Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise

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1 Dokumentation 591 Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise Stahl-Informations-Zentrum

2 Dokumentation 591 Stahl-Informations-Zentrum 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. Messebeteiligungen und Ausstellungen dienen der Präsentation neuer Werkstoffentwicklungen sowie innovativer, zukunftsweisender Stahlanwendungen. Als individueller Service werden auch Kontakte zu Instituten, Fachverbänden und 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 aus. Er ist einer der bedeutendsten Wettbewerbe seiner Art und wird alle drei Jahre ausgelobt ( Die Internet-Präsentation ( informiert u. a. über aktuelle Themen und Veranstaltungen und bietet einen Überblick über die Veröffentlichungen des Stahl- Informations-Zentrums. Schriftenbestellungen sowie Kontaktaufnahme sind online möglich. Impressum Dokumentation 591 Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise Ausgabe 2007, ISSN Herausgeber: Stahl-Informations-Zentrum, Postfach , Düsseldorf 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 Stahl/Rohr 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 AG ThyssenKrupp VDM GmbH Wickeder Westfalenstahl GmbH Autoren: Prof. Dipl.-Ing. Jochen Pfau Prof. Dr.-Ing. Karsten Tichelmann Dipl.-Ing. René Ohl ITL Institut für Trocken- und Leichtbau, Darmstadt Redaktion: Dipl.-Ing. Arch. Konstanze Ziemke-Jerrentrup Stahl-Informations-Zentrum 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. Titelfoto: Aufstockung eines historischen Fachwerkhauses in Dinslaken 2

3 Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise Inhalt Einführung... 4 Tragverhalten und Konstruktionsprinzip... 4 Systemvorteile für das Bauen im Bestand... 6 Bauzustandsbewertung... 7 Einsatzbereiche und Systeme... 8 Vorsatzschalen... 8 Deckensysteme... 8 Trennwände auf Bestandsdecken Anbau und Erweiterung Aufstockung Fassadensysteme Raum-in-Raum-Systeme Innenausbau Schallschutz Einflussgrößen auf den Schallschutz Anforderungen an den Schallschutz Bauteilanschlüsse Schall-Längsleitung Verbesserung der Schalldämmung von Bestandsbauteilen Unterdecken Brandschutz Brandschutztechnisches Verhalten von Stahl-Leichtbauteilen Brandschutz im Bestand Brandschutztechnische Ertüchtigung durch die Stahl-Leichtbauweise Statik und Konstruktion Ermittlung des Eigengewichts von Stahl-Leichtbauteilen Verankerung von Wänden Bemessung Wärme- und Feuchteschutz Allgemeine Grundlagen Wärmeschutz U-Wert-Ermittlung von Bauteilen Berücksichtigung der Wärmebrücken des Gebäudes Nachweisführung nach EnEV Verbesserung des Wärme- und Feuchteschutzes von Bestandswänden Innendämmung mit Vorsatzschalen Anschluss-Darstellungen Konstruktionsdetails Literatur...56 Bildnachweis Beispiele

4 Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise Einführung Sanierung und Modernisierung, Nachverdichtung und Umnutzung bestehender Bausubstanz gehören zu den wichtigsten Bauaufgaben des 21. Jahrhunderts. Annähernd 60 % des gesamten Bauvolumens in Europa entfallen schon heute auf das Bauen im Bestand. Allein in Deutschland werden von den ca. 31 Mio. Wohnungen 24 Mio. dem Altbau zugerechnet, davon 6 Mio. mit denkmalschützenden Auflagen. Die Erhaltung des Gebäudebestands und damit der sorgsame Umgang mit vorhandenen Ressourcen sind volkswirtschaftlich und ökologisch sinnvoll. Speziell in Ballungsgebieten stellt die Nachverdichtung die wirtschaftlichste Möglichkeit der Flächenerschließung dar. Die Nutzung von Grundstücksreserven wie das Schließen von Baulücken oder das Überbauen von Toreinfahrten sind Beispiele für die schonende Erweiterung von Wohn- und Nutzflächen. Von maßgeblicher Bedeutung ist die Aufstockung von Bestandsgebäuden. In Deutschland stehen 338 Mio. m 2 Dachflächen für eine Nachverdichtung zur Verfügung [1]. Der größte Anteil dieser Flächen (ca. 73 %) befindet sich im Besitz von Wohnungsbaugesellschaften und muss in den nächsten Jahren aktiviert werden. Hochrechnungen [1] gehen von über 10 Mio. m 2 pro Jahr aus. Beim Bauen im Bestand unterscheiden sich die technischen und konstruktiven Lösungen sowie der Bauablauf grundlegend von Neubaumaßnahmen. Baumaßnahmen in vorhandenen Gebäuden müssen häufig bei einer gleichzeitigen, möglichst ununterbrochenen Nutzung und im baulich verdichteten Umfeld erfolgen. Der Bauablaufplanung und der Baustellenlogistik kommt eine besondere Bedeutung zu, um die Beeinträchtigung der Nutzer und der Nachbarschaft gering zu halten. Der Bestand ist in seiner Substanz, seiner Architektur und seinem Umfeld zu analysieren und geeignete Ertüchtigungsmaßnahmen sind im Hinblick auf die angestrebte Nutzung und die zeitgemäßen Anforderungen festzulegen. Insgesamt stellen Planung und Umsetzung eine anspruchsvolle Aufgabe für Architekten, Ingenieure und Bauhandwerker dar, die nur durch erfahrene Fachleute ausgeführt werden sollte. Die vorliegende Dokumentation 591 unterstützt Planer und Ausführende mit Lösungen in Stahl-Leichtbauweise speziell für den Einsatz im Gebäudebestand. Für diese Sanierungs- und Ergänzungsbaumaßnahmen ist die Stahl-Leichtbauweise aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften wie kaum eine andere Bauweise geeignet. Die grundlegenden Konstruktions- und Funktionsprinzipien dieser Bauweise sind ausführlich in der Dokumentation 560 des Stahl-Informations-Zentrums [2] beschrieben. Tragverhalten und Konstruktionsprinzip Tragsystem und Konstruktionsaufbau der Stahl-Leichtbauweise (Abb. 1) entsprechen dem Prinzip von Ständerbauweisen allgemein. Die Unterkonstruktion besteht aus kaltgeformten C- und U-Profilen, die Blechdicke liegt in der Regel zwischen 1,0 und 2,0 mm. Bei Wänden werden die Ständer (C-Profile) am Fußpunkt in ein unteres U-Anschlussprofil (Schwelle) eingestellt und am Kopfende von einem oberen U- Anschlussprofil (Rähm) gehalten. Die tragenden Bauteile von Decken und Dächern bestehen ebenfalls aus U-Profilen (Deckenbalken) bzw. C-Profilen (Sparren), die zwischen Randprofilen angeordnet werden. Die horizontalen Elemente werden je nach Konstruktionsart entweder über Konsolen innenseitig an die Wände angeschlossen ( balloon-framing ) oder auf bzw. zwischen die Wände gelegt ( platform-framing ). In Verbindung mit der Beplankung aus Holzund Gipswerkstoffplatten bildet die Unterkonstruktion eine tragende und raumabschließende Tafel, die Lasten sowohl in ihrer Ebene als Scheibe als auch senkrecht dazu als Platte abträgt (tragende Dach-, Decken- und Wandscheiben) (Abb. 2). Die Gebäudeaussteifung erfolgt über die Scheibenwirkung der Tafeln, die durch Beplankung oder durch Diagonalverbände Abb. 1: Konstruktionsprinzip der Stahl-Leichtbauweise 4

5 Einführung Last in Tafelebene Scheibenbeanspruchung Last senkrecht zur Tafelebene Plattenbeanspruchung Abb. 2: Scheiben- und Plattenbeanspruchung einer Tafel Abb. 3: Aussteifung eines Gebäudes durch Deckenund Wandscheiben erzielt wird (Abb. 3 und 4). Jede Wandscheibe stellt in ihrer Längsrichtung ein Auflager für die lastverteilende Deckenscheibe dar. Die am Kopf der jeweiligen Wandscheibe angreifende Horizontallast wird über ein Kräftepaar (Zug und Druck) sowie eine Querkraft am Wandfuß abgetragen. Die Zugverankerung erfolgt im Ständerprofil. Die dünnwandigen Blechprofile werden untereinander verschraubt oder geclincht (Durchsetzfügen). Die Beplankung wird auf der Metallunterkonstruktion mit selbstschneidenden Schrauben oder mit speziellen Druckluftnägeln ( Ballistiknägel ) befestigt. Abb. 4: Aussteifung durch Diagonalverbände oder Beplankung 5

6 Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise Systemvorteile für das Bauen im Bestand Gebäude und Bauteile, die in Stahl-Leichtbauweise errichtet werden, verfügen systembedingt über eine Vielzahl von Vorteilen: sehr geringes Gewicht, sehr gutes Verhältnis von Tragfähigkeit zu Eigengewicht, bei entsprechender Wahl von Plattenwerkstoff und Dämmstoff nicht brennbar (Baustoffklasse A), keine Erhöhung der Brandlasten durch die Konstruktion, gute bauakustische und wärmedämmende Eigenschaften bei gleichzeitig schlankem, Raum sparendem Konstruktionsaufbau, kein Schädlingsbefall (Insekten, Pilze), Maßhaltigkeit der Profile, Formstabilität bei Feuchtebeanspruchung (kein Schwinden und Quellen), zeitsparende und trockene Bauweise, einfache Integration von Installations- und Versorgungsleitungen in die Hohlräume der Konstruktion, gute Revisionier- und Veränderbarkeit, hohes Recycling- und Wiederverwertungspotenzial aller im System verwendeten Materialien, vielfältige Füge- und Verbindungstechniken. Die Systeme der Stahl-Leichtbauweise sind für das Bauen im Bestand besonders geeignet, da sie sich additiv in bestehende Tragstrukturen integrieren lassen. Durch eine maßnahmenspezifische Kombination mit Bestandsbauteilen entstehen leistungsfähige Gesamtsysteme, mit denen sich die technischen Anforderungen und die Nutzeransprüche auf einfache Weise realisieren lassen. Bauaufgaben, die aufgrund der geringen Tragfähigkeit der vorhandenen Substanz mit herkömmlichen Baukonstruktionen nicht oder nur mit hohem Aufwand durchführbar sind, können in Stahl-Leichtbauweise realisiert werden, da durch die Minimierung zusätzlicher Lasten die tragenden Bauteile und die Gründung kaum verstärkt werden müssen. So ist z. B. bei Aufstockungen ein sehr geringes Gewicht und je nach Landesbauordnung ab einer bestimmten Gebäudehöhe die Nichtbrennbarkeit der Konstruktion (Baustoffklasse A) eine wesentliche Anforderung. In diesen Bereichen ist eine Ausführung in klassischer Massivbauweise aufgrund ihres hohen Gewichts und in Holzrahmenbauweise wegen der Brennbarkeit oft nicht möglich. Werden Umbaumaßnahmen oder Nutzungsänderungen in einem Gebäude durchgeführt, kann dies zur Folge haben, dass sich die Gebäudeklasse und damit die Anforderung an den Brandschutz ändert. Auch hier ist die Möglichkeit einer reinen A-Bauweise ein wesentlicher Vorteil der Stahl-Leichtbauweise. Das sehr geringe Gewicht in Kombination mit der möglichen Nichtbrennbarkeit (A-Bauweise) sind Alleinstellungsmerkmale der Stahl- Leichtbauweise, durch die sie schon heute zukunftsweisende Nischen beim Bauen im Bestand besetzt und noch ausbauen wird. Bei gleichen Wärme- und Schallschutzeigenschaften bietet die Stahl-Leichtbauweise durch die reduzierten Wandquerschnitte Flächengewinne zwischen 5 und 10 % im Vergleich zu konventionellen monolithischen Bausystemen, wodurch bei gleichen Außenmaßen ein Maximum an Wohnfläche geschaffen wird. Durch Zwischenebenen aus Kaltprofilen (Weitspannträger) können innerhalb eines bestehenden Gebäudes zusätzliche Flächen realisiert werden. Die Lastabtragung erfolgt systemimmanent über tragende Wände in Stahl-Leichtbauweise oder über die Bestandswände. Fertigung und Vorelementierung Konstruktionen in Stahl-Leichtbauweise eignen sich sowohl für die Baustellenfertigung als auch für die Vorelementierung. Durch die trockene Bauweise gibt es keine Austrocknungsund damit auch keine Wartezeiten. Die Art der Ausführung hängt von den Randbedingungen der einzelnen Baumaßnahme ab. Vorfertigung im Werk Für die Vorfertigung im Werk spricht die Notwendigkeit kurzer Bauzeiten, um Bewohner und Nachbarn möglichst wenig zu stören. Im Werk werden die Tafelelemente in der Regel auf Fertigungstischen in liegender Position erstellt. Unterschiedliche Vorfertigungsgrade sind möglich, bis hin zum Einbau von Fenstern und zur Montage der Fassadenbekleidungen. Bei der werkseitigen Vorfertigung kann witterungsunabhängig unter vorgegebenen Randbedingungen gearbeitet werden. Die Herstellung unterliegt einer permanenten Überwachung und kann mit speziellen Produktionsmethoden, bis hin zum Einsatz einer automatisierten Fertigungsanlage, durchgeführt werden. Bei Baumaßnahmen im Gebäudeinneren ist die Größe vorgefertigter Bauteile durch die Zugänglichkeit des Bauorts begrenzt (Abb. 5). Der Planungsaufwand ist gegenüber der Baustellenfertigung deutlich höher. Eine Vorfertigung ist vor allem für die Tafelfertigung bei Anbau- und Aufstockungsmaßnahmen zu empfehlen (Abb. 6). 6

7 Einführung Baustellenfertigung Aufgrund des geringen Gewichts und der einfachen Fügetechniken ist eine rein handwerkliche Baustellenfertigung ohne schwere Hebezeuge möglich. Daher bietet sich die Baustellenfertigung vor allem bei Maßnahmen im Gebäudeinneren mit eingeschränkter Zugänglichkeit oder bei kleineren Erweiterungsmaßnahmen an. Die angelieferten Profile werden vor Ort aufgerichtet und nach dem Einbringen des Dämmstoffs beplankt. Bei Baumaßnahmen außerhalb der Gebäudehülle unterliegt die Konstruktion ungeschützt den Witterungseinflüssen, für einen ausreichenden Schutz der Baustoffe und Bauteile ist zu sorgen (Abb. 7). Bauzustandsbewertung Im Rahmen der Bauzustandsbewertung wird eine Bestands- und Schadensanalyse des Gebäudes durchgeführt, bei der die Eigenschaften und die Funktionsfähigkeit der einzelnen Bauteile beurteilt werden. Zu prüfen ist, ob Planungsunterlagen mit statischen und bauphysikalischen Bemessungen vorliegen. Anhand der vorhandenen Nachweise können Querschnittswerte und Materialqualitäten, z. B. Festigkeitswerte, ermittelt werden. Allerdings sollten diese Angaben grundsätzlich überprüft werden, um Abweichungen von den Unterlagen oder nachträgliche Veränderungen festzustellen. Die tatsächlichen Festigkeitswerte der eingesetzten Baustoffe sind im Falle von Unsicherheiten durch eine Baustoffprüfung zu bestätigen. Für den Standsicherheits- und Gebrauchstauglichkeitsnachweis der Bauteile und Verbindungen wird eine Ermittlung des Kraftflusses und des realen statischen Systems durchgeführt. Es erfolgt eine Unterteilung in tragende, aussteifende und nichttragende, nicht aussteifende Bauteile. Die Beanspruchbarkeit der tragenden Bauteile und Verbindungen wird bewertet. Nichttragende Wände können auf ihre Tragfähigkeit hin überprüft werden und bei Bedarf zum Lastabtrag mit herangezogen werden. Entsprechend wird bei der Abschätzung der bauphysikalischen Eigenschaften verfahren. Der ermittelte Ist-Zustand wird dem angestrebten Soll-Zustand gegenüber gestellt. Aus den Abweichungen ergeben sich der erforderliche Sanierungsbedarf und die durchzuführenden Baumaßnahmen. Welche Ertüchtigungsmaßnahmen im Detail gewählt werden sowie die Art und Weise, wie diese Maßnahmen umgesetzt werden, hängt dabei wesentlich von der vorhandenen Leistungsfähigkeit der Bestandsbauteile ab. Abb. 6: Montage eines vorgefertigten Tafelelements Abb. 5: Anlieferung einer vorgefertigten Raumzelle Abb. 7: Baustellenmontage von unbeplankten Wandelementen 7

8 Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise Einsatzbereiche und Systeme Die Aufbauten von Wand-, Decken- und Dachbauteilen in Stahl-Leichtbauweise können der Dokumentation 560 Häuser in Stahl- Leichtbauweise [2] entnommen werden. Die dargestellten Bauteile sind sowohl für Neubaumaßnahmen als auch für vergleichbare Baumaßnahmen im Bestand, z. B. für Aufstockungen und Anbauten, einsetzbar. Besonderheiten ergeben sich bei der Anschlussausbildung an vorhandenen Gebäuden; typische Anschlussdetails sind im Kapitel Konstruktionsdetails in dieser Dokumentation dargestellt. Neben den mit Neubaumaßnahmen vergleichbaren Einsatzmöglichkeiten von Stahl- Leichtbauweisen im Bestand ergeben sich vielfältige Anwendungsbereiche im Inneren vorhandener Gebäude. Hier bieten Stahl-Leichtbaukonstruktionen Lösungen für die bauphysikalische Ertüchtigung von Bestandsbauteilen oder sie werden als eigenständige Systeme, d. h. von ihrer Funktion her unabhängig von den Bestandsbauteilen, eingesetzt. Vorsatzschalen Vorsatzschalen sind einseitig beplankte Einfachständerwände mit Stahl-Leichtbauprofilen als Unterkonstruktion, die vor einer Bestandswand aufgestellt werden (Abb. 8). Ausgestattet mit einer Dämmschichtebene zwischen den Profilen dienen Vorsatzschalen zur Verbesserung des Wärmeschutzes, des Brandschutzes und des Schallschutzes der Bestandswand. Zudem kann der Hohlraum als Installationsebene genutzt werden. Abb. 9 und 10: Paisley Church, Paisley in Schottland. Eine tragende Vorsatzschale dient als Auflager der Zwischendecke (oben); Außenansicht (rechts) Die Vorteile von Vorsatzschalen in Stahl- Leichtbauweise liegen darin, dass mit ihnen hohe Konstruktionen freistehend ohne eine Befestigung an der Bestandswand realisierbar sind und sie, anders als nichttragende Trockenbausysteme, zur Lastabtragung von Zwischendecken bzw. freitragenden Unterdecken herangezogen werden können (Abb. 9 und 10). Deckensysteme Decken in Stahl-Leichtbauweise werden als tragende, begehbare Bauteile und als nichttragende Unterdecken eingesetzt. Abb. 8: Freistehende Vorsatzschale vor einer Mauerwerkswand Unterdecken Unterdecken in Stahl-Leichtbauweise besitzen als Haupttragelement Weitspannträger aus Kaltprofilen. Diese werden unterseitig in der Regel mit Gipsbauplatten bekleidet, die über eine zusätzliche Unterkonstruktion (Lattung, Metallprofile, Federschienen oder Federbügel) oder direkt an den tragenden Stahlprofilen befestigt werden. Der Deckenhohlraum wird in Abhängigkeit der bauphysikalischen Anforderungen gedämmt. Die Lastabtragung erfolgt über die Bestandswände, über tragende Vorsatzschalen oder über eine Randabhängung in 8

9 Einsatzbereiche und Systeme die Bestandsdecke (Abb. 11 und 12). Es sind Spannweiten bis zu einer maximalen Länge von ca. 15 m möglich. Unterdecken werden eingesetzt, um den Brand-, Schall- und Wärmeschutz der Bestandsdecke zu verbessern bzw. die darunter liegenden Räume vor einem Brand aus dem Deckenhohlraum zu schützen. Die Weitspannträger ermöglichen es, die Unterdecke unabhängig von der Bestandsdecke zwischen tragenden Innenund Außenwänden, Flurwänden, bzw. tragenden Sekundärkonstruktionen zu spannen. Dadurch kann die Aufnahme von Installationen erfolgen, ohne die Bestandsdecke zusätzlich zu belasten. Aufgrund der nicht vorhandenen Abhängung ist eine hohe Installationsdichte im Deckenhohlraum möglich (Abb. 13). Durch die Entkopplung der Unterdecke von der Rohdecke lassen sich hohe Schalldämmmaße realisieren. Abb. 14 zeigt eine Unterdecke in Stahl- Leichtbauweise, die beim Umbau einer Lagerhalle zu einem Einkaufszentrum in Bad Breisig realisiert wurde. Die Bekleidung des Dachstuhles wurde an einer Zwischenkonstruktion aus Weitspannträgern befestigt, die den Abstand der knapp 5 m auseinander liegenden Dachbinder überbrückt. Die Profile verlaufen senkrecht zu den Binder-Untergurten, die Belastung der alten Dachkonstruktion ist gering. Abb. 12: Anschlussdetail eines Deckenauflagers mit L-Wandanschlussprofil Abb. 13: Freitragende Unterdecke eines Flures mit Installationsführungen Abb. 14: Unterdecke aus Weitspannträgern in einer Lagerhalle in Bad Breisig Tragende, begehbare Decken Sollen in ein bestehendes Gebäude neue Ebenen eingezogen werden, bietet sich die Ausführung mit einem Stahl-Leichtbausystem an, da a b Abb. 11: Anschlussvarianten einer Unterdecke an tragende Bauteile a) Befestigung an der Bestandswand durch ein U- bzw. L-Wandanschlussprofil b) Randabhängung an der Bestandsdecke durch Gewindestäbe oder Stahlseilsysteme c) Lastabtragung über eine Vorsatzschale, Verbindung der Weitspannträger mit dem oberen U-Profil mittels Anschlusswinkeln c 9

10 Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise Abb. 15: Zwischendecke aus Weitspannträgern mit Hut-Federprofilen zur akustischen Entkopplung Abb. 16: Trägerlage einer Zwischendecke die geringe Eigenlast der zusätzlichen Decken auch bei Bestandsgebäuden mit begrenzten Tragreserven die Erweiterung der Nutzungsfläche ermöglicht. Es sind freitragende Konstruktionen bis zu 15 m realisierbar, so dass der stützenfrei verbleibende Raum darunter in seiner Nutzung nicht beeinträchtigt wird (Abb. 15 und 16). Ist eine Bestandsdecke nicht ausreichend tragfähig oder treten aufgrund einer Gebäudeumnutzung höhere Verkehrslasten auf, werden Decken in Stahl-Leichtbauweise unmittelbar oberhalb der Bestandsdecke angeordnet. Sie eignen sich auch zur Schaffung eines stützenlosen Doppel- bzw. ein Hohlraumbodens. Durch die tragende Funktion ergeben sich im Vergleich zu den Unterdecken in der Regel größere Steghöhen und Blechdicken der Profile sowie geringere Profilabstände. Der Deckenaufbau von Zwischendecken entspricht dem in Abb. 17 dargestellten Standardaufbau. Bei den nur von oben zugänglichen Deckensystemen über einer Bestandsdecke kann eine unterseitige Deckenbekleidung nicht erfolgen. Bei sehr hohen Verkehrslasten ist aufgrund der Querkraft im Anschlussbereich ggf. ein warmgewalztes Profil erforderlich (Abb. 18). Trennwände auf Bestandsdecken Durch die Anordnung neuer Trennwände in einem Gebäude werden die Bestandsdecken durch das Eigengewicht dieser Wände belastet, bei tragenden Wänden auch durch die abzuleitenden Lasten. Ist die Bestandsdecke nicht in der Lage, zusätzliche Lasten aufzunehmen, müssen diese direkt zu den tragenden Bauteilen geleitet werden. Eine Wand in Stahl-Leichtbauweise lässt sich als Tragbalken ausbilden, entweder durch die Integration tragender Querschnitte in die Wand oder als Wandträger, analog zu einem Fachwerkträger. Da die statische Höhe dabei der Wandhöhe entspricht, können hohe Lasten aufgenommen werden. Allerdings ist die Möglichkeit von Wandöffnungen begrenzt. Eine derartige Wand kann über der Bestandsdecke schweben und ihre Lasten auf die darunter liegenden tragenden Bauteile wie z. B. senkrecht verlaufende Wände oder Außenwände ohne Kontakt mit der Deckenfläche abtragen. Des Weiteren kann eine Wand in Stahl- Leichtbauweise als Deckenüberzug genutzt werden, an den die Bestandsdecke oder eine Abb. 17: Schnitt einer Decke in Stahl-Leichtbauweise aus I-Profilen über einer Bestandsdecke Abb. 18: Befestigung des Weitspannträgers mit einem warmgewalzten L-Profil und einem Anschlusswinkel 10

11 Einsatzbereiche und Systeme neue Zwischendecke zur Tragfähigkeitserhöhung, Durchbiegungsbegrenzung oder Schwingungsreduzierung angehängt werden kann. Zur Erhöhung der rechnerischen Tragreserven der Bestandsdecke können Trennwände auch statt über die Flächenpauschale von leichten Trennwänden mit ihrer tatsächlich einwirkenden Last berücksichtigt werden. In diesem Fall ist allerdings eine flexible räumliche Anordnung der Trennwände nicht gegeben. Anbau und Erweiterung Anbauten, Überbauungen und Lückenschließungen bieten die Möglichkeit einer schnellen und kostengünstigen Erweiterung von Bestandsgebäuden. Aufgrund der geringen Eigenlasten der Konstruktion kann die Lastabtragung in der Regel über die bestehenden Bauteile erfolgen, an die die leichten Erweiterungsbauten angehängt werden. Falls überhaupt erforderlich, sind einfache Gründungsmaßnahmen meist ausreichend. Das 115 Jahre alte Gebäude des Ashorne Hill College, England, wurde durch einen zweigeschossigen Anbau erweitert (Abb. 19). Neben der wirtschaftlichen Bauweise und der kurzen Bauzeit war die angestrebte hohe Grundriss- und Nutzungsflexibilität Hauptargument für die Umsetzung des Bauvorhabens in Stahl- Leichtbauweise (Abb. 20). Durch den Einsatz von Kaltprofilen in Kombination mit einer Beton-Verbunddecke konnten Deckenspannweiten von 10 m realisiert werden. Im 1. Obergeschoss befinden sich Gemeinschaftsräume, das 2. Obergeschoss verfügt über eine variable Bürofläche. In Belgien wurde eine schmale Baulücke in Stahl-Leichtbauweise geschlossen. Die Gründungsmaßnahmen konnten auf ein Minimum reduziert werden; die vertikale Lastabtragung und die Aussteifung erfolgten über die Nachbargebäude. Im betrachteten Bauvorhaben wurde eine eigenständige Wohneinheit neu geschaffen, prinzipiell ist eine Lückenbebauung aber auch ideal für die Wohnflächenerweiterung der flankierenden Bestandsgebäude geeignet (Abb. 21 und 22). Abb. 19 und 20: Ashorne Hill Management College, England. Zweigeschossiger Anbau an ein historisches Gebäude (oben), Ansicht der Tragprofile während der Bauphase Aufstockung Die Stahl-Leichtbauweise ist aufgrund ihres geringen Eigengewichts, der Nichtbrennbarkeit bei entsprechender Ausführung, der schlanken Konstruktion, des guten Wärmeschutzes und Abb. 21 und 22: Baulückenschließung in Belgien. Während der Bauphase nach dem Errichten der Tragkonstruktion in Stahl-Leichtbauweise (links) und nach der Fertigstellung 11

12 Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise Abb. 23: Zweigeschossige Aufstockung in Rzeszow, Polen, während der Bauphase Abb. 24: Aufstockung des Krankenhauses in Hamburg- Wilhelmsburg. Außenwände in Stahl-Leichtbauweise im Bauzustand der Möglichkeit zur Vorfertigung von Wand-, Decken- und Dachtafeln für Aufstockungsmaßnahmen hervorragend geeignet. Bei einem Bauvorhaben in Rzeszow, Polen, konnte durch eine zweigeschossige Aufstockung die Nutzfläche des Gebäudes verdoppelt werden. Die gesamte Bauzeit des Projekts betrug, inklusive der Erstellung von Fahrstuhl und Innenausbau nur drei Monate (Abb. 23). Die Aufstockung des Krankenhauses in Hamburg-Wilhelmsburg wurde bei laufendem Betrieb durchgeführt, was einen schnellen und möglichst störungsfreien Bauablauf erforderte. Da die Dachgeschossdecke des zehn Jahre alten Gebäudes nicht für eine massive Aufstockung dimensioniert war, bot sich die Ausführung der Außen- und Innenwände in Stahl-Leichtbauweise an. Die Kombination eines tragenden Stahlskeletts mit Außenwand- und Dachelementen in Stahl-Leichtbauweise ermöglichte ein rasches Schließen der Fassade, der Innenausbau konnte unmittelbar folgen (Abb. 24). Bei der Aufstockung des Ealing Hospital in England entschied man sich für einen Dachaufbau in Stahl-Leichtbauweise aus ähnlichen Gründen: Das bestehende Flachdach konnte lediglich minimale zusätzliche Lasten aufnehmen, der Betriebsablauf im Krankenhaus sollte so wenig wie möglich beeinträchtigt werden. Der eingeschossige Aufbau wird von den Dachträgern des Bestandes abgetragen. Bei einem Bauvorhaben in der Heerstraße in Frankfurt wurden durch die Aufstockung in Stahl-Leichtbauweise insgesamt m 2 Wohnfläche hinzu gewonnen. Die vorgefertigten Wandelemente wurden beidseitig geschlossen, die Dachelemente einseitig geschlossen auf die Baustelle geliefert. Die Befestigung der Beplankung auf den Kaltprofilen erfolgte mittels ballistischer Nägel (Abb. 25, 26 und 27). Fassadensysteme Stahl-Leichtbaukonstruktionen kommen, wie in Abb. 28 bis Abb. 30 zu sehen, als Fassadensysteme zur Ausfachung von Stahlbetonund Stahlskelettbauten zum Einsatz. Die tragende Konstruktion hat nur geringe zusätzliche Lasten aufzunehmen, was vor allem bei der Verankerung vorgehängter Fassaden, die nicht auf Bestandsdecken aufstehen, von Vorteil ist. Die hochgedämmten Fassadensysteme tragen zur Verbesserung des Wärmeschutzes bei. Durch die Vorfertigung der Elemente kann die Gebäudehülle zügig geschlossen werden, der Innenausbau kann unmittelbar beginnen. Raum-in-Raum-Systeme Unter Raum-in-Raum-Systemen in Stahl- Leichtbauweise werden innerhalb eines bestehenden Gebäudes in sich abgeschlossene freistehende Einheiten verstanden. Typische Anwendungen sind Funktionsbereiche wie Sanitärzellen und Bäder, separat zu nutzende Bereiche in Hallen und Großraumbüros wie Büroräume, Aufenthalts- oder Besprechungsräume sowie Fluchttunnel (Abb. 31 bis 36). Die raumabschließenden Bauteile können bauphysikalische Anforderungen erfüllen, falls erforderlich. Die Adam Opel AG in Rüsselsheim hat innerhalb einer neuen Fabrikationshalle fünf Raum-in- Raum-Kabinen als Büros errichten lassen. Die größte Kabine mit 519 m 2 ist für interne Bespre- 12

13 Einsatzbereiche und Systeme Abb. 25, 26, 27: Aufstockung eines Geschosswohnungsbaus in der Heerstraße in Frankfurt. Ansicht der tragenden Profile des Dachelements und Auflagerung der Wandtafel auf die Attika (links oben), Anlieferung eines einseitig geschlossenen Dachelements (unten), Auflagerung der Dachelemente auf den Wandtafeln (rechts oben) 13

14 Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise Abb. 28, 29 und 30: Der Wohnkomplex Skyline Plaza in London. Fassadenelemente in Stahl- Leichtbauweise als Ausfachung des Stahlbetonskeletts und ein Detail (links oben und rechts oben), Außenansicht der Fassade (links) Abb. 31 und 32: Fabrikationshalle der Adam Opel AG, Rüsselsheim. Wandaufbau des Raum-in-Raum- Systems (links) und Raum-in- Raum-Kabine mit Büronutzung (rechts) 14

15 Einsatzbereiche und Systeme Abb. 33 und 34: Selbständige Raumzellen. Für Kundengespräche in einer Kfz-Werkstatt (links) und in einem Bankgebäude (rechts) Abb. 35 und 36: Integration eines Raum-in-Raum-Systems in ein bestehendes Dachgeschoss chungen vorgesehen. Alle Kabinen wurden nach dem gleichen Prinzip aus vorgefertigten, variablen Elementen geplant und gebaut (Abb. 31 und 32). Innenausbau Tragende Stahl-Leichtbausysteme werden in Verbindung mit nichttragenden Trockenbausystemen im Innenausbau eingesetzt, um besonderen Anforderungen an die Gestaltung und Formgebung gerecht zu werden. Durch die Unterkonstruktion in Stahl-Leichtbauweise lassen sich auch geometrisch anspruchsvolle Strukturen realisieren, die mit massiven Bauweisen und Standard-Trockenbausystemen allein nicht oder nur sehr aufwendig zu errichten wären. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen den Ausbau einer Zahnarztpraxis in Berlin (Abb. 37, 38 und 39) und des Kunstmuseums MARTa in Herford (Abb. 40, 41 und 42). Hier kamen unter anderem schräge Wände, Wellen und Krümmungen unterschiedlichster Radien zum Einsatz. Das Rückgrad des gestalterischen Ausbaus bildet jeweils eine Unterkonstruktion in Stahl- Leichtbauweise. 15

16 Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise Abb. 37, 38 und 39: Designorientierten Ausbau einer Berliner Zahnarztpraxis. Stahl-Leichtbauprofile als Tragstruktur (links oben), Bekleidung der Unterkonstruktion aus tragenden Stahl- und Trockenbauprofilen (links) und der Flurausbau nach Fertigstellung (oben) Abb. 40, 41 und 42: Das Kunstmuseum MARTa in Herford. Während der Bauausführung (links) und die aufgrund der Kombination tragender Stahl-Leichtprofile mit nichttragenden Trockenbauprofilen realisierbare, mehrfach gekrümmte Formgebung nach der Fertigstellung (rechts) 16

17 Statik und Konstruktion Statik und Konstruktion Ermittlung des Eigengewichts von Stahl-Leichtbauteilen Als Hilfestellung zur Lastermittlung sind in den Abb. 44 und Abb. 46 die überschlägigen Flächenmassen von Bauteilen in Stahl-Leichtbauweise mit Standardaufbau angegeben. Bei den Wandkonstruktionen sind eine lichte Raumhöhe von 2,50 m und eine Geschosshöhe von 2,85 m zu Grunde gelegt. Das Rastermaß der Wandständer beträgt 62,5 cm. Die oben und unten horizontal verlaufenden U-Profile sind in der Berechnung berücksichtigt (Abb. 43). Bei den Geschossdecken sind Rastermaße der Deckenprofile von 62,5 cm und 31,25 cm berücksichtigt, sie werden in den Ausführungsvarianten C-Profil und I-Profil (2 C-Profile Rücken an Rücken ) betrachtet (Abb. 45). Umlaufende U-Profile als Unter- und Obergurte einer Deckenscheibe wurden nicht berücksichtigt, diese sollten in der Berechnung als Einzelbauteil über die Länge erfasst werden. außen innen Abb. 43: Aufbau der Außenwand Die Berechnung der Eigenlasten kann mit den angegebenen Werten über die Bauteilfläche erfolgen (Abb. 48 und 49). Zusätzliche Einzelprofile müssen separat berücksichtigt werden (Abb. 47). Auswechslungen und Verbindungselemente können durch einen mit ca. 5 % bis 10 % anzusetzenden Aufschlag angerechnet werden. Putz Polystyrol- Hartschaum Faserzementplatte Mineralwolle Gipsplatte a = 100 a = 150 a = 200 [kg/m 2 ] t = 1,0 t = 1,5 t = 2,0 t = 1,0 t = 1,5 t = 2,0 t = 1,0 t = 1,5 t = 2,0 b = b = b = Abb. 44: Flächenmasse der Außenwand in kg/m 2 in Abhängigkeit von der Profilhöhe a [mm], der Dicke der Außendämmung b [mm] und der Profildicke t [mm] a = 200 a = 250 [kg/m 2 ] b = 200 b = 160 b = 250 b = 200 Gipsfaserplatte Trittschalldämmung OSB-Platte C-Profil, Raster Profile 62,5 cm t = 1, t = 2, Mineralwolle I-Profil, Raster Profile 62,5 cm t = 1, t = 2, C-Profil, Raster Profile 31,25 cm t = 1, t = 2, I-Profil, Raster Profile 31,25 cm t = 1, t = 2, Abb. 45: Aufbau der Geschossdecke Abb. 46: Flächenmasse der Geschossdecke in kg/m 2 in Abhängigkeit von der Profilhöhe a [mm], der Dämmdicke b [mm] und der Profildicke t [mm] Gipsplatte 17

18 Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise Profil A G h 1 b c t n [mm 2 ] [kn/m] C ,0 220,0 0,0173 C ,5 330,0 0,0259 C ,0 440,0 0,0345 C ,0 270,0 0,0212 C ,5 405,0 0,0318 C ,0 540,0 0,0424 C ,0 320,0 0,0251 C ,5 480,0 0,0377 C ,0 640,0 0,0502 C ,5 555,0 0,0436 C ,0 740,0 0,0581 Abb. 47: Querschnittsflächen und Eigengewichte von C-Profilen Plattentyp d G [mm] [kg/m 2 ] Gipsplatten Typ GKB nach DIN ,5 9,5 12,5 12, , , , ,0 Gipsplatten Typ GKF nach DIN ,5 10,0 13, ,0 16,0 Gipsfaserplatten 10 11,5 12,5 15, , ,0 leichte Calciumsilikat-Platten 10 4,5 5,0 12 5,4 6,0 15 6,8 7,5 schwere Calciumsilikat-Platten 10 8,5 9, ,2 10, ,8 13,5 Faserzementplatten 10 14,0 17, ,8 20, ,0 25, ,8 37,4 Spanplatten 8 6,0 6,8 10 7,5 8,5 13 9,8 11,1 Abb. 48: Eigengewichte von Plattenwerkstoffen OSB-Platten ,2 8,0 15 8,7 9, ,8 14,0 1 herstellerabhängig Dämmstofftyp d G [mm] [kg/m 2 ] Faserdämmstoff ,4 Polystyrol-Hartschaum 10 0,1 0,5 Holzfaserplatten 16 9,0 Holzfaserdämmplatten 60 ca. 11,0 100 ca. 18,0 Holzweichfaserplatte 40 8, ,6 Zellulosedämmstoff ,5 Abb. 49: Eigengewichte von Dämmstoffen 1 Rohdichte 40 kg/m 3 2 Herstellerangaben 18

19 Statik und Konstruktion Verankerung von Wänden Wie in der Einführung erläutert, erfolgt die Aussteifung von Gebäuden in Stahl-Leichtbauweise über Decken-, Dach und Wandscheiben. Um die auf das Gebäude wirkende Horizontallasten aus Wind in die Fundamente bzw. in die tragenden Bestandsbauteile einleiten zu können, müssen die aussteifenden Wandscheiben dort verankert werden. Dies kann durch eine statische Anbindung der Wände an die parallel dazu laufenden Bestandswände geschehen; bei frei stehenden Wänden erfolgt die Verankerung in den Bestandsdecken bzw. den Bodenplatten. Um die resultierenden Zugkräfte in der Größenordnung von 5 kn bis maximal 20 kn, abhängig vom Tafelaufbau und dem Ausnutzungsgrad, sicher einleiten zu können, muss die Verankerung direkt an den Ständern angeordnet werden. Eine ausschließliche Befestigung des unterseitigen Anschlussprofils oder das Setzen von kurzschenkligen Winkeln ist in der Regel dafür nicht ausreichend. Es sind Zuganker mit langer Zuglasche zu verwenden, wie sie auch im Holzrahmenbau eingesetzt werden. Verschiedene Anordnungen sind möglich. Gemeinsam ist allen Varianten die kontinuierliche Verschraubung der Zuglasche mit dem Ständerprofil mittels selbstbohrender Schrauben. Die Länge der Zuglasche, die Anzahl der Schrauben, das geeignete Befestigungsmittel für die Bestandsdecke und die Lage der Verankerungspunkte sind statisch zu bemessen. Abb. 50 zeigt die Anordnung des Zugankers innerhalb des Wandquerschnitts. Diese Variante ist nur bei zumindest an den Verankerungsstellen einseitig offenen Wandelementen möglich. Von Vorteil ist, dass der Zuganker beim weiteren Ausbau nicht hinderlich ist. Bei einer einseitig aussteifenden Beplankung sollte der Zuganker möglichst nahe der Aussteifungsebene angeordnet werden. Bei einer beidseitigen Aussteifung ist eine mittige Anordnung zu wählen, bei großer Profilhöhe sind ggf. zwei Zuganker anzuordnen oder dieser ist entsprechend breit auszuführen. Wird die aussteifende Beplankung auf beiden Wandseiten angeordnet, so ist auch die Verankerung beidseitig symmetrisch vorzusehen, da die hohen Zuglasten über das dünne Blech des Profilstegs nicht ohne Stabilitätsprobleme übertragen werden können. Bei Innen- und Außenwänden, die innerhalb der Deckenfläche angeordnet sind, kann bei beidseitiger Aussteifungsebene auch die Zugverankerung beidseitig identisch erfolgen (Abb. 51). Bei Außenwänden mit nur innen angeordneter aussteifender Abb. 50: Anordnung eines Zugankers im Wandquerschnitt, die Zuglasche des Ankers wird mit dem Profilsteg verschraubt Abb. 51: Verankerung einer beidseitig ausgesteiften Wand, die innerhalb der Deckenfläche angeordnet ist Abb. 52: Einseitige Verankerung einer innenseitig ausgesteiften Außenwand Abb. 53: Verankerung einer beidseitig ausgesteiften Außenwand, die außenseitige Verankerung erfolgt mit einem Stahlblechstreifen 19

20 Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise Beplankung ist die innenseitige Anordnung der Zuganker ausreichend (Abb. 52). Werden Außenwände beidseitig ausgesteift, so ist auf der Außenseite eine Sonderlösung zu wählen, z. B. die Anordnung eines Zugbleches wie in Abb. 53 dargestellt. In der Regel verschwindet der Fußpunkt des Ankers in der Estrichebene, wogegen die Zuglasche darüber hinaus reicht. Damit diese auf der Wandoberfläche nicht aufträgt, ist die aussteifende Plattenebene durch Fräsen entsprechend einzulassen; alternativ kann die Oberflächen bildende Bekleidung aus Gipsbauplatten hier ausgespart und nach Setzen des Ankers flächig verspachtelt werden. Abb. 54: Ansicht einer Zugverankerung in der Aussparung einer OSB-Platte Bemessung Für die Bemessung von Wandscheiben in Stahl-Leichtbauweise ist, neben der Tragfähigkeit der Verbindung zwischen Beplankung und Kaltprofilen, auch die Tragfähigkeit der Kaltprofile selbst nachzuweisen. Die Bemessung der Kaltprofile erfolgt nach der Richtlinie 016 des Deutschen Ausschuss für Stahlbau [3] (im Weiteren DASt 016 oder den Eurocode 3, Teil 1.3 [4] (im Weiteren EC 3-1.3). Die Nachweise gemäß DASt 016 und EC für biegedrillknickgefährdete einfach-symmetrische Profile enthalten allerdings keinen Hinweis, wie die stabilisierende Wirkung der Beplankung berücksichtigt werden kann. Derzeit ist eine Aussteifung nur mit Schubfeldern aus Trapezblechen rechnerisch nachweisbar. Da die Tafelbauweise mit Kaltprofilen letztlich eine Weiterentwicklung des Holztafelbaus darstellt, ist es nahe liegend, die in diesem Bereich gültigen Normen für eine Bemessung der betrachteten Stahl-Leichtbausysteme zu nutzen. Die Berechnung von Holzhäusern in Tafelbauart erfolgt in Deutschland nach DIN 1052: [5] (im Weiteren als DIN 1052:04 bezeichnet). Das hier zugrunde liegende Bemessungsverfahren basiert auf den Bemessungskonzepten des EC 5 und entspricht von der prinzipiellen Vorgehensweise den Stahlbau-Bemessungsverfahren nach EC 3. Die DIN 1052:04 enthält einen vereinfachten Nachweis für Holztafeln. Der Verbund von Beplankung und Unterkonstruktion (Rippen) wird durch den Schubfluss beansprucht. Ausgehend von einem gleichmäßigen Abstand der Verbindungsmittel an den Beplankungsrändern entspricht die aufnehmbare Horizontallast einer Wandscheibe dem Produkt aus Tragfähigkeit und Anzahl der Verbindungsmittel am oberen Rand. Es wird davon ausgegangen, dass alle Verbindungsmittel am Rand der Wandtafel die gleiche Beanspruchung erfahren. Das Beulen der Beplankung wird bei den üblichen Abmessungen nicht maßgebend. Das Knicken der Ständer in der Wandebene muss bei einer Holzunterkonstruktion nicht nachgewiesen werden, da die Beplankung die Kanthölzer ausreichend stabilisiert. Diese Knicksicherheit ist bei den dünnwandigen Kaltprofilen, im Gegensatz zu den Vollholzquerschnitten, nicht gegeben. Deshalb muss zusätzlich der Nachweis für die druckbeanspruchten Stiele der Wandscheiben nach EC oder DASt 016 geführt werden. Aus Stabilitätsgründen ist generell eine beidseitige Beplankung der Wandscheiben zu fordern, um ein Versagen durch Knicken um die schwache Achse bzw. Biegedrillknicken ausschließen zu können [2], auch wenn im Aussteifungsnachweis nur die Beplankung einer Seite rechnerisch angesetzt wird. Die Beplankung beider Seiten sollte aus ähnlich leistungsfähigen Plattenwerkstoffen bestehen, muss aber nicht identisch sein. So können z. B. Gipswerkstoffplatten mit Holzwerkstoffplatten kombiniert werden. Umfangreiche Untersuchungen [6, 7] haben gezeigt, dass Wandscheiben mit Metallunterkonstruktion im Vergleich zu Wandscheiben mit Holzunterkonstruktion ein sehr ähnliches Verhalten zeigen, sofern nicht das Knicken des Druckstiels das maßgebliche Versagenskriterium ist. Die Berechnung der Tragfähigkeit von Tafelbauteilen in Stahlprofil-Leichtbauweise mit den entsprechenden Gleichungen der DIN 1052:04 20

21 Wärme- und Feuchteschutz führt bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Tragfähigkeit der Kaltprofile nach EC zu sinnvollen Werten auf der sicheren Seite. Das Verhalten der Verbindung und der Tafeln ist rechnerisch gut vorhersagbar, die Voraussetzung für die Bemessung der Verbindung und der Tafelelemente ist gegeben. Es zeigt sich insgesamt, dass die Tragfähigkeit von Wandscheiben in Stahlprofil-Leichtbauweise letztlich durch das Stabilitätsversagen des Druckstiels aus dünnwandigen Kaltprofilen begrenzt wird. Die Tragfähigkeit der Platten sowie der Plattenwerkstoff- Stahlblech-Verbindung könnte, in Abhängigkeit vom Plattentyp, der Plattendicke und dem Verbindungsmittelabstand, höhere Lasten aufnehmen. Für die überschlägige Bemessung der Aussteifung durch Wandscheiben in Stahl-Leichtbauweise können die in Abb. 55 angegebenen Werte angesetzt werden. Wärme- und Feuchteschutz Allgemeine Grundlagen Beplankung (beidseitig) Blechdicke Tafel- Zulässige Kaltprofil breite Horizontallast Holzwerkstoffplatten 13 mm Gipsfaserplatten 12,5 mm An Außenbauteile werden Anforderungen an den Wärme- und Feuchteschutz gestellt. Die nachfolgenden Aussagen gelten vom Prinzip her für eigenständige Außenbauteile sowie für Vorsatzschalen und Unterdecken, die vor Außenbauteilen angeordnet werden. Wenn nicht ausdrücklich unterschieden, gelten die nachfolgenden Aussagen für beide Varianten; es wird einheitlich von Außenbauteilen gesprochen. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Stahl ist bei Außenbauteilen in Stahl-Leichtbauweise in besonderem Maße auf die Vermeidung von Wärmebrücken zu achten. Eigenständige Außenbauteile bestehen in der Regel aus einer integrierten Dämmebene in der Tragwerksebene (Ständerebene) und einer zusätzlichen Dämmebene. Die additive Ebene wird außen oder innen angeordnet, um die Wärmebrückenwirkung der Metallständer zu mindern. Als allgemeine Planungsgrundlage gilt, dass bei einer additiven Außendämmung, z. B. in Form eines Wärmedämmverbundsystems, mit einer Dicke 60 mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,04 W/mK des Dämmstoffs, die Wärmebrücke der Unterkonstruktion soweit reduziert wird, dass ein raumseitiger Tauwasserausfall ausgeschlossen werden kann. Da es sich bei Bauteilen in Stahl-Leichtbauweise um eine mehrschalige Hohlraumkonstruktion handelt, ist die Beachtung der Luftdichtheit und Winddichtheit von großer Bedeutung. Neben der Vermeidung von Energieverlusten dienen diese der Bauschadensfreiheit durch die Verhinderung von konvektiven Strömungen im Bauteil. Wegen der Schichtung von unterschiedlichen Baustoffen ist der Diffusionsstrom besonders zu betrachten. Die Wasserdampfdiffusionswiderstände der einzelnen Bauteilschichten müssen aufeinander abgestimmt sein und im Idealfall von innen nach außen abnehmen, um einen Ausfall von Tauwasser auszuschließen. Die Tauwasserfreiheit im Bauteil muss über ein Prüfzeugnis des Herstellers oder einem entsprechenden rechnerischen Nachweis, z. B. nach dem Glaserverfahren gemäß DIN , erfolgen. Wärmeschutz 1,5 mm 0,625 m 2,5 kn Gipskartonplatten 12,5 mm 1,5 mm 1,25 m 3 kn Gipskartonplatten 18 mm 1,5 mm 1,25 m 3,5 kn Holzwerkstoffplatten 13 mm Gipsfaserplatten 12,5 mm 1,5 mm 1,25 m 5 kn Holzwerkstoffplatten 13 mm Gipsfaserplatten 12,5 mm 2,0 mm 0,625 m 4 kn Gipskartonplatten 18 mm Gipskartonplatten 18 mm Holzwerkstoffplatten 13 mm 2,0 mm 1,25 m 5 kn Gipsfaserplatten 12,5 mm 2,0 mm 1,25 m 8 kn Tafelaufbau Profilsteg: 150 mm Einrastertafel: Breite 1,25 m, Höhe 2,60 m Halbrastertafel: Breite 0,625 m, Höhe 2,60 m Verbindungsmittel: Ballistiknägel 2,2 mm oder Flügelbohrschrauben 4,2 mm Verbindungsmittelabstand: Randständer 75 mm, Mittelständer 150 mm Abb. 55: Anhaltswerte für die zulässigen Horizontallasten von Wandscheiben in Stahl-Leichtbauweise Führen Baumaßnahmen zu einer Erhöhung des Gebäudevolumens, z. B. durch Aufstockungen bzw. Anbauten, oder zu einer Vergrößerung der Hüllfläche, so muss für diese Veränderung ein wärmeschutztechnischer Nachweis geführt werden. Je nach Umfang der Maßnahmen sieht die Energieeinsparverordnung EnEV verschiedene Nachweisverfahren zur Einhaltung der Schutzziele vor. 21

22 Bauen im Bestand Lösungen in Stahl-Leichtbauweise Bauteil Gebäuden mit normalen Gebäuden mit niedrigen Innentemperaturen Innentemperaturen Maximaler Wärmedurchgangskoeffizient U max in W/(m 2 K) 1 Außenwände 0,45 0,75 2 Außen liegende Fenster, Fenstertüren, Dachflächenfenster 1,7 2,8 Verglasungen 1,5 keine Anforderung Vorhangfassade 1,9 3,0 3 Außen liegende Fenster, Fenstertüren, Dachflächenfenster mit Sonderverglasung 2,0 2,8 Sonderverglasungen 1,6 keine Anforderung Vorhangfassade mit Sonderverglasung 2,3 3,0 4a Decken, Dächer und Dachschrägen (Steildächer) 0,30 0,4 4b Flachdächer 0,25 0,4 5 Decken und Wände gegen unbeheizte Räume oder Erdreich 0,5 keine Anforderung Abb. 56: Höchstwerte der Wärmedurchgangskoeffizienten bei erstmaligem Einbau und Ersatz von Bauteilen bei Gebäuden [8] Wird das beheizte Gebäudevolumen um mehr als 30 m 3 erweitert, so ist für den neuen Gebäudeteil der Nachweis wie für Neubauten zu führen. Wird das beheizte Gebäudevolumen um weniger als 30 m 3 erweitert, so sind bei den Außenbauteilen die maximalen Wärmedurchgangskoeffizienten nach Abb. 56 einzuhalten. Alternativ kann der Nachweis über den Jahres- Primärenergiebedarf Q P oder den Transmissionswärmeverlust H T erfolgen. Dabei dürfen die Werte nach Anhang 1 Tabelle 1 bzw. Anhang 2 Tabelle 1 der EnEV um bis zu 40 % überschritten werden. U-Wert-Ermittlung von Bauteilen Bei Außenbauteilen in Stahl-Leichtbauweise handelt es sich um mehrschichtige Bauteile. Der für die Berechnung der Transmissionswärmeverluste H T benötigte U-Wert setzt sich aus dem ungestörten Bereich des Gefaches und dem Bereich der Stahl-Leichtbauprofile zusammen. Eine Berechnung des mittleren U-Wertes nach DIN oder nach DIN EN ISO 6946 ist aufgrund der deutlich unterschiedlichen Wärmedurchlasswiderstände der Metallständer bzw. Stahlprofile und der Hohlraumdämmung nicht möglich. Das Verfahren darf nur angewendet werden, wenn sich die Wärmedurchlasswiderstände von Gefach und Ständer maximal um den Faktor 5 unterscheiden. Daher erfolgt die Berechnung des mittleren U-Wertes durch Berücksichtigung der Ständer als Wärmebrücke mit Hilfe von Wärmebrückenverlustkoeffizienten, die den zusätzlichen Energieverlust, den ein störendes Bauteil gegenüber dem Regelquerschnitt verursacht, angeben. Wärmebrücken können punktförmig, z. B. in Form einer Durchdringung, und linienförmig, z. B. in Form eines Ständers aus Stahl-Leichtbauprofilen in einer Außenwand, auftreten. Daher unterscheidet man auch zwischen dem punktbezogenen Wärmebrückenverlustkoeffizienten dem χ-wert (sprich: «Chi»-Wert) und dem längenbezogenen Wärmebrückenverlustkoeffizienten dem ψ-wert (sprich: «Psi»-Wert). Randbedingungen und Vorgehensweise zur Berechnung der längen- und punktbezogenen Wärmebrückenverlustkoeffizienten können dem Wärmebrücken-Atlas [9] entnommen werden. Die Berücksichtigung der Wärmebrückenverluste erfolgt über die Berechnung von U WB mittels folgender Gleichung: (F i ψ i l i ) + (F i n i χ i ) i i U WB = A ges 22

23 Wärme- und Feuchteschutz F i Temperaturkorrekturfaktor zur Berücksichtigung unterschiedlicher Temperaturrandbedingungen l i Länge der linienförmigen Wärmebrücke n i Anzahl der punktuellen Wärmebrücken Der Anteil der punktbezogenen Wärmebrücke F i n i χ i kann in der Regel vernachlässigt werden. Beispiel: Gegeben ist eine Außenwand in Stahl-Leichtbauweise mit einem außenseitigen Wärmedämmverbundsystem gemäß Abb. 57. Die Berechnung des U-Wertes des Gefaches ergibt einen Wert von 0,13 W/(m 2 K). Der Wärmebrückenverlustkoeffizientψ wird mit Hilfe eines Programms bestimmt oder der Literatur [9] entnommen. Man erhält den Wert 0,055 W/(m K). Der gemittelte U-Wert der Außenwand ergibt sich demnach mit: U m = U Gefach +ψ/a mit: a Achsmaß der Wärmebrücken bzw. Profile U m = 0,13 W/(m 2 K) + 0,055 W/(m K)/0,625 m = 0,22 W/(m 2 K) Eine vergleichende Berechnung nach DIN EN ISO 6946, mit Bestimmung des oberen und unteren Grenzwertes, ergibt für den mittleren U-Wert der Außenwand den Wert 0,25 W/(m 2 K). Die Abweichung zeigt, dass eine Berechnung des U m -Wertes für Bauteile in Stahl-Leichtbauweise über die Mittelung der U-Werte von Gefach und Profil zu ungenauen Ergebnissen führt. Berücksichtigung der Wärmebrücken des Gebäudes Mit dem voran beschriebenen Verfahren kann man den U m -Wert eines Außenbauteils bestimmen. Zusätzlich müssen noch die übrigen Wärmebrücken durch die Anschlussausbildung, z. B. einer Geschossdecke in der Außenwand, Wandaufbau Dicke d Wärmeleitfähigkeitλ außen [mm] [W/(m K)] Abb. 57: Aufbau einer Außenwand mit einem außenseitigen Wärmedämmverbundsystem innen außen Außenputz 10 0,70 Polystyrol-Hartschaum 60 0,04 zementgebundene Baustoffplatte 12,5 0,30 C-Profil C 200 x 50 x 1,5 mm, Rastermaß 62,5 cm Mineralwolledämmung 200 0,035 Gipsplatte 12,5 0,25 innen 23