Hybridgebäude: Definition und Gründe für ihre zunehmende Bedeutung in der Baubranche

Immer häufiger sind Hybridkonstruktionen aus verschiedenen Baustoffen in urbanen Umgebungen, wo die Anfrage nach mehrgeschossigen Gebäuden wächst, anzutreffen.
Ingenieure und Architekten mit Augenmerk auf die Optimierung von Bauprozessen und Nachhaltigkeit haben in Hybridkonstruktionen die ideale Lösung für die Anforderungen des Marktes gefunden.
Hybridgebäude, wie Hochhäuser aus Holz mit Fundament und Kern aus Beton, sind das Ergebnis eines konstruktiven Ansatzes, der auf mehrgeschossige Gebäude und leistungsstarke Konstruktionen ausgerichtet ist.

Das wesentliche Prinzip der Hybridbauweise ist einfach, denn sie kombiniert Baustoffe und nutzt deren beste Eigenschaften. Bei Beton wird die leichte Verfügbarkeit und Steifigkeit geschätzt, beim Holz die Nachhaltigkeit und das geringe Gewicht, bei Stahl die Festigkeit. Der kombinierte Einsatz von Materialien entspricht den Anforderungen der modernen Bautechniken, bei denen die Funktionalität des Gebäudes und die Normvorgaben, beispielsweise der Feuerwiderstand, berücksichtigt werden. Gleichzeitig zielt diese Bauweise darauf ab, durch die Begrenzung der CO2-Emission die Umweltauswirkungen zu verringern.

Die meistverbreiteten Holz-Beton-Mischkonstruktionen

In Europa und weltweit wird die Kombination Holz-Beton besonders häufig verwendet. Obwohl eine Holzkonstruktion immer eine Vermischung zweier Materialien ist, da die Fundamente aus Beton bestehen, wird das Konzept des Hybridgebäudes in der Regel mit Hochhäusern aus Holz in Verbindung gebracht, die von Generalunternehmern und öffentlichen Verwaltungen in Auftrag gegeben werden.

Zwar ist es möglich, Gebäude hauptsächlich aus Holz zu fertigen, jedoch bietet die Entscheidung für eine Kombination mit Beton erhebliche Vorteile in Bezug auf Sicherheit, Langlebigkeit und die Möglichkeit, mehrgeschossige Gebäude zu errichten. Die Holz-Beton-Technologie macht sich insbesondere verstärkte Decken zunutze. In diesem Fall arbeiten beide Baustoffe gemeinsam an der Optimierung der konstruktiven Leistung: Beton hält Kompression stand und steigert die Tragfähigkeit, während Holz aufgrund seiner Biegefähigkeit Zugfestigkeit bietet.

Ascent MKE, das höchste Holzgebäude der Welt, ist ein Hybridgebäude

Der Turm von Milwaukee, der als höchstes Holzhochhaus gilt, zeichnet sich durch seine hybride Beschaffenheit aus. Seine 86,5 Meter Höhe erstrecken sich über ein 7-stöckiges Stahlbetonfundament, das für Gewerbeflächen bestimmt ist, sowie weitere 18 Stockwerke aus Massivholz für Wohnzwecke, die auf Stahlbeton ruhen.

Auch das seitliche Konstruktionssystem besteht aus zwei Betonkernen, die sowohl eine konstruktive als auch eine praktische Funktion haben: Sie erhöhen die Stabilität der Holzkonstruktion und beherbergen einen Aufzug und einen Treppenblock.

Ascent gilt als das höchste Holzhochhaus der Welt, aber seine Konstruktion wäre ohne einen Kern aus Stahlbeton nicht möglich gewesen. Dennoch war es gerade die Leichtigkeit von Holz, die seine schnelle Errichtung ermöglichte und den Wohn- und Arbeitsraum maximierte. Die Außenwände aus Holz sind in der Tat 40 % dünner als die aus anderen Baumaterialien, wobei sie die gleiche Leistung in Bezug auf die Wärmedämmung garantieren. Darüber hinaus verbessert Massivholz den Wohnkomfort durch wärme- und schalldämmende Eigenschaften sowie eine schnelle Montage.

Stahl-Holz-Mischkonstruktion: Leichtigkeit und Festigkeit

Eine weitere erfolgreiche Kombination besteht zwischen Stahl und Holz. In dieser Konfiguration wird Stahl für den vertikalen Rahmen verwendet, während Holz für horizontale Konstruktionen zum Einsatz kommt. Die Trockenbauweise ist einer der Hauptvorteile dieser Hybrid-Typologie: Der Verzicht auf Beton verkürzt die Bauzeiten und verhindert die Freisetzung von Feuchtigkeit, sodass Staunässerisiken und Probleme in den Holzoberflächen vermieden werden.

Die kombinierte Verwendung von Stahl und Holz ermöglicht die Realisierung leichterer und flexiblerer Hybridgebäude, wobei das Gesamtgewicht reduziert wird, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Dieses Bausystem optimiert die Lastverteilung, verbessert die Baustabilität und erhöht die Nachhaltigkeit des Gebäudes.

Das Sara Kulturhus in Skellefteå, Schweden, ist ein bedeutendes Beispiel für ein Hybridgebäude, das Holz und Stahl kombiniert. Mit einer Höhe von 80 m auf 20 Stockwerken ist es eines der höchsten Holzgebäude Europas.

Beton-Stahl-Holz-Hybridgebäude

Einige Hybridgebäude nutzen zur optimierten Lastverteilung alle drei Baustoffe. In diesen Fällen dient Beton als starrer Baukern, während Stahl und Holz kombiniert werden, um Leichtigkeit, Dämmung und Beständigkeit gegenüber seismischen Beanspruchungen zu gewährleisten.

Hybridkonstruktionen: alle Vorteile

Laut einer Studie des CTBUH* waren Ende 2022 neun der zehn höchsten Holzgebäude weltweit Hybridkonstruktionen. Dies bestätigt die immer wichtigere Rolle dieser Technologie im modernen Bauwesen.

Die technischen Vorteile der Hybridbauweise sind unbestreitbar:

1. Höhere Festigkeit der Konstruktion

Der kombinierte Einsatz von Baustoffen mit sich ergänzenden Merkmalen ermöglicht die Errichtung besonders widerstandsfähiger Gebäude.

Stahl: Ausgezeichnete Zug- und Biegefestigkeit.

Beton: Sehr hohe Steifigkeit, hervorragende Druckkraft, ideal für Fundamente und starre Kerne.

Holz: Großes Festigkeits-Gewicht-Verhältnis und hohe Ableitfähigkeit der Stahlverbindungen, ideal für erdbebengefährdete Gebiete.

2. Seismische Effizienz

• Die Holz-Stahlverbindungen verbessern die Aufnahme von seismischen Kräften.

• Die Holz-Beton-Hybridkonstruktionen erhöhen den Widerstand gegen Querbeanspruchung.
  

3. Reduzierung des Gesamtgewichts

Die Verwendung von Holz und Stahl verringert die Belastung der Fundamente und erleichtert die Planung mehrgeschossiger Gebäude, sodass eine gleichmäßigere Gewichtsverteilung möglich ist. Hierdurch kann der Einsatz von schweren Werkstoffen wie Beton reduziert werden, was wiederum die Nachhaltigkeit begünstigt und die Gesamtbaukosten reduziert.

4. Verkürzung der Bauzeit

Die modularen Lösungen aus Stahl und Holztafeln verkürzen die Montagezeiten im Vergleich zu Stahlbetonkonstruktionen. Durch die Vorfertigung können die Bauzeiten verringert und die Präzision bei der Realisierung der Gebäude verbessert werden; dadurch kommt es zu weniger Fehlern und zu geringeren Wartungskosten.

5. Mehr Nachhaltigkeit

• Massivholz verbessert die Wärmedämmung.

• Stahl-Holz-Mischkonstruktionen reduzieren Wärmebrücken.

• Die Einbindung intelligenter Technologien in Hybridgebäude optimiert die Energieeffizienz, reduziert den Energieverbrauch und erhöht den Wohnkomfort.

*https://www.ctbuh.org/research/projects/the-future-potential-of-steel-timber-hybrid-buildings

Kosten der Hybridgebäude: eine langfristige Investition

Eines der Haupthindernisse für die Verbreitung von Hybridkonstruktionen sind die Anfangskosten, die im Allgemeinen 5-10 % höher als bei einer traditionellen Konstruktion aus Stahl oder Beton sind. Mittel- bis langfristig kompensieren jedoch Energieeinsparungen und geringere Wartungskosten die Anfangsinvestition.

Laut einer Studie der CTBUH ermöglichen die Reduzierung des Energieverbrauchs sowie die höhere Baustelleneffizienz eine Amortisierung der Mehrinvestition in einem Zeitraum von 10-15 Jahren. Darüber hinaus können durch die Verwendung vorgefertigter Bauteile die Baukosten durch Skaleneffekte gesenkt werden.

Ein weiterer Faktor, der sich auf die Kosten auswirkt, ist die zunehmende Verfügbarkeit fortschrittlicher technologischer Lösungen für die Planung und Verwaltung von Hybridgebäuden. Softwares wie Building Information Modeling (BIM) erlauben eine präzisere und weniger fehleranfällige Planung, wodurch Verschwendung verringert und die Effizienz der Konstruktion verbessert wird.

Rechtliche Entwicklung

Bis vor wenigen Jahren waren die Bauvorschriften stark auf die Verwendung von traditionellen Baustoffen wie Beton und Stahl ausgerichtet, während Holz hauptsächlich bei niedrigen Bauwerken verwendet wurde. Heute haben die Entwicklung der Bautechniken und die Innovation bei den Materialien zu einer Überarbeitung der Vorschriften geführt, sodass der Einsatz von Holz in mehrgeschossigen Gebäuden möglich ist.

Die Einführung der Eurocode 5 Normen für Holzkonstruktionen stellte einen entscheidenden Schritt in diesem Prozess dar und lieferte die Grundlage für die Planung von komplexeren und mehrgeschossigen Holzbauten. Gleichzeitig veranlasste die zunehmende Fokussierung auf Nachhaltigkeit und die Reduzierung der CO2-Emissionen die Regierungen, die Einführung umweltfreundlicher Lösungen, z. B. Hybridgebäude, zu fördern. 2027 werden mit der Übernahme der Eurocodes 8, der zweiten Generation der europäischen Normen, neue Parameter für Holz- und Hybridkonstruktionen festgelegt, die den Weg für eine noch fortschrittlichere Planung ebnen.

Der Beitrag von Rothoblaas zur Hybridbauweise

Rothoblaas liefert fortschrittliche Lösungen für die Realisierung von Hybridgebäuden in den verschiedenen Holz-Stahl-, Holz-Beton- und Holz-Stahl-Beton-Konfigurationen.

Ein Beispiel ist das System TC FUSION, das ein Arbeiten mit Vorfertigung und den Bau starrer Decken aus BSP ermöglicht, wodurch hohe Standards in Bezug auf Festigkeit und Stabilität gewährleistet werden.

Zur Unterstützung der Hybridkonstruktion produziert Rothoblaas Verbinder und Befestigungen, welche die Verbindung zwischen verschiedenen Baustoffen optimieren und die Anforderungen komplexer Projekte erfüllen. Darunter sticht ALUMEGA aufgrund seiner Vielseitigkeit bei Balken-Balken- und Balken-Pfosten-Verbindungen sowie aufgrund seiner Fähigkeit hervor, der Drehung des Pfostens zu folgen und dabei die Scherfestigkeit durch von der Decke ausgehende Schwerkraftbelastungen zu bewahren. Mit ALUMEGA können mehrere Module nebeneinander angeordnet und alle Verbindungen auf Holz, Beton und Stahl gelöst werden.

Die Verbinder RADIAL und RING sind ideal für die Vorfertigung sowie die Montage bzw. Demontage der Module.

Für hochfeste Befestigungen eignen sich die gedrehten Unterlegscheiben HUS hervorragend zur Erhöhung des axialen Widerstands der Verbindung von HBS-Senkkopfschrauben.

Mit diesen und weiteren Lösungen (Befestigung, Wärmedämmung, Schalldämmung) liefert Rothoblaas Planern und Bauunternehmen die notwendigen Werkzeuge, um effiziente, widerstandsfähige und nachhaltige Hybridgebäude zu realisieren, die den Herausforderungen der heutigen Zeit gerecht werden.

Die Hybridbauweise steht nicht nur im Mittelpunkt moderner Bauvorhaben, sondern ist eine konkrete Entwicklungschance. Aus diesem Grund fördert Rothoblaas berufliche Schulungsprogramme mit spezialisierten Kursen und unterstützt die Forschung mit Initiativen wie dem Wettbewerb BUILD THE (IM)POSSIBLE, der sich der Planung von Hybridgebäuden widmet.In diesem Fall besteht die Herausforderung darin, neue Lösungen für den Entwurf und die Realisierung von Hybridgebäuden zu finden, bei denen Holztechnik auf verschiedene Baustoffe trifft. Auf der Website des Wettbewerbs steht die Broschüre PRODUKTE FÜR HYBRIDGEBÄUDE zur Verfügung. Sie enthält nützliche Informationen für alle, die von einer Optimierung der Bauprozesse überzeugt sind: DOWNLOAD