Inhaltsübersicht

1.  Einleitung  1

2.  Vorstellung des Baustoffes Holz  2

3.  Überblick über die Geschichte des Holzbaus  6

4.  Das EXPO-Dach  9

4.1  Die Idee des Bauwerks und warum Holz als Baumaterial verwendet wurde  9

4.2  Holzauswahl und -prüfungen, Tragwerkberechnung und Versuche  15

4.3  Bau, Montage, Bautechnische Prüfung und fertiggestelltes Bauwerk  19

5.  Zusammenfassung und Ausblick  25

Literaturangaben   27

Bild  - und Abbildungsverzeichnis  29

1. Einleitung

Holz gilt als eines der ältesten Dinge der Natur, mit dem die Menschen Erfahrung gesammelt haben. Neben der Verwendung des Holzes zum Feuermachen und zur Herstellung von Waffen und Werkzeugen wurde es schließlich vermehrt zum Bau von Behausungen angewendet. Im Verlauf der Zeiten veränderte sich unter Einfluss unterschiedlicher Faktoren der Umgang damit, der zu einer Entwicklung von primitiven Strukturen hin zu aufwendigen Bauwerken führte. Diese Seminararbeit setzt sich auseinander mit der Fragestellung, wie leistungsfähig der Werkstoff Holz ist. Dazu gliedert sich die Arbeit in drei Teile: Zuerst werden Aufbau und Eigenschaften des Baustoffes Holz vorgestellt, daran anschließend erfolgt ein Überblick über die Geschichte des Holzbaus, um dort die wesentlichen Entwicklungen aufzuzeigen. Im dritten Teil soll mit dem Sonderbauwerk EXPO-Dach ¹ - anlässlich der Weltausstellung EXPO 2000 in Hannover gebaut - an einem konkreten Objekt der aktuelle Entwicklungsstand des Holzbaus nachgewiesen werden. Die (Holz-) Bauindustrie hat sich ihre Meinung dazu schon gebildet: „Als Symbol der Weltausstellung wie auch als größtes Holzdach der Welt wird es weit über das ² Jahr 2000 hinaus einen Meilenstein in der Geschichte des Holzbaus darstellen.“ Die Frage nach der Leistungsfähigkeit bedeutet, ob Holz ein konkurrenzfähiger Werkstoff ist, der in seiner nachgesagten vielseitigen Verwendungsfähigkeit jüngeren/ moderneren Baustoffen wie Stahl und Beton - besonders ihres Verbundbaustoffs Stahlbeton - »das Wasser« reichen kann. Dabei soll auch auf den Umweltaspekt eingegangen werden (Gedanke der „Nachhaltigkeit“).

Die Arbeit schließt ab mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick auf die Zukunft des Holzes beziehungsweise des Holzbaus an sich.

Als wesentliche Literatur dienen Aufsätze, die im Internet zu finden waren, als »reichhaltige Quelle« erwies sich die Homepage „www.infoholz.de“. Dort ist es möglich, zu den vielen Bereichen der Holzanwendung Broschüren und Fachaufsätze als pdf-Datei kostenlos zu beziehen.

¹ In der benutzten Literatur gibt es unterschiedliches Schreibweisen: EXPO-Dach, EXPODACH, Expo-Dach und Expodach. Ich habe mich für erstere entschieden, Abweichungen vom Entschluss sind im Anspruch richtigen Zitierens begründet. In Bezug auf „korrektes“ Zitieren, wird bei Zitaten die Verwendung des »ß« bei kurzen Vokalen beibehalten, auf die Kennzeichnung »[sic!]« wird in diesem Falle verzichtet.

² Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. (Hrsg.): Das ExpoDach in Hannover, errichtet anläßlich der Weltausstel- lung EXPO2000. Düsseldorf, Arbeitsgemeinschaft Holz e.V., 2000, S. 6.

Als klassische Literatur in Buchform wurde vor allen Dingen das Buch von Thomas Herzog: EXPODACH. Symbolbauwerk zur Weltausstellung Hannover 2000 ³ benutzt. Professor Thomas Herzog ist mit der Firma Herzog + Partner BDA, München, an der Entstehung des zu betrachtenden Bauwerks beteiligt gewesen und beschreibt mit anderen Autoren in diesem Buch die Entwicklung des Bauwerks von der Idee bis zur Fertigstellung.

2. Vorstellung des Baustoffes Holz

„Holz, umgangssprachl. Bez. für die Hauptsubstanz der Stämme, Äste und Wurzeln der Holzgewächse; in der Pflanzenanatomie Bez. für das vom Kambium nach innen abgegebene Dauergewebe, dessen Zellwände meist durch Lignineinlagerungen (zur Erhöhung der mechan. Festigkeit) 4 verdickt sind.“

Die lexikalische Definition gibt wider, was landläufig unter dem Begriff »Holz« zu verstehen ist. Die große Vielzahl an Holzarten - etwa weltweit 30.000 ⁵ - zeigt die Variationen der biologischen Struktur des lebenden Organismus Baum. Die Anzahl der Hölzer, die technisch genutzt werden, ist bedeutend geringer, nämlich 1.500-3.000. Unter technischer Nutzung kann die Verwendung als Brennholz verstanden werden, aber auch der Gebrauch zur Herstellung von Papierprodukten. In Europas Wäldern trifft man auf etwa 25 unterschiedliche Holzarten, von denen wiederum etwa 15 in der Baubranche eingesetzt werden. 6

Der Aufbau des Holzes oder auch des Rohstoffträgers Baum - egal ob nun Nadelbaum oder Laubbaum - ist in der Grobstruktur gleich. Ein Baum besteht aus drei Organen: Erstens den Wurzeln, mit denen das im Boden befindliche Wasser und die dort enthaltenen Nährstoffe (bspw. Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Kalium, Natrium, Calcium und weitere) aufgenommen werden. Das zweite Organ ist die sogenannte Sprossachse (der Stamm, die Äste und Zweige), das dritte sind die Blätter bzw. Nadeln.

Der Nährstofftransport verläuft in der beschriebenen Abfolge. Von den Wurzeln, dann über den Stamm, gelangt die Nahrung des Baumes zu den Blättern. Diese erfüllen eine sehr bedeutende Funktion: An ihrer Unterseite sind Spaltöffnungen, mit denen aus der Luft CO 2 gefiltert wird.

³ Herzog, Thomas (Hrsg.): EXPODACH. Symbolbauwerk zur Weltausstellung Hannover 2000. Roof Structure at the World Exhibition, Hanover, 2000. Prestel-Verlag, München - London - New York, 2000. Das Buch enthält Aufsätze jeweils in deutscher wie auch englischer Sprache. Bei Zitaten aus dem Buch wird jeweils nur die deutsche Fassung belegt.

⁴ Meyers Großes Taschenlexikon in 26 Bänden. 9., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Mannheim: Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG, 2003, Band 10: Hig-Isk, S. 3113.

⁵ Vgl. Volz, Michael: Der Baustoff Holz. In: Herzog, Thomas/Natterer, Julius/Schweitzer, Roland/Volz, Michael/Winter, Wolfgang (Hrsg.): Holzbau Atlas. 4. Auflage, neu bearbeitet. Basel: Birkhäuser-Verlag für Architektur, 2003, S. 31.

⁶ Vgl. ebd., S. 31.

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Zusammen mit dem Blattgrün (Chlorophyll) entsteht Traubenzucker. Dieser chemische Prozess wird durch das Sonnenlicht beschleunigt (chem. katalysiert) und nennt sich Photosynthese. Vom Traubenzucker spaltet sich der Sauerstoff ab und es entsteht Stärke. Diese ist der Grundbaustein für die Zellulose. ⁷ Vom chemischen Aufbau her sind die Masse-% Verteilungen in allen Holzarten gleich: ~ 50% Kohlenstoff, ~ 44% Sauerstoff und ~ 6% Wasserstoff. ⁸ Bei den chemischen Verbindungen gibt es - je nach benutzter Literatur - größere Variationsbreiten: Gerüstsubstanz Zellulose 40-60%, Hemizellulose (teilweise Gerüstsubstanz) 6-27%, Lignin ⁹ (eine Kittsubstanz) 18-41% und bei den Holzinhaltstoffen [Reservestoffe, Farb-, Gerb-, Imprägnierstoffe (Wachse, Harze)] 2 bis 7%. ¹⁰ Letztgenannte stellen die Beständigkeit des Holzes gegenüber natürlichen Einflüssen sicher.

Anhand der Abbildung [Bild (1)] wird der makroskopische Aufbau des Holzes erläutert. Der Stammquerschnitt besteht bei den meisten Holzarten aus fünf Bereichen: Der Markröhre im Inneren, anschließend aus den Abschnitten des Kern- und Splintholzes, dann aus dem Kambium und der Rinde, bestehend aus Innenrinde (Bast) und Außenrinde (Borke). In

⁷ Vgl. Hiese, Wolfgang: Holz und Holzbaustoffe. In: Hiese, Wolfgang (Hrsg.): Baustoffkenntnis. 14., neubearbeitete und erweiterte Auflage. Düsseldorf: Werner-Verlag, 1999, S. 779.

⁸ Vgl Volz, Baustoff, S. 31.

⁹ Lignin ist ein Benzolderivat. Der chem. Aufbau ist noch nicht vollständig analysiert. Am Ende des Zellwachstums wird Lignin gebildet und bewirkt eine Zellgerüstversteifung und sorgt hauptsächlich für die Druckfestigkeit (Vgl. Hiese, Holz, S. 780.).

¹⁰ Vgl. Hiese, Holz, S. 779. Bei Volz finden sich folgende Zahlenangaben: 40-50% Cellulose, 20-30% Hemicellulose, 20-30% Lignin und bis zu 10% Holzinhaltstoffe. Bei den chemischen Elementen unterscheiden sich die Variationsbreiten von Herzog zu Hiese nicht so stark: C 40-50%, H 5-6%, O 44%, N 0,01%, Asche (Mineralsubstanz) 0,6% [Zahlenangaben bei Volz (Herzog, Atlas, S. 31 f.) und bei Hiese (Hiese, Holz, S. 779)].

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die Länge wächst der Organismus Baum jeweils an den Endpunkten seiner Sprossachsen (Stamm, Äste, Zweige), das Dickenwachstum hingegen findet im Kambium statt. Die Rinde des Baumes dient als Schutzschicht und schützt Kambium und Holz vor mechanischer Beschädigung wie auch dem Austrocknen.

Die Unterscheidungsarten des Holzes nach Splint-, Reif- und Kernholz sind in der unterschiedlichen Stammausbildung der Baumarten und der Funktionsverteilung im Stamm begründet. Beim Splintholz wird über dem gesamten Querschnitt der Wasser- und Nährstofftransport bewerkstelligt, beim Reifholz geschieht dies in den äußeren Jahresringen, beim Kernholz - logisch - im Kern. 11

Die Unterscheidung der Eigenschaften und Holzarten sind im wesentlichen im Zellaufbau und der Anordnung im Organismus begründet. Grundsätzlich jedoch haben die meisten Zellen eine langgestreckte Form. Sie werden als Fasern bezeichnet und wachsen vornehmlich in der Längsrichtung im Stammquerschnitt. Je nach Typ erfüllt die Zelle die Aufgabe der Festigung, der Stoffleitung oder -speicherung.

Nadelholz gilt als entwicklungsgeschichtlich ältere Holzart und hat einen einfachen Zellaufbau, bei der in der Regel ein Zelltyp überwiegt und alle oben aufgeführten Aufgaben versieht. Das entwicklungsgeschichtlich jüngere Laubholz hat hingegen in seiner Faserstruktur eine Spezialisierung vollzogen, die nun auch Gefäße bilden.

Die typische Holzmaserung gilt als wesentliches visuelles Unterscheidungsmerkmal der unterschiedlichen Holzsorten. Diese entsteht aufgrund der Lage und Richtungsanordnung der Zellen, Gefäße und Jahresringen zueinander. 12

Die allgemeinen Eigenschaften des Holzes können wie folgt beschrieben werden: „Holz besitzt bei geringer Eigenlast gute Festigkeitseigenschaften, geringe Schwind- und Quellmaße, und es ist mit Maschinen und Werkzeug leicht bearbeitbar. Im Ingenieurholzbau sind nur die Hölzer zu verwenden, die für die statische Beanspruchung geeignet sind und bei denen die Standsicherheit des Bauwerks gewährleistet ist. Im Wesentlichen sind dies die europäischen Na- ¹³ delholzarten: Fichte, Tanne, Lärche, Kiefer und Douglasie.“

Diese Definition unterstreicht vor allen Dingen die Notwendigkeit der Standsicherheit für die Anwendung im Bauwesen. Holz aber bietet als Baustoff den Vorteil gegenüber anderen Baustoffen, dass sowohl Druckspannungen als auch Zugspannungen aufgenommen werden können, hingegen Beton hauptsächlich Druck- und Stahl Zugbeanspruchung verteilen kann. Ledig-

¹¹ Vgl.Volz, Baustoff, S. 31.

¹² Vgl. ebd., S. 32. ¹³ Hiese, Holz, S. 785.

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lich der Verbundstoff Stahlbeton vermag die Wirkung beider Kraftrichtungen abzuleiten, verfügt dabei aber über eine höhere Eigenlast.

Die Anwendungsbereiche der drei für das Bauwesen wichtigsten Nadelhölzer sind folgende: Die Fichte wird vor allem im Innenbau als Konstruktionsholz verwendet; des weiteren dient es zu Herstellung von Rahmen, Masten, Kisten und als Industrieholz. Schälholz wird für Sperrholzplatten gebraucht. Die Kiefer findet ihre Anwendung auch im Innenbau, wird aber auch als Massivholz für die Möbelherstellung genutzt, zu Funierholz verarbeitet, für Verkleidungen gewählt, als Bodenbelag benutzt und als Grubenholz wie auch Industrieholz verwendet. Die Tanne, besonders die Weißtanne, wird im Hauptteil dieser Arbeit vorkommen. Ihre Hauptanwendungsbereiche sind die gleichen wie bei der Fichte. Allen drei vorgestellten Holzarten gleich ist, dass eine Anwendung im Außenbereich nur mit Holzschutz möglich ist. ¹⁴ Zu den Laubhölzern wird im Buch „Baustoffkenntnis“ folgende Definition gegeben: „Laubhölzer (LH) sind meist von höherer Eigenlast und nicht immer so gleichmäßig gewachsen. Die dadurch bedingte schwankende statische Beanspruchbarkeit, verbunden mit dem höheren ¹⁵ Preis, machen sie für den Ingenieurholzbau weniger geeignet.“

Aufgrund dieser Eigenschaften findet man Laubhölzer im Bauwesen nur dort, wo der höhere Preis einen Einsatz rechtfertigt, weil bspw. Nadelhölzer die notwendigen Anforderungen nicht bieten. Besonders die Eiche findet wegen ihrer herausragenden Dauerhaftigkeit im Medium Wasser im Wasserbau ihre Anwendung.

Zusammenfassend lassen sich über Nadelhölzer folgende Eigenschaften sagen: Lange Fasern, schneller und gleichmäßiger Wuchs, leicht und preiswert und dabei ein sehr gutes Verhalten gegenüber Biegespannungen.

Laubhölzer bieten in der Zusammenfassung folgende Eigenschaften: Kurze Fasern, langsamerer und nicht immer gleichmäßiger Wuchs, schwerer und in der Regel teurer, aber besonders geeignet für Druckbeanspruchung. 16

¹⁴ Vgl. Volz, Baustoff, S. 34 f. ¹⁵ Hiese, Holz, S. 785.

¹⁶ Vgl. Tabellenbuch Bautechnik. Tabellen - Formeln - Regeln - Bestimmungen. 4. überarbeitete Auflage. Haan-Gruiten: Verlag Europa-Lehrmittel, 1997, S. 174.

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Wie in der Einleitung bereits erwähnt, ist Holz sehr eng an die Entwicklung des Menschen ge-bunden. Holz war bzw. ist zum einen »Rohstoff« zum anderen »Werkstoff« des Menschen. Willi Mönk und Wolfgang Rug stellen fest, dass dies unterschiedliche Begriffe sind: „»Rohstoffe« sind eine Vorstufe der »Werkstoffe« im Produktionsprozess. [[] Den Begriff »Rohstoff Holz« kann man im weitesten Sinne mit dem Begriff »Baustoff Holz« gleichsetzten. Wenn geschältes Rundholz als Bauholz verwendet wird, so wird der Rohstoff unmittelbar zum Baustoff. ¹⁷ Schnittholz jedoch wird aus dem Rohstoff Holz gewonnen.“

Der Begriff »Werkstoff Holz« meint vor allen Dingen den Prozess der mechanischen Fertigung bzw. Veränderung der Gestalt des Holzes durch Ver- bzw. Bearbeitung. ¹⁸ Die Entwicklung im Bauwesen ging von primitiven Holzbauten, bei denen Holz als lose Gerippestruktur verbaut wurde, die dann mit Fellen oder Gewächsen bedeckt wurden über die herausragenden Skelettstrukturen im Schiffbau des 18. und 19. Jahrhundert bis zu den Errungenschaften des modernen Holzingenieurbaus. Der Baustoff erwies sich über alle Zeiten als sehr flexibel und anpassungsfähig in Bezug auf die unterschiedlichen Anforderungen seiner Umwelt. Der Umgang mit ihm brachte für den Menschen Fortschritt durch Erfahrung. Die einhergehende Ausbreitung an Kulturtechnik (Umgang mit Werkzeugen) und die tradierten Erfahrungen der älteren Generation zeigten sich in immer aufwändigeren Bauwerken aus Holz: Waren es in der Steinzeit freie Formen, gab es seit der Jungsteinzeit (~7.000 v. Chr.) die quadratischen Grundrisse bei Behausungen. ¹⁹ Als Zeugnis dieser Zeit kann heute noch die Pfahlbausiedlung am Bodensee bestaunt werden.

Ein Zeitsprung in Zeit Caius Julius Caesars mit seinem Versuch der Eroberung der Bereiche jenseits der Alpen verdeutlicht dort vor allen Dingen im militärischen Bereich die Nutzung von Pfahlbauten (Palisadenwälle der Feldbefestigungen/Forts). Aber auch die 600m lange Brücke für die Legionen, um den Rhein zu überqueren, war eine Pfahlkonstruktion. Zu der Zeit war es üblich, dass die Fußsoldaten - zusätzlich zur militärischen Ausrüstung - entsprechend Palisaden tragen mussten.

Auf den Bereich Europa beschränkt wurde Holz mehr und mehr durch Stein als Baustoff abgelöst. Die These, dass Städte im Mittealter eher »steinern« waren, ist nicht sehr aussagekräftig. Die Ausprägung liegt vielmehr an lokalen Begebenheiten, die für die Präferenz des einen Baustoffes dem anderen gegenüber ausschlaggebend sind (bspw. Hildesheim: Fachwerk; Nürn-

¹⁷ Mönck,Willi/Rug, Wolfgang: Holzbau. Bemessung und Konstruktion unter Beachtung von Eurocode 5. 14., durchgesehene Auflage mit über 100 Rechenbeispielen nach DIN 1052 und EC 5. Berlin: Verlag Bauwesen, 2000, S. 11.

¹⁸ Vgl. Mönck, Holzbau, S. 11.

¹⁹ Vgl. Schweitzer, Roland: Der Baustoff Holz - von den Anfängen bis zum 19. Jahrhundert. In: Herzog, Atlas, S. 24 f.

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