Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung ressourcenschonender und materialeffizienter Unterkonstruktionen aus feuerverzinktem Stahl für vorgehängte hinterlüftete Fassaden

Kern des Vorhabens ist die Reduktion von CO2 durch Verringerung von Wärmeverlusten an der Gebäudehülle. Hierzu wird die Verwendung von stückverzinkten Stählen als Unterkonstruktion (UK) für vorgehängte hinterlüftete Fassaden (VHF) untersucht. VH-Fassaden nach DIN 18516-1 sind bewährte und standardisierte Konstruktionen im Wohn- und Gewerbebau. Schwachstellen der Systeme stellen punktuelle, dreidimensionale Wärmebrücken der Wandhalter dar. Gängige Praxis zur Kompensation der punktuellen Wärmeverluste ist die Erhöhung der Dämmstoffdicke. Standardsystem für UKs werden i. d. R. aus Aluminium gefertigt. Dessen hohe Wärmeleitfähigkeit verursacht einen maßgeblichen Wärmeverlust, der die Energiebilanz des Gebäudes verschlechtert. Alternative Wandhalter aus Edelstahl oder faserverstärkten Kunststoffen zeigen, dass der Materialwechsel sich positiv auf den Wärmeverlust auswirkt. Allerdings kennzeichnet beide Werkstoffe hohe Kosten und zum Teil ungeeignete Brandschutzeigenschaften. Nach DIN 18516-1:2010 dürfen auch feuerverzinkte Stähle für die UK verwendet werden; deren Eignung wird hier untersucht. Durch die Entwicklung von Wandhaltern aus feuerverzinktem Stahl lässt sich ein besseres bauphysikalisches Verhalten erzielen, da Stahl eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium aufweist. Die ebenfalls günstigeren mechanischen Eigenschaften von Stahl wird auf die Ebene der Tragprofile übertragen. Die Entwicklung von Tragprofilen aus verzinkten Stählen führt zu einer Reduktion der Wandhalter. Ziel des Projekts ist die Neuentwicklung von UK-Systemen aus feuerverzinkten Stählen. Positive Aspekte der Wirtschaftlichkeit, der Energie- und Ressourceneffizienz sollen ebenso untersucht werden um die Relevanz als alternatives UK-System zu verifizieren. Die Schonung der Ressourcen durch Einsparung von Dämmmaterial ist avisierter Nebeneffekt.

Die UK-Systeme werden von KMU der Stahl/-Metallbau- und Verzinkungsbranche gefertigt und tragen damit zur wirt. Steigerung beider Branchen bei.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsprojekt wurde nachgewiesen, dass sich mit feuerverzinktem Unterkonstruktionen aus Stahl grundsätzlich Energie und Ressourcen einsparen lassen. Der Fokus lag daher auf der materialeffizienten Gestaltung von Wandhaltern und Tragprofilen, um Wärmeverluste zu minimieren und gleichzeitig ausreichende statische Eigenschaften zum Lastabtrag zu gewährleisten. Die Untersuchung der Varianten erfolgte experimentell und numerisch. Der Einfluss von vier verschiedenen Lochgeometrien im Wandhalter wurden auf Wärmeverluste und auf Tragverhalten untersucht, unter anderem die Stabilität mit einer linearen Beulanalyse und einer weiterführenden, nichtlinearen Analyse. Mit Bördelungen in den Lochungen und Kantungen an den Rändern wurde der festigkeitssteigernde Aspekt verifiziert. Dadurch erhöhte sich die Steifigkeit der freien Ränder sowie das Tragverhalten in der Fläche. Es erfolgte eine Untersuchung von zahlreichen Blechdicken für den Einfluss auf das Tragverhalten. Nachgewiesen wurde auch die mögliche Spannweitenerhöhung der Tragprofile durch die Verwendung von Stahl statt Aluminium. Thermische Untersuchungen (experimentell sowie numerisch) belegten geringe Wärmeverluste der Wandhalter. Der Einfluss zusätzlicher Lochungen im Wandhalterschwert auf die wärmeübertragende Fläche wurde quantifiziert. Entscheidend für die Verringerung der Wärmeverluste war nicht nur Form und Größe der Lochung, sondern auch eine geringe Querschnittsfläche des Wandhalterschwertes. Stahl ermöglicht ebenfalls den Einsatz dünnerer Blechdicken, was sich positiv auf die Querschnittsfläche auswirkt. Die Zusammenführung der thermischen und mechanischen Ergebnisse zeigte, dass der Einsatz höherer Blechdicken für Wandhalter mit größeren Abständen zielführender ist, als die Verwendung dünnerer Blechdicken mit geringerem Abstand. In der Praxis sind dadurch Einsparungen von Gebäudeenergie und Rohstoffressourcen möglich.