Bauphysik-Kalender 2022. Nabil A. Fouad
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Bauteilen nur äußert selten vor und spielen in der Planungspraxis dementsprechend auch fast keine Rolle. Dies liegt vor allem daran, dass die Bauteile so ausgelegt werden, dass kein chemischer Holzschutz erforderlich wird – also Massivholz im Wesentlichen unter 20 und tragende Holzwerkstoffe unter 18 M.-% Feuchtegehalt bleiben. Zudem werden zur Verhinderung von Korrosion häufig Buntmetalle oder nichtrostende Stähle eingesetzt. Das ist allerdings teurer und geht auch zu Lasten der mechanischen Festigkeit.
Unter 80% r. F. bzw. etwa 15 M.-% Holzfeuchte im Massivholz findet in der Regel gar keine Korrosion statt, während normaler Karbonstahl laut [30] ab 20 M.-% zu rosten beginnt. Allerdings ist z. B. aus [29] bekannt, dass der Korrosionsfortschritt von Eisenankern mit Mörtelummantelung nicht nur von der Feuchte, sondern auch deutlich von der Temperatur abhängt. Auch wenn für metallische Verbindungsmittel in Holz hierzu keine expliziten Untersuchungen vorliegen, ist davon auszugehen, dass diese Zusammenhänge hier in ähnlicher Weise gültig sind. Und da sich höhere Feuchten in Holzbauteilen vor allem im Winter auf der Außenseite einstellen, scheint die Einhaltung der genannten Bedingungen zur Vermeidung des chemischen Holzschutzes dazu zu führen, dass Korrosion entweder gar nicht auftritt oder gegenüber der Schädigung der Hölzer oder Holzwerkstoffe zweitrangig bleibt.
Auf zwei Aspekte soll hier aber hingewiesen werden. Zum einen sieht es in Ländern, in denen chemischer Holzschutz noch häufiger zum Einsatz kommt, etwas anders aus: Hier werden als Konsequenz häufig höhere Feuchtegehalte toleriert und die Holzschutzmittel führen auch oft zu stärker korrosiven Bedingungen im Porenwasser an den Befestigungsmitteln. Beides zusammen hat zur Folge, dass Korrosion bei solchen Konstruktionen ein deutlich präsenteres Problem darstellt [30]. Zum anderen erlauben die neuen Grenzwerte nach WTA sowie künftige instationäre Bewertungsmodelle u. U. deutlich höhere Feuchtegehalte als die zuvor genannten 20 M.-%. Ob Korrosionsprobleme bei solchen Randbedingungen wieder stärker berücksichtigt werden müssen, ist bisher nur schwer einzuschätzen.
2.2.4 Hygrothermisch verursachtes Quell- und Schwindverhalten
Holz zeigt bereits unterhalb der Fasersättigung ein ausgeprägtes Quell- und Schwindverhalten. In Faserrichtung (0,01 % Formänderung pro 1 M.-% Feuchteänderung) ist das Verhalten im Bauwesen weitestgehend zu vernachlässigen; quer zur Faser (Nadelhölzer: im Mittel 0,25 % Formänderung pro 1 M.-% Feuchteänderung) sollte es allerdings Berücksichtigung finden. Während große Schwindverformungen Rissbildungen und Setzungen zur Folge haben können, kann es beim Quellverhalten zu Zwängungen und Verformungen kommen. Aus diesen Gründen sollten die Holzbauteile mit der Holzfeuchte eingebaut werden, bei der sich auch später die mittlere Holzfeuchte einstellt. In der Praxis ist dies bei Innenbauteilen (6–9 M.-%) allerdings oftmals nicht zu erreichen, da im Bauwesen technisch getrocknete Hölzer mit ca. 18 M.-% ausgeliefert werden. Bauteile wie beispielsweise Holzschalungen unter Dächern schwanken üblicherweise zwischen 9 und 24 M.-%. Diese Schwankungen verursachen bei Schalungen in der Regel kein Problem, da aufgrund der Kleinteiligkeit und dem damit verbundenen hohen Fugenanteil ausreichend Platz für die Bewegungen vorhanden ist.
Holzwerkstoffe zeigen im Vergleich zu Holz je nach Werkstoff ein anderes Quellverhalten. Bei größeren Schwankungen können bei Holzwerkstoffen Zwängungen auftreten. Daher empfehlen die Hersteller in ihren Verlegeanleitungen zwischen den Platten ausreichend Fugen zu lassen. Das Quell- und Schwindverhalten bzw. die resultierenden Spannungen bei Behinderung der Formänderung sind ein komplexes mechanisches Problemfeld, das von vielen Parametern, z. B. Abmessung des betrachteten Bauteils, lokale Festigkeiten, Vorspannungen, Kerbwirkungen etc. abhängt. Die konkreten Auswirkungen von hygrothermischen Wechselbeanspruchungen sind daher i. d. R. nur abschätzbar, aber nicht exakt berechenbar. Eine Kopplung von mechanischen und hygrothermischen Modellen könnte hier in Zukunft bessere Aussagegenauigkeit ermöglichen. Allerdings sollte es bereits jetzt möglich sein, durch hygrothermische Simulationen die Auswirkungen unterschiedlicher Beanspruchungen zu vergleichen.
3 Feuchteschutzbemessung anhand von Normen und Richtlinien
Die Entwicklung der Normen und Richtlinien zum Feuchteschutz hat gerade im Holzbau in den letzten Jahrzehnten eine große Dynamik entwickelt. Ursprünglich wurde ausschließlich die Dampfdiffusion aus dem Raum betrachtet und daraus die bauphysikalische Grundregel abgeleitet: „innen immer dampfdichter als außen“. Im Fall von Dächern mit äußerer Abdichtung oder diffusionshemmendem Unterdach wurden deshalb innen Dampfsperren aus Aluminium angebracht oder die Dachdämmung hinterlüftet. In der Folge gab es bei dampfdichten, unbelüfteten Dächern häufig Schäden, da auch keine Feuchte austrocknen konnte, die auf anderen Wegen eingedrungen war. Etwa zeitgleich kam die Belüftung ins Kreuzfeuer, da sie durch die zunehmenden Dämmstärken nicht nur zu einer Entfeuchtung, sondern auch zu einer Befeuchtung aufgrund von nächtlicher Unterkühlung beitrug [4]. Außerdem machte die Belüftung eine Behandlung der tragenden Holzbauteile mit Holzschutzmitteln gegen Insekten notwendig. Die Lösung brachten auf der einen Seite nicht belüftete diffusionsoffene Konstruktionen und bei außen dampfdichten Flachdächern der Einsatz von moderaten oder feuchtevariablen Dampfbremsen.
Die einschlägigen Normen und Richtlinien reagierten auf diese Entwicklungen durch einen Paradigmenwechsel, weg von „dicht und dichter“, hin zu: „so diffusionsoffen wie möglich und nur so dicht wie nötig“. Dabei waren jeweils die Dampfdiffusionswiderstände der äußeren (sda) und inneren (sdi) Bauteilschichten gemeint. Zur Quantifizierung geeigneter sdi-Werte in Abhängigkeit von den meist vorgegebenen sda-Werten wurden Freiland- und Laborversuche sowie umfangreiche hygrothermische Simulationen durchgeführt. Als Pionier bei der Umsetzung des neuen Paradigmas hat sich die deutsche Holzschutznorm erwiesen. Ihr ist es zu verdanken, dass die Holzkonstruktionen deutlich feuchtetoleranter und damit weniger schadensanfällig sowie dauerhafter geworden sind. Die deutsche Norm zum klimabedingten Feuchteschutz DIN 4108-3 stellte damals leider das Schlusslicht dar. Das lag unter anderem an der Überbetonung der stationären Feuchteschutzbeurteilung nach Glaser, bei der das Prinzip „dicht und dichter“ immer zu guten Ergebnissen führt. Inzwischen hat diese Norm nachgezogen, weshalb ihre Inhalte im Folgenden eingehender beleuchtet werden.
3.1 Klimabedingter Feuchteschutz nach DIN 4108-3:2018-10
Die DIN 4103-3 vom Oktober 2018 [31] beschreibt zum ersten Mal explizit das dreistufige Verfahren zur Feuchteschutzbeurteilung von Baukonstruktionen. Der Nachweis der feuchtetechnischen Unbedenklichkeit von Baukonstruktionen kann mittels geeigneter Vorgehensweisen unterschiedlicher Komplexität (Stufen) durchgeführt werden. Die erste Stufe stellt die Auswahl einer nachweisfreien Konstruktion aus der Liste der angegebenen Bauteilaufbauten dar, die in der Norm hinsichtlich ihres Schichtenaufbaus und der hygrothermischen Eigenschaften der Materialien spezifiziert sind. Die zweite Stufe betrifft den stationären Dampfdiffusionsnachweis nach Glaser mithilfe des beschriebenen Periodenbilanzverfahrens für dafür geeignete Bauteile und bei Wänden zusätzlich die Erfüllung von Kriterien zum Schlagregenschutz. Die dritte Stufe verkörpert den etwas aufwendigeren Nachweis durch hygrothermische Simulation. Damit wird klar ausgedrückt, dass grundsätzlich die Möglichkeit besteht, eine nachweisfreie Konstruktion zu wählen, das Periodenbilanzverfahren (Glaserverfahren mit den Randbedingungen von 2014) zu verwenden oder die Beurteilung durch hygrothermische Simulation nach Anhang D durchzuführen, sofern für den jeweiligen Fall keine Einschränkungen in Hinblick auf die Anwendbarkeit gelten.
Diese Einschränkungen betreffen Bauteile und Randbedingungen, die von den jeweiligen Berechnungsverfahren entweder nicht oder nicht genau genug beurteilt werden können, bzw. für die keine ausreichenden Erfahrungen bestehen, um sie für die fragliche Anwendung in die Liste der nachweisfreien Konstruktionen aufnehmen zu können. Beispielsweise können die ersten beiden Stufen nur zur Beurteilung von Bauteilen für nicht klimatisierte Wohn- oder wohnähnlich genutzte Gebäude verwendet werden. D. h., Bauteile für gekühlte Gebäude oder solche deren Raumklima von den normalen Wohnraumbedingungen abweicht, können nicht freigegeben werden. Weitere Einschränkungen beziehen sich auf spezielle Bauteile, wie z. B. begrünte oder bekieste Dachkonstruktionen, erdberührte Bauteile, Bauteile die an unbeheizte Räume angrenzen etc. Für solche Fälle ist eine hygrothermische Simulation