Konstruktionshöhe sollte wie beim Stahlbau 1/8 bis 1/12 der Spannweite betragen. Die einfachste Stegform ist eine senkrecht gestellte Bohle, die mit Dübeln und Schrauben an die Gurte angeschlossen ist (Abb. 9). Aus gehobeltem Holz gefertigte und zwischen den Gurten angeordnete Aussteifungsvertikalen sollten vermieden werden, weil sie beim Schwinden die Verringerung der Höhe verhindern und zum Abreißen des Steges führen können.
Abbildung 9: Einfachste Stegform eines Vollwand-Balkenbinders.
Abbildung 10 zeigt einen einfachen Balken mit 14,04 m Spannweite. Stöße im Steg sind mit verleimten Sperrholzstücken abgedeckt. Die Stege sind durch Aussteifungen aus gehobelten Balken gegen Ausbeulen gesichert. Der erforderliche Pressdruck beim Verleimen wurde durch Schrauben erzeugt, die nach dem Aushärten des Klebstoffs zur Sicherheit in der Konstruktion verblieben. Der Steg besteht aus zwei sich kreuzenden und miteinander vernagelten Brettlagen von 24–40 mm Dicke. Für die Verbindungen werden überwiegend Dübel und Schrauben oder Nägel verwendet. Bestehen die Gurte aus mehreren Brettern, nimmt deren Verschiebung gegenüber dem Steg zu, je weiter sie vom Steg entfernt sind. Der Druckgurt ist auf Knicken zu prüfen. Abbildung 11 zeigt ein Beispiel nach russischen Normen.
Abbildung 10: Einfacher Balken mit 14,04 m Spannweite.
Abbildung 11: Beispiel eines Balkenbinders nach russischen Normen.
Hohlträger besitzen eine geringere Steifigkeit (Abb. 12). Ober- und Untergurt bestehen jeweils aus einem gehobelten Balken, dem die erforderliche Überhöhung leicht gegeben werden kann. Am Auflager ist ein geneigtes Druckglied zweckmäßig, das sich mit einem Versatz gegen Unter- und Obergurt abstützt; dadurch wird die Steifigkeit des Balkens, wenn auch nur wenig, erhöht.
Abbildung 12: Hohlträger.
Bogenbinder
Abbildung 13 zeigt einen Binder für ein Salzlager in den Niederlanden. Die Spannweite beträgt 54 m, der Binderabstand 5,4 m. Die durch das Biegen der zu verleimenden Bretter erzeugte Vorspannung hat keinen merklichen Einfluss auf die Tragfähigkeit. Eine Verminderung von Trägheits- und Widerstandsmoment bei verleimten Querschnitten ist nicht erforderlich.
Abbildung 13: Bogenbinder für ein Salzlager in den Niederlanden.
Abbildung 14 zeigt einen leichten, verleimten Dreigelenk-Rahmenträger. Der Steg besteht aus 18 cm bis 20 cm breiten und 5 cm dicken Bohlen, die nach dem Trocknen untereinander sowie mit Ober- und Untergurt mit Kaurit-Leim und gelbem Kalthärtezusatz verleimt wurden.
Abbildung 14: Leichter Dreigelenk-Rahmenträger in Leimbauweise.
Genagelte Bogenbinder, deren Steg aus zwei rechtwinklig gekreuzten Brettlagen besteht und an die mehrere dem Bogenverlauf folgende senkrechte Bretter als Gurte genagelt werden, sind sehr wirtschaftlich. Selbst für größte Spannweiten kann verhältnismäßig schwaches und kurzes Holz verwendet werden.
4. Fachwerkbinder
Moderne Holzfachwerke folgen meist Formen und Systemen des Stahlbaus, obwohl diese für Holz nicht immer zweckmäßig sind. Holzkonstruktionen werden so entworfen, dass in Nebenanschlüssen möglichst geringe Kräfte auftreten. Nebenspannungen haben nicht die gleiche Bedeutung wie im Stahlbau. Stäbe mit kleineren Kräften müssen häufig nicht zentrisch angeschlossen werden, besonders wenn dies konstruktive Vereinfachungen ermöglicht. Fachwerkkonstruktionen sind bei ausreichender Konstruktionshöhe wirtschaftlicher als Vollwandträger, stellen aber höhere Anforderungen an Zimmermann und Material.
Der Untergurt von Balkenbindern ist meist waagerecht und erhält beim Abbund eine Überhöhung, die so bemessen ist, dass er sich unter Volllast nicht nach unten durchbiegt. Ihr Wert hängt von Verbindungsmitteln, Holzfeuchte und statischer Binderhöhe ab. Eine etwas größere Überhöhung ist günstiger als eine zu kleine. Der Obergurt verläuft meist parallel zur Dachdeckung.
Bei zu geringer Neigung, unter 6%, können sich bei kleiner Konstruktionshöhe und nachgiebigen Knoten nahe den Auflagern Gegengefälle mit nachteiligen Folgen bilden. Die Neigung des statisch wirksamen Obergurtstabes am Auflager sollte nicht kleiner als 1:3 sein.
Parallelgurtbinder
Der bekannte Howe-Binder wird auch heute verwendet (Abb. 15). Die Diagonalen nehmen unter Volllast Druck auf, während die Vertikalen gezogen werden. Die Vertikalen sind runde Stahlstangen mit Muttern an beiden Enden (Abb. 15 rechts). Senkt sich der Binder infolge Holzschwindens oder ungenauer Fertigung, können die Muttern nachgezogen werden. Bei kleineren Spannweiten oder Lasten können die Vertikalen auch als Zangen ausgeführt werden (Abb. 15 links). Die empfohlene Konstruktionshöhe beträgt wie bei Vollwandträgern 1/8 bis 1/12 der Spannweite; bei größeren Spannweiten und schweren Lasten bis zu 1/6.
Abbildung 15: Howe-Parallelgurtbinder.
Pultdachbinder
Abbildungen 16 und 17 zeigen Pultdachbinder für kleine und mittlere Spannweiten und geringe Lasten.
Abbildungen 16–20: Systeme von Pultdach- und Dreieckbindern.
Abbildung 21: Details eines Fachwerkbinders.
Dreieckbinder
Dreieckbinder (Abb. 18 bis 22) sind für kleine und mittlere Spannweiten die wirtschaftlichsten und verbreitetsten Holzbinder. Die größten Gurtkräfte treten nicht in Feldmitte, sondern an den Auflagern auf. Da in den Füllstäben selbst bei unsymmetrischer Belastung nur Zug oder Druck ohne Wechselspannungen auftritt, wird die Knotenausbildung gerade im Holzbau stark vereinfacht. Abbildung 22 zeigt einen Binder für die Stadthalle Holzminden. Bei größeren Spannweiten werden Dreieckbinder mit hochgezogenen Traufen ausgeführt (Abb. 23).
Abbildungen 22 und 23: Dreieckbinder für eine Stadthalle und Binder mit hochgezogenen Traufen.
Mansardbinder
Mansardbinder (Abb. 24 bis 26) haben sich für Spannweiten von 15 m bis 35 m als sehr wirtschaftlich erwiesen. Empfohlen werden Systemhöhen von 1/8 bis 1/6 der Spannweite. Als Deckung kommen Wellplatten aus Asbestfasern und Dachpappen in Betracht. Für den flach geneigten Dachteil ist auch hier mindestens 6% Neigung anzusetzen. Abbildung 26 zeigt die Systemlinie eines Binders für die Arbeiteranlagen München-Ost mit wichtigen Knoten des Systems Kübler. Die Spannweite beträgt 26,5 m, der Binderabstand 7 m.
Abbildungen 24 und 25: Mansardbinder.
Abbildung 26: Systemlinie und Knoten eines Mansardbinders für München-Ost.
Parabel- und Bogenbinder
Bei Dächern mit hohem Eigengewicht, geringer Neigung und damit kleinen Windangriffsflächen sowie annähernd gleichmäßig verteilter Schneelast ist es zweckmäßig, die Binderform der Stützlinie anzupassen. Die Füllstäbe von Parabelbindern nehmen bei gleichmäßiger Belastung keine Kräfte auf. Sie nehmen zufällige Lastunregelmäßigkeiten auf und verhindern das Ausknicken des Obergurtes in Binderebene. Füllstäbe sind so anzuschließen, dass sie Zug und Druck aufnehmen können. Die Oberkante wird durch Sägen bogenförmig hergestellt (Abb. 27). Abbildung 28 zeigt die Systemlinie und drei charakteristische Knoten.
Abbildung 27: Parabelbinder mit bogenförmig gesägter Oberkante.
Abbildung 28: Systemlinie und charakteristische Binderknoten.
Wird bei sehr großen Spannweiten nur der Dachdeckungsträger als Fachwerkträger ausgeführt (Abb. 29), muss der druckbeanspruchte Untergurt durch Kopfbänder an den Pfetten abgestützt werden. Wegen der wechselnden Neigung kommt unbesandete Dachpappe als Deckung in Betracht. Ein gleichmäßiges Dachgefälle kann auch durch erhöhte Sparren über Traufe und First oder durch einen Aufbau über der Traufe, also ein möglichst flach geneigtes Satteldach, erreicht werden.
Zwei- und Dreigelenkbinder
Zweigelenkrahmen sind in Abbildungen 30 und 31 dargestellt. Steife Eckknoten bereiten Schwierigkeiten, die am einfachsten mit kunstharzverleimten Knotenplatten bewältigt werden. In den Füllstäben treten Wechselspannungen auf, weshalb die Knoten ungünstig zu konstruieren sind. Abbildung 32 zeigt einen Zweigelenk-Fachwerkrahmen für ein Bootshaus mit 5,6 m Binderabstand. Abbildung 33 zeigt einen Dreigelenkbinder. Echte Gelenke sind meist nicht erforderlich; eine gewisse Beweglichkeit genügt. Für große und größte Spannweiten werden vor allem Dreigelenkbinder eingesetzt, weil sie wirtschaftlich und technisch gut ausführbar sind.
Abbildungen 29 und 30: Fachwerk-Dachdeckungsträger und Zweigelenkrahmen.
Abbildungen 31 und 33: Zweigelenkrahmen und Dreigelenkbinder.
Abbildung 32: Zweigelenk-Fachwerkrahmen für ein Bootshaus.
Mehrschiffige Hallen
Abbildungen 34, 35 und 36 zeigen praktische Typen mehrschiffiger Hallen. Abbildung 36 stellt den Binder des Festsaals eines Gesangvereins in Wien dar. Für die Verbindungen wurden Ringdübel verwendet.
Abbildungen 34 und 35: Praktische Typen mehrschiffiger Hallen.
Abbildung 36: Binder des Festsaals eines Gesangvereins in Wien.
5. Türme, Gerüste und Tribünen
Holz kommt als Baustoff für Aussichts- und Beobachtungstürme, Kirchtürme und Türme von Industrieanlagen in Betracht. Ständige Bauwerke werden meist durch Einspannung der Stützen in die Fundamente stabilisiert. Vorübergehende Bauwerke werden häufig mit Stahlseilen in mindestens drei Richtungen abgespannt. Der Grundriss ist meist quadratisch oder rechteckig; dreieckige Grundrisse können wirtschaftlich sein. Bei unverkleideten Türmen ist besonders darauf zu achten, dass sich in den Knoten weder Wasser noch Schmutz sammelt und alle Teile belüftet werden. Für dauerhafte Bauwerke sollte ausschließlich imprägniertes Holz verwendet werden. Die Imprägnierung erreicht ihr Ziel nur vollständig, wenn sie nach dem Abbund, aber vor der Montage erfolgt. Für Stützen wird trotz schwierigerer Verbindungen Rundholz empfohlen.
Abbildung 37: Holztribüne in Leipzig.
Holz wird außerdem für Gerüste und Tribünen verwendet. Abbildung 37 zeigt eine Tribüne in Leipzig. Für die äußeren Verbindungen wurden Alligator-Zahnringdübel verwendet. Tribünen für vorübergehende Zwecke werden niemals überdacht. Dennoch ist größte Sorgfalt beim Entwurf erforderlich; insbesondere müssen die notwendigen Längs- und Queraussteifungen vorhanden sein. Damit das Holz nach dem Abbau wiederverwendet werden kann, sollten die Knoten möglichst geringe Schäden verursachen.
6. Brücken
Neben Stein spielte Holz früher im Brückenbau eine wichtige Rolle. Hinsichtlich der Dauerhaftigkeit haben sich die Verhältnisse wesentlich verändert. Durch stetig steigende Achslasten und dynamische Belastungen ist dieses Baugebiet für Holzkonstruktionen nahezu vollständig verloren gegangen. Holzbrücken sind heute nicht in Gebrauch; im Folgenden wird jedoch beschrieben, wie sie früher konstruiert und genutzt wurden.
Für Brücken darf nur Holz der Güteklasse II oder I verwendet werden; beim Einbau muss es mindestens halbtrocken sein und so eingebaut werden, dass es weiter trocknen kann. Imprägnierung und Schutzanstriche, die gegebenenfalls nach der Bearbeitung und vor der Montage aufzubringen sind, reichen dafür allein nicht aus.
Nagelverbindungen sind bei Brücken zulässig, wenn das Eindringen von Feuchtigkeit zwischen die verbundenen Holzteile verhindert und die Nägel dadurch vor Zerstörung durch Rost geschützt werden können. Leimverbindungen sind nur mit einem gegen Feuchtigkeit vollständig beständigen Kunstharzleim zulässig.
Abbildung 38: Querschnitt der Fahrbahntafel der Behelfsbrücke über die Weser in Höxter.
Für Behelfsbrücken wurden meist kombinierte Systeme verwendet: Stahl-I-Profile bildeten die Hauptträger, die übrigen Teile von Ober- und Unterbau bestanden aus Holz. Abbildung 38 zeigt den Querschnitt der Fahrbahntafel der Behelfsbrücke über die Weser in Höxter. Je nach Brückenart und Zweck können Längsträger, manchmal auch Querträger, entfallen; dann liegt die Fahrbahn unmittelbar auf den Hauptträgern. Viele solcher Brücken dienten dem Fußgängerverkehr. Abbildung 39 zeigt eine Schutzbrücke unter einer Seilbahn.
Abbildung 39: Schutzbrücke unter einer Seilbahn.
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