Holzbauten und extreme Belastungen: Das Verhalten von BSP bei Explosionen und Tornados

Entsprechend der Tragwerkslehre wurden Gebäude, die extremen Belastungen wie Explosionen oder Wirbelstürmen standhalten sollen, traditionell aus Stahl oder Stahlbeton errichtet. Das Verhalten dieser Materialien bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten und unter dynamischer Belastung ist in der Tat umfassend dokumentiert. Das macht sie zur ersten Wahl für militärische, industrielle und risikoreiche Infrastrukturen.

In den letzten Jahren wurde dieser Ansatz jedoch infrage gestellt. Die Konstruktionen aus Holzwerkstoffen, insbesondere BSP und Glulam, finden heute aufgrund ihres Bauverhaltens unter dynamischen Belastungen größere Beachtung. Ihre hohe Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht eröffnet in Verbindung mit der Fähigkeit, Energie über die Verbindungen abzuleiten, neue Gestaltungsperspektiven.

Laut Studien im akademischen und militärischen Bereich unterscheidet sich das Verhalten der Materialien unter dynamischer Belastung vom statischen Verhalten: Bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten kann eine Steigerung der Festigkeit und Steifigkeit beobachtet werden.

Im Rahmen dieser Evolution vertiefte Rothoblaas das Thema gemeinsam mit Professor Ghasan Doudak der University of Ottawa, einem der führenden Forscher zum Verhalten von explosionsgefährdeten Holzkonstruktionen und Referent des ersten TEEW-Events in Kanada, das für Oktober 2026 geplant ist.

Herr Professor, wie entwickelte sich Ihr Interesse an der Planung explosionsgeschützter Holzgebäude?

Die Ausgangsmotivation für die Forschung ergab sich aus der Zusammenarbeit mit dem Militärsektor. Holz galt hier nicht als geeignetes Mittel für die Planung von explosionsgefährdeten Gebäuden, beispielsweise für strategische Militär- oder Regierungsinfrastrukturen. Die Frage war also, ob Holzkonstruktionen angemessene Leistungen unter extremen Bedingungen bieten konnten.

Holz an sich ist ein leichtes Material, einfach transportierbar und schnell zu montieren. In Bausystemen aus veredeltem Bauholz wie BSP und Glulam werden diese Merkmale durch eine gute Festigkeit gegenüber horizontalen Belastungen und ballistischen Einwirkungen ergänzt. Diese Vorteile gewährleisten ein beachtliches Anwendungspotenzial, vor allem dort, wo Fertigungsgeschwindigkeit und Baueffizienz entscheidend sind.

Ein weiterer Aspekt betrifft den Anwendungsbereich: Explosionsschutz ist nicht allein auf militärische Bedingungen beschränkt. Die gleichen Grundsätze können verwendet werden, um die Sicherheit von Zivilgebäuden zu verbessern, die unvorhergesehenen Ereignissen oder extremen Belastungen ausgesetzt sind.

Die wichtigste Herausforderung ergibt sich aus dem Materialverhalten. Holz ist von Natur aus nicht duktil; um eine angemessene Leistung zu erzielen, müssen Masse, Holzwerkstoffplatten und vor allem Bauverbindungen, die in der Lage sind, Energie abzuleiten korrekt miteinander kombiniert werden. Danke Letzterer erhält die Konstruktion Duktilität. Gleichzeitig ist es von grundlegender Bedeutung, den durch die Explosion erzeugten Druck – der je nach Entfernung (Kontakt, Nahfeld oder Fernfeld) erheblich variiert – genau zu modellieren.

Sie haben Explosionsprüfungen im realen Maßstab durchgeführt. Was ergab sich in Bezug auf das Verhalten von Holz?

Einer der wichtigsten Aspekte betrifft die Auswirkungen der Verformungsgeschwindigkeit (Strain Rate, dt. Dehnrate). Es handelt sich um die Änderung der mechanischen Eigenschaften eines Materials abhängig von der Geschwindigkeit, mit der es verformt wird. Bei schnellen dynamischen Belastungen wie denen, die durch eine Explosion entstehen, kann Holz eine höhere Festigkeit aufweisen als unter statischen Bedingungen. Dies ist eine signifikante Beobachtung, da sie verdeutlicht, dass das Verhalten von Holz unter extremen Belastungen nicht mit den gleichen Parametern beurteilt werden kann, die in der traditionellen Planung gelten.

*Images reproduced from the academic thesis “Effect of Realistic Boundary Conditions on the Behaviour of Cross-Laminated Timber Elements Subjected to Simulated Blast Loads” by Cote Dominic

Holz zeigt eine gute Leistungsfähigkeit unter seitlichen Belastungen wie Wind und Erdbeben. Gilt das auch für Explosionen?

Es besteht eine Korrelation, jedoch auch ein wesentlicher Unterschied. Sowohl Explosionen als auch Wind erzeugen seitliche Belastungen. Jedoch wirken die Belastungen durch Explosion in der Regel außerhalb der Ebene, während sich die seismischen Einwirkungen hauptsächlich in der Ebene der Konstruktion entwickeln. Trotz dieses Unterschieds bleibt ein Grundsatz unverändert: Die Verbindungen sind entscheidend. Bei Systemen aus veredeltem Bauholz ist das Bauverhalten so ausgelegt, dass die Hauptplatten eine gewisse Steifigkeit beibehalten, während die Metallverbindungen die Aufgabe haben, Energie abzuleiten und das Risiko von Sprödbrüchen zu verringern.

Dieser Ansatz bringt auch einen operativen Vorteil: Nach einem extremen Ereignis können die Verbindungen ausgetauscht werden. Dies erlaubt eine teilweise Wiederherstellung der Konstruktion mit begrenztem Aufwand.

Kann Holz in diesen Szenarien mit Stahl und Beton konkurrieren?

Der direkte Vergleich ist komplex und hängt von der Anwendungsart ab. Wenn es um das Verhältnis Festigkeit/Gewicht geht, kann Holz in spezifischen Szenarien wettbewerbsfähig mit, wenn nicht gar leistungsfähiger als Beton und Stahlbeton sein. Dennoch hat jedes Material seinen eigenen Verwendungsbereich. Holz ist besonders effektiv, wenn leichte Lösungen, schnelle Montage und Nachhaltigkeit gefragt sind. Beton bleibt hingegen für unterirdische Konstruktionen oder solche mit hohen Massen unverzichtbar, und Stahl bietet für viele Bausysteme die erforderliche Duktilität. In der Praxis sind die effizientesten Lösungen oft Hybridlösungen: Holz arbeitet sehr gut mit Stahlverbindungen zusammen, die die Ableitung von Energie ermöglichen.

*Images reproduced from the academic thesis “Investigation and Optimization of Connections in Timber Assemblies Subjected to Blast Loading” by Viau Christian

Gibt es Unterschiede zwischen BSP und traditionellem Holzrahmenbau?

Ja, der Unterschied ist beachtlich. Um Explosionen wirksam standzuhalten, sind Produkte aus veredeltem Bauholz wie BSP und Glulam in Kombination mit korrekt geplanten Verbindungen erforderlich. Leichte Rahmenkonstruktionen bieten bei dieser Art von Belastung nicht das gleiche Leistungsniveau. Die Kontinuität, die Masse und das konstruktive Verhalten der Holzwerkstoffplatten spielen eine entscheidende Rolle bei der Absorption und Umverteilung von Belastungen.

In Anbetracht von Ereignissen wie Tornados: Wo liegt die größte Anfälligkeit von Holzgebäuden?

In den meisten Fällen liegt die Herausforderung nicht bei den Holzelementen, sondern den Verbindungssystemen. Oft sind die Zuganker unterdimensioniert oder ungeeignet gestaltet. Ebenso werden die Dachverbindungen häufig nur für vertikale Belastungen bemessen, ohne Berücksichtigung der durch den Wind erzeugten Hebekräfte. Die Verwendung von Bauschrauben, die für Zugbeanspruchungen ausgelegt sind, als Ersatz für Systeme mit geringerer Leistung (wie Nägel), kann die Reaktion des Gebäudes erheblich verbessern.

Was sind die wichtigsten praktischen Maßnahmen, um die Festigkeit von Holz gegenüber dynamischen Belastungen zu verbessern?

Die Antwort gilt für alle Szenarien: Verbindungen bestimmen das Tragverhalten. Bei richtiger Planung kann die Festigkeit von Holzbauten sowohl gegenüber Explosion als auch starken Winden deutlich erhöht werden. Dabei ist Folgendes zu beachten:

• Die Wahl der am besten geeigneten Verbinder;

• Die Planung von Systemen, die Energie ableiten können;

• Die Berücksichtigung aller Lastrichtungen, einschließlich Hebekräfte und dynamische Auswirkungen.

*Images reproduced from the academic thesis “Effect of Realistic Boundary Conditions on the Behaviour of Cross-Laminated Timber Elements Subjected to Simulated Blast Loads” by Cote Dominic

Die Rolle des Systems bei der Reaktion auf extreme Belastungen

Die Erkenntnisse, die sich aus der Forschung von Prof. Doudak ergeben, belegen einen Paradigmenwechsel in der Bewertung von Holz im Bauwesen. Dieses kann, wenn es als Holzwerkstoff verwendet und durch korrekt geplante Verbindungen ergänzt wird, effektiv auf unkonventionelle Belastungsszenarien reagieren. Für Planer und Ingenieure heißt das: Die Leistung unter extremen Bedingungen hängt nicht vom Material im Einzelnen, sondern vom Bausystem als Ganzes und insbesondere von den Verbindungen ab. Die Kenntnis dieser Wechselwirkung ist von entscheidender Bedeutung, um den Übergang von der Standardplanung zu Bedingungen mit großem Risiko zu bewerkstelligen.

Erfahren Sie mehr über die Grundsätze für die Auslegung von Verbindungen und zum Verhalten von Holzkonstruktionen: Nehmen Sie an unserem TEEW-Event teil und lesen Sie die technische Dokumentation zu den Befestigungssystemen für dynamische Belastungen.

*Images reproduced from the academic thesis “Investigation and Optimization of Connections in Timber Assemblies Subjected to Blast Loading” by Viau Christian