Dach- und Fassadenelemente aus Stahl - stahl

Transcription

Dokumentation 588
Dach- und Fassadenelemente aus Stahl –
Erfolgreich Planen und Konstruieren
Stahl-Informations-Zentrum
Dokumentation 588
Das Stahl-Informations-Zentrum ist eine
Gemeinschaftsorganisation Stahl erzeugender
und verarbeitender Unternehmen. Markt- und
anwendungsorientiert werden firmenneutrale
Informationen über Verarbeitung und Einsatz
des Werkstoffs Stahl bereitgestellt.
Verschiedene Schriftenreihen bieten ein
breites Spektrum praxisnaher Hinweise für
Konstrukteure, Entwickler, Planer und Verarbeiter von Stahl. Sie finden auch Anwendung
in Ausbildung und Lehre.
Vortragsveranstaltungen schaffen ein
Forum für Erfahrungsberichte aus der Praxis.
Messen und Ausstellungen dienen der
Präsentation neuer Werkstoffentwicklungen
und innovativer, zukunftsweisender Stahlanwendungen.
Als individueller Service werden auch Kontakte zu Instituten, Fachverbänden sowie Spezialisten aus Forschung und Industrie vermittelt.
Die Pressearbeit richtet sich an Fach-,
Tages- und Wirtschaftsmedien und informiert
kontinuierlich über neue Werkstoffentwicklungen und -anwendungen.
Das Stahl-Informations-Zentrum zeichnet
besonders innovative Anwendungen mit dem
Stahl-Innovationspreis (www.stahl-innovations
preis.de) aus. Er ist einer der bedeutendsten
Wettbewerbe seiner Art und wird alle drei Jahre
ausgelobt.
Die Internet-Präsentation (www.stahlinfo.de) informiert über aktuelle Themen und
Mitglieder des
Stahl-Informations-Zentrums:
• AG der Dillinger Hüttenwerke
• ArcelorMittal Bremen GmbH
• ArcelorMittal Commercial RPS S.à.r.l.
• ArcelorMittal Duisburg GmbH
• ArcelorMittal Eisenhüttenstadt GmbH
• Benteler Steel Tube GmbH
• Gebr. Meiser GmbH
• Georgsmarienhütte GmbH
• Rasselstein GmbH
• Remscheider Walz- und Hammerwerke
Böllinghaus GmbH & Co. KG
• Saarstahl AG
• Salzgitter AG
• ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH
• ThyssenKrupp GfT Bautechnik GmbH
• ThyssenKrupp Steel Europe AG
• ThyssenKrupp VDM GmbH
• Wickeder Westfalenstahl GmbH
2
Veranstaltungen und bietet einen Überblick
über die Veröffentlichungen des Stahl-Informations-Zentrums. Publikationen können hier
bestellt oder als PDF-Datei heruntergeladen
werden. Anmeldungen zu Veranstaltungen sind
ebenfalls online möglich.
Der Newsletter informiert Abonnenten per
E-Mail über Neuerscheinungen, Veranstaltungen
und Wissenswertes.
Impressum
Dokumentation 588 „Dach- und Fassadenelemente aus Stahl – Erfolgreich Planen und Konstruieren“, Ausgabe 2007, ISSN 0175-2006
Herausgeber: Stahl-Informations-Zentrum,
Postfach 10 48 42, 40039 Düsseldorf
Autoren: Dr.-Ing. Marc Böttcher,
Lehrbeauftragter am Institut für Stahlbau und
Werkstoffmechanik, TU Darmstadt
Dipl.-Ing. Hans-Werner Girkes,
bauforumstahl e.V., Düsseldorf
Dr.-Ing. Markus Kuhnhenne, Lehrstuhl für
Stahl- und Leichtmetallbau, RWTH Aachen
Prof. Dr.-Ing. Jörg Lange,
Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik,
Technische Universität Darmstadt
Dr.-Ing. Ralf Podleschny,
IFBS-Industrieverband für Bausysteme
im Metallleichtbau e. V., Düsseldorf
Dipl.-Ing. Hans Pöter, Pöter & Möller, Siegen
Dipl.-Ing. Karl-Heinz Wickel, Netphen
Ein Nachdruck dieser Veröffentlichung ist –
auch auszugsweise – nur mit schriftlicher Genehmigung des Herausgebers und bei Quellenangabe gestattet. Die zugrunde liegenden Informationen wurden mit größter Sorgfalt recherchiert und redaktionell bearbeitet. Eine Haftung
ist jedoch ausgeschlossen.
Fotos: Titel, S. 4 Mitte, Abb. 1.2: Hammersen
Elementbau GmbH & Co. KG; S. 4/5 oben:
Franzen Ingenieur- und Montagebau GmbH;
S. 4/5 unten, Abb. 2.2, 2.8, 6.39: ThyssenKrupp
Steel AG; Abb. 2.7, 3.6, 6.35–6.38: ThyssenKrupp
Bausysteme GmbH
DIN-Normen: Wiedergegeben mit Erlaubnis des
DIN Deutsches Institut für Normung e.V. Maßgebend für das Anwenden der DIN-Norm ist
deren Fassung mit dem neuesten Ausgabedatum,
die bei der Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 10787 Berlin, erhältlich ist.
Dach- und Fassadenelemente aus Stahl – Erfolgreich Planen und Konstruieren
Inhalt
Seite
Einleitung .................................................. 5
1
1.1
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
1.4
1.5
2
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4
2.1.5
2.1.6
2.1.7
2.2
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.4
2.5
Tragverhalten und Bemessung
von Sandwichelementen und
Trapezprofilen aus Stahl ................ 6
Einführung .......................................... 6
Tragverhalten ...................................... 7
Lastabtrag ............................................ 7
Spannungsversagen ............................. 8
Stabilitätsprobleme und
Spannungsprobleme nach Theorie
II. Ordnung ........................................ 9
Befestigung .......................................... 10
Besonderheiten im Sandwichbau ........ 12
Bemessung von Sandwichelementen .. 13
Regelwerke ......................................... 13
Bauaufsichtliche Zulassung
Sandwichbauteil .................................. 14
Stützweitentabellen ............................ 14
Bauaufsichtliche Zulassung
Verbindungsmittel .............................. 14
Bemessung von Trapezprofilen .......... 15
Literatur ............................................... 17
Korrosionsschutzsysteme –
Auswahlkriterien bei Dachund Wandbauteilen ......................... 18
Auswahl des geeigneten
Beschichtungssystems ........................ 18
Vorschriften, Normen, Zulassungen ... 19
Dachelemente ..................................... 20
Fassadenelemente ............................... 20
Standortbedingung –
Großklimazone ................................... 21
örtliche Belastungen ........................... 21
Belastungen im Gebäudeinnern .......... 21
Schutzdauer ........................................ 22
Eigenschaften der
Beschichtungssysteme ........................ 22
Farbton ................................................ 23
Farbpalette .......................................... 23
Farbton und Stützweite ...................... 24
Farbton und Mindestmenge ................ 25
Farbton und Beschichtungssystem ..... 25
Zusammenfassung ............................... 25
Literatur ............................................... 25
Seite
Baulicher Brandschutz
für Dach und Fassade ...................... 26
3.1 Einleitung ............................................ 26
3.2 Brandausbreitung ................................ 26
3.3 Klassifizierungskombinationen ........... 27
3.3.1 Klassifizierungskombinationen ........... 28
3.4 Normung ............................................. 29
3.5 Stahltrapezprofile ................................ 30
3.6 PUR-Sandwichelemente ...................... 31
3.7 Sandwichelemente mit Steinwolle ..... 32
3
4
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
4.2.5
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.3.4
4.3.5
4.4
4.5
5
5.1
5.1.1
5.1.2
5.1.3
5.1.4
5.2
5.2.1
Energieeinsparung und
Wärmeschutz im Stahlleichtbau .... 34
Einleitung ............................................ 34
Energieeinsparverordnung 2002
und 2007 .............................................. 34
Allgemeines ......................................... 34
Anforderungen an Neubauten ............ 35
Grundzüge zur Berechnung
des Primärenergiebedarfs nach
DIN V 18599 ....................................... 36
Anforderungen an den Wärmeschutz .. 36
Anforderungen an die Luftdichtheit ... 38
Wärmeschutz und Luftdichtheit
im Stahlleichtbau ................................ 38
Allgemeines ......................................... 38
Bestimmung der
Wärmedurchgangskoeffizienten U ..... 38
Mindestwärmeschutz .......................... 42
Wärmeschutz im Bereich
der Bauteilanschlüsse .......................... 42
Luftdichtheit ........................................ 46
Zusammenfassung und Ausblick ......... 47
Literatur ............................................... 48
Schallschutz im Stahlleichtbau ..... 50
Grundlagen der Luftschalldämmung und der Schallabsorption ... 50
Allgemeines ......................................... 50
Ermittlung der Luftschalldämmung
im Prüfstand (Baumusterprüfung) ...... 50
Ermittlung des Schallabsorptionsgrades im Prüfstand (Hallraum) .......... 51
Merkmale der Schalldämmkurven
von Wänden und Dächern aus Stahl ... 51
Schalltechnische Eigenschaften .......... 52
Wandkonstruktionen –
Schalldämmung ................................... 52
3
Dokumentation 588
Seite
5.2.2 Wandkonstruktionen –
Schallabsorption .................................. 54
5.2.3 Dachkonstruktionen –
Schalldämmung ................................... 56
Schallabsorption .................................. 57
5.2.5 Sandwichelemente .............................. 58
5.2.6 Schlussbemerkung .............................. 59
5.3 Literatur ............................................... 59
6
6.1
6.1.1
6.1.2
6.1.3
6.1.4
6.2
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.2.4
6.2.5
6.2.6
6.2.7
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.3.4
6.3.5
6.4
4
Konstruieren mit
Stahlleichtbauelementen ................ 60
Grundlagen für das Konstruieren
von Stahlleichtbauelementen .............. 60
Besonderheiten leichter
Baukonstruktionen .............................. 60
Nachweise für dünnwandige
Bauelemente ....................................... 60
Bezeichnungen an Leichtbauteilen
aus Stahl ............................................... 60
Allgemeine Fachregeln –
Stand der Technik ............................... 61
Konstruktion zur Erfüllung
der Tragsicherheit ............................... 62
Forderungen an Konstruktion
und Statik ............................................ 62
Lastannahmen ..................................... 62
Konstruktionsdetails
nach DIN 18807-3 ............................... 62
Besonderheiten bei
Stahlkassettenprofilen ......................... 66
Besonderheiten bei
Sandwichelementen ............................ 67
Verbindungselemente ......................... 68
Korrosionsschutz ................................ 68
Konstruktion zur Erfüllung
der Gebrauchstauglichkeit .................. 70
Forderungen an die Dichtheit
gegen Niederschlag ............................. 70
Forderungen an
Wärme- und Feuchteschutz ................ 71
Forderungen an das
optische Erscheinungsbild .................. 73
Forderungen
an den Schallschutz ............................. 75
Forderungen an den Brandschutz ....... 76
Zusammenfassung ............................... 77
Dach- und Fassadenelemente aus Stahl – Erfolgreich Planen und Konstruieren
Einleitung
Bauelemente aus oberflächenveredeltem
Stahlblech für Dach und Wand werden seit
vielen Jahren erfolgreich für die Gebäudehülle
von Industrie-, Gewerbe- und Hallenbauten eingesetzt. Ihre hohe Tragfähigkeit bei geringem
Eigengewicht, die schnelle und einfache Handhabung bei der Montage und das günstige Kosten-Nutzen-Verhältnis bringen greifbare Vorteile
für Hersteller, Verarbeiter und Bauherren.
Das Stahl-Informations-Zentrum informiert
mit Praxisseminaren über veränderte Normen,
Regeln und Richtlinien sowie aktuelle Entwicklungen im Bereich Dach und Fassade. Kooperationspartner ist der IFBS -Industrieverband für
Bausysteme im Metallleichtbau e. V.
Diese Dokumentation fasst die Seminarbeiträge ausgewiesener Fachleute und Sachverständiger aus der Industrie sowie von Hochschulen und Fachverbänden zusammen. Sie
richtet sich an Architekten und Ingenieure in
Planung und Abwicklung sowie an Mitarbeiter
von Stahlbau-, Handwerks- und Montageunternehmen mit bereits vorhandenem Grundwissen beim Einsatz von Sandwichelementen und
Trapezprofilen. Detailliert vorgestellt werden
anwendungstechnische Themen der Bemessung und Konstruktion sowie bauphysikalische
Lösungsansätze für den Wärme-, Schall-, Brandund Korrosionsschutz.
Abb. oben:
Bürogebäude mit horizontalverlegten Wellprofilen
Abb. links Mitte:
Stahl-Sandwichelemente und Wellprofile verleihen
der Lagerhalle eine harmonische Anmutung
Abb. links unten:
Industriefassade mit vertikal verlegten
Stahl-Trapezprofilen
Abb. rechts:
Industriefassade mit integrierten Solarelementen
5
Dokumentation 588
1 Tragverhalten und Bemessung von
Sandwichelementen und Trapezprofilen aus Stahl
Prof. Dr.-Ing. Jörg Lange und Dr.-Ing. Marc Böttcher
1.1 Einführung
Sandwichplatten, bestehend aus zwei dünnen, metallischen Deckblechen, die durch einen
schubweichen Kern miteinander verbunden
sind (Abb. 1.1), haben in den vergangenen Jahrzehnten ein großes Einsatzfeld erobert. Große
Steifigkeit, gepaart mit geringem Gewicht,
machen sie zu einem sehr guten Bauteil für
Abb. 1.1: Sandwichelement mit Deckblech
in Sinuswellenform
Abb. 1.2:
Industriefassaden
mit Sandwichelementen und
Trapezprofilen
aus Stahl
6
die Dach- und Wandbekleidung im Hochbau
(Abb. 1.2). Ein weiterer Vorteil ist ihre sehr
gute Wärmedämmung. Sandwichelemente erlauben eine schnelle Bauausführung, da sie die
Funktionen „Tragen“, „Dichten“ und „Dämmen“
in einem Bauteil vereinen. Auch im Fahrzeugbau wird diese Bauweise mit großem Erfolg eingesetzt.
Die Deckbleche mit Dicken zwischen ca. 0,4
und 1,0 mm bestehen meist aus Stahl S320 oder
S350. Edelstahl, Aluminium und sogar Kupfer
sind weitere Werkstoffe, für die praktische Erfahrungen existieren. Als Kernwerkstoffe werden
derzeit Polyurethanschaum, expandiertes bzw.
extrudiertes Polystyrol oder Mineralwolle verwendet. Mit diesen Werkstoffen können Elemente
mit bis zu 240 mm Dicke hergestellt werden. Für
Fassadenelemente mit besonders hohen Anforderungen an die Ebenheit werden Waben (so genannte Honeycombs) eingesetzt. Phenolharzschäume und Schaumglas sind weitere Kernmaterialien, die in Sandwichelemente eingebaut werden können.
Ein wichtiger Grund für den Erfolg dieser
Bauelemente ist die preiswerte Herstellung und
einfache Montage. In einem kontinuierlichen Verfahren (Abb. 1.3) werden die Deckbleche von
Coils abgewickelt und der Verarbeitung zugeführt, eines von oben und eines von unten. Das
untere wird mit Polyurethan und Treibmittel
(für das Aufschäumen) besprüht. Das obere
Blech wird durch Stahlplatten exakt in dem geforderten Abstand gehalten, so dass der Schaum
dagegenwachsen kann. Wegen der hervorragenden Klebeeigenschaften von Polyurethan findet
eine sehr gute, kraftschlüssige Verbindung der
beiden Materialien statt. Bei Elementen, die mit
Mineralwolle oder Polystyrol gefüllt sind, muss
das Kernmaterial mit der Deckschicht verklebt
werden, was auch kontinuierlich geschehen
kann.
Tragverhalten und Bemessung von Sandwichelementen und Trapezprofilen aus Stahl
Querteilscheren
Flächenprofilierung oben
Coilhaspeln
Verbindungsstationen
Randprofilierung
Schäumportal
Flächenprofilierung unten
Reaktionsstrecke
Vorwärmstation
Ablängsägen
Abstapelung
Palettenzuführung
Umreifungsautomat
Stapelanlage
Kühlstrecke
Abb. 1.3:
Schematische
Darstellung
einer SandwichProduktionsanlage
1.2 Tragverhalten
1.2.1 Lastabtrag
Um die Versagensarten eines Sandwichelementes zu verstehen, ist es nötig, einen Blick auf
die Lastabtragung zu werfen. Die Ausführungen
gelten für baupraktische Sandwichelemente,
in denen die Dehnsteifigkeit der Deckbleche
wesentlich größer ist als die des Kernmaterials.
Wir unterscheiden zwischen Elementen mit
leicht profilierten und Elementen mit stark profilierten Deckblechen (Abb. 1.4).
Elemente mit leicht profilierten Deckblechen
sind z. B. linierte, ebene oder gesickte Wandelemente. Die Biegesteifigkeit wird allein von den
Deckblechen bestimmt. Aufgrund der geringen
Profilierung und der geringen Dicke ist die Eigenbiegesteifigkeit der Deckbleche gering gegenüber der Steifigkeit, die aus dem Abstand der
Schwerachsen resultiert. Die Eigenbiegesteifigkeit wird daher bei diesen Elementen vernachlässigt.
Die Schubsteifigkeit wird über den Kern erzeugt. Die Steifigkeit ist so klein, dass sie bei der
Ermittlung von Schnittgrößen in statisch unbestimmten Systemen und von Verformungen nicht
vernachlässigt werden kann. Aus den äußeren
Schnittgrößen (M und Q) lassen sich Spannungen in den Deckblechen (σ) und im Kern (τ)
bestimmen (Abb. 1.5).
Abb. 1.4: Sandwichelemente mit leicht profilierten und mit
stark profilierten Deckblechen
7
Dokumentation 588
1.2.2 Spannungsversagen
Abb. 1.5: Spannungsverteilung in Elementen
mit leicht profilierten Deckblechen
Abb. 1.6: Spannungsverteilung in Elementen
mit stark profilierten Deckblechen
Elemente mit stark (h ≥ 5 mm) profilierten
Deckblechen sind z. B. wellprofilierte Wandelemente und Dachelemente. Die Biegesteifigkeit wird auch hier allein von den Deckblechen
bestimmt. Die Eigenbiegesteifigkeit der Bleche
ist jedoch nicht mehr gering und muss berücksichtigt werden. Die Schubsteifigkeit wird nicht
nur über den Kern erzeugt, sondern auch über
die biegesteifen Deckbleche. Es überlagern sich
Anteile aus den Eigensteifigkeiten des profilierten
Deckblechs und Anteile aus der Sandwichtragwirkung, so dass ein innerlich statisch unbestimmter Zustand entsteht. Aus den äußeren
Schnittgrößen (M und Q) lassen sich innere Teilschnittgrößen ermitteln und daraus Spannungen in den Deckblechen (σ und τ) und im
Kern (τ) bestimmen (Abb. 1.6).
Abb. 1.7:
4-PunktBiegeversuche:
Versuchsaufbau
(links),
typischer
Schubbruch bei
PU-Schaum
(rechts)
8
In einem Sandwichelement tritt Versagen ein,
wenn die einwirkende Spannung größer als die
Grenzspannung des Materials ist.
Es lassen sich gemäß dem oben beschriebenen Lastabtrag vier Grenzspannungen angeben,
die in Versuchen bestimmt werden können:
– Streckgrenze der Deckschicht [4]
– Schubfestigkeit der Deckschicht
– Schubfestigkeit des Kerns
– Druckfestigkeit des Kerns
Die Streckgrenze der Deckschicht bildet eine
Grenzspannung für die aus der Biegung resultierende Spannung. Ist die Deckschicht stark profiliert, so ist dort auch die Schubspannung zu ermitteln und der Schubfestigkeit der Deckschicht
gegenüberzustellen.
Sowohl für Elemente mit leicht profilierten
als auch für Elemente mit stark profilierten Deckschichten werden Schubspannungen vom Kern
aufgenommen. Die Schubfestigkeit und die
Schubsteifigkeit werden aus einem 4-Punkt-Biegeversuch am kurzen Balken (l/b = 1.000/100 mm)
ermittelt (Abb. 1.7). Um einen Schubbruch zu
verhindern, muss die Schubfestigkeit des Kerns
eingehalten werden. Zur Berechnung der Verformungen ist die Kenntnis der Schubsteifigkeit
erforderlich.
Durch die Einhaltung einer Mindestauflagerbreite ist sicherzustellen, dass die Auflagerkräfte
in den Kern eingeleitet werden können und die
Druckfestigkeit des Kerns nicht überschritten
wird. Die Druckfestigkeit wird mit Würfel-Druckversuchen festgestellt (Abb. 1.8). Ein Druckbruch tritt – im Gegensatz zum Mineralwollkern – im PUR-Kern nicht auf. Es lassen sich
ersatzweise Grenzspannungen βd bei einer
Dehnung von 10 % angeben.
Abb. 1.8: Würfel-Druckversuch mit Mineralwolle
1.2.3 Stabilitätsprobleme und Spannungsprobleme nach Theorie II. Ordnung
Werden schlanke Bauteile auf Druck beansprucht, reagieren sie mit einem Ausweichen
aus der Belastungsebene heraus. Dieses Ausweichen kann progressiv (Spannungsprobleme nach
Theorie II. Ordnung) oder schlagartig (Stabilitätsproblem) erfolgen. Beide Versagensarten treten
im Sandwichbauteil auf.
Die Biegung wird (für die Teilschnittgröße
des Sandwichanteils) durch ein Kräftepaar in
den Deckschichten abgetragen. Es entsteht eine
druck- und eine zugbeanspruchte Deckschicht.
Während für die Zugbeanspruchung die Streckgrenze maßgebend wird, versagt die gedrückte
Deckschicht meist schon unter einer geringeren
Spannung. Dieses Versagen stellt sich als schlagartiges, kurzwelliges Beulen dar und wird Knittern genannt.
Das Deckblech besitzt nicht nur seine Eigenbiegesteifigkeit als Widerstand, sondern wird
auch durch die Bettung auf dem Kern gestützt.
Die Bettung wird maßgeblich von der Zug- und
Drucksteifigkeit des Kerns beeinflusst. Zur Bestimmung dieser Werte sind Versuche erforderlich. Der Würfel-Druckversuch wurde bereits
im Kapitel 1.2.2 vorgestellt. Er liefert ebenfalls
den E-Modul ED im quasilinearen Bereich. Zur
Bestimmung der Zugsteifigkeit werden Würfel
mit den Abmessungen l/b = 100 mm x 100 mm
senkrecht zu den Deckschichten gezogen
(Abb. 1.9). Das Versagen ist ein Bruch zwischen
Deckblech und Kern (Haftzugversagen) oder ein
Bruch direkt im Kern (Zugversagen). Aus der
Spannungs-Dehnungs-Beziehung lässt sich im
quasilinearen Bereich ein E-Modul Ez ermitteln.
Die Druckspannung in der Deckschicht, die
zum Knittern führt, wird Knitterspannung genannt und in Versuchen bestimmt, da die Berechnungsmethoden noch nicht genau genug
sind und die Eingangsparameter stark streuen.
In Einfeldträgerversuchen (Abb. 1.10) wird die
Knitterspannung des Deckbleches in Positivund Negativlage ermittelt. Selbst wenn das Deckblech auf beiden Seiten eine identische Geometrie aufweist, so unterscheiden sich die Werte
der Knitterspannung trotzdem. Das beim Produktionsprozess oben liegende Blech erreicht
oft geringere Werte, da sich bei PU-Kernen im
gegen das Blech aufschäumenden Kernmaterial
kleine Lufteinschlüsse zwischen Blech und
Schaum bilden, so genannte Lunker. Auch bei
Mineralwolle lässt sich ein Unterschied erkennen, der darauf zurückgeführt werden kann,
dass der auf die Mineralwolle aufgetragene
Klebstoff in die Wolle einsickert, bevor es zur
endgültigen Verbindung mit dem Deckblech
kommt. Die Last wird bei diesem Experiment
über vier Einzellasten so eingebracht, dass die
Momenten- und Querkraftlinien ähnlich dem
Verlauf bei einer Beanspruchung durch eine
Gleichflächenlast sind. Die Beanspruchung kann
auch durch ein Vakuum unter dem Element oder
Luftkissen aufgebracht werden.
An Zwischenauflagern wird durch Winddruck die untere Deckschicht auf Druck belastet. Zusätzlich erzeugt die Auflagerreaktion eine
Eindrückung in den Schaum. Das Deckblech erhält hier eine Vorverformung, wodurch das Sta-
Abb. 1.9:
Würfel-Zugversuch (links);
Würfel-Zugversuch mit Zugversagen im
Kernmaterial
PU-Schaum
(rechts)
9
Dokumentation 588
Abb. 1.10:
Einfeldträgerversuch mit
4-Punkt-Lasteinleitung.
Die typische
Knitterfalte ist
rechts oben zu
sehen.
Abb. 1.11:
Momentenverteilung zur
Herleitung des
Ersatzträgerversuchs
10
bilitätsproblem in ein Spannungsproblem nach
Theorie II. Ordnung übergeht. Der Ersatzträgerversuch“ dient zur Analyse dieser MomentenQuerkraft-Interaktion. Es wird für diesen Versuch gedanklich das Stück aus dem Durchlaufträger geschnitten, in dem die Auflagerkraft und
das Stützmoment wirken. Durch Aufbringen
einer Einzellast entsteht eine dreiecksförmige
Momentenlinie (Abb. 1.11), die wiederum der
Parabel im Stützbereich sehr ähnlich ist. Versagen tritt durch Deckblechknittern ein. Die
Grenzspannungen sind infolge der aus der Auflagerkraft resultierenden Eindrückung geringer
als beim Einfeldträgerversuch.
Werden Dach-Sandwichelemente als Mehrfeldträger gestützt und durch Schnee belastet,
tritt dieses Phänomen an der Unterseite des
Elementes am Zwischenauflager auf (Abb. 1.12).
Werden Wand-Sandwichelemente als Mehrfeld-
träger gestützt und durch Windsog belastet, tritt
diese Kombination an der Außenseite des Elementes an der Befestigung auf. Hier zeigt sich ein
besonders ungünstiger Fall. Die Last wird lokal
nur über die Befestigungsmittel (Schrauben mit
Dichtscheiben) in die druckbeanspruchte Deckschicht eingetragen. Die ertragbaren Spannungen
sind hier geringer als bei Beanspruchungen aus
Winddruck. Die Versuche zur Bestimmung der
Knitterspannung werden ebenfalls am Ersatzträger durchgeführt. Die Lasteinleitung erfolgt aber
nicht mehr durch einen Träger an der Elementinnenseite, sondern durch eine Verschraubung
von der Elementaußenseite (Abb. 1.13).
1.2.4 Befestigung
Sandwichelemente müssen mit der Unterkonstruktion kraftschlüssig verbunden werden.
Hierzu werden Schrauben als Verbindungsmittel
genutzt. Bei der direkten Befestigung wird von
außen durch beide Deckschichten und die Unterkonstruktion ein Loch vorgebohrt und die Befestigung mit einer gewindefurchenden Schraube
vollzogen (Abb. 1.14). Sind die Schrauben mit
einer Bohrspitze versehen, lässt sich die Befestigung in einem Arbeitsgang durchführen. Der
Nachteil dieser Verbindungsart liegt in der
Sichtbarkeit der Schraubenköpfe in der Fassade
(Abb. 1.15).
Abb. 1.12:
Ersatzträgerversuch für die
Lastfälle Schnee
(Dach) und
Winddruck
(Wand)
Abb. 1.13 (links):
Typische Knitterfalte beim
Ersatzträgerversuch im Lastfall
Windsog (Wandelement)
Bei der verdeckten Befestigung (Abb. 1.16)
wird der Schraubenkopf durch das Sandwichelement überdeckt, so dass er in der Fassade
nicht mehr sichtbar ist. Sowohl die gewindefurchende Schraube als auch die Bohrschraube können hier verwendet werden.
Abb. 1.14 (rechts):
Direkte Befestigung eines
Elementes
Abb. 1.15 (links):
Prinzipdarstellung der direkten
Befestigung
Abb. 1.16 (rechts):
Prinzipdarstellung
der verdeckten
Befestigung
11
Dokumentation 588
Die Beanspruchung des Verbindungsmittels
setzt sich aus Zug, Schub und Zwangsverformung
zusammen. Während Zug- und Schublasten aus
Wind, Schnee und Eigengewicht resultieren, treten Zwangsverformungen durch Temperaturbelastung auf. Für das Versagen der Verbindung
ist jedoch nicht das Verbindungsmittel maßgebend, sondern das Sandwichelement selbst
(Abb. 1.17).
Für die Beanspruchbarkeit der Verbindung
auf Schub ist die Lochleibung im Deckblech und
damit die Deckblechdicke maßgebend. Wird eine
Zugbelastung nur über die Dichtscheibe eingetragen, so kommt es gerade bei der direkten Befestigung an Wandelementen zu einem Durchknöpfen der Deckschicht (Abb. 1.18). Werden
Dachelemente direkt durch die Hochsicke befestigt, kann durch den Einsatz von Lastverteilungsplatten (Kalotten) ein Durchknöpfen verhindert
werden, und es kommt zu einem lokalen Gesamtversagen der Lasteinleitungszone.
Kalotten finden ebenso wirksam ihren Einsatz bei verdeckten Befestigungen im Wandbereich. Bei der verdeckten Befestigung hat die
Ausbildung der Längsfuge einen entscheidenden
Einfluss auf die Tragfähigkeit. Hier sind die Parameter Deckblechgeometrie, Zug-, Druck- und
Schubfestigkeit des Kernmaterials sowie die Verbindung von Kern und Deckblech entscheidend
(Abb. 1.17).
Abb. 1.17:
Versagen eines
Sandwichelementes im
Verschraubungsbereich
Abb. 1.18:
Durchknöpfen
(Schraube nachträglich herausgezogen)
12
1.2.5 Besonderheiten im Sandwichbau
Das Sandwichbauteil besitzt zwei wesentliche Besonderheiten:
– Die Temperaturbelastung ist ein wesentlicher
Lastfall
– Kernwerkstoffe aus Kunststoff neigen zum
Kriechen
Das Sandwichbauteil hat eine sehr geringe
Wärmeleitfähigkeit. Für diese Eigenschaft ist der
integrierte Kern verantwortlich. Während auf der
äußeren Deckschicht im Sommer bis zu 80 °C
gemessen werden können, herrschen auf der
inneren Deckschicht gleichzeitig nur 25 °C.
Dieser große Temperaturgradient erzeugt in
Elementen mit leicht profilierten Deckschichten
in statisch bestimmten Systemen keine Schnittgrößen, aber Krümmungen. Die Verbindungsmittel an den Lagern müssen die daraus entstehenden Verschiebungen aufnehmen können.
Besitzen Sandwichelemente eine profilierte
Deckschicht, so sind sie innerlich statisch unbestimmt, und es entstehen selbst in statisch bestimmten Systemen Spannungen durch den Lastfall Temperatur. Eine äußere Schnittgröße entsteht jedoch erst bei statisch unbestimmten Systemen.
Die Spannungen durch den Lastfall Temperatur erreichen im Zweifeldsystem mehr als
doppelt so große Werte wie durch den Lastfall
Windsog.
Die Spannungen durch den Lastfall Temperatur treten zusätzlich an ungünstiger Stelle im
Sandwichelement auf. Aus dem Lastfall Temperatur im Sommer am Zweifeldsystem resultieren
Zugkräfte in den Schrauben am Mittelauflager,
und es werden Druckspannungen im äußeren
Deckblech erzeugt (Abb. 1.19). Die Tragfähigkeit des Sandwichelementes unter dieser Einwirkung ist, wie in Absatz 1.2.3 beschrieben, gering.
Als Kernwerkstoffe werden neben mineralischen Dämmstoffen (Steinwolle) hauptsächlich
Kunststoffschäume (Polystyrol- und PUR-Schäume) eingesetzt. Gerade bei geschäumten Kunststoffen ist die Kriechneigung sehr hoch. Das Kriechen erfolgt ohne ein zu beobachtendes Endkriechmaß (Abb. 1.20). Da das Kriechverhalten
vom Kern ausgeht, der maßgeblich Querkräfte
abträgt, wird das Kriechen im Sandwichbauteil
auch als Schubkriechen bezeichnet.
Für Wandelemente, die keine ständigen Lasten senkrecht zu ihrer Ebene abtragen, ist das
Kriechen weniger bedeutend als für Dachelemente. Dort erzeugt das geringe Eigengewicht
eine ständig wirkende Belastung. Die Schneelast
ist periodisch wiederkehrend und wirkt dann
als ständige Belastung kriecherzeugend.
Windsog und Sommer
Belastung und Systeme
Momentenlinien
Lastfall Temperatur
Momentenlinien
Lastfall Wind
Normalkräfte in den
Deckenschalen der
Sandwichelemente
Abb. 1.19:
Überlagerung
der Lastfälle
Windsog und
Temperatur
im Sommer
Werden schuberzeugende, ständig wirkende
Lasten (z. B. Photovoltaikanlagen, Klimageräte
oder Werbetafeln) auf Sandwichelemente aufgesetzt, ist neben den oben erläuterten Versagensarten das Kriechverhalten zu berücksichtigen.
1.3 Bemessung von
Sandwichelementen
1.3.1 Regelwerke
Im Bereich der Sandwichelemente existiert
auf europäischer Ebene seit kurzem die Produktnorm DIN EN 14509 [7]. Diese umfasst neben
Regeln zur Herstellung und Qualitätssicherung
auch die Bemessungsregeln. Neben dieser Norm
geben die ECCS- und CIB-Empfehlungen [2] den
Stand der Technik im Bereich der Bemessung
und Konstruktion gut wieder.
Bauprodukte dürfen gemäß den Bauordnungen der Länder nur verwendet werden, wenn sie
ein Übereinstimmungszeichen (Ü-Zeichen) oder
CE-Zeichen tragen. Mit diesem Zeichen wird bestätigt, dass das Produkt in Übereinstimmung mit
den entsprechenden Regeln hergestellt wurde.
Basis der Vergabe des Ü-Zeichens ist die Bauregelliste [3]. Da Regelungen zu Sandwichelementen weder in der Bauregelliste A noch B noch C
enthalten sind, wird eine „Allgemeine bauauf-
sichtliche Zulassung“ (BAZ) benötigt. Mit dem
Ü-Zeichen wird dann die Übereinstimmung des
Produktes mit dieser Zulassung dokumentiert.
Da das CE-Zeichen auf Basis von europäischen
Normen vergeben werden muss und es noch
keine europäischen Normen gibt, ist es zurzeit
nicht zu berücksichtigen.
Abb. 1.20:
Durchbiegung
in Feldmitte
bei konstanter
Gleichflächenlast in Abhängigkeit von der Zeit
13
Dokumentation 588
1.3.2 Bauaufsichtliche Zulassung
Sandwichbauteil
Ein wichtiger Bestandteil zur Erlangung einer
Zulassung ist das Prüfprogramm [1], in dem die
umfangreichen experimentellen Untersuchungen
festgelegt werden, denen das Produkt unterzogen
wird. Diese dienen der Gewinnung der bemessungsrelevanten Kennwerte. Die wichtigsten Versuche und die daraus abgeleiteten Kennwerte
wurden im Kapitel 1.2 bereits vorgestellt. Die
Versuche sind weiterhin notwendig, da bisher
noch kein rechnerisches Verfahren gefunden
wurde, das zufrieden stellende Vorhersagen
über die Tragfähigkeit von Sandwichelementen
liefert. Vorhersagen mittels FEM-Analysen führen zu Abweichungen von 10 bis 20 % gegenüber den Versuchswerten.
Die Zulassungen für Sandwichelemente haben die Nummer Z-10.4-xxx. Da es im Bereich
der Sandwichelemente eine hohe Produktinnovation gibt, besitzen die BAZ eine Geltungsdauer.
Es ist bei der Bemessung darauf zu achten, dass
die zugrunde gelegten Kennwerte einer aktuell
gültigen BAZ entnommen werden.
Neben den Besonderen Bestimmungen und
ihrer Anlage B, in denen das Produkt mit seinen
Eigenschaften und Kennwerten genau beschrieben wird, ist die Anlage A von besonderer Bedeutung für die Bemessung von Sandwichkonstruktionen. In ihr werden die Lastannahmen und die
Nachweisformate der Bemessung einheitlich
geregelt. Zu den Lastannahmen gehören Eigenlast, Wind, Schnee und Temperaturdifferenz.
Die Bemessung erfolgt sowohl im Gebrauchszustand als auch im rechnerischen Bruchzustand.
Im Gebrauchszustand ist sicherzustellen, dass an
keiner Stelle ein Knittern oder ein Fließen der
Deckschichten auftritt. Die Tragfähigkeitsnachweise lassen die Ausbildung von Knittergelenken
über der Innenstütze zu. Das Versagen bei einem
Mehrfeldträger wird daher durch das Knittern im
Feldquerschnitt definiert. Mit diesen beiden
Nachweisformaten ist eine wirtschaftliche Bemessung möglich, da die Sicherheitsbeiwerte im
Nachweis der Gebrauchstauglichkeit wesentlich
geringer sind als im Nachweis der Tragfähigkeit.
Der Nachweis der Tragfähigkeit bei langzeitig
wirkenden Belastungen ist für Dachelemente
unter Berücksichtigung der zeitabhängigen Spannungsumlagerungen und des zeitabhängigen
Schubfestigkeitsabfalls zu führen.
Für jeden Zustand sind die Normalspannungen in den Deckblechen, die Schubspannungen
im Kern und die Auflagerpressungen nachzuweisen.
14
1.3.3 Stützweitentabellen
Um nicht für jedes Projekt eine neue Bemessung nach Zulassung durchführen zu müssen,
geben die Hersteller Stützweitentabellen zur vereinfachten Bemessung heraus. Für ein ausgewähltes Element lässt sich aus den geforderten Nachweisen die maximale Stützweite bestimmen.
Diese werden tabelliert zusammengefasst und der
Nachweis beschränkt sich auf die Einhaltung der
maximalen Stützweite. Zu beachten ist jedoch,
dass diese Tabellen in der Regel für Mehrfeldträger mit gleichen Stützweiten in allen Feldern
und für übliche Temperaturbeanspruchungen
angeboten werden. Insbesondere der Lastfall
Temperatur führt bei Mehrfeldträgern zu hohen
Beanspruchungen.
Die Gliederung der Tabellen berücksichtigt
neben der Auflagerbreite auch die Farbgruppe
der Elemente, da eine dunkle Deckschicht heißer
wird als eine helle. Bei Dachelementen wird die
Schneebelastung, bei Wandelementen die Windlast berücksichtigt.
Die Bemessung der Verbindungsmittel ist bei
den meisten Produkten durch die Stützweitentabelle nicht abgedeckt.
1.3.4 Bauaufsichtliche Zulassung
Verbindungsmittel
Die BAZ Z-14.4-407 (Abb. 1.21) regelt die
Verbindungsmittel zur Verwendung bei Konstruktionen mit Sandwichbauteilen. Tabelliert
nach Blechdicken und Belastungsarten, werden
zulässige Kräfte angegeben. Wichtig in diesem
Zusammenhang sind die zulässigen Kopfauslenkungen der Schraube.
Abb. 1.21: Deckblatt des Zulassungsbescheids
für Verbindungselemente von Sandwichelementen
Durch Temperatureinwirkung werden die
Deckbleche gegeneinander verschoben und
erzeugen somit eine Kopfauslenkung der Schraube. Diese muss von der Schraube aufgenommen
werden können, ohne dass sie ihre Funktionsfähigkeit verliert.
Für den Lastfall Windsog treten beim Wandelement Zugkräfte in den Verbindungsmitteln
auf. Maßgebend für die Bemessung der Verbindung ist das Sandwichelement. Die zulässigen
Werte für direkte und verdeckte Befestigungen
sind der BAZ für das verwendete Sandwichelement zu entnehmen.
Beanspruchungen aus Querkraft im Verbindungsmittel treten durch das Wandeigengewicht
oder durch Dachschub auf.
1.4 Bemessung von Trapezprofilen
Stahltrapezprofile (Abb. 1.22) werden seit
den 1950er Jahren im Hochbau verwendet. Primäres Einsatzgebiet ist der Industriebau, jedoch
auch bei Verwaltungs- und Wohngebäuden werden sie genutzt, zum einen wegen ihrer statischkonstruktiven Vorteile, zum andern wegen ihrer
optischen Ausdrucksstärke.
Abb. 1.22:
Typische
Trapezprofile
Trapezprofile werden in einem Rollformer
(Abb. 1.23) kontinuierlich aus bandverzinktem
Stahlblech mit Dicken von 0,75 bis 1,25 mm hergestellt. Die Streckgrenze des eingesetzten Materials beträgt meist über 330 N/mm2. Für die
Bemessung spielen häufig Blechknittern und
Beulen eine wichtige Rolle, so dass die hohe
Streckgrenze nicht immer ausgenutzt werden
kann.
Abb. 1.23:
Rollformer zur
Herstellung von
Trapezprofilen
15
Dokumentation 588
Abb. 1.24: Tatsächliche Spannungsverteilung (links), Rechenmodell (rechts)
Abb. 1.25:
Konstruktion
eines Schubfeldes aus einem
Trapezblech
16
Die DIN 18807 „Trapezprofile im Hochbau“
[5] regelt die Bemessung und Ausführung. Sie
ist in drei Teile gegliedert:
– Teil 1: Allgemeine Anforderungen, Ermittlung
der Tragfähigkeitswerte durch Berechnung
– Teil 2: Durchführung und Auswertung von
Tragfähigkeitsversuchen
– Teil 3: Festigkeitsnachweise und konstruktive
Ausbildung
Zu berücksichtigende Versagensformen sind
die Überschreitung der Fließgrenze, das Beulen
der gedrückten Bereiche und das Krüppeln der
Stege im Auflagerbereich.
Für die Bemessung von Trapezblechen ist das
Prinzip der mitwirkenden Querschnittsbereiche
von großer Bedeutung. Hierbei wird davon ausgegangen, dass gedrückte Blechbereiche beulen,
durch die Einspannung in stabile Bereiche und
Umlagerungen der Spannungen diese Beulen jedoch nicht unbedingt das Versagenskriterium
darstellen. Vielmehr werden diese Bereiche bei
der Bemessung als spannungsfrei angesehen,
und es wird nur der effektive Restquerschnitt
berücksichtigt (Abb. 1.24). Die Berücksichtigung dieses Effekts kann zum einen rechnerisch
erfolgen. Die DIN 18807 hält hierzu Regeln bereit, mit denen in Abhängigkeit von der Blechdicke und der Breite unausgesteifter Bereiche
die mitwirkenden Querschnittsbereiche berechnet werden können. Die Norm lässt zum anderen
auch eine experimentelle Bestimmung zu und
gibt hierzu die Randbedingungen vor.
Für den Anwender von Trapezblechen entfällt jedoch die Bemessung meistens. Die Geometrie der Bleche ist herstellerspezifisch optimiert. Jeder Produzent findet für seinen Markt die
optimale Blechgeometrie, für die er einen Rollformer herstellen lässt. Daher sind die im Handel
vertretenen Trapezbleche hinsichtlich ihrer Abmessungen nicht genormt, so dass es für die Hersteller und Lieferanten sinnvoll ist, dem Nutzer
die fertigen Bemessungswerte auf Basis der Norm
zur Verfügung zu stellen. Meist geschieht dies
in Form einer typengeprüften Statik. Darin sind
die Bemessungswerte für maximal ertragbare
Momente bei positiver und negativer Biegung
sowie die maximal ertragbare Auflagerkraft am
Endauflager und getrennt davon am Zwischenauflager (Momenten-Querkraft-Interaktion) angegeben.
Die Aufnahme von Schubkräften in der
Blechebene ist eine besondere Eigenschaft von
Trapezblechen, die zur Aussteifung von Bauwerken gut genutzt werden kann (Abb. 1.25).
Wird das Blech umlaufend, das heißt an allen
vier Seiten, auf der Unterkonstruktion befestigt,
so kann es zum einen verwendet werden, um
Dachpfetten gegen Biegedrillknicken zu sichern,
zum andern können Stabilisierungskräfte, insbesondere Windlasten, mit dem Blech weitergeleitet und abgetragen werden. In diesen Fällen
ist jedoch eine deutliche Kennzeichnung im
Bauwerk nötig, damit nicht nachträgliche Änderungen, wie z. B. der Einbau von Oberlichtern,
die Tragfähigkeit des Schubfeldes gefährden
(Abb. 1.26).
1.5 Literatur
[1] Prüfprogramm für Sandwichkonstruktionen
mit einem Stützkern aus Polyurethan-(PUR-)
Hartschaum, frei von bestimmten, die Ozonschicht abbauenden Halogenkohlenwasserstoffen zwischen Metalldeckschichten im Zulassungsverfahren,
Deutsches Institut für Bautechnik,
Berlin, 3/1993
[2] ECCS- und CIB-Empfehlungen,
European Recommendations for Sandwich
Panels, ISBN 90-6363-024-7,
Brüssel, Oktober 2000
[3] Bauregelliste,
jährlich herausgegeben vom DIBt, Berlin
[4] DIN EN 10002,
Metallische Werkstoffe, Zugversuch,
4/1991
[5] DIN 18807,
Trapezprofile im Hochbau,
Teil 1 – 3: Stahltrapezprofile,
6/1987, mit Änderungen von 5/2001
[6] Stamm/Witte,
Sandwichkonstruktionen,
Springer, Wien/New York, 1974
Abb. 1.26: Zwingend notwendige
Kennzeichnung eines Schubfeldes
[7] DIN EN 14509,
Selbsttragende Sandwich-Elemente mit beidseitigen Metalldeckschichten – Werksmäßig hergestellte Produkte – Spezifikationen,
Ausgabe 2007
17
Dokumentation 588
2 Korrosionsschutzsysteme –
Auswahlkriterien bei Dach- und Wandbauteilen
Dipl.-Ing. Karl-Heinz Wickel
Mit Inbetriebnahme der ersten Bandverzinkungsanlage im Jahre 1959 und der nachfolgend
eingeführten Bandbeschichtung begann der
Siegeszug der leichten Bauelemente aus Stahl.
Es war nun möglich, eine metallische Veredelung des Stahlbandes in geeigneten Schichtdicken (bessere Umformbarkeit) mit hohen
Produktionsgeschwindigkeiten und damit wirtschaftlich herzustellen.
Die nachfolgende Bandbeschichtung nutzte
die Korrosionsschutzeigenschaften des Zinks
für ein hochwertiges Korrosionsschutzsystem
(Duplex-System) bei gleichzeitiger Erfüllung der
architektonischen Gestaltungswünsche.
Ständige Weiterentwicklungen des metallischen Überzuges durch Legieren mit Aluminium verbesserten die Umformeigenschaften
des Stahles und die Haftung der nachfolgenden
Beschichtung.
Mit neuen Lackentwicklungen wurden der
Korrosionsschutz und das Langzeitverhalten
der Lackoberfläche den gestiegenen Umweltbelastungen angepasst, so dass selbst bei bunten Farbtönen eine langjährige Farbbrillanz und
-stabilität erhalten bleibt.
Verbesserte Anlagenkomponenten ermöglichten weitere Steigerungen der Produktionsgeschwindigkeiten, und somit konnten Bauelemente zu äußerst wirtschaftlichen Preisen
angeboten werden.
Abb. 2.1: Wandverkleidung im Einheitsgrau der 60er Jahre
18
Umfangreiche Farbtonpaletten geben derzeit dem Planer die Möglichkeit, weg vom Einheitsgrau der Industriegebäude früherer Jahre
zu gelangen (Abb. 2.1): mit den derzeit aktuellen materialtypischen Silbermetallic-Fassaden
oder den in die Landschaft und die Nachbarschaft integrierten Gebäuden (Abb. 2.2) mit
natürlichen Farbtönen.
Bei der Vielzahl der angebotenen Korrosionsschutzsysteme steht der Anwender immer wieder vor der Frage nach dem geeigneten System
für das anstehende Bauvorhaben.
Der Wunsch nach längerem Korrosionsschutz bei nahezu gleich bleibender Oberflächenqualität, verbunden mit der Wirtschaftlichkeit (Kosten und Folgekosten), steht dabei
im Vordergrund.
2.1 Auswahl des geeigneten
Beschichtungssystems
Bei der Auswahl eines Korrosionsschutzsystems sollte beachtet werden, dass Korrosionsschutz kein Selbstzweck ist, sondern an den jeweiligen Einsatzbedingungen, Belastungen und
der vorgesehenen Nutzungsdauer ausgerichtet
wird.
Zwingend zu berücksichtigen sind dabei
aber die jeweiligen Vorschriften, Normen und
Zulassungen.
Abb. 2.2: Naturnahe Fassade
Korrosionsschutzsysteme – Auswahlkriterien bei Dach- und Wandbauteilen
Korrosionsschutzklasse
Korrosionsschutzsystem
I
Verzinkt, Z275/GALFAN®, ZA255
II
plus organische Beschichtung,
Mindestschichtdicke 12 µm
III
plus organische Beschichtung,
Mindestschichtdicke 25 µm
oder GALVALUME®, AZ185
ohne zusätzliche Beschichtung
Abb. 2.3: Geforderte Korrosionsschutzklassen
2.1.1 Vorschriften, Normen, Zulassungen
2.1.1.1 Trapezprofile
Werden Trapezprofile eingesetzt, ist zum
Thema Korrosionsschutz die DIN 18807 zu beachten. Im Teil 1 dieser Norm sind die erforderlichen Korrosionsschutzklassen (von K I bis
K III) in Tabelle 1 (Dachsysteme) und Tabelle 2
(Wandsysteme) aufgelistet.
In Abb. 2.3 sind für den Anwender die Forderungen der DIN 18807 bezüglich der Korrosionsschutzklassen vereinfacht dargestellt.
Als Fußnote ist vermerkt: „... entsprechend
den für die verschiedenen Bausysteme vorgeschriebenen Korrosionsschutzklassen sind die
Korrosionsschutzsysteme nach DIN 55928-8
Tabelle 3 oder gleichwertig anzunehmen ...“.
In dieser Tabelle 3 sind einzelne Systeme
mit Beschreibung des Aufbaus und den erforderlichen Schichtdicken in die Korrosions-
schutzklassen eingeordnet. Vereinfacht dargestellt ist dies in Abb. 2.4.
Gemäß DIN 55928-8 ist die Eignung der
Korrosionsschutzssysteme vom Hersteller nachzuweisen, wobei Art, Umfang und Dokumentation der Prüfungen festgelegt sind.
Die Norm DIN 55928-8 ist zurzeit in Überarbeitung und erhält bei Erscheinen die neue
Nummer DIN 55634. In dieser Norm wird ein
Bezug zwischen der bisherigen “K-Klassifizierung“ und der „C-Klassifizierung“ der DIN EN
ISO12944 hergestellt.
In Abb. 2.5 sind zur Übersicht die gebräuchlichsten organischen Beschichtungssysteme mit
den erreichten Korrosionsschutzklassen aufgeführt. Vorausgesetzt wird hierbei, dass der
Grundwerkstoff entweder bandverzinkt (nach
DIN EN 10147) oder legierverzinkt (nach DIN
EN 10214 oder DIN EN 10215) ist.
Organische Beschichtungen
Beschichtungsstoff
Abb. 2.4:
Einteilung der
Korrosionsschutzsysteme
in Korrosionsschutzklassen in
Anlehnung an
DIN 55928-8
Kurzzeichen
Schichtdicke
µm
Korrosionsschutzklassen
nach DIN 55928-8
Abb. 2.5:
Gebräuchlichste
organische
Beschichtungssysteme
Lacksysteme
Polyester
SP
12
II
Polyester
SP
25
III
Polyurethan
PUR
25
III
High-Durable-Polymer
HDP
25
III
Polyvinylidenfluorid
PVDF
25
III
PVC (P)
100–200
III
Polyvinylchlorid-Plastisol
Foliensysteme
Polyvinylchlorid
PVC (F)
100–200
III
Polyvinylfluorid
PVF (F)
40
III
19
Dokumentation 588
2.1.1.2 Sandwichelemente
Bei ungeregelten Produkten wie Sandwichelementen musste bisher die jeweilige bauaufsichtliche Zulassung beachtet werden. Hier ist
für den Korrosionsschutz die Aussage getroffen: „... der Korrosionsschutz ist nach DIN
55928-8 Tabelle 3 auszuführen ...“ – siehe hierzu die vereinfachte Übersicht in Abb. 2.3.
Ab 2007 ist die europäische Sandwichnorm
DIN EN 14509 eingeführt (wird ab Juni 2009
zur Pflicht) und löst die bauaufsichtlichen Zulassungen ab. In dieser Norm wird im Abschnitt
5.1.2.1 zum Thema Korrosionsschutz gefordert:
„Organische Schutzbeschichtungen sind entsprechend ihrer Dauerhaftigkeit in der Einsatzumgebung auszuwählen“.
Sowohl in der DIN 18807 als auch in der
bauaufsichtlichen Zulassung (bei Sandwichelementen) werden hinsichtlich des Korrosionsschutzes aber nur Mindestanforderungen festgelegt ohne Berücksichtigung von Standort,
Nutzung, auftretender Sonderbelastung etc.
Auch in der neuen DIN EN 14509 ist diese Anforderung nicht weiter konkretisiert worden.
Es stellen sich daher folgende Fragen, die
bei der Auswahl eines geeigneten Beschichtungssystems beantwortet werden müssen:
– Wird das Bauteil als Dach oder Fassade eingesetzt,
– wie lang soll die geplante Schutzdauer sein,
– wie sind die Standortbedingungen,
– wie hoch ist die Belastung im Gebäudeinnern,
– ist mit Sonderbelastungen zu rechnen,
– ist später evtl. eine Nutzungsänderung angedacht,
– welcher Farbton ist vorgesehen?
2.1.2 Dachelemente
Dachflächen sind besonders starken Belastungen ausgesetzt. Neben stärkerer Sonneneinstrahlung, längerer Verweilzeit von Niederschlagsfeuchte, Schmutzablagerung und Hagelschlag wird die Dachoberfläche durch Begehen
bei Montage und Wartung mechanisch belastet
(Abb. 2.6).
Abb. 2.6:
Montageschäden
Abb. 2.7: Abgeschattete Dachbereiche
Die Wärmebeständigkeit, die UV-Beständigkeit des Lacksystems und die Widerstandsfähigkeit gegen mechanischen Abrieb sind daher
wichtige Kriterien bei Dachaußenschalen.
Abgeschattete Bereiche, wie z.B. Vordächer
oder auskragende Dachbereiche (Abb. 2.7), werden auf der Unterseite nicht vom Regenwasser
abgewaschen; hier muss auf ausreichenden
Korrosionsschutz geachtet werden. In jedem
Fall sind Beschichtungssysteme nach Korrosionsschutzklasse III zu wählen.
2.1.3 Fassadenelemente
Bei der Auswahl des Beschichtungssystemes für Fassaden stehen die ästhetischen
Gesichtspunkte im Vordergrund (Abb. 2.8). Die
UV-Beständigkeit mit den Auswirkungen auf
– Glanz,
– Farbtonhaltung und
– Auskreidung
ist die wichtigste Eigenschaft eines Beschichtungssystems für Fassadenaußenschalen.
Die Kriterien
– Verschmutzungsgrad,
– leichte Reinigung und
– Überlackierbarkeit
sollten ebenfalls in die Bewertung einfließen.
Bei Intensiv-Farbtönen (Rot, Gelb, Blau)
muss infolge von Umwelteinflüssen mit einem
Glanzverlust gerechnet werden, der sich bei
den einzelnen Gebäudeteilen durch Sonneneinstrahlung unterschiedlich auswirken kann.
Beschichtungen auf der Basis Polyvinylidenfluorid (PVDF) mit ausgezeichneter UV- und
20
Sehr große Korrosionsgefahr durch Chloridbelastung herrscht in der Atmosphäre am Meer
oder in Meeresnähe vor. Unter Einfluss von
Spritzwasser verstärkt sie sich nochmals.
Die Frage nach dem Standort des Gebäudes
ist daher äußerst wichtig für die richtige Beurteilung der Anforderungen.
2.1.5 Standortbedingung –
örtliche Belastungen
Abb. 2.8: Fassadenelemente
Farbtonbeständigkeit werden besonders bei
Intensiv-Farbtönen empfohlen. Siehe hierzu
Tabelle Abb. 2.12.
Um die beschichteten Oberflächen vor
Beschädigungen bei Verarbeitung, Lagerung,
Transport und Montage zu schützen, empfiehlt
es sich, bei der Herstellung eine abziehbare
Schutzfolie auf der Sichtseite aufzubringen.
Achtung: zum Entfernen der Schutzfolie Herstellerhinweise beachten!
Bei Metallic-Farbtönen ist darauf zu achten,
dass alle Elemente in der gleichen Richtung
verlegt werden und das miteinander verbaute
Material aus einer Charge stammt. Nur so ist gewährleistet, dass die Wandelemente ein einheitliches Erscheinungsbild aufweisen.
Großklimazone
Wie erwähnt hat die umgebende Atmosphäre einen großen Einfluss auf die Korrosionsgeschwindigkeit und sollte daher bei der
Auswahl des geeigneten Korrosionsschutzsystems berücksichtigt werden. Zur Beurteilung
der Aggressivität hilft DIN EN ISO 12944-2,
worin eine Einteilung in fünf Atmosphärentypen vorgenommen wird (Abb. 2.9).
Geringe Korrosionsbelastung besteht in der
Landatmosphäre, die in ländlichen Gebieten und
kleinen Städten vorherrscht; hier gibt es keine
nennenswerten Verunreinigungen durch korrosive Stoffe wie Schwefeldioxid und/oder
Schwefel.
In der Industrieatmosphäre steigt die Belastung durch Schwefeldioxid, bedingt durch die
industriellen Abgase, stark an.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen
Großklimata sind die Einflüsse der jeweiligen
örtlichen Gegebenheiten (Kleinstklima) nahe
dem Gebäude entscheidende Faktoren zur Bewertung der Korrosionsbelastung.
Diese örtlichen Belastungen, z. B.
– Industrieabgase,
– hohe Feuchtebelastung,
– chemische Belastung,
– hohe Temperaturen,
– Beschattung,
– mechanische Belastungen,
müssen bekannt sein und sorgfältig bewertet
werden.
Hier ist der Planer aufgerufen, die Belastungen in der Ausschreibung deutlich darzustellen,
damit der Bauelementlieferant das geeignete
Beschichtungssystem anbieten kann.
Belastungen im Gebäudeinnern
Zur Auswahl des Beschichtungssystemes
wird wieder die DIN 18807-1 zu Rate gezogen.
Im Inneneinsatz über trockenen Räumen ist die
Korrosionsschutzklasse II gefordert. Hier sind
daher eine Verzinkung plus ein Einschichtsystem der Schichtdicke 12 µm ausreichend.
Gering
Mäßig
Stark
Abb. 2.9:
Korrosionsbelastung –
Atmosphärentyp
Sehr stark
Korrosionsbelastung
21
Dokumentation 588
22
Zu bedenken ist aber, dass eine derartige
Dünnbeschichtung kein einheitliches Aussehen
der beschichteten Fläche zulässt. Bei höheren
Ansprüchen an die optische Gestaltung des
Innenraumes (Ausstellungs-, Empfangs-, Büroräume) wird daher eine Schichtdicke von 25 µm
empfohlen.
Bei einigen Gebäudearten kann es aber infolge der betrieblichen Faktoren zu erheblichen
Korrosionsbelastungen kommen, so z. B. in
– Schwimmbädern,
– Kompostieranlagen,
– Brauereien,
– Beizereien/Verzinkereien,
– Galvanikbetrieben,
– Viehställen,
– Waschhallen.
2.1.7 Schutzdauer
Die einwirkenden Belastungsmedien sind
daher möglichst detailliert zu erfassen und nach
– Art, Zusammensetzung, Form,
– Konzentration,
– Temperatur,
– Dauer und Häufigkeit der Einwirkung
in den technischen Vorbemerkungen der Leistungsverzeichnisse zu beschreiben und mit dem
Beschichter technisch abzuklären.
Veränderungen im Verlauf der Nutzungsdauer eines Gebäudes sind dabei zu beachten.
Derartigen, meist nicht vorhersehbaren Einflüssen kann evtl. durch Einsatz eines höherwertigen Korrosionsschutzsystems entgegengewirkt
werden.
Generell ist zu sagen, dass die Korrosionsgeschwindigkeit mit steigender Luftfeuchte,
Kondensatbildung und Verunreinigung der
Atmosphäre zunimmt. Gute Belüftung oder Klimatisierung hilft, die Belastung zu reduzieren.
Bei zu starker Belastung muss überlegt werden, ob ein Beschichtungssystem die geeignete
Wahl ist, ein Ausweichen auf Bausysteme mit
nicht rostenden Edelstahldeckschalen steht dann
als Möglichkeit zur Verfügung.
Bei nur teilweise geschlossenen Gebäuden
muss die Korrosionsbelastung der Umgebungsbelastung gleichgesetzt werden.
Bereiche mit Wärmebrücken neigen zu
höherer Kondensatbildung und sind daher
gesondert zu betrachten.
Bei Gebäuden der Lebensmittelindustrie,
z. B. Kühlhäuser und Metzgereien, muss sich
das Beschichtungssystem im Gebäudeinnern vor
allem an der
– Verträglichkeit mit Lebensmitteln und
– physiologischen Unbedenklichkeit
ausrichten. Prüfzeugnisse der Hersteller geben
darüber Auskunft.
Es empfiehlt sich, das Ausmaß der Schädigung bis zur ersten Instandsetzung sowie die
Schutzdauer zwischen den Vertragspartnern zu
vereinbaren und die Qualität des gewählten Systems daran auszurichten.
Hinweis: Die Schutzdauer ist nicht gleich
der Gewährleistungszeit. Während die Schutzdauer ein technischer Begriff ist, um ein Instandhaltungsprogramm festzulegen, ist die
Gewährleistungszeit ein juristischer Begriff.
Die Gewährleistungszeit ist in der Regel kürzer
als die Schutzdauer.
Auch die angestrebte Schutzdauer ist ein
Kriterium bei der Auswahl der Korrosionsschutzsysteme.
Bereits bei der Planung ist die erwartete
Standzeit des Korrosionsschutzsystems bis zur
ersten Teilerneuerung zu berücksichtigen, d. h.,
nach Ablauf der Schutzdauer müssen geeignete
Instandhaltungsmaßnahmen zur Aufrechterhaltung der funktionellen Schutzwirkung eingeplant werden.
Nach DIN EN ISO 12944 sind definiert:
– kurze Schutzdauer
5 Jahre
– mittlere Schutzdauer 10 Jahre
– lange Schutzdauer
15 Jahre
2.2 Eigenschaften der
Beschichtungssysteme
Die Lieferprogramme der Hersteller unterscheiden je nach der Art des Auftrages zwischen
– Einbrennlackierung und
– Folienbeschichtung.
Bei der Einbrennlackierung werden flüssige
Beschichtungsstoffe durch Walzenauftrag mit
anschließender Wärmetrocknung in einem kontinuierlichen Anlagendurchlauf aufgebracht.
Gebräuchlichste Lackbasen sind
– Polyester (SP),
– Polyvinylidenfluorid (PVDF),
– Polyurethan (PUR) und
– Polyvinylchlorid-Plastisol (PVC).
Namensgeber sind die Bindemittel, die
durch ihre chemische Natur und ihre physikalischen Eigenschaften die wesentlichen Eigenschaften des Beschichtungsstoffes, die Art und
Dauer der Filmbildung und das Verhalten der
fertigen Lackoberfläche beeinflussen. Weitere
Oberseite
• Bindemittel
Beschichtungsstoff
(ca. 25 –200 µm)
• Lösemittel
• Pigmente
• Füllstoffe
Primer
Vorbehandlung
• Sonstige Zusätze
Zinkauflage (20 µm)
Stahlkern
Namensgeber
Zinkauflage (20 µm)
Abb. 2.11: Inhaltsstoffe der Beschichtungen
Vorbehandlung
Rückseitenlack
(10 –25 µm)
Unterseite
Abb. 2.10: Beschichtungsaufbau
Inhaltsstoffe sind die als Farbmittel dienenden
Pigmente, Lösemittel, Füllstoffe und sonstige
Zusätze (Abb. 2.11).
Neben der Bezeichnung des Bindemittels
verwenden die Beschichter meist noch eigene
Handelsmarken (z.B. PLADUR®, Colofer®, Colorcoat® und Granite®). Die Schichtdicken der Systeme reichen von 10 µm für den Inneneinsatz
bis zu 200 µm bei Plastisol.
Bei der Folienbeschichtung werden Kunststoff-Folien unter Verwendung von wärmeaktiven Klebstoffen auflaminiert. Gebräuchlichste
Systeme sind
– Polyvinylchlorid (PVC) und
– Polyvinylfluorid (PVF)
in Schichtdicken von 40 µm (PVF) bis 200 µm
(PVC).
Jedes System hat seine ganz spezifischen
Eigenschaften wie
– Umformverhalten,
– Härte,
– Haftfestigkeit,
– Abriebfestigkeit,
– Chemikalienverträglichkeit,
– Wärmebeständigkeit,
– Korrosionswiderstand,
– schmutzabweisendes Verhalten,
– UV-Beständigkeit.
Alle Systeme haben Stärken, aber auch Schwächen. Daher müssen die jeweiligen Einsatzbedingungen geprüft, bewertet und muss das für
den jeweiligen Einsatzfall geeignete Produkt gewählt werden.
Die wichtigsten Gebrauchseigenschaften
sind in Abb. 2.12 dargestellt, wo sie nach funktionellen und dekorativen Eigenschaften unterschieden werden.
Zur Wärmebeständigkeit ist anzumerken,
dass die angegebenen maximalen Temperaturen
sich nicht auf eine ständige Belastung beziehen.
Unter dem Begriff UV-Beständigkeit ist die
Beständigkeit gegen Sonnenlicht zu verstehen,
hier sind das Farb-, Glanz- und Kreidungsverhalten zusammengefasst.
Korrosionswiderstand bezeichnet das Verhalten des Verbundwerkstoffes gegenüber den
aggressiven Medien der natürlichen Atmosphäre.
2.3 Farbton
2.3.1 Farbpalette
Für den Planer spielt der Farbton der Gebäudehülle eine wichtige Rolle in der Gesamtarchitektur des zu planenden Gebäudes.
Die Bandbeschichter bzw. die Bauteilhersteller haben sich darauf eingestellt und bieten
in ihren Lieferprogrammen ein umfangreiches
Spektrum von Farbtönen an.
Ist eine kurze Lieferzeit erforderlich, werden beschichtete Coils (fertig zum Profilieren)
in Standardfarben von den Herstellern vorgehalten.
23
Dokumentation 588
Eigenschaften
SP
PUR
HDP
PVDF
PVC
(P)
PVC
(F)
PVF
(F)
10 ... 80
10 ... 80
20 ... 80
20 ... 40
45 ... 70
5 ... 15
5
Oberflächenhärte
B
C
B
C
E
D
D
Wärmebeständigkeit bis max. (in ºC)
80
80
80
110
60
60
110
Umformbarkeit/
Biegen (T-Bend)
C
B
B
A
A
A
A
Umformbarkeit/
Walzprofilieren
B
B
B
A
A
A
A
Abriebfestigkeit
D
E
D
C
A
A
B
Witterungsbeständigkeit,
UV-Beständigkeit
D
D
C
A
E
E
A
C
C
C
B
A
D
A
Glanzgrad
Witterungsbeständigkeit,
Korrosionswiderstand auf Z275
Abb. 2.12:
Eigenschaften
der organischen
Beschichtungen
A = ausgezeichnet
D = befriedigend
B = sehr gut
E = ausreichend
C = gut
Unabhängig von den Farbtonkarten der Lieferanten benutzen die Planer gängige Farbkollektionen wie RAL-Standard, RAL-Design oder
das NCS-Farbsystem. In diesen Registern sind
die Farbtöne nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten und Rezepturen geregelt und zusammengefasst.
Aber auch Sonderfarbtöne, wie sie z. B.
von Unternehmen für ihr unverwechselbares
Erscheinungsbild erforderlich sind, Stichwort
„Corporate Identity“, werden nach Angleichung
auf das jeweilige Farbmuster produziert und
geliefert.
2.3.2 Farbton und Stützweite
Bedingt durch die hervorragenden Wärmedämmeigenschaften des Dämmkerns, kommt es
bei Sandwichelementen bei einseitiger Erwärmung (Sonne) zu erheblichen Temperaturdifferenzen zwischen Innen- und Außenschale.
Während auf der Außenseite bei hellen Farbtönen mit +55 °C zu rechnen ist, erreicht die
Oberflächentemperatur bei dunklen Farbtönen
+80 °C. Die Deckschichttemperatur der Innenseite ist im Sommer mit + 25 °C anzusetzen.
24
(P) = Plastisol
(F) = Foliensystem
Infolge dieser unterschiedlichen Deckschalentemperaturen kommt es zu Zwängungskräften und Knitterspannungen in den Deckschalen.
Beim Überschreiten der zulässigen Knitterspannungswerte (bauaufsichtliche Zulassung) besteht
die Gefahr, dass die Deckschichten beulen.
Neben den üblichen Einwirkungen Wind,
Eigengewicht und Schnee ist daher die Wärme
als weiterer Lastfall bei Sandwichelementen anzusetzen.
In den Stützweitentabellen der Hersteller
wird dies mit der Einteilung der Farbtöne in
Farbgruppen berücksichtigt.
Am Beispiel einer Stützweitentabelle (Abb.
2.13) ist zu sehen, dass höhere Oberflächentemperaturen (FG III) sich besonders bei Zweiund Mehrfeldträgern in Form von verminderter Stützweite auswirken.
Vor statischer Festlegung der Stützabstände
muss daher vom Planer der Farbton der Außenschale gewählt werden.
Die Eingruppierung der Farbtöne erfolgt
entsprechend den Helligkeitswerten in die Farbgruppen I (heller Farbton), II (mittlerer Farbton) und III (dunkler Farbton) – siehe Tabelle
Abb. 2.14.
Im Zweifelsfall wird empfohlen, mit den
Bauelementeherstellern Rücksprache zu halten.
2.3.3 Farbton und Mindestmenge
Bei den heutigen Bandbeschichtungsanlagen
sind für einen Anlagendurchlauf Mindestmengen
von ca. 400 m 2 erforderlich.
Werden kleinere Mengen eines Sonderfarbtons benötigt, kann Stücklackierung oder Pulverbeschichtung eine wirtschaftliche Alternative
sein.
Geschlossene Gebäude
Höhe über Gelände
Normalbereich der Wand
0 ... 8 m
> 8 ... 20 m
> 20 ...100 m
0,25
0,25
Gebäudeform
h/a
0,25
0,50
FG
I–III
3 40
3 40 3 40 3 40 3 40
3 40
Einfeldträger
4,84
4,84
3,76
3 40
3 40 3 40 3 40 3 40
3 40
4,92
4,92
3,58
2.3.4 Farbton und Beschichtungssystem
3 60
3 60 3 60 3 60 3 67
4 67
Wie im Kapitel 2.1.3 beschrieben, erfordern Intensiv-Farbtöne (Rot/Gelb/Blau) den Einsatz von Systemen mit hoher UV-Beständigkeit.
Gemäß Abb. 2.12 empfiehlt sich für diesen
Anwendungsfall das Lacksystem PVDF.
3 40
3 40 3 40 2 40 3 40
3 40
4,92
4,89
3,00
3 60
3 60 3 60 3 60 3 67
4 60
3 40
3 40 3 40 3 40 3 40
3 40
3,20
3,06
2,69
3 60
3 60 3 60 3 60 3 60
FG I
Zweifeldträger
FG II
FG III
2.4 Zusammenfassung
0,50
4,19
4,19
4,05
4,05
4,05
4,05
2,99
2,86
Kein Beschichtungssystem weist universelle
Eigenschaften auf und eignet sich für alle auftretenden Belastungen. Bauherr, Planer, Lieferant
der Bauteile und falls erforderlich der Beschichter sollten sich rechtzeitig über das für das anstehende Projekt geeignete Korrosionsschutzsystem abstimmen und die geeignete Auswahl
treffen.
Nur kurzfristige wirtschaftliche Gesichtspunkte sind dabei sicherlich nicht der richtige
Weg, ein optimales System für längeren Korrosionsschutz und dekorative Gestaltung zu finden.
Abb. 2.13: Stützweitentabelle Wand-Sandwichelemente
(Beispiel)
2.5 Literatur
Abb. 2.14: Helligkeitswert und Farbgruppe
Farbgruppe
Temperatur (Delta) in °C
Helligkeitswert H in %
Farbe Weiß
I
55
90 – 75
II
65
74 – 40
3,76
3,58
3,58
2,87
0,50
3 60
III
80
39 – 8
•
Farbe Gelb
Farbe Grün
•
•
DIN EN ISO 12944-1 und 12944-2,
Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungssysteme
DIN 18807-1,
Trapezprofile im Hochbau
DIN 55928-8,
Korrosionsschutz von tragenden dünnwandigen
Bauteilen
DIN EN 14509
Selbsttragende Sandwichelemente mit beidseitigen Metalldeckschichten
Merkblatt 093
Organisch bandbeschichtete Flacherzeugnisse
aus Stahl,
Merkblatt 121
„Korrosionsschutzsysteme für Bauelemente aus
Stahlblech“,
Dokumentation 558
„Bausysteme aus Stahl für Dach und Wand“,
Prospekt
„Bandbeschichtetes Feinblech“,
ThyssenKrupp Stahl AG
25
Dokumentation 588
3 Baulicher Brandschutz für Dach und Fassade
Dipl.-Ing. Hans-Werner Girkes
3.1 Einleitung
Stahl ist mehr denn je ein unverzichtbarer
Werkstoff unserer Industriegesellschaft.
Er ist Grundlage für unzählige Produkte mit
fast unbegrenzten Einsatzmöglichkeiten. Seine
Gebrauchs- und Verarbeitungseigenschaften sowie seine besondere Wirtschaftlichkeit machen
ihn auf fast allen Gebieten unersetzbar.
Wen wundert es da, dass von seinen Gegnern der Brandschutz als sein größter Mangel
herausgestellt wird? Dem ist aber nicht so. Es
gibt mit Stahl kein Brandschutzproblem. Richtig
angewendet ist er in der Lage, jede Feuerwiderstandsdauer zu erreichen.
Trotzdem ist in Deutschland die Brandschutzproblematik eines der größten Hindernisse für den Einsatz von Stahl. In fast allen
Nachbarländern, insbesondere Großbritannien,
den Beneluxländern und Skandinavien, hat die
Stahlbauweise weitaus höhere Marktanteile aufzuweisen.
Es trifft sicherlich nicht zu, dass dieser Vergleich das Sicherheitsempfinden der einzelnen
Länder widerspiegelt, sondern wir können
davon ausgehen, dass in allen Ländern ein ähnliches Verständnis für die Verhinderung von
Brandopfern besteht.
Im § 3 Abs. 1 der MBO heißt es: Bauliche
Anlagen sind so anzuordnen, zu errichten, zu
ändern und instand zu halten, dass die öffentliche Sicherheit und Ordnung, insbesondere
Leben, Gesundheit und die natürlichen Lebensgrundlagen, nicht gefährdet werden.
Diese allgemeine Anforderung gilt jedoch
nicht nur für den Brandschutz. Genauer definiert
werden die Schutzteile des Brandschutzes
durch den § 14 der MBO.
Bauliche Anlagen sind so anzuordnen, zu
errichten, zu ändern und instand zu halten, dass
• der Entstehung eines Brandes und der Ausbreitung von Feuer und Rauch vorgebeugt
wird,
• bei einem Brand Menschen und Tiere gerettet werden können und
• wirksame Löscharbeiten möglich sind.
Dieser Paragraf definiert die Ziele, die bezüglich des Brandschutzes einzuhalten sind. Es ist
aber nicht gesagt, wie die Schutzziele eingehalten werden können.
26
Beim Brandschutz wird zwischen dem vorbeugenden und dem abwehrenden Brandschutz
unterschieden.
Unter abwehrendem Brandschutz versteht
man die Brandbekämpfung und die Rettung
durch die Feuerwehr.
Zum vorbeugenden Brandschutz gehören:
• der betrieblich organisatorische Brandschutz,
dazu zählen die Nutzung und der Betrieb von
Anlagen und die betriebliche Vorsorge,
• der anlagentechnische Brandschutz, der sich
auf technische Anlagen wie Brandmelder,
Sprinkleranlagen und Rauch- und Wärmeabzugsanlagen bezieht,
• der bauliche Brandschutz, der immer noch
den Schwerpunkt beim vorbeugenden Brandschutz bildet.
3.2 Brandausbreitung
Ist ein Brand erst einmal entstanden, soll die
Ausbreitung von Feuer und Rauch vermieden
bzw. verhindert werden. Dafür hat das Bauordnungsrecht das Prinzip der Abschottung vorgesehen.
Abschottung bedeutet aber immer, dass
zweierlei erreicht werden soll.
1. Der Brand soll aus dem Bereich, in dem er
ausgebrochen ist, nicht weitergeleitet werden können, und
2. wenn ein Brand ausgebrochen ist, soll verhindert werden, dass er auf ein anderes Gebäude überspringt.
Angenommen, der Brand bricht bei (1) aus.
Ein mögliches Szenario wäre, dass der darüber
liegende Dachbereich (2) auf der Unterseite
Feuer fängt. Hier kann sich das Feuer nach allen
Seiten unter dem Dach (3) ausbreiten. Das Material kann brennend (4) abfallen und weitere
Bereiche in Brand setzen. Unangenehmer wird
es noch, wenn der Dachaufbau aus mehreren
Schichten besteht und der Brand sich innerhalb der Schichten (5) ausbreitet. Dies ist von
unten nicht feststellbar und könnte z. B. für
die Feuerwehr, die zum Brandherd vorrückt,
zu einer ernsten Gefahr werden, weil das Feuer
im Rücken der Feuerwehrleute nach unten
durchkommen kann. Findet das Feuer einen
Baulicher Brandschutz für Dach und Fassade
tens in die Baustoffklassen A (nicht brennbar)
und B (brennbar) eingeteilt. Beide Baustoffklassen haben noch Unterteilungen. Die Baustoffklasse A wird in die Klassen A1 und A2 unterschieden. A1 ist ganzheitlich aus nicht brennbaren Bestandteilen hergestellt, während die Baustoffklasse A2 brennbare Bestandteile hat. Das
Mischungsverhältnis von brennbaren zu nicht
brennbaren Bestandteilen ist jedoch so gewählt,
dass diese Baustoffe nicht brennen können.
Die Baustoffklasse B wird unterteilt in
schwer entflammbare, normal entflammbare
und leicht entflammbare Baustoffe.
Im Unterschied zur nationalen Klassifizierung nach DIN 4102-1 stellt das europäische
Klassifizierungssystem eine größere Vielfalt von
Klassen und Kombinationen zur Verfügung. Zusätzlich zum Brandverhalten werden die Brandnebenerscheinungen wie Rauchentwicklung
und brennendes Abtropfen/Abfallen in Klassen
eingeteilt.
Die europäische Norm ist als DIN EN 13501-1
und DIN EN 13501-2 erschienen. Das nationale
und europäische Klassifizierungssystem werden
für eine Übergangszeit gleichwertig und alternativ anwendbar sein.
In der Bauregelliste erfolgt die Zuordnung
der Klassen zu den bauaufsichtlichen Anforderungen an den Brandschutz. In Abb. 3.2 sind die
Klassen aufgeführt, die zur Gewährleistung des
6
7
8
5
5
3
4
2
1
Abb. 3.1: Phasen der Brandweiterleitung
Weg, um ins Freie (6) durchzudringen, dann
kann es sich unter Umständen über das Dach
(7) ausbreiten und durch Lüftungen oder offen
stehende Fenster in Nachbarbereiche (8) eindringen (Abb. 3.1).
3.3 Klassifizierungskombinationen
Um die Brandweiterleitung zu unterbinden
und um sie einschätzen zu können, wird das
Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen in
der DIN 4102 geregelt. Im Teil 1 der DIN werden Baustoffe hinsichtlich ihres BrandverhalBauaufsichtliche
Benennung
Zusatzanforderungen
Kein
Kein brennendes
Rauch
Abfallen/Abtropfen
Europäische Klasse
nach
DIN EN 13501-1
Klasse
nach
DIN 4102-1
•
•
A1
A1
•
•
A2 – s1 d0
A2
•
•
B, C – s1 d0
•
B, C – s3 d0
Nicht brennbar
B11)
Schwer entflammbar
•
B, C – s1 d2
B, C – s3 d2
•
Normal entflammbar
D – s3 d0
D – s3 d2
B21)
E – d2
Leicht entflammbar
1)
F
B3
Angaben über hohe Rauchentwicklung und brennendes Abtropfen/Abfallen im Verwendbarkeitsnachweis
und in der Kennzeichnung.
Abb. 3.2: Klassifizierung des Brandverhaltens (ohne Bodenbeläge) nach DIN EN 13501-1
27
Dokumentation 588
in Deutschland geltenden Sicherheitsniveaus
mindestens einzuhalten sind. Bei besonderen
Anforderungen an die Rauchentwicklung ist die
Klasse s1 einzuhalten. Wird ein Baustoff gefordert, der nicht brennend abtropfen oder abfallen darf, ist ein Baustoff der Klasse d0 zu verwenden.
Das europäische Klassifizierungssystem ist
durch die Veröffentlichung in der Bauregelliste
2002/1 in das deutsche Baurecht eingeführt
worden.
Nach DIN EN 13501 können tragende Bauteile mit raumabschließender Funktion in folgende Feuerwiderstandsklassen klassifiziert
werden:
• Wände mit Raumabschluss
RE 30, 60, 90
• Wände mit Raumabschluss und
Wärmedämmung
REI 30, 60, 90
• Brandwände
REI-M 30, 60, 90
• Wände
REW 30, 60, 90
3.3.1 Klassifizierungskombinationen
Prüfungen und Leistungskriterien für die
Klassifizierung wurden einheitlich für folgende
Bauprodukte festgelegt:
• tragende Bauteile ohne raumabschließende
Funktion
• tragende Bauteile mit raumabschließender
Funktion
• Produkte und Systeme zum Schutz von tragenden Bauteilen oder Bauwerksteilen
• nicht tragende Bauteile oder Teile von Bauwerken, mit oder ohne Verglasung
• brandschutztechnisch wirksame Bekleidungen von Decken und Wänden
• Produkte haustechnischer Anlagen
Bauaufsichtliche
Benennung
Ein raumabschließendes tragendes Bauteil
mit der Klassifizierung REI 30 muss der Brandbeanspruchung während der Prüfung mindestens 30 Minuten standhalten und die Kriterien
E-Raumabschluss und I-Wärmedämmung erfüllen, um die Übertragung von Feuer und Rauch
in andere Nutzungseinheiten zu verhindern.
Das Bauteil muss so widerstandsfähig sein, dass
Flammen und Gase nicht durchtreten können.
Die feuerabgekehrte Seite darf sich nicht derartig erwärmen, dass sich dort befindliche Materialien entzünden können. Das Kriterium M kennzeichnet die Fähigkeit des Bauteils, einer Stoßbeanspruchung durch herabfallende andere Bauteile zu widerstehen.
Tragende Bauteile
ohne raummit raumabschließende Funktion abschließender Funktion
Nicht
tragende
Innenwände
Nicht
tragende
Außenwände
R 30
REI 30
EI 30
E 30 (i → o) und
EI 30 (i ← o)
[F 30]
[F 30]
[F 30]
[W 30]
R 60
REI 60
EI 60
E 60 (i → o) und
EI 60 (i ← o)
[F 60]
[F 60]
[F 60]
[W 60]
R 90
REI 90
EI 90
E 90 (i → o) und
EI 90 (i ← o)
[F 90]
[F 90]
[F 90]
[W 90]
Feuerhemmend
Feuerbeständig1)
Feuerwiderstandsdauer
120 Min.
R 120
REI 120
[F 120]
[F 120]
Brandwand
–
REI-M 90
1)
EI-M 90
Zurzeit nach §17 Abs. 2 MBO (in den wesentlichen Teilen aus nicht brennbaren Baustoffen).
Abb. 3.3: Feuerwiderstandsklassen von Bauteilen nach DIN EN 13501-2 und DIN EN 13501-3 und ihre Zuordnung zu den bauaufsichtlichen Benennungen [Klassifizierung nach DIN 4102] (Auszug aus Anlage 0.1.2. zur Bauregelliste A Teil 1, Ausgabe 2002/1)
28
In Abb. 3.3 wird die Zuordnung der europäischen Klassen zu den bauaufsichtlichen
Begriffen „feuerhemmend, feuerbeständig“ für
Deutschland verbindlich festgelegt.
Raumabschließende tragende Wände und
Decken zwischen verschiedenen Nutzungseinheiten müssen nach MBO wärmedämmend
sein, sie müssen daher die Anforderungen der
Klasse REI mit der erforderlichen Feuerwiderstandsdauer erfüllen. Brandwände müssen der
Klasse REI-M entsprechen.
Steht ein Gebäude in Flammen und hat ein
Brand einen Weg durch Dach und/oder Wand
gefunden, kann das Feuer durch Flugfeuer auf
eine Nachbarbebauung übergreifen. Die Dachhaut der Nachbarbebauung muss in der Lage
sein, diesen brennenden Bestandteilen standzuhalten. Dabei darf die Strahlungswärme, die
von einem Brand ausgeht, nicht vergessen werden. Auch dadurch ist es möglich, ein benachbartes Gebäude in Brand zu setzen, nämlich
dann, wenn die Entzündungstemperatur des
Baustoffes erreicht ist.
Geregelt wird das Brandverhalten in der
DIN 4102 Teil 7. Als Bedachung im Sinne dieser Norm gelten Dacheindeckungen und Dachabdichtungen einschließlich etwaiger Dämmschichten sowie Lichtkuppeln oder andere Abschlüsse für Öffnungen im Dach. Gegen Flugfeuer und strahlende Wärme widerstandsfähige
Bedachungen sollen die Ausbreitung des Feuers
auf dem Dach und eine Brandübertragung vom
Dach in das Innere des Gebäudes bei der in
dieser Norm festgelegten Beanspruchung verhindern.
3.4 Normung
Im Jahre 1988 wurde auf Antrag des Verbandes der Schadensversicherer (VdS) beim
Deutschen Institut für Normung mit der Erstellung einer Normungsreihe begonnen. Im August
1992 wurde dann die deutsche Norm
DIN 18234 Teil 1 –
Baulicher Brandschutz großflächiger Dächer –
Brandbeanspruchung von unten – Teil 1:
Begriffe, Anforderungen und Prüfungen;
Geschlossene Dachflächen
herausgegeben, um damit einheitliche Bewertungskriterien für die Prüfung solcher Dächer
festzulegen.
Nach dieser Norm geprüfte Dächer erfüllen
das Schutzziel einer Begrenzung der Brandweiterleitung im Bereich der geschlossenen
Dachfläche. Es ist somit sichergestellt, dass diese
Dächer sich nicht oder nur sehr verzögert am
Brandgeschehen beteiligen und so die Feuerwehr die Chance einer wirksamen Brandeindämmung und Brandbekämpfung erhält.
In der ersten Phase eines Entstehungsbrandes soll das passive Brandverhalten des Daches
nachgewiesen werden.
Während die Versicherer schon frühzeitig
nach Erscheinen der Norm die nach DIN 18234
errichteten Dächer positiv bewerteten und in
der Höhe der Versicherungsprämie berücksichtigten, war und ist auch heute der Weg im Baurecht noch nicht abgeschlossen.
Die Aufnahme der DIN 18234 als ein Regeldachaufbau in der im März 2000 veröffentlichten MindBauRl war ein erster Schritt der baulichen Anwendung dieser Norm. In der MindBauRl heißt es unter Punkt 5.11.1:
Bedachungen von Brandabschnitten oder
Brandbekämpfungsabschnitten mit einer
Grundfläche von mehr als 2.500 m2 sind so
auszubilden, dass eine Brandausbreitung
innerhalb eines Brandabschnitts oder eines
Brandbekämpfungsabschnitts über das Dach
behindert wird. Dies gilt z. B. als erfüllt bei
Dächern
• nach DIN 18234-1 einschließlich Beiblatt 1
oder
• mit tragender Dachschale aus mineralischen
Baustoffen (Beton oder Porenbeton) oder
• mit Bedachungen aus nicht brennbaren Baustoffen.
Durch die MindBauRl gehören Dächer nach
DIN 18234 seitdem auch baurechtlich zu den
auch ohne Einzelnachweis freigegebenen Dachaufbauten von Industriegebäuden.
Die komplett überarbeitete und im September 2003 neu herausgebrachte Normenreihe der
DIN 18234 besteht heute aus vier Teilen. Im
Teil 1 der DIN werden im Wesentlichen der
Anwendungsbereich der Normenreihe, die verwendeten Begriffe, Anforderungen und die notwendigen Prüfungen aufgeführt, die auf die geschlossene Dachfläche anzuwenden sind. Für
die in solchen Dächern enthaltenen Durchdringungen sind die Grundlagen und Prüfungen im
Teil 3 dieser Norm aufgeführt. In den Teilen 2
und 4 werden Lösungen für die Materialauswahl
und die konstruktive Ausführung, die die Anforderungen aus dieser Norm erfüllen und deshalb
ohne weitere Überprüfung verwendet werden
können, dargestellt.
Ein in der Praxis oft vernachlässigtes Detail
sind die Verbindungselemente der Stahltrapezprofile an den Längsrändern untereinander. Hier
verwenden die Monteure gelegentlich Niete aus
dem Fahrzeugbau. Wenn deren Schmelzpunkt
29
Dokumentation 588
kleiner als 1.000 ºC ist, wird das Dach im Brandfall an diesen Stellen aufreißen und damit versagen. Hier ist also eine besondere Kontrolle
gefragt.
Allgemein jedoch gilt: Dächer, die die in
der DIN 18234 beschriebenen Anforderungen
erfüllen, können das Brandschutzniveau ohne
klassifizierbare Feuerwiderstandsdauer erheblich verbessern. Ein Brand im Innenraum wird
das Dach entweder nicht mehr oder nur noch
so verzögert beteiligen können, dass eine rechtzeitig alarmierte und eintreffende Feuerwehr
realistische Chancen hat, den Brand noch auf
einer kleinen Fläche beschränkt vorzufinden
und bekämpfen zu können.
3.5 Stahltrapezprofile
Oberflächenveredelte Stahltrapezprofile
und Kassetten sind im Regelfall nach DIN 4102
einzeln betrachtet in die Baustoffklasse A2 –
nicht brennbar – eingestuft (Abb. 3.4).
Sie finden primär als Wetterschutz ihre Anwendung. Die im Gefälle des Daches vom First
zur Traufe verlaufenden Profile liegen auf Pfetten auf, bilden den Raumabschluss und sind
gleichzeitig die Wasser abführende Schale des
Daches. Dachabdeckungen mit Stahltrapezprofilen müssen regensicher ausgeführt werden
und dürfen für Dachdeckungen nur verwendet
werden, wenn sie der DIN 18807 entsprechen.
Sie erfüllen damit die Forderung „widerstandsfähig gegen Flugfeuer und strahlende Wärme“ gemäß DIN 4102 Teil 7. Genauso werden
sie – als harte Bedachung – gemäß der Richtlinie
des Verbandes der Sachversicherer eingestuft.
Aus Sicht der Sachversicherer müssen bauliche Anlagen so beschaffen sein, dass ein
den Prämienrichtlinien entsprechender Sachschutz gewährleistet ist und dass Brandfolgeschäden auf das kleinstmögliche Maß beschränkt
sind.
Bei Gebäuden mit bis zu zwei Vollgeschossen werden im Regelfall an nicht tragende
Außenwände keine brandschutztechnischen Anforderungen gestellt.
Bei Gebäuden mit mehr als zwei Vollgeschossen sind sie aus nicht brennbaren Baustoffen in W30- bis W90-Ausführung herzustellen.
Dabei gibt es für Dach- und Wandkonstruktionen
eine Vielzahl von Ausführungen, die von den
Herstellern mit Prüfzeugnissen belegt sind.
Aber auch Warmdächer können dieser Anforderung genügen. Der Dachaufbau aus Stahltrapezprofilen mit oben liegender Wärmedämmung und Dachabdichtung muss einer der in
DIN 4102 Teil 4 aufgeführten Ausführungsmöglichkeit entsprechen.
Zweischalige Metalldachkonstruktionen bieten gegenüber anderen Dachkonstruktionen eine Reihe von Vorteilen, die sich besonders hinsichtlich des Brandschutzes zeigen. Sie gelten
als wartungsfreundlich mit einer langen Lebensdauer.
Hohe Brandschutzklassen können mit der
entsprechenden Konstruktion und besonderen
Dämmstoffen ohne weiteres erfüllt werden.
Für Baustoffe der Trapezprofile, Mineralfaser-Dämmung, Schrauben und Nieten, aus
denen zweischalige Metalldächer im Wesentlichen bestehen, gilt die Baustoffklasse A mit
der bauaufsichtlichen Bezeichnung „nicht
brennbarer Baustoff“ nach DIN 4102 Teil 1.
1. Generation
Profilhöhe ~ 70 mm
2. Generation
Profilhöhe ~ 140 mm
Abb. 3.4:
Stahltrapezprofile
30
3. Generation
Profilhöhe ~ 210 mm
Für die Dampfsperre wird die Verwendung
von Baustoffen der Baustoffklasse B1, schwer
entflammbar nach DIN 4102 Teil 1, empfohlen,
die das Brandverhalten des ansonsten nicht
brennbaren Daches nicht wesentlich beeinflussen.
Zweischalige Metalldächer sind nach DIN
4102 Teil 7 widerstandsfähig gegen Flugfeuer
und strahlende Wärme. Sie verhindern die Ausbreitung des Feuers auf dem Dach sowie die
Brandübertragung in das Innere des Gebäudes.
Zweischalige Metalldächer können so ausgebildet werden, dass sie die Anforderungen
der Feuerwiderstandsklasse R30 erfüllen.
3.6 PUR-Sandwichelemente
Wie kaum ein anderes Bauelement hat sich
das Polyurethan-Sandwichelement im Industrieund Gewerbebau seinen Platz erobert. Bei
Sandwichelementen handelt es sich um Bauelemente, bestehend aus zwei dünnen Metalldeckschichten, die über einen Dämmstoff
schubfest miteinander verbunden sind. Die
Dämmstoffkerne sind in der Regel aus Polyurethan-Hartschaum und nur bei besonderen
Anforderungen aus Mineralfaserplatten (Abb.
3.5).
Bei Sandwichelementen gibt es ein ganzes
Bündel von Eigenschaften zu bewerten, die Einfluss auf die statischen und bauphysikalischen
Funktionen und die Wirtschaftlichkeit der Sandwichkonstruktion und damit auf das ganze Bauwerk nehmen.
Diese mühevolle und zeitaufwendige Arbeit
wird Planern und Bauherren von den Herstellern
wesentlich erleichtert. Sie müssen ihr Augenmerk lediglich, dies aber sorgfältig, auf die Vorlage von Nachweisen konzentrieren, die aufeinander abgestimmt ein Höchstmaß an Sicherheit bieten.
Geprüft werden muss Folgendes:
1. Liegt eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung durch das Deutsche Institut für Bautechnik Berlin vor, und ist sie noch lange genug gültig?
In den Landesbauordnungen der Länder wird
sinngemäß gefordert: Wer Bauprodukte in
den Verkehr bringt, muss die Verwendbarkeit
durch einen Verwendbarkeitshinweis nachweisen. Im Sinne des Gesetzes sind Sandwichelemente keine geregelten Bauprodukte,
denn es liegen keine technischen Regeln zugrunde. Deshalb bedürfen Sandwichelemente
als Nachweis der Verwendbarkeit einer all-
gemeinen bauaufsichtlichen Zulassung, in
der u. a. die Werkstoffeigenschaften und Zusammensetzungen der Deckschichten, der
Kerndämmung und des Elementes als Grundlage für das Brandverhalten eindeutig festgelegt ist. Auch muss die Gültigkeit des Zulassungsbescheides über den geplanten Fertigstellungszeitraum hinaus vorhanden sein.
2. Stimmen Zulassungsbescheid und Produkt
überein?
Ganz wichtig bei der Verwendung von Sandwichelementen ist, inwieweit die Materialien
und Materialkennwerte des gelieferten Produktes mit denen im Zulassungsbericht übereinstimmen.
3. Verfügt das Sandwichelement über ein Ü-Zeichen?
Sandwichelemente sind in Deutschland zurzeit nach allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung geregelt. Sie sind Ü-Zeichen-pflichtig
und unterliegen einer regelmäßigen Fremdüberwachung, und es ist eine der wichtigsten
Aufgaben des Planers, die Sandwichelemente
auf das Vorhandensein des Ü-Zeichens zu
überprüfen. Die Kennzeichnung mit dem
Ü-Zeichen ist zwingend vorgeschrieben. Es
dokumentiert die zulassungskonforme Herstellung der Sandwichelemente in Bezug auf
die werkseigene Produktionskontrolle und
die regelmäßige Fremdüberwachung durch
ein anerkanntes, unabhängiges Institut. Stimmen alle in der bauaufsichtlichen Zulassung
geforderten Parameter mit den Prüfungen
überein, erfüllt die fremdüberwachte Stelle
das Ü-Zeichen. Damit ist das Ü-Zeichen wichtigster Indikator für gleich bleibende Qualität.
Abb. 3.5:
PUR-Sandwichelemente
31
Dokumentation 588
Voraussichtlich wird im Jahre 2005 eine
europäische Norm für Sandwichelemente, DIN
EN 14509, im Weißdruck erscheinen. Danach
dürfen Sandwichelemente zukünftig allein mit
einer Herstellererklärung auf den Markt gebracht
und mit dem CE-Zeichen gekennzeichnet werden. Eine regelmäßige unabhängige Fremdüberwachung wird nicht mehr stattfinden.
Nach DIN 4102 Teil 1 (Brandverhalten von
Baustoffen und Bauteilen), sind einzeln betrachtet der PUR-Hartschaum als normal entflammbarer Baustoff B2 und die oberflächenveredelten
Stahldeckschalen als nicht brennbarer Baustoff
A2 eingestuft.
Sandwichelemente werden überwiegend
industriell vorgefertigt. Dabei erfolgt der kraftschlüssige Verbund zwischen den Schichten
in der Regel durch Verklebungen, wodurch
die für Bauelemente erforderlichen Biege- und
Torsionssteifigkeit erreicht wird.
Gegner des Sandwichelementes begründen
ihre Ablehnung häufig mit der Verwendung von
Polyurethan-Hartschaum und dem damit zusammenhängenden vermeintlichen mangelhaften Brandschutz.
Bei näherer Betrachtung stellt sich eine solche Verurteilung jedoch als Informationsmangel
heraus.
Polyurethan-Hartschaumstoffe sind wie alle
organischen Produkte brennbar. Jedoch trägt
das PUR-Sandwichelement nicht zur Aufrechterhaltung eines Brandes bei, weil der Schaumstoff nur in der Flamme brennt. Bei Wegnahme
der Zündquelle ist der Schaumstoff selbstverlöschend. Er brennt nicht außerhalb der Flamme.
Das PUR-Sandwichelement kann somit auch
nicht zur Weiterleitung eines Brandes beitragen,
weil der Polyurethan-Hartschaumstoff nur im
unmittelbaren Bereich des Brandherdes brennen
kann, und trägt weder zu einer nennenswerten
Erhöhung der im Gebäude vorhandenen Brandlast noch zu einer Brandausweitung durch so
genannte Kaminwirkung bei. Dämmstoffe „für
sich allein geprüft“ sind nicht feuerwiderstandsfähig gemäß DIN 4102. Der Feuerwiderstand
wird aber nicht am einzelnen Baustoff, sondern
an der Gesamtkonstruktion ermittelt, mit allen
Schichten und Schalungen. Je nach Konstruktion können sich dabei sehr feuerwiderstandsfähige Bauteile ergeben.
Weitere günstige Eigenschaften des Elementes sind, dass es nicht schmilzt und nicht abtropft. Dadurch besteht keine Gefahr, dass sich
ein neuer Brandherd bilden kann.
Darum wird das gesamte Stahl-PUR-Sandwichelement klassifiziert als „schwer entflammbar“, also Baustoffklasse B1.
32
Insbesondere als Wandelemente und nicht
tragende Außenwandelemente können Sandwichelemente die Feuerwiderstandsklassen nach
DIN 4102 erreichen.
Sandwichelemente mit Deckschichten aus
Stahlblech und einem Kern aus PUR-Hartschaum
ohne Luftschicht können in die Baustoffklasse
DIN 4102-B1 „schwer entflammbar“ eingestuft
werden.
Im Zuge eines Forschungsvorhabens zur
Untersuchung des Brandverhaltens, das vom
Bundesministerium für Forschung und Technologie gefördert und von den Versicherern und
der Industrie kritisch beobachtet wurde, fand
ein Großbrandversuch in einem neu errichteten
Laborgebäude für die Forschungs- und Materialprüfanstalt Baden-Württemberg statt. Dabei wurden u. a. Sandwichelemente mit Deckschichten
aus 1 mm dickem, mit Acrylharzlack beschichtetem Stahlblech und einem Kern aus PUR-Hartschaum ohne Luftschicht als Fassadensystem
geprüft.
Nach dem Brand wurde das Brandverhalten
des Fassadensystems als überraschend gut gewertet, weil ein Durchbrand nur im Fugenbereich erfolgte und ansonsten nur im Bereich
des direkten Feuerangriffs Verbrennungen der
Blechbeschichtung sowie eine Verkohlung des
Kerns aus PUR-Hartschaum auftraten. Das System trug also weder zur horizontalen noch zur
vertikalen Brandausbreitung bei.
Erwähnt werden muss jedoch, dass während
des Brandversuchs die Rauchentwicklung nicht
unerheblich war.
Als Dachbauteile können Sandwichelemente in der Regel keine Feuerwiderstandsklasse nach DIN 4102 erreichen. Insgesamt sind
Sandwichelemente im Dach beim Entstehungsbrand jedoch kaum am Brandgeschehen beteiligt.
Das ganze nachweislich defensive Verhalten im Brandfall wird selbst von den Sachversicherungen bezüglich der Feuerversicherung
anerkannt. Die Sachversicherer stufen Gebäude,
in denen Stahl-PUR-Sandwichelemente eingesetzt sind, prämienneutral ein und erheben keine
besonderen Risikozuschläge zu den üblichen
Brandschutzprämien.
3.7 Sandwichelemente
mit Steinwolle
In den letzten fünf bis zehn Jahren wurde
das Produktprogramm der Sandwichelemente
durch die verstärkte Entwicklung attraktiver
Steinwolle-Sandwichelemente ergänzt.
den alleinigen Schutz gegen die einwirkende
Brandbeanspruchung. Bei kaum einer anderen
Konstruktion wird der Dämmstoff ähnlich lange
und massiv beansprucht.
Selbst bei intensiver Beflammung tragen
Sandwichelemente mit Steinwollekern (Abb.
3.6) nicht zur Brandausbreitung oder Brandverstärkung bei und setzen nur geringe Rauchmengen frei. Eigenschaften, die sich auch in der Prüfung nach europäischen Standards widerspiegeln.
So sind seit 2003 Sandwichelemente am Markt,
die europaweit in die Baustoffklasse A2-s1d0
eingestuft sind. s1 und d0 sind Zusatzklassifizierungen und dokumentieren das Rauchverhalten
bzw. das Abtropfverhalten bei Beflammung.
Nicht brennbare Sandwichelemente sind
überall dort sinnvoll, wo mit traditionellen PURSandwichelementen nicht mehr gearbeitet werden kann.
Abb. 3.6: Sandwichelement mit Steinwolle
Steinwolle hat sich bereits vorher im Brand-,
Wärme- und Schallschutz bewährt. Sie ist flexibel und wird in allen erdenklichen Formen auf
den Markt gebracht.
Ausgenutzt wird in fast allen Anwendungsgebieten die hohe thermische Belastbarkeit
der Steinfaser, die aus vulkanischen Gesteinen
gewonnen wird und einen Schmelzpunkt von
über 1.000 °C hat.
Im Verbund mit feuerbeständigen Stahlblechen bilden diese Sandwichelemente mit einem
Steinwollekern eine gute Basis stabiler, feuerhemmender und feuerbeständiger Konstruktionen. Über einen Zeitraum von zum Teil mehr
als 90 Minuten übernimmt die Steinwolle fast
Typische Anwendungsbeispiele kommen z. B.
aus folgenden Bereichen:
• Kühlhausbau mit Brandschutzzonen
• Innensanierung bestehender Hallen mit Brandschutzanforderungen
• Wände mit zu geringem Abstand zu Grundstücksgrenzen (< 5 m Abstand)
• Trennwände nach Verkaufsstättenverordnung
• Brandwände nach der neuen MIndBauRl
• Bauteile, die den Anforderungen der Prämienrichtlinien von Versicherungsgesellschaften
entsprechen müssen
• Flughafengebäude
Sandwichelemente mit Steinwollekern und
Sandwichelemente mit PUR-Kern lassen sich
bei Bedarf auch kombinieren und gewährleisten
dadurch eine funktionelle und optisch ausgereifte Fassadengestaltung.
33
Dokumentation 588
4 Energieeinsparung und Wärmeschutz im Stahlleichtbau
Dr.-Ing. Markus Kuhnhenne
4.1 Einleitung
Die Energieeinsparverordnung 2007 (EnEV
2007) [1] ersetzt seit 01.10.2007 die Energieeinsparverordnung 2002 (EnEV 2002) [2]. Die
EnEV 2007 ist ein Element in der Klimaschutzpolitik der Bundesregierung, um den Energiebedarf von Gebäuden und damit die Kohlendioxidemissionen zu senken.
Der Energiebedarf wird durch verschiedene
Faktoren, wie z. B. Dämmstandard, Art der
Lüftung, Verluste bei der Wärmeerzeugung, Beleuchtungskonzept und Kühlsystem, beeinflusst.
In der EnEV 2007 wird versucht, sämtliche Einflussgrößen auf den Energiebedarf umfassend
zu berücksichtigen, was an der Komplexität
des Berechnungsverfahrens zu erkennen ist.
Mit der Einführung der EnEV 2002 sind die
Anforderungen an den Wärmeschutz von Gebäuden deutlich verschärft worden. Dadurch
gewinnt der Einfluss von Wärmebrücken so an
Bedeutung, dass er beim Nachweis des energieeinsparenden Wärmeschutzes berücksichtigt
werden muss.
Die europäische Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden [3] wird mit der
Einführung der Energieeinsparverordnung 2007
in nationales Recht umgesetzt. Bei dem Nachweis des energieeinsparenden Bauens nach
EnEV 2007 wird erstmals der Energieaufwand
zur Kühlung und Beleuchtung von Gebäuden
berücksichtigt.
4.2 Energieeinsparverordnungen
2002 und 2007
4.2.1 Allgemeines
In der EnEV 2002 wurden die Wärmeschutzverordnung 1995 (WSVO 1995) und die Heizungsanlagenverordnung zusammengeführt. Dadurch werden Gebäudehülle und Anlagentechnik in der Gesamtheit betrachtet und innerhalb
festgelegter Grenzen wird eine direkte energetische „Verrechnung“ zwischen bauphysikalischen und anlagentechnischen Maßnahmen zugelassen. Die Einflüsse der Gebäudegeometrie,
der verwendeten Bauteile, der Anlagentechnik
und des Energieträgers auf den Heizenergiebedarf werden energetisch bewertet. Die berechneten Werte für den Heizenergiebedarf des
34
Gebäudes und den Wärmeverlust über die Gebäudehülle dürfen die jeweiligen Höchstwerte
nach EnEV 2002 nicht überschreiten. Die Anforderungen der EnEV 2002 an den maximalen
Energieeinsatz zur Beheizung und Trinkwassererwärmung in Gebäuden gelten für zu errichtende Gebäude ab 01.02.2002.
Die Europäische Richtlinie „Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden“ (EPBD) [3], die am
04.01.2003 in Kraft getreten ist, muss in den
Mitgliedsstaaten der Europäischen Union in
nationales Recht umgesetzt werden. In Deutschland ist dies mit der Einführung der Energieeinsparverordnung 2007 erfolgt.
Für Wohngebäude bleibt das oben beschriebene Verfahren der EnEV 2002 auch mit Einführung der EnEV 2007 weiterhin gültig. Bei Nichtwohngebäuden besitzt der Energiebedarf für
Beleuchtung und Kühlung einen erheblichen
Anteil am Primärenergiebedarf. Das Konzept
der EnEV 2007 sieht daher vor, den Primärenergiebedarf für Nichtwohngebäude unter
Einbeziehung dieser Beiträge zu begrenzen. Für
die Bestimmung der zulässigen Höchstwerte des
Jahres-Primärenergiebedarfs wurde ein neuer
Ansatz gewählt. In § 4 der EnEV 2007 heißt es:
„Zu errichtende Nichtwohngebäude sind so
auszuführen, dass der Jahres-Primärenergiebedarf für Heizung, Warmwasserbereitung, Lüftung, Kühlung und eingebaute Beleuchtung den
Wert des Jahres-Primärenergiebedarfs eines
Referenzgebäudes gleicher Geometrie, Nettogrundfläche, Ausrichtung und Nutzung einschließlich der Anordnung der Nutzungseinheiten mit der in Anlage 2 Tabelle 1 angegebenen
technischen Ausführung nicht überschreitet.“
Dieses sogenannte Referenzgebäudeverfahren verlangt eine zweite Berechnung des zu
errichtenden Gebäudes, bei der für alle Elemente der Gebäudehülle (z. B. Transmissionswärmetransfer, Verglasung, Sonnenschutz) sowie der Anlagentechnik (z. B. Heizung, RLT,
Beleuchtung) Referenzausführungen bzw. Sollwerte in Anlage 2 Tabelle 1 der EnEV 2007 vorgegeben werden. Für die Berechnung des Primärenergiebedarfs für Nichtwohngebäude ist
das neue Verfahren nach DIN V 18599 zu verwenden.
An bestehende Wohn- und Nichtwohngebäude nach Abschnitt 3 der EnEV 2007 werden
gesonderte Anforderungen gestellt, auf die an
dieser Stelle nicht näher eingegangen wird.
Energieeinsparung und Wärmeschutz im Stahlleichtbau
Heizwärmebedarf nach WSVO 1995
Heizenergiebedarf nach EnEV 2002
Q h,cal =
QT
QV
Qs
Qi
Q P,Heiz,cal = Qh + Qw + Qt – Qr ≤ QP,Heiz,max
Qh
Heizwärmebedarf
Qw
Wärmebedarf für Warmwasserbereitung
Qt
Wärmeverluste der Anlagentechnik
Qr
Wärmebeitrag durch regenerative Systeme
QT + QV – Qs – Q i ≤ Q h,max
Transmissionswärmeverluste
Lüftungswärmeverluste
Solare Wärmegewinne
Interne Wärmegewinne
Primärenergiebedarf nach EnEV 2007
QP,cal =
QP,Heiz
QP,Lüft
QP,WW
QP,Licht
QP,Kühl
QP,Heiz + QP,Lüft + QP,WW + QP,Licht + QP,Kühl ≤ QP,max
Primärenergiebedarf Heizung
Primärenergiebedarf Lüftung
Primärenergiebedarf Warmwasser
Primärenergiebedarf Beleuchtung
Primärenergiebedarf Kühlung
Abb. 4.1: Konzepte WSVO 1995, EnEV 2002 und EnEV 2007
4.2.2 Anforderungen an Neubauten
Mit den Anforderungen der EnEV 2002 soll
der Heizenergiebedarf von Neubauten um durchschnittlich 30 % im Verhältnis zu den Anforderungen nach WSVO 1995 gesenkt werden.
Für die energetische Bewertung von Gebäuden wurde mit der WSVO 1995 ein Verfahren
zur Berechnung des Jahres-Heizwärmebedarfs
Qh (Wärmemenge, die das Heizsystem liefert)
eingeführt. Ein wesentliches Merkmal der EnEV
2002 ist die Umstellung der Anforderungen an
Neubauten vom Jahres-Heizwärmebedarf auf
den Jahres-Heizenergiebedarf (Primärenergie,
die dem Heizsystem zugeführt wird) des Gebäudes. Der berechnete Wert darf einen zulässigen
Höchstwert nicht überschreiten, siehe Abb. 4.1.
Die EnEV 2007 erweitert die Berechnung für
Nichtwohngebäude um den Primärenergiebedarf für Beleuchtung und Kühlung.
In der Bilanzierung des Heizenergiebedarfs
nach EnEV 2002 werden die Wärmeverluste der
Heizungsanlage und der Wärmebedarf für die
Warmwasserbereitung mit in die Energiebilanz
aufgenommen. Der Heizenergiebedarf eines
Gebäudes umfasst nicht mehr nur den JahresHeizwärmebedarf, sondern er wird auf die Heizungs-, Lüftungs- und Warmwasseranlage inklusive der benötigten Hilfsenergien ausgedehnt.
Für Nichtwohngebäude galt in der EnEV
2002 eine Unterscheidung zwischen Gebäuden
mit normalen Innentemperaturen (das sind nach
EnEV 2002 solche Gebäude, die mehr als vier
Monate im Jahr auf mindestens 19 °C beheizt
werden) und Gebäuden mit niedrigen Innen-
temperaturen. Bei diesen wurden lediglich die
Transmissionswärmeverluste begrenzt, da solche
Gebäude sehr unterschiedliche Nutzungsmerkmale aufweisen und somit eine pauschale Berücksichtigung der Lüftungswärmeverluste und
der internen Wärmegewinne nicht sinnvoll ist.
Nach der neuen EnEV 2007 ist eine Berechnung des Jahres-Primärenergiebedarfs für alle
Nichtwohngebäude erforderlich, sobald mindestens eine der Konditionierungen Heizung, Kühlung, Be- und Entlüftung, Befeuchtung, Beleuchtung und Trinkwarmwasserversorgung gegeben
ist. Das heißt, die vereinfachten Berechnungen
für niedrig temperierte Gebäude fallen weg, stattdessen sind die Randbedingungen (z. B. Innentemperatur, interne Wärmequellen, Luftwechselzahlen) für die Berechnungen anzupassen.
Neben den Anforderungen an den Primärenergiebedarf und der Begrenzung des Transmissionswärmetransfers werden zusätzlich generell geltende Anforderungen gestellt an:
– Luftdichtheit, Mindestluftwechsel,
– Mindestwärmeschutz, Wärmebrücken,
– Anlagen der Heizungs-, Kühl- und Raumluft
technik,
– Prüfung alternativer Energieversorgungssysteme,
– Energieausweise.
Insbesondere die Anforderungen an den
Mindestwärmeschutz und die Luftdichtheit sowie die Berücksichtigung des zusätzlichen
Wärmetransfers im Bereich von Wärmebrücken
haben deutliche Auswirkungen auf die Planung und Ausführung von Dach- und Fassadensystemen.
35
Dokumentation 588
4.2.3 Grundzüge zur Berechnung des
Primärenergiebedarfs nach DIN V 18599
Die DIN V 18599 [4] stellt ein ganzheitliches
Berechnungsverfahren dar, das alle für den
bestimmungsgemäßen Betrieb eines Gebäudes
benötigten Energien einschließlich der Anlagentechnik umfasst. Sie wird von der EnEV 2007 als
Berechnungsverfahren für Nichtwohngebäude
vorgeschrieben. Die Norm besteht aus zehn
Teilen (Abb. 4.2), die in ihrer Struktur nachfolgend erläutert werden.
Teil 10 schließlich definiert Randbedingungen für 33 Nutzungsarten (Nichtwohngebäude).
Hier werden z. B. tägliche und jährliche Nutzungszeiten, Sollwerte für Temperatur und
Beleuchtung, Luftwechselzahlen und interne
Wärmelasten definiert. Für weitere Erläuterungen wird auf [5] und [6] verwiesen.
4.2.4 Anforderungen an den
Wärmeschutz
4.2.4.1 Allgemeines
Die EnEV 2007 begrenzt mit ihren Anforderungen an zu errichtende Gebäude den Transmissionswärmetransfer der Gebäudehülle. Darüber hinaus haben sich die Anforderungen an
den Mindestwärmeschutz mit der Neufassung
der DIN 4108-2 deutlich verschärft.
Abb. 4.2: Aufbau der DIN V 18599
In Teil 1 wird die Bilanzierung und Zonierung vorgestellt. Die wesentlichen Größen und
Gleichungen zur Aufstellung der Bilanzierungen
werden benannt, daher bildet dieser Teil das
Grundgerüst und auch einen Navigator für die
nachfolgenden Teile, in denen die einzelnen
Größen detailliert berechnet werden.
In den Teilen 2 bis 4 wird die Nutzenergie
für die Konditionierung (Heizen, Kühlen, Raumlufttechnik, Beleuchtung) ermittelt. Die Teile 5
bis 7 behandeln die erforderliche Anlagentechnik und deren Energieeffizienz. Teil 8 befasst
sich mit dem Energiebedarf für die Warmwasserbereitung.
Von erheblicher Bedeutung für die primärenergetische Bewertung kann die gekoppelte
Erzeugung von Wärme, Strom und gegebenenfalls auch Kälte sein, daher ist unter dem Schlagwort BHKW (Blockheizkraftwerk) für diese Techniken eigens der Teil 9 der Norm entwickelt
worden.
36
4.2.4.2 Bestimmung der Transmissionswärmetransferkoeffizienten
Durch die Berücksichtigung des Kühlenergiebedarfs in der EnEV 2007 wird eine Änderung
der Begriffe notwendig, da es vom jeweiligen
Betriebsfall „Heizen“ oder „Kühlen“ abhängt,
ob ein Wärmestrom erwünscht ist oder nicht.
Daher wird nun neutral vom „Wärmetransfer“
anstelle von Gewinnen oder Verlusten gesprochen, wird Wärme aus dem Raum abgeführt,
liegt eine „Wärmesenke“ vor, bei „Wärmequellen“ wird dem Raum Energie zugeführt.
Seit Einführung der EnEV 2002 ist der
Wärmetransfer im thermischen Einflussbereich
von Wärmebrücken bei der Bestimmung des
Transmissionswärmetransferkoeffizienten
zu
berücksichtigen. Die Berechnung darf vereinfacht erfolgen nach:
HT = ∑Ui · Ai + HWB
[W/K ]
i
Dabei ist:
Ui
Wärmedurchgangskoeffizient
des Bauteils i [W/(m2 · K)]
Ai
Wärmeübertragende Fläche
des Bauteils i [m2]
HWB Wärmebrückenzuschlag [W/K ]
Für die Berechnung von HT ist die Kenntnis
aller Wärmedurchgangskoeffizienten Ui der Einzelbauteile notwendig. Die Bestimmung dieser
U-Werte erfolgt für nicht transparente Bauteile
in der Regel nach der europäischen Norm DIN
EN ISO 6946 [7]. Diese gilt jedoch nicht bei
wärmedämmenden Schichten, die von einer
metallischen Schicht durchdrungen sind.
Die Bestimmung der Wärmedurchgangskoeffizienten U von Dach- und Wandsystemen
des Stahlleichtbaus wird in Kapitel 4.3.2 näher
erläutert.
Die EnEV 2007 fordert, „dass der Einfluss
konstruktiver Wärmebrücken auf den JahresHeizwärmebedarf“ so gering wie möglich gehalten werden soll. Der verbleibende Einfluss der
Wärmebrücken auf den Transmissionswärmetransfer wird berücksichtigt durch den Wärmebrückenzuschlag HWB, der berechnet wird nach:
HWB = ΔUWB · A = ∑Ψj · Lj
[W/K ]
Mindestwärmeschutznachweis im Bereich von
Wärmebrücken zu führen. Dazu muss der dimensionslose Temperaturfaktor fRsi berechnet werden nach:
θ –θ
fRsi = –––si–––––––e–
θi – θe
[–]
Dabei ist:
θsi Minimale raumseitige
Oberflächentemperatur [°C]
θi Innenlufttemperatur [°C]
θe Außenlufttemperatur [°C]
i
ΔUWB Pauschaler Wärmebrückenzuschlag
[W/(m2 · K)]
A
Gesamte wärmeübertragende Fläche [m2]
Ψj
Längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient der Wärmebrücke j
[W/(m·K)]
Lj
Länge der Wärmebrücke j [m]
Die pauschale Erhöhung der U-Werte aller
Außenbauteile erfolgt nach EnEV 2007 um
ΔUWB = 0,10 W/(m2 · K) bzw. ΔUWB = 0,05 W/
(m2 · K). Normativ gleichwertig ist die Berechnung des Wärmetransfers im Bereich der Wärmebrücken mit Hilfe der längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ, siehe Kapitel 4.3.4.
4.2.4.3 Mindestwärmeschutz
Nach EnEV 2007 müssen die Anforderungen
an den Mindestwärmeschutz nach DIN 4108-2
[8] eingehalten werden.
Die Mindestanforderungen an den Wärmeschutz im Sommer sollen eine Überhitzung von
Aufenthaltsräumen vermeiden, so dass in der
Regel auf Anlagentechnik zur Kühlung der Gebäude verzichtet werden kann. Werden dennoch
kältetechnische Anlagen eingesetzt, ist bei Wohngebäuden eine pauschale Erhöhung des Primärenergiebedarfs vorzunehmen. Bei Nichtwohngebäuden ist die detaillierte Berechnung nach
DIN V 18599 durchzuführen.
Der Mindestwärmeschutz im Winter umfasst
per Definition „Maßnahmen, die an jeder Stelle
der Innenoberfläche der Systemgrenze bei ausreichender Beheizung und Lüftung unter Zugrundelegung üblicher Nutzung ein hygienisches
Raumklima sicherstellen, so dass Tauwasserund Schimmelpilzfreiheit an Innenoberflächen
im Ganzen und in Ecken gegeben ist“.
Die Norm stellt hierzu Mindestanforderungen an den Wärmedurchlasswiderstand R bzw.
den Wärmedurchgangskoeffizienten U von Bauteilen der Gebäudehülle. Darüber hinaus ist der
Folgende Randbedingungen sind nach Norm
für die Berechnung der minimalen raumseitigen
Oberflächentemperatur und des Temperaturfaktors fRsi zu verwenden:
θ [°C]
Rs [(m2 ·K)/W]
Innen
20,0
0,25
Außen
– 5,0
0,04
Abb. 4.3: Randbedingungen für den Nachweis
Mindestwärmeschutz
Nach DIN 4108-2 darf im Bereich von
Wärmebrücken der Temperaturfaktor fRsi an
der ungünstigsten Stelle den Wert 0,7 nicht
unterschreiten, das heißt, bei den in Abb. 4.3
angegebenen Randbedingungen ist eine raumseitige Oberflächentemperatur von θsi ≥ 12,6 °C
einzuhalten.
4.2.4.4 Wärmebrücken
Als Wärmebrücken werden örtlich begrenzte
Stellen bezeichnet, die im Vergleich zu den
angrenzenden Bauteilbereichen einen höheren
Wärmetransfer aufweisen. Der zusätzliche
Wärmetransfer führt zu niedrigen Oberflächentemperaturen auf der Bauteilinnenseite im thermischen Einflussbereich der Wärmebrücke.
Dies kann zu Tauwasser- und Schimmelpilzbildung führen.
Man unterscheidet in der Regel zwei Arten
von Wärmebrücken. Geometrisch bedingte
Wärmebrücken treten immer dort auf, wo aufgrund der Geometrie eines Bauteiles oder Anschlusses einer bestimmten wärmeaufnehmenden Innenoberfläche eine größere wärmeabgebende Außenoberfläche gegenübersteht (z. B.
Gebäudekanten, Raumecken).
37
Dokumentation 588
Sind Materialien unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit nebeneinander angeordnet, spricht
man von einer materialbedingten Wärmebrücke
(z. B. Balkonkragplatte, Durchdringung).
Werden Werkstoffe mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit in der Gebäudehülle verwendet,
kann es zu einer Überlagerung der thermischen
Einflüsse von geometrischen und stoffbedingten
Wärmebrücken auf den Wärmestrom kommen.
Bauteile aus Stahl in der Dämmebene der
Gebäudehülle stellen aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes eine materialbedingte Wärmebrücke dar.
Grundsätzlich muss für alle Wärmebrücken
ein Nachweis des Mindestwärmeschutzes erfolgen. Außerdem muss der zusätzliche Wärmetransfer bei der Berechnung des Primärenergiebedarfs berücksichtigt werden.
4.2.5 Anforderungen an die Luftdichtheit
Bei beheizten und gut wärmegedämmten
Gebäuden erreicht der Wärmetransfer über
Undichtheiten in der Gebäudehülle einen nicht
zu vernachlässigenden Anteil.
Die EnEV 2007 fordert, „dass zu errichtende
Gebäude so auszuführen sind, dass die wärmeübertragende Umfassungsfläche einschließlich der Fugen dauerhaft luftundurchlässig entsprechend den anerkannten Regeln der Technik abgedichtet ist“.
Die Anforderung an die Dichtheit der
Gebäudehülle soll dazu beitragen, unnötigen
Wärmetransfer und Bauschäden zu vermeiden.
Die Luftdichtheitsschicht soll verhindern, dass
Bauteile mit warmer, feuchtigkeitsbeladener
Luft durchströmt werden. Leckagestellen in der
Luftdichtheitsebene können zu Tauwasserschäden in der Konstruktion führen.
Die messtechnische Prüfung der Luftdichtheit von Gebäuden wird nicht vorgeschrieben.
Bei freiwilliger Prüfung und Einhaltung bestimmter Grenzwerte der Luftdichtheit reduziert
sich allerdings der rechnerische Lüftungswärmetransfer.
Abb. 4.4: Sandwichelement, liniert
38
4.3 Wärmeschutz und Luftdichtheit
im Stahlleichtbau
4.3.1 Allgemeines
Vor dem Hintergrund der verschärften Anforderungen (mit Einführung der EnEV 2002)
sind bei der Planung und Konstruktion von
Dach- und Wandkonstruktionen im Stahlleichtbau die Aspekte Wärmeschutz und Luftdichtheit
mit erhöhter Aufmerksamkeit zu behandeln.
Die vorgefertigten flächigen Elemente der
Gebäudehüllen im Stahlleichtbau weisen im Regelbereich ein hohes Maß an Wärmeschutz und
Luftdichtheit auf. Beim Zusammenfügen dieser
Einzelelemente entstehen Fugen und Bauteilanschlüsse, die ebenfalls die Anforderungen der
EnEV erfüllen müssen.
4.3.2 Bestimmung der
Wärmedurchgangskoeffizienten U
Die Berechnung des Transmissionswärmetransfers im flächigen Regelbereich der Gebäudehülle erfolgt mit Hilfe der Wärmedurchgangskoeffizienten U der Einzelelemente. Für homogene Bauteile (siehe Abb. 4.4) kann der Wärmedurchgangskoeffizient mit dem unten beschriebenen Verfahren bestimmt werden.
Abb. 4.5 zeigt die Temperaturverteilung
von warm (rot) nach kalt (blau). Der homogene
Aufbau bei linierten Stahl-Sandwichelementen
führt zu einem streng eindimensionalen Wärmestrom. Der Bemessungswert des Wärmedurchgangskoeffizienten UBW kann für diesen einfachen Fall berechnet werden nach:
1
UBW = ––––––––––––––––––––
Rsi + ∑Ri + Rse
W
[–––––––––]
2
m ·K
i
Dabei ist:
Rsi Wärmeübergangswiderstand innen
Ri Wärmedurchlasswiderstand der
Materialschicht i
Rse Wärmeübergangswiderstand außen
Abb. 4.5: Temperaturverteilung
Richtung des Wärmestroms
Aufwärts
Horizontal
Abwärts
Innen
0,10
0,13
0,17
Außen
0,04
0,04
0,04
Abb. 4.6: Wärmeübergangswiderstand Rs [(m2 · K)/W]
Die Wärmeübergangswiderstände sind nach
DIN EN ISO 6946 zu bestimmen, siehe Tabelle
Abb. 4.6.
Der Wärmedurchlasswiderstand einer homogenen Materialschicht berechnet sich nach:
di
m2 · K
Ri = –––––
[–––––––––]
λi
W
Dabei ist:
di Dicke der Materialschicht i
λi Wärmeleitfähigkeit des Materials i
Die Bemessungswerte der Wärmeleitfähigkeit von Materialien finden sich in DIN V 4108-4
[9] und DIN EN 12524 [10].
Tabelle Abb. 4.7 zeigt beispielhaft die
Bemessungswerte der Wärmeleitfähigkeit von
einigen Materialien.
Material
Wärmeleitfähigkeit λ
[W/(m·K)]
Metalle
Stahl
50,0
Nichtrostender Stahl
17,0
Aluminium
160,0
Kupfer
380
Sonstige Materialien
Holz
0,13
Beton
2,5
PVC
0,17
Glas
1,0
Dach- und Fassadenkonstruktionen des
Stahlleichtbaus kombinieren Materialien, deren
Wärmeleitfähigkeiten sich mindestens um den
Faktor 1.000 unterscheiden. Dies hat gravierenden Einfluss auf die Berechnung der Wärmedurchgangskoeffizienten.
Mit der Einführung der DIN EN ISO 6946
steht für eine Reihe von nichttransparenten
Konstruktionen eine hinreichend genaue vereinfachte Methode zur Berechnung des U-Wertes
zur Verfügung. Im Kapitel Anwendungsbereich
der Norm wird festgelegt, dass der U-Wert von
Konstruktionen mit metallischen Bauteilen in
der Dämmebene nicht mit dem vereinfachten
Verfahren bestimmt werden darf.
Für diese Konstruktionen muss die Bestimmung des Bemessungswertes des Wärmedurchgangskoeffizienten UBW mit Hilfe von numerischen Methoden nach DIN EN ISO 10211-1 [11]
oder experimentellen Methoden, z. B. nach DIN
EN ISO 8990 [12], erfolgen.
Abb. 4.8 zeigt beispielhaft die Wärmebrückenwirkung eines Z-Distanzprofils in der
Dämmebene einer Dachkonstruktion als Ergebnis einer zweidimensionalen numerischen Berechnung.
Nach EnEV 2007 sind die Auswirkungen
der im flächigen Bereich der Gebäudehülle
regelmäßig vorkommenden wärmetechnischen
Schwachstellen, z.B. Fugen zwischen Sandwichelementen, Stege von Kassettenwänden oder
metallischen Befestigungselementen, bei der Bestimmung der Wärmedurchgangskoeffizienten
zu berücksichtigen.
Im Folgenden werden die für Sandwich- und
zweischalige Konstruktionen des Stahlleichtbaus entwickelten vereinfachten Verfahren zur
Bestimmung des U-Wertes beschrieben.
4.3.2.1 Sandwichkonstruktionen
Gebäude können mit Hilfe von Sandwichkonstruktionen praktisch wärmebrückenfrei
konstruiert werden. Dabei muss den Fugen zwi-
Wärmedämmung
Polyurethan-Hartschaum
0,025
Mineralwolle
0,045
Abb. 4.7: Wärmeleitfähigkeit λ [W/(m· K)]
Abb. 4.8: Dämmebene mit Z-Profil
39
Dokumentation 588
schen Sandwichelementen sowie den Bauteilanschlüssen besondere Beachtung bei der Planung und Ausführung der Wärmeschutzmaßnahmen geschenkt werden.
Der Wärmedurchgangskoeffizient von StahlSandwichkonstruktionen kann nach DIN EN
14509 [13] bestimmt werden. Dabei werden
die erhöhten Wärmeströme im thermischen Einflussbereich der Fugen zwischen den Sandwichelementen mit Hilfe von längenbezogenen Wärmedurchgangsbeiwerten bestimmt.
Folgende Fugentypen werden nach DIN EN
14509 unterschieden:
Der Bemessungswert des Wärmedurchgangskoeffizienten UBW berechnet sich nach
DIN EN 14509 mit:
1
f Fuge
UBW = –––––––––––––––– · 1 + –––––––
Rsi + R + Rse
B
(
)
W
[–––––––––]
m2 · K
Dabei ist:
Rsi Wärmeübergangswiderstand innen
nach DIN EN ISO 6946
R Wärmedurchlasswiderstand
nach DIN EN 14509
Rse Wärmeübergangswiderstand außen
nach DIN EN ISO 6946
B Breite Sandwichelement
Abb. 4.9
(links): Typ 1
Abb. 4.10
(rechts): Typ 2
Abb. 4.11
(links): Typ 3
Abb. 4.12
(rechts): Typ 4
Abb. 4.13:
Typ 5
Der längenbezogene Wärmedurchgangsbeiwert f Fuge wird mit den Angaben in Tabelle
Abb. 4.14 bestimmt.
Abb. 4.14:
Längenbezogener Wärmedurchgangsbeiwert f Fuge
40
f Fuge
Dicke
[mm]
Typ 1
60
Typ 2
Typ 3
Typ 4
Typ 5
1,156
0,16
0,04
0,02
0,08
1,389
0,10
0,04
0,02
0,03
0,06
1,719
0,06
0,04
0,01
160
0,03
0,05
1,948
0,05
0,04
0,01
200
0,03
0,04
2,106
0,04
0,03
0,01
Ohne Clip
Mit Clip
0,04
0,14
80
0,04
120
Der längenbezogene Wärmedurchgangsbeiwert für Typ 2 wird berechnet nach:
a – bc
bc
fFuge = fFuge,oc · ––––––––
+ fFuge,c · ––––
a
a
[–]
Dabei ist:
fFuge,oc Längenbezogener Wärmedurchgangsbeiwert im Bereich ohne Clip
fFuge,c Längenbezogener Wärmedurchgangsbeiwert im Bereich mit Clip
a
Abstand der Clips
bc
Breite der Clips
Für Dicken abweichend von Abb. 4.14 darf
zwischen den angegebenen Werten interpoliert
werden.
Neben dem angegebenen vereinfachten Verfahren nach DIN EN 14509 darf der Wärmetransfer im thermischen Einflussbereich der
Fuge zwischen Sandwichelementen mit genauen numerischen Verfahren nach DIN EN
ISO 10211-1 bestimmt werden.
4.3.2.2 Zweischalige Dach- und
Wandkonstruktionen
Im Rahmen von mehreren Forschungsprojekten wurde ein vereinfachtes Verfahren
entwickelt, mit dem der Bemessungswert des
Wärmedurchgangskoeffizienten UBW von mehrschaligen wärmegedämmten Dach- und Wandkonstruktionen näherungsweise ermittelt werden kann.
In Abb. 4.15 sind beispielhaft zweischalige
Konstruktionen aufgeführt, für die das Verfahren angewendet werden darf.
Bei derartigen Konstruktionen sind im flächigen Regelbereich wärmetechnische Schwachstellen vorhanden, die bei der Ermittlung des
Transmissionswärmetransfers berücksichtigt
werden müssen. Das Berechnungsverfahren teilt
den Gesamtwärmestrom in einzelne Teilwärmeströme auf, die mit Hilfe von Diagrammen berechnet werden können. Dabei gehen als Parameter die Bauteilabmessungen und die Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten Materialien ein.
Für die verschiedenen Konstruktionsarten
wurde jeweils ein Arbeitsblatt erstellt, das die
zu Nomogrammen zusammengefassten Diagramme enthält. Ein Arbeitsblatt dokumentiert
die Berechnung des Bemessungswertes UBW für
eine Konstruktion und kann dem Nachweis des
energiesparenden Wärmeschutzes beigefügt werden. Die Nomogramme sind in einer Schrift des
Industrieverbandes für Bausysteme im Metallleichtbau (IFBS) zusammengefasst [14].
Als Alternative kann auf den Internetseiten
des IFBS ein Programm heruntergeladen werden,
mit dem der Bemessungswert des Wärmedurchgangskoeffizienten UBW von zweischaligen Dachund Wandkonstruktionen bestimmt werden
kann.
4.3.2.3 Sonstige Dach- und
Wandkonstruktionen
Die Wärmedurchgangskoeffizienten von
sonstigen Konstruktionen des Stahlleichtbaus
mit metallischen Elementen in der Dämmebene
der Gebäudehülle müssen mit Hilfe von numerischen oder experimentellen Untersuchungen
ermittelt werden. Die Anwendung der vereinfachten Verfahren ist auf die beschriebenen
Konstruktionsarten beschränkt.
4.3.2.4 Einfluss von mechanischen
Befestigungselementen
Nach DIN EN ISO 6946 sind die berechneten
Wärmedurchgangskoeffizienten U gegebenenfalls zu korrigieren, um beispielsweise den
thermischen Einfluss von mechanischen Befestigungselementen auf den Wärmetransfer von
Bauteilflächen zu berücksichtigen. Die Korrektur für mechanische Befestigungselemente, die
die Dämmschicht durchdringen, muss nicht vorgenommen werden, wenn
– die Gesamtkorrektur weniger als 3 % vom
U-Wert beträgt,
– die Wärmeleitfähigkeit des Befestigungsteils
oder eines Teils davon geringer als 1W/(m·K) ist.
Die Bestimmung von Korrekturwerten für
metallische Befestigungselemente erfolgt mit
genauen dreidimensionalen numerischen Berechnungsverfahren nach DIN EN ISO 10211-1.
Abb. 4.15:
Zweischalige
Dach- und Wandkonstruktionen
[14]
41
Dokumentation 588
4.3.3 Mindestwärmeschutz
Abb. 4.16:
Temperaturverteilung
im Bereich
„Außenecke“
42
Die Anforderungen an den Mindestwärmeschutz von Gebäuden haben sich mit der Einführung der neuen DIN 4108 Teil 2 deutlich
verschärft. Das bedeutet, für Konstruktionen
mit Bauteilen aus Stahl in der Dämmebene der
Gebäudehülle muss in der Regel ein gesonderter
Nachweis des Mindestwärmeschutzes erfolgen,
um eine mögliche Tauwasser- und Schimmelpilzbildung zu vermeiden. Dazu muss nachgewiesen werden, dass bei den in der DIN 4108-2
angegebenen Randbedingungen eine raumseitige
Oberflächentemperatur von θsi ≥ 12,6 °C eingehalten wird. Dieser Nachweis erfolgt mit
Hilfe von numerischen Berechnungsverfahren
oder mit geeigneten Hilfsmitteln (z. B. Wärmebrückenkatalog).
Nach heutigem Stand der Technik müsste
bei dem Nachweis zur Vermeidung von Schimmelpilzbildung zwischen saugfähigen und nicht
saugfähigen Oberflächen unterschieden werden
[15]. Diese Differenzierung wird in der DIN
4108-2:2003-07 jedoch nicht vorgenommen.
Bei einer nicht saugfähigen Oberfläche, z.B.
aus Stahl oder Aluminium, entsteht erst mit der
Tauwasserbildung eine Schimmelpilzgefahr [15].
Somit wäre bei einer Innenlufttemperatur θi =
20 °C und einer relativen inneren Luftfeuchte
von ϕi = 50 % eine minimale raumseitige Oberflächentemperatur von 9,3 °C ausreichend. Für
saugfähige Oberflächen stellt der in der DIN
4108-2 angegebene Wert θsi = 12,6 °C die kritische Oberflächentemperatur dar.
Grundsätzlich ist zu beachten, dass die in
der Realität vorhandenen Umgebungsbedingungen deutlich von den Bemessungsrandbedingungen nach DIN 4108-2 (siehe Tabelle Abb. 4.3)
abweichen können. Dies ist gegebenenfalls
beim Nachweis eines ausreichenden Mindestwärmeschutzes zu berücksichtigen.
4.3.4 Wärmeschutz im Bereich
der Bauteilanschlüsse
4.3.4.1 Allgemeines
Der Transmissionswärmetransfer der Gebäudehülle wird mit Hilfe der Wärmedurchgangskoeffizienten der flächigen Elemente (siehe
Kapitel 4.3.2) berechnet. Weiterer Wärmetransfer im Bereich von Bauteilverbindungen, Öffnungen und Durchdringungen der Gebäudehülle
muss seit der Einführung der EnEV 2002 bei
der Bestimmung der Transmissionswärmetransfers berücksichtigt werden. Im Bereich dieser
Wärmebrücken muss außerdem dem Mindestwärmeschutz besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.
Abb. 4.16 zeigt die Temperaturverteilung
als Ergebnis der numerischen Berechnung der
Wärmeströme im Bereich des Bauteilanschlusses „Außenecke“ einer Sandwichkonstruktion,
siehe auch Kapitel 4.3.4.3.
Die EnEV 2007 fordert, dass der Wärmetransfer im Bereich von konstruktiven Wärmebrücken so gering wie möglich gehalten werden
soll. Der verbleibende Einfluss der Wärmebrücken auf den Transmissionswärmetransfer
wird nach EnEV 2007 durch pauschale Zuschlagswerte oder mit Hilfe von längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten ermittelt
(siehe Kapitel 4.2.4.2).
4.3.4.2 Bestimmung des längenbezogenen
Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ
Der Transmissionswärmetransfer im Bereich
der linearen Bauteilanschlüsse wird mit Hilfe
der längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ bestimmt. Am Beispiel des Anschlussdetails „Außenecke“ wird die Vorgehensweise
bei der Bestimmung des Ψ-Wertes erläutert.
Die numerische zweidimensionale Berechnung bei stationären Randbedingungen liefert
den Wärmestrom L2D. Durch die Subtraktion
der eindimensionalen Wärmeströme ∑ U · l im
Regelbereich der angrenzenden Bauteilflächen
ergibt sich der längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient Ψ, siehe Abb. 4.17. Die Längen
werden dabei mit den Außenabmessungen der
Konstruktion berechnet. Diese Vorgehensweise
ist konsistent zu der Ermittlung der Flächen
und Längen beim Wärmeschutznachweis nach
EnEV 2007.
Abb. 4.17: Berechnung des längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ
Der längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient Ψ muss für die am Gebäude vorkommenden linearen Bauteilanschlüsse bestimmt
werden. Er hängt stark von den Abmessungen
und Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten
Materialien ab.
Im Bereich des von der warmen zur
kalten Seite durchgehenden Innenbleches mit
t = 0,5 mm wird die Wärme nach außen geleitet,
und die Isothermen werden gespreizt. Aus der
numerischen Berechnung ergibt sich der längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient zu
Ψ = 0,030 W/(m · K).
4.3.4.3 Beispiel Außenecke
Anhand des Bauteilanschlusses „Außenecke“
soll die Auswirkung von Stahlelementen in der
Dämmebene auf den längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten Ψ aufgezeigt werden.
Abb. 4.18 zeigt die Sandwichkonstruktion und
Abb. 4.19 die Temperaturverteilung als Ergebnis der zweidimensionalen numerischen Berechnung.
Nach [16] können Ψ-Werte wie folgt beurteilt werden:
Abb. 4.18: Außenecke mit durchgehendem Innenblech
Klasseneinteilung der linearen Wärmebrückeneffekte
mit Hilfe von berechneten Ψ-Werten
C1
Ψ < 0,10
Vernachlässigbar
C2
C3
0,10 ≤ Ψ < 0,25 0,25 ≤ Ψ < 0,50
Gering
Bedeutend
C4
Ψ ≥ 0,50
Sehr
bedeutend
Abb. 4.19: Temperaturverteilung
43
Dokumentation 588
Das bedeutet, der Wärmebrückeneffekt
infolge des durchgehenden Innenbleches kann
in diesem Fall in Klasse C1 eingestuft werden.
Niedrige Ψ-Werte sind allein kein Maß für
die wärmetechnische Qualität der Gebäudehülle.
Vielmehr müssen neben dem Mindestwärmeschutz die Auswirkungen der längenbezogenen
Wärmedurchgangskoeffizienten auf den gesamten Transmissionswärmetransfer des jeweiligen
Gebäudes beurteilt werden.
4.3.4.4 Auswirkungen von linearen
Wärmebrücken auf den
Transmissionswärmetransfer
Im Folgenden wird der Transmissionswärmetransfer einer beheizten Halle in vereinfachter Form berechnet. Abb. 4.20 zeigt beispielhaft die linearen Wärmebrücken mit den
zugehörigen längenbezogenen Wärmedurchgangskoeffizienten.
Multipliziert man die Längen L mit den
Werten Ψ, berechnet sich der Wärmetransfer
der linearen Wärmebrücken zu ∑ Ψ · L = 55 W/K.
Das entspricht etwa dem Wärmetransfer von
180 m2 Außenwandfläche mit einem U-Wert
von 0,30 W/(m2 · K).
Die Flächen und U-Werte für die Berechnungen des Wärmetransfers der Bauteilflächen
zeigt Abb. 4.21.
Multipliziert man die Flächen A mit den
U-Werten, berechnet sich der Transmissionswärmetransfer der Bauteilflächen zu ∑ U · A =
1.020 W/K. Somit beträgt der Anteil der Wärmebrücken in diesem Fall ca. 5 % am gesamten
Transmissionswärmetransfer.
4.3.4.5 Thermografiemessungen
Eine Möglichkeit, die wärmetechnische
Qualität von Gebäudehüllen zu untersuchen,
sind Thermografieaufnahmen mit einer Infrarotkamera. Abb. 4.22 bis Abb. 4.25 zeigen beispielhaft Foto- und Thermografieaufnahmen
einer Durchdringung und die Raumecke einer
Halle.
Thermografiemessungen sind komplexe
Untersuchungen, die auch unter idealen Randbedingungen ein hohes Maß an Erfahrung und
Kompetenz erfordern, um die Messergebnisse
richtig interpretieren zu können.
Bei Thermografieaufnahmen wird die
Wärmeabstrahlung von Oberflächen gemessen.
Diese ist abhängig von der Temperatur und
Gebäude
Breite b = 20 m
Länge l = 40 m
Höhe h = 6 m
Detail
Bauteilanschluss
L [m]
Ψ [W/(m·K)]
A
First
40
0,004
B
Traufe
80
0,205
C
Ortgang
40
0,091
E
Sockel
120
0,126
F
Außenecke
24
0,030
G1
Fenster oben
80
0,071
G2
Tür oben
2
0,387
H1
Fenster unten
80
0,066
I1
Tür seitlich
8
0,364
I2
Fenster seitlich
4
0,076
J
Tor oben
4
0,289
K
Tor seitlich
8
0,292
2 Türen: 1 m · 2 m
1 Tor: 4 m · 4 m
2 Fensterbänder: 40 m · 1 m
Abb. 4.20: Transmissionswärmetransfer über Bauteilanschlüsse
44
Längenbezogener
Wärmedurchgangskoeffizient
Lineare
Wärmebrücke
Bauteil
Fläche A
[m 2 ]
U-Wert
[W/(m 2 · K)]
U·A
[W/K]
Wand
620
0,30
186
Tor
16
2,0
32
Türen
4
2,0
8
Fenster
80
2,0
160
Dach
720
0,38
274
Lichtkuppeln
80
2,0
160
Boden
800
0,25
200
Abb. 4.21: Transmissionswärmetransfer über Bauteilflächen
Abb. 4.22 (links):
Durchdringung
Abb. 4.23
(rechts):
Thermografie
außen
Abb. 4.24 (links):
Raumecke
Abb. 4.25
(rechts):
Thermografie
innen
dem Emissionsgrad der Oberfläche. Materialien
können sehr unterschiedliche Emissionsgrade
besitzen, siehe Tabelle Abb. 4.26.
Bei Messungen von metallischen Oberflächen
neben Oberflächen mit hohem Emissionsgrad
müssen die Thermografieaufnahmen bereichsweise korrigiert werden, um eine quantitative
Aussage über die tatsächlich vorhandene Temperatur machen zu können. Darüber hinaus
können im Thermografiebild Reflexionen von
wärmeabstrahlenden Oberflächen zu sehen sein
(siehe Abb. 4.23), die eine wärmetechnische
Schwachstelle vortäuschen.
Material
Emissionsgrad
ε[–]
Holz
0,85
Gipskarton
0,90
Beton
0,92
Schwarzer Lack
0,97
Aluminiumblech, hochpoliert
0,05
Stahlblech, poliert
0,10
Stahlblech, verzinkt
0,23
Abb. 4.26:
Emissionsgrad
verschiedener
Materialien
45
Dokumentation 588
4.3.5 Luftdichtheit
4.3.5.1 Fugendichtheit im
Stahlleichtbau
Die Abdichtung von Fugen trägt dazu bei,
Dichtebenen über Element- und Bauabschnittsgrenzen fortzusetzen und die umfassende Forderung der EnEV 2002 bzw. EnEV 2007 nach
einer luftdichten Gebäudehülle zu erfüllen.
Die vom Industrieverband für Bausysteme
im Metallleichtbau (IFBS) herausgegebene Schrift
„Fugendichtheit im Stahlleichtbau“ [17] gibt
Empfehlungen, wie Gebäudehüllen im Stahlleichtbau abgedichtet werden können. Die
Schrift enthält eine Vielzahl von Konstruktionsvorschlägen für die Ausbildung von Fugen und
Bauteilanschlüssen. Abb. 4.27 und Abb. 4.28
zeigen exemplarisch Konstruktionen, bei denen
die Abdichtung von Fugen mit Dichtbändern
hergestellt wird.
Eine luftdichte Gebäudehülle bedarf einer
sorgfältigen Planung der Anschlusskonstruktionen. Vor Ort sollten gut ausgebildete Facharbeiter unter der Aufsicht einer erfahrenen
Bauleitung die möglichen Leckagestellen ab-
Abb. 4.27: Ortganganschluss [17]
46
dichten und somit die Luftdichtheitsebene
schließen. Die messtechnische Überprüfung
der Luftdichtheit kann mit dem Differenzdruckverfahren nach DIN EN 13829 [18] erfolgen.
4.3.5.2 Experimentelle Untersuchungen
der Luftdichtheit
Mit dem Differenzdruckverfahren ist es
möglich, die Luftdichtheit von Gesamtgebäuden zu bestimmen. Dabei wird im Gebäude ein
Unter- oder Überdruck erzeugt, und es wird
gleichzeitig der Volumenstrom gemessen, der
über die Gebäudehülle verloren geht. Werden
bestimmte Grenzwerte eingehalten, kann von
einem luftdichten Gebäude nach EnEV 2007
ausgegangen werden. Das bedeutet, dass sich
beim Nachweis des energiesparenden Wärmeschutzes nach EnEV 2007 der rechnerische
Lüftungswärmetransfer reduziert.
Im Rahmen von Differenzdruckmessungen
ist es möglich, Leckagestellen in der Gebäudehülle zu lokalisieren durch
– Einblasen von Nebel ins Gebäude,
– Infrarotaufnahmen im Gebäude,
– Messung der Luftgeschwindigkeit mit
Anemometern im Bereich von vermuteten
Leckagestellen,
– Wiederholungsmessungen nach einzelnen
Abdichtungsmaßnahmen.
Die letztgenannte Methode ist aufwendig,
aber durch sukzessives Abdichten und Messen
lässt sich der Beitrag jeder Undichtheitsstelle
am Volumenstrom quantifizieren.
Die Prüfung von Leckagekoeffizienten der
Einzelkomponenten (z. B. Fenster) der Gebäudehülle im Labor erfolgt nach DIN EN 12114
[19].
4.4 Zusammenfassung und Ausblick
Mit der Einführung der Energieeinsparverordnung 2002 (EnEV 2002) haben sich die
Anforderungen an den Heizenergiebedarf von
Gebäuden und an den Wärmeschutz der Gebäudehülle deutlich verschärft.
Dies hat Auswirkungen auf die wärmetechnische Bemessung und Ausführung von Dachund Fassadensystemen. Bei der Bestimmung des
Transmissionswärmetransfers über die Gebäudehülle muss erstmals der Wärmetransfer im Bereich der Wärmebrücken berücksichtigt werden, und der neu konzipierte Nachweis des
Mindestwärmeschutzes muss erfüllt werden.
Abb. 4.28: Fensteranschluss [16]
47
Dokumentation 588
Die EnEV 2002 fordert darüber hinaus eine
dauerhaft luftundurchlässige Gebäudehülle, um
unnötigen Wärmetransfer und Bauschäden zu
vermeiden.
Vor diesem Hintergrund sind bei der Planung
und Konstruktion von Dach- und Fassadensystemen des Stahlleichtbaus die Aspekte Wärmeschutz und Luftdichtheit mit erhöhter Aufmerksamkeit zu behandeln.
Die Energieeinsparverordnung 2007 (EnEV
2007) bringt hinsichtlich des Berechnungsverfahrens und der Definition der Anforderungen
(Referenzgebäudeverfahren) erhebliche Neuerungen für Nichtwohngebäude. Durch die Erweiterung der betrachteten Energieanwendungen (Beleuchtung, Kühlung) sind nun auch die
Tageslichtnutzung und die Minimierung des
Kühlbedarfs für den energieeffizienten Entwurf
von Bedeutung.
Mit Hilfe der beschriebenen Verfahren können wärmetechnisch optimierte Konstruktionen
konzipiert und bemessen werden. Bei einer
sorgfältigen Ausführung ist ein hohes Maß an
Wärmeschutz und Luftdichtheit erreichbar. Dies
kann durch Messungen verifiziert und im Rahmen der Ausstellung des Energieausweises für
das jeweilige Gebäude dokumentiert werden.
Bei der EnEV 2007 wird der Fokus auf
die Implementierung des Verfahrens der DIN V
18599 gelegt, ohne eine allgemeine Verschärfung der Anforderungen. Allerdings sind weitere
Verschärfungen der Anforderungen an den Primärenergiebedarf von Gebäuden in den kommenden Jahren geplant.
[3] Richtlinie 2002/91/EG des Europäischen
Parlaments und des Rates vom 16.12.2002 über
die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden,
Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften
Nr. L 1, S. 65
[4] DIN V 18599:2007-02, Teil 1 bis 10,
„Energetische Bewertung von Gebäuden“,
Beuth Verlag GmbH, Berlin
[5] Heizen, Kühlen, Belüften und Beleuchten –
Bilanzierungsgrundlagen zur DIN V 18599,
Fraunhofer IRB Verlag,
Autoren: David, de Boer, Erhorn et al.
[6] Bauphysik-Kalender 2007,
Schwerpunkt Gesamtenergieeffizienz, Fouad,
Nabil A. (Hrsg.)
[7] DIN EN ISO 6946:2003-10,
„Bauteile – Wärmedurchlasswiderstand und
Wärmedurchgangskoeffizient, Berechnungsverfahren“,
[8] DIN 4108-2:2003-07,
„Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden, Teil 2: Mindestanforderungen an den
Wärmeschutz“,
[9] DIN V 4108-4:2007-06,
„Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden, Teil 4: Wärme- und feuchteschutztechnische Bemessungswerte“,
4.5 Literatur
[1] Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik
bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung –
EnEV) vom 24.07.2007,
BGBl. I, S. 1519, 2007
[2] Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik
bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung –
EnEV) vom 16.11.2001,
BGBl. I, S. 3085, 2001
48
[10] DIN EN 12524:2000-07,
„Wärme- und feuchteschutztechnische Eigenschaften – Tabellierte Bemessungswerte“,
[11] DIN EN ISO 10211-1: November 1995,
„Wärmebrücken im Hochbau – Wärmeströme
und Oberflächentemperaturen, Teil 1: Allgemeine Berechnungsverfahren“,
[12] DIN EN ISO 8990:1996-09,
„Wärmeschutz – Bestimmung der Wärmedurchgangseigenschaften im stationären Zustand,
Verfahren mit dem kalibrierten und dem geregelten Heizkasten“,
[13] DIN EN 14509:2007-02,
„Selbsttragende, wärmedämmende SandwichElemente mit beidseitiger Metalldeckschicht –
Vorgefertigte Produkte, Festlegungen“,
[14] IFBS-Schrift 4.05:
„Ermittlung der Wärmeverluste an zweischaligen Dach- und Wandaufbauten“,
Dezember 2004,
Autoren: Loose, T.; Saal, H., Versuchsanstalt für
Stahl, Holz und Steine, Universität Karlsruhe
[15] Lutz, Jenisch; Klopfer, Freymuth; Krampf,
Petzold:
„Lehrbuch der Bauphysik“, 5. überarb. Auflage,
2002, Teubner Verlag, Stuttgart
[16] Eurokobra,
„Practical guide for the hygrothermal evaluation
of thermal bridges“, Mai 2003,
Autoren: Wouters, P.; Schietecat, J.; Standaert, P.
[17] IFBS-Schrift 4.02:
„Fugendichtheit im Stahlleichtbau“,
November 2004
[18] DIN EN 13829:2001-02,
„Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden –
Bestimmung der Luftdurchlässigkeit von Gebäuden, Differenzdruckverfahren“,
[19] DIN EN 12114:2000-04,
„Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden –
Luftdurchlässigkeit von Bauteilen, Laborprüfverfahren“,
49
Dokumentation 588
5 Schallschutz im Stahlleichtbau
Dr.-Ing. Ralf Podleschny
5.1 Grundlagen der Luftschalldämmung und der Schallabsorption
5.1.1 Allgemeines
Nach den Bestimmungen des Bundes-Immissionsschutzgesetzes sind die Betreiber gewerblicher und industrieller Betriebe u.a. verpflichtet,
Lärmeinwirkungen von der Nachbarschaft fern
zu halten. Bei der Beurteilung der Geräuscheinwirkung geplanter bzw. vorhandener Anlagen ist
als Grundlage die TA Lärm heranzuziehen.
Die Anforderungen an die Schallabsorption
von Industriewänden leiten sich im Allgemeinen
aus Arbeitsschutzgründen ab.
Der IFBS, Industrieverband für Bausysteme
im Stahlleichtbau e.V., hat in den Jahren 1999 bis
2002 umfangreiche Messreihen an insgesamt 44
Konstruktionen des Stahlleichtbaus durchführen
lassen. Hierunter waren Kassettenwände mit und
ohne Distanzkonstruktion, Akustik-Kassettenwände, ein- und zweischalige Dächer sowie
Akustikdächer. Mit den durchgeführten Untersuchungen wurden gezielt konstruktive Parameter verändert, um deren Einfluss auf das Schalldämmverhalten und die Schallabsorptionseigenschaften von Wand- und Dachkonstruktionen im
Stahlleichtbau zu untersuchen und deren Leistungsfähigkeit zu analysieren. Die erzielten Ergebnisse sind in einer umfangreichen IFBS-Fachinformation, IFBS 4.06, veröffentlicht worden. In
dieser Schrift sind neben den Analysen alle Messergebnisse, verbunden mit den konstruktiven
Aufbauten, zusammengefasst dargestellt.
Mit Konstruktionen des Stahlleichtbaus sind
gemäß den bislang vorliegenden Prüfungen bewertete Schalldämmmaße im Dach von bis zu
Rw = 55 dB und in der Wand von bis zu Rw =
57 dB erzielbar.
Die in diesem Beitrag vorgestellten Konstruktionen sind gebrauchsübliche Aufbauten. Sie erheben keinen Anspruch, auf ein möglichst hohes
Schalldämmmaß bzw. einen möglichst hohen
Schallabsorptionsgrad optimiert zu sein.
50
Abb. 5.1: Prüfaufbau zur Messung der Luftschalldämmung
5.1.2 Ermittlung der Luftschalldämmung
im Prüfstand (Baumusterprüfung)
Messungen zur Ermittlung der Schalldämmung (siehe Abb. 5.1) sind in der Regel in Prüfständen mit bauüblichen Nebenwegen durchgeführt worden, das heißt mit Flankenübertragungen, wie sie insbesondere in Wohnbauten auftreten. Industriehallenwände und -dächer sind
dagegen großflächige Außenbauteile, die (abgesehen von möglichen Dämmungseinbrüchen
durch ungenügende Randabdichtung an Traufen, Betonsockeln o. dgl.) kaum Flankenübertragungen aufweisen wie im Wohnungsbau. Bei der
überwiegenden Zahl der früher meist in Prüfständen mit „bauüblichen Nebenwegen“ durchgeführten Baumusterprüfungen an Industriewänden ist jedoch bei Aufbauten mit bewerteten
Bauschalldämmmaßen R’w (der Hochstrich an
der Größe R’w deutet auf eine Messung mit bauüblichen Nebenwegen hin) bis ca. 45 dB die
Flankenübertragung im Allgemeinen vernachlässigbar. Die in solchen Prüfständen gemessenen Bauschalldämmmaße können deshalb als
Schalldämmmaße R bzw. bewertete Schalldämmmaße Rw aufgefasst und weiterverwendet werden.
Zur Gesamtbewertung der frequenzabhängigen Dämmkurve wird gemäß DIN EN ISO
717-1 das bewertete Schalldämmmaß Rw durch
einen rechnerischen Vergleich mit einer normierten Bezugskurve ermittelt. Das bewertete Schalldämmmaß kann bei vereinfachter Betrachtung
wie ein mittleres Schalldämmmaß bei 500 Hz der
verschobenen Bezugskurve aufgefasst werden.
Schallschutz im Stahlleichtbau
5.1.3 Ermittlung des Schallabsorptionsgrades
im Prüfstand (Hallraum)
Der frequenzabhängige Schallabsorptionsgrad αs der auf dem Boden des Prüfraumes (Hallraum) aufgebrachten, im Allgemeinen ca. 10 m2
großen, randdicht durch eine Verbretterung oder
mit Kantprofilen eingefassten Probe (siehe
Abb. 5.2) wird ermittelt über Nachhallzeitmessungen im Hallraum, die mit und ohne Prüfling
erfolgen. Der Schallabsorptionsgrad ergibt sich
in vereinfachter Darstellung zu:
absorbierte Schallenergie
αs = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
auftreffende Schallenergie
Die Ergebnisse für den Schallabsorptionsgrad
können dann z. B. unmittelbar verwendet werden, um aus Arbeitsschutzgründen den Lärmpegel in einer Halle abzusenken. Dies kann durch
Schall absorbierende Außenbauteile, wie z. B.
Akustikprofile mit Lochung (bei Bauten mittlerer
Höhe meist nur Dächer, bei hohen Bauten auch
Wandbereiche > 2 m über Boden), geschehen.
Bei handelsüblichen Konstruktionen von
Industriehallenwänden und -dachaufbauten mit
Akustikprofilen werden mittlere Schallabsorptionsgrade von
αs = ca. 0,6 bis 0,9
nachgewiesen. αs = 1,0 würde bedeuten, dass
die Energie aller auf das Bauteil auftreffenden
Schallwellen vollständig absorbiert wird.
5.1.4 Merkmale der Schalldämmkurven von
Wänden und Dächern aus Stahl
5.1.4.1 Biegewellen/Spuranpassung
Die Luftschalldämmung einschaliger Stahlblechwände/-dächer ist wie auch die Schalldämmung anderer einschaliger Bauteile grundsätzlich
Abb. 5.2: Prüfaufbau zur Messung der Schallabsorption
(Montagezustand)
von der flächenspezifischen Masse g’ [kg/m2] abhängig und steigt mit der Frequenz f [Hz] an.
Eine Abweichung von diesem Verhalten (resonanzartiger Einbruch der Luftschalldämmung)
tritt auf, wenn das Bauteil durch eine auftreffende
Schallwelle, deren Wellenlänge mit der Biegewellenlänge der Wand übereinstimmt, angeregt
wird. Dieser Spuranpassungseffekt tritt bei Stahlblechwänden im Allgemeinen im oberen Darstellungsbereich der über der Frequenz aufgetragenen Dämmkurve auf. Die Schalldämmung
steigt oberhalb der Spuranpassungs-(Grenz-)
Frequenz fg wieder an.
5.1.4.2 Abstimmungsfrequenz
Zweischalige Wände/Dächer können näherungsweise als Masse-Feder-Masse-Systeme betrachtet werden. Die Schalen sind dabei nicht
nur über die weiche Feder (Luftschicht, Dämmschicht) verbunden, sondern auch über starre
Verbindungsbauteile (Stege, statisch erforderliche
Bauteile u. dgl.) zwangsgekoppelt. Solche zweischaligen Bauteilkonstruktionen zeichnen sich
durch eine System-Koppelschwingung (Abstimmungsfrequenz fg) aus. Die Abstimmungsfrequenz liegt bei ausgeführten Stahlblechwänden/
-dächern häufig im unteren Bereich zwischen
80 Hz und 125 Hz und führt hier im Vergleich zu
gleich schweren einschaligen Konstruktionen
zu einem Schalldämmungseinbruch (siehe Abb.
5.3). Je größer die flächenspezifische Masse der
Einzelbauteile (Innen-/Außenschalen) ist bzw.
je größer der Schalenabstand gewählt wird, umso kleiner ist die Abstimmungsfrequenz.
5.1.4.3 Stehende Wellen
Bei üblichen Schalenabständen zweischaliger
Wand-/Dachaufbauten zwischen ca. 10 cm und
20 cm können insbesondere dann, wenn der
Hohlraum zwischen den Schalen nicht mit geeigneten Materialien, z. B. Mineralwollplatten, ausgefüllt ist, im Frequenzbereich ab ca. 1.000 Hz
resonanzartige Dämmungseinbrüche auftreten
(siehe Abb. 5.3).
5.1.4.4 Resonanzeffekte bei
mehrschichtigen zwangsgekoppelten
Wand-/Dachaufbauten
Als typische Vertreter solcher Produktaufbauten können hochwertige wärmedämmende
Systeme betrachtet werden, bei denen Stahlblechinnenschale und -außenschale durch Hartschäume, z.B. PUR-Schaum, vollflächig miteinander verbunden (verklebt) sind, so genannte Sandwichelemente. Dabei treten sehr breitbandige, resonanzbedingte Dämmungseinbrüche auf, deren
Zentren zwischen ca. 670 Hz (bei Prüflingsdicken
51
60
60
50
50
Schalldämmmaß R’ [dB]
Schalldämmmaß R’ [dB]
Dokumentation 588
40
30
20
30
20
Bezugskurve nach ISO 717
R
10
Bezugskurve
R
40
0
10
0 63
125
250
500
1.000
Frequenz f [Hz]
2.000
4.000
0 125
250
500
1.000
Frequenz f [Hz]
2.000
Abb. 5.3: Frequenzabhängige Messkurve des Schalldämmmaßes R’ einer Kassettenwand
Abb. 5.4: Frequenzabhängige Messkurve des Schalldämmmaßes R’ einer Sandwichwand
von ca. 150 mm) und ca. 1.450 Hz (bei Prüflingsdicken von ca. 40 mm) angesetzt werden können
(siehe Abb. 5.4). Vergleichbare Dämmungseinbrüche treten auf bei Fassadenwärmedämmmaßnahmen, bei denen Hartschaumplatten auf
Wände gebracht und anschließend verputzt
werden.
5.1.4.7 Schalldämmung zweiund
mehrschaliger Wand-/Dachaufbauten
Akustisch zweischalige Wand-/Dachaufbauten zeichnen sich im Vergleich zu gleich schweren einschaligen Konstruktionen im Bereich
oberhalb der Abstimmungsfrequenz durch eine
wesentlich höhere Luftschalldämmung (steilere
Dämmkurve) aus. Dies ist ein Vorteil, den man
vergleichsweise auch bei zweischaligen Haustrennwänden nutzt. Bedeutsam ist insbesondere
der Vorteil, der sich aus der kostengünstigeren
Unterkonstruktion bei leichten Außenbauteilen
von Hallen ergibt.
Bei der Planung der Sanierung von älteren
Industriehallenwänden wird gelegentlich versucht, die Standzeit der durch Wettereinflüsse
angegriffenen Außenschale einer zweischaligen
Wand durch Vorsetzen einer zusätzlichen Trapezprofilschale zu verlängern. Darüber hinaus wird
bei dieser Maßnahme häufig erwartet, dass eine
Erhöhung der Schalldämmung auftritt. Dies ist
jedoch – wie Versuche erwiesen haben – bei der
Schalldämmung nicht der Fall. Eher tritt eine
geringe Verschlechterung um 1 bis 2 dB ein.
5.1.4.5 Zusatzmassen auf
mehrschaligen Dächern
Durch Aufbringen von Zusatzmassen, z. B.
Kiesschüttungen, auf mehrschaligen Dächern
kann, wie mehrfach festgestellt wurde, zwar die
Luftschalldämmung der im unteren Frequenzbereich akustisch einschalig wirkenden mehrschaligen Dachhaut erhöht werden (Massengesetz). Gleichzeitig ist jedoch zu beobachten, dass
die aufgebrachte Zusatzmasse im oberen Frequenzbereich eher eine Minderung der Schalldämmung herbeiführt. Dies kann z. B. dadurch
erklärt werden, dass sich die resultierende Federsteife des Dämmschichtaufbaus durch die Zusatzmasse ungünstig verändert.
5.1.4.6 Entdröhnung
Günstig auf die Luftschalldämmung wirken
sich Entdröhnungsmassen (Masseerhöhung und
Biegewellenbedämpfung) aus, die gelegentlich
auf die dem Hohlraum zugewandte Seite von
Wandschalen aufgetragen werden.
5.2 Schalltechnische Eigenschaften
Schalldämmung
Im Folgenden sind die Einflüsse verschiedener Parameter auf die Schalldämmeigenschaften
erläutert.
52
5.2.1.1 Einschalige, ungedämmte
Trapezprofilwand
Gemäß VDI-Richtlinie 2571 erreicht eine einschalige, ungedämmte Trapezprofilwand mit
einer Blechdicke von 1 mm und einem Flächengewicht von 11 kg/m2 ein bewertetes Schalldämmmaß von
R’w = 25 dB.
5.2.1.2 Kassettenwände
Die nachfolgend aufgeführten Werte gelten,
soweit im Folgenden nichts anderes ausgeführt
ist, für Kassettenwände mit einer Kassettenschale, die in ganzer Profiltiefe mit Mineralfaserdämmstoff mit einem Raumgewicht (RG) von
55 kg/m2 ausgefüllt ist. Als Außenschale dient ein
Stahltrapezprofil. Dieses ist von den Kassettenstegen durch einen dazwischen liegenden
Trennstreifen thermisch getrennt.
5.2.1.2.1 Dämmschichtdicke
Eine Variation der Kassettenhöhe bei gleichzeitiger Volldämmung der Kassetten ergibt die
unten angegebenen bewerteten Schalldämmmaße (siehe IFBS 4.06):
Dämmschichtdicke
Rw [dB]
100 mm
130 mm
160 mm
40
43
44
Eine Vergrößerung der Kassetten- und
Dämmschichthöhe bewirkt keine stetige Verbesserung der Schalldämmeigenschaften. Ab einer bestimmten Konstruktionsdicke ist die Leistungsmöglichkeit eines Kassettenwandsystems
ausgeschöpft. Im vorliegenden Fall liegt diese
Dicke bei ca. 130 mm. Eine weitere Erhöhung
auf 160 mm bewirkt nur noch eine Steigerung
um 1 dB. Ein Unterschied im bewerteten Schalldämmmaß von 1 dB kann vom Menschen nicht
mehr wahrgenommen werden und liegt außerdem im Rahmen der Messgenauigkeit.
5.2.1.2.2 Erhöhung des Konstruktionseigengewichts – Raumgewicht der Wärmedämmung
Kassettenwandaufbauten mit 130 mm dicken
Mineralfaserdämmplatten mit unterschiedlichem
Raumgewicht, einerseits mit vertikaler Trapezprofilschale ohne Distanzkonstruktion und andererseits mit vertikaler Distanzkonstruktion
und horizontaler Wellprofilschale, besitzen die
folgenden Eigenschaften:
Kassettenwand mit vertikaler
Trapezprofilschale:
Raumgewicht
Rw [dB]
15 kg/m3
55 kg/m3
40
43
Kassettenwand mit vertikaler Distanzkonstruktion und horizontaler Welle:
Raumgewicht
Rw [dB]
15 kg/m3
55 kg/m3
43
42
Die o. a. Tabellen zeigen, dass die Schalldämmwerte sowohl vom Raumgewicht der Mineralfaserdämmung als auch von der Konstruktionsart beeinflusst werden. In dem betrachteten Bereich von 15 kg/m3 bis 55 kg/m3 Raumgewicht
können bei einer Kassettenwand ohne Distanzkonstruktion durch Erhöhung des Raumgewichts
bei gleicher Dämmstoffdicke 3 dB gewonnen
werden, dies geschieht durch eine deutliche Verbesserung der Dämmeigenschaften ab einer Frequenz von ca. 250 Hz. Bei einer Kassettenwand
mit Distanzkonstruktion erhält man hingegen
auch mit einer leichten Dämmung einen besseren
Rw-Wert als ohne Distanzkonstruktion. Für beide
Dämmstoffgewichte ergeben sich im Fall mit
Distanzkonstruktion identische Messergebnisse
(eine genauere Betrachtung des Messergebnisses zeigt, dass es sich hier um einen guten 42-dBWert und einen schlechten 43-dB-Wert handelt,
das Messergebnis liegt somit im Rahmen der
Messgenauigkeit).
5.2.1.2.3 Werkstoffeinfluss
Neben dem Eigenwicht der Dämmung hat
auch das Eigenwicht/Material der Außenschale
einen Einfluss auf die schalltechnischen Eigenschaften der Konstruktion. Dargestellt werden
Konstruktionen mit horizontalen Stahlwellprofilen und Aluminiumwellprofilen auf vertikalen
Distanzkonstruktionen und mit Kassetteninnenschale, jeweils mit zwei unterschiedlichen
Raumgewichten der Wärmedämmung.
Wellprofil
Raumgewicht
Mineralfaser
Rw
[dB]
Stahl
Aluminium
Stahl
Aluminium
55 kg/m3
55 kg/m3
15 kg/m3
15 kg/m3
42
39
43
39
ΔRw
[dB]
3
4
53
Dokumentation 588
Die Ergebnisse zeigen, wie schon zuvor beschrieben, keine Abhängigkeit von dem Dämmstoffgewicht. Der Einfluss des Materials der Außenschale ist jedoch erheblich. Bei Einsatz von
Bauelementen aus Stahlblech können, bei sonst
identischer Konstruktion, um 3 bis 4 dB höhere
Schalldämmmaße erzielt werden als mit Bauelementen aus Aluminium. Angesichts des logarithmischen Maßstabes des Schalldruckpegels ist eine
Erhöhung des Schalldämmwertes um 3 dB gleichzusetzen mit einer Halbierung der Anzahl der
Schallquellen.
Schallabsorption
5.2.2.1 Kassettenwände
Die Schallabsorptionsfähigkeit einer normalen Kassettenwand, ohne Akustiklochung, ist
sehr gering. Der Schallabsorptionsgrad liegt hier
zwischen 0 und 0,3. Zur Verbesserung der Schallabsorptionsfähigkeit werden daher Kassettenprofile mit Lochung angeboten. Dies führt jedoch
gleichzeitig zu einer Verschlechterung der Schalldämmeigenschaften der Konstruktion.
Bei Akustik-Kassettenwänden muss wegen
der Lochung der Kassetten die Dichtheit der
Wand durch den Einbau einer Dampfsperre hergestellt werden. Diese Dampfsperre muss bei
Wänden zwischen Schallschluckplatte und Wär-
Abb. 5.5: Einfluss der Kassettenhöhe auf den Schallabsorptionsgrad αs bei Kassettenwänden
medämmung angeordnet sein. Die Dampfsperre
wird kassettenweise eingebaut und an den Kassettenstegen befestigt. Hierdurch wird verhindert, dass die Dampfsperre vom warmen Innenbereich in den kalten Außenbereich geführt wird,
da dies zu bauphysikalischen Problemen führen
könnte. An den Stößen der Kassetten ist darauf
zu achten, dass die Dampfsperre in horizontaler
und vertikaler Richtung durchgehend ausgebildet
wird.
Im Folgenden werden die Eigenschaften von
Kassetten mit einem maximalen und einem minimalen Lochanteil aufgeführt, um den Einfluss
dieses Parameters darzustellen. Die verschiedenen Einflussgrößen werden im Folgenden näher
erläutert.
5.2.2.1.1 Kassettenhöhe
Bei Volldämmung der Kassetten (jeweils mit
30 mm glasvlieskaschierter Mineralfaserplatte hinter der Lochung) und einem Lochanteil von 14%,
erzielt man für Kassettenhöhen von 100 mm,
130 mm und 160 mm (Typ 4 a, 5 a, 6 a) die
in Abb. 5.5 dargestellten Schallabsorptionskurven.
Die Kurven zeigen einen sehr ähnlichen Verlauf. Lediglich im Bereich von ca. 250 Hz und
über 1.000 Hz gibt es geringe Unterschiede.
5.2.2.1.2 Einfluss des Lochanteils
Eine Variation der Kassettenhöhe ergibt die
unten angegebenen bewerteten Schalldämmmaße sowohl für einen geringen Lochanteil von
14% an der Kassettenfläche als auch für einen
Lochanteil von 28%.
GesamtDämmschichtdicke
1,00
Schallabsorptionsgrad αs
0,80
Lochanteil
Rw
[dB]
Ungelocht
40
14%
35
Ungelocht
43
28%
36
Ungelocht
44
14%
39
ΔRw
[dB]
100 mm
5
0,60
130 mm
0,40
Wandtyp 4 a
Wandtyp 5 a
Wandtyp 6 a
0,20
7
160 mm
5
0,00
100
160
250
400
630 1.000 1.600 2.500 4.000
125
200
315
500
800 1.250 2.000 3.150 5.000
Frequenz [Hz]
54
Ein Lochanteil von 14% bewirkt eine Absenkung des bewerteten Schalldämmmaßes um
ca. 5 dB gegenüber einer ungelochten Kassette.
Ein Lochanteil von 28% führt schon zu einer
5.2.2.1.3 Eigengewicht der Dämmung
An Kassettenwänden mit einer Kassettenhöhe von 130 mm und einem Lochanteil von
28 % wird der Einfluss des Dämmstoffeigengewichts verdeutlicht. Hierzu wird ein Aufbau mit
einer Dämmung mit hohem Raumgewicht einem
Aufbau mit einer Dämmung mit geringem Raumgewicht gegenübergestellt (100 mm mit RG =
55 kg/m3/15 kg/m3 und 30 mm Akustikplatte mit
RG = 50 kg/m3/20 kg/m3) (Typ 5 b, 5 d). Außerdem wird gezeigt, ob für die Schallabsorptionsfähigkeit das Gewicht der Dämmung insgesamt
(siehe Wandtyp 5 b – schwere Dämmung, 5 d –
leichte Dämmung), das der überwiegenden
Wanddämmung (100 mm mit RG = 15 kg/m3,
bei einer Schallschluckplatte mit RG = 50 kg/m3)
(Typ 5 e) oder nur das der Schallschluckplatte
von Bedeutung ist (Wärmedämmung 100 mm
mit RG = 55 kg/m3, Schallschluckplatte RG =
20 kg/m3 ) (Typ 5 f).
Abb. 5.7 zeigt, dass im Frequenzbereich bis
300 Hz mit einer leichteren Dämmung eine deutliche Verbesserung des Schallabsorptionsgrades
zu erreichen ist. Ein Δαs von 0,25 ist erzielbar.
Die Kurvenverläufe zeigen, dass schon allein
ein kleineres Raumgewicht der Schallschluckplatte eine deutliche Erhöhung von αs im unteren
Frequenzbereich bis 150 Hz bewirkt (Typ 5 f).
Eine ähnliche Schallabsorption kann nach den
Messergebnissen auch mit einer leichten Dämmung in 100 mm Dicke bei Verlusten im niederfrequenten Bereich erzielt werden (Typ 5 e).
Bei einer Akustik-Kassettenwand ist je nach
Rahmenbedingung zwischen den Anforderungen
für Schalldämmung und Schallabsorption abzuwägen. Ein hohes Raumgewicht der Dämmung
ist für die Schalldämmeigenschaften positiv, für
die Schallabsorption ist der Einfluss je nach Frequenzbereich unterschiedlich.
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
Wandtyp 5 a
Wandtyp 5 b
0,00
100
160
250
400
630 1.000 1.600 2.500 4.000
125
200
315
500
800 1.250 2.000 3.150 5.000
Frequenz [Hz]
Abb. 5.6: Einfluss des Lochanteils von Akustikprofilen auf
den Schallabsorptionsgrad αs bei Kassettenwänden
1,00
0,80
Verringerung von ca. 7 dB. Die Steigerung des
Schalldämmmaßes Rw in Abhängigkeit von der
Dämmstoffdicke ist ähnlich der bei ungelochten
Profilen, eine Erhöhung von 100 mm auf 160 mm
bringt in beiden Fällen einen Gewinn von 4 dB.
Die Werte für die Schallabsorption für Kassetten von 130 mm Höhe mit einem Lochanteil
von 14% (Wandtyp 5 a) bzw. 28% (Wandtyp 5 b)
können der Abb. 5.6 entnommen werden.
Bei Kassettenwänden hat der Lochanteil in
dem auf dem Markt erhältlichen Bereich von 14%
bis 28% keinen nennenswerten Einfluss auf die
Schallabsorptionsfähigkeit der Wand.
0,60
0,40
Wandtyp 5 b
Wandtyp 5 d
Wandtyp 5 e
Wandtyp 5 f
0,20
0,00
100
160
250
400
630 1.000 1.600 2.500 4.000
125
200
315
500
800 1.250 2.000 3.150 5.000
Frequenz [Hz]
Abb. 5.7: Einfluss des Eigengewichts der Dämmung auf
den Schallabsorptionsgrad αs bei Kassettenwänden
5.2.2.1.4 Lage der Dampfsperre
Den Einfluss der Lage der Dampfsperre zeigt
Abb. 5.8. Bei Wandtyp 5 c liegt die Dampfsperre
direkt hinter der Kassettenlochung. Bei Wandtyp 5 b liegt die Dampfsperre wie bei allen anderen Wandaufbauten zwischen Schallschluckplatte und Wärmedämmung.
55
Dokumentation 588
5.2.3.2.1 Art der Wärmedämmung
Die folgenden Ergebnisse gelten für Dachaufbauten mit tragenden Trapezprofilen verschiedener Profilhöhe und einer Mineralfaserdämmung mit einem Raumgewicht von 140 kg/m3
bzw. einer Polystyroldämmung mit einem Raumgewicht von 20 kg/m3, PS 20 SE.
1,00
0,80
0,60
0,20
Rw [dB]
Mineralfaser
Polystyrol
37–39
31–34
Wandtyp 5 b
Wandtyp 5 c
0,00
100
160
250
400
630 1.000 1.600 2.500 4.000
125
200
315
500
800 1.250 2.000 3.150 5.000
Frequenz [Hz]
Abb. 5.8: Einfluss der Lage der Dampfsperre auf den
Schallabsorptionsgrad αs bei Kassettenwänden
Die Wahl des Dämmstoffes erbringt bei
Verwendung von Mineralfaserprodukten eine
Verbesserung von bis zu 6 dB gegenüber Polystyrol, unter Berücksichtigung der geprüften
Raumgewichte. Dies bedeutet wiederum, dass
mit einer Mineralfaserdämmung, bei sonst
gleicher Konstruktion, die rechnerische Anzahl
der Schallquellen auf ein Viertel und die gehörte
Lautstärke um ca. die Hälfte reduziert werden
kann.
Ab ca. 300 Hz zeigt der Kurvenverlauf, dass
durch die Dampfsperre hinter der Lochung Verschlechterungen der Schallabsorptionsfähigkeit
um Δαs von 0,1 bis 0,3 eintreten. Dieser Einbau
der Dampfsperre ist bauakustisch gesehen falsch.
Die auftreffenden Schallwellen werden an der
Dampfsperrfolie reflektiert und können nicht in
dem erforderlichen Maße in der Mineralwolldämmung abgebaut werden. Die gewünschte schalltechnische Leistung kann wegen der falschen
Dampfsperrlage nicht voll erreicht werden.
5.2.3.2.2 Einfluss der Dampfsperre
Alle zuvor beschriebenen Dachkonstruktionen besaßen eine Dampfsperre aus PE-Folie in
einer Dicke von 0,25 mm. Bei dem folgenden
Dachaufbau ist die PE-Folie durch eine Bitumenschweißbahn (G200 S4 Al 01) ersetzt worden.
Schalldämmung
Allein durch die Verwendung von Bitumenschweißbahnen und die damit verbundene Erhöhung der Masse kann die Schallabsorptionsfähigkeit einer Dachkonstruktion deutlich gesteigert werden. Im vorliegenden Fall lässt sich der
Rw-Wert um 4 dB verbessern.
5.2.3.1 Einschalige, ungedämmte
Stahltrapezprofildächer – Dachdeckung
Gemäß VDI-Richtlinie 2571 erreicht eine
Dachdeckung mit einer Blechdicke von 1 mm
und einem Flächengewicht von 11 kg/m2 ein
bewertetes Schalldämmmaß von
R’w = 25 dB.
5.2.3.2 Einschaliges, oberseitig
wärmegedämmtes Stahltrapezprofildach
Die folgenden Dachaufbauten bestehen, soweit im Folgenden nichts anderes ausgeführt ist,
jeweils aus einem tragenden Stahltrapezprofil mit
aufliegender Dampfsperrfolie, 120 mm Wärmedämmung und einer Dichtungsbahn aus PVCFolie in einer Dicke von 1,5 mm.
56
Dämmschicht
0,40
Dampfsperre
Rw
PE-Folie
G200 S4 Al 01
37 dB
41 dB
5.2.3.3 Zweischaliges, nicht belüftetes,
wärmegedämmtes Stahltrapezprofildach
Die folgenden Ergebnisse gelten für Dachaufbauten, bestehend aus einem tragenden Stahltrapezprofil mit 160 mm Profilhöhe, 120 mm
Mineralfaserdämmung und einer Stahltrapezaußenschale mit 35 mm Höhe auf Z-Profilen.
5.2.3.3.1 Raumgewicht
der Wärmedämmung
Eine Variation des Dämmstoffeigengewichts mit Mineralfaserdämmungen mit einem
Raumgewicht von 30 kg/m3 und 50 kg/m3 hat
keinen Einfluss auf die Schalldämmeigenschaften der Konstruktion.
Raumgewicht
Rw [dB]
30 kg/m3
50 kg/m3
43
43
Lochanteil
Rw
[dB]
Ungelocht
39
14%
36
3
Mineralfaser
19%
37
2
Mineralfaser
Ungelocht
34
14%
28
6
Polystyrol
19%
28
6
Polystyrol
ΔRw
[dB]
Dämmstoff
Mineralfaser
Polystyrol
5.2.4 Dachkonstruktionen – Schallabsorption
Zur Verbesserung der Schallabsorptionsfähigkeit werden wie die Kassettenprofile auch die
Trapezprofile mit Lochung angeboten. Die folgenden Werte gelten für Trapezprofile mit den
am Markt erhältlichen maximalen und minimalen Lochanteilen.
5.2.4.1 Einschaliges, oberseitig wärmegedämmtes Akustik-Stahltrapezprofildach
Die bewerteten Dachaufbauten bestehen, soweit im Folgenden nichts anderes ausgeführt ist,
jeweils aus einem tragenden Stahltrapezprofil mit
160 mm Höhe mit aufliegender Dampfsperrfolie,
120 mm Wärmedämmung und einer Dichtungsbahn aus PVC-Folie in einer Dicke von 1,5 mm.
In die Gurte sind vlieskaschierte Schallschluckelemente mit einem Raumgewicht von 20 kg/m3
eingelegt.
An Profilen mit einer Trapezprofilhöhe von
135 mm wird im Folgenden der Einfluss des Lochanteils bei unterschiedlichen Wärmedämmungen
dargestellt. Bei diesen Profilen sind die Stege gelocht. Die Lochung wird zum Zwecke der Schallabsorption mit vlieskaschierten Mineralfaserdämmstreifen hinterlegt. Die Trapezprofile besitzen einen marktüblichen minimalen (14%)
und maximalen (19%) Lochanteil.
5.2.4.1.1 Einfluss des Lochanteils
auf die Schalldämmung
Die Lochung führt wie bei Wandkonstruktionen zu einer Verschlechterung der Schalldämmeigenschaften. Es ist zusätzlich eine Abhängigkeit vom verwendeten Dämmmaterial
festzustellen. Die Lochung bewirkt im Fall von
Mineralfaserdämmung eine Absenkung des RwWertes um 2 bis 3 dB, im Fall von Polystyrol hingegen um 6 dB. Hier wirkt sich aus, dass der
durch die Lochung und durch die Schallschluckplatte hindurchgehende, noch nicht absorbierte
Schallanteil von der Mineralfaserdämmung besser absorbiert wird als von Polystyrol. Ein Einfluss der unterschiedlichen Lochanteile ist im
Gegensatz zur Wand bei den untersuchten Lochbildern nicht vorhanden.
5.2.4.1.2 Art der Wärmedämmung
Dargestellt sind die Schalldämmwerte sowohl für eine Mineralfaserdämmung mit RG =
140 kg/m3 als auch für eine Polystyroldämmung
mit RG = 20 kg/m3, PS 20 SE, für die o. a. Lochanteile:
Dämmschicht
Rw [dB]
Mineralfaser
Polystyrol
36–37
28
Die Wahl des Dämmstoffes erbringt bei Verwendung von Mineralfaserprodukten eine Verbesserung von 8 bis 9 dB gegenüber Polystyrol,
unter Berücksichtigung der geprüften Raumgewichte. Dies zeigt, dass die Akustik-Dachaufbauten noch sensitiver gegenüber dem Dämmmaterial sind als die ungelochten Konstruktionen, die
nur einen Unterschied von 5 bis 6 dB erbringen.
5.2.4.1.3 Lochanteil und Art der
Wärmedämmung
Konstruktionen mit Mineralfaserdämmung
mit RG = 140 kg/m3 (Typ 4 M, 5 M) als auch mit
Polystyroldämmung mit RG = 20 kg/m3, PS 20 SE
(Typ 4 P, 5 P), sind in Abb. 5.9 aufgeführt. Typ 4
besitzt 19% Lochanteil, Typ 5 besitzt 14% Lochanteil.
57
Dokumentation 588
Die Verwendung von Mineralfaser anstelle
von Polystyrol macht sich in der Schallabsorptionskurve nur geringfügig bemerkbar. Mit Mineralfaser ist αs um maximal 0,1 zu verbessern, bei
sonst gleichen Bedingungen. Dies ist darin begründet, dass die Absorption durch die in die
Gurte eingelegten Mineralfaser-Schallschluckelemente erfolgt und nur der dann noch nicht absorbierte Anteil des Schalls, der auf die Dachdämmung trifft, von dieser entweder reflektiert
oder weiter absorbiert wird.
1,00
0,80
0,60
0,40
Dachtyp 4 M
Dachtyp 4 P
Dachtyp 5 M
Dachtyp 5 P
0,20
0,00
100
160
250
400
630 1.000 1.600 2.500 4.000
125
200
315
500
800 1.250 2.000 3.150 5.000
Frequenz [Hz]
Abb. 5.9: Einfluss des Lochanteils und der Art der
Dämmung auf den Schallabsorptionsgrad αs bei Dachkonstruktionen
Der höhere Lochanteil verbessert den αsWert ab einer Frequenz von 500 Hz um ca. 0,2.
Dieser Effekt ist unabhängig vom verwendeten
Dämmmaterial. Auf den niederfrequenten Bereich
hat der Lochanteil keinen Einfluss. Bei Trapezprofilen in Dachkonstruktionen hat die Variation
des Lochanteils somit einen größeren Einfluss
als bei Akustik-Kassettenprofilen.
Abb. 5.10: Einfluss der Art der Dampfsperre auf den
Schallabsorptionsgrad αs bei Dachkonstruktionen
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
Dachtyp 4 M
Dachtyp 6 M
0,00
100
160
250
400
630 1.000 1.600 2.500 4.000
125
200
315
500
800 1.250 2.000 3.150 5.000
Frequenz [Hz]
58
5.2.4.1.4 Einfluss der Dampfsperre
Der Dachaufbau entspricht dem zuvor beschriebenen Typ 4 M unter Verwendung einer
Bitumenschweißbahn (G200 S4 Al 01 – Typ
6 M) anstelle einer PE-Folie.
Die Bitumenschweißbahn verschlechtert
die Schallabsorption bis zu einer Frequenz von
ca. 1.500 Hz um bis zu αs = 0,2. Die Bitumenschweißbahn bildet in diesem Aufbau eine
schwere und starre Schallreflexionsschicht über
den Gurten, so dass der weitere Dachaufbau mit
der darüber liegenden Dämmung keinen weiteren Schall absorbieren kann (Abb. 5.10).
5.2.5 Sandwichelemente
Das Schalldämmvermögen einer Konstruktion verbessert sich mit zunehmendem Eigengewicht. Da Sandwichelemente schalltechnisch gesehen wie einschalige Bauteile wirken, hat die
Dicke eines Sandwichelementes keinen Einfluss
auf das Schalldämmmaß. Wegen des geringen
Eigengewichts von PUR-Schaum besitzen alle
PUR-Sandwichelemente somit einheitlich ein bewertetes Schalldämmmaß von R’w = 25–26 dB.
Dies ist durch Messungen nachgewiesen worden.
Dieser Wert liegt, bezogen auf das Flächengewicht und verglichen mit anderen Bauelementen,
recht günstig und ist für den Einsatz im Industriebau im Allgemeinen ausreichend. Sandwichelemente mit Mineralwollkern besitzen wegen des
höheren Eigengewichts der Mineralwolle und somit wegen des höheren Flächengewichtes des
gesamten Elementes ein bewertetes Schalldämmmaß von R’w = 28–33 dB. Bei den Prüfergebnissen für Sandwichelemente ist darauf zu achten,
in welchem Prüfstand das Element geprüft worden ist. Vorgeschrieben ist ein Wandprüfstand
(ca. 10 m2 ). Prüfungen an Fensterprüfständen
(ca. 2–3 m2) mit einer reduzierten Größe des
Prüflings führen zu Ergebnissen mit zu guten
Schalldämmwerten, die nicht realistisch sind.
5.2.6 Schlussbemerkung
5.3 Literatur
Konstruktionen des Stahlleichtbaus besitzen
eine große Variationsbreite, um die spezifischen
schalltechnischen Anforderungen, die an ein
Gebäude gestellt werden, zu erfüllen. Ein Schalldämmmaß von 25 dB bis 57 dB ist erzielbar.
Die Schallabsorptionsfähigkeit der entsprechend
optimierten Konstruktionen liegt in der Regel
zwischen einem αs von 0,6 bis 0,9.
Die in diesem Beitrag vorgestellten schalltechnischen Werte resultieren aus einem komplexen Zusammenspiel der einzelnen Bauteilkomponenten. Bei Variation mehrerer Parameter
kann eine Konstruktion neue Eigenschaften erhalten, die sich aus den angeführten Abhängigkeiten nicht ableiten lassen. Für ein detaillierteres Studium der schalltechnischen Eigenschaften der Stahlleichtbaukonstruktionen einschließlich der konstruktiven Aufbauten und Messkurvenverläufe sei hier auf die IFBS-Fachinformation 4.06, Bauphysik, Schallschutz im Stahlleichtbau, verwiesen.
Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge
(Bundes-Immissionsschutzgesetz – BImSchG), in
der Fassung vom 14.05.1990 (BGBl. I S. 880),
zuletzt geändert durch Gesetz vom 10.12.1990
(BGBl. I S. 2634)
Sechste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum
Bundes-Immissionsschutzgesetz, Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm) vom
26.08.98 (Gemeinsames Ministerialblatt 1998,
Nr. 26, Seite 503 ff.)
IFBS 4.06,
Bauphysik, Schallschutz im Stahlleichtbau,
Ausgabe August 2003
VDI 2571,
Ausgabe August 1976,
„Schallabstrahlung von Industriebauten“
VDI 2570,
Ausgabe September 1980,
„Lärmminderung in Betrieben – allgemeine
Grundlagen“
DIN EN ISO 717-1,
„Bewertung der Schalldämmung in Gebäuden
und von Bauteilen, Teil 1: Luftschalldämmung“,
Deutsche Fassung ISO 717-1: 1996
59
Dokumentation 588
6 Konstruieren mit Stahlleichtbauelementen
Dipl.-Ing. Hans Pöter
6.1 Grundlagen für das Konstruieren
mit Stahlleichtbauelementen
6.1.1 Besonderheiten leichter
Baukonstruktionen
Abweichend von den im Holz-, Massiv- oder
allgemeinen Stahlhochbau bekannten Verhaltensweisen von Baustoffen und Bauteilen sind bei
Leichtbaukonstruktionen einige Besonderheiten
gegeben, deren Beachtung bei der Konstruktion
und Ausführung maßgebend für ihre zuverlässige Funktion ist.
Eine der Besonderheiten ist die Tendenz
dünnwandiger Bauteile zu großen Verformungen, die insbesondere auch quer zu ihrer Tragrichtung auftreten können. Daher kommt dem
Erhalt der Querschnittsgeometrie unter Last eine
zentrale Bedeutung zu.
Des Weiteren verfügen Leichtbauelemente
über keine eigenen thermischen Kapazitäten,
können also weder Wärme speichern noch diese
später wieder abgeben. Sie sind auch nicht als
Feuchtepuffer wirksam.
Schließlich verfügen sie über ein vergleichsweise geringes Schalldämmvermögen.
Diese zunächst als Nachteile hervortretenden Eigenschaften sind jedoch durch überlegte
Konstruktionen beherrschbar.
Abb. 6.1: Nachweise für dünnwandige Bauelemente
Festigkeit, Standfestigkeit
Tragsicherheit
Korrosionsbeständigkeit
Wärmeschutz
Feuchteschutz
Gebrauchstauglichkeit
Brandschutz
Schallschutz
Gestaltung
60
6.1.2 Nachweise für dünnwandige Bauelemente
Aufgrund der oben genannten Besonderheiten sind zur Bemessung und Detaillierung leichter
Baukonstruktionen außer den Tragsicherheitsnachweisen grundsätzlich auch die Gebrauchstauglichkeitsnachweise für die einzelnen Baukomponenten zu führen (Abb. 6.1).
Die Nachweise für die Tragsicherheit der
Konstruktion beinhalten Aussagen über die
Standsicherheit der tragenden Bauteile sowie
die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit
der eingesetzten Baustoffe.
Demgegenüber beschäftigen sich die Nachweise für die Gebrauchstauglichkeit mit den Forderungen an den Wärme- und Feuchteschutz
und je nach Nutzung des Gebäudes auch mit
den Anforderungen an den Brand- und den
Schallschutz. Schließlich gehört zur Gebrauchstauglichkeit eines Gebäudes auch ein ansprechendes optisches Erscheinungsbild, weswegen
der Gestaltung sichtbarer Baukomponenten
einige Bedeutung zukommt.
6.1.3 Bezeichnungen an Leichtbauteilen
aus Stahl
Die Bezeichnungen für die einzelnen Profilabschnitte von Leichtbauteilen aus Stahl lehnen
sich naturgemäß an die in DIN 18800 für den
allgemeinen Stahlhochbau vorgegebenen Bezeichnungen an (Abb. 6.2 und 6.3). So spricht
man auch bei Stahltrapezprofilen und Stahlkassettenprofilen von Ober- und Untergurten sowie Stegen. Als Sicken bezeichnet man die in
Ober- und Untergurten sowie Stegen zur Erhöhung der Tragsicherheit des Querschnitts eingeprägten längs verlaufenden Vertiefungen oder
Versätze. Entsprechend sind die Bezeichnungen
bei Sandwichelementen, wobei sich diese dann
jeweils auf die Deckschalen beziehen – Beispiel:
Ober- oder Untergurt und Steg der Stahltrapezprofilierten Deckschale eines Dach-Sandwichelementes.
Schließlich wird die Lage der Trapezprofile
aus Stahl (Abb. 6.4) als Positivlage bezeichnet,
wenn die Längsstöße der Profiltafeln direkt über
dem Auflager liegen. Demgegenüber spricht
man von Negativlage, wenn die Profiltafeln z. B.
als Deckung verwendet werden und die Längs-
stöße nicht direkt über den Auflagern liegen.
In der Regel werden die Stahltrapezprofile so
als Eindeckung verwendet.
Diese Definition unterscheidet sich grundlegend von der, die bei Trapezprofilen aus Aluminium angewendet wird, hier sind die Lagebezeichnungen genau umgekehrt.
Profilhöhe h
Konstruieren mit Stahlleichtbauelementen
Obergurtsicke
Obergurt
Steg
6.1.4 Allgemeine Fachregeln – Stand der Technik
Ebener
Längsrand
Als Grundlage für die Konstruktion von
Leichtbauelementen aus Stahl dienen Normen,
Richtlinien und Veröffentlichungen, wovon die
wichtigsten hier genannt werden.
Regeln für Sandwichelemente:
• DIBt, Berlin
Bauaufsichtliche Zulassungsbescheide des
Deutschen Instituts für Bautechnik für verschiedene Hersteller
• DIN EN 14509
Selbst tragende Sandwich-Dämmplatten mit
beidseitiger Metalldeckschicht.
Richtlinien:
• Industrieverband für Bausysteme im Stahlleichtbau e. V.
• Deutsches Dachdeckerhandwerk – Flachdachrichtlinien
• Fachregeln des Klempner-Handwerks (ZVSHK)
Dokumentationen und Merkblätter:
• Stahl-Informations-Zentrum, Düsseldorf
Untergurt
Abgekanteter
Längsrand
Rippenbreite bR
Baubreite b
Elementbreite
Abb. 6.2: Bezeichnungen an Trapezprofilen nach DIN 18807-1
Profilhöhe h
DIN-Normen:
• DIN 18807 Teil 1–3
Trapezprofile im Hochbau, Stahltrapezprofile
• DIN 18516 Teil 1
Außenwandbekleidungen, hinterlüftet
• DIN 18234
Baulicher Brandschutz im Industriebau,
Dachkonstruktionen
• DIN 55928 Teil 8
Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungen und Überzüge, Korrosionsschutz
von tragenden dünnwandigen Bauteilen
• DIN 4108 Teil 1–7
Wärmeschutz im Hochbau
• DASt-Richtlinie 016
Bemessung und konstruktive Gestaltung von
Tragwerken aus dünnwandigen kaltgeformten Bauteilen.
Stegsicke oder
Stegversatz
Stegsicke oder
Stegversatz
Obergurt
Steg
Untergurt
Untergurtsicke
Baubreite b
Elementbreite
Abb. 6.3: Bezeichnungen an Kassettenprofilen nach DIN 18807-1
Stahl
Alu
Negativlage
Positivlage
Positivlage
Nicht
möglich
Technische Informationen:
• Schriften namhafter Hersteller
Abb. 6.4: Bezeichnung der Lage von Trapezprofilquerschnitten
61
Dokumentation 588
6.2 Konstruktion zur Erfüllung
der Tragsicherheit
6.2.1 Forderungen an Konstruktion und Statik
• Eigenlasten nach DIN 1055-1
• Schneelast nach DIN 1055-5
• Windlast nach DIN 1055-4
Alle Nachweise für die Tragsicherheit der
Konstruktion sowie deren Detaillierung müssen
grundsätzlich projektbezogen sein mit ausdrücklicher Anpassung an die jeweils vorhandenen
Verhältnisse. Neben den statischen Nachweisen
sind Konstruktionspläne – Verlegepläne und
Details – vorzulegen, in denen alle Montagevorgänge enthalten und verständlich dargestellt
sind. Hierzu gehören insbesondere auch die
Auswahl und Lage der Verbindungselemente
(Abb. 6.5) sowie der einzusetzenden Dichtelemente (Gebrauchstauglichkeit).
6.2.2 Lastannahmen
Aufgrund des geringen Eigengewichtes von
Leichtkonstruktionen gewinnen die eingeprägten Lasten Wind, Schnee und Temperaturdifferenzen (Abb. 6.6) – anders als bei den herkömmlichen Bauweisen, z. B. dem Massivbau – spürbar an Bedeutung. Neben den anzusetzenden
Schneelasten können Schneeanhäufungen das
Trag- und Verformungsverhalten der Leichtbauelemente maßgebend beeinflussen. Das gilt insbesondere auch für den Lastfall Temperatur,
der beim Einsatz von Sandwichelementen für
die Bemessung bestimmend sein kann. Darüber
• Temperatur nach DIN 18807-3
• Wassersackbildung nach DIN 18807-3
Abb. 6.6: Lastannahmen
hinaus sind für die Bemessung der Verbindungselemente in den Gebäudeeck- und Randbereichen die erhöhten Windsoglasten bemessungsbestimmend. Die Möglichkeit der Wassersackbildung sollte konstruktiv ganz vermieden werden. Zusatzlasten aus
• Zwischendecken
• Rohrabhängungen
• Sanitäranlagen
• Heizlüftern
• Beleuchtungen
• Kabeltrassen und anderem
sind vorab mit dem Planer abzustimmen und
bei der Bemessung zu berücksichtigen.
Nicht zuletzt ist darauf zu achten, dass die
von den jeweiligen Herstellern für ihre Produkte
veröffentlichte Begehbarkeitsgrenze (Abb. 6.7)
bei der Eindeckung mit Stahltrapezprofilen eingehalten wird. Dies gilt im Hinblick auf die Erfüllung der Gebrauchstauglichkeit ausdrücklich
auch für die Deckschale zweischaliger Metalldächer.
Abb. 6.5: Kassettenwand – Befestigungsschema für die
Außenschale (Quelle: Bauen mit Stahl e.V.)
6.2.3 Konstruktionsdetails nach DIN 18807-3
Die Tragsicherheit von dünnwandigen Bauteilen – z. B. von Stahltrapezprofilen – hängt
direkt ab vom Erhalt der jeweiligen Querschnittsgeometrie. Jede Veränderung der Querschnittsgeometrie beeinflusst das Tragverhalten
des Bauteils.
Da bei dünnwandigen Profilen nur die „mittragenden Breiten“ – das heißt die Biegschultern
und die durch Sicken oder Versätze ausgesteiften Gurt- und Stegpartien (Abb. 6.8) – zum Lastabtrag direkt beitragen, dürfen diese Stellen nicht
durch Ausschnitte oder Bohrungen ohne zusätzliche aussteifende Maßnahmen geschwächt
werden. Bohrungen für Abhängungen werden
also nicht in Ober- oder Untergurten eingebracht, sondern in Stegmitte.
Zum andern haben seitlich ungestützte Rippen von Stahltrapezprofilen unter Last die Nei62
Abb. 6.7: Bemessungstabelle mit Angabe der Grenzstützweite (Quelle: Hoesch Siegerlandwerke)
1.
2.
Abb. 6.8: 1. Kraftübertragung unter Biegung über die „mittragenden Breiten“
2. Anordnung von Abhängungen in Stegmitte – „neutrale Faser“
gung, seitlich auszuweichen und dabei flacher
zu werden. Mit dem Abfall der Rippenhöhe wird
aber das Trag- und Verformungsverhalten des
Profils (Abb. 6.9) überproportional negativ beeinflusst. Deshalb kommt der Sicherung des
Querschnittserhalts von Leichtbauprofilen eine
zentrale Bedeutung zu.
In DIN 18807 Teil 3 sind zahlreiche Hinweise und Skizzen enthalten, die alle dazu dienen, die Querschnittsgeometrie von Stahltrapezprofilen, Stahlkassettenprofilen und Wellelementen unter Lastabtrag zu erhalten.
W = W (q, L, l)
h = 4 cm
h3 = 64 cm3
h = 3 cm
h3 = 27 cm3
Abb. 6.9: Überdurchschnittlicher Abfall des Tragvermögens
infolge Abflachung der Querschnittsgeometrie am Trapezprofil
63
Dokumentation 588
1
2
1 Profiltafel
2 Verbindungselement
eL ≤ 666 mm
eL
Abb. 6.10: Befestigung und Längsrandausbildung nach DIN 18807-3
tN ≥ 1,0 mm
Dichtband
eR ≤ 333 mm
Randaussteifung durch Randaussteifungsblech
Abb. 6.11: Randaussteifung nach DIN 18807-3 mit nach unten gerichteter Abkantung
≥ 30 mm
≥4d
≥ 40 mm
≤ 10 d
≥ 20 mm
>3d
≥4d
≥ 40 mm
≤ 10 d
Abb. 6.12: Biegesteifer Stoß nach DIN 18807-3
64
Das beginnt mit der Sicherung am Auflager,
die bei Stahltrapezprofilen an den Endauflagern
an jedem Untergurt erfolgt (Abb. 6.10). An den
Innenauflagern kann die Befestigung je nach
Lastaufkommen auch in jedem zweiten Untergurt durchgeführt werden. Dann folgt die Sicherung der Längsrandüberlappungen von Stahltrapezprofilen im Abstand von e ≤ 666 mm und für
Stahlkassettenprofile im Abstand von e ≤ 800 mm
bei Verlegung als tragende Dachunterschale und
e ≤ 1.000 mm als tragende Wandinnenschale.
Wellelemente werden wie Stahltrapezprofile
behandelt.
Am Rande von Verlegeflächen sind die
freien Längsränder von Stahltrapezprofilen und
Wellelementen ebenfalls gegen seitliches Ausweichen zu sichern. Dies geschieht z. B. durch
Lagerung und Befestigung auf Randträgern im
Abstand von e ≤ 666 mm. Wo keine Randauflagen zur Verfügung stehen, können einfache
dünnwandige Randaussteifungswinkel angeordnet werden, die mit den beiden Randobergurten
der Stahltrapezprofile im Abstand von e ≤ 333 mm
verbunden werden. Der abgekantete Schenkel
des Randaussteifungswinkels (Abb. 6.11) kann
dabei sowohl nach oben als auch nach unten
weisen.
Zur besseren Ausnutzung des Tragverhaltens
von Stahltrapezprofilen können diese zu Mehrfeldträgern zusammengefügt werden. Die Kopplung erfolgt in Form eines biegesteifen Stoßes
jeweils über einem Auflager (Abb. 6.12). Eine
Kopplung im Feld ist nicht erlaubt. Ebenso ist
die Ausbildung eines biegesteifen Stoßes bei
Stahlkassettenprofilen nicht möglich.
Öffnungen für Rohrdurchführungen (Abb.
6.13 und 6.14) dürfen in eine tragende (nicht
durch zusätzliche Wechsel ausgesteifte) Schale
aus Stahltrapezprofilen in runder oder eckiger
Form eingebracht werden, wenn ihr Durchmesser nicht größer ist als D = 300 mm und wenn
der Ausschnitt im Stahltrapezprofil mit einem
Versteifungsblech verstärkt wird. Das Versteifungsblech hat eine Mindestdicke von min.
t = 1,5 · tN und ist so breit ausgelegt, dass es
nach jeder Seite zwei ungeschädigte Stege von
Stahltrapezprofilrippen überdeckt. Es wird umlaufend und im Abstand von e < 120 mm mit
den Obergurten der überdeckten Rippen verbunden.
tN, B
tN, TP
Schnitt A-A
1
3
6
2
A
A
5
4
1 Trapezblech
2 Abdeckblech mindestens 600 mm x 600 mm,
mind. 1,13 mm dick (1.5 · tN, TP)
3 Abdeckblech-Längsrand
4 Abdeckblech-Querrand
5 Am Querrand 2 Verbindungselemente im Obergurt,
je eines neben jedem überdeckten Steg
6 Verbindungselemente am Längsrand
Abstand: 120 mm
Abb. 6.13: Öffnung in der Verlegefläche nach DIN 18807-3
Abb. 6.14: Öffnung in der Verlegefläche nach DIN 18807-3
65
Dokumentation 588
e < 500 mm
Abb. 6.15: Auswechslung für eine großformatige Öffnung in der Verlegefläche
Größere Öffnungen sind grundsätzlich mit
statisch nachgewiesenen Wechselprofilen
(Abb. 6.15) zu versehen, deren Bemessung im
Allgemeinen nach DASt-Richtlinie 016 erfolgen
kann. Die Obergurte der Wechsel sollen den
Obergurt der Randrippe ganz überdecken und
entlang ihrem Längsrand über eine Abkantung
verfügen. Sie werden zur Sicherung in ihrer
Lage und gegen Gurtbeulen im Abstand von
e ≤ 500 mm mit den von ihnen überdeckten
Stahltrapezprofilobergurten verbunden. Ist diese
Voraussetzung erfüllt – wenn also die Verformung um eine erzwungene Drehachse erfolgt –,
kann ein vereinfachter Nachweis mit Hilfe der
Trägheits- und Widerstandsmomente um eine
durch den Schwerpunkt gehende horizontale
Achse geführt werden.
6.2.4 Besonderheiten bei
Stahlkassettenprofilen
Im Gegensatz zu Stahltrapezprofilen verfügen Kassetten (Abb. 6.16) über überbreite Untergurte und im Vergleich hierzu über schmale
Obergurte. Hierdurch bedingt reduzieren sich
die kraftübertragenden Zonen auf die Stege,
die stegnahen Bereiche der Untergurte und die
Obergurte. Daraus folgt, dass die Befestigung
der Kassetten auf der tragenden Unterkonstruktion in einem Abstand von nicht weiter als
e ≤ 75 mm erfolgen darf.
Weitere Verbindungselemente am Auflager
dienen der Lagesicherung des Untergurtes am
Auflager sowie der Komprimierung der an Endauflagern zur Herstellung der Luftdichtheit eingebauten Dichtbänder (Gebrauchstauglichkeit).
WS
Profiltafel
Stütze
Längsstoßdichtband
e
Statisch wirksame Verbindungselemente, e ≤ 75 mm
Konstruktive Verbindungselemente
nur im anliegenden Gurtteil
WS
Dichtband beim Endauflager
Abb. 6.16: Befestigung von Kassetten nach DIN 18807-3 (A1 – Änderung)
66
e ≤ 75 mm
Anders als Stahltrapezprofile entfalten Stahlkassettenprofile ihre Tragsicherheit erst in Verbindung mit der Außenschale, die in der Regel
aus Stahltrapezprofilen oder in Einzelfällen auch
aus Wellelementen besteht. Diese sind in den
für jeden Kassettentyp festgelegten Abständen
kontinuierlich mit den Obergurten der Kassetten
verbunden. Werden die Elemente der Außenschale horizontal verlegt, so wird auf den Obergurten der Kassetten zunächst eine Distanzkonstruktion aus Z-, C- oder Hutprofilen (Abb. 6.17)
angeordnet, die ihrerseits die Aussteifung der
Kassettenobergurte übernehmen. Dementsprechend müssen die Abstände der Distanzprofile
in Anlehnung an die Angaben in den Tabellen
der Querschnitts- und Bemessungswerte statisch
nachgewiesen werden. Sie fallen in der Regel
geringer aus als die zulässigen Spannweiten der
Profile der Außenschale.
Abb. 6.17: Distanzkonstruktion auf Kassettenprofilen zur
Aufnahme der Außenschale
=0
6.2.5 Besonderheiten bei Sandwichelementen
Zunächst ist darauf zu achten, dass Lasten
aller Art – z. B. aus abgehängten Decken, Lüftern, Rohrleitungen und Kabeltrassen – nicht
durch Einzelverschraubung in die Deckschalen
der Sandwichelemente eingeleitet werden dürfen. Des Weiteren tritt bei Sandwichelementen,
die als Mehrfeldträger verlegt werden, der Lastfall Temperaturdifferenzen in den Vordergrund.
Aufgrund der Trennung zwischen der äußeren
und der inneren Deckschale durch den Dämmkern kommt es bei Erwärmung der äußeren
Deckschale unter Sonneneinstrahlung zu deren
Längenausdehnung. Bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen innen und außen führt dies
beim Einfeldträger zu einer von inneren Kräften freien Längskrümmung des Elementes nach
außen.
Wird das Element als Mehrfeldträger verlegt
und damit die Verformung jeweils am Zwischenauflager durch die Befestigung verhindert (Abb.
6.18), entstehen Zwängungskräfte, die zu erhöhten Druckspannungen in der der Erwärmung
zugewandten Deckschale am Auflager führen.
Übersteigt die Druckspannung das Niveau der
„Knitterspannung“, kommt es zum Ausbeulen –
„Knittern“ – der Deckschale in Elementquerrichtung. Die Gefahr ist umso größer, je dunkler die Farbe der Außenschale ist und je höher
damit die Temperatur in der Außenschale wird.
Deshalb sind für als Mehrfeldträger verlegte
Sandwichelemente die statischen Nachweise
grundsätzlich auch für die Lastfälle „Temperatur im Sommer und Temperatur im Winter“ zu
führen, wobei je nach Farbe der Außenschale
Außen
Innen
=0
Abb. 6.18: Zwängungen am Sandwichelement infolge
Temperaturverformung
Sommer
Winter
Außen
–20 °C
Außen
FG I: 55 °C
FG II: 65 °C
FG III: 80 °C
Innen
+20 °C
Innen
25 °C
Abb. 6.19: Temperaturlastfall bei Sandwichelementen
drei Farbgruppen und damit drei unterschiedlich hohe Außentemperaturen (Abb. 6.19) zu
berücksichtigen sind.
67
Dokumentation 588
6.2.6 Verbindungselemente
Als Verbindungselemente kommen Schrauben, Setzbolzen und Niete zur Anwendung
(Abb. 6.20 und 6.21). Die Bemessung und ihre
Einsatzmöglichkeiten sind in dem vom DIBt erlassenen und in der IFBS-Info 7.01 veröffentlichten bauaufsichtlichen Zulassungsbescheid geregelt. Besondere Beachtung ist dabei dem Einfluss von Außermitten zu widmen und den sich
daraus ergebenden Abminderungen der zulässigen Auszugskräfte. Aufgrund der „Weichheit“
der Querschnitte von Trapez-, Well- und Stahlkassettenprofilen dürfen am Auflager statisch
erforderliche Verbindungselemente, die die Zahl
zwei übersteigen, nur in Elementlängsrichtung
eingebracht werden. Bei einer Anordnung zwischen den beiden stegnahen Mindestbefestigungen bleiben sie in ihrer Funktion wirkungslos
(Abb. 6.22).
Bei schwach profilierten Sandwichelementen ist die Besonderheit zu beachten, dass die
Anzahl der Befestigungselemente (in der Regel
bei mehr als drei Verbindungselementen) die Bemessungsgrenzwerte für die Knitterspannungen
beeinflusst. Da die Art der Befestigung und die
Anzahl der Verbindungselemente in den Nachweis der Sandwichelemente selbst mit eingehen,
dürfen in den Verlegeplänen nur diejenigen
Verbindungselemente und deren Anzahl ausgewiesen werden, die dem statischen Nachweis
zugrunde gelegen haben.
Sandwich
Sandwich
Stahl-Unter- Holz-Unterkonstruktion konstruktion
Trapez
Stahl-Unterkonstruktion
DIBt - Zulassungsnummer Z-14.1-4
- Ausgabe Juni 2002 -
Industrieverband zur Förderung des Bauens mit Stahlblech e.V.
Abb. 6.21: Anwendungsbereiche der Verbindungselemente
7.01
Abb. 6.20: Bauaufsichtlicher Zulassungsbescheid
des DIBt für Verbindungselemente
6.2.7 Korrosionsschutz
Dünnwandige Konstruktionen aus Stahl erfordern in besonderer Weise einen Schutz gegen Bewitterung, da sie im Falle fortschreitender Korrosion schnell ihre Tragsicherheit einbüßen können. Deshalb gehört zum Tragsicherheitsnachweis auch die verbindliche Festlegung
eines geeigneten Korrosionsschutzes, der in der
Regel aus einem im Bandbeschichtungsverfah-
Längsstöße
Blech/Blech
Form A
68
Verbindungselemente zur Verwendung bei
Konstruktionen mit „Kaltprofilen“ aus Stahlblech insbesondere mit Stahlprofiltafeln
Querstöße
Blech/Blech
Typ des
Verbindungselementes
F Z, i = 0
0 < e ≤ bG/2
150 mm < b G ≤ 250 mm
0,5 · zul. FZ
e
a in mm
FZ, r
< 75
0,7 · zul. FZ
> 75
0,35 · zul. FZ
a
F Z, i
t I, N
F Z, r
bG
bG
Abb. 6.22: Blatt 1 zum Zulassungsbescheid vom 25.07.90, Nr.: Z-14.1-4
Tabelle 1 – besondere Anwendungsfälle
ren aufgebrachten metallischen Überzug aus
Zink oder GALFAN® mit einer zusätzlichen
Kunststoffbeschichtung oder aus GALVALUME®
besteht. Welche Korrosionsschutzklasse jeweils
zur Anwendung kommt, ist in DIN 18807-1 geregelt. Bei der Auslegung der Konstruktion ist
darüber hinaus auf eine Vielzahl von Einflüssen
zu achten, die dazu beitragen können, den Korrosionsschutz zu beeinträchtigen. Insgesamt
sind etwa zehn Regeln (Abb. 6.24) einzuhalten, um die langfristige Lebensdauer des Korrosionsschutzes und damit der Bauteile zu gewährleisten.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Ausbildung großer Biegeradien bei Kantteilen und Profiltafeln
Alle beschichteten Flächen sind belüftet und möglichst zugänglich
Ausbildung belüfteter Tropfkanten bei der Konstruktion (Abb. 6.23)
Kondensat und Oberflächenwasser müssen ungehindert abfließen können
Fußverwahrungen sollten möglichst vermieden werden;
wenn erforderlich, sind die Wandelemente mit einem Mindestabstand
von 10 mm vom Tropfblech zu montieren
Vermeidung abgeschatteter Bereiche („unwashed areas“)
Vermeidung von Blechkontakten (Kapillarflächen) bei Querstößen
Bohrspäne sind nach ihrer Entstehung umgehend zu entfernen!
Mechanische Beschädigungen durch die Montage sind nach Fertigstellung
des Objektes sofort auszubessern!
Schnittkanten bauseits möglichst nicht nachschneiden
Abb. 6.24: Zehn „goldene“ Regeln zur Beachtung beim
Konstruieren von dünnwandigen Konstruktionen
10 mm
Abb. 6.23: Belüftete Schnittkante an einer Sockelausbildung
69
Dokumentation 588
6.3 Konstruktion zur Erfüllung
der Gebrauchstauglichkeit
6.3.1 Forderungen an die Dichtheit
gegen Niederschlag
Nach DIN 18807-3, 4.9.3, ist das Eindringen
von Wasser bei allen Dach- und Wandsystemen
sowie bei den Außenwandbekleidungen durch
geeignete Maßnahmen dauerhaft zu verhindern.
Um dies zu erreichen, werden Dichtbänder zwischen die überlappenden Längs- und Querränder der Elemente eingebaut (Abb. 6.25). Sowohl
die DIN 18807-3 als auch die IFBS-Info 8.01
„Montagerichtlinie“ geben hierzu Dachneigungen vor, unterhalb deren jeweils Dichtmaßnahmen durchzuführen sind. Die Erfahrung zeigt
aber, dass eine Eindichtung von Längs- und Querstößen von Dachelementen – auch für Sandwichelemente – grundsätzlich vorgesehen werden
sollte. Dies gilt auch für die Quer- und Längsrandüberlappungen aller Formteile, die im Dach-
und Dachrandbereich eingesetzt werden wie
Firstkappen, Wandkappen, Oberlichtrandabdeckungen etc.
Die Eindichtung geschieht so, dass zum
einen die Verbindung dauerhaft dicht ist und
zum andern die überlappenden Längsränder von
Dachelementen und Formteilen zur Verhinderung von Schnittkantenkorrosion luftumspült
bleiben (Abb. 6.26).
Längs- und Querüberlappungen von einschaligen Wandelementen bedürfen in der Regel
keiner zusätzlichen Eindichtung, zumal wenn
sie als Außenschalen von hinterlüfteten Wandaufbauten eingesetzt werden. Demgegenüber
ist aber durch konstruktive und optisch verträgliche Maßnahmen dafür zu sorgen, dass an den
Schnittstellen von Wandöffnungen das Eindringen von Niederschlag in den Wandaufbau verhindert wird (Abb. 6.27). Bei Wand-Sandwichelementen übernimmt das am Längsrand der
Elemente werkseitig eingebrachte Dichtband den
Schutz gegen das Eindringen von Schlagregen.
Schraube/Niet im Obergurt
m
100–200 m
Empfehlung: „Dichtung – immer“
Dichtbänder: verbindlich bei Dachneigungen < 15°
Dichtung unter 7° Dachneigung
Abb. 6.25: Herstellung der Regendichtheit von Deckungen durch Einbau von Dichtbändern
> 5 mm
> 5 mm
Abb. 6.26: Zwei Möglichkeiten der Ausbildung einer Querstoßüberlappung
70
Abb. 6.27: Konstruktive Maßnahmen zur Herstellung der Regendichtheit in der Fassade
6.3.2 Forderungen an
Wärme- und Feuchteschutz
Die größten Wärmeverluste und der größte
Teil von Feuchteschäden an Bauwerken sind darauf zurückzuführen, dass feuchtwarme Innenraumluft ungehindert nach außen entweichen
oder in mehrschaligen Dach- und Wandkonstruktionen in die kälteren Bereiche bis zu den äußeren Deckschalen vordringen und dort kondensieren kann. Aus dem Grunde fordert die Energieeinsparverordnung (EnEV) die Herstellung
luftdichter Konstruktionen.
Bei mehrschaligen Dachaufbauten dient die
Dampfsperre zugleich als Luftsperre und stellt
damit die notwendige Luftdichtheit des Dachaufbaus her. Voraussetzung ist, dass die Querund Längsüberlappungen der Luftsperrbahnen
selbst sowie ihre Anschlüsse an Nachbargewerke wie Öffnungen und Wandaufbauten
ebenfalls luftdicht abgeklebt sind (Abb. 6.28).
Besteht bei zweischaligen Wandaufbauten
die Wandinnenschale aus Stahlkassettenprofilen, so können diese nach Einbau von Dichtungen in ihre Längsstoßüberlappungen sowie an
ihren Endauflagern die Funktion der Luftsperre
Verbindungselemente
im Steg
e = 1.000 mm
Empfohlen
e = 500 mm
Befestigungselemente
Lastabtragendes
Kassettenprofil
Dichtband
Stabilisierende
Wetterschale
Dämmung
Thermischer Trennstreifen
Abb. 6.28: Verlegung der Luftsperre und Vorbereitung für
den Anschluss im Randbereich
Abb. 6.29: Aufbau einer Stahlkassettenwand
71
Dokumentation 588
Dichtbänder
Abb. 6.30: Dichtbänder am Endauflager eines Stahlkassettenprofils
Technische
Lösungen
G+H/SFS
72
übernehmen (Abb. 6.29). Dabei ist darauf zu
achten, dass das Dichtband in der Längsstoßüberlappung möglichst nahe an der Biegeschulter zum Untergurt liegt. Die vertikal angeordneten Dichtbänder an den Auflagern werden so
ausgewählt und angeordnet, dass sie die Freiräume zwischen Auflager und Untergurtsicken
zuverlässig abdichten. Zum andern müssen sie
schlüssigen Kontakt mit den Dichtbändern der
Längsstoßüberlappungen haben (Abb. 6.30).
Hilfen für die Auswahl geeigneter Dichtmaterialien für den Einsatz als Regen- und/oder
Luftdichtung gibt die IFBS-Fachinformation
4.02 „Fugendichtheit im Stahlleichtbau“.
Zur Minderung von Wärmebrücken sind
zwischen den Außenschalen und den Obergurten der Stahlkassettenprofile thermische Trennungen einzubauen. Hierfür geeignet sind alle
Bänder, deren wärmeisolierende Eigenschaft im
eingebauten Zustand nachgewiesen ist. Es kön-
nen auch andere technische Lösungen zum Ziel
führen – z. B. die Umfassung der Obergurte mit
Dämmmaterial und Befestigung der Außenschale
mit eigens hierfür entwickelten Stützschrauben
(Abb. 6.31 und 6.32). Ein einwandfreies Ausrichten der Außenschale ist allerdings nur bei
thermischen Trennstreifen mit ausreichender
Steifigkeit möglich.
Dachdeckungen und Wandbekleidungen
aus Stahl-Sandwichelementen verfügen mit
ihren Elementinnenschalen aus Stahl ebenfalls
über eine luftdichte Ebene. Voraussetzung ist
die im Zuge der Montage vorzunehmende ausreichende Komprimierung der werkseitig eingebauten Dichtbänder entlang den Längsstoßausbildungen.
Ferner ist dafür zu sorgen, dass Anschlüsse
an Nachbargewerke wie Öffnungen und Wandaufbauten ebenfalls luftdicht hergestellt werden
(Abb. 6.33 und 6.34).
Abb. 6.31: Minderung von Wärmebrücken
zwischen Kassettenobergurt und Außenschale
(Quelle: G+H/SFS)
Abb. 6.32: Minderung von Wärmebrücken zwischen
Kassettenobergurt und Außenschale durch thermische
Trennscheiben
Dichtband
10 mm x 10 mm
Abb. 6.33: Sandwichwand – Herstellung der Luftdichtheit am Sockel
Abb. 6.34: Sandwichwand – Herstellung der Luftdichtheit in der Gebäudeecke
6.3.3 Forderungen an das
optische Erscheinungsbild
Mit dem Durchbruch der Stahlleichtbauweise am Markt sind auch die Anforderungen an
das optische Erscheinungsbild gestiegen (Abb.
6.35). Schon im Planungsstadium sollten deshalb einige Regeln beachtet werden, die die
Grundlage für das spätere Aussehen z. B. einer
Fassade bilden.
Eine der wichtigsten Aufgaben ist es, das
Raster zwischen Wandöffnungen und Bauteilbreiten so abzustimmen (Abb. 6.36), dass unschöne Fugenverläufe und Versätze vermieden
werden.
Bei horizontaler Verlegung von Bauelementen sollte auf Querstoßüberlappungen gänzlich
verzichtet und grundsätzlich eine Teilung durch
Lisenen vorgesehen werden. Dabei sollten die
Breiten der beidseitigen Schattenfugen mit Rücksicht auf die zulässigen Liefertoleranzen der Bauteile mindestens b = 15 mm betragen. Ebenso
sollten die Lisenen immer tiefer als die Bauteilhöhe geplant und ausgeführt werden, um systembedingte Unebenheiten in der Fläche der
außen liegenden Profilgurte nicht augenfällig
werden zu lassen (Abb. 6.37).
Bei der Verwendung von Stahl-Sandwichelementen als Wandbekleidung, die als Mehrfeldträger sichtbar auf der Unterkonstruktion befestigt sind, können sich während der Sommermonate deutlich sichtbare Vertiefungen in den
äußeren Deckschalen im Bereich der Verbindungselemente bleibend einstellen, die nicht zu
vermeiden sind (Abb. 6.38). Die Gründe liegen
in dem oben beschriebenen Verformungsver73
Dokumentation 588
Abb. 6.35: Gestaltung mit Stahlleichtbauelementen
Abb. 6.37: Horizontale Verlegung von Wellelementen
zwischen vertikal verlaufenden Lisenen
Abb. 6.36: Abstimmung der Fensteröffnung auf die Bauteilbreite
Abb. 6.38: Vertiefungen
in der Außenschale von
Sandwichelementen als
Folge einer Temperaturerhöhung auf T = +65,6 °C
unter Sonneneinstrahlung
74
halten von Sandwichkonstruktionen unter
Temperatureinfluss. Auch gelegentlich wahrnehmbare Knister- und Knackgeräusche, die
mehr oder minder störend wirken können, werden durch dieses Verformungsverhalten veranlasst. Dieser Geräuschbildung, die durch das
plötzliche Entlasten von Reibschlüssen zustande
kommt, kann man gegebenenfalls mit dem Einbau von Gleitebenen zwischen den Sandwichinnenschalen und den Auflagern begegnen.
Zugleich ist darauf zu achten, dass die Verbindungselemente symmetrisch angeordnet werden, um Relativverschiebungen zwischen benachbarten Elementen zu vermeiden. In diesen
Fällen ist auch eine Untersuchung des Verformungsverhaltens der Unterkonstruktion durchzuführen, da in der Regel hier die eigentliche
Ursache für die Geräuschbildung liegt.
Zum optischen Erscheinungsbild gehört
auch die Farbgebung, wofür die Hersteller
von Stahlleichtbauelementen eine reichhaltige
Palette unterschiedlicher Farbstoffe und Farbtöne anbieten (Abb. 6.39).
Bei großen Fassadenflächen sowie beim
Einsatz von Metallic-Lackierungen ist darauf zu
achten, dass das Vormaterial für die Bauteile aus
einer Beschichtungscharge kommt und die Bauteile in die gleiche Richtung verlaufend montiert werden, um unerwünschte Farb-, Helligkeits- und Glanzgradeffekte zu vermeiden. Ähnliches gilt es zu beachten bei der Auswahl der
Formteile, insbesondere dann, wenn bandbeschichtetes Material mit pulverbeschichteten
Bauteilen in einem Wandabschnitt verarbeitet
werden soll (Abb. 6.40).
6.3.4 Forderungen an den Schallschutz
Bei besonderen Anforderungen an den
Schallschutz kann in Stahlleichtbaukonstruktionen der Einsatz von alternativen Materialien mit
höherem Raumgewicht erforderlich werden.
Hierzu gehören Mineralfaserplatten höherer Rohdichte, Schallschluckplatten oder auch Gipsfaserplatten im Wandaufbau (Abb. 6.41) sowie
eine Bekiesung des Dachaufbaus.
Zur Verminderung der Weiterleitung von
Schall über den Baukörper (Körperschall) kann
es erforderlich sein, Dach- und Wandabschnitte
durch Fugen zu trennen, die gegebenenfalls auf
ähnliche Maßnahmen in Fundamenten und
Bodenplatten abzustimmen sind.
Ist ein spezielles und nachprüfbares Schalldämmmaß verbindlich gefordert, so ist vorab
zu klären, ob sich diese Forderung auf das Bauteil oder die Baukomponente allein oder auf
Abb. 6.39: Fassade in NSC-Farben, Natural Colour System
Abb. 6.40: Farb- und Helligkeitsunterschiede aus unterschiedlichem Blickwinkel bei gleichzeitigem Einsatz von
bandbeschichtetem und pulverbeschichtetem Material
Rw = 54 dB
Kassette
Dichtband
Mineralwolle
120 mm
ς = 50 kg/m3
Gipsfaserplatte
18 mm
Trapezprofil
Neopren/
APTK-Band
5 mm x 60 mm
Abb. 6.41: Kassettenwand mit einem bewerteten Schalldämmmaß von Rw = 54 dB
75
Dokumentation 588
Formstück
nach DIN 18234-3, 4.1,
für jede angeschnittene Rippe
Abb. 6.42: Formstücke nach DIN 18234-3, 4.1, zur Abschottung der Trapezprofilrippen an der Auswechslung für die
Dachöffnung
den verbauten Zustand bezieht. In jedem Fall
sind nur solche Konstruktionen auszuführen,
deren Schalldämmmaß im Rahmen von Versuchen geprüft und testiert worden ist. Weiterhin
ist darauf zu achten, dass bei der Anwendung
einer geprüften Konstruktion auch nur die
gleichen Baustoffe und auch nur von dem Hersteller zur Anwendung kommen dürfen, die im
Versuch eingesetzt worden sind.
6.3.5 Forderungen an den Brandschutz
Maßnahmen zur Erhöhung des Brandschutzes bei Leichtbaukonstruktionen haben vorrangig zum Ziel, die Brandweiterleitung durch die
Art und Ausbildung der Dach- und Wandkonstruktion zu begrenzen oder zumindest zu verzögern. Dazu dienen zum Beispiel die „harten
Bedachungen“ nach DIN 4102-7, deren Kriterien von den stählernen Deckschalen der Bauelemente bereits als erfüllt anzusehen sind. Auch
sind Wand- und Dachkonstruktionen in W- und
F-Klassifizierungen nach DIN 4102-2 und DIN
4102-3 möglich. Der bauliche Brandschutz großflächiger Dächer bei Brandbeanspruchung von
unten wird durch die DIN 18234 umfänglich
geregelt. Dabei sind auch Forderungen zu be76
achten, die weit über die Festlegung der DIN
18807 hinausgehen. Neben Abschnitten im Anschluss an Brandwände oder um Dachöffnungen
herum, in denen bisher schon nicht brennbares
Dämmmaterial vorgeschrieben war, sind nach
DIN 18234-3 nun auch Kanäle innerhalb der
Dach- oder Wandkonstruktion wirksam gegen die
Weiterleitung heißer Rauchgase abzuschotten.
Entsprechend müssen die offenen Querschnitte z. B. von Stahltrapezprofilen an ihren
Endauflagern im Bereich von Öffnungen oder
vor Brandwänden gegen die Weiterleitung der
Rauchgase abgeschlossen werden. Dies geschieht mit Hilfe von feuerfesten Formfüllern,
die in die Trapezprofilrippen unverschieblich
eingebaut werden (Abb. 6.42 und 6.43).
Eine Sonderstellung nimmt nach wie vor
das Sandwichelement mit stählernen Deckschalen und Kern aus Polyurethan-Hartschaum ein.
Die relativ schlechte Einstufung des Elementes
aufgrund des brennbaren PUR- Hartschaumkerns
spiegelt nicht das wahre Brandverhalten des
Elementes wider. Auf europäischer Ebene sind
seit langem Bestrebungen im Gange, durch geeignetere Methoden das Brandverhalten genauer zu prüfen und eine realistischere Einstufung des Elementes herbeizuführen. Die Arbeiten sind noch nicht abgeschlossen.
RWA-Aufsatzkranz
Dachabdichtung
nach DIN 18234-2
Thermische Trennung
Dichtbänder
Bohlenkranz (Holz)
bzw. Profil
als Futter
Einfassung
t ≥ 2 mm
Wärmedämmung
nach DIN 18234-3, 4.1
e < 500 mm
Statischer
Wechsel
Trapezprofil
Formstück
nach DIN 18234-3, 4.1
Abb. 6.43: Dachaufbau und Formstücke nach DIN 18234-3, 4.1, zur Abschottung gegen die Brandweiterleitung an der
Auswechslung für die Dachöffnung
6.4 Zusammenfassung
Leichtbaukonstruktionen aus Stahl setzen
neben den Tragsicherheitsnachweisen die den
Nachweis der Standsicherheit sowie eines ausreichenden Korrosionsschutzes zum Inhalt
haben, auch Nachweise zur Gebrauchstauglichkeit voraus. Hierzu zählen die Herstellung der
Dichtheit der Gebäudehülle gegen Niederschlag,
die Erfüllung eines ausreichenden Wärme- und
Feuchteschutzes sowie ein ansprechendes
optisches Erscheinungsbild der das Gebäude
umfassenden Flächen. Darüber hinaus können
nutzungsabhängig Forderungen an Schall- und
Brandschutz zu erfüllen sein.
77
im Stahl-Zentrum
Postfach 10 48 42 · 40039 Düsseldorf
Sohnstraße 65 · 40237 Düsseldorf
E-Mail: [email protected] · www.stahl-info.de

Dach- und Fassadenelemente aus Stahl - stahl

Transcription

Similar documents

and storage hangars

Amtsblatt für den Landkreis Elbe

LCP Anterolaterale Distale Tibiaplatte 3.5. Das anatomisch vor ge

Sandwichelemente

thema FORSCHUNG 1/2006 - Technische Universität Darmstadt

Referenzliste 2013

BINE-Projektinfo 07/2013 - BINE Information Service

Endfassung Rahmenempfehlung April 09

FESI Dokument A6 FESI Document A6 Akustik in der Industrie

Aktueller Stand der DIN EN 13480-3 - Bilfinger Piping Technologies

Fenstersystem isowand integral FSI

Für die Zukunft gut gerüstet

Losberger Hallen und Zelte

Ihre Herausforderungen. Unsere Lösungen. Losberger.