Wärme- und Feuchteschutz

Verhalten von stählernen Fassadendurchdringungen

In den letzten Jahren wurden zahlreiche Bauwerke mit Fassaden ausgeführt, die Wärmebrücken besonderer Art aufweisen, für die mit den üblichen Rechenverfahren kein ausreichender Tauwasserschutz der raumseitigen Bauteiloberflächen nachweisbar war. Aus gestalterischen Gründen wurde bei diesen Bauwerken trotzdem nicht auf diese Gestaltungselemente verzichtet, d.h. die wärmedämmenden Fassaden von massiven, stählernen Tragelementen zu durchdringen.
Die Ergebnisse des am Arbeitsbereich durchgeführten Projekts experimenteller Untersuchungen in Verbindung mit begleitenden Finiten Elemente Berechnungen erlauben nun eine vereinfachende Erfassung des thermischen und hygrischen Verhaltens derartiger Konstruktionsdetails in Abhängigkeit von einfachen bauteilspezifischen Kennwerten.

In den letzten Jahren wurden zahlreiche Bauwerke mit Fassaden ausgeführt, die planmäßig Wärmebrücken besonderer Art und daraus resultierend einen mit den üblichen Verfahren nicht nachweisbaren Tauwasserschutz der raumseitigen Bauteiloberflächen aufwiesen. Abbildung 1 zeigt als Beispiel das Terminalgebäude des Flughafens Hamburg-Fuhlsbüttel. Das Dach wird von Fachwerkkonstruktionen getragen, die die Glasfassaden des Gebäudes durchstoßen. Die Schwachpunkte sind hier die raumseitigen Oberflächen der fassadendurchdringenden Rohre.
Eine thermische Trennung der Durchdringungselemente oder sonstige planmäßige Maßnahmen zum Erreichen eines den Nachweiskriterien genügenden Tauwasserschutzes wurden für diese Detailpunkte nicht vorgesehen. Trotzdem scheinen diese Fassaden in der Praxis zu funktionieren, da bisher keine Mängel oder Klagen der Bauherrn bekannt wurden.
Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekts wurde das wärme- und feuchteschutztechnische Verhalten derartiger Fassadendurchdringungen näher untersucht und dazu auch meßtechnisch erfaßt. Die Meßergebnisse wurden verglichen mit den Ergebnissen von dreidimensionalen Wärmetransportberechnungen (Finiten Elemente Berechnungen). Damit konnte untersucht werden, ob solche Wärmebrücken insbesondere aus feuchteschutztechnischer Sicht tatsächlich keine Schwachstellen darstellen bzw. unter welchen Randbedingungen derartige Konstruktionen „funktionieren" und wie deren Verhalten aus bauphysikalischer Sicht einzustufen ist.
Neben den bereits genannten Fassadendurchdringungen am Hamburger Flughafen wurde das wärme- und feuchteschutztechnische Verhalten einer ähnlichen Konstruktion an einer Hamburger Schule meßtechnisch ermittelt und bewertet.
Am Flughafen Hamburg durchdringen runde Hohlprofile die Außenfassade. Die Stahlprofile (St37) weisen Außendurchmesser bis zu 400 mm bei Wandstärken bis zu 12,5 mm auf. Die Andichtung an die Glasfassaden erfolgt über eine wenige Millimeter dicke Gummilippendichtung.
Das zweite meßtechnisch untersuchte Detail war ein stählernes Doppel-T-Profil (IPE 400), das die wärmedämmende Außenfassade einer Hamburger Schule ebenfalls ohne jegliche thermische Trennung durchstieß.
 
Während der Messungen im Winterhalbjahr 96/97 wurden an den beiden genannten Konstruktionsdetails über einen Zeitraum von mehreren Wochen die Bauteiloberflächentemperaturen an mindestens 8 verschiedenen Stellen in unmittelbarer Umgebung der Durchdringungen erfaßt. Weiterhin wurden die Innen- und Außenlufttemperaturen, die relativen Luftfeuchten innen und außen und die Strömungsgeschwindigkeit der Innenraumluft unmittelbar am Durchdringungspunkt in 10 Minuten Intervallen registriert. Zeiträume erhöhter solarer Einstrahlung konnten durch zusätzliche Temperaturfühler auf den Fensterscheiben erfaßt werden. Die zur Meßwertaufzeichnung verwendeten Datalogger speicherten, neben dem Mittelwert während des Meßintervalls, die im Meßintervall auftretenden Extremwerte sowie die während eines Meßintervalls maßgebende Standardabweichung. Die Meßwerte können dann per Funk zum Arbeitsbereich abgerufen werden.
Die Weiterverarbeitung der aufgezeichneten Meßwerte erfolgte mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms, wobei die Zeiträume mit erhöhter solarer Einstrahlung für die weiteren Auswertungen unberücksichtig blieben. Die Temperaturmeßwerte wurden in die normierte Form entsprechend Gleichung (1) transformiert.

Da das Wärmespeichervermögen der untersuchten Bauteile sehr gering war, konnten mit Gleichung (1) die gemessenen Temperaturen trotz erheblicher Schwankungen der Außentemperaturen, als Konstanten dargestellt werden. Ausgewählte Ergebnisse, der am Flughafen Hamburg-Fuhlsbüttel ermittelten Ergebnisse, sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengestellt.
 

Meßstelle; Meßwert
raumseitige Meßwerte
norm. Bauteiltemp. am Durchdringungspunkt (DP) 0,42
norm. Bauteiltemp. 10 cm vom DP 0,52
norm. Bauteiltemp. 30 cm vom DP 0,71
norm. Bauteiltemp. 50 cm vom DP 0,79
norm. Bauteiltemp. 70 cm vom DP 0,85
norm. Bauteiltemp. 90 cm vom DP 0,89
norm. Bauteiltemp. auf der Gummidichtung 0,27
Innenraumtemperatur am DP 22°C
Raumluftfeuchte zwischen 30% und 42%
mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Raumluft  0,17 m/s
Außenmeßwerte
norm. Bauteiltemp. am DP 0,30
minimale Außentemperatur im Meßzeitraum -7°C

Tabelle 1: Ausgewählte Meßergebnisse des Konstruktionsdetails Flughafen Hamburg-Fuhlsbüttel im Meßzeitraum vom 24.1.97 bis 25.2.97

Die Beurteilung der Gefahr von Tauwasserbildung auf Bauteiloberflächen erfolgt üblicherweise unter Zugrundelegung der Randbedingungen nach DIN 4108. Bei einer Außentemperatur von -15°C und einem raumseitigen Wärmeübergangswiderstand 1/(i von 0,17 m2 K/W ist für eine relative Luftfeuchte von 50% bei einer Raumtemperatur von 20°C nachzuweisen, daß die Bauteiloberflächen tauwasserfrei bleiben. Dieser Forderung entspricht die Bedingung, daß die minimale Bauteiloberflächentemperatur einen Wert von 9,3°C bzw. einen normierten Wert von 0,69 erreichen muß.
Diese Bedingung wurde weder am Flughafen Hamburg-Fuhlsbüttel (siehe Tabelle 1) noch an der zweiten vermessenen Wärmebrücke (Schulgebäude in Hamburg) eingehalten.
Zur Eingrenzung der Randbedingungen unter denen derartige Konstruktionen dennoch „funktionieren", d.h. tauwasserfrei bleiben, wurden die Konstruktionsdetails mittels des Finiten Elemente Programms ANSYS dreidimensional abgebildet und die theoretischen Temperaturverteilungen entsprechend DIN EN ISO 10211-1 berechnet. Die dabei anzusetzenden konvektiven Wärmeübergangszahlen wurden aus den gemessenen Luftstromgeschwindigkeiten bestimmt. Unter Berücksichtigung des Strahlungsanteils des Wärmeübergangs konnte (i, ges zwischen 4,5 bis 8,5 W/m2K eingegrenzt werden.


Abbildung 2 zeigt das Ergebnis einer durchgeführten Finiten Elemente Berechnung für das Konstruktionsdetail am Flughafen. Für die in Abbildung 2 gezeigten Ergebnisse wurde rechentechnisch zusätzlich berücksichtigt, daß innerhalb des Hohlprofils eine Luftzirkulation aufgrund temperaturbedingter Dichteunterschiede einsetzen kann. Insbesondere im unmittelbaren Bereich der Durchdringung werden durch die Berücksichtigung einer Luftzirkulation im geschlossenen Rohrprofil die ohnehin schon sehr realitätsnahen Ergebnisse der Finiten Elemente Berechnung nochmals verbessert.
Eine vergleichbar gute Übereinstimmung zwischen Messung und dreidimensionaler Temperaturberechnung wurde für das zweite untersuchte Konstruktionsdetail ebenfalls erreicht.
Die durchgeführten Temperaturverteilungs- und ggf. Strömungsberechnungen sind aufwendig und können im Normalfall im Entwurfs- und Planungsstadium eines Bauvorhabens nicht durchgeführt werden. Für ingenieurmäßige Zwecke ist darum das Ableiten von vereinfachenden Bemessungsformeln, mit deren Hilfe eine überschlagsmäßige Berechnung der Auswirkungen solcher Fassadendurchdringungen möglich ist, zur Verfügung zu stellen. Die durchgeführten Vergleiche zwischen den Messungen und Berechnungen zeigten die guten Übereinstimmungen, so daß für die notwendige Verallgemeinerung der Ergebnisse 33 zusätzliche, als Durchdringungselemente in Frage kommende Stahlprofile nachgerechnet und ausgewertet wurden.
Die Auswertung ergab nun, daß die minimale raumseitige Bauteiloberflächentemperatur des Durchdringsprofils nur vom Verhältnis Querschnittsfläche A zum Umfang U des Profils und der Dicke s der durchdrungenen Wand abhängig ist.

Anhand dieser minimalen raumseitigen Bauteiloberflächentemperatur kann in Abhängigkeit der jeweiligen Nutzung beurteilt werden, welche Raumluftfeuchten ohne erkennbare Tauwasserbildung toleriert werden können bzw. während welcher Zeiträume eines Jahres mit Tauwasserbildung zu rechnen ist.
Die durch die Wärmebrücke verursachten zusätzlichen Wärmeverluste können in Abhängigkeit der Querschnittsfläche A näherungsweise nach der folgenden Gleichung bestimmt werden. WBVp=1.4*ln(A)-11.4

Für das eingeschossige Schulgebäude mit einem vergleichsweise hohen Anteil der Durchdringungen an der wärmetauschenden Fassadenfläche ist danach ein zusätzlicher Wärmeverlust von ca. 10 % zu erwarten. Für das Flughafengebäude, bei dem die Durchdringungsflächen nur einen minimalen Anteil an der gesamten wärmetauschenden Hüllfläche einnehmen, ist hingegen nur ein zusätzlicher Wärmeverlust im Promillebereich zu erwarten.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß derartige stählernen Fassadendurchdringungen Schwachstellen in der Gebäudehülle darstellen, deren Auswirkungen auf den Wärme- und Feuchteschutz zu überprüfen sind. Für diese Überprüfungen wurden einfache Näherungsformeln abgeleitet, mit deren Hilfe zukünftig bereits in der Entwurfsphase eine Beurteilung des wärme- und feuchteschutztechnischen Verhaltens solcher Konstruktionsdetails vorgenommen werden kann.

Prof. Dr.-Ing. Lutz Franke; Dr.-Ing. Gernod Deckelmann
Lehr- und Forschungsbereich Bauphysik und Werkstoffe im Bauwesen
TU Hamburg-Harburg