Schadensrisiko bei Ziegel-Außenbauteilen durch Niederschlag und Frosteinwirkung

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1 Feuchtetag `99 Umwelt Meßverfahren Anwendungen 7./8. Oktober 1999, BAM, Berlin DGZfP-Berichtsband BB 69-CD Vortrag U4 Schadensrisiko bei Ziegel-Außenbauteilen durch Niederschlag und Frosteinwirkung K. Sedlbauer, M. Krus, Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Holzkirchen Kurzfassung Am Beispiel einer verputzten und einer stirnsichtigen Ziegelwand wird das Risiko einer Schädigung durch Frost-Tauwechsel untersucht. Dazu wird mit Hilfe eines validierten Feuchte- und Wärmetransportberechnungsprogramms der Einfluß des Wandaufbaus, der Ausrichtung und verschiedener Klimadatensätze auf die Anzahl der Nulldurchgänge und die dabei auftretenden Wassergehalte bestimmt. Durch Vergleich mit im Labor ermittelter Schadensanfälligkeit des Baustoffes läßt sich auf diese Weise das Schadensrisiko abschätzen. 1. Einleitung Jedes Bauprodukt und Bauwerk unterliegt im Laufe seines Lebens der Alterung. Dies führt im unkritischen Fall zu optischen Beeinträchtigungen wie Farb- und Helligkeitsdifferenzen oder Verschmutzungen an der Oberfläche. Sind aber Eigenschaften der Bauteile vom Alterungsprozeß betroffen, die zu deren Hauptanforderungen gehören, so kann eine Einschränkung der Gebrauchstauglichkeit die Folge sein. Man spricht dann von einem Schaden. Ein typisches und häufig auftretendes Beispiel eines Schadensfalles stellen Frostschäden dar. Das Vorhandensein von Feuchte ist eine entscheidende Voraussetzung für das Entstehen von Frostschäden. An verschiedenen Außenwänden sind in der Freilandversuchsstelle Holzkirchen nach dem Winter 1998/99 starke Frostschäden, in Form von flächigen Abplatzungen mit einer Dicke von bis zu 2 cm festgestellt worden (Bild 1). Diese Beobachtungen bildeten den Anlaß für die im folgenden beschriebenen Untersuchungen. DGZfP-Berichtsband BB 69-CD 1 Vortrag U4

2 Bild 1: Fotografische Aufnahme eines Beispiels von flächigen Absprengungen an einer Westwand aus beschichtetem Porenbeton im Gelände der Freilandversuchsstelle Holzkirchen des IBP nach dem Winter 1998/ Zielsetzung und Vorgehensweise Mit Hilfe von Berechnungen mit dem PC-Programm WUFI [1] sollen beispielhaft an Wandaufbauten mit verputztem Ziegel und Ziegelsichtmauerwerk der Einfluß der Ausrichtung der Wand und in Holzkirchen gemessener Klimadaten verschiedener Jahre auf den Feuchtehaushalt ermittelt werden. Betrachtet wird dazu die berechnete Anzahl der Nulldurchgänge im Profil pro Winterhalbjahr sowie die dabei vorhandenen entsprechenden Wassergehalte für verschiedene Jahre und Ausrichtungen. Unter Verwendung von aus der Literatur entnommenen Meßergebnissen kann damit ein Schadensrisiko für Frostschäden an Ziegelmauerwerk abgeschätzt werden. 3. Wärme- und feuchtetechnische Berechnungen Die wärme- und feuchtetechnischen Berechnungen für diese Arbeit erfolgen mit dem PC-Programm WUFI [1], das am Fraunhofer-Institut für Bauphysik entwickelt wurde. Die erforderlichen Materialkennwerte stammen aus der WUFI-Materialdatenbank und der Publikation [2]. Für die vergleichenden Berechnungen werden sowohl die Wetterdaten des Jahres 1991, die bisher als Referenzzyklus für wärme- und feuchtetechnische Berechnungen verwendet wurden, und die der Jahre 1992 und 1995 als auch des Winters 1998/99 mit seinen gehäuft aufgetretenen Schäden ausgewählt. DGZfP-Berichtsband BB 69-CD 2 Vortrag U4

3 Für die Berechnungen werden die folgenden Wandaufbauten zugrundegelegt: - verputztes Ziegelmauerwerk aus 37 cm porosierten Hochlochziegeln mit 2 cm dicken Kalkzementaußenputz und innenseitig 1,5 cm dicken Gipsputz. - zweischaliges Ziegelmauerwerk mit einer Außenschale von 1 cm, einer Innenschale von 24 cm und einer Kerndämmung mit 8 cm Mineralwolle. 3.1 Einfluß unterschiedlicher Ausrichtung Die Auswirkung der unterschiedlichen Himmelsrichtungen wird beispielhaft am verputzten Ziegelmauerwerk unter Verwendung der Holzkirchner Wetterdaten von 1991 untersucht. Es wurden für jede Himmelsrichtung Berechnungen mit identischen Randbedingungen durchgeführt. Als einziger Parameter wurde die Ausrichtung der Wand variiert. In Bild 2 oben ist die Summe der Nulldurchgänge in den jeweiligen Schichten über die Tiefe angetragen. Bei Ausrichtung nach Süden und Westen ergeben sich in den ersten 5 cm identisch hohe Werte. Auf der Ostseite sind ca. 15% weniger Nulldurchgänge zu verzeichnen. Die wenigsten Nulldurchgänge, nur ca. 75% der Westseite, gibt es bei einer nach Norden ausgerichteten Wand. Da es auf dieser Seite fast keine Strahlungsgewinne zu verzeichnen gibt, fallen die kurzen Tauperioden und damit auch die Nulldurchgänge in den Mittagsstunden weg. Bild 2 Mitte zeigt den Verlauf der Froststunden über die Bauteiltiefe. Hier ergeben sich aus dem oben genannten Grund auf der Nordseite die meisten Froststunden. Sie nehmen den bis zu 1,15-fachen Wert der Westseite an. Die wenigsten Froststunden gibt es auf der Südseite. Grund dafür sind die hohen Strahlungsgewinne. Die Werte der Ost- und Westseite verlaufen nahezu identisch zwischen den Kurven der beiden anderen Ausrichtungen. In Bild 2 unten ist der durchschnittliche lokale auf die freie Wassersättigung bezogene Wassergehalt zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs dargestellt. Man erkennt, daß auf der Westseite eindeutig die höchsten Feuchtegehalte vorliegen. Dies ist mit der stärkeren Schlagregenbeanspruchung auf der Westseite durch die in Holzkirchen häufig auftretenden Westwinde zu erklären. Die drei anderen Ausrichtungen liegen bei etwa 3-5% des Wassergehalts der Westseite, wobei die nach Osten gerichtete Wand die geringsten Wassergehalte aufweist. Es ist festzustellen, daß die nach Westen ausgerichtete Wand eindeutig diejenige mit der stärksten Beanspruchung ist. Nulldurchgänge und Wassergehalt erreichen hier ihre maximalen Werte. Die etwas größere Anzahl von Froststunden auf der Nordseite ist für Schäden durch Frost-Tau-Wechsel aufgrund der niedrigeren Wassergehalte unerheblich. Bei den weiteren Untersuchungen der verschiedenen Wandaufbauten und Wetterdaten wird daher immer von einer Westwand ausgegangen, um die am stärksten belastete Seite zu betrachten. DGZfP-Berichtsband BB 69-CD 3 Vortrag U4

4 Feuchtetag `99, Umwelt Meßverfahren Anwendungen, Berlin, 1999 Nulldurchgänge [-] Westen Norden Osten Süden Außenluft 3 Froststunden [h] 2 1 Mittleres u/u f bei Frost-Tauwechsel [%] Tiefe [cm] Bild 2: Vergleich der Auswirkungen unterschiedlicher Ausrichtungen einer Wand am Beispiel des verputzten Ziegelmauerwerks mit Wetterdaten von Dargestellt werden die Nulldurchgänge (oben), die Froststunden (Mitte) und der durchschnittliche auf die freie Wassersättigung bezogene Wassergehalt zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs (unten) über die Tiefe. 3.2 Einfluß unterschiedlicher Klimajahre Die Anzahl der Nulldurchgänge sowie der Froststunden im Bauteilprofil der Ziegelmauerwerke zeigt Bild 3 oben bzw. Mitte für die o.g. Holzkirchner Klimadatensätze. Die bei diesen Nulldurchgängen in entsprechender Bauteiltiefe herrschende Feuchte zeigt das untere Diagramm in Bild 3. Die Anzahl der Nulldurchgänge nimmt beim zweischaligen Sichtmauerwerk (rechts oben) in der Außenschale geringfügig, im Dämmstoff dann sehr stark ab. Dies ist mit der niedrigen Wärmeleitfähigkeit (,4 W/mK) des Dämmstoffs zu erklären. Im Gegensatz dazu zeigt sich beim verputzten Mauerwerk (links oben) eine deutlichere nahezu lineare Abnahme über das Bauteilprofil. Ab einer Tiefe von ca. 15 cm gibt es nur noch wenige Nulldurchgänge. Die Anzahl der Froststunden nimmt beim verputzten Mauerwerk kontinuierlich ab (Mitte links), wogegen die thermisch ziemlich entkoppelte Außenschale der zweischaligen Wand diesbezüglich fast keine Tiefenabhängigkeit zeigt (Mitte rechts). DGZfP-Berichtsband BB 69-CD 4 Vortrag U4

5 Feuchtetag `99, Umwelt Meßverfahren Anwendungen, Berlin, 1999 Verputztes Ziegelmauerwerk Zweischaliges Ziegelmauerwerk Anzahl Frost-Tauwechsel [-] /99 Anzahl Frost-Tauwechsel [-] / Luft Putz Ziegelmauerwerk Luft Außenschale MW-Dämmung Froststunden [h] 2 1 Froststunden [h] 2 1 Mittleres u/u f bei Frost-Tauwechsel [%] Tiefe [cm] Mittleres u/u f bei Frost-Tauwechsel [%] Tiefe [cm] Bild 3: Dargestellt sind die Nulldurchgänge (oben), die Froststunden (Mitte) und der durchschnittliche, auf die freie Wassersättigung bezogene Wassergehalt zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs (unten) jeweils über die Tiefe für verputztes Ziegelmauerwerk (links) und Sichtmauerwerk aus Ziegel (rechts). Die größten Unterschiede zwischen beiden Wandaufbauten zeigen sich bezüglich des mittleren Wassergehaltes während der Froststunden. Beim verputzten Mauerwerk treten an der Grenze zwischen Putz und Ziegel die höchsten Wassergehalte auf (unten links) mit einem auf die freie Wassersättigung bezogenem maximalen Wert von 6%. Der angrenzende Ziegel erreicht im Winter 98/99 die höchsten Werte, die aber 4% nicht überschreiten. Beim Sichtmauerwerk ergibt sich ein anderes Bild (rechts unten). Aufgrund der guten Trocknungsmöglichkeit ergeben sich außen die niedrigsten Wassergehalte. Nach Innen kann der Ziegel wegen der fehlenden Kapillarleitfähigkeit der Mineralwolle nur über Diffusion trocknen. Der Wassergehalt steigt deshalb von Außen nach Innen kontinuierlich an und erreicht im Winter 98/99 an der Grenze zur Mineralwolle einen Wert von über 8% bezogen auf die freie Sättigung (in der hydrophoben Mineralwolle ist keine freie Sättigung definiert, weshalb in Bild 3 unten rechts für diesen Bereich keine Werte angegeben sind). Bei beiden Wandaufbauten zeigen sich deutliche Unterschiede im Vergleich der bei der Berechnung verwendeten unterschiedlichen Holzkirchner Klimadaten. Die höchsten Werte für den Ziegel bezüglich Nulldurchgänge und Froststunden liefert die Rechnung mit dem Holzkirchner Jahr 1991, die niedrigsten mit dem Jahr Bei Verwendung der meteorologischen Daten des Winters 1998/99 ergeben sich die höchsten Wassergehalte während der Nulldurchgänge. DGZfP-Berichtsband BB 69-CD 5 Vortrag U4

6 4. Schadensrisiko Frühere Untersuchungen zur feuchteabhängigen Frostschädigung zeigen, daß das Risiko einer Schädigung durch Frost-Tau-Wechsel bei höherer Wassersättigung stark ansteigt [3, 4]. Für die weiteren Untersuchungen hinsichtlich des Schadensrisikos werden die Wetterdaten des Winter 1998/99 verwendet, da diese zu extremen, aber durchaus realistischen Werten der Temperatur und des Wassergehalts im Ziegelmauerwerk führen. 1 Anzahl der Frost-Tau-Wechsel u / u f bei Frost-Tau-Wechseln Risikofunktionen verschiedener Ziegel Ziegel verputzt Ziegel unverputzt Bild 4: Risikofunktion für verschiedene Ziegelarten und Vergleich mit Werten, die in Holzkirchen aufgetreten sind. Im Bereich rechts oberhalb der entsprechenden Risikofunktionen ist mit dem Auftreten von Frostschäden zu rechnen. Nach [5] können zur Frostwiderstandsfähigkeit von Ziegeln Risikofunktionen für verschiedene Ziegelarten angegeben werden. In Bild 4 sind die Funktionen für ausgewählte Ziegel dargestellt. Die Kurven sind durch Versuche im Labor ermittelt worden. Dafür war es erforderlich, die Steine zu befeuchten und anschließend zu lagern, damit sich die Feuchte gleichmäßig im Ziegel verteilen kann. Danach wurde der Wassergehalt des Steins bestimmt und dieser so vielen Frost-Tau-Wechseln ausgesetzt bis Schäden sichtbar waren. Eine Wiederholung des Procederes fand für unterschiedliche Wassergehalte und weitere Ziegelarten statt. Dieselben Versuche wurden mit anderen Ziegelarten wiederholt. Die eingezeichneten Risikofunktionen entstanden durch das Auftragen der Anzahl der Frost-Tau-Wechsel, ab der Schäden auftraten, über dem auf die freie Wassersättigung bezogenen Wassergehalts bei dem die Versuche durchgeführt wurden. Das Material Ziegel, mit den vielen daraus gefertigten Produkten mit großen Unterschieden in den Materialeigenschaften, liefert innerhalb der Materialgruppe große Differenzen bezüglich der Frostbeständigkeit und damit deutlich unterschiedliche Risikofunktionen. DGZfP-Berichtsband BB 69-CD 6 Vortrag U4

7 In Bild 4 wurden die für Holzkirchen ermittelten Werte der beiden Ziegelwände mit eingetragen. Liegen die errechneten Werte Bereich rechts oberhalb der entsprechenden Risikofunktionen, ist mit Frostschäden zu rechnen. Liegen die Werte dagegen deutlich links davon, kann davon ausgegangen werden, daß keine Frostschäden auftreten. Die Werte aus Holzkirchen liegen für das verputzte Ziegelmauerwerk links neben den Risikofunktionen. Das heißt, es sind, auch bei der Annahme, daß der Ziegel mit den ungünstigsten Werten verwendet wurde, keine Frostschäden zu erwarten. Dies wird dadurch bestätigt, daß an der vorhandenen Ziegelmauer im Freigelände bis jetzt noch keine Schäden aufgetreten sind. Beim Ziegelsichtmauerwerk hingegen erkennt man, daß die Auswahl eines geeigneten Ziegelmaterials entscheidend für das Schadensrisiko ist. 5. Zusammenfassung und Schlußfolgerung Frostschäden treten vor allem dann auf, wenn feuchte Bauteile häufigen Frost-Tau- Wechseln ausgesetzt sind. Die Beobachtung, daß gerade in milden niederschlagsreichen Wintern - so auch im Winter 98/99 - Frostschäden gehäuft auftreten, bestätigt, daß nicht das Temperaturniveau der Außenluft allein als Beurteilungskriterium zur Risikoabschätzung herangezogen werden darf, sondern daß das Zusammenspiel aus der Anzahl von Frost-Tau-Wechseln im Bauteilinneren und die dabei auftretenden Wassergehalte der Materialien beurteilt werden müssen. Die Abschätzung eines möglichen Schadensrisikos hinsichtlich o.g. Frost-Tau- Wechsel-Beanspruchungen wird für Außenbauteile aus Ziegelmaterial mittels rechentechnischer Beurteilung durchgeführt. Durch Analyse der an der Freilandversuchsstelle Holzkirchen des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik gemessenen meteorologischen Daten sowie feuchtetechnischer Berechnungen mit dem PC-Programm WUFI können für verschiedene Wandaufbauten sowohl die Anzahl der Nulldurchgänge im Profil pro Winterhalbjahr als auch die dabei vorhandenen entsprechenden Wassergehalte für verschiedene Jahre, Klimazonen und Ausrichtungen ermittelt werden. Dabei zeigt sich, daß die Klimadaten des Winters 1998/99 im Vergleich zu anderen Jahren zu deutlich höheren Wassergehalten während der Frostperiode führt (siehe auch [5] für andere Wandaufbauten) und deshalb diesbezüglich als Testreferenzzyklus geeignet ist. Durch Vergleich mit der im Labor ermittelten Schadensanfälligkeit des Baustoffes läßt sich das Schadensrisiko in Abhängigkeit von Wandaufbau, Ausrichtung und Klimazone abschätzen mit dem Ziel einer besseren Abgrenzung der Einsatzmöglichkeit der Baumaterialien. DGZfP-Berichtsband BB 69-CD 7 Vortrag U4

8 6 Literatur [1] Künzel, H.M, Verfahren zur ein- und zweidimensionalen Berechnung des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransports in Bauteilen mit einfachen Kennwerten, Dissertation Universität Stuttgart (1994). [2] Krus, M.; Künzel, H.M.: Vergleich experimenteller und rechnerischer Ergebnisse anhand des Austrocknungsverhaltens von Ziegelwänden. Internationales Symposium des CIB W67 Energy and Mass Flow in the Life Cycle of Buildings. Wien, August 1996, S [3] Figiel, G.: Untersuchung der feuchteabhängigen Frostschädigung an Natursandsteinen und Möglichkeiten ihrer einfachen Detektion. Diplomarbeit Universität Stuttgart (1991). [4] Perpens, M.: Frostwiderstandsfähigkeit von Ziegeln. Dissertation, Ziegelindustrie International, H. 2, S (1989). [5] Fink, R.: Beurteilung von Frostschadenshäufigkeiten in bewitterten Außenbauteilen, Statistische Auswertung der Witterungseinflüsse, Berechnung und Praxisvergleich an beispielhaften Konstruktionen, Diplomarbeit Fachhochschule München (1999). DGZfP-Berichtsband BB 69-CD 8 Vortrag U4