Erdbebensichere Holzgebäude: Die Rolle von Verbindungen für die Scheibensteifigkeit

Wenn es um erdbebensichere Holzgebäude geht, richtet sich die Aufmerksamkeit meist auf die Bauplatten. Diese sind in der Tat die sichtbarsten Elemente: Sie definieren die Geometrie des Gebäudes und bilden dessen wichtigstes Tragwerk. Dennoch berichten einige besonders interessante Erkenntnisse aus der Forschung der letzten Jahre eine andere Geschichte.

Bei den experimentellen Untersuchungen des Projekts SOFIE¹ wurde ein mehrgeschossiges Gebäude aus Brettsperrholz auf dem Rütteltisch den Simulationen einiger der weltweit bedeutendsten seismischen Ereignisse unterzogen. Dabei zeigte sich, dass die Fähigkeit der Konstruktion, auf horizontale Kräfte zu reagieren, nicht allein von den Platten abhängt, sondern vom Zusammenwirken aller Systemelemente. Mit anderen Worten: Während eines Erdbebens macht die Fähigkeit des Gebäudes, eine Kastenwirkung zu entfalten, den entscheidenden Unterschied aus. Und genau hier spielt der Aspekt der steifen Scheibe eine entscheidende Rolle.

¹ SOFIE: Forschungsprojekt zum Thema „Nachhaltiges Bauen“, durchgeführt von CNR-IVALSA mit Unterstützung der Autonomen Provinz Trient.

Die Scheibenwirkung bei der seismischen Planung von Holzgebäuden

Während eines seismischen Ereignisses erzeugen die Massen des Gebäudes Trägheitskräfte, die auf die tragenden Wände übertragen werden müssen. Diese Aufgabe übernehmen die Decken, die als horizontale Scheiben wirken und die Einwirkungen gleichmäßig auf die Verstrebungen verteilen. Wenn die Scheibe in ihrer Ebene über eine angemessene Steifigkeit verfügt, werden die Kräfte entsprechend dieser Steifigkeit auf die Wände verteilt. Das führt zu einer effizienteren Verteilung der Erdbebenbelastungen, einer konstruktiven Zusammenarbeit der Bauteile und einer Verringerung lokaler Verformungen.

Dieses Prinzip beruht auf der sogenannten Kastenwirkung, einem der grundlegenden Ziele bei der seismischen Planung. Je mehr sich die Decke sich als durchgehendes und steifes Element verhält, desto stärker reagiert das Gebäude als einheitliches System.

Grazzini Alessandro (2025) Effetti dell'assenza o del raggiungimento del comportamento scatolare negli edifici in muratura - Ingenio (dt.: Auswirkungen des Vorhandenseins oder Fehlens von Kastenwirkung bei Mauerwerksgebäuden)

Steifigkeit der Scheibe: Deshalb hängt sie nicht nur von der Brettsperrholzplatte ab

Wenn von BSP-Gebäuden die Rede ist, wird die Steifigkeit der Scheibe oft mit den mechanischen Eigenschaften der Platte in Verbindung gebracht. Tatsächlich zeigen die neuesten wissenschaftlichen Studien, dass der Beitrag der Platte nur einen Teil der Gleichung ausmacht. Die Verformungen in der Ebene der Decke hängen in hohem Maße von den Verbindungen zwischen Platten sowie von den Verbindungen zwischen der Scheibe und den Wänden ab. In vielen Fällen wirkt sich die Verformbarkeit, die durch diese Verbindungen entsteht, stärker aus als jene der Platte selbst. Das bedeutet, dass die Steifigkeit der Scheibe nicht als eine Materialeigenschaft, sondern als Systemeigenschaft betrachtet werden muss. Eine Änderung der Verbindung, bei der die Platte und die Deckengeometrie unverändert bleiben, kann das Gesamtverhalten der Konstruktion erheblich beeinflussen.

D'Arenzo Giuseppe, Rigo Pietro, Nicolussi Valentino, Pozza Luca, Casagrande Daniele (2024) Characterisation of the rigid diaphragm conditions for cross laminated timber floors. Bulletin of Earthquake Engineering.

Bauverbindungen und seismisches Verhalten von Brettsperrholzdecken

Die Wahl der Verbindungen spielt daher eine entscheidende Rolle. Traditionelle Scherverbindungen mit Schrauben, wie die Ausführungen mit HBS-Schrauben, stellen eine einfache und weitverbreitete Lösung dar. Allerdings ist die Verformbarkeit der Verbindungen mit zylindrischem Schaft bei Abscherbeanspruchung recht hoch. Um Steifigkeitswerte zu erreichen, die mit der Annahme einer steifen Scheibe vereinbar sind, müssen deshalb häufig die Achsabstände verringert und die Anzahl der Befestigungen erhöht werden – was die Montagezeiten spürbar verlängert. Das Planungsziel besteht somit darin, Systeme zu identifizieren, die die Einwirkungen übertragen können, dabei jedoch die Verformungen begrenzen und die Steifigkeit in der Deckenebene verbessern.

Hochsteife Verbindungen für erdbebensichere Holzgebäude

Eine der wirksamsten Strategien besteht darin, die axiale Steifigkeit der Schrauben anstelle ihres Scherverhaltens zu nutzen. Dies trifft insbesondere auf Verbindungen mit VGZ-Schrauben zu, die in gekreuzter Anordnung (doppelte Neigung von 45°) eingesetzt werden. Auf diese Weise mobilisiert die Verbindung den Ausziehwiderstand des Gewindes und erreicht deutlich höhere Steifigkeitswerte als herkömmliche Verbindungen. Dasselbe Prinzip gilt für die Entwicklung von Systemen, die speziell zur Erhöhung der Steifigkeit der Scheibe konzipiert sind.

SLOT ermöglicht beispielsweise die Verbindung von Brettsperrholzplatten über einen kontaktbasierten Mechanismus. Durch die hohe Steifigkeit der Verbindung lässt sich die Anzahl der erforderlichen Verbindungen deutlich reduzieren, wodurch die Montagevorgänge beschleunigt werden.

Dem gleichen Konzept liegt RING zugrunde, um hohe Kräfte zwischen Holzelementen zu übertragen und dabei ein äußerst steifes Verhalten beizubehalten. Diese Lösung ist besonders interessant für fortschrittliche Vorfertigungsprozesse, bei denen fertige und schnell montierbare Elemente die Baustelle erreichen sollen. In all diesen Fällen ist der Vorteil nicht nur lokal begrenzt. Durch die verbesserte Leistungsfähigkeit der Verbindung ändert sich das Verhalten der gesamten Scheibe.

Erdbebensicherung bestehender Gebäude: Die Aufgabe der Scheibe

Die Gewährleistung einer effizienten Kastenwirkung ist nicht nur für mehrgeschossige Neubauten von Bedeutung. Bei der Erdbebenertüchtigung bestehender Gebäude, insbesondere bei solchen aus Mauerwerk, stellt die Decke häufig eines der besonders kritischen Elemente dar. Viele historische Bauten verfügen über Deckenkonstruktionen, die nicht in der Lage sind, die horizontalen Kräfte angemessen auf die tragenden Wände zu übertragen. In solchen Fällen führt eine Erhöhung der Scheibensteifigkeit zu einer Verbesserung des gesamten Ansprechverhaltens des Gebäudes.

Eine der etabliertesten Lösungen Holz-Beton-Verbunddecken. Durch Verbinder wie CTC wirken Holz und Aufbeton statisch zusammen und steigern so die Steifigkeit, Tragfähigkeit, Verteilungsfähigkeit der horizontalen Einwirkungen sowie die Kastenwirkung des Gebäudes.

Parallel dazu entstehen vollständig trockene Technologien wie SHARP METAL, die hocheffiziente Verbindungen zwischen Holzelementen ermöglichen, ohne dass ein Betonguss erforderlich ist. Dabei bleiben sämtliche Vorteile der Vorfertigung und der Trockenbauweise erhalten.

Die Planung der Scheibe umfasst die Planung der Verbindungen

Jüngste Studien kommen zu einem eindeutigen Ergebnis: Mit zunehmender Steifigkeit der Verbindungen nähert sich das Verhalten der Decke zunehmend dem einer steifen Scheibe an. Für den Planer ändert dies die Sichtweise grundlegend.

Die Verbindungen sind daher keine einfachen Ausführungsdetails, die erst in den letzten Projektphasen festgelegt werden. Sie sind die Elemente, welche es den Kräften ermöglichen, das Gebäude zu durchdringen, indem sie von einer Platte zur nächsten weitergeleitet werden und schließlich die aussteifenden Wände erreichen. Diese Verbindungen verwandeln eine Reihe unabhängiger tragender Bauteile in einen einzigen Organismus, der auf seismische Einwirkungen reagieren kann. Aus diesem Grund stellt sich bei der Kastenwirkung nicht nur die Frage, wie steif eine Platte ist. Vielmehr geht es darum, wie gut es den Verbindungen gelingt, alle Elemente der Konstruktion zur Zusammenarbeit zu bringen.

Die Planung der Scheiben erfordert daher eine integrierte Bewertung von Platten, Verbindungen und dem Gesamtverhalten der Konstruktion. Informationen zur Rolle der Verbindungen im Holzbau finden Sie in den technischen Datenblättern sowie in der Planungsdokumentation auf unserer offiziellen Website.