Die Zukunft des Holzbaus-Trends und Chances Herausforderungen und Handlungsempfehlungen - ETH Zürich

Die Zukunft des Holzbaus –
Trends und Chances
Herausforderungen und Handlungsempfehlungen

Prof. Dr. Andrea Frangi
ETH Zürich, Institut für Baustatik und Konstruktion IBK

                                          Montagskolloquien für die Praxis
                                                             1. Februar 2021
                                                                    Datum

Position von Holz im gesellschaftlichen Umfeld
 Phase I: unersetzbar

Rheinbrücke Schaffhausen,
erbaut 1756-1758 von Johann Ulrich Grubenmann (1709-1783),
1799 durch die französische Armee niedergebrannt

Position von Holz im gesellschaftlichen Umfeld
Phase II – verdrängt durch Beton und Stahl

                                                 Hundwilertobel, Ersatz durch Betonbogenbrücke 1924

Mit Holz auf Du und Du

emotionale Zuordnung

     Holz brennt

Position von Holz im gesellschaftlichen Umfeld
Phase II – verdrängt durch Beton und Stahl

Wände

         Naturbrandversuche
Decken

Position von Holz im gesellschaftlichen Umfeld
                                                 Ab 1.1.2015
Phase III – renaissance
Ab 1.1.2005

Steinhausen

Zug
                           Lugano

      Baar

Grünmatt, Zürich
               Neugrüen, Mellingen

Giesserei, Winterthur                Schorenstadt, Basel

Marktanteile Holzbauten Neubau (Wohnen)

          Quelle: Stadt aus Holz Nr. 4. Beilage zu TEC21 Nr. 45/2018

Suurstoffi 22, Risch-Rotkreuz
Fertigstellung Mai 2018
10 Geschosse, Höhe =36m

SALDOME 2, Riburg, Fertigstellung Mai 2012
Durchmesser =120m; Höhe =31m

Leistungsnachweis

                    Kaeng Krachan Elefantenpark, Zoo Zürich, 2014

Marktanteile Holzbauten Neubau (Nicht Wohnen)

           Quelle: Stadt aus Holz Nr. 4. Beilage zu TEC21 Nr. 45/2018

Trends für Holzbauten
       Immer mehr in der Stadt
                                  Freilager, Zürich

Zug

Trends für Holzbauten
 Immer mehr Auftstockungen

                              Giesshübel Aufstockung, Zürich

Trends für Holzbauten
 Immer mehr skelettartig

  Tages Anzeiger, Zürich, 2013

Trends für Holzbauten
    Immer mehr auch an der Witterung

Studentenwohnungen HWW
ETH Zürich, 2016

                         Aussichtsturm Pyramidenkogel
                             Keutschach am See, 2013

Trends für Holzbauten
 Immer mehr digitalisiert

                             ArchTecLab
                             ETH Zürich
                             2016

Trends für Holzbauten
 Immer mehr Brettsperrholz

Trends für Holzbauten
                        House of Natural Resources
 Auch mit Laubholz               ETH Zürich, 2015

Mit Laubholz zu höheren Leistungen
mit Möbelqualität

Bafu AP Projekt BSH aus Buche
4 point bending tests (fm,g)
                                T. Ehrhart

Fachwerkträger aus Buchen-LVL

Drei-Punkt-Biegeversuch an Fachwerk aus Buchen-LVL

Zentrische Vorspannung

                                  Laubholzverstärkung (Esche)

                             •   Einfacher Aufbau
Flexframe: Vorgespannte      •   Hoher Vorfertigungsgrad
                             •   Sehr schnelle Montage
Holzrahmenkonstruktion       •   Erdbebensicher
                             •   Wirtschaftlich

Suurstoffi 22, Risch-Rotkreuz
Fertigstellung Mai 2018
10 Geschosse, Höhe =36m

Zwhatt-Areal Regensdorf Hochhaus H1
Höhe =70m, 2023

Treiber der Entwicklung
Verklebung und Verbindungstechnik

Treiber der Entwicklung
Holzbau mit System…

.. bis zur digitalisierten
Produktionskette

                                 Blumer-Lehmann AG

                             Yeoju Golf Resort,
                             Südkorea
                             2007

Treiber der Entwicklung
Ressourceneffizienz

Treiber der Entwicklung
Nachhaltiges Bauen

Klimawandel und Klimaschutz
                                                                                               2021 January 27: 415.71 ppm
                                                                                               2019 Mai 11:     415.26 ppm
                                                                                               2018 Februar 21: 408.53 ppm
                                                                                               2017 Februar 20: 406.67 ppm

                                                                                        2°C scenario: 475 ppm
IBI – Institut für Bau- und Infrastrukturmanagement, Professur für Nachhaltiges Bauen
                                                                                        1.5°C scenario: 425 ppm
IBK – Institut für Baustatik und Konstruktion; Professur für Holzbau
D-BAUG – Departement für Bau, Umwelt und Geomatik

Dekarbonisierung der Gesellschaft

Gebäude und die Bauwirtschaft sind mit 36% des globalen
Energieverbrauchs und 40% der Treibhausgas-Emissionen
   ein grosser Treiber des ökologischen Fussabdrucks
IBI – Institut für Bau- und Infrastrukturmanagement, Professur für Nachhaltiges Bauen
IBK – Institut für Baustatik und Konstruktion; Professur für Holzbau
D-BAUG – Departement für Bau, Umwelt und Geomatik

Urbanisierung und Mega‐Agglomerationen

                                                   Average      Residential             2
        GDP (trillion   Population   Households                                Average m
Time                                              persons per    floor area
         2012 USD)       (billion)    (million)                           2    per person
                                                  household     (billion m )
2011       80.8            6.95         1894          3.6            164           24
2030       161.4           8.36         2840          2.9            266           30
2050       272.7           9.48         3518          2.7            354           37

Urbanisierung als Chance für Carbon Sink

                                                                                        Consume 40% of
                                                                                        global budget for
                                                                                        construction

                                                                                        Gain 45% additional
                                                                                        budget with
                                                                                        construction

   Quelle: IPCC Special Report on Global Warming of 1.5°C

IBI – Institut für Bau- und Infrastrukturmanagement, Professur für Nachhaltiges Bauen
IBK – Institut für Baustatik und Konstruktion; Professur für Holzbau
D-BAUG – Departement für Bau, Umwelt und Geomatik

Urbanisierung als Chance für Carbon Sink

"Beim jährlichen Materialfluss dominiert klar der Beton mit einem Primär-
zufluss von ca. 40 Mio. Tonnen (ca. 16 Mio. m3) pro Jahr und 63% Anteil"
Quelle: Projekt MatCH – Bau / Material- und Energieressourcen sowie Umweltauswirkungen der baulichen Infrastruktur der
Schweiz, Empa, 2016. Im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt BAFU.

Immer mehr und grösser

Agro Messebauten in Chengdu (CN)

Immer mehr in die Höhe

UBC Brock Commons, Vancouver

STATE OF THE ART

                55 m

Source: acton ostry architects; 2018

Risch Rotkreuz
Suurstoffi BF1
60 m Höhe

HoHo, Wien

                             84 m
STATE OF THE ART

Source: Woschitz, R.; 2019

85,4 8m5,4 m

                          Mjøstårnet , Norwegen

Source: Moelven Limtre AS; 2019

HAUT (73m), Amsterdam, The Netherlands, 2021
http://www.skyscrapercenter.com/building/haut/26753

Ascent (87m), Milwaukee, USA, 2022
http://www.skyscrapercenter.com/building/ascent/34292

Projekt Pi (80m), Zug, Switzerland, 2023
https://techclusterzug.ch/technologiecluster‐zug/projektpi

Herausforderung Aussteifung

     Treet, Bergen
      Höhe: 52m
                      UBC Brock Commons, Vancouver
                                Höhe: 55m

Herausforderung Robustheit
Robustheit ist die Fähigkeit eines Tragwerks und seiner
Bauteile, Schädigungen oder ein Versagen auf Ausmasse
zu begrenzen, die in einem vertretbaren Verhältnis zur
Ursache stehen (Norm SIA 260)

Robustheit im Holzbau –
Herausforderungen
– Anisotropie (gerichtete
  Materialeigenschaften)
– Grosse Streuung der
  Materialeigenschaften
– Linear elastisches Verhalten
  mit sprödem Versagen
– Verbindungen meistens
  massgebend für Tragfähigkeit
– Vorwiegend statisch bestimmte
  Tragsysteme (Vorfabrikation)
– ….

Herausforderung Deckensystem

      1               2             3                    4                  5              6
Rippendecken     Hohlkasten-    Massivholz-       Plattenförmige,        Produkt-     Holz-Beton-
                   decken        decken              verklebte          bezogene       Verbund
                                                     Produkte           Systeme

Balkenlage     Hohlkasten-     Brettschichtholz   Bodenplatten      Lignatur        Rippendecken
sichtbar       decken                                                               Massivholz-
                               Brettstapel        Brettsperrholz    Wellsteg        decken
Balkenlage                                                                          Plattenförmige
beidseitig                     Vollholzbalken     Furnierschicht-   Triasol         Produkte
verkleidet                                        holz
                                                                    usw.

Herausforderung Deckensystem

    Zuverlässigkeit, Duktilität, Robustheit, Wirtschaftlichkeit
           Traglast lässt sich zuverlässig bestimmen
                    Duktiles Bruchverhalten
                              Bi-axial

Biaxiale Holz-Beton-Verbunddecke

Flachdecke aus Holz

Herausforderung Skalierung

     Treet, Bergen, Norwegen
                               Datum

Herausforderung Skalierung

     Mjøstårnet , Norwegen

Herausforderung Rohstoffversorgung
   Zeitgerechte Lieferung von Bauprodukten in grösseren Volumen

             Rüschlikon, 24.2.2018
             Holzernte nach Sturm Burglind (3.1.2018)

Holzbau als selbstverständliche Bauweise
    für das 21. Jahrhundert werden
                   oder
    als Nischenanwendung bleiben?

Handlungsempfehlungen
 Beteiligte
      Besteller (Investoren, Bauherren): Sensibilisierung,
       Zuverlässige Fakten (z.B. Wirtschaftlichkeit und Qualität)
       und Indikatoren (inklusive Umweltwirkungen und
       Lebenszykluskosten).
      Fachplaner (Architekten, Ingenieure, usw.): Verstärkte
       Ausbildungsstandards für eine zunehmende Verfügbarkeit
       exzellenter Fachkräfte für die Entwicklung eines weltweit
       führenden Designs and Engineerings im Holzbau.
      Unternehmer: Stärkere (Finanzkraft) und grössere
       Unternehmer, Förderung von Kooperationen und
       Interdisziplinarität und einer Startup-Kultur.
      Gesellschaft: Sensibilisierung, Förderung des positiven
       Images des Holzbaus.

Handlungsempfehlungen
 Produkte und Technologien
      Durch F+E zu innovativen hochwertigen und leistungsfähigen
       Produkten und Technologien
      Durch Standardisierung zu wettbewerbsfähigen Produkten
       und Technologien mit hoher Qualität in grösser Menge
      Weiterentwicklung der Verklebungs- und
       Verbindungstechniken
      Weiterentwicklung der Hybridbauweise (Holz in Kombination
       mit anderen Materialen)
      Optimierte Abstimmung zwischen Statik, Brandschutz,
       Schallschutz, Bauphysik und Gebäudetechnik
      Verbesserung der Zuverlässigkeit, Duktilität und Robustheit
       von Bauteilen und Tragwerken

Handlungsempfehlungen
 Prozesse
      Weiterentwicklung der digitalen Planungs- und industriellen
       Fertigungstechniken inklusive Robotik
      «Industrie 4.0» und «BIM» (Building Information Modeling) als
       Erfolgsfaktoren für das Bauen mit Holz
      Digitalisierung und Bauprozesse ergänzen sich im Holzbau
       symbiotisch und erfolgreich
      Kosten-, Termin- und Qualitätssicherung durch digitales
       Planen und industrielle Fertigungsprozesse

 Übergeordnete Themen
      Integration von Themen der digitalen Transformation in allen Stufen
      Liberale Bauordnung und innovative Normen
      Demonstration- und Leuchtturmprojekte

Innovation durch Forschung & Entwicklung

Swiss Wood Innovation Network

    Die Schweizer Drehscheibe für die Holzforschung

   Das Netzwerk für innovative Holztechnologien zur
         Dekarbonisierung der Gesellschaft

«EMPIRE STATE OF WOOD» New York, 440 m hoch

                                               Architektur
                                               Michael Green
                                               Vancouver CA

Das 19. Jahrhundert war dasjenige des Stahls
Das 20. Jahrhundert gehörte dem Beton
Das Jahrhundert in dem wir uns befinden ist das neue
Zeitalter des Holzes

«EMPIRE STATE OF WOOD» New York, 440 m hoch