Holz-Beton-Verbund: Warum die Kombination beider Stoffe trägt

Mit ihr entsteht ein Verbundquerschnitt.

Die Differenz ist statisch erheblich. Sie betrifft Biegesteifigkeit, Tragwiderstand, Durchbiegung und das Langzeitverhalten. Die Holz-Beton-Verbund-Tragwirkung durch Schubverbinder ist daher keine Materialfrage allein. Sie ist primär eine Frage der Verbundfuge.

Im üblichen Feldmoment liegt das Holz in der Zugzone. Die Betonplatte liegt in der Druckzone. Dazwischen wirkt eine Fuge mit Relativverschiebungstendenz. Genau dort entscheidet sich die Tragwirkung.

Mechanik der Verbundwirkung: zwei Querschnitte oder ein Bauteil

Eine Holzdecke mit aufliegender Betonplatte besitzt zunächst zwei Teilquerschnitte. Das Holz hat seine eigene neutrale Achse. Die Betonplatte ebenfalls. Beide können vertikale Lasten aufnehmen. Ihre Biegearbeit bleibt jedoch getrennt, wenn keine wirksame Schubverbindung vorliegt.

Bei einer belasteten Decke entstehen Biegemomente. Diese verursachen im Holz Zug- und Druckspannungen. In der Betonplatte entstehen ebenfalls Spannungen. Der Abstand der beiden Teilquerschnitte eröffnet jedoch erst im Verbund einen zusätzlichen statischen Hebelarm.

Dieser Hebelarm erhöht die Biegesteifigkeit. Voraussetzung ist die Kopplung der Längsdehnungen an der Kontaktfläche.

Der Grenzfall des starren Verbundes ist eindeutig:

• Holz und Beton besitzen eine gemeinsame neutrale Achse.
• Zwischen den Schichten entsteht kein Relativschlupf.
• Die Teilquerschnitte wirken als ein zusammengesetzter Querschnitt.
• Die Lastabtragung nutzt den Abstand zwischen Zugzone und Druckzone vollständig.

Der andere Grenzfall ist ebenso eindeutig. Ohne Verbund besitzt jede Schicht ihre eigene neutrale Achse. Die Betonplatte belastet das Holz dann im Wesentlichen zusätzlich. Der geometrische Abstand der Schichten erzeugt keinen wirksamen Verbundhebelarm.

Die reale HBV-Decke liegt zwischen diesen Grenzfällen. Die Fuge ist nicht unendlich steif. Sie verformt sich. Der Schlupf reduziert die Verbundwirkung. Die Berechnung muss diesen Nachgiebigkeitseinfluss erfassen.

Die Betonplatte ist kein Aufbeton. Sie wird erst durch die Schubfuge zum statisch wirksamen Teil des Tragwerks.

Die Aussage „Beton oben, Holz unten“ beschreibt nur den Regelfall im positiven Feldmoment. Über Innenauflagern von Durchlaufträgern kehren sich Spannungszustände um. Gleiches gilt für Kragarme, Öffnungsbereiche, Einzellasten oder Sondergeometrien. Eine pauschale Zuordnung von Holz zu Zug und Beton zu Druck genügt daher nicht für den Nachweis.

Die Schubfuge überträgt die entscheidende Kraft

Unter Biegung wollen sich Holz und Beton in Längsrichtung unterschiedlich verformen. Das Holz in der Zugzone möchte sich dehnen. Die Betonplatte in der Druckzone möchte sich verkürzen. Ohne Verbindung verschieben sich beide Teilquerschnitte gegeneinander.

Diese Verschiebung heißt Schlupf. Sie ist keine Randerscheinung. Sie ist die zentrale Verformungsgröße des Holz-Beton-Verbunds.

Die Verbundfuge muss Längsschub aufnehmen. Dieser Längsschub entsteht entlang der Decke und variiert mit dem Querkraftverlauf. In vielen üblichen Systemen ist er in Auflagernähe höher als im Feld. Daraus folgt keine einfache Regel für Verbinderabstände. Die Anordnung ergibt sich aus dem System, der Belastung, dem Verbindungsmittel und den jeweiligen Nachweisen.

Die Schubverbindung benötigt zwei Eigenschaften:

Die Tragfähigkeit einer Schraube allein beschreibt den Verbund nicht. Auch eine große Anzahl von Verbindungsmitteln löst das Problem nicht automatisch. Maßgebend bleiben ihre Anordnung, ihr Schlupfmodul, die lokale Beanspruchung des Holzes und der Betonplatte sowie die Interaktion mit dem Gesamtquerschnitt.

Bei zu geringer Verbundsteifigkeit steigen die Durchbiegungen. Bei zu geringer Tragfähigkeit versagt die Fuge vor dem gewünschten Biegetragverhalten. Beides ist getrennt zu untersuchen.

Die HBV-Decke ist damit kein additiver Aufbau. Sie ist ein zusammengesetztes Tragwerk mit einer bemessungsrelevanten Schnittstelle.

Kerven, Schrauben und eingeklebte Elemente

Die Schubübertragung lässt sich auf verschiedene Weise herstellen. Klassische Systeme verwenden Kerven im Holzbau oder Schrauben. Daneben bestehen Systeme mit Dübeln, eingeklebten Lochblechen, Kopfbolzendübeln, eingefrästen Stahlleisten oder Nuten. Mikrokerben übertragen Scherkräfte über eine geometrische Verzahnung. Sie benötigen dafür nicht zwingend zusätzliche punktförmige Verbindungsmittel.

Die Wahl des Systems verändert nicht nur den Montageablauf. Sie verändert den Rechenansatz.

Kerven: Formschluss mit Eingriff in den Holzquerschnitt

Kerven sind Ausnehmungen oder Verzahnungen im Holz. Frischer Beton greift in diese Geometrie ein. Die Kraftübertragung erfolgt über Kontaktflächen und Formschluss.

Das System besitzt klare konstruktive Folgen. Die Bearbeitung reduziert lokal den Holzquerschnitt. Die Kerbgeometrie beeinflusst Spannungsspitzen und Versagensformen. Nicht die sichtbare Kerbe ist maßgebend, sondern ihre tragende Geometrie im Verhältnis zu Holzfestigkeit, Faserrichtung und Beanspruchung.

Kerven können eine kontinuierlich wirkende Verzahnung erzeugen. Sie entbinden jedoch nicht von der Bemessung der Fuge. Holzversagen, lokale Druckbeanspruchung, Spaltzug und Betonbeanspruchung bleiben nachzuweisen.

Verbundschrauben: punktförmige Kopplung mit definierter Richtung

Schraubverbinder übertragen Kräfte über das Zusammenwirken von Stahl, Holz und Beton. Ihre Tragwirkung kann aus Abscheren, Biegung, Ausziehen und Kontaktpressung bestehen. Die genaue Verteilung hängt von Schraubentyp, Einbindetiefe, Neigung, Holzprodukt und Betonanschluss ab.

Kreuzweise unter 45 Grad angeordnete schlanke Schrauben wurden in Untersuchungen eingesetzt, um die Verbundsteifigkeit zu erhöhen. Die Neigung ist statisch relevant. Sie verändert die Kraftzerlegung und kann die Übertragung von Längs- und Abhebekräften beeinflussen.

Der Begriff Verbundschrauben-Tragfähigkeit bleibt ohne Systembezug unvollständig. Entscheidend sind unter anderem:

1. Der Holzquerschnitt. Vollholz, Brettschichtholz, Brettsperrholz und andere Holzprodukte reagieren nicht identisch. Faserrichtung und Schichtaufbau bestimmen lokale Widerstände.

2. Die Schraubengeometrie. Durchmesser, Gewindeausbildung, Einbindelänge und Neigungswinkel verändern Tragwiderstand und Steifigkeit.

3. Die Lage der Verbindungsmittel. Randabstände und Achsabstände begrenzen die lokale Beanspruchbarkeit des Holzes.

4. Die Betonplatte. Plattendicke, Festigkeitsklasse, Bewehrung und Betonierzustand beeinflussen Anschluss und Rissverhalten.

5. Der Lastfall. Gleichlast, Einzellast, Auflagerbereich und Zwang erzeugen unterschiedliche Beanspruchungen der Fuge.

Für bestimmte Anwendungen eingeklebter Schubverbinder wird Vollholz aus Nadelholz mindestens der Festigkeitsklasse C24 genannt. Daraus folgt keine allgemeine Materialfreigabe für alle HBV-Systeme. Der Verwendbarkeitsnachweis des gewählten Produkts bleibt maßgebend.

Eingeklebte Lochbleche und Stahlleisten

Eingeklebte Lochbleche oder eingefräste Stahlleisten verlagern einen Teil der Verbindung in das Holzinnere. Das kann eine hohe Verbundsteifigkeit ermöglichen. Zugleich steigen die Anforderungen an Fertigung, Klebstoffsystem, Feuchtezustand, Toleranzen und Qualitätssicherung.

Die statische Leistung eines solchen Anschlusses ist nicht von der Montage zu trennen. Klebefugen reagieren empfindlich auf Ausführungsabweichungen. Der Nachweis benötigt belastbare Systemdaten. Ohne sie bleibt eine rechnerische Aussage zum Langzeitverhalten begrenzt.

Die Schubfestigkeit im Verbundbau ist nur eine Seite des Nachweises. Die Gebrauchstauglichkeit wird durch die Steifigkeit der Fuge bestimmt.

Betonplatte, Bewehrung und Bauzustand

Die Betonplatte übernimmt im Verbund nicht nur Druckspannungen aus der globalen Biegung. Sie muss auch lokale Lasten, Schwindzwänge, Temperaturwirkungen und Risszustände berücksichtigen. Ihre Bewehrung ist Teil des konstruktiven Gesamtsystems.

Eine Betonschicht kann nicht beliebig dünn angesetzt werden. In einer Fachpublikation zu damals behandelten allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen wird mindestens C20/25 genannt. Dort erscheinen mindestens 60 Millimeter Betondeckschicht; bei eingeklebten Lochblechen 70 Millimeter. Diese Angaben stammen aus systembezogenen Zulassungsständen. Sie sind keine universelle Mindestregel für jede HBV-Decke.

Die Betondecke erhält ihre endgültige Festigkeit erst nach dem Erhärten. Während des Betonierens liegt ein Bauzustand vor. Das Holzelement trägt Frischbeton, Bewehrung, Personal und Geräte zunächst allein oder mit temporären Hilfen. Die Bauzustandsbemessung kann den Querschnitt stärker prägen als der Endzustand.

Auch die Ausführung der Fuge entscheidet. Staunässe, Verschmutzung, unzureichende Verdichtung, Lageabweichungen der Verbinder oder ein nicht vorgesehener Betonierablauf verändern die tatsächliche Anschlusswirkung. Eine rechnerisch definierte Schubfuge entsteht nicht automatisch auf der Baustelle.

Bemessung nach DIN CEN/TS 19103

Für Holz-Beton-Verbundtragwerke liegt mit DIN CEN/TS 19103:2022-02 eine technische Spezifikation zur Berechnung vor. In Deutschland ergänzt DIN CEN/TS 19103/NA:2024-09 diese Grundlage durch nationale Festlegungen zur Bemessung und konstruktiven Ausführung.

Die Regelwerke ordnen die Fragestellung. Sie ersetzen nicht die Systemkenntnis.

Die Berechnung benötigt mindestens folgende Ebenen:

• den Nachweis der Holzkomponente,
• den Nachweis der Betonplatte einschließlich Bewehrung,
• den Nachweis der Schubverbindung,
• den Nachweis des Verbundquerschnitts,
• den Nachweis im Bauzustand,
• den Gebrauchstauglichkeitsnachweis mit Durchbiegung und gegebenenfalls Schwingungsverhalten,
• die Berücksichtigung zeitabhängiger Einflüsse.

Die Teilquerschnitte dürfen nicht unabhängig optimiert werden. Eine hochfeste Betonplatte kompensiert keine nachgiebige Fuge. Ein steifes Holzbauteil kompensiert keinen zu schwachen Verbinder. Der Nachweis zeigt stets das schwächste Glied der Lastabtragung.

Bei innovativen Systemen reicht die geometrische Beschreibung nicht aus. Es müssen belastbare Kennwerte für Material, Verbindung und Gesamtverbund vorliegen. Fehlen sie, wird besonders die Langzeitdurchbiegung zum Risiko der Planung.

Langzeitverhalten: Die Enddurchbiegung entsteht nicht am Betoniertag

Holz und Beton verhalten sich zeitabhängig. Beton schwindet und kriecht. Holz reagiert auf Feuchteänderungen und besitzt ebenfalls Kriechanteile. Die Verbundfuge kann unter Dauerlast Schlupf entwickeln. Diese Prozesse wirken zusammen.

Die unmittelbare Durchbiegung nach Belastung beschreibt deshalb nicht den Endzustand. Für HBV-Decken kann die rechnerische Langzeitdurchbiegung maßgebend werden. Das gilt besonders bei schlanken Konstruktionen, großen Nutzlastanteilen oder nachgiebigen Verbindungssystemen.

Die Lastabtragung erfordert daher eine zeitliche Betrachtung:

1. Bauzustand: Das Holz trägt vor dem Erhärten der Betonplatte einen wesentlichen Teil der Lasten.

2. Kurzzeitiger Endzustand: Nach dem Erhärten wirkt der Verbund entsprechend der angesetzten Anschlusssteifigkeit.

3. Langzeitiger Endzustand: Kriechen, Schwinden, Feuchte und Schlupf verändern Spannungen und Verformungen.

4. Nutzungszustand: Ausbau, Trennwände, Installationen und wechselnde Verkehrslasten müssen mit dem gewählten System zusammenpassen.

Exakte allgemeine Werte für Spannweiten, zulässige Verkehrslasten, Verbinderabstände oder Durchbiegungen existieren nicht. Sie hängen vom Querschnitt, dem Holzprodukt, der Betonplatte, dem Verbindungssystem, der Lagerung und der Nutzung ab. Eine allgemeine Rangfolge der Verbindungssysteme nach Kosten oder Tragfähigkeit ist ebenfalls nicht belastbar.

Das ist keine Einschränkung der Bauweise. Es ist ihre mechanische Realität.

Der Effizienzgewinn liegt im Abstand der Zonen

Holz-Beton-Verbund ist effizient, wenn jede Komponente in einer günstigen Beanspruchungszone arbeitet und die Fuge diese Arbeit zuverlässig koppelt. Holz kann die Zugbeanspruchung im Feldbereich übernehmen. Beton kann die Druckzone bilden. Der Abstand beider Zonen erhöht die Biegewirkung des Gesamtquerschnitts.

Die konstruktive Leistung entsteht nicht durch Materialaddition. Sie entsteht durch kontrollierte Kraftübertragung.

Wer eine HBV-Decke beurteilt, muss daher zuerst auf die Verbundfuge sehen. Danach folgen Querschnitt, Bauzustand, Betonplatte und Langzeitverhalten. Die Tragwirkung des Holz-Beton-Verbunds durch Schubverbinder ist nur dann nachweisbar, wenn Tragwiderstand und Steifigkeit der Verbindung gemeinsam angesetzt werden.

Der Nachweis endet nicht bei der Schraube, der Kerve oder dem Lochblech. Er endet beim vollständigen Tragwerk.