Schlank wie Stahlbeton, aber deutlich nachhaltiger: Holzbasierte Geschossdecke überzeugt im Belastungstest

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Forschende der Universität Stuttgart haben ein kompaktes, flexibles und
wirtschaftliches Deckensystem für den mehrgeschossigen Holzbau getestet.
Der „UniversalTimberSlab“ soll bald im „Zukunftsforum“ in Oberkochen
verbaut werden.

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).

Eine holzbasierte Decke für mehrgeschossige Gebäude mit Mischnutzung

„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.

„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.

EIC Pathfinder Projekt: „UniversalTimberSlab“

Die Geschoßdecke „UniversalTimberSlab“ wird im Rahmen eines EIC Pathfinder
Projekts entwickelt, das vom European Innovation Council im Rahmen von
Horizon Europe gefördert wird. beteiligt. „UniversalTimberSlab“ ist Teil
des Exzellenzclusters Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für
eine transformative Architektur (IntCDC). Neben dem ICD sind das Institut
für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE), das Institut
für Akustik und Bauphysik (IABP) und das Institut für Werkstoffe im
Bauwesen (IWB) zusammen mit der Materialprüfungsanstalt (MPA) der
Universität Stuttgart beteiligt, ebenso das BUILT CoLAB, Porto. Die
Deckensegmente des Baudemonstrators wurden vom Industriepartner HASSLACHER
Gruppe gefertigt und von Dünschede Holzbau innerhalb von nur zwei Tagen
montiert.