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Technik
Unter Sog und Druck

1 Hinterlüftete Außenwandbekleidungen sind keine winddichten Gebäudehüllen, weshalb sich zwischen der Außenluft und der Luft im Belüf- tungsspalt Druckdifferenzen einstellen 2 Windumströmung eines Gebäudes 3 Zeitlicher Verlauf der Stromlinien entlang einer vertikalen Gebäudekante 4 Luftströmung entlang einer vertikalen Gebäudekante im Bereich der hinterlüfteten Außenwandbekleidung 5 Resultierende Windverteilung bei hinterlüfteten Außenwandbekleidungen 6 Strömungslinie bei einem Gebäude mit (oben) beziehungsweise ohne (unten) »Windsperre« im Bereich des Belüftungsspaltes 7 Kenngrößen zur Bestimmung des Belüftungs- und Hinterströmungswiderstandes 8 Vergleich der im Windkanal gewonnenen Messergebnisse mit denen aus einem Großversuch 9 cp-Werte für Gebäude mit und ohne Eckabdichtung entlang der vertikalen Gebäudekante (vergleiche Bild 6) 10 Unterteilung des Belüftungsraumes durch die vertikalen Tragprofile der Unterkonstruktion 11 Beispiel für eine vertikale Luftsperre entlang einer Gebäudekante
Obwohl die Luftschicht hinterlüfteter Außenwände über die Fugen der Bekleidung mit der Außenluft verbunden ist, werden hinterlüftete Konstruktionen und ihre Befestigungen bei der statischen Berechnung derzeit wie winddichte Gebäudehüllen behandelt. Hierbei unterstellt man allerdings gleiche Windlasten, wie sie in DIN 1055 geregelt sind. Diese Annahme entspricht jedoch nicht der Realität. Although behind ventilated external walls the cavity is connected with the outside air through jointings in the cladding, static calculations currently assume that cladding construction and fixings are windproof. This, however, supposes equal wind forces, as regulated in DIN 1055. This assumption does not correspond to reality.

Bei der Bemessung belüfteter Außenwandbekleidungen einschließlich derer Befestigungen und Verankerungen ist in den weitaus meisten Fällen der Lastfall Wind (Windsog) maßgebend. Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden für den Standsicherheitsnachweis die in DIN 1055 Teil 4 (Fassung 1986–8) angegebenen Winddruck- beziehungsweise Windsoglasten herangezogen, obwohl der Anwendungsbereich dieser Norm nur für luftdichte (winddichte) Gebäudehüllen gilt [1]. In den Erläuterungen zu DIN 1055 Teil 4, Abschnitt 6.1 heißt es: »Den Kraft- wie Druckbeiwerten liegen Messungen an Modellen mit starrer und winddichter Oberfläche zugrunde.«

Bei belüfteten Außenwandbekleidungen ist die Außenluft jedoch durch die Fugen zwischen den Wandbekleidungen mit dem dahinter befindlichen Luftraum verbunden; die Gebäudehüllen sind also nicht winddicht. Unterstellt man stationäre, flächig konstante Druckverhältnisse, so besteht keine Druckdifferenz zwischen der Außenluft und der Luft im Belüftungsspalt (Prinzip der kommunizierenden Röhren). Folglich werden die Außenwandbekleidungen nicht durch Wind beansprucht. In der Realität sind die Strömungs- und damit die Druckverhältnisse aber instationär, weshalb sich an den Außenwänden eine windbedingte Druckverteilung einstellt. Es entstehen zwangsläufig Druckdifferenzen.
Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsprojektes1 und einer sich anschließenden Dissertation [2] wurden die auftretenden Druckdifferenzen und damit die Beanspruchungen der Außenwandbekleidungen unter realen Luftströmungsverhältnissen ermittelt [3]. Das Ergebnis der Untersuchungen ist in DIN 18516–1 (Fassung 1999) und in die Neufassung von DIN 1055 (siehe E DIN 1055–4, April 2002) eingeflossen. Nachfolgend wird der Normtext erläutert.
Strömungsverhältnisse Die um ein Gebäude strömende Luft (Bild 2) staut sich zunächst vor dem Gebäude auf, wobei ihre Bewegungsenergie teilweise oder ganz in Druckenergie umgewandelt wird. Durch den Aufstau der Luftströmung wird die nachfolgende Luft aus ihrer Bahn gelenkt und es entstehen Um- und Überströmungen sowie der so genannte Hufeisenwirbel am Fußpunkt des Gebäudes, der an den Gebäudelängsseiten in Strömungsrichtung abgelenkt wird.
Wichtig ist der Verlauf der Strömungslinien im Bereich der Gebäudelängsseiten (Bild 3 a). Die entstehenden instationären Strömungsverhältnisse erzeugen einen Sekundärwirbel mit hoher Drehgeschwindigkeit (Bild 3 b), der intermittierend zusammenfällt (Bild 3 c) und sich wieder aufbaut. Unterhalb der luvkantig abgelenkten Luftströmung wird ein hoher Unterdruck erzeugt. Die Größe des Unterdruckes nimmt zu, wenn die Stromlinien sich wieder an die Gebäudeschmalseiten anlegen (Bild 3 a). Dem an den Gebäudekanten entstehenden Unterdruck wird zurzeit in DIN 1055 Teil 4 durch entsprechende Druckbeiwerte (cp-Werte) Rechnung getragen.
Die Luftbewegung zwischen der luftdurchlässigen Außenwandbekleidung und der undurchlässigen Gebäudewand (Bild 4) bewirkt eine Druckverteilung im Belüftungsspalt, die sich zum Teil erheblich von der Außendruckverteilung unterscheiden kann. Die resultierende Windbeanspruchung der Außenwandbekleidung ergibt sich aus der Druckdifferenz zwischen der internen und der externen Winddruckbeanspruchung (Bild 5).
Um die Windlastbeanspruchung zu verringern, sollte der Belüftungsspalt an den vertikalen Gebäudekanten winddicht getrennt beziehungsweise unterteilt werden. Hierdurch ergibt sich ein unterschiedlicher Verlauf der Stromlinien (Bild 6). Der Einfluss der vertikalen »Windsperre« wurde sowohl im Windkanal als auch unter realen Bedingungen untersucht.
Windkanal- und Großversuche Die Luftdurchlässigkeit der Außenwandbekleidung und der Strömungswiderstand im Belüftungsspalt sind die maßgeblichen Parameter, die den Druckausgleich zwischen der Außenluft und dem Belüftungsspalt bewirken.
Ein weitgehender Druckausgleich zwischen der Außenluft und dem Belüftungsspalt tritt auf, wenn einerseits der Strömungswiderstand im Belüftungsspalt groß ist, also die Luftbewegung im Belüftungsspalt gebremst wird, und wenn andererseits der Durchströmungswiderstand im Bereich der Außenwandbekleidung gering ist, das heißt die Außenluft weitgehend ungehindert in den Belüftungsspalt eintreten kann.
Der Durchströmungswiderstand der Außenwandbekleidung wird im Wesentlichen durch die relative Größe der Fugenöffnungen « (Luftdurchlässigkeit) bestimmt. Je größer der Fugenanteil, umso größer die Luftdurchlässigkeit beziehungsweise umso geringer der Durchströmungswiderstand.
Der Hinterströmungswiderstand im Belüftungsspalt wird im Wesentlichen von der relativen Tiefe des Belüftungsspaltes r bestimmt. Je geringer die Spalttiefe, umso größer der Hinterströmungswiderstand.
Die Windkanalversuche wurden sowohl ohne als auch mit einer Windsperre entlang der vertikalen Gebäudekanten durchgeführt, wobei folgende Parameter variiert wurden (vergleiche Bild 7):
– Gebäudegeometrie (h/a und b/a)
– Durchströmungswiderstand beziehungsweise relative Luftdurchlässigkeit («)
– Hinterströmungswiderstand beziehungsweise relative Spalttiefe (r)
– Anströmungsbedingungen / Anströmrichtungen.
Anschließend wurde ein Großversuch durchgeführt, um die im Windkanal gewonnenen Messergebnisse zu valuieren. Die Ergebnisse stimmten sehr gut überein (Bild 8).
Weiterhin wurde im Großversuch der Einfluss der vertikalen Kantenabdichtung untersucht. Demnach wirkt sich die Eckabdichtung signifikant auf die Größe der Windbeanspruchung aus (Bild 9).
Versuchsergebnisse Mithilfe der Ergebnisse der Windkanaluntersuchungen lassen sich sinnvolle Lastannnahmen für freistehende Gebäude ohne dynamische Belastung im Sinne der DIN 1055 aufstellen.
Für die Windlastannahmen stellte sich heraus, dass – im Gegensatz zu der Regelung in DIN 1055 (Fassung 1986) – die Gebäudeflächen nicht in einen vertikalen Mittelbereich und zwei seitliche Randstreifen unterteilt werden müssen, wenn die in DIN 18516–1 angegebenen Randbedingungen eingehalten werden. Für die Windbelastung (Windsog – Winddruck) ist in DIN 18516–1, Abschnitt 5.1.2.2 aufgrund der dargestellten Untersuchungen zusammenfassend folgender vereinfachter Bemessungsvorschlag abgeleitet:
»Für Gebäude mit hinterlüfteten Außenwandbekleidungen müssen im Randbereich die erhöhten Windsoglasten nach DIN 1055–4 nicht angesetzt werden, wenn die Außenwandbekleidung winddurchlässig ist, zum Beispiel aufgrund offener Fugen zwischen den Bekleidungsplatten.
Hierbei gilt:
a) Die relative Winddurchlässigkeit der Außenwandbekleidung einschließlich der Unterkonstruktion muss nach Gleichung (1)
« $ 0,75 % (1)
bezogen auf die betrachtete Gebäudeseitenfläche sein. Für die Ermittlung von « gilt Gleichung (2)
AF
« = —— · 100 % (2)
AW
Dabei ist
AF die Fläche der allseits durchgängig offenen Fugen
AW die Fläche der Außenwandbekleidung.
Die Fugen sollten jedoch nicht breiter als 20 mm sein, wenn nicht aus Witterungsgründen geringere Breiten erforderlich sind.
b) Der Strömungswiderstand muss Gleichung (3) entsprechen
r = s/a # 0,005 (3)
Dabei ist
s Tiefe des Hinterlüftungsspaltes
a Länge der Gebäudeschmalseite
c) Entlang der vertikalen Gebäudekanten ist eine dauerhafte und formstabile vertikale Windsperre über die gesamte Gebäudehöhe anzuordnen.« (Anmerkung der Verfasser: Um den Strömungswiderstand im Luftspalt zu bewirken; siehe zum Beispiel Bild 11.)
Die reduzierten Windlasten gelten auch für hinterlüftete Außenwandkonstruktionen entsprechend Bild 10.
Befestigung der Wärmedämmung Hinsichtlich der Befestigung der Wärmedämmplatten auf der tragenden Wand muss überprüft werden, ob eine zusätzliche besondere Lagesicherung notwendig ist oder nicht. Die resultierende Last pro Flächeneinheit der Wärmedämmung ergibt sich aus der Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite der Wärmedämmung. Die Größe dieser anzusetzenden Last ist von dem längenbezogenen Strömungswiderstand der Wärmedämmstoffe (»Luftdurchlässigkeit«) abhängig. Im Falle von mineralischen Wärmedämmungen ist der Durchströmungswiderstand so gering, dass mit einem Druckbeiwert von cp = – 0,05 zu rechnen ist. Für den Fall, dass weitgehend windundurchlässige Wärmedämmstoffe verwendet werden, wie beispielsweise extrudiertes Polystyrol, müssen die Wärmedämmplatten auf die Wand aufgeklebt werden. Eine solche Verklebung oder flächige Fixierung durch Dübel ist aber auch für Mineralfaserdämmstoffe notwendig. Nur so lässt sich einerseits verhindern, dass die Dämmstoffe durch die kalte Außenluft unterströmt werden und sie andererseits in den Belüftungsspalt »abklappen«, was die Belüftungswirkung im Spalt behindern würde.
In DIN 18516–1, Abschnitt 7.4 heißt es: »Dämmplatten sind dichtgestoßen, im Verband und so zu verlegen, daß keine Hohlräume zwischen Untergrund und Dämmschicht entstehen. Sie sind durch im Mittel 5 Dämmstoffhalter je m2 mechanisch zu befestigen und dicht an begrenzende Bauteile anzuschließen.
Wenn auf Untergründen Dämmplatten nicht mechanisch befestigt werden können, sind die Dämmplatten aufzukleben; dabei müssen Faserdämmplatten dem Anwendungstyp WV nach DIN 18165–1 entsprechen, um eine ausreichende Abreißfestigkeit zu erreichen.«
Zusammenfassung Für die Bemessung hinterlüfteter Außenwandbekleidungen, ihrer Befestigungsmittel sowie der Verankerungen müssen die erhöhten Windsoglasten im Bereich der Gebäuderänder nicht berücksichtigt werden, wenn die Außenwandbekleidung hinreichend luftdurchlässig ist und der Strömungswiderstand im Belüftungsspalt ausreicht (« $ 0,75, r= s/a < 0,005 (siehe Bild 7)). Die Windsperre an den vertikalen Gebäudekanten, die für die Minderung der cp-Werte unabdingbar ist, muss zum Beispiel entsprechend Bild 11 ausgeführt werden. Die Wärmedämmung ist durch Kleben oder mechanische Verbindungsmittel auf dem Untergrund beziehungsweise auf der Wand zu fixieren. E. C., H.-J. G.
1 Die Untersuchungen wurden im Rahmen des Forschungsschwerpunktes »Bauphysik der Außenwände« von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert; ihr sei hier dafür gedankt. Literatur: [1] Erläuterung zu DIN 1055 T. 4, Abschnitt 6.1 (Fassung 08/1986) [2] Janser, F., Windbeanspruchung belüfteter Außenwände, Dissertation der TU Berlin, 1995 [3] Gerhardt, H.-J., F. Janser, Windbelastung belüfteter Fassadensysteme, in: Bauingenieur (70), Heft 5, Springer VDI Verlag, Düsseldorf, 1995
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