Fachwerk und Holzverbindungen

Im Fachwerkbau entsteht das Gerüst eines Hauses oder einer Scheune aus schweren, behauenen Balken, die durch geschnittene Verbindungen und Holznägel zusammenhalten, mit wenigen oder gar keinen Eisennägeln. Die ältesten jahrringdatierten Holzverbindungen stecken in Brunnenkästen aus Eiche, die jungsteinzeitliche Bauern in Mitteleuropa um 5255 v. Chr. mit Steinwerkzeugen bauten.

Was es ist

Ein Holzfachwerk ist das Skelett eines Gebäudes aus großen Balken, die allein durch die Form des Holzes miteinander verbunden sind. Ständer stehen auf einer Schwelle, Balken liegen quer über ihren Köpfen, kurze Kopfbänder versteifen die Ecken, und Sparren tragen das Dach. Die Wände werden danach mit Lehmflechtwerk, Ziegeln oder Brettern ausgefacht und tragen kaum Last.

Jede Verbindung ist so geschnitten, dass ein Teil in das andere greift, ein Zapfen in ein Loch oder eine Kerbe über eine Kerbe, und ein durchgeschlagener Holznagel hält sie geschlossen. Eisen war die längste Zeit teuer, und eine gut geschnittene Verbindung braucht keines.

Wie es funktioniert

Das Grundwerkzeug des Zimmermanns: das Beil zum Behauen, Stemmeisen und Klüpfel für die Verbindungen, der Winkel zum Anreißen.

Vom Baum zum Balken. In weiten Teilen Europas verarbeiteten Zimmerleute die Eiche frisch, bald nach dem Fällen, solange sie sich noch leicht bearbeiten ließ. Der Stamm wurde mit dem Beil vierkantig behauen oder von zwei Brettschneidern über einer Grube der Länge nach gesägt. Ganz ausgetrocknet kann Eiche in Richtung der Jahrringe bis zu ein Zehntel ihrer Breite verlieren, und ein mit Holznägeln gesichertes Fachwerk nimmt diese Bewegung auf. Nadelhölzer wie Kiefer und Tanne wurden meist vorher getrocknet.

Zapfen und Zapfenloch. Eine rechteckige Zunge, der Zapfen, sitzt am Ende eines Holzes und greift in eine passende Öffnung, das Zapfenloch, in der Seite eines anderen; ein Holznagel geht durch beide. Beim Bohren mit Zug sitzt das Loch im Zapfen etwa 3 mm näher an der Brust. Der kegelige Nagel zwingt die Löcher in eine Flucht und zieht die Brust fest an den Ständer; schwindet das Holz, hält der leicht gebogene Nagel die Fuge geschlossen.

Ein schräger Blattstoß verlängert einen Balken; die Nägel gehen durch beide Hälften der Überlappung.

Eine Überblattung lässt zwei Hölzer mit voller Fläche aufeinanderliegen, was die Last verteilt. Ein Schwalbenschwanz im Blatt wird zum Ende hin breiter, sodass sich das gehaltene Holz nicht seitlich herausziehen lässt. Ein Stoß verbindet zwei Stücke Ende an Ende, wenn kein Baum lang genug ist, mit einer Überlappung von etwa dreimal der Balkenhöhe.

Das Dreieck. Ein Rechteck aus Balken, die nur durch Holznägel verbunden sind, kann sich unter Winddruck zum Parallelogramm verschieben. Ein Kopfband quer über jede Ecke bildet Dreiecke, und ein Dreieck ändert seine Form nur, wenn sich eine seiner Seiten verlängert oder verkürzt.

Das Dachgebinde. Zwei Sparren, die sich aneinander lehnen, drücken an ihren Füßen nach außen. In einem Gebinde stehen sie auf einem Zugbalken, der ihre Füße zusammenhält: Die Sparren arbeiten auf Druck, der Balken auf Zug, wie ein Seil. Im Hängewerk hängt in der Mitte eine Hängesäule vom First herab und trägt die Mitte des Zugbalkens; auch sie steht also unter Zug.

Das Aufrichten eines Bundes: Stangen schieben ihn hoch, das Seil auf der anderen Seite verhindert, dass er umkippt.

Das Richten. Jeder Querbund wurde flach auf dem Boden abgebunden, und die Verbindungen erhielten Abbundzeichen, damit die Teile wieder zusammenfanden. Auf der Baustelle hob eine Mannschaft ihn erst von Hand, dann mit langen Stangen an, während andere auf der Gegenseite Seile hielten, damit er nicht über die Senkrechte hinauskippte. Schräge Hilfsstützen hielten jeden Bund aufrecht, bis Längsbalken und endgültige Streben das Gerüst in beiden Richtungen stabil machten.

Trocken halten. Holz, das nass bleibt, fault. Deshalb liegt die Schwelle auf einem niedrigen Sockel aus Stein oder Ziegel, über dem Boden und dem Spritzwasser. In alten Häusern ist sie trotzdem das Teil, das am häufigsten verrottet, und man kann sie ersetzen, während das Gerüst auf Stützen steht.

Wie man es baut

Eine Probeverbindung und ein kleiner ausgesteifter Rahmen zeigen das Wesentliche. Man braucht Nadelholz oder frische Eiche im Querschnitt 100 × 100 mm, eine Säge, ein 25-mm-Stemmeisen, einen Klüpfel, eine Bohrmaschine mit 20- und 30-mm-Bohrern, einen Winkel und aus trockener Eiche gespaltene Holznägel.

Anreißen. Alle Maße von einer Bezugsfläche jedes Holzes aus nehmen. Am Ständer ein Zapfenloch von 35 mm Breite, etwa einem Drittel des Holzes, und 100 mm Länge anreißen, am Balken einen Zapfen von 35 mm Dicke und 75 mm Länge.

Ausarbeiten. Innerhalb der Risslinien überlappende 30-mm-Löcher 80 mm tief bohren und die Wände mit dem Stemmeisen glatt stechen. Die Zapfenwangen sägen, dann die Brust absetzen. Der Zapfen soll mit leichten Klüpfelschlägen hineingehen.

Mit Zug bohren. Das Nagelloch durch den Ständer und quer durch das Zapfenloch bohren, 35 mm von der Fläche, an der der Balken eintritt. Zapfen einsetzen, die Lochmitte darauf anzeichnen, auseinandernehmen und den Zapfen 3 mm näher an der Brust bohren. Die Nagelspitze kegelig zuschneiden, zusammensetzen und einschlagen: Die Brust schließt sich.

Viereck gegen Dreieck. Zwei Ständer, eine Schwelle und ein Rähm flach auf den Boden legen und mit vier solchen Verbindungen zusammenstecken, noch ohne Holznägel. Eine Ecke seitlich drücken: Das Rechteck verschiebt sich zum Parallelogramm. Wieder zerlegen, zwei Kopfbänder unter 45 Grad in Ständer und Rähm einzapfen, zusammensetzen, die Nägel einschlagen und erneut drücken: Der Rahmen bleibt rechtwinklig. Mit dem 3-4-5-Dreieck prüfen: 300 mm auf der Schwelle, 400 mm am Ständer, 500 mm zwischen den Marken. Den Rahmen flach liegen lassen oder, wenn er steht, nach beiden Seiten abstützen; er ist ein Übungsstück und darf keine Last tragen.

Sicherheit. Äxte, Stemmeisen und Sägen schneiden tief: Werkstück einspannen, beide Hände hinter der Schneide halten und vom Körper weg arbeiten. Beim Einschlagen der Nägel eine Schutzbrille tragen, dazu Sicherheitsschuhe mit Zehenschutzkappe. Ein Ständer aus frischer Eiche in diesem Querschnitt und 3 m Länge wiegt rund 30 kg: Schwere Hölzer zu mehreren heben und einen Rahmen nur mit genug Leuten, Seilen und Stützen aufrichten. Jedes Anheben vorher planen und einen aufgerichteten Rahmen mit Hilfsstreben sichern, bevor ihn jemand loslässt. Nie unter einem angehobenen Teil stehen und nie auf der Seite, zu der ein Rahmen fallen könnte. In der Höhe vom Gerüst aus arbeiten, nicht von der Leiter. Jedes Holzgerüst, das ein Dach, eine Decke oder Menschen tragen soll, auch das eines Schuppens, braucht von einem Tragwerksplaner bemessene Hölzer und Verbindungen und muss den örtlichen Bauvorschriften folgen.

Geschichte und Entwicklung

Die ältesten jahrringdatierten Holzverbindungen stammen aus Brunnen der Linienbandkeramik, der ersten Bauern Mitteleuropas. In Ostrov in Tschechien wurden Bohlen in lange Nuten geschoben, die in vier Eckpfosten aus Eiche geschnitten waren; die Bäume der Pfosten fielen 5259–5258 v. Chr., die der Bohlen 5256–5255 v. Chr. Vier Brunnen bei Leipzig, deren Eichen zwischen 5206 und 5098 v. Chr. gefällt wurden, haben verkämmte Ecken, und zwei stehen auf Grundrahmen mit Zapfenverbindungen. Alles wurde mit Steindechseln, Keilen und Feuer bearbeitet.

Auch Hölzer der Hemudu-Kultur am unteren Jangtse, 7000 bis 5000 Jahre alt, tragen Zapfen und Zapfenlöcher. Eiserne Äxte und Sägen beschleunigten die Arbeit, und im mittelalterlichen Europa entstanden Häuser, Scheunen und Kathedraldächer mit Verbindungen, die durch Holznägel gesichert waren.

1833 baute Augustine Taylor die St Mary’s Church in Chicago aus dünnen gesägten Stielen von 2 × 4 und 2 × 6 Zoll, dicht gesetzt und vernagelt. Nägel waren billig, gelernte Zimmerleute selten. Der Name „Ballonrahmen“ soll von Spöttern stammen, die meinten, der Bau werde davonfliegen. Ob Taylor der Erste war, ist umstritten, doch die meisten leichten Holzhäuser gehen auf diese Bauweise zurück.

Im 20. Jahrhundert lernten Ingenieure, dünne Bretter zu großen Trägern zu verleimen. Mjøstårnet, ein 2019 fertiggestellter norwegischer Turm mit 18 Geschossen, ruht auf Fachwerkträgern aus Brettschichtholz, verbunden mit Stahlblechen und Stabdübeln.