Transcript Wie dicht ist eine WU-Beton-Konstruktion – Rundbrief - PERMATON

PERMATON wpc München GmbH, NL Grassau · Eichelreuth 19· D-83224 Grassau
PERMATON wpc München GmbH
NL Grassau
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Diese Frage stellen sich irgendwann alle an der Planung und Bauausführung Beteiligten Personen, die ein
Tragwerk als WU-Bauwerk ausführen und abdichten
wollen. Dabei genügt es nicht, den Begriff der Wasserdampfdiffusion im Beton zu erläutern und zu entschärfen, sondern über den Tellerrand des WU-Tragwerks
hinauszusehen, und alle möglichen Feuchtequellen
eines derartigen Bauwerks zu durchleuchten und in
Vergleich zu setzen. Nur so ist es möglich, Ursache
und Wirkung zu erkennen, abzuschätzen und geeignete
Gegenmaßnahmen zu ergreifen, um den Bauherren
zufriedenzustellen und ihm ein mangelfreies und
gebrauchstaugliches Bauwerk zu planen und zu bauen.
Verschiedene Ursachen - Planungs- und Ausführungsfehler ausgeschlossen – lassen in einem Bauwerk
Feuchtequellen entstehen. Als die vier Hauptursachen
zur Entstehung von Feuchtigkeit kann angesehen werden:
- Überschusswasser im Beton
- Wasserdampfdiffusion durch WU-Beton
- Nutzungsbedingte Feuchte
- Tauwasserbildung
Im nachfolgenden werden Berechnungsformeln zur
Ermittlung der anfallenden Feuchtigkeitsmengen aufgezeigt und an einem kleinen Beispiel ermittelt. Über
eine Feuchtebilanz kann nachgewiesen werden, dass
rechnerisch mit den angenommenen Bauteilkonstruktionen keine Feuchtschäden zu befürchten sind. Gebäudenutzung und Wärmeschutzanforderungen sind in
jedem Falle vorher abzuklären.
Grundvoraussetzung für die nun folgenden Ausführungen ist eine gründlich im Gesamtsystem und Detail
geplante Weiße Wanne, eine geeignete auf das Bauvorhaben abgestimmte Betontechnologie, ein sorgfältiger Einbau der Fugenüberbrückungssysteme, der notwendigen Einbauteile und des Betons, sowie einer
geeigneten Nachbehandlung der einzelnen Betonierabschnitte. Sind diese Punkte erfüllt, kann von einer Abdichtung in WU-Bauweise nach den Regeln der Technik gesprochen werden. Eventuell auftretende wasserführende Risse werden verpresst und ein wasserundurchlässiges Bauwerk ist gegeben. An diesem mangelfreien Tragwerk knüpft die Ermittlung der Feuchtemengen nun an. Um den Rahmen der kurzen Ausführungen hier nicht zu sprengen, behandeln wir ein Einfamilienhaus mit einer Grundrissfläche von AFB =
140m² der im Grundwasser stehenden Bodenplatte. Die
mit Grundwasser und Erdreich beaufschlagte Kelleraußenwand hat eine Fläche von AFW = 138m². Zur Vereinfachung wird angenommen, dass der gesamte Keller
der gleichen Nutzung unterworfen wird. Im konkreten
Fall kann hier natürlich differenziert werden. Bei einer
Raumhöhe von 2,30m ergibt sich ein Raumvolumen
von VR = 322 m³. Die Temperatur im Erdreich und
Grundwasser wird über das Jahr und die Höhe der Anfüllung verteilt als konstant mit 8€C angenommen.
1.
Überschusswasser
Betonbauteile in Neubauten haben über einen gewissen
Zeitraum, der zu definieren ist, einen höheren Wassergehalt als später. Diese sogenannte Baufeuchte nimmt
in dem Masse ab, wie der Beton das Überschusswasser
an die Umgebungsluft abgeben kann. Das vom Beton
zur Hydratation des Zements zum Zeitpunkt der Erhärtung nicht benötigte Überschusswasser kann erst aus
dem Beton verdunsten, wenn die anschließende Raumluft relativ trocken ist. Nach diesem Zeitraum kann die
Baufeuchte bei der Bilanz vernachlässigt werden. Das
Überschusswasser wird auf der Innenseite des Betons
auf eine Tiefe von ca. 80 mm abgegeben, bis die oben
erwähnte Ausgleichsfeuchte erreicht wird. Die Ausgleichsfeuchte wird absichtlich mit 2 Gew.% niedrig
angenommen. Der Rechenvorgang ist bauphysikalisch
ein instationärer Vorgang, der mit Formeln nur stark
vereinfacht zu erfassen ist. Die Menge des austrocknenden Überschusswassers lässt sich folgendermaßen
ermitteln:
(1)
mA = ( wü ƒ wn ‚ wg ) • dA =
t
‰ Šw
†
ƒ ŠH • z • 0,40 ‚ €B • fA „ • dA
‡z•
z
ˆ
…
=
=
t
In dieser Gleichung bedeuten:
wü
= z • Šw
(Überschusswasser)
z
Šw = w
w
‚ 0,40 ( = Wasserzementwert)
z
z
z
wn
= ŠH • z • 0,40 (bei der Hydratation noch nicht
gebundenes Wasser)
wg
= €B • fA (durch Adhäsion gehaltenes Wasser,
Ausgleichsfeuchte)
z
= Zementgehalt des Betons
ŠH
= restlicher Hydratationsgrad (25% = 0,25)
Seite 2 von 4
‹B
= Rohdichte des Betons (2350 kg/m³, B25/35)
fA
= Ausgleichsfeuchte des Betons (z.B. 2%)
dA
= austrocknende Bauteildicke (z.B. 80 mm)
t
= Zeit der Austrocknung (z.B. 1 Jahr)
Bei Anwendung des Systems PERMATONS wird in
der Regel ein Beton mit einem Zementgehalt von ca.
320 kg/m³ eingebracht. Der Wasserzementwert liegt
zwischen w/z = 0,50-0,60. Annahme: w/z = 0,53. Bei
einer Gesamtfläche feuchtbeaufschlagter Außenbauteile von 278m² ergibt sich somit während der Austrocknungsphase eine täglich hervorgerufene Menge an
Überschusswasser von:
mA • 5,83 g ² • 278m² • 1621 g Œ 1,621 l
md
d
d
Bei höherem Zementanteil im Beton und schlechterem
w/z-Wert („maurerfreundlicher Beton“) können sich
diese anfallenden Feuchtemengen sehr leicht verdoppeln. Es ist sicher zu stellen, dass die anfallenden Mengen an verdunstenden Wasser über die Luft abgeführt
werden können und nicht über diffusionsdichte Fußboden- oder Wandaufbauten „eingesperrt“ werden.
2.
Wasserdampfdiffusion
Wasserundurchlässiger Beton nimmt durch die Kapillarwirkung Wasser auf. Versuche haben gezeigt, dass
die kapillare Steighöhe anfangs nach einem Žt-Gesetz
zunimmt, sich aber schon bald stark verlangsamt. Nach
etwa einem Monat stellt sich die maximale Steighöhe
von ca. 70 mm ein. Es hat sich gezeigt, dass bei stark
vorgetrocknetem Beton die kapillare Saugfähigkeit am
größten ist. Anschließend ist eine sogenannte Selbstabdichtung des Betons erreicht. Die Gründe hierfür sind
bis heute nicht endgültig erforscht. Bei üblichen Außenbauteilen findet eine Diffusion häufig von der warmen zur kalten Seite statt. Dies trifft nicht für Bauteile
zu, die einen Raum zu einem feuchten Medium hin
abgrenzen. Hier wird die Richtung des Diffusionsvorganges nicht durch die Temperaturdifferenzen, sondern
durch den unterschiedlichen Wasserdampfdruck auf
beiden Seiten bestimmt. Nachdem bei wasserberührten
Bauteilen außen ein höherer Wasserdampfdruck besteht als innen, wird der Diffusionsvorgang von außen
nach innen erfolgen. Der Dampfdruck hat in jedem
Falle das Bestreben einen Druckausgleich herbeizuführen. Die stattfindende Wasserdampfdiffusion kann
vereinfachend nach den Gesetzmäßigkeiten entsprechend dem Glaser-Diagramm berechnet werden. Die
Durchlässigkeit von Beton gegenüber drückendem
Wasser wird in der Regel auch mit dem k-Wert nach
Darcy beschrieben.
Q•D
(2)
k•
A• H
Um die Eindringtiefe hk der Wasserfront unter dem
Wasserdruck H nach der Zeit t abzuschätzen wurde
eine vom Darcy-Gesetz hergeleitete Formel verwendet.
2• k • H •t
(3)
hk •
P
Nach dieser Formel wäre es nur eine Frage der Zeit,
dass Wasser an der Bauteilinnenseite austritt. Da dies
in der Praxis nicht der Fall ist, ist ein Beweis der
Selbstabdichtung des Betons. Dennoch kann mit dieser
Formel in etwa die maximale Eindringtiefe abgeschätzt
werde. Berechnungen und Versuche haben gezeigt,
dass diese Eindringtiefe maximal 70 mm beträgt. Eine
Steigerung der Wasserdruckbelastung hat keinen
Einfluß mehr auf die Eindringtiefe. Bei Bauteilen mit
einer Stärke von unter 150mm überschneiden sich der
Kapillarbereich von 70mm und der Bereich der Austrocknung von 80mm. Dadurch findet im Beton ein
verstärkter Feuchtetransport statt, was zu einem erhöhten Wassersättigungsgrad des Betons führt. Aus diesen
Gründen sollten wasserundurchlässige Betonbauteile
mindestens 200mm stark sein. Für die meisten Stahlbeton-WU-Bauteile gilt jedoch Zustand II, weshalb bei
höherwertiger Nutzung und ständigem Wasserdruck
eine Bauteilstärke von 30 cm erforderlich ist. In diesem
Falle kann davon ausgegangen werden, dass im Mittelteil kaum Wasser transportiert wird. Unsere 50-jährige
Erfahrung zeigt, dass bei geringen Nutzungsanforderungen, z.B. Garagen und bei geringem Wasserdruck
eine Mindestbauteilstärke von 24 cm ausreichend ist.
Folgende Berechnungen zeigen, dass die Menge an
Diffusionswasser bei WU-Bauteilen vernachlässigbar
gering ist. Die eindiffundierende Wasserdampfmenge
kann stets dann vernachlässigt werden, wenn die Diffusionswiderstände von der Bodenplatte aus Stahlbeton
nach innen zu geringer werden. Wird dagegen ein relativ diffusionsdichter Fußbodenbelag gewählt, muss für
eine mangelfreie Nutzung des Raumes eine Dampfsperre vorgesehen werden. Diese muss wiederum einen
höheren Diffusionswiderstand aufweisen als die innen
nachfolgenden Schichten. Nachfolgend wird davon
ausgegangen, dass die Temperatur des Grundwassers,
der Hinterfüllung und der Überschüttung an der Außenseite des Bauteils 8€C beträgt. Durch eine geeignete
ausreichende Isolierung (ganzflächig geklebt und gespachtelt) wird auf der Innenseite des Bauteils eine
Temperatur von 15€C angenommen. Im Raum ist eine
Temperatur von 20€C bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 70% vorherrschend.
pa ‚ pi
(4)
mD •
•
1,5 • 10 6 • ‚ • d•
ƒa • psa ‚ ƒi • psi
•
•
1,5 • 10 6 • ‚ • •d ‚ 0,07m •
In dieser Gleichung bedeuten:
pa
= ƒa • psa
‘a
= relative Luftfeuchtigkeit außen (z.B. 100%)
psa
= Wasserdampfdruck pa (Pa) an der Wassereindringgrenze im Betonbauteil mit der relativen Luftfeuchtigkeit ‘a
‘i
= relative Luftfeuchtigkeit innen (z.B. 70%)
psi
= Wasserdampfdruck pi (Pa) an der Bauteilinnenseite mit der relativen Luftfeuchtigkeit ‘a
im Rauminneren
’
“ 70 (bei B25/35), Richtwert der Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl
1,5•106 = feststehender Zahlenfaktor (Kehrwert des
Wasserdampf-Diffusionsleitkoeffizienten)
d”
= d – 0,07 m = Bauteildicke in m, in der die
Diffusion nach innen stattfindet
Seite 3 von 4
Bei einer Gesamtfläche feuchtbeaufschlagter Außenbauteile von 278m² ergibt sich somit eine täglich hervorgerufene Menge an Diffusionswasser von:
mD • 0,086 g ² • 278m² • 23,908 g Œ 0,024 l
md
d
d
Die Menge des eindiffundierenden Wasserdampfes ist
unter anderem abhängig von der Bauteilstärke. Bei
Erhöhung der Bodenplatten und Wandstärken auf
30cm, nimmt die Menge bereits um 22% ab.
3.
Nutzungsbedingte Feuchte
Durch eine wohnraumähnliche Nutzung des Kellerraums, z.B. durch Nutzung als Hobbyraum, Fitnessraum, Fremdenzimmer, Büro o.ä., wird Feuchtigkeit im
Raum erzeugt. Bei geringer körperlicher Betätigung
gibt ein Mensch ca. 30 – 40 g pro Stunde ab. Dies kann
sich in einem Fitnessraum bis auf 100 g pro Stunde
steigern. Bei Kochen, Baden, Duschen oder ähnlichen
Tätigkeiten entstehen kurzfristig sehr viel höhere
Feuchtmengen, die hier aber nicht betrachtet werden
sollen. Wird im Kellerbereich ein Schwimmbad mit
Nasszellen, Saunabereich und Vergleichbarem eingerichtet, sind weitergehende Maßnahmen erforderlich.
Im nachfolgenden Berechnungsbeispiel wird von einem teilweise genutzten Keller ausgegangen. Im
Schnitt wird der Raum maximal 2 Stunden pro Tag von
2 Personen benutzt. Bei jeder Person fallen bei mittlerer Tätigkeit ca. 60 g Wasser pro Stunde an. Dies ergibt
täglich eine nutzungsbedingte Feuchtigkeit von:
(5)
mN • 2 Pers • 2 h • 60 g
Π0,240 l
d
hPers
d
Im Falle einer büroähnlichen Nutzung des Kellerraumes kann z.B. davon ausgegangen werden, dass sich
zwei Personen täglich mindestens 8 Stunden dort aufhalten. Dies ergibt nun eine Verdoppelung der anfallenden Feuchtigkeit. Es ist demnach ratsam, dass sich
Bauherr und planender Architekt rechtzeitig Gedanken
über die mögliche Nutzung der Kellerräume machen.
4.
Tauwasserbildung
Außenbauteile, die im Erdreich stehen haben eine niedrige Temperatur, sofern keine Außendämmung vorgesehen ist. Dies betrifft vor allem Bauteile, die beständig
im Grundwasser stehen. An diesen kalten Oberflächen
kann es zu Feuchtigkeitsniederschlag kommen, zur
sogenannten Tauwasserbildung. Die Temperaturschwankungen haben wegen der Wärmeträgheit des
Erdreiches nur Auswirkungen über die ersten 30cm
Tiefe. Die jahreszeitlichen Schwankungen wirken sich
mit einer Phasenverschiebung von etwa 21 /2 Monaten
und Temperaturamplituden von • 4€K bis auf eine
Tiefe von 2,50m aus. Die Phasenverschiebung ist umso
kürzer und die Temperaturunterschiede umso größer, je
mehr sich die untersuchten Schichten der Erdoberfläche nähern. Es herrschen demnach in den tieferen Lagen und im Grundwasserbereich relativ stationäre
Temperaturverhältnisse. Der Wasserdampfgehalt der
Luft ist immer abhängig von der momentan herrschenden Lufttemperatur. Dieser Gehalt wird als relative
Luftfeuchtigkeit bezeichnet. Die mögliche Wasserdampfaufnahme ist bei warmer Luft höher, als bei kal-
ter Luft. Kühlt warme Luft auf eine relative Luftfeuchtigkeit von 100% ab, so wird der sogenannte Taupunkt
erreicht. Bei weiterer Abkühlung der Luft tritt Wasser
in flüssiger Form auf. Vor allem im Sommer kann sich
dann Tauwasser auf den Innenseiten erdberührter Bauteile niederschlagen, wenn durch geöffnete Kellerfenster warme, feuchte Luft in den Raum gelangt. Diese
Luft wird an den Wand- und Bodenflächen abgekühlt.
Die Tauwasserbildung lässt sich durch Lüften nicht
vermeiden, sie verstärkt sich sogar noch. Tauwasserbildung bei kurzfristigen Taupunktunterschreitungen
werden in der Regel nicht sichtbar und demnach auch
nicht als störend empfunden, wenn ausreichend poröse
Bauteiloberflächen vorhanden sind, die die Feuchtigkeit speichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder
abgeben. Die größte Gefahr von Tauwasseranfall besteht an nicht oder schlecht isolierten Bauteilen und an
Wärmebrücken. Werden die Anforderungen an den
Wärmeschutz nach der neuen Wärmeschutzverordnung
eingehalten, bestehen im Normalfall keine Gefahren
des Tauwasseranfalls. Es ist zu empfehlen, dass im
hochwertig genutzten Kellerbereich der Nachweis des
Wärmeschutzes über den sogenannten Bauteilnachweis
und nicht über den Gebäudenachweis erbracht wird (kG
– 0,35W /m²K). Im Grundwasser stehende Bauwerke sind
mit einer geeigneten Perimeterdämmung nach der 3.
WSVO oder der Europäischen Normung EN 832 zu
isolieren. Außerdem wird empfohlen, die Isolierung
ganzflächig gespachtelt aufzukleben. Durch die geeignete ausreichende Isolierung wird auf der Innenseite
des Bauteils eine Temperatur von 15€C angenommen.
Im Raum ist eine Temperatur von 20€C bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 80% vorherrschend (Sommer).
(6)
mT • n • Šcs • VA •
VR
• n • •cs100 ‚ csƒ • • •
Ai
g
• 0,723
• 17,346 g
m²h
m²d
In dieser Gleichung bedeuten:
n
= Luftwechselzahl je Stunde
n = 0,20/h bei nicht belüfteten Kellern
n = 0,60/h bei wohnraum-genutzten Räumen
Šcs
= cs,100 – cs,‘ (g/m³), Differenz zwischen dem
maximalenWasserdampfgehalt
cs,100
an
der Wassereindringgrenze im Betonbauteil mit
relativer Feuchte ‘ = 100% und dem Wasserdampfdruckgehalt cs an der Bauteilinnenseite
mit der relativen Luftfeuchte ‘i (Tabellenanhang)
cs = 9,4 g/m³
bei 10€C
cs =10,7 g/m³
bei 12€C
cs = 12,8 g/m³
bei 15€C
cs = 15,4 g/m³
bei 18€C
cs = 17,3 g/m³
bei 20€C
VA
= Volumen VR des Raumes bezogen auf die
Innenflächen Ai der Außenbauteile
Bei einer Gesamtfläche feuchtebeaufschlagter Außenbauteile von 278m² und einem Raumvolumen von
322m³ ergibt sich somit eine täglich hervorgerufene
Menge an Tauwasser von:
Seite 4 von 4
mT • 17,346 g ² • 278m² • 4822 g Œ 4,822 l
md
d
d
In der Berechnung ist erkennbar, dass Luftfeuchtigkeit,
Lufttemperatur und Luftwechselzahl eine große Rolle
spielen. Schwüle warme Luft im Sommer lässt den
Tauwasseranfall enorm ansteigen. Eine schlecht oder
nicht isolierte Wand jedoch trägt ebenfalls zur Erhöhung des Tauwasseranfalls bei. Bei einer nicht isolierten Wand kann man von einer Oberflächentemperatur
von maximal 12€C ausgehen. Hier steigt die anfallende
Tauwassermenge um ca. 300% an!
5.
Verdunstendes Wasser
Die Innenseite wasserbelasteter oder erdberührter Bauteile bleibt immer trocken, wenn die Menge des verdunstenden Wassers größer, als die durch die Punkte 14 entstehenden Wassermengen ist. Diese verdunstende
Wassermenge ist wie der Tauwasseranfall abhängig
von der Luftwechselzahl n.
100 ‚ ƒL
(7)
mV • n • cs •
• VA • tL •
100
• 2,405 g m² h • 57,71 g m² d
In dieser Gleichung bedeuten:
n
= Luftwechselzahl je Stunde
cs
= maximaler Wasserdampfgehalt der Luft im
Sättigungszustand in g/m³
‘L
= relative Luftfeuchte in %
VA
= Volumen VR /Ai
tL
= Lüftungszeit pro Tag in h/d
Bei einer Gesamtfläche von feuchtebeaufschlagten
Außenbauteilen von 278m² und einem Raumvolumen
von 322m³ kann somit täglich folgende Menge Wasser
verdunsten:
mV • 49,485 g m² d • 294m ² • 14549 g d Œ 14,549 l d
Die Verdunstungsmenge ist abhängig von der relativen
Luftfeuchtigkeit im Raum, von der Raumtemperatur
und vom Lüftungsverhalten.
6.
Feuchtebilanz
Die Berechnungen zeigen die Mengenverhältnisse der
einzelnen Feuchtequellen deutlich auf. Die im gesamten anfallenden Menge an Feuchtigkeit errechnet sich
nun zu:
(8)
mges • mA ƒ mD ƒ mN ƒ mT •
g
• 24,08 m² d
Mit einer Feuchtebilanz kann der Nachweis für eine
einwandfreie Funktionsfähigkeit der „Weißen Wanne“
erbracht werden. Dieser Nachweis ist immer dann erbracht, wenn folgende Gleichung gilt:
mV
(9)
„•
“ 1,5
mges
„ • 57,71 — 24,08 • 2,40 “ 1,5
In diesem Fallbeispiel ist der Nachweis eindeutig mit
ausreichend Sicherheitsreserven erbracht. Fehler in der
Planung, Bauausführung oder auch eine Nutzungsände-
rung können diese Reserven schnell aufbrauchen und
schwerwiegende Schäden an Bauwerk und Gesundheit
verursachen.
Zusammenfassung
Neben dem Vermeiden von eindringendem Wasser bei
wasserbeaufschlagten Gebäudebauteilen (WU-Keller,
WU-Decken, etc.), ist es bei höherwertig genutzten
Kellern das oberste Schutzziel, störende oder schädigende Feuchtigkeitsbildung wie Schimmelpilzbildung
an den Außenwänden hinter Möbeln oder aufgehängten
Bildern zu vermeiden und zu verhindern. Dies gilt
ebenso für die Bildung von stehendem Wasser unter
Bodenbelägen Aus den Berechnungen geht eindeutig
hervor, dass der Löwenanteil der entstehenden Wassermengen während der Austrocknungsphase und
durch entsprechende Nutzung entsteht. Die Menge des
eindiffundierenden Wassers ist verschwindend gering.
Insofern besteht kein Unterschied, ob ein Bauwerk
mittels „weißer oder schwarzer Wanne“ abgedichtet
wird. In jedem Falle ist es zweckmäßig, wenn nicht
sogar notwendig, dass bauphysikalische Betrachtungen
gemacht werden. Mit dem geeigneten Boden- und
Wandaufbau kann man alle Feuchtigkeitsprobleme in
den Griff bekommen. Der Bauherr und der Architekt
müssen sich frühzeitig über die Nutzung der betreffenden Räume im klaren sein. Dann kann mit der richtigen
Abdichtungsplanung unter Berücksichtigung bauphysikalischer Fragen ein mangelfreies Bauwerk erstellt
werden.
Zusammengestellt von
Dipl. Ing. (FH) VDB
R. Schmidt
PERMATON Grassau
Literaturangaben:
Robin Beddoe, Rupert Springenschmid: „Feuchtetransport durch Bauteile aus Beton“. Fachartikel Beton- und Stahlbetonbau 94 (1999) Heft 4, Ernst &
Sohn.
Gottfried Lohmeyer: „Bauwerkssohlplatten aus wuBeton: Bauphysikalische Besonderheiten“. Fachartikel
beton 10/2000.
Gottfried Lohmeyer: „Weiße Wannen, einfach und
sicher“. Verlag Bau + Technik 5. Auflage 2000.
Ulrich Grigull, Johannes Straub, Peter Schiebener:
„Steam Tables in SI-Units - Wasserdampftafeln“.
Springer-Verlag 1984.
Univ.-Prof. Dr. E. Cziesielski: „Wassertransport durch
Bauteile aus wasserundurchlässigem Beton und konstruktive Empfehlungen“. TU Berlin, Institut für Baukonstruktion und Festigkeit.