Fassadenelemente für Hybridbauweisen

Bauphysik

Im Rahmen der bauphysikalischen Untersuchungen wurden Detaillösungen in Abhängigkeit der baurechtlichen Anforderungen an den Wärme-, Feuchte-, Brand- und Schallschutz unter Berücksichtigung der unterschiedlichen stofflichen und bauphysikalischen Eigenschaften von Holz und Stahlbeton entwickelt.

Wärme- und Feuchteschutz

Innerhalb des Projektes wurden die Mindestanforderungen nach DIN 4108 geprüft und die Umsetzbarkeit der EnEV 2014 bzw. die Umsetzung höherer energetischer Bauqualitäten (Niedrigstenergie) diskutiert. Besonderes Augenmerk lag auf der Wärmebrückendiskussion an den Bauteilübergängen zwischen dem Massiv- und Holzbau, die im Weiteren an einem Beispiel vorgestellt wird. Alle relevanten bauphysikalischen Grundlagen können aus dem umfangreichen Abschlussbericht bzw. dem Konstruktionskatalog entnommen werden.

Grundlagen

Für die Bewertung des Wärme- und Feuchteschutzes (nach DIN 4108, insbesondere DIN 4108-28191 bzw. EnEV 20142 werden primär die Wärmedurchgangskoeffizienten der wärmeübertragenden Umfassungsfläche des Gebäudes ermittelt. Ferner wird der Dämmstandard der konstruktiven und materiellen Wärmebrücken, die durch wechselnde Bauteilschichten und/oder Bauteilanschlüsse entstehen, beeinflusst. Nach DIN 4108 Beiblatt 23 werden Planungs- und Ausführungsbeispiele für standardisierte Bauteilanschlüsse des Holz- und Massivbaus gegeben. Hybride Bauweisen sind dabei unterrepräsentiert, weshalb es eines der Projektziele war, einen Wärmebrückenkatalog für Standardausführungen in Hybridbauweise zu entwickeln.

Vor diesem Hintergrund wurden zunächst die Anforderungen an den Wärme- und Feuchteschutz nach DIN 4108 geprüft und nachgewiesen. Die projektspezifischen Bau-

teilaufbauten sollen dabei den Dämmstandard für Niedrigstenergiegebäude erfüllen (z.B. UAW ≤ 0,16 W/m²K).

Zur allgemeinen Bewertung der Wärmebrücken und deren Optimierungspotential wurden anhand von Referenzprojekten insgesamt elf Variantenuntersuchungen für Dach-Decken-, Wand-Decken- und Wand-Bodenplattenanschlüsse durchgeführt. Eine Sammlung an Referenzprojekten diente dem Projekt zum Aufzeigen des aktuellen Stands und der Variantenuntersuchung als Basisdetails. Für die Berechnung der zweidimensionalen Wärmebrücken wurde die Open Source Software THERM 7.3 des Lawrence Berkeley National Laboratory herangezogen. Der außenmaßbezogene Wärmedurchgangskoeffizient ψe wurde für die Parameterstudie nach DIN EN ISO 102114, DIN EN ISO 133705, DIN EN ISO 137896 berechnet.

Parameterstudie

Abbildung 6 veranschaulicht die Varianten der Parameterstudie zu den Wärmebrücken. Hierbei werden die vertikalen Anschlüsse Außenwand-Flachdach, Außenwand-Geschossdecke und Sockelanschluss genauer betrachtet und hinsichtlich der Einflüsse unterschiedlicher Dämmstärken, Einstellgrade und Bauteilaufbauten bewertet.

Abbildung 6: Varianten Parameterstudie Wärmebrücken (Eigene Darstellung)

Dabei sind Bauteiländerungen und wichtige Konstanten der Anschlussdetails (farblich) gekennzeichnet. Teilweise geben Richtungspfeile den Änderungsprozess vor. Es ist zu beachten, dass die gewählten Dämmdicken von den in der Praxis gängigen Dicken abweichen. Die marktspezifischen

Dämmdicken wurden zunächst nicht berücksichtigt, da es das primäre Ziel der Variantenuntersuchungen ist, einen direkten Vergleich von unterschiedlichen Dämmlagen und Dämmdicken herzustellen und Verbesserungspotentiale quantitativ beschreiben zu können.

Ergebnisse

In Abb. 7 findet sich ein Beispiel der Parameterstudie. Es geht deutlich hervor, dass sich mit Verbesserung des U-Wertes ein schlechterer längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient ψe einstellt. Allerdings nimmt die Dämmdicke d1 der Installationsebene darauf keinen signifikanten Einfluss. Bei einer Verbesserung des U-Wertes um 11 % (von 0,137 auf 0,122 W/m²K) verschlechtert sich ψe lediglich um 3,5 % (von 0,058 auf 0,060 W/mK). Demnach kann die Dämmdicke d1 der Installationsebene bei hochgedämmten, vorgestellten Außenwänden nach planerischen Gesichtspunkten gewählt werden. Schallschutztechnische Gesichtspunkte spielen dabei eine wesentliche Rolle.

Abbildung 7.1: Parameterstudie Wärmebrückeneinfluss der Installationsebene: Anschlussdetail
Abbildung 7.2: Parameterstudie Wärmebrückeneinfluss der Installationsebene: U-Wert in Abhängigkeit der Dämmdicke d1 (links); Wärmedurchgangskoeffizient ψe in Abhängigkeit der Dämmdicke d1 (rechts)

Grundsätzlich sollten die Abweichungen vom Regelaufbau so gering wie möglich gehalten werden. Das bedeutet, dass einbindende Bauteile durch geeignete Maßnahmen den gleichen Wärmeschutz aufweisen sollten wie die wärmeübertragende Umfassungsfläche. Um die Wärmebrückenwirkung und die Gefahr von Tauwasserausfall im Bauteilinneren gering zu halten, sollten allerdings nicht mehr als

20 % der Gesamtdämmstärke auf der zum Innenraum gerichteten Seite der Luftdichtheitsebene – d.h. in der Installationsebene – liegen (vgl. DIN EN ISO 10211, 2008)4. Um den Wärmebrückeneinfluss möglichst gering zu halten, sollte versucht werden, die Deckeneinbindung durchgängig zu überdämmen.

Schallschutz

Innerhalb des Projektes wurden die Mindestanforderungen nach DIN 4109 und weitergehende privatrechtliche Anforderungen nach VDI 4100 geprüft und anhand von Parameterstudien sowie Rechenbeispielen die erreichbaren Schallschutzstandards aufgezeigt. Besonderes Augenmerk wurde auf die Flankenschallübertragung der Hybridanschlüsse gelegt. Fehlende schallschutztechnische Kennwerte wurden ein umfangreiches Versuchsprogramm ermittelt.

Grundlagen

Der Schallschutz ist ein wesentliches Kriterium, um ein gesundes Wohn- und Arbeitsumfeld gewährleisten zu können. Eine zunehmende Verdichtung und eine hohe Außenlärmbelastung in Innenstädten verleihen diesem Thema immer größere Wichtigkeit. Der Mindestschallschutz in Form von Zielwerten und Nachweisverfahren ist unabhängig von der Bauweise in der nationalen Norm DIN 41097 für den Schallschutz gegen Außenlärm und im Gebäudeinnern je nach Wohn- oder Arbeitsbereich und je nach Bauteil festgelegt. Momentan wird die geltende Norm aus dem Jahr 1989 durch eine Nachfolgernorm aus dem Jahr 2016 ersetzt, welche bereits als Grundlage für dieses Projekt diente.

Als Kenngrößen zur Quantifizierung des Schallschutzes werden das bewertete Bau-Schalldämmmaß R'w für den Luftschallschutz sowie der bewertete Norm-Trittschallpegel L'n,w für den Trittschallschutz herangezogen. Erhöhte Richtwerte für einen erhöhten Schallschutz für den Wohnungsbau können der Richtlinie VDI 41008 entnommen werden. Das Nachweisverfahren kann mittels Berechnung, Tabellenverfahren, Beispielwerten aus Referenzprojekten oder eigener Messungen erfolgen. Die Kenngrößen stellen den direkten Weg der Schallübertragung dar, d.h. Anteile aus Flankenübertragungen über die flankierenden Bauteile hinweg werden mitberücksichtigt.

Prüfvarianten

Eingangsgrößen für die Berechnung können den Beispielsammlungen Beiblatt 1 DIN 41099 bzw. E DIN 4109-3210 und -3311 entnommen werden, wobei Kenngrößen für Flankenschalldämmung und Stoßstellen zwischen leichten und schweren Bauteilen nur in Einzelfällen vorliegen. Alternativ können messtechnische Nachweise entsprechend EN ISO 1014012 oder EN ISO 1084813 herangezogen werden.

In Summe wurden 15 Messungen der horizontalen und 24 Messungen der vertikalen Flankenschalldämmung sowie Zusatzmessungen der Stoßstellendämmung und Trittschallübertragung an eingestellten und vorgestellten Fassadenelementen mit und ohne Vorsatzschale durchgeführt.  

Abbildung 8: Vorgestellte Variante ohne Vorsatzschale (links) / mit Vorsatzschale (mitte), teilweise eingestellte Variante (rechts)

Ergebnisse

Nachfolgend wird beispielhaft ein Vergleich der vertikalen Flankenschalldämmung zwischen einer vorgestellten Variante mit und ohne Installationsebene gezeigt.

Abbildung 9: Vorgestellte Variante mit und ohne Installationsebene

Das Beispiel zeigt, dass eine direkt auf dem Kernelement aufgebrachte Installationsebene die Norm-Flankenpegeldifferenz Dn,f,w um 15 dB verbessert.

Die Messungen zur Flankenschallübertragung ergaben, dass die Hybridbauweise die Anforderungen der DIN 41097 sowie den Schallschutzstufen SSt I und SSt II nach VDI 41008 erfüllt.
Im Falle der vorgestellten Fassade ist der Einsatz einer Vorsatzschale erforderlich. Eine luftdichte Ausführung wird vorausgesetzt Die Zielwerte der Schallschutzstufe SSt III nach

VDI 41008 können nur in Einzelfällen erreicht werden. Hierbei ist eine entsprechend hochschalldämmende Ausführung der Trennbauteile mit Rw ≥ 71 dB erforderlich.

Das bewertete Bau-Schalldämmmaß eines Trennbauteils inklusive Nebenwege R‘w wird gemäß DIN 41097 aus dem bewertetem Schalldämm-Maß Rw und dem bewerteten Flankendämm-Maß Rij,w bei Berücksichtigung aller Nebenwege berechnet. Ein Rechenbeispiel inklusive Umrechnungen ist in der Grundlagenfassung enthalten.

Brandschutz

Innerhalb des Projektes wurden die Mindestanforderungen an den Brandschutz gemäß MBO ermittelt und anhand von normativen Berechnungsmethoden die brandschutztechnisch wirksamen Bauteilaufbauten bestimmt. Besonderes Augenmerk wurde auf die Brandweiterleitung im Anschlussbereich gelegt. Zur Bewertung wurden Brandversuche herangezogen, die im Rahmen des Forschungsprojektes „SmartTES“ durchgeführt worden sind.

Grundlagen

Ein wichtiger Aspekt ist die nichttragende Eigenschaft der Außenwandelemente, die eine Anwendung der Holzbauelemente nach bauordnungsrechtlichen Vorgaben bis zur Hochhausgrenze (Höhe oberster Geschossfußboden gegenüber mittlerer Geländehöhe ≤ 22 m), d.h. bis zu acht Geschossen, ermöglicht. Der Anwendungsbereich ergibt

sich in Deutschland aus der Muster-Bauordnung (MBO) bzw. den jeweiligen Landesbauordnungen. Trotz nichttragender Funktion müssen die Elemente, bezogen auf den Brandfall, Eigen- und Windlasten geschossweise in das Tragwerk übertragen, sodass die Außenwände über dem Brandgeschoss an ihrem Ort verbleiben.

Abbildung 10: Einteilung Gebäudeklassen gemäß MBO

Anschlüsse

Die Anforderungen an Anschlusssituationen ergeben sich aus den §§ 29, 31 MBO14, nach denen Trennwände als raumabschließende Bauteile von Räumen oder Nutzungseinheiten und Decken als tragende und raumabschließende

Bauteile zwischen Geschossen im Brandfall eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen die Brandausbreitung und Standsicherheit aufweisen müssen.

Abbildungen 11.1: Brandschutztechnische Anforderungen im Anschlussbereich in der Gebäudeklasse 5

Nach § 28 MBO14 muss der Anschluss der nichttragenden Außenwandelemente derart ausgeführt werden, dass eine Brandausbreitung auf und in diesen Bauteilen ausreichend lang begrenzt ist. Durch eine fiktive Verlängerung der brandschutztechnisch wirksamen Schichten der Decken wird der Anschlussbereich gebildet und die Anforderungen der Deckenkonstruktion in den Bereich der Außenwand übertragen (siehe Abb. 11.1 + 11.2).

Abbildungen 11.2: Detail A

Zur Bewertung der Anschlussdetails wird Bild A.2 DIN 1992-1-215 herangezogen, welches Temperaturprofile innerhalb einer einseitig beanspruchten Betondecke mit einer Dicke von 200 mm darstellt. Nach 90 Minuten Brandbeanspruchung von der Unterseite liegt die 300°-Isotherme in Tiefe x = 54 mm. Der Isothermenverlauf zeigt, dass die auf der Betonrohdecke angeordneten Stahlwinkel noch im kalten Bereich liegen, und damit eine ausreichende Feuerwiderstandsfähigkeit in Bezug auf die Standsicherheit der über dem Brandgeschoss befindlichen Fassadenelemente erreicht wird.

Die maßgebliche Dicke der Fassadenelemente ergibt sich aus wärmeschutztechnischen Anforderungen. In Abhängigkeit der Art und Anordnung der Dämmstoffe (siehe Abb. 11.2) werden Feuerwiderstandsdauern von 30 bis 90 Minuten erreicht. Zum Beispiel erhält man nach der Berechnungsmethode nach DIN EN 1995-1-216 unter Zugrundelegung des nachfolgend beschriebenen Aufbaus des Kernelementes in Holzrahmenbauweise (15 mm OSB gemäß EN 30017, 140 mm Steinwolle gemäß EN 1316218, ρ = 26 kg/m³, 15 mm MDF gemäß EN 62219) einen Feuerwiderstand ≥ 60 Minuten (Kriterien EI).

Zur Sicherstellung der Rauchdichtigkeit wird die objektbezogene Fuge u.a. mit Mineralfaserdämmung aus Steinwolle (Schmelzpunkt ≥ 1000°C gemäß DIN 4102-1720 ausgebildet und beidseitig mit einer luft- bzw. rauchdichten Abklebung

versehen. Bei unter- oder oberseitiger Brandbeanspruchung befindet sich immer eine Abdichtungsebene im kalten Bereich. Der Funktionserhalt der Luft- und Rauchdichtigkeit ist dadurch gewährleistet.

Für den Fall, dass die Fassadenelemente vor dem Erreichen der Feuerwiderstandsdauer der Trenndecke (siehe Abb. 11.2) im Brandgeschoss versagen, muss nicht nur sichergestellt sein, dass die Kernelemente oberhalb des Brandgeschosses vor Ort verbleiben, sondern auch das brandbeanspruchte Element im Stirnbereich der Decke.

Die Lagesicherung wird durch die Verbindung der inneren und äußeren Bekleidung des Kernelementes jeweils mit dem Rähm des unteren und der Schwelle der oberen Elemente hergestellt.

1 DIN 4108-2 (2013). Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. Deutsches Institut für Normung e.V. Berlin.

2 EnEV 2014. (2007). Energieeinsparverordnung vom 24. Juli 2007 (BGBl. I S. 1519), die zuletzt durch Artikel 1a des Gesetzes vom 4. Juli 2013 (BGBl. I S. 2197) geändert worden ist. Bundesrepublik Deutschland, 24.07.2007.

3 DIN 4108 Beiblatt 2. (2006). Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Wärmebrücken – Planungs- und Ausführungsbeispiele. Deutsches Institut für Normung e.V. Berlin.

4 DIN EN ISO 10211. (2008). Wärmebrücken im Hochbau – Wärmeströme und Oberflächentemperaturen – detaillierte Berechnung. Deutsches Institut für Normung e.V. Berlin.

5 DIN EN ISO 13370. (2008). Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden - Wärmeübertragung über das Erdreich - Berechnungsverfahren (ISO 13370:2007). Beuth-Verlag, Berlin.

6 DIN EN ISO 13789. (2008). Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – spezifischer Transmissions- und Lüftungswärmeverlustkoeffizient – Berechnungsverfahren. Deutsches Institut für Normung e.V. Berlin.

7 DIN 4109-1. (2016). Schallschutz im Hochbau - Teil 1: Mindestanforderungen. Beuth-Verlag, Berlin.

8 VDI 4100. (2012). Schallschutz im Hochbau, Wohnungen, Beurteilung und Vorschläge für erhöhten Schallschutz. Beuth-Verlag, Berlin.

9 DIN 4109. (1989). Schallschutz im Hochbau, Anforderungen und Nachweise. Bbl-1: Ausführungsbeispiele und Rechenverfahren, Bbl-2: Hinweise für die Planung und Ausführung. Berlin: Deutsches Institut für Normung e.V.

10 DIN 4109-32. (2016). Schallschutz im Hochbau - Teil 32: Eingangsdaten für den rechnerischen Nachweis des Schallschutzes (Bauteilkatalog) – Massivbau. Berlin: Deutsches Institut für Normung e.V.

11 DIN 4109-33. (2016). Schallschutz im Hochbau - Teil 33: Eingangsdaten für den rechnerischen Nachweis des Schallschutzes (Bauteilkatalog) - Holz-, Leicht- und Trockenbau, flankierende Bauteile. Berlin: Deutsches Institut für Normung e.V. Berlin.

12 DIN EN ISO 10140. (2010). Akustik - Messung der Schalldämmung von Bauteilen in Prüfständen; Teil 1: Anwendungsregeln für bestimmte Produkte, 2014-09; Teil 2: Messung der Luftschalldämmung, 2010-12; Teil 3: Messung der Trittschalldämmung, 2010-12; Teil 4: Messverfahren und Anforderungen, 2010-12; Teil 5: Anforderungen an Prüfstände und Prüfeinrichtungen, 2010-12. Berlin: Deutsches Institut für Normung e.V.

13 DIN EN ISO 10848. (2006). Messung der Flankenübertragung von Luftschall und Trittschall zwischen benachbarten Räumen in Prüfständen. Teil 1:  Rahmendokument. Teil 2: . Anwendung auf leichte Bauteile, wenn die Verbindung einen Einfluss hat. Teil 3:  Anwendung auf leichte Bauteile, wenn die Verbindung wesentlichen Einfluss hat. Berlin: Deutsches Institut für Normung e.V.

14 Musterbauordnung. (2012). In der Fassung vom 1. November 2002, Zuletzt geändert durch den Beschluss vom 21. September 2012. Bundesrepublik Deutschland

15 DIN EN 1992-1-2. (2010). Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken - Teil 1-2: Allgemeine Regeln - Tragwerksbemessung für den Brandfall. Beuth Verlag, Berlin.

16 DIN EN 1995-1-2. (2010). Bemessung und Konstruktion von Holzbauten - Teil 1-2: Allgemeine Regeln - Tragwerksbemessung für den Brandfall. Beuth Verlag, Berlin.

17 DIN EN 300. (2006). Platten aus langen, flachen, ausgerichteten Spänen (OSB) - Definitionen, Klassifizierung und Anforderungen. Beuth Verlag, Berlin.

18 DIN EN 13162. (2015). Wärmedämmstoffe für Gebäude - Werkmäßig hergestellte Produkte aus Mineralwolle (MW) – Spezifikation. Beuth Verlag, Berlin.

19 DIN EN 622-1. (2003). Faserplatten - Anforderungen - Teil 1: Allgemeine Anforderungen; Deutsche Fassung EN 622-1:2003. Beuth Verlag, Berlin.

20 DIN 4102-14. (1990). Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen; Bodenbeläge und Bodenbeschichtungen; Bestimmung der Flammenausbreitung bei Beanspruchung mit einem Wärmestrahler. Beuth Verlag, Berlin.

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