Wenn ein Haus auf Reisen geht, stehen die Kräfte in der Konstruktion schon mal Kopf. Das ist etwa der Fall, wenn Bauteile anderswo gefertigt als montiert werden, wie das beispielsweise bei Fertighäusern der Fall ist. Einen besonderen Typ stellt das sogenannte surPLUShome dar, das vor einigen Jahren Gewinner des Solar Decathlon in Washington D.C. war. Der aus vier Vierteln zusammengesetzte Kubus musste bei der Montage und Demontage einiges aushalten. Dank geeigneter Verbindungsmittel hielt das kompakte Wohnkraftwerk den wechselnden Lastzuständen bei der Montage und Demontage aber dennoch stand.
Alle zwei Jahre lobt das amerikanische Energieministerium den Hochschulwettbewerb „Solar Decathlon“ aus. 2009 ging es um den Bau eines energie autarken Gebäude-Prototypen für das Wohnen im Jahr 2015. Die Aufgabe bestand darin, ein allein mit Sonnenenergie betriebenes Wohnhaus für einen Zwei-Personen-Haushalt zu planen und zu bauen. Dabei war der Einsatz neuartiger Materialien und Technologien gefragt, die möglicherweise erst einpaar Jahre später Standard sein würden.
Unter der damaligen Leitung von Professor Manfred Hegger († 29. Juni 2016) entwickelten die Studenten der Technischen Universität Darmstadt das surPLUShome, einen zweigeschossigen Holzbau mit einer Fläche von rund 75 m², der gestalterisch und technisch alle Möglichkeiten ausreizt. Die Vision war, Energieeffizienz und Nachhaltigkeit als Mehrwert im täglichen Leben zu verankern, was im Namen surPLUShome seinen Ausdruck finden sollte.
Die Konstruktion richtet sich nach dem Transport
Das Tragwerk ist eine Mischung aus Holzrahmenbau und Blocksystembau. Wegen der im Wettbewerb begrenzten Gebäudehöhe wurden Massivholzelemente u. a. in Boden, Decke und Dach integriert, da sie schlankere Querschnitte erlauben.
Die Wahl fiel auf Holz; nicht nur, weil es eine hervorragende Ökobilanz aufweist, sondern auch, weil es im Vergleich zu anderen Baustoffen sehr leicht ist. Letzteres ist ein wichtiger Aspekt im Hinblick auf den Transport. Überhaupt bestimmte vor allem die Transportfähigkeit des Gebäudes den Entwurf und die Ausführung.
Das surPLUShome sollte über den See- und Landweg von Deutschland in die USA auf das Wettbewerbsgelände, die National Mall, und wieder zurück gebracht werden. Die Planung sah daher ein zerlegbares Gebäude vor, dessen Einzelteile die zulässigen Abmessungen für den Straßen und Seetransport nicht überschreiten.
So wurde der etwa 6,50 m breite, 11,4 m lange und 5,25 m hohe Kubus als viergeteiltes Gebäude entworfen und gebaut. Die Teilung erfolgte einmal vertikal über die Längsachse und einmal horizontal auf zwei Dritteln seiner Gesamthöhe, also auf etwa 3,30 m.
Für den Transport mussten die als Module bezeichneten Gebäudeviertel in sich stabil sein und entsprechend ausgesteift werden. Dafür sorgten nach der Montage jedes Moduls Stahlsprieße, die an in die Holzkonstruktion integrierten Stahlteilen befestigt wurden. Zusätzlich gibt es in den beiden unteren Modulen ein Stahlseil, das über die lange Seite spannt und die Zugkräfte aufnimmt, die beim Anheben auftreten.
Zwei Lastfälle managen
Bevor es soweit war, galt es, die Aufgabe zu lösen, wie die vor und während des Transports wirkenden Kräfte innerhalb der Wand-, Decken- und Bodenelemente aufgenommen werden können. Die Herausforderung bestand darin, die Bauteile für zwei verschiedene Lastfälle auszulegen. Das heißt, die Haupt- und Nebenträger der Boden-, Decken-und Dachelemente bzw. die Pfosten und Riegel der Wände so miteinander zu verbinden, dass sie sowohl Zugals auch Druckkräfte aufnehmen. Denn die innerhalb der Konstruktion wirkenden Kräfte kehren sich um bzw. verändern sich dynamisch, wenn sie am Boden stehend aus dem „Lastfall Ruhezustand“ von einem Kran angehoben in den „Lastfall Montagezustand“ wechseln. Dann werden aus Druckkräften Zugkräfte oder es treten Mischzustände aufgrund der dynamischen Beanspruchungen auf, wenn ein Modul an den Haltepunkten am Kran hängt und zur Montage eingeschwenkt und versetzt wird.
Die Lösung: Diagonal eingedrehte Schrauben
Bei der baulichen Umsetzung bekamen die Darmstädter tatkräftige Unterstützung vom „Kompetenz Zentrum Holzbau und Ausbau“ (Kom Zet) in Biberach. Dabei betreute ein erfahrener Zimmermeister das Team und die Montage bis zum Aufbau in Washington D.C. In Biberach fand die Vorfertigung der Holztafeln für die Wände, den Boden und das Dach statt.
Hier wurde auch über die richtige Lösung für die Zug-Druck-Verbindungen diskutiert. Als Ersatz für den konventionellen Haupt-Nebenträger-Anschluss mit Balkenschuhen, der nur für den Lastfall Ruhezustand geeignet ist, fiel die Entscheidung für einen Anschluss mit diagonal eingedrehten Doppelgewindeschrauben („System WT-T“ von SFS). Diese über Kreuzeinzubringenden Verbindungsmittel lieferten die richtige Lösung. Sie wirken wie Fachwerkdiagonalen, sodass jede Schraube Zug- und Druckkräfte gleichermaßen aufnehmen kann.
Das überzeugte auch den Tragwerksplaner des Projekts und er stimmte dem Vorschlag zu. Das Einbringen der Schrauben erwies sich außerdem als sehr einfach: Mit einer 45°-Hilfslehre, einem dreieckigen Keil mit Einkerbungen, den sich die Studenten selbstgebaut haben, war es ein Kinderspiel, die selbstbohrenden Schrauben in der richtigen Neigung und mit dem richtigen Randabstand in die Neben- und Hauptträger einzudrehen und sie kraftschlüssig miteinander zu verbinden.
So konnten alle Längs- und Querträger- bzw. Pfosten und Riegel-Anschlüsse biegesteif miteinander verbunden werden – was auch im Hinblick auf die Bauteil-Rahmenecken wichtig war.
Zwar trugen die OSB-Beplankungen der Elemente ebenfalls zur Aussteifung und Stabilität bei. Doch nur in Kombination mit den auf Zug und Druck beanspruchbaren Verbindungen machten sie die wechselnden Belastungen bei der Montage und Demontage schadlos mit und konnten ihre Funktion erfüllen.
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