Bauphysik Studie

Bauphysik-Studie von MOLL bauökologische Produkte GmbH initiiert:

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Berechnungen des Bauschadensfreiheitspotentials von Wärmedämmungen in Holz- und Stahlbaukonstruktionen

Feuchtevariable Dampfbremsen pro clima DB+ und INTELLO mit intelligentem Feuchtemanagement

– Dach, Wand, Decke –

Deutschland

Computergestützte Simulationsberechnung des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransports von Dach- und Wandkonstruktionen unter Berücksichtigung der natürlichen Klimabedingungen und innerbaustofflichen Flüssigkeitstransporte

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Übersicht und Einleitung

Die Studie beschreibt die Berechnung des Bauschadensfreiheitspotentials einer Steildachkonstruktion, wie Bauschäden in Wärmedämmkonstruktionen entstehen und wie sich Konstruktionen sicher gegen Bauschäden schützen lassen.

Bauschäden entstehen, wenn die Feuchtigkeitseinträge auf eine Konstruktion höher sind als die mögliche Austrocknung aus dem Bauteil heraus. Um Bauschäden zu vermeiden, konzentriert man sich üblicherweise auf die Reduzierung der Feuchtigkeitsbelastung.
Baukonstruktionen lassen sich allerdings nicht vollständig gegen Feuchteeinflüsse schützen. Die vorhersehbaren Feuchtebelastungen durch Diffusion sind so gut wie nie Ursache für Bauschäden. In der Regel sind es die unvorhergesehenen Feuchtebelastungen, die nicht völlig ausgeschlossen werden können.
Damit Bauschäden und Schimmel ausgeschlossen werden können, sollte daher das Trocknungsvermögen von Feuchtigkeit aus der Konstruktion heraus im Vordergrund stehen. Konstruktionen mit einem hohen Trocknungsvermögen bei gleichzeitig reduzierten Feuchteeinträgen, wie sie Dampfbremsen mit variablem s_d-Wert ermöglichen, bieten auch bei unvorhergesehenen Feuchtebelastungen eine hohe Sicherheit gegen Bauschäden.

Kondensation - Taupunkt - Tauwassermenge

1. Unter Normklimabedingungen (20 °C / 50 % rel. Luftfeuchte) wird der Taupunkt bei 9,2 °C erreicht. Bei -10 °C fällt Kondensat von 6,55 g/m³ Luft aus.

2. Bei erhöhter Raumluftfeuchtigkeit von 65 % rel. Luftfeuchte wird der Taupunkt schon bei 13,2 °C erreicht. Bei -10 °C fällt Kondensat von 9,15 g/m³ Luft aus.

Die Wärmedämmung in Holz- und Stahlbauten trennt die warme Innenluft mit ihrem hohen Feuchtegehalt von der winterlich kalten Außenluft mit geringer absoluter Feuchtigkeit. Dringt warme Innenraumluft in der kalten Jahreszeit (z. B. durch Konvektion) in ein Bauteil ein, kühlt sie sich auf ihrem Weg durch die Konstruktion ab. Aus dem in der Luft enthaltenen Wasserdampf kann flüssiges Wasser auskondensieren. Ursächlich für den Wasserausfall ist das physikalische Verhalten der Luft:
Warme Luft kann mehr Wasser aufnehmen als kalte Luft. (siehe auch: Luftfeuchtigkeit). Bei höherer rel. Raumluftfeuchtigkeit (z. B. Neubauten mit 65 %) erhöht sich die Taupunkttemperatur und als unmittelbare Folge die Tauwassermenge (Siehe Abb. 1 und 2).
Tauwasser fällt an, wenn sich eine diffusionsdichtere Bauteilschicht unterhalb der Taupunkttemperatur befindet. Das heißt:
Bauphysikalisch ungünstig sind Bauteilschichten, die auf der Außenseite der Wärmedämmung diffusionsdichter sind als die Bauteilschichten auf der Innenseite. Sehr problematisch ist es, wenn warme Luft durch konvektive Ströme, d. h. infolge von Undichtheiten in der Luftdichtungsebene, in das Bauteil gelangen kann.

Als diffusionsoffen gelten nach DIN 4108-3 Bauteile, deren äquivalente Luftschichtdicke (s_d-Wert) niedriger als 0,50 m ist. Der s_d-Wert wird definiert als Produkt der Dampfdiffusionswiderstandszahl (μ-Wert) als Materialkonstante und der Dicke des Bauteils in Meter:

s_d = µ · d [m]

Ein niedriger s_d-Wert kann erreicht werden durch einen niedrigen μ-Wert bei einer größeren Schichtdicke (z. B. Holzfaserdämmplatten) oder durch einen höheren μ-Wert bei einer sehr geringen Schichtdicke (z. B. Unterspannbahnen).

Der Wasserdampf orientiert sich zunächst am μ-Wert, dann erst an der Dicke der Baustoffschicht. Das heißt, dass bei einem höheren μ-Wert der Tauwasserausfall schneller auftritt als bei einem niedrigen μ-Wert.
Im Bereich von Unterspannbahnen besteht wegen der häufig fehlenden Temperatur- und Feuchtedifferenz nur ein geringes Dampfdruckgefälle. Das erklärt, warum es auch bei diffusionsoffenen Unterspannbahnen zu Bauschäden kommen kann, wenn der Feuchtestrom im Bauteil erhöht ist. Unterdeck- und Unterspannbahnen mit monolithischer porenfreier Membran, z. B. SOLITEX UD, die SOLITEX MENTO Reihe und SOLITEX PLUS, bieten hier Vorteile, da die Diffusion nicht passiv durch Poren, sondern aktiv entlang der Molekülketten erfolgt.
Der Diffusionswiderstand von SOLITEX UD und SOLITEX PLUS ist variabel. Bei Kondensatgefahr reduziert er sich unter 0,02 m. Die Bahn ermöglicht dann einen extrem schnellen und aktiven Feuchtetransport und schützt die Konstruktion optimal gegen Tauwasser und Schimmelbefall.

Wenn Wasser in der Konstruktion ausfällt, kann es im kalten Winterklima zu einer Reif- oder Eisbildung unterhalb der Unterspann- bzw. Unterdeckbahn kommen. Eis ist für Wasserdampf undurchlässig und stellt eine Dampfsperre auf der Außenseite dar. Konstruktionen, die außen eine diffusionshemmende oder diffusionsdichte Schicht haben, sind bauphysikalisch kritischer als nach außen diffusionsoffener werdende Konstruktionen.
Zu den diffusionsdichten Konstruktionen gehören z. B. Steildächer mit diffusionshemmender Vordeckung, z. B. Bitumenbahnen, Dächer mit Blecheindeckungen, Flachdächer und Gründächer. An der diffusionsdichten Schicht staut sich die Feuchtigkeit in der Konstruktion und es kommt zu einem Kondensatausfall.

Feuchtebelastungen der Konstruktion

Eine Feuchtebelastung innerhalb einer Wärmedämmkonstruktion, z. B. im Dach, kann verschiedene Ursachen haben. Zum Beispiel kann durch eine undichte Dachhaut Wasser eindringen (Anschlusspunkte, Nahtstellen, Unwetter, Nagetiere). Dies können große Mengen Feuchtigkeit sein, bei denen das Wasser in den bewohnten Raum tropft. Geringe Leckagen können zu einer schleichenden Auffeuchtung führen. Diese ist oft begleitet durch Schimmelbefall der in der Konstruktion enthaltenen Materialien. Eine Belastung der Konstruktion durch Feuchtigkeit kann aber auch von innen erfolgen durch:

Vorhersehbare Feuchtebelastung

• Diffusionsvorgänge (s.u.)

Unvorhergesehene Feuchtebelastung

• Konvektion, d. h. Luftströmung (Undichtheiten in der Luftdichtungsebene)
• Konstruktiv bedingter Feuchtetransport (z. B. Flankendiffusion durch angrenzendes Mauerwerk)
• Erhöhte Einbaufeuchte der verwendeten Baustoffe
• Nicht koordinierter Bauablauf

Feuchtebelastung durch Diffusion

Je weniger Feuchtigkeit in eine Konstruktion eindringen kann, umso geringer ist die Gefahr eines Bauschadens – so dachte man früher. Das heißt, die Verwendung von Dampfsperren mit hohen Diffusionswiderständen würde Bauschäden verhindern. Dass die Realität anders ist, wurde bereits vor über 15 Jahren bei der Markteinführung der pro clima DB+ mit einem s_d-Wert von 2,30 m durch bauphysikalische Berechnungen belegt.

Aktuell entsprechen diese sogenannten Dicht-Dicht-Bauteile bei Flachdachkonstruktionen (innen Dampfsperre s_d > 100 m – außen dampfdichte Abdichtung) nach Aussagen von anerkannten Bauphysikern aus Wissenschaft und Praxis nicht mehr den „Regeln der Technik“. Ein Konsenspapier, das als Ergebnis des 2. Internationalen Holz[Bau]Physik-Kongresses im Februar 2011 veröffentlicht wurde, macht zu unbelüfteten Flachdachkonstruktionen in Holzbauweise die folgende Angabe: Dampfsperren „unterbinden die sommerliche Umkehrdiffusion, die zur Trocknung des winterlichen Feuchteeintrags aus Dampftransport per Luftströmung (Konvektion) durch unvermeidliche Restleckagen erforderlich ist“.

Insofern dürfen derartige Bauteile entweder nur funktionsfähig belüftet ausgeführt werden oder wenn nachgewiesen wird, dass die Bauteile über Rücktrocknungspotentiale verfügen. Dies kann z. B. durch die Wahl einer geeigneten Dampfbrems- und Luftdichtungsbahn auf der Innenseite des Bauteils erreicht werden.

Des Weiteren zeigen Untersuchungen an Außenwänden in Nordamerika aus dem Jahre 1999 , dass der Feuchtigkeitseintrag durch eine Dampfsperre infolge Konvektion selbst bei fachgerechter Verlegung eine Tauwassermenge von ca. 250 g/m² während der kalten Jahreszeit (Tauperiode) beträgt. Das entspricht einer Kondensatmenge, welche durch eine Dampfbremse mit einem s_d-Wert von 3,30 m während eines Winters diffundiert .

Fazit:
Auch in Konstruktionen mit Dampfsperren, deren rechnerische s_d-Werte 50 m, 100 m oder mehr betragen, werden letztendlich erhebliche Mengen an Feuchtigkeit eingetragen. Dampfsperren lassen aber keine Rücktrocknung zu. Dadurch entstehen Feuchtefallen.

Feuchtebelastung durch Konvektion

3. Feuchtigkeitsmenge durch Konvektion
Datei:BPhys GD 1 05 Konvekt Fuge Feuchte1-01.jpg
Feuchtetransport
durch Dampfbremse: durch 1 mm Fuge:	0,5 g/m² x 24 h 800 g/m x 24 h
Erhöhung Faktor:	1.600
Randbedingungen:
Dampfbremse sd-Wert Innentemperatur Außentemperatur	= 30 m = +20 °C = -10 °C
Druckdifferenz	= 20 Pa ~ Windstärke 2-3
Messung: Institut für Bauphysik, Stuttgart

Durch Konvektion, also Luftströmung, werden wesentlich größere Feuchtemengen in die Konstruktion transportiert als durch Diffusion. Die konvektiv eingebrachte Feuchtemenge kann leicht das 1000-fache der durch Diffusion eingetragenen Menge übersteigen. (Siehe Abb. 3)

Für Konstruktionen mit außen diffusionsdichten Bauteilschichten hat ein Feuchteeintrag über Konvektion schnell einen Bauschaden zur Folge. Konvektive Feuchtemengen können wegen ihrer hohen Feuchtelast aber auch für diffusionsoffene Bauteile auf der Außenseite gefährlich werden, vor allem wenn bereits Tauwasser ausgefallen ist.

Konstruktiv bedingte Feuchtigkeit - Flankendiffusion

Es sind in der Praxis Bauschäden aufgetreten, die sich allein mit Diffusions- und Konvektionsvorgängen nicht erklären ließen. Ruhe und Klopfer haben 1995 bzw. 1997 bei einem Bauschaden auf das Problem der Flankendiffusion hingewiesen.

4. Bauschaden: Feuchteeintrag trotz luftdichtem Anschluss und Verwendung einer Dampfsperre	5. Ursache des Feuchteeintrags: Feuchtetransport über die Flanke, hier das Mauerwerk
Luftdichte Konstruktion mit PE-Folie und luftdichter Putzschicht, außen Bitumendachbahn.	Feuchteeintrag durch Flankendiffusion über das angrenzende Mauerwerk.

Die Konstruktion

Dach, außenseitig Holzschalung und Bitumendachbahn, innenseitig Kunststofffolie aus Polyethylen (PE), dazwischen der mit Mineralwolle voll ausgedämmte Sparrenzwischenraum. Trotz perfekter Luftdichtheit tropfte im Sommer Wasser aus den Anschlüssen der Bahn auf die unteren angrenzenden Bauteile.
Zunächst wurde angenommen, dass die Ursache erhöhte Einbaufeuchtigkeit sei. Da das Abtropfen von Jahr zu Jahr zunahm, war dies ausgeschlossen. Nach 5 Jahren wurde das Dach geöffnet. Die Holzschalung war bereits größtenteils verfault.
Diskutiert wurde der Feuchteeintrag durch Flankendiffusion. Dabei dringt Feuchtigkeit über die Flanke des seitlichen Luftdichtungsanschlusses, hier ein porosiertes Ziegelmauerwerk, ins Dach ein. Der Feuchtestrom umgeht dadurch die PE-Folie. (siehe Abb. 4 und 5)
Unter Bauphysikern wurde der Sachverhalt zu Beginn kontrovers diskutiert, bis Künzel 1997 die Flankendiffusion mit Hilfe von Berechnungen des zweidimensionalen Wärme- und Feuchtetransports mit WUFI 2D rechnerisch nachwies.
Nach der Berechnung erhöhte sich die Holzfeuchtigkeit über dem Ziegelmauerwerk bereits nach einem Jahr auf ca. 20 % und damit bereits über die schimmelkritische Grenze, nach 3 Jahren stieg sie auf 40 % und nach 5 Jahren auf 50 %.

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            Themenüberblick "Baufeuchte"

Luftdichtung • Konvektion • Diffusion • Flankendiffusion • Einbaufeuchte
Feuchtetransport • Diffusion-Berechnungsmodelle • Dampfdurchlässigkeit • Tauwasserausfall • Feuchtevariabilität
60/2 und 70/1,5-Regel • 1:1, 2:1 & 3:1 Lösung • Bauschadens-Freiheits-Potenzial
Studie • Sanierungs-Studie / Kurzfassung: Dachsanierung von außen • Konstruktionsdetails