Holzbau knackt die Regel: Fenster tragen mehr als gedacht

Holzbau ist nach­hal­tig, doch bei der Statik von Wänden mit Fensteröffnungen fehl­ten bis­her Daten. Ein Projekt von Empa, BFH und ETH Zürich unter­sucht mit Versuchen und Modellen, wel­chen Beitrag die­se Wände zur Aussteifung leis­ten. Ziel ist, Stahlverankerungen und Betonkern zu redu­zie­ren – für effi­zi­en­te­re und res­sour­cen­scho­nen­de­re Holzbauten.

Wenn das Holz knackt

Es klingt wie ein klei­nes Drama in der Werkhalle: Ein Knall, dann Stille. Vorher hat­te die Zahl auf dem Bildschirm unauf­hör­lich nach oben gezählt. Über 100 Kilonewton drück­ten seit­lich gegen eine zwei­ge­schos­si­ge Holzwand, bis einer der Balken nach­gab. Nadja Manser, Bauingenieurin an der Empa, nickt zufrie­den. „Der Versuch war erfolg­reich.“

In den fol­gen­den Tagen wird die Wand wie­der abge­baut, Kameras und Sensoren wer­den neu posi­tio­niert. Dann ist die nächs­te Konstruktion an der Reihe. Immer wie­der der­sel­be Ablauf: auf­bau­en, belas­ten, doku­men­tie­ren, zer­stö­ren.

Diese Szenen mar­kie­ren den Höhepunkt eines Forschungsprojekts, das die Empa gemein­sam mit der Berner Fachhochschule, der ETH Zürich, dem Bundesamt für Umwelt (BAFU) und meh­re­ren Industriepartnern seit 2021 ver­folgt. Ihr Ziel: eine Lücke im Holzbau schlie­ßen.

Wo die Berechnung hakt

Holzrahmenbau gilt als kli­ma­freund­li­che Alternative zu Beton. Doch bei der Statik gibt es eine Schwachstelle: Wände mit Fensteröffnungen wer­den in der Praxis igno­riert, wenn es um die hori­zon­ta­le Aussteifung geht. Der Grund ist sim­pel – nie­mand weiß genau, wie viel Last die­se Wände tat­säch­lich auf­neh­men kön­nen.

„Sobald ein Fenster in der Fassade ein­ge­plant ist, muss das gan­ze Wandsegment vom pla­nen­den Ingenieur so behan­delt wer­den, als sei dort nur Luft. Das ist nicht effi­zi­ent“, erklärt Nadja Manser.

Das Problem betrifft nicht nur die Schweiz. Auch in ande­ren euro­päi­schen Ländern feh­len kla­re Regeln. Dabei sind hori­zon­ta­le Kräfte für Gebäude ent­schei­dend – sei es Wind, der gegen die Fassade drückt, oder ein Erdbeben.

Schritt für Schritt zum Modell

Die Forschenden began­nen klein. An der Berner Fachhochschule tes­te­ten sie zunächst ein­zel­ne Beplankungsplatten. Dann folg­ten klei­ne­re Wandelemente, spä­ter gan­ze ein­ge­schos­si­ge Wände mit Öffnungen unter­schied­li­cher Größe.

In der Empa-Halle wur­den schließ­lich Großversuche gefah­ren: zwei­ge­schos­si­ge Holzwände und lan­ge ein­ge­schos­si­ge Konstruktionen, jeweils mit zwei Fensteröffnungen neben­ein­an­der. Das Ergebnis: Die Wände leis­ten einen erheb­li­chen Beitrag zur Stabilität.

Daraus ent­steht nun ein Computermodell, das die hori­zon­ta­le Aussteifung von Wänden mit Öffnungen berech­nen kann. Erste Ergebnisse deu­ten dar­auf hin, dass weni­ger Stahlverankerungen nötig sein könn­ten. Manser sagt: „Bei gewis­sen Gebäuden kann womög­lich auf einen Betonkern ver­zich­tet wer­den, der heu­te bei vie­len Holzbauten not­wen­dig ist.“

Zeit, Geld und Material sparen

Das klingt nach nüch­ter­ner Mathematik, hat aber prak­ti­sche Folgen. Stahlverankerungen und Betonkern bedeu­ten Kosten, zusätz­li­ches Gewicht und mehr graue Energie. Könnte man dar­auf ver­zich­ten, las­sen sich Ressourcen ein­spa­ren. Holzbau wür­de damit noch wirt­schaft­li­cher und nach­hal­ti­ger.

Eine Studie des Umweltbundesamts zeigt, dass Bauen mit Holz den CO₂-Ausstoß deut­lich redu­zie­ren kann – um bis zu 50 % im Vergleich zu kon­ven­tio­nel­lem Betonbau. Jede Schraube und jeder Kubikmeter Beton, den man spart, macht einen Unterschied.

Vom Forschungsmodell zur Praxis

Noch ist das Rechenmodell kom­plex. Zu vie­le Parameter, zu viel Rechenaufwand für den Alltag auf der Baustelle. Doch die Forschenden wol­len es ver­ein­fa­chen. „Das Ziel ist, dar­aus ein ver­ein­fach­tes Praxismodell abzu­lei­ten, das weni­ger rechen­in­ten­siv ist, aber trotz­dem aus­rei­chend genaue Werte lie­fert“, so Manser.

Dabei hilft die enge Zusammenarbeit mit der Industrie. Schon wäh­rend des Projekts muss­ten Forschung und Praxis zusam­men­fin­den. Unterschiedliche Ansprüche waren manch­mal schwer unter einen Hut zu brin­gen. Doch genau das könn­te den Erfolg sichern: Wenn das Modell fer­tig ist, soll es direkt im Alltag von Ingenieur*innen nutz­bar sein.

Ein Blick in die Zukunft

Die Statik ist im Holzbau der Schlüssel zur Effizienz. Neue Berechnungsmethoden machen den Unterschied, ob ein Haus einen schwe­ren Sturm oder gar ein Erdbeben aus­hält – oder ob es mehr Stahl und Beton braucht, als nötig wäre.

Die Forschenden hof­fen, dass ihre Arbeit bald in Normen ein­fließt. Erst dann kön­nen Planer die zusätz­li­chen Tragreserven von Wänden mit Öffnungen in die Berechnungen auf­neh­men. Bis dahin bleibt es bei wei­te­ren Versuchen, Modellen und viel Holz, das unter kon­trol­lier­tem Knacken den Forschenden die Antworten lie­fert.