Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau
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expert verlag Tübingen
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Systemlösungen für Außenwände in Stahl-Leichtbauweise
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Kathrin Sräga
Leichtbau, insbesondere Stahl-Leichtbau gehört zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Als Leichtbauweise zählt der Trockenbau hier zu einer etablierten Montagebauweise aus Leichtbaumaterialien welche zu High-Performance Systemen für zusammengestellt werden können. In vielen Ländern der Welt ist die ökonomisch und ökologisch vielversprechende Bauweise Lightweight Steel Framing (LSF) bekannt und wird erfolgreich praktiziert. Bewährte Herstellungsverfahren wie Modulbau oder die additive Fertigung können die Art und Weise wie wir Gebäude errichten, nutzen und recyceln deutlich verändern. Mit Systemleichtbau ergeben sich nicht nur Material- und Gewichtseinsparungen, hohe Flexibilität und Leistungsfähigkeit, sondern auch anwendungsspezifische Vorteile durch Funktionsintegration. LSF Konstruktionen haben bis zu 75 % weniger Baumasse als Massivbauteile. Der Vortrag zeigt anhand von Praxisbeispielen Einsatzbereiche und gibt Einblick in Planung und Ausführung von Systemlösungen für Außenwände in Trockenbauweise welche die hohen Anforderungen an Gebäudehüllen erfüllen. Es werden dazu Konstruktionsarten und Eigenschaften erläutert.
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1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 107 Systemlösungen für Außenwände in Stahl-Leichtbauweise Vorortmontagetechnik, Elementebau, Integrative Fassaden Dipl.-Ing. (FH) Kathrin Sräga Knauf Gips KG, Iphofen, Deutschland Zusammenfassung Leichtbau, insbesondere Stahl-Leichtbau gehört zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Als Leichtbauweise zählt der Trockenbau hier zu einer etablierten Montagebauweise aus Leichtbaumaterialien welche zu High-Performance Systemen für zusammengestellt werden können. In vielen Ländern der Welt ist die ökonomisch und ökologisch vielversprechende Bauweise Lightweight Steel Framing (LSF) bekannt und wird erfolgreich praktiziert. Bewährte Herstellungsverfahren wie Modulbau oder die additive Fertigung können die Art und Weise wie wir Gebäude errichten, nutzen und recyceln deutlich verändern. Mit Systemleichtbau ergeben sich nicht nur Material- und Gewichtseinsparungen, hohe Flexibilität und Leistungsfähigkeit, sondern auch anwendungsspezifische Vorteile durch Funktionsintegration. LSF Konstruktionen haben bis zu 75 % weniger Baumasse als Massivbauteile. Der Vortrag zeigt anhand von Praxisbeispielen Einsatzbereiche und gibt Einblick in Planung und Ausführung von Systemlösungen für Außenwände in Trockenbauweise welche die hohen Anforderungen an Gebäudehüllen erfüllen. Es werden dazu Konstruktionsarten und Eigenschaften erläutert. 1. Prolog 1.1 Leichtbau Wenn es um die Zukunftsfähigkeit der Baubranche geht sind Innovationen wichtig. Im Bereich der Planungsprozesse passiert bereits einiges um mit der wachsenden Komplexität fertig zu werden. Bauprozesse bieten das größte Optimierungspotenzial. Leichtbau gilt als Schlüsseltechnologie hierzu insbesondere in Punkto Nachhaltigkeit und Effizienz. Innovative Bauprozesse bzw. Herstellungsverfahren wie die Modulbzw. Systembaubauweise und additive Fertigungen verändern Art und Weise, wie wir Gebäude planen, errichten, nutzen und recyceln deutlich. Durch visionäre Pioniere wie Frei Otto† und Werner Sobek ist der Leichtbau in der Baukultur mit inspirierenden Ideen, Erkenntnissen und Projekten gefüllt worden. „Leichtbauweise ist eine Konstruktionsphilosophie Minimales Gewicht bei maximaler Stabilität“ Frei Otto 1925 - 2015, Architekt und Pionier der Leichtbauweise 1.2 Grundlagen • konstruktiver Leichtbau durch konstruktive Maßnahmen • Trennung tragende Struktur und nichttragender Ausbau • Primärkonstruktionen in Skelettbauweisen, in Stahlbeton bzw. Stahl • Einsatz energieeffizienter innovativer Wandsysteme mit geringem Gewicht und hohem Recyclingpotenzial • Dünnwandige Konstruktion mit hohen bauphysikalischen Eigenschaften • Einsatz von Leichtbaumaterialien mit hohen spezifischen Eigenschaften (z. B. Aluminium, Faserverbundwerkstoffe) • Entscheidend Entwurfs- und Konstruktionsphase Hier in Deutschland ist der Massivbau noch stark verankert. Durch Leichtbaukonstruktionen lassen sich am Bau nicht nur große Mengen Baustoffe einsparen. Der Trockenbau ist eine Montagebauweise und zugleich eine Leichtbauweise. Leichtbaumaterialien wie Faserverbundstoffe, Leichtbauplatten, Dämmstoffe, Hightech-Folien, Metallprofilen sind zu High-Performance-Systemen zusammenstellbar. Aufgrund von Leichtbaumaterialen Systemlösungen für Außenwände in Stahl-Leichtbauweise 108 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 wie Zementbauplatten können nicht nur System für den Innenausbau, sondern auch Bauteile wie Gebäudehüllen in Trockenbautechnologie erstellet werden welche die hohen bauphysikalischen Anforderungen und Witterungsbeständigkeit hier erfüllen. Zementbauplatten auch als Textilbeton bekannt sind mittlerweile in der ganzen Welt in zahlreichen Anwendungen im Einsatz. „Das Bauen der Zukunft benötigt zwingend eine Integration von Engineering, Design und Nachhaltigkeit im urbanen Raum“, Prof. Werner Sobek, Gründer Institut Für Leichtbau Zunehmende Komplexität in der Fassadentechnologie und hohe Anforderungen zu Themen wie Energieeffizienz, Nutzerkomfort, Nachhaltigkeit, Individualisierung und Sanierung erfordern neue Konzepte und Methoden zu Planungsstrukturen und Kommunikationsprozessen bei der Bauausführung. Dabei spielen Wirtschaftlichkeitsargumente wie rascher Baufortschritt, Nutzflächenmaximierung und Flexibilität eine große Rolle. Moderne Technologien und Baustoffe bieten hier Lösungen. Durch Außenwände als Systemlösungen in Trockenbautechnologie als Leichtbauweise, ergeben sich nicht nur Gewichts Einsparungen, sondern auch anwendungsspezifische Vorteile durch Funktionsintegration und neue Möglichkeiten des Entwerfens. 1.3 Fassadentechnik in Leichtbau • Teil der Gebäudetechnik • Zukunftsweisende leistungsstarke Außenwandsysteme in Stahl-Leichtbauweis • Innovative Systemvarianten in Trockenbautechnologie • Schlank, leicht, stabil und vielseitig • Mit hoher Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und bauphysikalischen Eigenschaften • Leistungsfähig in Schall-, Wärme-, Brandschutz und Erdbebensicherheit bei Erfüllung aller Bautechnischer Regelungen • robust + Witterungsbeständig • Symbiose von Funktion + Design 1.4 Optimale Anwendung Hybridbau • Trennung Tragende Struktur + Nichttragende Außenwände • Gebäudetragwerk in Skelettbau + Ausbau und Ausfachung mit Stahl-Leichtbau als Trockenbausysteme • Fassaden in Leichtbauweise in Trockenbautechnologie in Vorfertigung bzw. Vorortmontagetechnik 1.5 Lightweight Steel Framing (LSF) • Stahlkonstruktionen aus dünnwandigen kaltgeformten Stahlprofilen werden auch als Lightweight Steel Framing (LSF) bezeichnet. • Verzinktes Stahlblech ist das Ausgangsmaterial kaltumgeformter Stahlprofile, verzinkt oder beschichtet um Korrosion zu verhindern . Stahl bietet aufgrund des hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses hervorragende Designflexibilität, große Spannweiten und hohe Belastbarkeit durch Windkraft und Erdbeben. • Stahlkonstruktionen können so entworfen werden, dass sie hervorragende thermische und akustische Eigenschaften bieten. Wärmebrücken können durch thermische Trennung vermieden werden. Dünne Bleche aus verzinktem Stahl können zu Stahlständern zur Verwendung als tragendes oder nichttragendes Baumaterial für Außen- und Trennwände in Wohn- und Gewerbebauten eingesetzt werden. 2. Vorstellung Systeme Systemlösungen für Außenwände in Stahl-Leichtbauweise als anwendungsfertige Typenkonstruktionen welche die hohen Anforderungen an Gebäudehüllen erfüllen. Ausgeführt in Trockenbautechnologie als Vor-Ort-Montage bei Neubauten, Sanierungen, Nachverdichtungen und Integrativen Fassaden. Qualitätssicherung durch Ausführungen geprüfter Systeme. 2.1 Systemkomponenten • Äußere ständerebene zur Lastabtragung wind- und eigenlast 1 mm CW Fassadenprofil in c3 mit Winkel zur Befestigung von fuß- und kopfpunkt. • Innere ständerebene zur raumseitige Luftdichtheit und Absturzsicherheit nach DIN 18183-1, 0,6 mm CW, UA und UW Profilen • Beplankung innenseitig Gipsplatten z.B. Diamant, Fireboard oder massivbauplatten je nach Anforderungen bis f90 • Beplankung Außen zementgebundene Trägerplatte beidseitig mit Glasgittergewebe armiert, witterungs- und wasserbeständig, trocken biegbar und das entsprechende Zubehör zur Oberflächenbeschichtung • Dämmung in der äußere und innere schale und ungestörte thermische Zwischendämmung der ständerebenen aus Mineral- und Steinwolle Dämmstoffen • Das Luftdichteschichtsystem auf der Innenseite aus einer dampfbremsbahn und entsprechenden Zubehör. Systemlösungen für Außenwände in Stahl-Leichtbauweise 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 109 2.2 Eigenschaften und Performance • Gewicht ≤ 70-80 Kg/ M² • Schallschutzwerte Rw,R ≥ 70 db • U-Werte ≤ 0,20 W/ (M2k) • Wandstärke ≤ 33 Cm • Baustoffklasse A1 • Nicht Brennbare Konstruktionen 2.3 Konstuktionstypen • Einfach- und Doppelständerkonstruktionen als eingestellte oder vorgestellte Montage • Variable Oberflächen wie Putz, Klinker, Keramik etc. auf Trägerplatte aus Zement als Außenbeplankung, bzw. Kombination mit Vorgehängter Hinterlüfteter Fassade sowie Einfachständerkonstruktion + Warm- Wand Plus System aus Mineralwolle. Doppelständerkonstruktion eingestellte Montage + VHF Doppelständerkonstruktion eingestellte Montage mit verputzter Fassade auf Außenbeplankung aus Zementbauplatte Doppelständerkonstruktion vorgestellte Montage mit verputzter Fassade auf Außenbeplankung aus Zementbauplatte Systemlösungen für Außenwände in Stahl-Leichtbauweise 110 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 Einfachständerkontruktion mit + WarmWand Plus System aus Mineralwolle Montage mit verputzter Fassade auf Außenbeplankung aus Zementbauplatte 2.4 Planungstools • Vorbemessungen, Musterstatiken • Regeldetails • Schallschutznachweis • Thermische Analysen • Taupunktermittlungen • Wärmebrückenberechnungen • Systemempfehlungen • Muster Ausschreibungstexte • Richtpreiskalkulationen 2.5 Ziele im Bauablauf: • Möglichst kurze Gesamtbauzeit • Meilenstein „Hülle dicht“ möglichst früh im Bauprozess als Start der Ausbaugewerke • Reduktion von Baustellenvorhaltekosten • Reduktion von Gerüststandzeiten • Möglichst wenig kritische Schnittstellen zwischen Gewerken • Paralleles Arbeiten ohne gegenseitige Behinderung 2.6 Mehrwerte • Hohe Stabilität, Geringes Eigengewicht • Schlanke Konstruktion • Optimierte Tragwerkskonstruktion • Gestaltungsfreiheit, Einsatz bei Gebäuden mit gekrümmten mehrdimensionalen Fassaden. • Luftdichte Gebäude mit hoher Energieeffizenz • Nicht Brennbare Systeme, F30 - F90 • Erdbebensicherheit: 2-Fache Höhere Duktilität als Massivbau durch geringes Gewicht und Statische Eigenlast sowie positives Verformungsverhalte • Wirtschaftlichkeitsargumente wie rascher Baufortschritt, Nutzflächenmaximierung und Flexibilität • Wirtschaftlichkeits- und Mehrwertstudie an Hand vom Beispielprojekten Projekten 2.7 Nachhaltigkeit • 75% weniger Baumasse, 20% weniger Primärenergie und 50% weniger Treibhausgas Co2 Emissionen als bei Herstellung in Massivbau • Niedrigere Transport- und Energiekosten durch leichtes Gewicht • Wassereinsparung aufgrund Trockenbauweise 2.8 Bauzeit und Baustellenlogistik • 40 % weniger Rohbaukosten • Zeitersparnis gegenüber herkömmlichen Bauweisen von ca. 3 Wochen • schnellere Schließung der Gebäudehülle: frühzeitigerer Baubeginn für Folge-und Ausbaugewerke • Schnelle Montage: Kosteneinsparung im Vergleich zu Massivbau 17-25% durch schnellere Bauzeit • Reduzierung Vorhaltezeit Baugerüst von 2-3 Wochen: Ersparnis von 18% - 24%. • Der Einsatz von Trockenbausystemen für die Außenfassade verkürzt die Trockenzeit der Bauphase. • Weniger Energie zur Gebäudetrocknung notwendig. 2.9 Bauunterhaltung und Lebenszyklus • Umbauten können bei Leichtbauweisen einfach durchgeführt werden. • Cradle To Cradle: Die Fassade ist am Ende ihres Lebenszyklus selektiv zu demontieren. Es entstehen keine Verbundsysteme durch Klebungen etc. • Dadurch können z.B. je nach technischem Fortschritt neue Dämmungen eingelegt werden und die Fassade erneut im Leichtbau geschlossen werden Systemlösungen für Außenwände in Stahl-Leichtbauweise 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 111 2.10 Rentabilität • Mietsteigerung durch Flächengewinn von 1,14%- 3,34 % möglich • Verkürzung der Bauzeit ermöglicht schnellere Vermietbarkeit und einen früheren Return of Investment. • Fungibilität: Umbau und Umnutzung bei späterem Funktionswechsel einfach möglich, größere Sicherheiten gegen Ausfallrisiken bei Kreditgebern 2.11 Baurechtliche Situation • Errichtung nichttragender Außenwände lt. Bauregelliste A Teil 3 des DIBT • Bei Planung und Bemessung technischen Regeln Teil I Liste der Techn. Baubestimmungen. • Ein Projektbezogener Standsicherheitsnachweis und Bauphysikalische Nachweise zu Wärme-, Schall- Brandschutz sind im Zuge der Ausführung zu erbringen. 3. Montagetechniken 3.1 Bauablauf / Baulogistik Die Montage der Außenwände werden in der Regel von einem Gewerk bzw. Hauptauftragnehmer übernommen. Dadurch ergeben sich weniger Gewerkeschnittstellen und der Koordinierungsaufwand wird geringer. Durch den Transport geringerer Baumassen für die Fassade, ist die Baustellenlogistik einfacher, da kein schweres Gerät benötigt wird. Die Qualifizierung des Fachunternehmers für diese Bauweise eine tragende Rolle. 3.2 Vorfertigung Die Art der Profiltechnik bestimmt über die Möglichkeiten zur Vorfertigung bzw. Teilvorfertigung bzw. Halbzeugfertigung. Vorfertigung ganzer Bauteile kommt hauptsächlich im Modulbau zur Anwendung. Wie hier an dem Beispiel zu sehen wird die komplette Fassadenelemente im Werk vorgefertigt und in die Fassade in Stahl-Leichtbau eingehängt. Bei der Halbzeugfertigung werden Bauteile kombiniert aufgrund der Gegebenheiten zur Montage. Bei Fassaden ist es meist die äußere Schale welche in Vorfertigung als Element eingehoben und von außen montiert wird. Die innere Luftdichte Schicht der Außenwand aber als Vor-Ort Montage ausgeführt werden muss. Beispiel: Südpark Basel von Architekten Herzog de Meuron, Zürich, Ausführung Fassade Erne AG Schweiz, Fassadensystem Cocoon Transformersystem in Stahl- Leichtbau Systemlösungen für Außenwände in Stahl-Leichtbauweise 112 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 3.3 Vorort-Montage Logistische Gegebenheiten erfordern die komplette Vor- Ort-Montage der Leichtbaufassade Verlegepläne zur Außenwand als Montageplan unterstützen eine sichere Kalkulation und Ausführung Montage von außen nach innen: Trockenbautechnologie in Verbindung mit Fassaden und Metallbau Den Raumabschluss bildet die innere Schale der Außenwand Konstruktion mit der Luftdichten Schicht 4. Case Studies 4.1 Neubau - Cloud no 7 Stuttgart Besondere Anforderung: Gewichtsreduzierte Gebäudehülle da kein tragender Baugrund mit Pfahlgründung. Hohe Leistungsperformance in Schallschutz da an stark befahrenen mehrspurigen Fahrbahnen in der Innenstadt und hohe Brandschutzanforderungen in Teilbereichen der Fassade F90. Systemlösungen für Außenwände in Stahl-Leichtbauweise 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 113 4.2 Sanierung - Flowtower Köln Besondere Anforderung: Bestehender Stahlbeton-Skelettbau auf Stelzen soll erhalten bleiben. Daher gewichtsreduzierte anpassungsfähige Lösung für opaken Fassade ohne statische Ertüchtigung. Konkave und Konvexe Krümmungen der Fassaden sollten durch ein flexibles System einfach umsetzbar sein. 4.3 Integrativer Fassade - Vauban Freiburg Anforderung: Nachhaltiger Neubau mit integrierter Haustechnik in einer luftdichten Fassade. Hoher gestalterischer Anspruch und Flexibilität in der Ausführung da gefalteter Grundriss. Hoher Schallschutz an stark befahrener Straße und hohe Auflagen zum Wärmeschutz für KfW55. Systemlösungen für Außenwände in Stahl-Leichtbauweise 114 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 5. Trends Digitalisierung bestimmt auch 2021 die Baubranche BIM steht in den Startlöchern, Construction Intelligence betitelt die Idee, Entscheidungen auf der Basis von Daten statt von Bauchgefühl zu treffen. Lean Construction Management ist auf dem Vormarsch Leichtbau hat sich in den letzten Jahren konstant in der Baubranche gefestigt und ist ein ganz klarer Bautrend in 2021. 6. Ausblick und Fazit Innovative Bauweisen schlagen zwei Fliegen mit einer Klappe: Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit. Sie bieten die Chance einer besseren Reputation am Markt und Zugeständnis einer hohen Kompetenz, sind aber nicht leicht durchzusetzen. Größte Hürde ist nicht die technologische Machbarkeit wie hier aufgezeigt. sondern die konservative Einstellung und strukturelle Aufstellung der Baubranche. Es fehlen qualifizierte Firmen. Gewerke und Vergabesystem ist reformierungsbedürftig. Sind Innovationen am Markt, müssen noch Anpassungen gemacht werden was die Entwicklungszeit deutlich verlängert. Chance ist, wenn Beteiligte in der Wertschöpfungskette sich besser verstehen lernen und Ihre Prozesse abstimmen. 7. Bild- und Textquellen Knauf Gips KG, Knauf Aquapanel GmbH & Co. KG, Bauökonomische Analyse Prof. Dr.-Ing. Architekt Bert Bielefeld, Stahl-Leichtbau mit Knauf/ Cocoon Systemlösungen
