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Jan 18, 2024

Ofen für sichere Holzgebäude

Der Holzbau erlebt in der Schweiz eine Renaissance. ETH-Forschende

Der Holzbau erlebt in der Schweiz eine Renaissance. ETH-Forschende am Campus Hönggerberg testen mit einem Brandsimulator Holzbauteile für den Bau von Gebäuden aller Grössen. Der maßgeschneiderte Ofen ermöglicht die Simulation realistischer Brandszenarien.

Nicht alle Gebäudebrände entwickeln sich auf die gleiche Weise. Das brennbare Material fängt Feuer, die Temperatur steigt und das Feuer wächst und breitet sich aus. Die Brandraumgröße und -beschaffenheit, die Brandlast, die Temperatur und die Sauerstoffkonzentration im brennenden Raum beeinflussen die Entstehung. Die jüngste Akquise des Instituts für Baustatik im Departement Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Zürich soll zeigen, wie sich Holzkonstruktionen in verschiedenen Brandszenarien verhalten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden dazu beitragen, die Einsatzmöglichkeiten von Holz als sicherer und nachhaltiger Baustoff zu erweitern.

Der speziell für Brandsimulationen entwickelte Ofen kostet inklusive Gebäudesanierungsmassnahmen rund 2,5 Millionen Franken, wirkt robust und ist im Heizgebäude des Campus Hönggerberg untergebracht. Es besteht aus einem mit Stahlträgern verstärkten Metallkubus mit einer Brennkammer von einem Meter Höhe, einem Meter Breite und fast 1,7 Metern Länge. Gesteuert wird der Brandsimulator durch zehn Gasbrenner, die zu gleichen Teilen an den beiden Längsseiten angebracht sind. Sie können den Ofen auf über 1.400 Grad Celsius aufheizen. Die Tests werden mit mehreren Kameras außerhalb der Brennkammer aufgezeichnet, außerdem kann die Zusammensetzung der Verbrennungsgase analysiert werden.

„Wir können die Temperatur des Ofens auf drei Grad genau programmieren und das Gleiche auch mit dem Sauerstoff im Ofen machen“, erklärt Andrea Frangi stolz. Auch die Holzbauteile und andere gängige Baustoffe können bei der Prüfung mit bis zu 50 Tonnen belastet werden. Der Professor für Holzbau initiierte die Beschaffung des Brandsimulators und war an der Festlegung seiner Spezifikationen beteiligt. „Mit dem Ofen können wir verschiedene Brandszenarien simulieren und deren Auswirkungen auf die Holzkonstruktionen untersuchen.“

Der Holzbau boomt in der Schweiz und die Gebäude wachsen. In Regensdorf, Zug, Winterthur und Zürich sind derzeit Holzhochhäuser mit einer Höhe von 75 bis 108 Metern geplant oder bereits im Bau. Dass dies überhaupt möglich ist, ist auch einer jahrzehntelangen Forschungsarbeit zu verdanken, etwa der von Frangis Gruppe mit dem Brandsimulator. Neue Bauprodukte und Technologien zur Verbindung von Holzbauteilen ermöglichen auch immer größere und außergewöhnliche Konstruktionen.

Vor 2004 waren in der Schweiz nur zweistöckige Gebäude mit Holzkonstruktionen zulässig. Ab 2005 wurde die Schwelle auf sechs Stockwerke angehoben, seit 2015 gibt es faktisch keine Obergrenze mehr. „Die geplanten Hochhäuser sind zweifellos Leuchtturmprojekte“, sagt Frangi. „Holz hat sich jedoch längst als Baustoff für mittelhohe Gebäude etabliert und überzeugt durch sein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis, Nachhaltigkeit und Sicherheit.“ Letzteres mag überraschen, doch während sich Stahlträger im Brandfall verformen und dadurch instabil werden können, können Holzkonstruktionen ihre strukturelle Integrität länger bewahren.

Die Tragfähigkeit eines Holzbalkens im Brandfall wird grundsätzlich durch seine Größe bestimmt. Wenn der Strahl brennt, werden etwa vier Zentimeter pro Stunde an den dem Feuer ausgesetzten Seiten von Holz in Holzkohle umgewandelt. Mögliche Schwachstellen sind Verbindungselemente und konstruktive Details. Um die Einsatzmöglichkeiten des modernen Holzbaus zu erweitern, wollen Andrea Frangi und sein Team das Verbrennungsverhalten von Holzbauelementen und -verbindungen unter realistischen Bedingungen weiter untersuchen. „Der Bausektor verursacht einen Großteil der klimaschädlichen Emissionen. Mit unserer Forschung können wir dazu beitragen, dass noch mehr der nachwachsenden und CO2-sparenden Ressource Holz als Baustoff zum Einsatz kommt“, sagt Frangi.