Laubholz Pilothaus (Laubholz Leuchtturm Zürich: Pilothaus )

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 449.05.13

Schlüsselwörter (Deutsch)

Laubholz, Beton, nachhaltiges Bauen,  Verbunddecken, Holzrahmenkonstruktion,Laubholzverstärkung

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Ressourcenpolitik 2020 des BAFU ist auf die Kaskadennutzung von Holz und die Substitution von energieintensiveren Baustoffen ausgerichtet. Für die Verwendung von Laubholz sind innovative Lösungen mit Vorbildcharakter notwendig.

Durch den Umzug der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) auf den ETH Campus Science City am Standort Hönggerberg bietet sich die Chance zur Umsetzung und Demonstration von Innovationen im Bereich nachhaltiges Bauen mit Holz, insbesondere mit Laubholz.

Das Laubholz Leuchtturm Pilothaus der ETH Zürich (folgend nur noch „Pilothaus“ genannt) wird als zukunftweisendes und transdisziplinäres Forschungs-, Lehr- und Demonstrationsobjekt mit innovativen Technologien und Bauteilen aus Holz erstellt, das zudem durch die VAW als Bürogebäude genutzt wird.

Parallel zu diesem Projekt werden zwei Forschungsprojekte "SNF Projekt Nr. 136636: Reliable timber and innovative wood products for structures - Structural elements of wood and wood products made of beech" und "KTI- Projekt Nr. 14500.1 PFIW-IW: vorgespannte Holzrahmenkonstruktion" durchgeführt. Die Erkenntnisse daraus bilden für das geplante Bauvorhaben die Schlüsseltechnologien, welche nun in der Praxis im Grossmassstab im Pilothaus verbaut werden sollen.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1.     Die Submission ist durchgeführt und der Werksvertrag für den Holzbau mit der Firma Häring Projekt AG ist unterzeichnet. Zudem bestätigt die Beauftragte, dass das Holz für den Bau des Pilothauses aus Schweizer Wäldern stammt. --> Meilenstein 1.

 

2.     Die Ausführungspläne sind erstellt und berücksichtigen situativ die Empfehlungen aus dem Merkblatt 2040 SIA-Effizienzpfad Energie bei Bau und Betrieb des Gebäudes.

 

3.     Unterzeichnetes SIA-Abnahmeprotokoll, das bestätigt, dass das Pilothaus fertiggestellt     und durch den Bauherrn abgenommen ist. --> Meilenstein 2.

 

4.     Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1. bis 3., inklusive Berichterstattung über die Einhaltung der Normen in den Bereichen Brandsicherheit und Erdbebensicherheit.

 

5.     Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets.

 

6.     Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit     entsprechender Power-Point Darstellung.

Projektziele (Deutsch)

Umsetzung, Demonstration und Validierung von Holz-Beton-Verbunddecken aus Buche sowie von vorgespannten Holzrahmenkonstruktionen mit Laubholzverstärkung durch den Einbau solcher Bauelemente im Pilothaus.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Das House of Natural Resources (HoNR) ist ein Leuchtturmprojekt für das Bauen mit Laubholz.

Das Bürogebäude auf dem Campus Hönggerberg der ETH Zürich wurde am 2. Juni 2015 nach eineinhalb Jahren Bauzeit feierlich eingeweiht. Eine innovative vorgespannte Holzrahmenkonstruktion ermöglicht einen einfachen Skelettbau und den Grundriss flexibel zu gestalten, bei dem die Innenwände beliebig angeordnet werden können. Die Rahmenkonstruktion im HoNR besteht aus Schweizer Holz. Die Stützen bestehen zu 100 Prozent aus Eschenholz, die Träger sind aus Esche und Fichte zusammengesetzt, um die Festigkeit zu erhöhen. Zudem sind alle Träger mit einem Kabel, das im Innern durch das Holz verläuft, vorgespannt. Die Träger zentrieren sich dadurch selber, und die gesamte Tragkonstruktion ist besonders verformbar, was sie deutlich erdbebensicherer macht. Die zweite Innovation im HoNR ist eine Holz-Beton-Verbunddecke mit Buchenholz, die eine Weltneuheit darstellt. Eine rund vier Zentimeter starke Buchenholz- Furnierplatte dient sowohl als Schalungselement als auch als Armierung und ist gleichzeitig eine attraktive Oberfläche. Diese neue Verbunddecke hat ähnlich gute Trageigenschaften wie Stahlbetondecken, die meistverbauten Tragelemente in der Schweiz. Einzigartig ist auch die Dachkonstruktion mit einer Buchenholzdecke, bei der Holzlamellen kreuzweise angeordnet wurden.

So werden die Lasten wie bei einer Betondecke in zwei Richtungen verteilt. Auch die Fassade des Gebäudes dient als Versuchsfeld. An einem Teil der Gebäudehülle wurde eine adaptive Solarfassade montiert, die Strom gewinnt und hilft, den Energiebedarf für das Gebäude zu regulieren. Die Fassade besteht aus beweglichen Modulen aus Dünnschicht-Solarzellen, die sich mittels druckluftgesteuerten Antrieben bewegen lassen. Dank diesen Aktuatoren richten sich die Solarzellen am Sonnenstand aus, passen sich aber auch an den Wärme- und Lichtbedarf des Hauses und insbesondere dem Verhalten der Nutzer an.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Das Trag- und Verformungsverhaltens der Holzstruktur (vorgespannte Holzrahmenkonstruktion und Deckensysteme) wird mit einem hochwertigen Monitoringssystem permanent erfasst. Z.B. wird die Vorspannkraft in jedem einzelnen Spannkabel mit 16 Kraftmessdosen gemessen. Die Verformungen der Decken werden mit mithilfe eines Tachymeters erfasst. Während der Bauphase wurde eine grosse Anzahl von statischen und dynamischen Feldversuchen durchgeführt, die ein vertieftes Verständnis des Trag- und Verformungsverhaltens der Holzstruktur im Massstab 1:1 unter realen Randbedingungen erlauben. Die am Pilothaus beteiligten Unternehmen konnten erstmals neuartige innovative Technologien in einem realen Gebäude umsetzen und mit den gewonnenen Erkenntnissen und Erfahrungen ihr Wissenssprung verstärken.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Das Monitoringssystem wird auch während der Nutzung des Gebäudes weitergeführt. Die gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen erlauben die Validierung von numerischen und analytischen Berechnungsmodellen und die Weiterentwicklung und Verbesserung der vorgespannten Holzrahmenkonstruktion und der Deckensysteme. Das House of Natural Resources ist ein zukunftweisendes grossmassstäbliches und transdisziplinäres Forschungs-, Lehr- und Demonstrationsobjekt mit innovativen Bauteilen aus Laubholz, das nationalen und internationalen Kunden gezeigt und von Investoren und Bauherren wahrgenommen werden kann. Dank der Nutzung als Bürogebäude liegen die Forschungsergebnisse nicht nur in messbaren Grössen vor, sondern auch in subjektiven Wahrnehmungen der Nutzer (Wohlbefinden, Behaglichkeit, Empfinden von Schwingungen, Vibrationen…), ein Mehrwert, der mit reinen Laborversuchen nicht möglich wäre. Die am Pilothaus beteiligten Unternehmen können damit Marktanteile gegenüber dem Massivbau gewinnen. Da sich beide neuartige innovative Technologien auch sehr gut für den Export eignen, werden sich den beteiligten Unternehmen Möglichkeiten eröffnen, ihre Zielmärkte signifikant und global zu erweitern und auch international die ökologische Bauweise mit Laubholz zu fördern.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Wanninger F., Frangi A. (2014): Experimental and analytical analysis of a post-tensioned timber connection under gravity loads, Engineering Structures 70: 117–129.

Wanninger F., Frangi A., Fragiacomo M. (2015): Long-term behaviour of post-tensioned timber connections, Journal of Structural Engineering (ASCE), 141(6): 04014155-1–13.

Wanninger F., Frangi A., Steiger R. (2015): Perpendicular to the grain stiffness of a post-tensioned timber joint, Engineering Structures 101: 631–640.

Wanninger F. (2015): Post-tensioned timber frame structures, Dissertation, ETH Zürich.

Frangi A., Boccadoro L. (2013): Holz-Beton-Verbunddecke aus Buche, S-WIN-Tagung: “Deckensysteme: Aktuelle und zukünftige Lösungen mit Holz”, Swiss Wood Innovation Network S-WIN, 45. Fortbildungskurs, Weinfelden.

Boccadoro L., Frangi A. (2014): Experimental analysis on the structural behaviour of timber- concrete composite slabs made of beech-laminated veneer lumber, Journal of Performance of Constructed Facilities (ASCE), 2014; 28(6): A4014006-1–10.

Klingsch E., Klippel M., Boccadoro L., Frangi A., Fontana M. (2015): Brandverhalten von Holz-Beton-Verbund-decken aus Buchenholz, Bautechnik 92: 323–329.

Frangi A. (2014): Decken- und Rahmensysteme aus Laubholz - ETH House of Natural Resources, Proceedings, 20. Internationales Holzbau-Forum IHF, Garmisch-Partenkirchen.

Leyder C., Wanninger F., Frangi A., Chatzi E. (2015): Dynamic response of an innovative hybrid structure in hardwood, Construction Materials (ICE) 168(3): 132–143.

Mehr Informationen unter www.honr.ethz.ch