Technik

Hochwertige Untergeschosse

Sind erdberührte Bauteile gegen Druckwasser zu schützen, entscheiden sich die meisten Planer für wasserundurchlässige Wannen aus Beton. Was geschehen muss, damit Untergeschosse in WU-Bauweise auch hochwertig genutzt werden können, ist nach wie vor umstritten. Selbst neueste Regelwerke schweigen sich darüber aus. Der Beitrag erläutert die Gründe des Streits und berichtet über Erfahrungen mit ausgeführten Objekten. Where building parts in contact with the earth need protection against groundwater, most planners decide for waterproof concrete tanking. What is necessary to make basements storeys of waterproof concrete suitable for high standard usage remains controversial. Even the most recent guidelines are silent on this. The article explains the reasons for disagreement and reports on experience with existing buildings.

Die Leistungsfähigkeit und die praktische Bewährung von wasserundurchlässigen Bauteilen aus Beton ist unter ernst zu nehmenden Baufachleuten unumstritten. Es war daher höchste Zeit, dass nicht nur der Baustoff als »Beton mit hohem Wassereindringwiderstand« genormt wurde, sondern auch der Deutsche Ausschuss für Stahlbeton inzwischen eine WU-Richtlinie erarbeitet hat, in der die Bauweise für »Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton« geregelt ist.

Für alle Abdichtungsverfahren gibt es unproblematische und kritische Anwendungssituationen – auch für WU-Beton-Konstruktionen:
– Beim schwingungsanfälligen Industriehallendach ist die lose liegende Kunststoffdachbahn der Bitumenbahn überlegen.
– Im schwer reparablen Parkdach ist die nicht unterläufige Verbundabdichtung aus Bitumenbahnen auf Betonuntergrund zu wählen.
– Bei allen stark klimatisch und dynamisch beanspruchten Dachsituationen muss generell die bahnenförmige Abdichtung einer WU-Betonbauweise vorgezogen werden.
Das große Problem bei dieser Bauweise sind nämlich Wechselbeanspruchungen, die Zwängungsspannungen und in der Folge Risse hervorrufen können. Es ist zwar ein wichtiger Vorteil der WU-Bauweise, dass Risse von der wasserabgewandten Seite her meist gut verpressbar sind – sofern die Innenoberfläche zugänglich bleibt. Eine noch so sorgfältige Rissverpressung hilft aber auch bei zugänglichen Flächen wenig, wenn aufgrund fortlaufender Rissrandbewegungen der Riss erneut so breit aufklafft, dass er wieder wasserführend wird.
Folgender Vermerk in der für das Rissverpressen maßgeblichen »Instandsetzungsrichtlinie« ist da sehr aufschlussreich. Die Tabelle 6.4 im Teil 2 dieses Regelwerks weist nämlich darauf hin, dass bei abdichtend mit PU-Harz verpressten Rissen von 0,3 bis 0,5 mm Breite die Rissrandbewegung nach dem Verpressen nur fünf Prozent der Rissweite betragen darf. Das entspricht bei einem 0,3 mm breiten Riss dem winzigen Maß von 0,015 mm!
Deshalb bewähren sich WU-Bauweisen, wenn die Wechselbeanspruchungen gering sind oder ohne nennenswerte Zwängungsspannungen ablaufen können, beziehungsweise wenn die Zwängungsspannungen mit noch wirtschaftlichem Bewehrungsaufwand aufgenommen werden können.
Im Hochbau haben sich WU-Bauweisen besonders in folgenden drei Anwendungsbereichen bewährt:
  • 1. zwängungsarm aufgelagerte Balkonplatten oder Außentreppenfertigteile, die sich durch eine einfache Geometrie und überschaubare Abmessungen auszeichnen;
  • 2. erdüberschüttete, meist intensiv begrünte Decken über Tiefgaragen;
  • 3. erdberührte Bodenplatten und Wände (Weiße Wannen).
Leider sind in der neuen WU-Richtlinie die weit verbreiteten Hofkellerdeckenbauweisen nicht geregelt und somit auch nirgends verbindlich qualitätssichernd beschrieben.
Die größten Unsicherheiten bei der Konzeption von Untergeschossen mit WU-Bauteilen betreffen die notwendigen, flankierenden Maßnahmen bei druckwasserbelasteten Wannen mit hochwertigen Innenraumnutzungen. Die neue WU-Richtlinie wird da kaum helfen. Sie orakelt: »Bei hohen Nutzungsanforderungen sind erforderlichenfalls die Auswirkungen … (der) … Feuchtetransportvorgänge durch raumklimatische und bauphysikalische Maßnahmen auf das erforderliche Maß zu begrenzen.« Ein so verwaschener Hinweis mag den Betonbauer zufrieden stellen – den für die Gebrauchstauglichkeit des Gebäudes verantwortlichen Planer kann er nur irritieren.
Die Bedenken über die tatsächliche Leistungsfähigkeit von Weißen Wannen in solchen Situationen werden schon durch den Namen der Bauweise impliziert: Mit der Bezeichnung »wasserundurchlässig« soll zum Ausdruck gebracht werden, dass Beton nicht wasserdicht ist, sondern aufgrund seiner Porenstruktur zwar flüssiges Wasser eindringen lässt, aber nicht bis zur Innenoberfläche durchlässt. Es geht dabei aus zwei Gründen nicht in erster Linie um Feuchtigkeit, die durch den langsamen Vorgang der Wasserdampfdiffusion transportiert wird:
– Die niedrigen Temperaturen im Erdreich ergeben meist nur kleine Wasserdampfteildruckdifferenzen zwischen außen und innen, was wiederum nur einen geringen Wasserdampfdiffusionsstrom zur Folge hat (siehe db 9/02: Bodenplatten nicht unterkellerter Gebäude).
– Bei Bauteildicken von mindestens 25 cm weisen Betonquerschnitte ähnliche Wasserdampfdiffusionswiderstände wie gebräuchliche hautförmige Abdichtungsmaterialien (zum Beispiel PVC-Weich-Bahnen) auf.
Es ist wohl unumstritten, dass bei frei an die Innenraumluft grenzenden, druckwasserbelasteten WU-Bauteilen in der innenoberflächennahen Zone des Bauteilquerschnitts die durch Dampfdiffusion transportierbare Wassermenge größer ist als die durch Kapillarität oder gar Sickerströmungen »nachstoßende« Wassermenge. Sonst würde man das bis zur Innenseite vordringende, flüssige Wasser als eingedunkelte oder gar glänzend nasse Oberfläche sehen können.
Demnach sind Bauweisen mit offenen Innenoberflächen bei normalen Belüftungsbedingungen zweifellos gut funktionsfähig. Ein solcher Fall liegt bei Tiefgaragen mit unbehandelten Wand- und Bodenoberflächen vor. Gerade bei hochwertigen Nutzungen ist aber eine unbehandelte Betonoberfläche meist ungeeignet. Vor allem auf der Bodenplatte will man Bodenbeläge mit oder ohne Dämmschichten einbauen, auch die Wandflächen sollen verputzt oder bekleidet werden.
Grundsätzlich kann man solche Innenoberflächen hinterlüftet konzipieren, so wie dies von Cziesielski seit Jahren favorisiert wird. Dazu reicht es allerdings nicht aus, mit relativ großem Aufwand den Bodenbelag aufzuständern und die Wandflächen zweischalig auszubilden. Es muss dann auch für einen sicheren und flächendeckenden Luftstrom und Luftwechsel im Zwischenraum gesorgt werden. Weiterhin dürfen im Zwischenraum keine hohen Luftfeuchtigkeiten entstehen, die Schimmelpilzen günstige Wachstumsbedingungen bieten. Die Unterlüftung ist daher eine komplizierte und angesichts der zunehmenden Schimmelpilzdiskussion für Aufenthaltsräume auch eine riskante Variante. Es ist daher von großer baupraktischer Bedeutung, zu klären, wie nicht unterlüftete Innenoberflächen gestaltet werden müssen. Es geht dabei um die Frage, wie viel Wasser die Innenoberflächen erreicht, wenn eine Wasserabgabe durch Wasserdampfdiffusion oder gar Verdunstung an der Oberfläche durch Abdeckungen weitgehend unterbunden wird. Muss man zum Beispiel unter innenseitigen Folienabdeckungen nach einiger Zeit mit einem »Wasserbett« rechnen, wie anlässlich der Aachener Bausachverständigentage 2002 zu bedenken gegeben wurde?
Man wird nun einwenden, dass diese Frage doch durch Berechnungen zu klären sein müsste. Dies ist leider nicht der Fall. Die Nachweise von Klopfer überzeugen zum Beispiel nicht, da sie beim Rechenansatz von einer Annahme ausgehen, deren Richtigkeit es gerade durch die Berechnung zu beweisen galt. Alle anderen, auch die Kapillarität berücksichtigenden Berechnungen (auch komplexe WUFI-Berechnungen) können nur zutreffend sein, wenn die verwendeten Stoffkennwerte für den Wassertransport im Beton richtig sind. Die mangelnde Übereinstimmung zwischen Berechnung und Wirklichkeit zeigt, dass dies nicht der Fall ist. Die Wassertransportvorgänge im Beton sind eben nicht erschöpfend geklärt.
Auch Laboruntersuchungen wie die von Beddoe und Springenschmid lassen zwar vermuten, dass zumindest beim Saugversuch innenseitig kein flüssiges Wasser ankommt (die WU-Richtlinie folgt dieser Annahme vorbehaltlos). Sie bleiben aber bei näherer Betrachtung der Ergebnisse »mysteriös«. Man geht nämlich davon aus, dass sich im Kern des Betons eine Zone ohne Wasserdampfdiffusion befindet. Wie soll man es sich aber physikalisch erklären, dass trotz des Wasserdampfteildruckgefälles zwischen den Bauteiloberflächen ein durch die Brown’sche Molekularbewegung hervorgerufener Konzentrationsausgleich in Teilzonen des Querschnitts nicht stattfindet?
Nun redet man bei WU-Betonkonstruktionen ja nicht über eine exotische, noch nicht erprobte Bauweise, sondern über ein Bauverfahren, auf das seit Jahren bei vorübergehenden und ständigen Druckwassersituationen entschieden häufiger zurückgegriffen wird als auf hautförmige Abdichtungsmethoden. Weiße Wannen sind daher weit verbreitet. Wenn die Theorien auf dem Rechner und im Labor nicht befriedigen, müssen eben genauere Untersuchungen an ausgeführten Gebäuden helfen.
Das AIBau hat daher mehrere seit Jahren genutzte Gebäude untersucht, die einerseits dauernd im drückenden Wasser stehen und die andererseits innenseitig Beläge und Bekleidungen sowie möglichst auch höherwertige Nutzungen aufweisen. Die Untersuchungen hat das AIBau selbst finanziert, da öffentliche Forschungsträger leider nicht davon zu überzeugen waren, dass hier Mittel sinnvoll eingesetzt werden; eine Förderung durch Interessengruppen hätte wiederum die Beweiskraft der Ergebnisse geschmälert.
Über eine Gruppe besonders eindrucksvoller Objekte soll im Folgenden kurz berichtet werden.
In den Niederlanden schwimmen auf der Maas, an Pollern »vertäut« (Bild 1), seit Anfang der 90er Jahre einige Dutzend Ferienhäuser, die teilweise ständig bewohnt sind. Die »Schwimmkörper« bestehen jeweils aus einer schuhkartonartigen Weißen Wanne und sind etwa zehn Meter lang und fünf Meter breit (Bild 2). Die Bauteile wurden über Kopf als fugenloses Fertigteil im Werk hergestellt, dann an den dauernden Schwimmplatz geschleppt und vor Ort durch einen eingeschossigen Wohnhausaufbau mit ausgebautem Satteldach komplettiert. Das Untergeschoss ist mit schmalen, oberhalb des Wasserspiegels liegenden Fenstern ausgestattet und wird als Keller, Hobbyraum, aber auch als Gästeschlafzimmer genutzt. Für die Nutzung als Schlafräume mussten die Wand- und Bodenflächen sowie die Deckenränder der 17,5 cm beziehungsweise 20,5 cm dicken, außenseitig unbehandelten Stahlbetonwannen aus B45 innenseitig mit Dämmschichten und Innenbekleidungen versehen werden; bei den Hobbyräumen wurden auf die Fußböden Dispersionsanstriche und Beschichtungen aufgebracht (Bilder 3, 4). Es lagen also ideale Bedingungen vor, um die zu Beginn aufgeworfenen Fragestellungen an länger genutzten Bauwerken praktisch zu prüfen:
– Die dauernde Druckwasserbelastung bis ca. 1,6 m über Oberkante Fußboden ist offensichtlich.
– Ebenso eindeutig ist sichtbar, dass die Außenoberflächen des Betons nicht zusätzlich abgedichtet sind.
– Schließlich sind die Betonflächen innenseitig mit Abdeckungen versehen und die Räume zum Teil höherwertig genutzt.
Drei Objekte wurden ausgewählt, die einerseits typische Nutzungsvarianten repräsentieren und bei denen andererseits die Bewohner die Freundlichkeit besaßen, unsere Untersuchungen zu unterstützen. Natürlich waren die Untersuchungsmöglichkeiten eingeschränkt. So konnten selbstverständlich weder Kernbohrungen durch den Beton gemacht werden, noch durften intakte Fliesenbeläge an beliebiger Stelle zerstört werden. Durch Besichtigung, Luftfeuchtemessungen, Holzfeuchtemessungen in Einbauteilen und Betonfeuchtemessungen an aus den Betonoberflächen genommenen Proben sowie Temperatur- und Luftfeuchtemessungen in Hohlräumen unter den Fußböden lassen sich sehr wohl gute Anhaltspunkte für die Bewährung solcher Konstruktionen ableiten.
Vorweggenommen sei gleich das wichtigste Ergebnis: An keinem Objekt wurde über Feuchteprobleme im Untergeschoss geklagt. Auch die sorgfältige Besichtigung der Kellerräume ergab an keiner Stelle sichtbare Feuchtespuren oder Schimmelbefall.
Die umfangreichsten Untersuchungen konnten an einem als Wochenendhaus genutzten, zehn Jahre alten Gebäude gemacht werden. Der unbeheizte Hobbyraum war über Lüftungsöffnungen nach Bedarf belüftbar, die Oberflächen waren beschichtet. An Betonproben unter der ungefähr 0,1 mm dünnen Fußbodenbeschichtung (sdWert etwa 1,2 m) wurden nach der Darr-Methode ein mittlerer Feuchtigkeitsgehalt von 3,9 Masse% ermittelt. Auch eine mehrmonatige Abdeckung (105 Tage) von Teilabschnitten des Fußbodens mit dampfdichten Schichten wie zum Beispiel Bitumenbahnen (Bild 5) veränderte den Feuchtigkeitsgehalt nicht. Ablösungen an der Beschichtung oder sonstige Schäden an Holzmöbeln gab es nicht.
Das zweite Gebäude wird dagegen seit zwölf Jahren (1992) ständig bewohnt. Der untersuchte Kellerraum dient gelegentlich als beheiztes und benutztes Gäste-Schlafzimmer. Der Boden war über Ausgleichslattung mit Extruderschaumplatten wärmegedämmt, darauf folgten eine 0,15 mm dünne Polyethylenfolie als Dampfsperre und dann geflieste Spanplatten.
Als Drittes untersuchten wir das Gäste-Schlafzimmer eines seit neun Jahren genutzten Ferienhauses. Hier waren Boden- und Wandbelag deutlich (Boden 3,5 cm, Wand 6 cm) durch eine Luftschicht zwischen Innendämmung und Beton vom Untergrund getrennt. Der Zwischenraum war an einer auch den Luftspalt hinter der abgehängten Decke erfassenden, mechanischen Entlüftung angeschlossen, die allerdings nur sporadisch bei Bedarf lief.
Die zahlenmäßigen Ergebnisse der Untersuchung werden an anderer Stelle detailliert dokumentiert und veröffentlicht. Hier soll es um die praktisch relevanten Ergebnisse gehen.
Die Holzbauteile unter den Dämmschichten wiesen in den beiden Gebäuden mit Schlafräumen im Untergeschoss einen sehr hohen Feuchtegehalt um 19 Masse% auf. Viel feuchter darf das Holz nicht mehr werden, um nicht von Schädlingen befallen zu werden. Schlimmeres verhütet nur die tiefe Temperatur im Zwischenraum. Der Vergleich mit den Luftfeuchten und dem Temperaturgefälle im Querschnitt ergab, dass die hohen Feuchtegehalte nicht von der erheblichen Wasserbelastung des über den außenseitig vom Flusswasser berührten Beton herrührten, sondern dass weitestgehend die Temperaturabsenkung hinter der Innendämmung sowie die Unterströmbarkeit der Dämmung dafür verantwortlich war. Auch wenn die Oberfläche des Betons dampfdicht abgedichtet worden wäre, hätten sich bei sonst gleicher Schichtenfolge und Belüftungssituation ähnliche Werte eingestellt. Besonders das letzte Beispiel belegt also den lange bekannten Sachverhalt, dass Innendämmungen nicht von Raumluft hinterströmt werden dürfen. Bei beheizten Räumen kann demnach die Belüftungsvariante bei WU-Betonkonstruktionen zu Schäden führen.
Spuren von stehendem Wasser, Pfützen, starke Eindunkelungen wurden an den nicht belüfteten Oberflächen nirgendwo festgestellt. Der Feuchtegehalt der Betonoberfläche unter der Beschichtung des Hobbyraums lag allerdings deutlich über der Ausgleichsfeuchte, die im Labor mit 2 Masse% ermittelt wurde. Die Dampfdichtheit der Innenoberfläche spielt dabei – zumindest bei dreimonatiger Untersuchungsdauer – keine Rolle.
Es wird also erkennbar, dass bei Innendämmungen eine nicht unterlüftete Bauweise besser ist. Der Nutzen dampfsperrender Zwischenschichten liegt eher darin, im Querschnitt eingebaute Holzwerkstoffe vor dem erhöhten Feuchtegehalt im Porenraum des Betons zu schützen. Diese Feuchtigkeit stammt im Neubau aus Baufeuchte – später ist sie aber wohl aus dem Wassertransport durch den Beton zu erklären. Bauteile unter Druckwasserbelastung weisen demnach dauernd einen deutlich erhöhten Eigenfeuchtegehalt auf – es kommt aber nicht zum Austreten von flüssigem Wasser. Stark beeinträchtigend ist diese Belastung aber nicht.
In weniger exotischen Situationen, in denen das Haus nicht im Flusswasser dümpelt, sondern von Erdreich umgeben ist, dessen Feuchtegehalt von der Grundwasserbelastung abhängt, ist bei Wandflächen die gesamte Diskussion ohnehin überwiegend müßig. Im Normalfall wird man außen liegende Perimeterdämmungen aus extrudierten Polystyrolschäumen oder Schaumglas anwenden, die ohnehin vollflächig auf dem Stahlbetonuntergrund verklebt sein müssen. Diese Klebeschicht ergibt dann zugleich den außenseitigen, weitgehenden Porenverschluss – und den Verschluss kleinerer Risse – der eine nennenswerte Belastung des Querschnitts durch flüssiges Wasser von vornherein unterbindet. Innendämmungen werden an Wänden meist nur dann erforderlich, wenn die Wanne gegen den Baugrubenverbau betoniert werden soll und insofern für eine sachgerecht aufgebrachte Außendämmung kein Platz ist. Dann sollten die Innendämmungen demnach nicht hinterlüftet werden. Bei nach innen hinreichend diffusionsoffenen Schichtenfolgen scheinen bei normalem Innenklima weitere dampfsperrende Schichten völlig entbehrlich zu sein.
Unter lastabtragenden Bodenplatten kommen häufig ohnehin nur in Bitumen verlegte Schaumglasdämmplatten in Frage. Dann kann wohl davon ausgegangen werden, dass zwischen dem mit Bitumen abgestrichenen Dämmstoff und der aufbetonierten Bodenplatte keine nennenswerten Wassermengen anfallen, die besonders zu berücksichtigen wären. Innere dampfsperrende Schichten sind unter Böden deshalb meist nur notwendig, um feuchteempfindliche Oberflächenschichten vor einem zu hohen Sorptionsfeuchtegehalt zu schützen.
Die Untersuchung an praktisch ausgeführten Objekten ist noch nicht vollständig abgeschlossen. An dieser Stelle können daher demnächst noch klarere Hinweise für richtige Schichtenfolgen gegeben werden. R. O.
Literaturhinweise: Die DAfStb-Richtlinie »Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton« wird in Kürze erscheinen und beim Beuth-Verlag in Berlin zu beziehen sein. Als Regelwerk für das Verpressen von Rissen wurde die DAfStb-Richtlinie »Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen«, Teil 2, »Bauprodukte und Anwendung«, Ausgabe Oktober 2001, zitiert. Die umfangreichste Zusammenstellung der Untersuchungen der letzten Jahre zum Thema des Wassertransports enthält der Aufsatz von Erich Cziesielski und Fechner, O.: »Wassertransport durch WU-Betonbauteile«; in: Bauphysikkalender 2002. Über die Untersuchungen von Beddoe und Springenschmid wird im Aufsatz »Feuchtetransport durch Bauteile aus Beton« in der Zeitschrift Beton und Stahlbetonbau, 94 (1999), Heft 4, S. 158 – 166 berichtet. Die Vor-Ort-Untersuchungen an den beschriebenen Objekten wurden von Herrn K. Wilmes und Frau M. Finkeldei, AIBau, durchgeführt. Ermöglicht wurde die Untersuchung insbesondere durch die freundliche ideelle Unterstützung von Herrn H.-P. Dahmen, Erkelenz, der uns auch sein Ferienhaus in weitem Umfang für Untersuchungen zur Verfügung stellte.