Bereits in anderen Industriezweigen, wie zum Beispiel im Fahrzeugbau oder in der Luftfahrttechnik, ist es immer bedeutsamer, den richtigen Werkstoff zu wählen, der an Eigengewicht einspart, jedoch bezüglich seiner Langlebigkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit in nichts nachsteht. Im Bereich der Gebäudeaufstockung ist der Holzbau als breit vertretene Variante vorhanden. Eine Alternative hierzu bietet die Aufstockung in Stahlleichtbauweise. Gerade in Ballungszentren bietet sich oft die Möglichkeit, in die Höhe aufzustocken, was unter Umständen jedoch mit hohen Kosten aufgrund der Fundament- oder Tragwerksertüchtigung in Zusammenhang steht.
Ziel dieser Arbeit ist es, anhand einer realen Aufstockung, die in Holzbauweise geplant wurde, herauszufinden, wieviel Eigengewicht mit der Stahlleichtbauweise wirklich eingespart werden hätte können und ob die gegebenen Rahmenbedingungen wie Anforderungen an z.B. Brandschutz als auch die Wirtschaftlichkeit im Einklang mit der Alternativen Bauweise des Stahlleichtbaus stehen.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
1. Wohnraum
2. Anforderungen
2.1 EnEV – Energieeinsparverordnung
2.2 DIN 4109 – Schallschutz im Hochbau
2.3 Brandschutzanforderung
3. Stahlleichtbau
3.1 Allgemeines
3.2 Systeme
3.2.1 Tragende Außenwand
3.2.2 Tragende Innenwand
3.2.3 Geschossdecke
4. Berechnungsbeispiel Aufstockung
4.1 Beschreibung
4.2 Holzbauweise
4.3 Stahlleichtbauweise
4.4 Gegenüberstellung
5. Wirtschaftlichkeit
6. Fazit
Literaturverzeichnis
DIN 4102-1:1998-05: Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen; Bauteile, Begriffe, Anforderungen und Prüfungen
DIN 4109-1/A1 (2017-01-00): Schallschutz im Hochbau – Teil 1: Mindestanforderungen; Änderung A1
ENEV-Online: M. TUSCHINSKI (Hrsg.) (o.J.): Anforderung an Wohngebäude; Online verfügbar unter: http://www.enev-online.com/enev_2014_volltext/index.htm (12.2017)
HOLSCHEMACHER et al (2016): Konstruktiver Ingenieurbau kompakt; Formelsammlung und Bemessungshilfen nach Eurocode; 5. Auflage
Anhang
1. Anfoderungswerte EnEV 2014 - Tabelle 1
2. Schallschutzstufen nach VDI 4100
3. Statische Bemessung Holzbauweise
3.1 Außenwand
3.2 Holbalkendecke über Loggia
3.3 Holzbalkendecke über Stadel
3.3 Innenwand Tragend 01 & 02
3.4 Innenwand Tragend 03
3.5 Innenwand Tragend 04
3.6 Zwischendecke
4. Stahlleichtbau
4.1 Dachkonstruktion über Loggia
4.2 Dachkonstruktion über Stadel
4.3 Innenwand tragend 01 & 02
4.4 Zwischendecke
5. U- Wertberechnung
5.1 U-Wert Stahlleichtbau Außenwand
5.2 U-Wert Stahlleichtbau Dach
5.3 U-Wert Holzständerbau Außenwand
5.4 U-Wert Holzbalkendecke
6. Versicherung über die selbständige Abfassung der Bachelorarbeit
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Verteilung der Energieträger für Raumwärme; Datenquelle: DENA 2015
Abb. 2: Konstruktive Gegenüberstellung von zweischaligen Bauteilen bezüglich der Schalldämmung (Stahl-Informations-Zentrum: 2002)
Abb. 3: Baustoffklassifizierung nach DIN; Quelle: Informationsdienst Holz o.J
Abb. 4: Stahlkonstruktionen im Wohnungsbau in Prozent (Stahl-Informations-Zentrum: 2002)
Abb. 5: C- Profil 197/50/2 von Cocoon – System: Transformer
Abb. 6: C- Profil 197-40-20 von Protektor – System Edificio
Abb. 7: Links: Lastabtragung als Scheibe; Rechts: Lastabtragung als Platte (Rigips: 2009)
Abb. 8: Windbelastung und der daraus resultierenden Belastung aus Schiefstellung
Abb. 9: Beispielhafte Aussteifung von Gebäuden mit exzentrischem Ansatz der Gesamtkraft
Abb. 10: Bemessung der aussteifenden Wandscheibe
Abb. 11: Verdeutlichung der Wärmebrücke im Bereich des Stahlprofils nach Stahl-Informations-Zentrum: 2002
Abb. 12: Aufbau einer tragenden Außenwand
Abb. 13: Aufbau einer tragenden Innenwand
Abb. 14: Aufbau einer Geschossdecke
Abb. 15: Darstellung der Tragkonstruktion des Flachdaches
Abb. 16: Darstellung der Tragkonstruktion des 3. Obergeschosses
Abb. 17: Darstellung Schnitt des Gebäudes mit Tragkonstruktion 3. Obergeschoss mit Loggia
Abb. 18: Links: Schneelastzonen nach DIN EN 1991-1-3/NA:2010.12
Abb. 19: Außenwandaufbau Holzbauweise
Abb. 20: Aufbau tragende Innenwand
Abb. 21: Tragprofil C 197-40-20-2
Abb. 22: Aufbau tragende Innenwand Stahlleichtbauweise
Abb. 23: Aufbau tragende Innenwand
Abb. 24: Zusammenstellung Gesamtgewicht tragende Innenwände Stahlleichtbau
Abb. 25: Aufbau Zwischendecke Stahlleichtbau
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Wohngebäudebestand 2013 nach Arbeitsgemeinschaft für Zeitgemäßes Bauen e.V. 2016
Tab. 2: Wohnbestand mit Energieverbrauch nach Anwendung; Datenquelle: DENA 2015
Tab. 3: Technische Werte und Formeln zur Berechnung des U-Wertes ohne Wärmedämmung; Daten aus DIN 4108-Teil 4 und DIN EN ISO 6946
Tab. 4: Technische Werte und Formeln zur Berechnung des U-Wertes mit Wärmedämmung; Daten aus DI 4108-Teil 4 und DIN EN ISO 6946
Tab. 5: Mindestanforderungen der Schallschutzwerte nach Angaben der DIN 4109- Teil 1 Tabelle 2
Tab. 6: Mindestanforderungen der Schallschutzwerte nach Angaben der DIN 4109- Teil 1 Tabelle 3
Tab. 7: Resultierende Anforderungswerte an Außenbauteile nach DIN 4109-1 Tabelle 7
Tab. 8: Gegenüberstellung des C-Profils von Cocoon und Protektor mit gleicher Höhe und Materialstärke
Tab. 9: Dachaufbau mit extensiver Begrünung und Gesamteigengewicht in KN im Bestand
Tab. 10: Zusammenstellung der Lasten mit Teilsicherheitsbeiwerten und Kombinationsbeiwerten
Tab. 11: Belastungssystem mit Bemessungsschnittgrößen und Ausnutzungsgrade der Nachweise Balken im Loggia - Bereich
Tab. 12: Belastungssystem mit Bemessungsschnittgrößen und Ausnutzungsgrade der
Tab. 13: Zusammenstellung Gesamtgewicht Außenwände
Tab. 14: Zusammenstellung Gesamtgewicht Stützen
Tab. 15: Zusammenstellung Gesamtgewicht Träger
Tab. 16: Zusammenstellung Gesamtgewicht tragende Innenwände
Tab. 17: Zusammenstellung Gesamtgewicht Dachkonstruktion
Tab. 18: Zusammenstellung Gesamtgewicht Konstruktion Zwischendecke
Tab. 19: Zusammenstellung Gesamtgewicht Außenwände Stahlleichtbau
Tab. 20: Zusammenstellung Gesamtgewicht Dachkonstruktion Stahlleichtbau
Tab. 21: Zusammenstellung Gesamtgewicht Zwischendecke – Achsabstand der Träger = 50 cm
Tab. 22: Oben: Zusammenstellung Gesamtgewicht der Stützen; Unten: Zusammenstellung Gesamtgewicht der Träger
Tab. 23: Gegenüberstellung Anforderungen Holzbauweise – Stahlleichtbauweise
Tab. 24 Zusammenstellung der Gesamtkosten der Tragkonstruktion in Stahlleichtbauweis
Einleitung
Bereits in anderen Industriezweigen, wie z.B. im Fahrzeugbau oder in der Luftfahrttechnik, ist es immer bedeutsamer, den richtigen Werkstoff zu wählen, der an Eigengewicht einspart, jedoch bezüglich seiner Langlebigkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit in nichts nachsteht. Im Bereich der Gebäudeaufstockung ist der Holzbau als breit vertretene Variante vorhanden. Eine Alternative hierzu bietet die Aufstockung in Stahlleichtbauweise. Gerade in Ballungszentren bietet sich oft die Möglichkeit, in die Höhe aufzustocken, was unter Umständen jedoch mit hohen Kosten aufgrund der Fundament- oder Tragwerksertüchtigung in Zusammenhang steht. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand einer realen Aufstockung, die in Holzbauweise geplant wurde, herauszufinden, wieviel Eigengewicht mit der Stahlleichtbauweise wirklich eingespart werden hätte können und ob die gegebenen Rahmenbedingungen wie Anforderungen an z.B. Brandschutz als auch die Wirtschaftlichkeit im Einklang mit der Alternativen Bauweise des Stahlleichtbaus stehen.
Abstract
Already in other industries, such as in vehicle construction or in aviation technology, it is increasingly important to choose the right material, which saves on its own weight, but in terms of its longevity, safety and efficiency in no way inferior. In the field of supplementing buildings, timber construction is a widely represented variant. An alternative to this offers the increase in lightweight steel construction. Especially in conurbations often offers the opportunity to increase in height, which may be associated with high costs due to the foundation or structural upgrading under certain circumstances. The aim of this work is to find out how much weight could be saved with the lightweight steel construction and whether the given framework conditions such as requirements, e.g. in terms of fire safety and cost-effectiveness in line with the alternative construction methods of lightweight steel construction.
1. Wohnraum
Wohnraum bekommt in Deutschland eine immer wertvollere Bedeutung, zumal dieser immer geringer oder teurer ausfällt. Nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht, über den Wohngebäudebestand[1] in Deutschland vor 1979 und ab 1979 im Jahr 2013 an:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 1 : Wohngebäudebestand 2013 nach Arbeitsgemeinschaft für Zeitgemäßes Bauen e.V. 2016
Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, bestehen die meisten Wohngebäude noch aus den Jahren vor 1979. 2011 betrugen in Sachsen-Anhalt, Sachsen und Thüringen die Wohngebäude mit den Baujahren vor 1950 sogar über 50 %, was zu einer Leerstandsquote in diesen Bundesländern von 6,8 – 9,8 % führt (DESTATIS 2014: S. 12-19). Insgesamt gibt es in Deutschland 39,8 mio. Wohneinheiten, was bei einer Bevölkerungszahl von 81,69 mio. Einwohner (DESTATIS 2015) zu einer Wohndichte von 2,05 Einwohner je Wohneinheit führt, die auf durchschnittlich in Deutschland 90,00 m² je Wohnung leben (DENA 2015: S. 35). Jährlich beträgt die Neubaurate ca. 190.000 Wohneinheiten und die Abrissrate ca. 26.000 Wohneinheiten (DENA: 2015: S. 11). Nachfolgende Tabelle und Grafik stellen den Bestand der Wohngebäude/ Wohneinheiten nach Eigentümer, Energieverbrauch und Energieart für Raumwärme dar.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten[2]
Tab. 2 : Wohnbestand mit Energieverbrauch nach Anwendung; Datenquelle: DENA 2015
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 1 : Verteilung der Energieträger für Raumwärme; Datenquelle: DENA 2015
Wie aus den vorgenannte Daten ersichtlich wird, ist der Energieverbrauch für Wohnraumwärme am höchsten, was ein gut gedämmter Außenwandaufbau an Wohngebäuden für einen Wärmeverlust nach außen unerlässlich macht.
2. Anforderungen
2.1 EnEV – Energieeinsparverordnung
Seit dem 01. Mai 2014 ist die Energieeinsparverordnung 2014 (EnEV 2014) in Kraft getreten. In dieser Verordnung sind ebenfalls die energetischen Standards für Neubauten (sowohl Wohngebäude als auch Nichtwohngebäude) ab dem Jahr 2016 verfasst. Dies führt oft zu Irritationen, da im Volksmund gerne die Bezeichnung „EnEV 2016“ verwendet wird, dies jedoch lediglich erhöhte Anforderungen an Neubauten ab dem Jahr 2016 beinhaltet. Die Anforderungen ergeben sich aus den sogenannten U-Werten in W/m²K[3]. Nach I.GABRIEL, H. LADENER (2015: S27) wurde in einer Gebäuderichtlinie der Europäischen Gemeinschaft das Ziel verfasst, bis im Jahr 2021 nur noch Neubauten mit Passivhausstandart zu errichten, was für die einzelnen Bauteile folgende U-Werte bedeutet:
- Dach, oberste Geschossde> = 0,10 W/m²K
- Außenwände: >= 0,10 W/m²K
- Kellerde> >= 0,12 W/m²K
- Fenster: >= 0,70 W/m²K.
Aktuell gibt die EnEV folgende U-Werte als Referenzgebäude wieder:
- Dach, oberste Geschossde> = 0,20 W/m²K
- Außenwände gegen Außenluft: = 0,28 W/m²K
- Außenwände gegen Erdreich[4] = 0,35 W/m²K
- Fenster, Fenstertüren = 1,30 W/m²K
Weitere Anforderungswerte der Energieeinsparverordnung sind der Anlage 1 zu entnehmen.
Nachfolgendes Berechnungsbeispiel soll den Unterschied des Wärme- durchgangskoeffizienten zwischen einem EFH/ZFH aus den Jahren 1919 bis 1948 (über 50 % des Wohngebäudebestandes in Sachsen-Anhalt, Sachsen und Thüringen) und den heutigen Standards anhand einer Außenwand verdeutlichen.
EHF/ ZFH bis 1950
Gängige Konstruktion nach I.GABRIEL, H. LADENER (2015: S. 39):
- 25 cm Vollziegelmauerwerk, innen Verputzt
- 2-schaliges Hohlschichtmauerwerk Vollziegel
Für die Berechnung wird ein 25 cm Vollziegelmauerwerk mit 10 mm (Annahme) Innenputz verwendet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 3 : Technische Werte und Formeln zur Berechnung des U-Wertes ohne Wärmedämmung; Daten aus DIN 4108-Teil 4 und DIN EN ISO 6946
EHF/ ZFH 2014
Um die Gegenüberstellung zu verdeutlichen, werden das selbe Mauerwerk und derselbe Innenputz verwendet. Hinzu kommt eine 14 cm starke Putzträgerplatte aus Steinwolle WLG 035 mit Außenputz 12 mm Kalkzementputz.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 4 : Technische Werte und Formeln zur Berechnung des U-Wertes mit Wärmedämmung; Daten aus DI 4108-Teil 4 und DIN EN ISO 6946
Durch Aufbringen einer Außendämmung von 14 cm und eines Kalkzementputzes außen (was den Endwert nur sehr gering beeinflusst) senkt sich der U-Wert von 1,79 W/m²K auf 0,22 W/m²K, was eine erhebliche Einsparung des Raumwärmeverlustes bedeutet. Durch weitere geeignete Maßnahmen in der Konstruktion bei Aufstockungen, wie z.B. zusätzlich Dämmung zwischen den Ständern in der Stahlleichtbauweise, lassen sich diese Werte weiterhin gut halten bzw. verbessern.
2.2 DIN 4109 – Schallschutz im Hochbau
Ziel dieser Norm ist es, Schutz vor anderen Nutzungseinheiten bei „ …sachgemäßer Benutzung “, sowie gebäudetechnischer Anlagen als auch vor Außenlärm zu bieten (DIN 4109-1 2015: S. 6). Hierfür wurden in der DIN 4109- Teil 1, Tabelle 2 Mindestanforderung an Bauteile für die Schalldämmung festgelegt. Weitere Möglichkeiten für einen erhöhten Schallschutz bieten als Erweiterung der DIN 4109 für erhöhten Schallschutz die Richtlinie VDI 4100:
„Schallschutz im Hochbau – Wohnungen – Beurteilung und Vorschläge für erhöhten Schallschutz“ Ausgabe 2012 als auch die DEGA-Empfehlung 103 „Schallschutz im Wohnungsbau – Schallschutzausweis“ Ausgabe 2009. Während die DIN 4109 lediglich die Mindestanforderungen festlegen, definieren die VDI 4100 drei Schallschutzklassen (SSt I – SSt III) und die DEGA- Empfehlung 103 sogar sieben Klassen (A*, A – F). Bei Neubauten zwischen zwei Parteien sollte zusätzlich im Vertrag festgelegt werden, welche Anforderungen bzgl. des Schallschutzes gefordert/ ausgeführt werdensoll, da bereits ein BGH – Urteil aus dem Jahr 2007[5] ausführt: „…im Vertrag enthaltene Erklärungen des Unternehmers, die Mindestanforderungen würden überschritten… Unternehmer, die solche im Vertrag enthaltenen Erklärungen abgeben, erwecken beim Besteller die berechtigte Erwartung, es werde ein besonderer Schallschutz vorhanden sein… Ein die Mindestanforderungen überschreitender Schallschutz muss deutlich wahrnehmbar einen höheren Schutz verwirklichen.“. Dies hat zur Folge, dass die Mindestwerte bzgl. des Schallschutzes der DIN 4109 Tabelle 2 nicht ausreichend sind, sondern erhöhte Schallschutzwerte gem. Beiblatt 2 zur DIN 4109 oder der Schallschutzstufe II der VDI 4100 zum Tragen kommen. Des weiteren geht aus diesem Urteil hervor, dass DIN-Normen keine rechtliche Verpflichtung besitzen, da sie den anerkannten Regeln der Technik entsprechen können, oder auch nicht. Eine Unterschreitung jedoch dieser geforderten Mindestwerte sind auch vertraglich nicht vereinbar (S.BARADIY et al. 2016: S. 7). In Tabelle 5 und 6 werden die wesentlichen Mindestanforderungswerte für den Wohnraum im Rahmen dieser Arbeit gem. DIN 4109 dargestellt, die empfohlenen Werte der VDI sind im Anlage 2 als Vergleich beigefügt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 5 : Mindestanforderungen der Schallschutzwerte nach Angaben der DIN 4109- Teil 1 Tabelle 2
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 6 : Mindestanforderungen der Schallschutzwerte nach Angaben der DIN 4109- Teil 1 Tabelle 3
Die bisher aufgeführten Werte geben bisher nur die Werte wieder, die zwischen den Nutzungseinheiten selbst gefordert werden. Für Außenbauteile ergeben sich je nach Lärmpegelbereich (auf die an dieser Stelle nicht weiter eingegangen wird) und Nutzung des Raumes gemäß nachfolgender Tabelle resultierende Außen- bauteilanforderungen R´w,ges:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten[6]
Tab. 7 : Resultierende Anforderungswerte an Außenbauteile nach DIN 4109-1 Tabelle 7
Das Stahl-Informations-Zentrum gibt in seiner Dokumentation 560 „Häuser in Stahl-Leichtbauweise“ (2002) eine Grafik wieder, die eine konstruktive Gegenüberstellung darstellt, die den Schallschutz von zweischaligen Bauteilen wesentlich beeinflussen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2 : Konstruktive Gegenüberstellung von zweischaligen Bauteilen bezüglich der Schalldämmung (Stahl-Informations-Zentrum: 2002)
2.3 Brandschutzanforderung
Um ein Brandschutzkonzept zu erarbeiten und die geforderten Brandschutz- klassen der Bauteile zu ermitteln, werden die zu errichtende Gebäude und in Gebäudeklassen gemäß Landesbauordnung eingeteilt. In Baden-Württemberg werden diese gemäß Landesbauordnung (LBO) § 2 Abs. 4 wie folgt eingeteilt:
- Gebäudeklasse 1:
freistehende Gebäude mit einer Höhe bis zu 7 m und nicht mehr als zwei Nutzungseinheiten von insgesamt nicht mehr als 400 m² und freistehende land- oder forstwirtschaftlich genutzte Gebäude
- Gebäudeklasse 2:
Gebäude mit einer Höhe bis zu 7 m und nicht mehr als zwei Nutzungseinheiten von insgesamt nicht mehr als 400 m²
- Gebäudeklasse 3:
sonstige Gebäude mit einer Höhe bis zu 7 m,
- Gebäudeklasse 4:
Gebäude mit einer Höhe bis zu 13 m und Nutzungseinheiten mit jeweils nicht mehr als 400 m²,
- Gebäudeklasse 5:
sonstige Gebäude einschließlich unterirdischer Gebäude.
Nach dieser Einteilung ergeben sich für Bauteile die Feuerwiderstandsklassen nach DIN 4102-2 entsprechend den Anforderungen der „Allgemeine Ausführungsverordnung des Wirtschaftsministeriums zur Landesbauordnung“ (LBOAVO) in der Fassung von 2010. Für tragende Wände und Stützen z.B. der Gebäudeklasse 5 wird in der LBO §4 Abs. 1 „feuerbeständig“ gefordert, woraus sich aus der DIN 4102-2 eine Feuerwiderstandsklasse von F 90 ergibt, die wie folgt definiert wird: „Während einer Prüfdauer von mindestens 30 Minuten dürfen tragende Bauteile unter ihrer rechnerisch zulässigen Gebrauchslast und nichttragende Bauteile unter ihrer Eigenlast nicht zusammenbrechen“ . In diesem Fall ergeben sich hierheraus 90 Minuten mit der Baustoffklasse A (nicht brennbar) nach DIN 4102-1 für wesentliche Teile da erst ab hier die Definition „feuerbeständig“ greift. Im Falle einer Aufstockung ist dies im Bereich Stahlleichtbau ein weiterer Vorteil, da dieser konstruktive Aufbau nicht brennbar ist in Verbindung mit nichtbrennbaren Beplankungslagen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3 : Baustoffklassifizierung nach DIN; Quelle: Informationsdienst Holz o.J
3. Stahlleichtbau
3.1 Allgemeines
In Deutschland findet die Aufstockung von Wohngebäuden in Form von Stahlleichtbau derzeit noch wenig Anerkennung im Gegensatz zu anderen Ländern (Abb. 3).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4: Stahlkonstruktionen im Wohnungsbau in Prozent (Stahl-Informations-Zentrum: 2002)
In Bezug auf den Wohngebäudebestand in Deutschland besteht hier noch Potential dieses auszubauen, vor allem unter dem Aspekt des geringen Eigengewichtes und des Raumgewinnes. Die Tragkonstruktion entspricht der klassischen Ständerbauweise, indem Ständer am Fuß- und Kopfpunkt in eine U-Schiene gestellt werden. Durch die aufgebrachte Beplankung sind die Bauteile in der Lage, Horizontal- als auch Vertikallasten abzutragen. Grundlegend werden für den Stahlleichtbau kaltgeformte U-, C—und Z- Profile mit Stahlstärken von 0,6 – 3,0 mm verwendet. Je nach Spannweite der Decke, Höhe der Wände oder besondere Lasten können gegebenenfalls Stahlträger, z.B. I-Profile zum Einsatz kommen. Bekannte Systeme sind z.B. „Transformer“ von Knauf/ Cocoon oder „EDIFICIO“ von Protektor. Beide Hersteller verwenden hauptsächlich U- und C- Profile, die einzeln oder doppelt angewendet werden und unterscheiden sich im Detail, wie für ein Profil nachfolgend Beispielhaft dargestellt wird.
Cocoon Transformer Profil C 197/50/2:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 5 : C- Profil 197/50/2 von Cocoon – System: Transformer
Protektor 197-40-20 (Materialstärke = 2mm):
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 6 : C- Profil 197-40-20 von Protektor – System Edificio
Wie ersichtlich wird, haben beide Profile dieselbe Höhe als auch dieselbe Materialstärke. Lediglich in der Breite des Flansches unterscheiden sie sich, was zu unterschiedlichen statischen Werten führt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 8 : Gegenüberstellung des C-Profils von Cocoon und Protektor mit gleicher Höhe und Materialstärke
Während das Profil von Protektor mit geringerer Fläche zu einem geringeren Eigengewicht führt, besitzt das Profil von Cocoon jedoch statisch höhere Werte.
Definition:
- Iy/Iz: Axiales Flächenträgheitsmoment (auch Flächenmoment 2.
Ordnung genannt. Gibt den Widerstand gegen eine Verformung um eine bezeichnete Achse an.
- Wy: Das Widerstandsmoment wird aus dem Trägheitsmoment
abgeleitet und gibt den Widerstand bei Belastung entstehenden inneren Spannungen an. In dieser Berechnung wird also das Trägheitsmoment mit der Entfernung zur Schwereachse zusammengefasst. Dies bedeutet, dass die größte Biegespannung dort auftritt, indem der Querschnittsteil am weitesten von der Schwereachse entfernt ist.
Die Lastabtragung der Stahlleichtbauaufstockung erfolgt über Lasten in Tafelebene und senkrecht zur Tafelebene. So können Vertikallasten und Horizontallasten (z.B. aus Wind) abgetragen werden. Die Aussteifung erfolgt über mindestens 3 sich nicht in einem Punkt schneidende Wandscheiben. Die benötigte Länge der Wandscheiben ergibt sich aus der Belastung der Horizontalkraft und der daraus resultierenden Kraft infolge Schiefstellung.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 7 : Links: Lastabtragung als Scheibe; Rechts: Lastabtragung als Platte (Rigips: 2009)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 8 : Windbelastung und der daraus resultierenden Belastung aus Schiefstellung
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 9 : Beispielhafte Aussteifung von Gebäuden mit exzentrischem Ansatz der Gesamtkraft
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 10 : Bemessung der aussteifenden Wandscheibe
Für die Aussteifung im Stahlleichtbau werden in Anschlussbereichen zusätzlich Anschlusswinkel oder Aussteifungselemente verwendet, die je nach statischer Anforderung entsprechend bemessen sind.
Ebenfalls muss bei der Konstruktionsplanung die Wärmebrücke im Bereich des Stahlprofils berücksichtigt werden. Im Bereich Stahlflansch / Beplankung ergibt sich eine Wärmebrücke, was zu einem verschlechterten U-Wert als im Bereich des Gefaches führt. Diese Wärmebrücke kann mittels einer vorgehängten Dämmung in entsprechender Dicke verringert werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 11 : Verdeutlichung der Wärmebrücke im Bereich des Stahlprofils nach Stahl-Informations-Zentrum: 2002
3.2 Systeme
Da die Systeme der jeweiligen Hersteller sich unterscheiden in Profilspannweite in Abhängigkeit der Beplankung, Profilabmessungen (siehe Kapitel 4.1) werden die Systeme prinzipiell näher dargestellt in ihrem Aufbau von tragenden Außenwänden, tragenden Innenwenden sowie den Deckenelementen. Abmessungen von Profilstärken und Trägerhöhen, Dämmstoffstärke oder die Beplankung werden hier nicht genauer bezeichnet, da sich die Anforderungen nach vorhandener Belastung, Brandschutz, Akustik oder die EnEV richten und im Einzelfall zu berücksichtigen und miteinzuplanen sind.
3.2.1 Tragende Außenwand
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 12 : Aufbau einer tragenden Außenwand
Aufbau von Innen nach Außen:
1. Innenverkleidung mit Gipskarton – in der Regel 2 x 12,5 mm
2. Installationsebene für Sanitär / Elektro
3. Dämmung in der Installationsebene (diese richtet sich in der Regel nach der benötigten Tiefe des Installationsraumes – ca. 40 – 60 mm
4. Tragende Innenbeplankung – bei Ausführung aus OSB/3 Platten sind die Stöße Luftdicht zu verkleben – diese Ebene dient dann als Dampfsperre. Bei Ausführung eines anderen statisch geeigneten Werkstoffes, ist eine Dampfsperre hinter die Ebene 4 anzubringen und Luftdicht abzukleben.
5. C- Tragständer nach Statik – abhängig von der Belastung und Wandhöhe
6. Gefachdämmung
7. Tragende Außenbeplankung nach Statik
8. Außendämmung nach bauphysikalischer Anforderung
9. Hinterlüftung
10. Putzträgerplatte, z.B. Zementgebundene Bauplatte (Aquapaneel von Knauf, Aquaroc von Rigips)
11. Außenputz
Je nach Planung und Anforderung ist eine Installationsebene nicht zwingend erforderlich, was zusätzlicher Raumgewinn und Einsparung des Eigengewichtes mit sich bringt. Auch kann auf die Hinterlüftung verzichtet werden und die Außendämmung direkt aufgebracht werden. Der Vorteil einer vorgehängten hinterlüfteten Fassade besteht darin, die Wärmedämmung und Witterungsschutz durch eine Luftschicht zu trennen (bei einem Wärmedämmverbundsystem ist der Witterungsschutz lediglich durch den Oberputz gegeben), was jedoch höhere Anschaffungskosten mit sich bringt, da zusätzlich eine Unterkonstruktion aus Grund- und Traglattung angebracht wird.
3.2.2 Tragende Innenwand
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 13 : Aufbau einer tragenden Innenwand
Aufbau:
1. Beplankung Gipskarton 12,5 mm
2. Tragende Beplankung nach Statik
3. C- Tragständer nach Statik
4. Gefachdämmung
5. Tragende Beplankung nach Statik
6. Beplankung Gipskarton 12,5 mm
Je nach Systemauswahl ist es nicht zwingend erforderlich, unterschiedliche Beplankungslagen zu verwenden. Es kann ebenfalls beidseitig 2- lagig mit entsprechender Dicke ein Werkstoff verwendet werden, so dass beide Lagen zum Tragverhalten beitragen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einseitig nur eine tragende Lage zu montieren und die anderen Lagen als Verkleidung zu verwenden (wie z.B. das EFH Pregassona, Tessin von Knauf – hier wurde für die tragenden Innenwände eine tragende Lage mit 15 mm Vidiwall beplankt).
3.2.3 Geschossdecke
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 14 : Aufbau einer Geschossdecke
Aufbau:
1. Oberbodenbelag
2. Estrich
3. Trittschalldämmung
4. OSB/3 Platte – tragende und aussteifende Funktion
5. Gefachdämmug
6. C- Einfach oder Doppelträger nach Statik
7. Unterkonstruktion – ggf. mit Dämmeinlage
8. Unterdecke Gipskarton
Bei Brandschutzanforderung kann als Unterdecke zusätzlich eine Installationsebene erforderlich werden, die die tragende Funktion der Decke schützt ohne die Brandlasten in die Decke zu verlagern. Der Aufbau einer Außendecke erfolgt analog zur Geschossdecke. Hier werden anstatt des Estrichaufbaus eine Unterkonstruktion mit Aufdachdämmung mit Dacheindeckung verlegt.
4. Berechnungsbeispiel Aufstockung
4.1 Beschreibung
Anhand einer real geplanten Aufstockung (Ausführung bisher nicht begonnen), wollen wir den Vergleich der Aufstockung in Holzbauweise dem der Stahlleichtbauweise gegenüberstellen und herausfinden, wieviel Gewicht und Platzersparnis eingespart werden können, welches ist die kostenintensivere Variante und werden alle Rahmenbedingungen/ Anforderungen eingehalten?
Das Bauvorhaben befindet sich in 88250 Weingarten (D) und ist mit einer Höhe von 16,00 m nach Landesbauordnung Baden-Württemberg (LBO BW) § 2 Abs.4 Satz 5 mit Fassung vom 01. März 2010 in die Gebäudeklasse (GKL) 5 einzuteilen. Dies bedeutet für den erforderlichen Brandschutz nach der Allgemeine Ausführungsverordnung des Wirtschaftsministeriums zur Landesbauordnung Baden- Württemberg (LBOAVO BW) mit Fassung vom 05. Februar 2010 für folgende Bauteile:
- §4 Abs.1 Satz1:
„(1) Tragende und aussteifende Wände und Stützen müssen 1. in Gebäuden der Gebäudeklasse 5 feuerbeständig,“
- $ 5 Abs.1
„(1) Nichttragende Außenwände und nichttragende Teile tragender Außenwände müssen aus nichtbrennbaren Baustoffen bestehen; sie sind unterhalb der Hochhausgrenze aus brennbaren Baustoffen zulässig, wenn sie als raumabschließende Bauteile feuerhemmend sind.“
Feuerbeständig bedeutet F90 A[7] oder F90 AB[8] - somit wäre eine Aufstockung in Holzbauweise nicht möglich, da Holz ein brennbarer Baustoff ist. Durch zusätzliche bauliche Maßnahmen und Rücksprache mit dem örtlichen Kreisbrandmeister konnte sich darauf geeinigt werden, dass ein 2. voneinander unabhängiger baulicher Rettungsweg vorzusehen ist, sowie die Decke Raumseitig als auch die Außenwände mittels Trockenbau aus nichtbrennbaren Baustoffen zu verkleiden ist, sowie die die tragenden Stützen und Träger.
Das Gebäude selbst ist bisher mit drei Stockwerken ausgeführt. Bei der damaligen statischen Berechnung ist ein viertes Stockwerk in Massivbauweise mit für die statische Bemessung eingerechnet worden. Das eingeplante Eigengewicht der Konstruktion beträgt 2601,247 KN was 260,1247 Tonnen entspricht. Jedoch wurde nur eine weitere Nutzungsebene mit einer Raumhöhe von 3,50 m berücksichtigt. Geplant wurde nun, eine Aufstockung mit einer Raumhöhe von 5,60m und teilweise mit einer zweiten Nutzungsebene (als Loggia bezeichnet), was zu höheren Lasten führt als ursprünglich geplant. Nach DIN 277-1:2016-01 beträgt die Nettogrundfläche 445,438 m². Nach DIN EN 1991-1-4:2010.12 wird das Gebäude in die Windlastzone 2 Binnenland und nach DIN EN 1991-1-1 in die Schneelastzone 1 eingeordnet, bei einer Höhe über NN A= 513m. Nachfolgend werden die Grundrisse und Schnitt mit der geplanten Tragkonstruktion dargestellt.
[...]
[1] Betrachtet werden ausschließlich Wohngebäude. Gebäude wie Nichtwohnge- bäude oder jegliche Art von Wohnheimen werden nicht berücksichtigt.
[2] Bezogen auf die Wohneinheiten
[3] Wärmedurchgangskoeffizient – dieser gibt an, wieviel Wärme in Watt je Quadratmeter Bauteilfläche je Grad Kelvin Temperaturdifferenz von Innen nach Außen wandert. Je geringer dieser Wert, desto günstiger ist die Wärmedämmung eines Bauteils.
[4] Inklusive Bodenplatten, Wände und Decken zu unbeheizten Räumen
[5] BGH, Urteil vom 14. Juni 2007 – AZ: VII ZR 45/06; http://juris.bundesgerichtshof.de/cgi-bin/rechtsprechung/document.py?Gericht=bgh&Art=en&nr=40531&pos=0&anz=1 (21.09.2017)
[6] Anforderungen sind gem. den örtlichen Bedingungen festzulegen (DIN 4109-1:2016-07)
[7] Feuerbeständig 90 min. aus nichtbrennbaren Bauteilen
[8] Feuerbeständig 90 min. und in den wesentlichen Teilen aus nichtbrennbaren Stoffen
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