Zur technischen und ressourceneffizienten Umsetzung von Holzhochhäusern

Abstract

In der vorliegenden Diplomarbeit werden Hochhäuser in Holzbauweise untersucht. Hochhäuser aus Holz stellen eine umweltfreundlichere Alternative zu Stahlund Stahlbetonhochhäusern dar. In den vergangenen Jahren wurden bereits zahlreiche Hochhäuser in Holzbauweise mit überwiegend positiven Erfahrungen bis zu einer Höhe von 84 m errichtet. Die höchsten Bäume der Welt sind über 100 m hoch, daher wird unter anderem die Fragestellung behandelt, mit welchem Ressourceneinsatz ein Hochhaus aus Holz über 100 m technisch realisierbar wäre. Dazu werden die Eigenschaften und die Festigkeiten des Baustoffes Holz und der daraus erstellten Holzwerkstoffe vorgestellt. Im Kapitel zu den Grundlagen von Hochhaustragwerken werden Einwirkungen und Lastannahmen für Hochhäuser beschrieben. Es werden mögliche Holzdeckensysteme und Aussteifungsmaßnahmen für Tragwerke von Hochhäusern in Holzbauweise untersucht und verglichen. Da die Möglichkeit mit Holz in die Höhe zu bauen stark vom Brandschutz abhängig ist und dieser landesspezifisch unterschiedlich geregelt wird, werden auch die Vorschriften in verschiedenen Ländern verglichen. Anhand bereits gebauter Holzhochhäuser sollen Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt werden, wie die zuvor beschriebenen Anforderungen umgesetzt wurden. In einer Ta-belle werden zusammenfassend bereits gebaute Holzhochhäuser bezüglich der Bauweisen, der Brandschutzmaßnahmen, der verbauten Materialien und der Bauzeit und Kosten gegenübergestellt. Im Anschluss wird anhand der gewonnenen Erkenntnisse eine technische und ressourceneffiziente Lösung für ein exemplarisches Holzhochhaus mit 120 m Höhe untersucht. Dazu werden Modelle von Hochhäuser in Holzbauweise mit einem rechteckigen Grundriss in Holz-Beton-Hybridbauweise, in Holzskelettbauweise und in Holzmassivbauweise als computerunterstütztes Finite Elemente Modell modelliert und bezüglich der Steifigkeit, der Schwingungsanfälligkeit und den Verformungen des Tragwerks verglichen. Der Vergleich verschiedener Holzund Hybriddeckensysteme zeigt, dass für das exemplarische Gebäude eine Fertigteil-Holz-Beton-Verbunddecke am besten geeignet ist, weshalb diese bei den Modellen nicht geändert wird. An-hand der Analyse der Eigenschwingungen und Verformungen, sowie den erforderlichen Ressourceneinsatz und der Bauzeit sollen die Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken der jeweiligen Gebäudeentwürfe aufgezeigt und verglichen werden.

The present master thesis shows an investigation about wooden high-rise-buildings. Wooden high-rise-buildings are an environmentally friendly alternative to buildings made out of steeland reinforced concrete. In recent years, positive experience has been made with numerous wooden high-rise-buildings, which have been erected up to heights of 84 m. The highest trees on earth are approximately 100 m tall. Thus, one guiding question is, whether a wooden high rise building with a height of the worlds tallest trees, approximately 100 m, could be realized from a technical and an economical point of view. In order to discuss this question, the properties and resistance of the building material wood und of the used materials are introduced. The state of the art in the field of wooden structures, which includes actions and loads, as well as wooden ceiling systems and measures for stiffening of such high-rise-buildings, is dis-cussed. An additional comparison of different stiffening systems made out of wood, concrete and steel should show the stiffness properties based on a calculated replacement stiffness indicator, which is evaluated for the materials. Since the design of wooden structures highly depends on technical fire protection, for which guidelines differ for various countries strongly, applicable regulations are compared. Based on realized wooden high-rise-buildings, possible designs are proposed, as well as measures to match the design proposed in the discussed guidelines. A comparison is shown, in which already built wooden high-rise-buildings are compared regarding their construction method, their fire safety, the used materials and the construction time needed. Furthermore, the coasts are compared. Additionally, an economical and technical solution for the design of a 120 m tall building is presented based on structural models in Dlubal RFEM. These four wooden structures with a rectangular layout and different stiffening systems are evaluated in terms of their susceptibility to oscillations and to deformations. The models are designed for timber-concrete-hybrid method, the skeletonand the massive-construction method. The comparison of different wood and hybrid ceiling systems shows that for the exemplary building, the best solution for the ceiling is a prefabricated wood-concrete composite ceiling. Therefore, the ceiling in all models is calculated as a wood-concrete composite ceiling. Based on the results of the analysis, which are mainly the material requirements, an economical solution as well as the construction time analysis for a wooden high-rise building is discussed. The strengths, weaknesses, opportunities and threats of each type of the proposed wooden high-rise-building structures are shown and compared.