Verbindungen mit Tragweite

Mit dem Neubau der SWG-Produktionshalle im deutschen Waldenburg ist ein einzigartiges Gebäude entstanden. Das Dachtragewerk aus BauBuche überbrückt enorme Spannweitern trotz filigraner Konstruktion. Einen wichtigen Beitrag dazu leisten die zimmermannsmäßigen Verbindungen und Verbindungsmittel.

Mit dem neuen, einzigartigen Gebäudeen­ semble aus Produktionshalle, Bürohaus und Ausstellungspavillon hat die SWG Schraubenwerk Gaisbach GmbH - Geschäftsbe­reich Produktion - an ihrem Firmensitz im hohenlo­hischen Waldenburg neue Kapazitäten geschaffen. Im Frühjahr 2020 wird der Neubau, zu dem man sich vor Jahren entschlossen hat, ganz fertiggestellt sein.

Entworfen und geplant hat das Gebäudeen­semble das Team rund um Hermann Kaufmann aus Schwarzach (Vorarlberg) und seinen neuen Partnern Christoph Dünser, Roland Wehinger und Stefan Hiebeler, die seit Anfang 2018 zusammen unter dem Namen HK Architekten firmieren. Die Materialwahl „Holz" für das Tragwerk bzw. ,,Blech und Metall" für die Fassade sollen das Tätigkeits­feld von SWG Produktion und die Einsatzgebiete der Schrauben für den Holz- und Metallbereich widerspiegeln. Mit beachtlichen Abmessungen von knapp 96,50 Meter Breite und 114 Meter Länge nimmt der rund zwölf Meter hohe Hallen­neubau eine Fläche von 11.000 Quadratmetern ein. Die Halle ist fünfschiffig angelegt und wird von einem kammartig geformten Dach überspannt. Die Hallenschiffe sind knapp 20 Meter breit. Ihre Dachflächen verspringen in regelmäßigen Abstän­den nach unten, wo sie etwa fünf Meter auf dieser Höhe weitergeführt werden, um dann wieder in die ursprüngliche Höhe überzugehen. Diese regelmä­ßigen Versprünge gliedern die großflächige Halle und sorgen wie Sheddächer - nur in umgekehrter Ausführung - für viel Tageslicht im Halleninneren.

Das Tragwerk ist bisher einzigartig in dieser Größe und Ausführung: Die Fachwerkträger der Dachkon­struktion sind aus hochtragfähigem Buchenfur­nierschichtholz (BauBuche) gefertigt. Sie überbrücken zum Teil enorme Spannweiten, wie etwa die 82 Meter langen und 3,80 Meter hohen Hauptfach­werke in Längsrichtung der Hallenschiffe. Lediglich auf einer BauBuche-Stütze gelagert, überspannen sie als Zweifeldträger ein 4-0 Meter und ein 4-2 Meter großes Feld. Die 1,50 Meter hohen Nebenfachwerk­träger überspannen quer dazu 18,30 Meter und stützen sich auf den Hauptfachwerken ab. Dabei hat das hauseigene Ingenieurbüro SWG Engineering die überwiegende Zahl der Anschlüsse und Kno­tenpunkte als zimmermannsmäßige Verbindun­gen konzipiert, diese aber im Hinblick auf die Ver­wendung des Hartholzes entsprechend ans Mate­rial angepasst, variiert und optimiert. Das ergab sich auch vor dem Hintergrund, dass sich die ein­fachen Geometrien dieser bewährten Holzverbin­dungen gut abbinden und die Bauteile zwängungs­frei fügen lassen - und das bei gleichzeitig optima­ler Kraftübertragung in den Knoten.

Als Druckverbindung, also zur Übertragung der Druckkräfte, haben die Ingenieure besonders oft den ,;verlängerte" Treppenversatz genutzt, eine opti­mierte Version des seit Jahrhunderten bekannten Fersenversatzes. Bei den Zugverbindungen dage­gen hat man hauptsächlich Schraubverbindungen eingesetzt. Um so filigran und materialeffizient wie möglich zu sein, haben die Ingenieure die Tragfä­higkeit der BauBuche-Bauteile außerdem maxi­mal ausgenutzt. Im Bereich des Knotenpunkts des Hauptfachwerkbinders über der Mittelstütze sind es sogar 99,9 Prozent. Die besondere Herausforderung dabei war, große Kräfte über kleine Querschnitte zu übertragen. Diese im Grunde widersprüchli­che Anforderung war auch für die Tragwerkspla­ner Neuland. Denn die Größenordnung lag beim Zehnfachen, zum Teil sogar beim Hundertfachen der Kräfte, die üblicherweise bei Projekten auftreten.

Greift man beispielsweise den eben schon erwähnten Knotenanschluss über der Mittelstütze im Hauptfachwerkbinder heraus, den sogenann­ten „Puzzleanschluss", und betrachtet die Quer­schnittsabmessungen im Verhältnis zur aufzuneh­menden Kraft, wird das „Missverhältnis" deutlich: Bei Pfosten- sowie Unter- und Obergurtabmes­sungen von 28 Zentimeter Höhe und 32 Zentime­ter Breite bzw. Diagonalen mit einem h/b von 24- Zentimeter mal 32 Zentimeter erhält der Druck­pfosten zwar „nur" knapp 200 kN an Normalkräf­ten, dafür kommen bei den Untergurten auf beiden Seiten bereits plus/minus 1,2 MN an, die Diago­nalkräfte erreichen dann aber schon gigantische Größen von 2 MN. Die zweiteilige Mittelstütze muss eine entsprechende Last von 2,8 MN auf­nehmen. Sie ist ebenfalls in BauBuche ausgeführt und hat Abmessungen von 32 Zentimeter Breite und zwei mal 28 Zentimeter Tiefe.

Damit all diese Kräfte im Fachwerkknoten aufgenommen und übertragen werden können, entwickelten die Tragwerksplaner von SWG Engi­neering einen reinen Kontaktanschlussknoten, der wie ein dreidimensionales Puzzle aussieht. Die zu lösende Aufgabe bestand darin, den Querdruck im Knotenpunkt zu reduzieren, da die Querdruckfes­tigkeit von BauBuche in den Gurten für die Last­durchleitung nicht ausreichend war. Das erreich­ten die Ingenieure unter anderem, indem sie die horizontal wirkenden Lastanteile der Druckkräfte der Diagonalen über ein Zwischenstück direkt gekoppelt und die aus den Diagonalen resultierende Auflagerkraft nicht erst auf den Untergurt, sondern direkt in die Stütze eingeleitet haben. Das Gleiche gilt für die Verti­kalkräfte des Druckpfostens.

Um die BauBuche so effizient wie möglich ausnutzen zu können, wählten die Ingenieure Querschnitte mit stehenden Lamellen. Der Vorteil liegt in der besseren Schubfestigkeit. Hinzu kam jedoch zum Zeitpunkt der Planung der Umstand, dass die maximal lieferbare Breite von Bauteilen mit horizontalen Lamellen bei 28 Zentimerenn lag. Daher haben die Planer das Bauteil einfach um 90 Grad gekippt, die 28 Zentimeter also als Höhe genutzt, woraus sich dann die 32 Zentimeter für die Breite ergaben - und die war ohne weiteres lieferbar. 

Die Verwendung von BauBuche erfordert auch die Verwendung spezieller Schrauben und Stahlverbindungsmittel, die für BauBuche zugelassen sind. Bei den Fachwerken der Produktionshalle kommen daher die dafür geeigneten, bei der SWG selbst produzieren Verbindungsmittel zum Zug; von allem Würth-"Assy"-Vollgewindeschrauben oder genauer gesagt die ETA (European Technical Assessment) der BauBuche von Pollmeier (ETA-14/0354) in Kombination mit der ETA der "Assy"-Vollgewindeschrauben von Würth (ETA-11/0190). Denn entscheidend für den sicheren Einsatz ist die Verknüpfung der beiden ETAs, also der Bezug, den die jeweilige ETA auf die andere nimmt. Mit der Abstimmung dieser beiden Produkte geben die Hersteller dem Anwender und Tragwerksplaner die verbriefte Sicherheit, diese gemeinsam verwenden zu können.

Bei den "Assy"-Vollgewindeschrauben handelt es sich um selbstbohrende Schrauben aus speziellem gehärtetem Kohlenstoffstahl oder nichtrostendem Stahl mit Gleichbeschichtung und Korrosionsschutz. Der Gewindeaußendurchmesser liegt zwischen drei und 14 Millimetern, die Gesamtlänge der Schrauben liegt zwischen 13 Millimetern und 1,5 Metern. Aufgrund der großer Abmessungsvariabilität konnte dieser Schraubentyp bei allen Fachwerkträgern eingesetzt werden, also den Haupt-, Neben- sowie den Aussteifungsfachwerken.

Für die Bearbeitung und Montage von Hartholz-Bauteilen sind außerdem spezielle, materialspezifische Werkzeuge erforderlich, etwa zum Vorbohren und Eindrehen der Schrauben. Zwar handelt es sich bei "Assy" um selbstbohrende Schrauben, die keine Vorbohrungen benötigen, bei BauBuche-Bauteilen ist aufgrund der hohen Materialdichte Vorbohren dennoch erforderlich. Abgesehen davon, dass damit die Schraubenpositionen definiert sind, was gerade bei einer großen Schraubenzahl wie bei den Knotenpunkten der Produktionshalle hilfreich ist, müssen sie nicht erst auf der Baustelle angerissen werden. Das spart Zeit und Personal und hilft, Fehler zu vermeiden. Auch ermöglichen es Vorbohrungen, die Schrauben planmäßig und passgenau in die Bauteile einzudrehen, und sorgen damit für die nötige Prozesssicherheit. Wegen der hohen Materialdichte der BauBuche ist außerdem darauf zu achten, dass eher kürzere Schrauben mit größeren Durchmessern verwendet werden als lange dünne. Zum Vorbohren eignen sich Druckluftbohrsysteme und zum Eindrehen der Schrauben benötigt man einen Bohrschrauber mit hohem Drehmoment.

Mit der Vorfertigung, Anlieferung und Montage des Holzbaus hat die SWG Produktion die Firma Schlosser in Jagstzell beauftragt. Dort war man entsprechend ausgerüstet, um die XXL-BauBuche-Bauteile zu bearbeiten, zu wenden und innerhalt der Halle zu transportieren und zu guter Letzt von Jagstzell in das 50 Kilometer entfernte Waldenburg zu bringen.

SWG Produktion erwartet sich durch ihren Neubau aus Halle und Büro- bzw. Ausstellungspavillon auch eine Signalwirkung über die Landesgrenzen hinaus. Denn sie zeigt der breiten Öffentlichkeit, in welche Dimensionen der moderne Ingenieurholzbau vorgedrungen ist.

Da SWG Produktion in den nächsten Jahren mit einer weiteren Zunahme des Schraubenbedarfs für die Holz- und Ingenieurholzbau rechnet, haben die Architekten die Halle so ausgelegt, dass sie um zusätzliche 11.000 Quadratmeter erweitert werden kann. Doch jetzt startet erst einmal die Produktion in der gerade fertiggestellten Halle unter dem weltweit größten Dachtragewerk aus BauBuche, einem Ingenieurholzbau der Superlative.

Susanne Jacob-Freitag