Skalierbare High-Tech-Holzkonstruktion

Der HASSLACHER Green Tower Holz-Hybrid-Turm stellt eine offene Fachwerkskonstruktion aus Brettschichtholz (BSH) also eine stabförmige Konstruktion dar. Unter Brettschichtholz versteht man aus in gleicher Faserrichtung verleimte Holzbrettlagen. Solche Lamellen, für deren Herstellung Massivholz verwendet wird, werden vorwiegend im konstruktiven Ingenieurholzbau, also bei Konstruktionen unter statischer und dynamischer Beanspruchung verwendet. Die Träger aus Brettschichtholz werden auch als Leimbinder bezeichnet. Die hybride Turmkonstruktion besteht im unteren Teil aus vier massiven BSH-Stützen, die mit Holzdiagonalen (ebenfalls BSH-Träger) verbunden sind. Ein Adapterstück aus Stahl führt zum oberen Teil der Konstruktion, welcher aus klassischen bekannten Stahlrohr-Sektionen mit einem maximalen Durchmesser von 4.3m besteht.

Der Anteil des Werkstoffes Holz beträgt beim Holz-Hybrid-Turm je nach Konfiguration knapp 90 Volumen-% der an der gesamten Turmkonstruktion eingesetzten Materialien. Der Grund dafür liegt darin, dass die groß dimensionierten Holzelemente im unteren Teil der Gesamtkonstruktion volumenmäßig einen Großteil der Konstruktion ausmachen.

Im Gegensatz zu vielen Windkraftanlagen setzen wir anstatt der konventionellen Flachfundamente vier Einzelfundamente ein. Vergleichsweise sind diese Einzelfundamente relativ klein konzipiert, sodass anstatt der bis zu 1.000 m3 Beton in unseren Fundamenten insgesamt ca. 50 % des Betons eingespart werden kann. Dabei werden die Holzstützen über werkseitig montierte Adapter an den vier Einzelfundamenten angeschlossen. Diese vier Einzelfundamente bestehen aus jeweils einer Bodenplatte und einem Sockel in Form eines Pyramidenstumpfes. Aus diesen ragen die Ankerstangen für den Anschluss der Holzstützen hervor. Die Fundamente sind mit einem außenliegenden Erdungsring verbunden.

Derzeit planen wir ein Tiefgründungsfundament (Ankertechnik mit Piloten) umzusetzen. Dadurch kann das Volumen an Beton nochmals massiv reduziert werden. Damit gestaltet sich der rückstandslose Rückbau der Fundamente vergleichsweise noch einfacher und schneller.

Holz als Werkstoff hat äußerst positive Eigenschaften bei der Belastung in Faserrichtung. Damit kann eine Holzkonstruktion Zug- und Druckkräfte sehr gut abtragen. Querbelastungen zur Faserrichtung, wie sie etwa bei Verwindungskräften (Torsion) auftreten, stellen den Werkstoff Holz allerdings vor erhebliche Herausforderungen. Da solche Kräfte durch die Rotorblätter in Windkraftanlagen aber oft maßgeblich sind, wurde daher für die erste Entwicklungsstufe ein Hybridturm ausgewählt. Der Grund liegt darin, dass Stahl durch seinen hohen Schubmodul hervorragend geeignet ist, hohe Torsionskräfte im Turmkopfbereich abzutragen. Die hohen Torsionskräfte am Turmfuß können wir durch das Ausspreizen der Konstruktion abfangen.

Unsere industriell aufgeleimte Witterungsschutzschicht aus dauerhaftem Kiefer-Kernholz ist mindestens 4,5 cm dick, für 25 Jahre Betrieb ausgelegt und in unseren CE-zertifizierten Fertigungsprozess integriert. Dadurch stellt sie ähnlich wie eine Betonüberdeckung oder der Gelcoat bei Glasfaserverbundstoffen einen fest in das Bauteil integrierten, dauerhaften Schutz der tragenden Struktur dar. Die Dicke und der Aufbau der  Witterungsschutzschicht oder Holzüberdeckung kann je nach geplanter Lebensdauer bedarfsweise erhöht oder angepasst werden, dabei wird diese rechnerisch nicht für den statischen Lastabtrag angesetzt. Die Wirksamkeit als Schutz für die tragende Holzstruktur wurde durch umfangreiche Testreihen mit Bewitterung in Klimakammern bestätigt.

Wie bei Stahl oder Beton ist das Phänomen Materialermüdung auch bei Holzkonstruktionen in der statischen Auslegung der Struktur zu berücksichtigen. Wir wenden für die Bemessung die anerkannten Regeln der Technik an (insbesondere die in EN 1995-1-1 und EN 1995-2 geregelten Tragsicherheitsnachweise für Holz). Außerdem greifen wir auf Erkenntnisse aus umfangreichen eigenen Ermüdungsversuchen mit unseren Bauteilen an spezialisierten Materialprüfanstalten für Holzbauteile zurück.

Die Auslegung der Konstruktion erfolgt unter Berücksichtigung des spezifischen Verhaltens von Material und Verbindungen so, dass die gewünschte Entwurfslebensdauer wirtschaftlich erreicht wird. Dabei gibt es keine durch das Material bedingte Beschränkung auf zum Beispiel 20 Jahre. Durch eine entsprechende Auslegung des Tragwerks sind auch längere planmäßige Betriebsdauern möglich. Ebenso kann standort- und anlagenspezifisch auch bei unseren Holz-Hybridtürmen nach Erreichen der Entwurfslebensdauer ein Weiterbetrieb etwa auf Grundlage der DIBt-Richtlinie für Windenergieanlagen geprüft werden.

Klebeprozesse von tragenden Holzelementen dürfen ausschließlich unter kontrollierten Bedingungen (also in einer Werkshalle) und von zugelassenen Betrieben durchgeführt werden. Die Qualität der Klebeverbindungen kann unter kritischen Witterungsbedingungen, wie zu tiefe Temperaturen und zu hohe Luftfeuchtigkeit, aber auch durch das Einbringen von Staubpartikeln nicht gewährleistet werden. Durch die hohen Kosten der großen Kräne müssen die Türme für Windkraftanlagen in möglichst wenigen Tagen errichtet werden. Zeit für das Aushärten der Zweikomponentenkleber ist in einem eng getakteten Montageprozess nicht vorhanden. Zudem können etwaige Fehlverklebungen auf der Baustelle konstruktiv im Nachhinein nicht mehr korrigiert werden. Aus diesem Grund verwenden wir ausschließlich mechanische Verbindungen auf der Baustelle. Dies hat zudem den Vorteil, dass Montageteams, die auf den Werkstoff Holz spezialisiert sind, nicht notwendig sind.

Aufgrund der offenen Holz-Fachwerkskonstruktion ist für die Unterbringung der elektrischen Komponenten am Turmfuß innerhalb der Turmstruktur viel mehr Platz als bei allen geschlossenen Turmbauweisen. Daher kann eine flexibel auf den jeweiligen Platzbedarf effiziente Technikstation zur Verfügung gestellt werden. Die Technikstation kann aufgrund des größeren Platzangebotes hinsichtlich der Dimensionen auch im Hinblick auf Zugänglichkeit und Servicefreundlichkeit der elektrischen Komponenten optimiert werden. Die Technikstation kann je nach Anforderung feuerfest ausgekleidet und explosionssicher ausgelegt werden. Aus optischer Perspektive passt eine Technikstation aus Holz sicherlich besser zu einem Holzturm als etwaige Container aus Stahl oder Beton.

Die konstruktiven Element des Holz-Hybridturms sind segmentierbar. Dies bedeutet, dass wir spezifisch für die Erfordernisse der Zuwegung und der zur Verfügung stehenden Montageflächen spezifische Segmente fertigen und auf die Baustelle liefern können. Damit können komplexe Standorte (wie alpine Lagen) erreichbar werden, für die es derzeit noch keine umsetzbaren Logistikkonzepte gibt. Allerdings müssen wir in diesem Zusammenhang darauf hinweisen, dass dadurch zusätzliche Stützenstöße und damit Verbindungsmittel sowie deren zusätzlicher Montageprozess anfallen.

Die Typenzertifizierung für eine Turmkonstruktion stellt eine unumgängliche Notwendigkeit für die Errichtung kommerzieller Windparks und für ein tragbares Geschäftsmodell dar. Solche Zertifizierungsprozesse sind sehr herausfordernd. Dies dürfte auch der Grund sein, warum wir das erste und bis dato (2025) weltweit einzige Unternehmen sind, das für eine Holzturmkonstruktion Typenzertifizierungen erhalten hat. Der Holz-Hybridturm (als Holz-Hybridturm Green Tower – T-7003/22-1 Rev. 0)) als auch das dazugehörige Fundament (als Flachgründung ohne Auftrieb – T-7003/22-2 Rev. 0) verfügen über eine Typenzertifizierung durch das Prüfamt für Baustatik und Windenergieanlagen der TÜV NORD CERT GmbH nach DIBt-Richtlinie. Der Holz-Hybridturm wurde im Zuge dessen mit einer VENSYS 126 (inkl. Vers. 2) mit einer Nabenhöhe von 136,9 m und einer Nennleistung von 3.8 MW zertifiziert. Des Weiteren verfügen wir über eine Typenzertifizierung für eine Vensys 120 (137 m Nh, Nennleistung: 3.0 MW). Weitere Zertifizierungen mit weiteren Nabenhöhen, Turmvarianten und Anlagenherstellern sind in Vorbereitung.

Auf jeder Stütze des Holz-Fachwerkturms wird dazu eine Runddraht-Ableitung zu einem um das Fundament geführten Erdungsring positioniert. Zudem gibt es verschiedene Konzepte, um die Blitzströme besser verteilen zu können. Um die Holzkonstruktion vor Direkteinschlägen zu schützen, werden an dieser Fangspitzen installiert und blitzstromtragfähig an die Ableitungen angebunden. Die Fangeinrichtungen des äußeren Blitzschutzsystems in diesem Bereich sind so positioniert, dass hier, unter Beachtung der spezifischen Blitzstromparameter, kein Blitzeinschlag zu erwarten ist.

Holz brennt dann, wenn die Flammen von allen Seiten mit Sauerstoff versorgt werden. Der massive Durchmesser der Stützen und Diagonalen unterbindet diese Sauerstoffzufuhr von drei Seiten, wodurch nur die dem Feuer ausgesetzte Seite leicht verkohlen würde. Durch die Dichte der Massivholzkonstruktion (Brettschichtholz), die vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit des Holzes (kühler Kern) und die eingeschränkte Sauerstoffzufuhr würde nur eine dichte Schicht (wenige mm) der Oberflächenstruktur verkohlen, bevor das Feuer von selbst erlischt. Die strukturelle Integrität der Holzkonstruktion wird daher durch einen Brandfall nicht substanziell gefährdet.

Die Entwicklung des Holz-Hybridturms beruht nicht nur auf dem mehr als 120-jährigen Erfahrungshintergrund der Unternehmensgruppe, sondern auch auf vielen Entwicklungsjahren. Im Laufe der Zeit wurden viele Materialversuche, Ermüdungsnachweise, Klimastudien und verschiedenste wissenschaftliche Studien von renommierten Instituten durchgeführt. Im Zuge dessen wurde mit der technischen Universität Graz, der Universität Stuttgart, der Technischen Universität München, der Technischen Universität Braunschweig sowie der Hochschule RheinMain zusammengearbeitet. Zudem wurden Versuche an der Materialprüfanstalt in Leipzig durchgeführt. Darüber hinaus wurde eine Reihe von spezialisierten Fachplanungsbüros für Entwicklungsarbeiten hinzugezogen. Die Typenzertifizierung wurde von Seiten des TÜV Nord vorgenommen. So gesehen haben wir die aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnisse mit mehr als 120-jähriger Erfahrung eines Produktionsunternehmens kombiniert, um ein sicheres und ökonomisches Turmkonzept für unsere Kunden zu entwickeln.

Die HASSLACHER Gruppe ist ein Familienunternehmen mit über 120 Jahren Erfahrung in der Holzverarbeitung und im Ingenieurholzbau. Die Gruppe hat über ein Dutzend Produktionsstätten in ganz Europa und beschäftigt über 2.000 Mitarbeiter:innen. Der Holz-Hybridturm besteht aus einer Leimbinderkonstruktion mit sogenannten Brettschichtholz. Für Brettschichtholz ist die HASSLACHER Gruppe mittlerweile Weltmarktführer. Dementsprechend groß ist der Erfahrungshintergrund hinsichtlich der Produktions- und Qualitätssicherungsprozesse.

Sowohl die Säge- und Hobel- als auch die Brettschichtproduktion zeichnen sich mittlerweile mit einem extrem hohem Präzisionsgrad hinsichtlich der Fertigung der Bauteile aus. Abgesehen von einer Vielzahl an qualitätssichernden Maßnahmen (siehe FAQs Qualitätssicherung), werden Säge-, Hobel- und Abbundvorgänge mit einer Präzision von +/- einem Zentel mm (1/10 mm) genau vorgenommen. Zudem werden alle Bauteile nach der Fertigung nochmals dreidimensional mit einem Lasergerät vermessen und mit den Bauplänen abgeglichen. Die Laservermessung kommt übrigens während des Montageprozesses auch zum Einsatz. Im Rahmen des Zertifizierungsprozesses müssen auch Lastfälle unter etwaiger Schiefstellung der Windkraftanlage berechnet werden. Solche eventuell auftretenden Schiefstellungen überschreiten die internen Toleranzgrenzen in der Fertigung um ein Vielfaches.

Holz ist im Gegensatz zu Stahl oder Beton ein Naturwerkstoff, wodurch dieser natürlichen Schwankungen in seiner Dichte und damit Festigkeit unterworfen ist. Dementsprechend muss im Rahmen des Materialauswahlprozesses ein extrem hoher Homogenisierungsgrad des Werkstoffes erreicht werden, um ein hohes Maß an Materialsicherheit gewährleisten zu können. Zusätzlich zu den Qualitätssicherungsmaßnahmen im Sägebetrieb folgen in der Brettschichtholzproduktion eine Reihe weiterer qualitätssichernder Maßnahmen. So wird jede einzelne Lamelle, die im Rahmen einer Brettschichtholzkonstruktion in einen Leimbinder Eingang findet, mehrfach geprüft. Jede Lamelle wird definierten Zuglasten ausgesetzt, im Rahmen eines anschließenden bildgebenden Verfahrens geröntgt, elektronisch die Holzfeuchte gemessen und in weiterer Folge akustisch angeschlagen, um über den Ton die Festigkeit der Lamelle bestimmen zu können. Für alle analysierten Einzellamellen wird sodann eine Verteilung ihrer Festigkeit erstellt und nur jene Lamellen zugelassen, die innerhalb eines definierten Verteilungsranges liegen. Darüber hinaus wird die Position jeder einzelnen Lamelle innerhalb des Trägers je nach Festigkeit festgelegt und dokumentiert. Durch diese umfangreichen qualitätssichernden Maßnahmen kann für einen Naturwerkstoff ein extrem hoher Homogenisierungsgrad und damit Materialsicherheitsgrad erreicht werden.

Der Erfolg des konstruktiven Ingenieurholzbaus in den letzten 20 bis 30 Jahren beruht zu einem großen Teil auf der sicheren Einhaltung der oben geschilderten Qualitätsprozesse. Die HASSLACHER Gruppe ist Vorreiter in diesem Bereich und investiert regelmäßig in modernste Produktionstechnik, um diesen Qualitätsanspruch immer weiter voranzutreiben. Die zahlreichen Referenzen der HASSLACHER Gruppe mit anspruchsvollsten Bauvorhaben, die in der ganzen Welt realisiert wurden und werden, sind der beste Beweis dafür.

Türme für Windkraftanlagen sind hochbelastete Konstruktionen und aus Erfahrung weiß man, dass es auch immer wieder Probleme mit solchen Anlagen gibt. Dies war uns von Anfang der Entwicklungsarbeit an klar. Daher haben wir in unser Turmkonzept lediglich seit Jahrzehnten erprobte und bewährte Technologien eingesetzt. Wir haben jahrzehntelange Erfahrungen mit frei bewitterbaren Turm- und dynamisch belasteten Brückenkonstruktionen aus Brettschichtholz.

Auch beim Einsatz von Stabdübelverbindungen für dynamisch belastete Konstruktionen können wir auf jahrzehntelange Erfahrung zurückblicken. Zudem vermeiden wir jegliche Klebeprozesse auf der Baustelle, die unserer Erfahrung nach unter kritischen Witterungsbedingungen und entsprechendem Zeit- und Kostendruck kaum qualitätsgesichert durchführbar sind. 125 Jahre Erfahrung darin, wie man Holzkonstruktionen entwickelt und errichtet, in Kombination mit modernsten Qualitätssicherungsmethoden und -konzepten fließen in unsere Pilotanlagenprojekte ein. Die Standsicherheit wird mit dem Typenprüfbescheid bestätigt.