Bewährt-Bewertet-Bewiesen: Forschungsbericht und Leitfaden zum Einsatz der Holzkeildolle als denkmalgerechte und nachhaltige Reparaturverbindung – ist jetzt veröffentlicht!
Von Cordula Reulecke und Svenja Siegert
Einsatz der Holzkeildolle als Möglichkeit neuer Reparaturverbindungen für die Denkmalschutzanforderungen des schonenden Substanzumgangs und der Materialgerechtigkeit
Im Fokus der hier bearbeiteten Forschungsaufgabe lag die wissenschaftliche Betrachtung einer speziellen Reparaturmethode, die seit über 25 Jahren bei Instandsetzungen von durchaus auch namhaften Fachwerkgebäuden in Südostniedersachsen eingesetzt wird. Grund dafür waren bislang fehlende Nachweise für den allgemeinen, praktischen Einsatz über die Protagonisten hinaus, um dieses Reparaturdetail als Regeldetail einzuführen und zu verbreiten. Das Forschungsanliegen konnte erfolgreich in ein Bundesforschungsprogramm des BBSR aufgenommen werden. Forschungsteam und Forschungsergebnisse sowie der Praxis-Leitfaden können den am Ende eingestellten Links entnommen werden.
Was war der Ausgangpunkt? (Cordula Reulecke – aus der Sicht der aktiv beteiligten Landesdenkmalpflege)
Zahlreiche denkmalgeschützte Fachwerkgebäude wurden auch in dieser Region in den letzten Jahrzehnten grundlegenden Instandsetzungen unterzogen – einige davon nach oder aufgrund bereits erfolgter Sanierung in nur kurzer Zeit davor. In diesem Zusammenhang wurden ebenfalls bauhistorische und baustoffkundliche Quellenstudien an der Bausubstanz durchgeführt. Es konnte festgestellt werden, dass die ganzheitlichen Kenntnisse aus dem statisch-konstruktiv-materiellen Gesamtzusammenhang des Fachwerkbaus heraus keine zwingende Grundlage für damalige Reparaturen und Materialeinsätze darstellten. Das Vertrauen in bewährte Ausführungen geriet in den Hintergrund und zunehmend in Vergessenheit oder war bereits aus dem Baumarktgeschehen verschwunden, wie z.B. die Lehmbau-DIN. Auch Ausbildungsinhalte verlagerten sich – im Handwerk und an den Hochschulen – und Holz wurde schlimmsten Falls als nicht wiederverwendbarer Sondermüll klassifiziert, der in Deponien abtransportiert werden musste. Insbesondere der (falsch verstandene) Einsatz von Zweikomponentenharz zum Hinterfüllen von Holzfugen aller Art an bewitterten Fachwerkfassaden bis hin zum vollflächigen Aufspachteln über die gesamte Holzoberfläche (mit Holzimitation durch den Einsatz von Kämmen, wie Ausführende berichteten) führte aufgrund zügig beginnender Verrottung an den Kontaktstellen durch nicht vermeidbare Rissbildung zu Hinterläufigkeit und somit massiven Folgeschäden. Diese Erkenntnisse wurden am Rathaus von Duderstadt, das zur Jahrtausendwende als ein medienwirksames Beispiel im Blickfeld der Öffentlichkeit stand, erstmals umfassend und nachvollziehbar gutachterlich dokumentiert. Die aus den 1980er Jahren stammende letzte „Instandsetzung“ hinterließ schwerwiegende Schadensbilder bis hin zu akuten Gefahrenzuständen infolge unsachgemäßer Fachwerkreparaturen. Aus dem engagierten Zusammenwirken zwischen ingenieurtechnischem, handwerklichem und denkmalfachlichem Sach- und Fachverstand entstand die Konzeptidee, für die große Anzahl an erforderlichen Reparatur- und Ausspanstücken keine der damals gängigen Leim- und/oder Metallverbindungsmittel einzusetzen, sondern das jahrhundertelang bewährte Prinzip der Holz-in-Holz-Reparatur neu zu interpretieren. Während die historische Holzverbindung am historischen Gefügeknoten mit einem historischen Holznagel gesichert wurde, kamen für die zahlreich erforderlichen Passstücke Holzdollenverbindungen zum Einsatz, zum Teil kreuzweise versetzt eingebaut, die im weiteren Entwicklungsverlauf und unter spezifischen Annahmen zum Einsatz des Keiles an den Enden der Holzdolle führten. Im Leistungsverzeichnis für das Zimmerergewerk vom März 2001 tauchte deshalb als „Detail 0“ zum ersten Mal der „Holzkeildübel“ als Lösung für eine Reparaturverbindung auf. Parallel zu dieser Therapie-Idee erfolgte das Wiedereinführen von reversiblen Lehm-Leinölmischungen, versetzt mit Tierhaaren oder Hanf, zum Hinterfüllen von kleineren Hohlräumen und/oder bündigem Verschluss kleinerer Fugen anstelle des Ausspanens sowie das Einölen von Holzschnittstellen mit Leinölfirnis; beides altbewährte Reparaturmethoden.
Wie lautet das denkmalfachliche Fazit?
Die gekeilte Holzdolle als Reparaturmethode stellt eine denkmalfachlich wünschenswerte Ergänzung der bereits länger eingeführten Holzdollenverbindung sowie der weiterhin auch handwerklich-bauhistorisch begründeten Holznagel-Verbindung dar. Sie steht nicht nur für eine vorbildliche Lösung aus dem tradierten Kontext heraus, sie verringert auch den Einsatz von in Einzelfällen sicherlich nicht vermeidbarer Metallverbindungen um ein beträchtliches Maß. Dieses Ansinnen ist zugleich ein CO²-zukunftsträchtiges: Holz als nachhaltiger Baustoff, das Fachwerk-Baudenkmal/der historische Dachstuhl als Graue Energie und damit per se Ressource schonend. Durch diese vom Bund geförderte Forschung wurden nunmehr Nachweise für Dritte entwickelt, um das Einsatzspektrum der gekeilten Holzdolle als verifizierte Reparaturverbindung in die allgemein gängige Baustellenpraxis zu überführen.
Zum Forschungsinhalt (Svenja Siegert)
Was ist eine Holzkeildolle?
Bei der Holzkeildolle handelt es sich um eine übliche Holzdolle, die an ihren gegenüberliegenden Enden Nuten besitzt, in die im Zuge des Einbaus der Holzdolle in die Bauteile der Verbindung Keile eingetrieben werden, die zu einer Spreizung der Holzdollenenden führen.
Wo kam die Holzkeildolle bisher zum Einsatz?
Der bisherige Einbau der Holzkeildolle geschah vorwiegend konstruktiv im Zuge von Fassadensanierungen im Großraum Südniedersachsen und der Region Braunschweig ohne wissenschaftliche Basis und ohne dem Ziel, einer wissenschaftlichen Dokumentation zu genügen. Daher liegt nicht bei allen Objekten, bei denen die Holzkeildolle in der Vergangenheit eingebaut wurde, ausreichend detailliertes Dokumentationsmaterial vor. Viele Einbauorte sind heute nicht mehr einseh- und/oder erreichbar. Im Rahmen der Bestandserfassung zum Einsatz der Holzkeildolle wurden in unserem Archiv die Projektlisten und Leistungsverzeichnisse seit Beginn der 2000er Jahre durchsucht und ausgewählte Objekte örtlich besichtigt. Die erkennbaren Verbindungen unter Einsatz der Holzkeildolle haben sich bei allen betrachteten Objekt bewährt, sie sind ausnahmslos intakt. Im Forschungsbericht enthalten ist eine Objektliste von 12 Kulturdenkmalen mit exemplarischen Ausführungsbeispielen der Holzkeildolle. Den objektspezifischen, tabellarischen Listen sind neben der Objektbeschreibung und dem an dem Objekt zu findenden Einsatz der Holzkeildolle auch die ausgeführten Parameter der jeweils dokumentierten Reparatur zu entnehmen.
Die in der Vergangenheit ausgeführten Verbindungen mit der Holzkeildolle hatten zumeist konstruktiven Charakter. So wurden Passstücke als Kleinreparaturstücke in der Fläche eines ansonsten intakten Bauteils mit Holzkeildollen befestigt oder Reparaturverbindungen bei Teilaustausch von Fachwerkbauteilen mit der Holzkeildolle hergestellt. Gegenüber den kreuzweise eingebauten Holzdollen liegt der Vorteil dabei in dem waagerechten Einbau, der einen geringeren Flächenbedarf hat (keine Kreuzungspunkte, keine Probleme mit der Einhaltung von Abständen gegeneinander, gegen Ränder und bei Rissen), und in der Vermeidung von Wassereintritt in das Bauteil bei nach oben-außen gerichteten Bohrlöchern. Bei den wenigen Anwendungsfällen an statisch bedeutsameren Einzelbauteilen wie z. B. Sparrenfußpunkten wurde die Holzkeildolle als Holzdolle nachgewiesen, da die Annahme galt, dass sie in der Scherzone wie eine normale Holzdolle funktioniere. Als Material für die Dollen und Keile wurde i. d. R. Eiche verwendet.
Die Holzdolle in Deutschland
Die normale Holzdolle darf in Deutschland nach DIN EN 1995-1-1/NA 2013:08 in zimmermannsmäßigen Reparaturverbindungen auf Abscheren nachgewiesen werden. Bei korrektem kraftschlüssigem Einbau ist grundsätzlich auch sie in der Lage, über Reibung in der Kontaktfläche zwischen Bohrwand und Holznagel-Mantelfläche eine Klemmwirkung in der Verbindung herzustellen. Statt diese Klemmwirkung zu quantifizieren erfolgt jedoch häufig der Einbau von „Angstschrauben“, also von metallischen Verbindungsmitteln, zur Sicherstellung der Klemmwirkung in der Verbindung.
Das Forschungsprojekt
Ziel des Forschungsprojektes war es, neben der Aufstellung von rechnerischen Nachweisverfahren eine Parameter-Basis für die Holzkeildolle zu schaffen, bei der diese gegenüber einer normalen Holzdolle möglichst den gleichen Scherwiderstand, aber durch das Zusammenspiel von Reibung und Spreizeffekt eine höhere Klemmwirkung erreichen kann, ohne dass es dabei zu Rissen im Bauteil oder der Dolle kommt. Für den zukünftigen Einsatz der Holzkeildolle sollte also eine Basis für die planmäßige Aufnahme von Schub-, Zug- und Klemmkräften in einer Verbindung geschaffen werden.
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden für die Holzkeildolle als Verbindungsmittel erstmals sowohl geometrische als auch herstellungs- und anwendungstechnische Annahmen analysiert, überprüft und bewertet.
Um das Untersuchungsfeld zu begrenzen, wurden folgende Holzkombinationen für experimentelle Untersuchungen festgelegt:
- Die Holzkombination zwischen Bauteil und Holzkeildolle ist variabel. Die Dolle muss jedoch eine höhere Rohdichte als das Bauteil im Bestand und als das Ersatzbauteil haben.
- Der Keil muss aus Eiche sein und mindestens der Festigkeitsklasse D30 entsprechen.
Die empfohlenen Holzkonfigurationen sind:
- H1: (Ersatz-)Bauteil: Fichte; Dolle: Eiche
- H2: (Ersatz-)Bauteil: Eiche; Dolle: Eiche
- H3: (Ersatz-)Bauteil: Fichte; Dolle: Esche
Drei Anwendungsbereiche wurden kategorisiert, in deren Rahmen die Parameter und geometrischen Randbedingungen bei Verwendung der Holzkeildolle festgelegt wurden.
Anwendungsbereich 1: Reguläre und statisch relevante Reparaturverbindungen (s. Abb.)
Alle Verbindungen mit durchgehender Holzkeildolle, in der die Holzkeildolle auf Zug und/oder Abscheren beansprucht wird und die Verbindung von beiden Seiten sichtbar bzw. einbaufähig ist.
Anwendungsbeispiele: Teilaustausch Deckenbalkenköpfe, Kehlbalken, Zerrbalken, Sparrenfußpunkt (Blatt- und Zapfenverbindung); auf Zug: Nachbefestigung Kassettendecke
- Ein- und zweischnittig, allgemeingültige Regeln wurden festgelegt.
Anwendungsbereich 2: Sonderfall “blinde Reparaturverbindung” (Sackloch)
Alle statisch relevanten Reparaturverbindungen, bei denen die Holzkeildolle auf Zug oder Abscheren beansprucht wird und die Verbindung nur von einer Seite sichtbar bzw. einbaufähig ist.
Anwendungsbeispiel: Austausch Deckenbalkenköpfe (Blatt- und Zapfenverbindung mit Sackloch); auf Zug: Nachbefestigung Kassettendecke
- Ein- und zweischnittig - allgemeingültige Regeln und Sonderregeln wurden festgelegt.
Anwendungsbereich 3: Sonderfall „kosmetische Reparatur“ (Passstück) (s. Abb.)
Alle Reparaturverbindungen, in denen Holzkeildollen als Lagesicherung von Passstücken dienen. In diesen Fällen ist nur zum Teil ein statischer Nachweis der Reparatur erforderlich.
- Einschnittig - Ausnahmeregeln wurden festgelegt.
Durch Tastversuche, bei denen vorwiegend die Rissbildung in den Bauteilen und im Nutboden der Dolle sowie das geometrische Erreichen des Nutbodens und das Versagen des Keils bei Einbau betrachtet wurden, und durch parallel durchgeführte FE-Simulationen zur Feststellung der Einflussbereiche der Keilwirkung in der Dolle und in dem Bauteil über Verformungen und Spannungen wurde die Vorauswahl an detailliert zu untersuchenden Parametern für die Fertigung (sowohl geometrisch als auch materialtechnisch), für die Herstellung der Verbindungen und für den Einbau im Ausschlussverfahren reduziert.
Festlegung von allgemeingültigen Regeln, detaillierten Sonderregeln und Parametern (beispielhaft)
Geregelt wurden für die Dolle die Holzart (primär Eiche, sekundär Esche), die Richtung der Fasern, die Länge und der Durchmesser, für die Nut die Lage in der Dolle, die Länge und Dicke, die Länge des Kerns der Dolle, der Abstand des Nutbodens zur Scherfuge, der Winkel zwischen Nutlängsachse und Jahrring-Ausrichtung der Dolle und zu der Faserrichtung des Bauteils sowie die parallele Ausrichtung der sich gegenüberstehenden Nuten, für den Keil die Holzart (nur Eiche min. D30), die Länge, Breite, Dicke und der Winkel und für das Ersatzbauteil die Holzart, die Holzfeuchte, die Bauteilbreite und -höhen in Abhängigkeit von dem ein- oder zweischnittigen Einbau.
Rechnerische Nachweise
In weiterführenden Versuchen wurden die Holzkeildolle unter Zugbeanspruchung sowie die normale Holzdolle und die Holzkeildolle unter Abscherbeanspruchung mit den vorher festgelegten Parametern experimentell untersucht, charakterisiert und als Ergebnis Formeln für den statischen Nachweis hergeleitet.
Der Forschungsbericht wird ergänzt durch den Leitfaden, in dem die Auswahl der Materialien und die Fertigung im Detail, unterschieden in richtig √ und falsch x, dargestellt und durch ein Best Practice-Beispiel – Von Veltheimsches Haus in Braunschweig der Handwerkskammer Braunschweig-Lüneburg-Stadt – für die Anwendung in der Praxis veranschaulicht sind.
Und was ist weiter daraus geworden?
Im Hinblick auf Nachhaltigkeit sind die Holzkeildollen ein wichtiger Baustein, was von verschiedenen Seiten, so beispielsweise der Deutschen Stiftung Denkmalschutz oder mehreren Ingenieurbüros, bereits bestätigt wurde. Bei der Bewerbung zur DGNB Sustainability Challenge 2026 gab es folgende Rückmeldung: „Ihr Projekt hat in der Jury sehr positives Feedback erhalten und gehörte zur engeren Auswahl. Ihre Einreichung wird deshalb im Rahmen der Pitch-Veranstaltung von einem Jury-Mitglied ganz kurz als weitere spannende Einreichung vorgestellt. Wir hoffen, Sie sind damit einverstanden.“
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