Kolloquium Industrieböden
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2510-7771
expert verlag Tübingen
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LittmannEinsatz großformatiger, dünnschichtiger Fliesen auf mechanisch hoch belasteten Bodenkonstruktionen
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Burkhard Prechel
Keramikbeläge werden im Wohn- und Gewerbebau als hochwertige Nutzbeläge eingebaut. Bei Einsatz in mechanisch hoch beanspruchten, gewerblichen genutzten Bereichen wirken hohe Punktlasten auf die Belagskonstruktion ein. Die gesamte Bodenkonstruktion, vom Estrich bis zum Keramikbelag, muss auf die Belastungen abgestimmt und für diese bemessen werden. Einen entscheiden Einfluss auf die Tragfähigkeit haben neben der Fliesendicke, die Verlegequalität und die Eigenschaften der Verlegehilfsstoffe.
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10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 413 Einsatz großformatiger, dünnschichtiger Fliesen auf mechanisch hoch belasteten Bodenkonstruktionen Dipl.-Ing. Burkhard Prechel MAPEI GmbH, Bottrop Zusammenfassung Keramikbeläge werden im Wohn- und Gewerbebau als hochwertige Nutzbeläge eingebaut. Bei Einsatz in mechanisch hoch beanspruchten, gewerblichen genutzten Bereichen wirken hohe Punktlasten auf die Belagskonstruktion ein. Die gesamte Bodenkonstruktion, vom Estrich bis zum Keramikbelag, muss auf die Belastungen abgestimmt und für diese bemessen werden. Einen entscheiden Einfluss auf die Tragfähigkeit haben neben der Fliesendicke, die Verlegequalität und die Eigenschaften der Verlegehilfsstoffe. 1. Einführung Die Produktionstechnologien zur Herstellung keramischer Fliesen haben sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt. Die Keramikindustrie ist aufgrund der Optimierung der Produktions- und vor allem der Brennprozesse in der Lage, Großformate in „fast unbegrenzten“ Größen herzustellen. So werden heute Fliesenformate mit Seitenlängen bis 3,2 m und verschiedensten Formatkombinationen angeboten. Die Fliesendicken variieren dabei von 4 mm bis 30 mm. Dadurch bestehen schier unbegrenzte Gestaltungsmöglichkeiten für Architekten, Kunden und Verarbeiter. „XL- und XXL-Formate“ in Dicken von 4 und 6 mm kommen sowohl im Wand als auch Bodenbereich zur Anwendung. Besonders im Bodenbereich sind Architekten und Verarbeiter gefordert, die auszuführende Bodenkonstruktion inklusive des zu verlegenden Keramikbelages auf die aus der Nutzung resultierenden Belastungen abzustimmen. Das beginnt bei die der Estrichplanung und endet nicht zuletzt bei der Auswahl und Verlegung des Keramikbelages. 1.1 Punktlasteinwirkungen besonders kritisch. Lasteinwirkungen resultieren aus flächig aufliegenden und punktuell einwirkenden Lasten von Schrank- und Regalfüßen, Rollen von Transporthilfen etc.. Einwirkungen von Punktlasten sind wesentlich kritischer. Diese bleiben bei dünnen Belagselementen nur dann ohne Schäden, wenn sie direkt an den tragfähigen Untergrund abgegeben werden können. Dies erfordert in der handwerklichen Umsetzung ein hohes Maß an Können und Gewissenhaftigkeit, denn dünne Fliesen müssen möglichst vollflächig hohlraumfrei verlegt werden. Bereits kleine Imperfektionen in der Bettung der Fliesen können auch im Wohnbereich, z.B. beim Bewegen eines Flügels auf Füßen mit kleinen Metallrollen oder Stoßbelastungen durch versehentlich herabfallende Gegenstände, zu Schäden am Belag in Form von Kanteneinbrüchen oder Durchstanzungen führen. Bild 1: Punktlasteinwirkung durch Rangierhilfe in einem Autohaus 10.4 Prechel.indd 413 12.02.20 12: 51 414 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Einsatz großformatiger, dünnschichtiger Fliesen auf mechanisch hoch belasteten Bodenkonstruktionen Bild 2: Kantenabbrüche Bild 3: Durchstanzung durch Gabelhubwagen im Bereich einer Fehlstelle im Klebemörtel Die Bilder 2 und 3 zeigen Schäden an einem 6 mm dicken Feinsteinzeugbelag nach Lasteinwirkungen im Randbereich bzw. in der Fläche in Bereichen mit Fehlstellen im Kleberbett. 1.2 Sehr hohe Anforderungen an die Ebenheit von Verlegeuntergründen. Um eine möglichst vollflächig hohlraumfreie Verlegung zu erreichen, müssen an die Ebenheit von Verlegeuntergründen Anforderungen gestellt werden, die in Abhängigkeit der Kantenlängen der zu verlegenden Fliesen und Platten noch weit unter den zulässigen Grenzwerten für flächenfertige Böden mit erhöhten Anforderungen gem. DIN 18202 [1], Tabelle 3, Zeile 4 liegen. Das heißt, die Untergrundvorbereitung zur Schaffung eines geeigneten, ausreichend ebenen Verleguntergrund ist mit einem wesentlich höheren Aufwand verbunden, der geplant, vereinbart und auch vergütet werden muss. 1.3 Verlegung im Buttering-Floating-Verfahren (Kombiniertes Verfahren). Verlegetechnisch wird gem. DIN 18157-1 [2] ab Kantenlängen von 50 cm oder Fliesengrößen von 0,25 m² eine rückseitige Kratzspachtelung empfohlen. Durch diese soll eine bessere Haftung zwischen Klebemörtel und Fliesenrückseite sowie eine bessere, möglichst vollflächige Bettung erreicht werden. 1.4 Stark verformbare Klebemörtel in höhere Dicken bringen Spannungsabbau. In Abhängigkeit der zu erwartenden thermischen und hygrischen Verformungen des Estrichs und der Größe des Formates bzw. der max. Seitenlängen der Fliesen sollten für die Verlegung verformbare oder stark verformbare Klebemörtel der Klassifizierung C2 S1 bzw. C2 S2 gem. DIN EN 12004 [3] eingesetzt werden. Diese sind in der Lage, die aus unterschiedliche Längenänderungen des Fliesenbelages und des Verlegeuntergrundes resultierenden Scherspannungen in der Verbundzone zu kompensieren. Die Leistungsfähigkeit des Klebemörtelsystems ist dabei abhängig von seiner Formulierung und der Dicke, in der es eingesetzt wird. Ein stark verformbarer Klebemörtel kann bei gleichen Leistungsparametern in einer Dicke von 8 bis 10 mm größere Verformungen aufnehmen und damit Spannungen abbauen, als der gleiche Kleber in einer Dicke von 2 bis 3 mm. Die Skizze verdeutlicht, dass bei gleicher Verformbarkeit des Klebemörtels größere Kleberbettdicken ein größeres Verschiebungsmaß ermöglichen. 1.5 Fliesendicke ist abhängig von der Belastung. Die Fliesendicke muss unter Berücksichtigung der aufzunehmenden Lasten, des verwendeten Klebemörtels und der Biegezugfestigkeit der Fliese gewählt werden. Das ZDB-Merkblatt „Mechanisch hochbelastete Beläge“ [4] gibt für ausreichend drucksteife Mörtel geeignete Auswahlhilfen vor. 10.4 Prechel.indd 414 12.02.20 12: 51 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 415 Einsatz großformatiger, dünnschichtiger Fliesen auf mechanisch hoch belasteten Bodenkonstruktionen Beanspruchungsgruppe Bruchkraft F(N) DIN EN ISO 10545-4 Anwendungsbereiche, Mechanische Beanspruchung I < 1.500 Wohnungsbau und Bodenbeläge mit vergleichbarer mechanischer Beanspruchung, z.B. Hotelbadezimmer, Räume des Gesundheitsdienstes II 1.500 - 3.000 Verwaltung, Gewerbe und Industrie Befahrbar mit luftbereiften Fahrzeugen), z.B. Großküchen, Kantinen, Verkehrszonen, KFZ-Austellungs- und Wartungsräume, Verkaufsräume, jeweils ohne Flurförderfahrzeugverkehr. Pressungen bis 2 N/ mm² III 3.000 - 5.000 Gewerbe und Industrie (Flurförderfahrzeugverkehr mit Superelastik-, Vollgummi- und Vulkollanbereifung), z.B. im Lebensmittel- Einzel- und Großhandel, Nonfood- Einzel- und Großhandel, Ladenpassaden. Pressungen von 2 bis 6 N/ mm² IV 5.000 - 8.000 Gewerbe und Industrie; Anwendungsbereiche wie Gruppe III, jedoch befahrbar mit Polyamidrollen. Pressungen von 6 bis 20 N/ mm² V > 8.000 Gewerbe und Industrie; Schwerlastbereiche mit Flurförderfahrzeugverkehr mit Polyamidrollen; Kollern von Metallteilen, wie z.B. in Fabrikations-, Montage- und Lagerhallen, Reparaturwerkstätten für Maschinen und schweres Gerät. Pressungen > 20 N/ mm² Tabelle 1: Quelle Bild 2: ZDB Merkblatt Hoch belastete Beläge [4] In Tabelle 1 sind typische Anwendungsbereiche für Bodenbeläge in fünf Beanspruchungsgruppen eingeteilt, denen eine Bruchkraft des Belages zugeordnet wird. Diese beruht auf langjähriger Erfahrung und hat sich bewährt. Die Bruchkräfte werden nach folgender Formel ermittelt: Bruchkraft F (N) = 2 x ß x d² x b 3 x L Darin bedeutet: ß Biegefestigkeit der Platte in MPa (CE-Kennzeichnung unterer Erwartungswert) d Plattendicke in mm b Plattenbreite in mm L Plattenlänge im mm Beim Betrachten der Formel wird deutlich, dass die Bruchkraft einer Fliese entscheidend von deren Dicke abhängt. Diese geht in die Berechnung im Quadrat ein, die Biegezugfestigkeit dagegen nur einfach. 10.4 Prechel.indd 415 12.02.20 12: 51 416 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Einsatz großformatiger, dünnschichtiger Fliesen auf mechanisch hoch belasteten Bodenkonstruktionen Tabelle 2: Quelle Bild 5: ZDB Merkblatt Hoch belastete Beläge [4] In Tabelle 2 ist tabellarisch die Bruchkraft der Keramik in Abhängigkeit der Biegezugfestigkeit und der Fliesendicke aufgelistet und eine Zuordnung zu den jeweiligen Beanspruchungsgruppen gem. Tabelle 1 erfolgt. Die Bruchkraft F wurde dabei einheitlich auf Basis einer Fliese oder Platte des Formates 20 × 20 cm im Dreipunktbiegeversuch mit einer Stützweite von 176 mm ermittelt. Für diese vorgegebenen Werte sind ausreichende „Anwendungssicherheiten“ vorhanden. Bisher vorliegende Erfahrungen für den Wohnbereich zeigen, dass im Bodenbereich bei einer fachgerechten, weitgehend hohlraumfreien Verlegung keine Schädigungen an dünnen Keramikfliesen zu erwarten sind. Zusätzlich ist jedoch immer zu beachten, dass eine, häufig in den Verlegerichtlinien einiger Fliesenhersteller aufgeführte, „absolut hohlraumfreie“ Verlegung handwerklich auf der Baustelle nicht umsetzbar ist. In Bereichen unvermeidbarer Imperfektionen in der Bettung der Fliesen ist die schadensfreie Abtragung von auf der Fliesenoberfläche einwirkenden Punkt- oder Stoßbelastungen nicht gegeben. Aufgrund der Fehlstellen im Mörtelbett muss die Fliese die volle Belastung aufnehmen können. Bei Überschreitung der Bruchfestigkeit der Keramik komm es zum Reißen oder Durchstanzen. Generell sollte folgende Regel berücksichtigt werden. - Je größer die einwirkende Last und je kleiner deren Aufstandsfläche, umso dicker muss die Fliese sein. 1.6 Planung von Entkopplungssystemen. Wenn zum Spannungsabbau in horizontaler Richtung (parallel zur Belagsebene) stark verformbare, weiche Mörtel und/ oder Entkopplungssysteme zum Einsatz kommen muss berücksichtigt werden, dass diese bei Belastung auch einer vertikalen elastischen Verformung unterliegen. Das kann bei einwirkenden Punktlasten auf das Belagssystem besonders bei dünnen Fliesen zu Durchstanzungen und Kanteneinbrüchen führen und muss in Bereichen mit nutzungsbedingt höheren Belastungen bei der Wahl der Fliesendicke berücksichtigt werden. Hier sind Fliesen in größeren Dicken und damit höheren Bruchlasten erforderlich. 10.4 Prechel.indd 416 12.02.20 12: 51 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 417 Einsatz großformatiger, dünnschichtiger Fliesen auf mechanisch hoch belasteten Bodenkonstruktionen Durchstanzung an einer Fliese auf einer Entkopplung aus Gummigranulatmatten durch Punktlasteinwirkung 1.7 Klebemörtel müssen vor der Belastung der Beläge ausreichend trocknen. Großformatige Fliesen werden häufig aus Feinsteinzeug hergestellt. Die Haftung des Verlegemörtels zur Platten-/ Fliesenrückseite kann bei diesem Material nur durch eine Adhäsionshaftung erreicht werden, für die eine Kunststoffvergütung erforderlich ist. Um ein ausreichendes Hauptspektrum überhaupt aufbauen zu können, müssen die Kunststoffe im Klebemörtel verfilmen. Dies ist nur bei ausreichender Trocknung möglich. In Abhängigkeit des verwendeten Bindelmittelsystems bindet der im Klebemörtel enthaltene Zement im Zuge der Hydratation nur einen Anteil des Annawassers chemisch und physikalisch. So ist zum Beispiel Portlandzement in der Lage, ca. 25 % seines Gewichts an Wasser chemisch und ca. 15 % physikalisch in Gelporen zu binden. Da für die Herstellung einer verarbeitbaren Konsistenz die Mörtel meist mit einem höheren Wasseranteil angemischt werden, als vom Zement gebunden werden kann, ist unter der Fliese/ Platte Überschusswasser vorhanden, das nachträglich durch Trocknung abgegeben werden muss. Dies kann nur über die Belagsfugen erfolgen. Da mit der Zunahme des Fliesenformates der Fugenanteil der Belagsfläche abnimmt, nimmt der Trocknungsprozess einen wesentlich größeren Zeitraum in Anspruch. Da die Kunststoffe in einem feuchten Milieu nicht verfilmen, ist bis zur vollständigen Austrocknung nur ein begrenztes Hauptspektrum zwischen Klebemörtel und Fliesen-/ Plattenrückseite gegeben. Belastungen des Belages in dieser Zeit können nachhaltige Verbundstörungen und Belagsablösungen zur Folge haben. Aus diesem Grund ist es dringend anzuraten, großformatige Fliesen und Platten mit schnell abbindenden und schnell trocknenden Klebemörteln zu verlegen, die mit Spezialzementen auf Trisulfatsbasis hergestellt werden, sog. ternäre Bindemittelsysteme. Da bei diesen Systemen durch eine effektive kristalline Wasserbindung ein höherer Anmachwasseranteil vom Zement gebunden werden kann, ist eine schnelle Trocknung und dadurch eine zeitnahe Verfilmung der Kunststoffe gegeben. Daher sind die Beläge, die mit Mörteln auf dieser Bindemittelbasis formuliert sind, wesentlich früher belastbar, als dies bei Mörteln auf Portlandzementbasis der Fall ist. 10.4 Prechel.indd 417 12.02.20 12: 51 418 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Einsatz großformatiger, dünnschichtiger Fliesen auf mechanisch hoch belasteten Bodenkonstruktionen Die Menge des vom Bindemittel kristallin gebundenen Wassers ist abhängig vom Verhältnis der 3 Grundkomponenten (Portlandzement, Aluminatzement, Gips) zueinander. Dadurch können bei Produkten auf dieser Bindemittelbasis stark differierende Trocknungsgeschwindigkeiten auftreten. 1.8 Feuchtigkeitsempfindliche Untergründe sind vor Feuchtigkeit zu schützen Feuchtigkeitsempfindliche Untergründe, wie Calciumsulfatestriche, sind vor Feuchtigkeitseinwirkungen aus dem Verlegemörtel zu schützen. Dies kann durch den Einsatz von feuchtigkeitssperrenden Grundierungen auf Reaktionsharzbasis oder durch die Verwendung von schnell abbindenden und schnell trocknenden Klebemörteln auf Basis ternärer Bindemittelsysteme sichergestellt werden. In DIN 18157-1 [2] werden für die Verlegung von Belagsmaterialien mit einer Formatgröße >0,16 m² folgende Anwendungskombinationen vorgegeben: 1. wässrige Dispersionsgrundierung (z.B. Acrylat) und schnell erhärtender und schnell trocknender Mörtel 2. Reaktionsharzgrundierung und normal erhärten der Mörtel 3. Reaktion Harzgrundierung und schnell erhärtender und schnell trocknender Mörtel Durch eine Kombination von Reaktionsharzgrundierungen und schnell trocknenden Klebemörteln ist sowohl der Schutz des Untergrundes vor Feuchtigkeitseinwirkungen als auch eine schnelle Trocknung des Klebemörtels und somit eine schnelle Verfilmung der Kunststoffe gegeben. Dies stellt die höchste Anwendungssicherheit dar. Literatur: [1] DIN 18202 - Toleranzen im Hochbau - Bauwerke [2] DIN 18157-1 - Ausführung von Bekleidungen und Belägen im Dünnbettverfahren - Teil 1: Zementhaltige Mörtel [3] DIN EN 12004 - Mörtel und Klebstoffe für Fliesen und Platten - Anforderungen, Konformitätsbewertung, Klassifizierung und Bezeichnung [4] ZDB- Merkblatt - Hochbelastete Beläge - Mechanisch hoch belastbare keramische Bodenbeläge [5] Einfluss von Entkopplungen auf die Tragfähigkeit von Bodenbelägen - Prof. A. Stein (Ebner Verlag Ulm) [6] DENAK Merkblatt Nr. 7 - Ermittlung der technischen Eigenschaften von Entkopplungen [7] DENAK Merkblatt Nr. 8 - Bemessung von Bodenkonstruktionen Teil 1: Allgemeine Anforderungen Teil 2: Lastverteilungsschichten Teil 3: Bemessung von Belägen (vereinfachter Nachweis) Teil 4: Bemessung von Belägen (allgemeiner Nachweis) Erläuterungen zu den Teilen 1 bis 4 des Merkblattes 8 Resttragverhalten von Entkopplungssystemen Autor Dipl.-Ing. Burkhard Prechel arbeitete nach seinem Studium an der Ingenieurhochschule Cottbus als Statiker in der Planungsabteilung eines Baubetriebes. Seit 1990 er ist als Anwendungstechniker in der Bauchemie tätig und betreut seit 1996 als Mitarbeiter der Anwendungstechnischen Abteilung der MAPEI GmbH die Marktsegmente Keramik, Naturstein, Estrich, Betoninstandsetzung und Bauwerksabdichtung. Auf Grund seiner langjährigen Erfahrungen in der Produktanwendung und technischen Beratung ist er Ansprechpartner für Planer und Ausführende in der Angebot- und Ausführungsphase. Er ist Mitglied in diversen technischen Verbandsarbeitskreisen und von der Handwerkskammer Dresden ö.b.u.v. Sachverständiger für das Fliesen-, Platten- und Mosaiklegersowie das Estrichlegerhandwerk 10.4 Prechel.indd 418 12.02.20 12: 51
