Die monolithische Außenwand eine zeitgemäße Bauweise? Workshop

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1 Die monolithische Außenwand eine zeitgemäße Bauweise? Workshop Die monolithische Wand welche Bauweisen sind möglich? Industrieverbände Duisburg Dr. Dieter Figge

2 Monolithische Außenwandkonstruktionen Monolithische Außenwand Außenwand mit WDVS Zweischalige Außenwand Holz-Rahmen Bauweise Monolithische Wände Die einschalige - monolithische - Bauweise gehört zu den traditionellsten Mauerwerksarten. Diese Multifunktionswände vereinen Tragfähigkeit, Witterungsschutz und Wärmedämmung, Brandschutz und Schallschutz im modernen Bau. z.b. hohe Anforderungen an den Wärmeschutz z.b. hohe Anforderungen an den Schallschutz Einfamilienhäuser Geschosswohnungsbau Unterschiedliche Nutzungen und Konstruktionen erfordern unterschiedliche Baustoffqualitäten 2

3 Vorteile des monolithischen Mauerwerks Verarbeitung einfache bewährte Konstruktion geringe Materialvielfalt sicher in der Verarbeitung rascher Baufortschritt einfache bewährte Konstruktion Statik und Bauphysik Tragfähigkeit Wärme- Schall- und Brandschutz ungestörte Dampfdiffusion niedrige Gleichgewichtsfeuchte günstiges Raumklima Lange Lebensdauer Wirtschaftlichkeit niedriger Erhaltungsaufwand geringer Barwert der Lebensdauerkosten hohe Wertbeständigkeit 3

4 Die 3 Nachweiskriterien im Mauerwerksbau nach DIN EN 1996 (EC 6) Die Nachweise sind in verschiedenen Grenzzuständen und Lastkombinationen zu führen: E d Einwirkung R d Widerstand I. Die Tragfähigkeit (Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit [GZ-T] ist der maßgebende Nachweis) II. Die Gebrauchstauglichkeit (Nachweis im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit ist im Mauerwerksbau i.d.r über den [GZ-T] mit abgedeckt). III. Die Dauerhaftigkeit (ist über Baustoffanforderungen und die Konstruktionsregeln [DIN EN ] abgedeckt). 4

5 DIN EN Beispiele für die Auswirkungen von Konstruktionsdetails auf Expositionen Beispiele für die vergleichbaren Expositionen des Mauerwerks bezüglich der Feuchtebeanspruchung (Mauerwerk, das nicht durch Oberflächenbehandlungen oder Bekleidungen geschützt ist, oder Mauerwerksgründungen in gut entwässernden Böden) 5

6 DIN EN Einteilung der Mikroumweltbedingungen von fertigem Mauerwerk Beispiele für die Auswirkungen von Konstruktionsdetails auf die vergleichbaren Expositionen des Mauerwerks bezüglich der Feuchte beanspruchung Steine und Mörtel, die unmittelbar der Witterung ausgesetzt bleiben, müssen frostwiderstandsfähig sein. Sieht die Produktnorm hinsichtlich der Frostwiderstandsfähigkeit unterschiedliche Klassen vor, so sind z.b. bei Schornsteinköpfen, Kellereingangs-, Stütz- und Gartenmauern, stark strukturiertem Mauerwerk und ähnlichen Anwendungsbereichen Steine mit der Klasse der höchsten Frostwiderstandsfähigkeit zu verwenden. 6

7 Hinweise zur Ausführung von Mauerwerk nach DIN EN 1996 mit nationalem Anhang h u l ol als Überbindemaß l ol gilt: für übliche Mauersteine mit Schichthöhen h u bis 249 mm gilt: Überbindemaß l ol 0,4 h u, mindestens aber 45 mm. für Elementmauerwerk mit Schichthöhen h u 374 und Steinlängen l 498 mm gilt: Überbindemaß l ol 0,2 h u, mindestens aber 125 mm 7

8 Mörtelauftrag Für Mauerwerk mit Normal- und Leichtmörtel sollen die Lagerfugen nach DIN EN 1996 ca. 12 mm dick sein. 8

9 Mörtelauftrag - Dünnbettmörtel Der Mörtel und die Art des Mörtelauftags ist bei DIN Produkten im Eurocode 6; und bei Zulassungsprodukten in der jeweiligen Zulassung geregelt. 9

10 Aufwölbungen (bei zu geringen Auflasten) Bei Ausführung von Ring-balken oder Ringankern für die Aussteifung von Giebelwänden sind die Schwindmaße der verschiedenen Materialien in besonderem Maß zu berücksichtigen. Die Verformungen und Durchbiegungen der Geschossdecken sind besonders zu berück-sichtigen 10

11 Horizontale und schräge Schlitze, nachträglich hergestellt Beträgt die Querschnittsschwächung der Wand im Grundriss infolge eines vertikalen Schlitzes bezogen auf 1 m Wandlänge nicht mehr als 6 %, so darf ein Nachweis der Schwächungen entfallen. Dies gilt jedoch nur, wenn die zu betrachtende Wand nicht als drei- oder vierseitig gehaltene Wand bemessen wurde. Die Restwanddicken und die Mindestabstände sind grundsätzlich einzuhalten. 11

12 statisch konstruktive Aspekte Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit E d R d Einwirkung Widerstand N Rd A : ɸ s ƒ d A Bruttoquerschnittsfläche A = l t ɸs: Abminderungsfaktor zur Berücksichtigung der Lastausmitte und des Knickens ɸ1 bei Deckenendauflagern = 1,6 (l / 6) 0,9 (a / t) ɸ2 bei Knickgefahr = 0,85 (a / t) - 0,0011 (h ef / t) 2 h ef = ρ 2 h ρ 2 = 0,75 für Wanddicke t 175 mm 0,90 für Wanddicke 175 mm < t 250 mm 1,00 für Wanddicke t > 250 mm h ef / t 27 l f d : ζ ƒ k / γ M : ƒk ζ γ M Stützweite der angrenzenden Geschossdecke a = Deckenauflagertiefe t = Dicke der Wand charakteristischer Wert der Druckfestigkeit des Mauerwerks Abminderungsfaktor für Langzeiteinwirkung (0,85 für Eigengewicht, Schnee- und Verkehrslasten) 1,5 (für gewöhnliche Bemessungssituationen) Deckenauflager: a t/ mm bzw. 100 mm (DIN EN ) a t/2 bzw. 100 mm bzw. a 0,45 t bei t 365 mm (DIN EN ) a 2/3 t bzw. 85 mm (DIN EN Anhang A) 12

13 Auflagerung Außenwand auf Kellerdecke Sonderfall: Detail beim Übergang Außenwand auf Kellerdecke / Fundament bzw. bei Wanddickenreduktion Auskragung der Steinreihe Lösung mit Bemessungsansatz: a = Auflagertiefe sichere Seite: Ansatz von a nur bis einschl. des letzten direkt aufliegenden Längssteges 13

14 Statische Berechnungen nach DIN EN Beispiel 1: Monolithische Außenwand Lichte Wandhöhe h 2,70 m Stützweite der Decke l f 5,90 m Wanddicke t 365 mm Charakteristische Mauerwerksdruckfestigkeit f k 2,53 N/mm 2 Deckenauflagertiefe a 183 mm (Randbereich) t v 183 mm Bemessungswert des vertikalen Tragwiderstandes N Rd ca. 180 kn/m Beispiel 2: Außenwand mit WDVS Lichte Wandhöhe h 2,70 m Stützweite der Decke l f 5,90 m Wanddicke t 175 mm Charakteristische Mauerwerksdruckfestigkeit f k 2,53 N/mm 2 Deckenauflagertiefe a 175 mm Bemessungswert des vertikalen Tragwiderstandes N Rd ca. 180 kn/m 14

15 Tragverhalten einer Außenwand Ausmitte aus: Auflagertiefe : Auflagertiefe und Deckenverdrehung : Auflagertiefe, Deckenverdreh. u. horizont. Last : Auflagertiefe, Deckenverdrehungng, horizontale Last, ungewollter Ausmitte, Kriechausmitte e mk = e md e mk = e md e mk = e md + e hm e mk = e md + e hm +e init + e k 1/6 e mk = Ausmitte der Last in ½ Wandhöhe e md = Ausmitte aus Auflagertiefe e mk = Ausmitte der Last in ½ Wandhöhe e md = Ausmitte aus Deckenverdrehung etc. e mk = Ausmitte der Last in ½ Wandhöhe e md = Ausmitte aus Auflagertiefe, Deckenverdrehung etc. e hm = Ausmitte in Wandmitte infolge horizontaler Last (z.b. Wind) e mk = Ausmitte der Last in ½ Wandhöhe e md = Ausmitte aus Auflagertiefe, Deckenverdrehung etc. e hm = Ausmitte in Wandmitte infolge horizontaler Last (z.b. Wind) e init = ungewollte Ausmitte (Schief) e k = Kriechausmitte Abmauerungstein begünstigt Tragverhalten der Wand, da Außermitte verringert wird. Da sich bei extremen Deckenverformungen unter bestimmten Umständen Querzug einstellen kann, ist der Ansatz nur im genaueren Berechnungsverfahren anwendbar 15

16 Wand Deckenknoten Unter der Annahme, dass die Deckenverformung einer quadratischen Parabel entspricht, ergibt sich für die Verformung f 2 : Riss bei Trennung Decke Außenwand Riss andernfalls auch eine Steinschicht tiefer Steigung der Parabel am Auflager f 2 a l f 1 = (2 f 1 ) / (l/2) = (4b f 1 ) / (l + (1/3 a)) = Auflagerlänge = Deckenspannweite = Deckendurchbiegung Fall 1: Kleine Einspanntiefe und geringe Auflast. Folge: Kippen der Wand Fall 2: Große Einspanntiefe und geringe Auflast Folge: Anheben der Wand 16

17 Energetischer Vergleich AW WDVS mit AW monolithisch t ca. 46 bis 48 cm AW mit WDVV U Wert 0,14 W/m2K Wanddicke 48 cm AW monolithisch U Wert 0,14 W/m2K Wanddicke 46 cm 17

18 Längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizienten ψ in W/mK Ψ 0,00 W/mK Ψ -0,11 W/mK Ψ -0,01 W/mK Ψ 0,17 W/mK Ψ 0,01 W/mK Ψ 0,04 W/mK Ψ 0,02 W/mK Ψ 0,05 W/mK 18

19 Längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizienten ψ in W/mK Ψ 0,04 W/mK Ψ 0,06 W/mK Ψ -0,04 W/mK Ψ -0,02 W/mK Ψ -0,02 W/mK Ψ 0,00 W/mK Ψ 0,01 W/mK Ψ 0,03 W/mK 19

20 Längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizienten ψ in W/mK λ R horizontal λ R vertikal W/mK W/mK 0,07 ca. 0,11 0,08 ca. 0,12 0,09 ca. 0,14 0,10 ca. 0,15 0,11 ca. 0,17 0,14 ca. 0,21 0,16 ca. 0,24 0,18 ca. 0,27 0,21 ca. 0,32 Ziegel Mauerwerk ohne Kimmstein Ψ -0,06 W/mK KS Mauerwerk mit Kimmstein Ψ -0,01 W/mK KS Mauerwerk ohne Kimmstein Ψ 0,06 W/mK 20

21 Vergleich Wärmeschutz - Schallschutz Anforderungen an den Wärmeschutz Anforderungen an den Schallschutz Lösung: Mauerseine mit niedriger Wärmeleitfähigkeit (λ R ) i.d.r Steine mit niedriger Rohdichte Lösung: Mauerseine mit hoher Rohdichte als trennende und als flankierende Bauteile, sowie Beachtung von Stoßstellen 21

22 Vergleich Wärmeschutz - Schallschutz p 0,75 kg/dm 3 p 0,75 kg/dm 3 p 1,80 kg/dm 3 Baulicher Wärmeschutz Innenputz Ziegelmauerwerkt λ R 0,10 (W/mK) Mineralischer Leichtputz U = 0,18 (W/m 2 K) bei ca. t 015 mm t 365 mm t 020 mm t 400 mm Baulicher Wärmeschutz Innenputz t 015 mm KS λ R 0,99 (W/mK) t 175 mm WDVS λ R 0,035 (W/mK) t 180 mm U = 0,18 (W/m 2 K) bei ca. t 400 mm Baulicher Schallschutz (Flanke Bewertetes Schall-Dämm-Maß) Innenputz t 015 mm 010 kg/m 2 Ziegelmauerw. p 0,75 t 365 mm 255 kg/m 2 Außenputz t 020 mm 015 kg/m kg/m 2 Bewertetes Schall-Dämm-Maß Rw = 30,9 log (m`ges/m`0) 22,2 53,4 db Abzug da Zulassg. ohne Schallprüfg. 10,0 db Bewert. Schall-Dämm Maß Rw 43,4 db (entspricht fiktiv ca. 132,7 kg/m 2 ) 010 kg/m kg/m kg/m kg/m 2 Bewertetes Schall- Dämm-Maß gemessen Rw Messwert: 52,2 db Baulicher Schallschutz (Flanke Bewertetes Schall-Dämm-Maß) Innenputz t 015 mm 010 kg/m 2 KS p 1,8 t 175 mm 298 kg/m kg/m 2 Bewertetes Schall-Dämm-Maß Rw = 30,9 log (m`ges/m`0) 22,2 54,7 db Abzug da Zulassg. mit Schallprüfg 00,0 db Bewert. Schall-Dämm Maß Rw 54,7 db 22

23 Außenputz 23

24 Risse (1) bauwerksbedingte Risse (2) putzgrundbedingte Risse (3) putzbedingte Risse Risse ermöglichen das Eindringen von Feuchtigkeit das kann zu Bauschäden führen. Risse können entstehen durch: - (1) unregelmäßiges Setzen des Gebäudes, Verformungen von Bauteilen oder Verschiebungen innerhalb der Konstruktion - (1) unterschiedliche bauphysikalische Eigenschaften der Baustoffe - (2) unsachgemäßes Mauerwerk, z.b. nicht gleichmäßige Vermörtelung, Einsatz mangelhaften Mauermörtels, zu geringes Überbindemaß der Steine (Fuge auf Fuge) - (2) nicht geeignete oder zu unterschiedliche Putzgründe - (3) Fehler beim Anmachen des Putzes, z.b. nachträgliches Zusetzen von Wasser und Weichmachern - (3) Fehler beim Putzen, z.b. zu dicke oder zu dünne Putzschichten, Überwässerung - (3) falsche Endbearbeitung des Putzes, z.b. zu schnelle Austrocknung 24

25 Putzrisse (4) Außenstegdicke d SA 18 mm keine Rissgefahr Bei einem weichen Putz geht der Kraftfluss in das Mauerwerk. Es entstehen wenig Spannungen im Putz Schädliche Risse bis in Putzgrund (PG) (Schubert) Kriterium (K R ): Kennwert K R,PG = (β Z,SA d as ) / (β Z,P d P ) β Z,P Zugfestigkeit Putz d P Dicke Putzschicht β Z,SA Zugfestigkeit Steinaußenschale d sa Dicke der Außenschale K R,PG > 1: Keine Risse im Putzgrund Bei einem harten Putz geht der Kraftfluss in den Putz. Außenstegdicke d SA 5 mm Rissgefahr Es entstehen große Spannungen im Putz 25

26 Monolithisches Mauerwerk Feuchteschutz durch Außenputz Eignung mineralischer Leichtputze (Unterputze) auf Ziegelmauerwerk nach DIN und DIN EN Putzgrund Hochlochziegel (Rohdichteklasse 0,8) Leichthochlochziegel (Rohdichteklasse 0,6 und Druckfestigkeit 6) gefüllte und ungefüllte Mauerziegel (Wärmeleitfähigkeit 0,10 W/mK) Ziegel Leichtputz Typ I besonders geeignet Leichtputz Typ II besonders geeignet alle übrigen Leichthochlochziegel bedingt geeignet besonders geeignet Besondere Masnahmen, z. B. das Aufbringen eines Armierungsputzes mit vollflächiger Gewebeeinlage auf den Unterputz, sind bei Putzflachen, bei denen das Putzsystem einer erhöhten Beanspruchung ausgesetzt ist, erforderlich. Hierzu zählen unter anderem: besondere Exposition der Fassade; Dachüberstand < 40 cm Verwendung spezieller Oberputze (feinkörnig < 3 mm bzw. dunkle Fassadenbeschichtung) erhöhte Feuchtebelastung erhebliche Unregelmäßigkeiten im Putzgrund 26

27 Abnahme des Wärmedämmvermögens einer Wand nach DIN 4108 Gleichgewichtsfeuchte (auch: Ausgleichsfeuchte, Bilanzfeuchte, praktischer Feuchtegehalt) Wassergehalt, der sich in einem Baustoff nach längerer Lagerung in einem Raum mit konstanter relativer Feuchte und konstanter Temperatur ergibt. (z.b. übliche Wohnbedingungen) 27

28 Graue Energie Graue Energie ist ein Begriff aus der Schweiz, der in Deutschland umgangssprachlich genutzt wird und den Energieaufwand für ein Produkt beschreibt. In Deutschland ist die Verwendung des kumulierten Aufwandes an Primärener-gie (ne/e) KEA bzw. des kumulierten Verbrauchs an Primärenergie (ne/e) KEV üblich Ermittelt werden kann u.a. eine energetische Amortisationszeit (Rückzahldauer) bzw. ein Erntefaktor (z.b. bei Solaranlagen) Ergänzend kann eine ökologische Amortisationszeit ermittelt und bewertete werden i.d.r auf Basis des GWP (global warming potential / Treibhauspotential) SIA (Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein) Merkblatt 2032 Graue Energie von Gebäuden VDI 4660 Ermittlung zielenergiebezogener Emissionen bei der Energieumwandlung 28

29 Frühere Daten und Anforderungen Fragen nach dem Energieaufwand für die Herstellung von Außenwänden wurde in Deutschland bereits 1922 gestellt und beantwortet wurden die Anforderungen so formuliert, dass bei der Auswahl von Baustoffen, auch auf den Energieaufwand infolge der Herstellung zu achten. Kenngröße war: a) Der Kohleaufwand zur Erzeugung eines Bauteils (z.b. Wand) b) Der Kohleaufwand zur Beheizung (F. Müller: Die Bauwirtschaft im Kleinwohnungsbau Druckschrift Nr.5 Berlin 1922) 29

30 Primärenergiebedarf für Bereitstellung, Herstellung und Transport (monolithisch mehrschichtig) Monolithische Außenwand (ZI / PB / LB) λ R (W/mK) Baustoffdicke (mm) Innenputz 0,70 15 U Wert (W/m 2 K) Leichtziegel 432 Porenbeton 0, bis 365 Leichtbeton 0, Ø ZI/PB/LB Ø 426 Primärenergiebedarf: Bereitstellung, Herstellg. u. Transport der Baustoffe (kwh/m 3 ) (kwh/m 2 ) 410 ca. 007 ca. 156 Leicht Außenputz 0,25 20 Ø 417 ca. 009 Monolith. Außenwand aus Leichtziegel, Porenbeton oder Leichtbeton ca. 400 ca. 0,18-0,20 ca. 430 ca. 172 Mehrschichtige Außenwand (WDVS) λ R (W/mK) Baustoffdicke (mm) Innenputz 0,70 15 U Wert (W/m 2 K) Primärenergiebedarf: Bereitstellung, Herstellg. u. Transport der Baustoffe (kwh/m3) (kwh/m2) 410 ca. 007 Kalksandstein 0, ca. 085 WDVS (EPS) 0, WDVS (Mineral) bis bis 715 Ø einschl.ptz.etc) 0, Ø 640 ca. 128 Mehrschichtige Außenwand aus Kalksandsteinen mit WDVS ca. 400 ca. 0,18-0,20 ca. 550 ca. 220 (+ ca.30%) 30

31 Herzlichen Dank Man muss die Dinge so einfach wie möglich machen. Aber nicht einfacher! (Albert Einstein ) Dr. Dieter Figge Industrieverbände Duisburg