Holz als tragender Baustoff für Windenergieanlagen stellt besondere Anforderungen an die Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit. Das Institut für Baukonstruktion und Holzbau (IBHolz) der TU Braunschweig begleitet gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Holzforschung (Fraunhofer WKI) die Entwicklung innovativer Holz-Hybridtürme der HASSLACHER Green Tower GmbH. Ein aktueller Schwerpunkt ist die messtechnische Überwachung des Feuchteverhaltens der tragenden Holzkonstruktion. Hierzu wurde an einem Mock-up des Turms ein umfangreiches Feuchtemonitoring installiert und erfolgreich in Betrieb genommen.

Bereits seit 2009 begleitet Prof. Dr.-Ing. Mike Sieder die Entwicklung von Holztürmen für Windenergieanlagen. Ein wesentlicher Meilenstein dieser Entwicklung war die Errichtung des Prototyps der TimberTower GmbH im Jahr 2012 in Hannover. Der rund 100 m hohe Turm aus Brettsperrholz demonstrierte die grundsätzliche technische Realisierbarkeit von Windenergieanlagen mit tragenden Holzkonstruktionen und steht bis heute in Hannover.

Anknüpfend an diese Erfahrungen begleiten Prof. Sieder, das IBHolz der TU Braunschweig und das Fraunhofer WKI die Weiterentwicklung innovativer Holz-Hybridturmkonstruktionen der HASSLACHER Green Tower GmbH.

Das aktuelle Turmkonzept basiert auf einer räumlichen Fachwerkkonstruktion aus Brettschichtholz, die mit weiteren Stahlbauteilen zu einem leistungsfähigen Hybridtragwerk kombiniert wird. Ziel ist die Entwicklung materialeffizienter, wirtschaftlich herstellbarer und dauerhaft leistungsfähiger Tragkonstruktionen für moderne Windenergieanlagen mit großen Nabenhöhen.

Die wissenschaftlich-technische Begleitung umfasst insbesondere die Entwicklung, experimentelle Untersuchung und Bewertung turmspezifischer Verbindungstechniken unter statischen und dynamischen Beanspruchungen. Neben den Nachweisen der Tragfähigkeit und des Ermüdungsverhaltens spielen auch die Gebrauchstauglichkeit sowie die langfristige Dauerhaftigkeit der Holzkonstruktion eine entscheidende Rolle.

Feuchtemonitoring als Bestandteil der Dauerhaftigkeitsbewertung

Eine wesentliche Voraussetzung für die dauerhafte Funktionsfähigkeit tragender Holzkonstruktionen ist die Begrenzung der Holzfeuchte unter den zu erwartenden klimatischen Beanspruchungen.

Zur Überprüfung des vorgesehenen konstruktiven Holzschutzkonzepts und zur Bewertung des tatsächlichen Feuchteverhaltens wurde deshalb durch das IBHolz ein Monitoringkonzept entwickelt, das am errichteten Mock-up des Holz-Hybridturms umgesetzt und erprobt wurde.

Dabei kommen zwei unterschiedliche Messsysteme zum Einsatz:

Elektrische Widerstandsmessung: Etablierte Messsysteme erfassen die Holzfeuchte anhand des feuchteabhängigen elektrischen Widerstands zwischen im Holz angeordneten Elektroden.

Sorptives EFS-Sensorsystem: Ergänzend wird das von der Firma Elascon gemeinsam mit dem IBHolz entwickelte EFS-Sensorsystem eingesetzt, das auf dem Prinzip der sorptiven Holzfeuchtebestimmung beruht.

Beide Systeme ermöglichen eine kabellose Datenübertragung und eine kontinuierliche Erfassung und Auswertung der Messwerte.

Das EFS-Sensorsystem zeichnet sich insbesondere durch seine speziell ausgelegte Funkübertragung sowie die zugehörige Datenerfassungs- und Datenverarbeitungsarchitektur aus. Hierdurch ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Robustheit und Flexibilität des Systems sowie seiner universellen Einsetzbarkeit zur Überwachung der Holzfeuchte und zur messtechnischen Begleitung von Trocknungsprozessen im Holz- und Holz-Hybridbau.

Integration der Messtechnik bereits während der Fertigung

Die Installation der Messsysteme erfolgte teilweise bereits während der Herstellung der tragenden Holzbauteile und wurde im Zuge der Montage des Mock-Ups vervollständigt.

Die Sensoren wurden an ausgewählten Messstellen in die Holzquerschnitte integriert. Die zugehörigen Anschlüsse und Leitungsführungen wurden konstruktiv geschützt und die Messsysteme mit entsprechenden Datenerfassungs- und Übertragungseinheiten verbunden.

Die installierten Systeme sind inzwischen in Betrieb und liefern zuverlässig Messdaten zum Feuchteverhalten der Konstruktion.

Die kontinuierliche Messwerterfassung ermöglicht es, die zeitliche Entwicklung der Holzfeuchte unter den standortspezifischen klimatischen Bedingungen zu untersuchen. Von besonderem Interesse sind dabei die Wirksamkeit des konstruktiven Witterungsschutzes, mögliche jahreszeitliche Feuchteschwankungen sowie die Feuchteverteilung in den tragenden Holzbauteilen.

Die gewonnenen Messdaten werden zur Überprüfung der zugrunde gelegten Annahmen zum Feuchteverhalten und zur wissenschaftlich-technischen Bewertung der Konstruktion herangezogen.

Messdaten als Grundlage für bauaufsichtliche Nachweise

Die Ergebnisse des Feuchtemonitorings besitzen nicht nur für die Weiterentwicklung des Holzschutzkonzepts eine hohe Bedeutung. Sie liefern zugleich wichtige Erkenntnisse für die Bewertung der langfristigen Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit des Turmtragwerks.

Insbesondere können die unter realen Klimabedingungen erfassten Messwerte dazu beitragen, die angesetzten klimatischen Randbedingungen und die daraus abgeleiteten Annahmen für die statisch-konstruktive und gutachterliche Bewertung zu überprüfen und weiter abzusichern.

Dies ist von besonderer Bedeutung für die derzeitigen Bauvorhaben, die auf Grundlage projektbezogener bauaufsichtlicher Entscheidungen, insbesondere einer Zustimmung im Einzelfall (ZiE) bzw. einer vorhabenbezogenen Bauartgenehmigung (vBG), umgesetzt werden sollen.

Darüber hinaus können die gewonnenen Erkenntnisse eine wichtige Grundlage für die angestrebte allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (abZ) bzw. allgemeine Bauartgenehmigung (aBG) der entsprechenden Bauprodukte und Bauarten bilden.

Mit der Verbindung aus experimenteller Tragwerksforschung, innovativer Messtechnik und langfristiger Bauwerksüberwachung leistet das IBHolz gemeinsam mit seinen Forschungspartnern einen wichtigen Beitrag zur wissenschaftlich fundierten Weiterentwicklung dauerhafter und ressourceneffizienter Holz-Hybridkonstruktionen für die Windenergie.