Universität von Luxemburg. N. Leufgens, D. Waldmann, S. Maas, A. Zürbes

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1 Leibniz Universität Hannover Entwicklung von hybriden Mauersteinen mit verbesserten wärmedämmenden Eigenschaften Universität von Luxemburg N. Leufgens, D. Waldmann, S. Maas, A. Zürbes

2 Gliederung 2 des Forschungsprojektes Bauphysikalische Leichtbeton - Lightweight Aggregate Concrete (LAC) & Wärmedämm- Experimentelle Untersuchungen FEM-Berechnungen Zusammenfassung & Fazit

3 3 Beschreibung des Projektes Entwicklung neuer Leichtbetonrezepturen Anwendung von neuartigen Verbundwerkstoffen Entwurf neuer Steingeometrien bei Beachtung der mechanischen & thermischen Anforderungen, Marktstudie an existierenden Mauersteinen Verbesserung der wärmedämmenden Eigenschaften einer hybriden Aussenwand bei Berücksichtigung der Anforderungen an die Dauerhaftigkeit und mechanischen Eigenschaften

4 des Projektes 4 Anvisierter Wärmedurchgangskoeffizient U < 0,25 [ W/m 2 K]; entsprechend einer Verbesserung von 20% bis 35 % der zur Zeit in Luxemburg hergestellten Mauersteine Festgelegte Wandstärke beträgt 30 cm soll ohne zusätzliche Wärmedämmmaterialien oder Fassadenelementen erreicht werden

5 thermal conductivity [W/mK] thermal conductivity [W/mK] UNIVERSITÉ DU LUXEMBOURG 5 Bauphysik- Wärmeübertragungsmechanismen Wärmeleitung Konvektion Strahlung Einflussfaktoren auf Wärmeübertragungsmechanismen: Die Wärmeübertragungseigenschaften von können Variieren auf Grund der Variation der Materialzusammensetzung durch Feuchtigkeit beeinflusst werden sich zeitabhängig verändern verändern sich mit der Mitteltemperatur Moisture content [Vol-%] dry density [kg/m 3 ]

6 Thermal Conductivity l [W/mK] UNIVERSITÉ DU LUXEMBOURG Wärmedämmmaterial 6 Leichtbeton / Lightweight Aggregate Concrete (LAC) Dämm- Vorteil : niedrige - Werte [W/mK], wegen geringer Rohdichten < 2,0 [kg/dm 3 ] LAC with expanded clay 9,0 0,36 Nachteil: weniger dichte Struktur geringere Festigkeit, geringerer E- Modul Anforderungen an Voll- und Hohlblöcken nach DIN-Vorschriften f ck,block > 2,0 [MPa] cube compressive strength [N/mm 2 ] 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Relation strength-lambda Relation Lambda-density Linear (Relation Lambda-density) Expon. (Relation strength-lambda) 0, oven dry density [kg/m 3 ] 0,34 0,32 0,3 0,28 0,26 0,24 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02

7 Insulating Materials 7 Wärmedämm- Wärme- dämm- Künstlich: PUR / EPS- Verwendung eines 2- Komponenten Polyurethan-Schaums Natürliche nachwachsende Rohstoffe Cannabis Flachs kork Mineralfaserplatten Perlite

8 Experimente 8 Thermische Laborversuche Plattengerät- Einplattenverfahren Wärme- dämm- Experimente Q A x T 1 T 2 T 1 T 2 x Q durchschni ttl. Leistung, die auf die Messflächeder Heizplatte aufgebracht wird

9 Experimente 9 Mechanische Laborversuche Ermittlung von Materialparametern für die FE-Analyse - für jeden Leichtbeton, der getestet wurde & - für jeden Mauerstein aus der Marktstudie Wärme- dämm- Experimente

10 Finite Element Modellierung 10 Vollblock SW aus Leichtbeton Thermische Analyse eines Vollblocks hergestellt in Luxembourg Fall 1: LC: =0,175 [W/mK]; air: =0,09 [W/mK] Wärme- dämm- Experiments Finite Element Analyse Fall 3: LC: =0,175 [W/mK]; PUR: =0,03 [W/mK]

11 Finite Elemente Analyse 11 Vollblock SW aus Leichtbeton Fall 3: LC: =0,175 [W/mK]; PUR: =0,03 [W/mK] Wärmedämmmaterialien Experimente Finite Elemente Analyse

12 Finite Elemente Analyse 12 Skandinavischer Sandwich Block Thermische Resultate Thermische Analyse eines Vollblocks hergestellt in Finnland 1 VOLUMES TYPE NUM FEB :01:23 1 ELEMENTS MAT NUM FEB :51:11 Wärme- dämm- Experiments Z Y X Z Y X Finite Elemente Analyse 1 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 TEMP (AVG) RSYS=0 SMN =5 SMX =15 MAR :47:06 1 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 TEMP (AVG) RSYS=0 SMN =5 SMX =15 MAR :45:44 Y Z X Y Z X MN MX A=5.556 C=7.778 E=10 B=6.667 D=8.889 F= G= H= I= Source: Lujabetoni, Finland

13 Finite Elemente Analyse 13 Skandinavischer Sandwich Block Statische Resultate Wärmedämmende Experimente Finite Elemente Analyse

14 Schlussfolgerung 14 Zusammenfassung & Fazit Die gemessene Wärmeleitfähigkeit ist untrennbar verbunden mit: Materialrohdichte, Feuchtegehalt, Messtemperatur & speziell für Mauersteine verbunden mit der Geometrie der inneren Luftkammern im Stein Wärme- dämm- Experiments Finite Elemente Analyse Fazit Relation zwischen gemessenen Rohdichten, Wärmeleitfähigkeiten und der Druckfestigkeiten Mathematisches Model zur Verwendung in einer FEM- Berechnung Die Finite Element Methode (FEM) stellt eine angemessene Methode zur Modellierung und Analyse von einzelnen Strukturen für therm. u. stat. Berechnungen dar. Die numerischen Ergebnisse die anhand 2D-Berechnungen und Experimenten überprüft wurden, zeigen eine gute Übereinstimmung Akkurate Resultate in einer geringen Zeitspanne, erlauben die schnelle Optimierung von Steingeometrien von Prototypen FEM spart Kosten durch die Reduzierung von Experimenten im Originalmaßstab

15 15 Ende Wärme- dämm- Finite Elemente Analyse Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Fazit