Lek 2 Grundlagen Baukonstruktion PDF

• Positionsnummern, Anzahl, Durchmesser, Form und Lage der Bewehrungsstäbe, bei Lagermatten die Mattenkurzbezeichnung (z. B. R257A) sowie die Mattengröße, • Stababstände, Rüttelgassen und Lage von Betonierönungen, • Übergreifungslängen von Stößen und Verankerungslängen an Auflagern, • Maße und Ausb...

• Positionsnummern, Anzahl, Durchmesser, Form und Lage der Bewehrungsstäbe, bei Lagermatten die Mattenkurzbezeichnung (z. B. R257A) sowie die Mattengröße, • Stababstände, Rüttelgassen und Lage von Betonierönungen, • Übergreifungslängen von Stößen und Verankerungslängen an Auflagern, • Maße und Ausbildung von Schweißstellen mit Angabe der Schweißzusatzwerkstoe, • Verlegemaß der Betondeckung, • Mindestdurchmesser der Biegerollen, • Fugenausbildung, • Lage von Einbauteilen, die in der Schalung verlegt sind, • bei Spannbetonteilen weitere spezielle Angaben, u. a. Herstellungsverfahren der Vorspannung, Anzahl, Typ und Lage der Spanngliedverankerungen und -kopplungen. ZUSAMMENFASSUNG Die Baukonstruktion umfasst das Zusammenfügen von Baustoen und Bauteilen zu Bauarten, Bauweisen und Bauwerken. Darunter verbergen sich Handwerkstechniken, aber auch Prozesse und Planungsstandards. Die unterschiedlichen Planungsprozesse werden in der HOAI in Leistungsphasen zusammengefasst. Sie beginnen mit der Grundlagenermittlung und enden mit der Objektbetreuung. Für eine gute Kommunikation zwischen den am Bau Beteiligten werden Begrie wie Bauwerke, Bauarten, Bauteile etc. nach der Musterbauordnung und nach DIN EN 1990:2010 klar definiert. Da es heutzutage o darum geht, korrekt konstruierte und geprüe Bauelemente zum Einbau zu finden, werden alle „Bauprodukte“, die in den Verkehr gebracht werden, nach der Bauproduktenverordnung geregelt. Auf dieser Grundlage kann nachgewiesen werden, ob ein verkäufliches Bauteil für den Einbau geeignet ist. Vor den Planungsprozessen wurden schon lange Ordnungssysteme deutschlandweit vereinheitlicht. Grundlage für das Bauen mit Mauersteinen ist hierzulande das oktametrische System, das auf einen Achtelmeter zurückzuführen ist. Ebenso wichtig sind umfassende und standardisierte Bauzeichnungen, die mit gleichen Abmessungen, Schrauren und Bemaßungen leicht verständlich und umsetzbar sind. 30 LEKTION 2 MASSIV- UND SKELETTKONSTRUKTIONEN LERNZIELE Nach der Bearbeitung dieser Lektion werden Sie wissen, ... – was die grundsätzlichen und konstruktiven Unterschiede zwischen Massiv- und Skelettbau sind. – was die jeweiligen Spezifika von Holz-, Stahl- und Stahlbetonskelettbau sind. – welche Anforderungen an Mauerwerksverbände gelten. – wie Mauerwerkskonstruktionen mit einschaligem oder zweischaligem Mauerwerk ausgeführt werden. – wie Aussteifungen bei Skelettkonstruktionen und über Mauerwerkswände oder Ringanker und Ringbalken erstellt werden können – was es für Betonkonstruktionen gibt. – welche Fügungsprinzipien es zur Verbindung von Bauteilen gibt. 2. MASSIV- UND SKELETTKONSTRUKTIONEN Einführung Die Bauweisen werden je nach Anordnung und Nutzung ihrer Bau- und Konstruktionselemente und der funktionalen Gestaltung von Räumen und tragendem System unterschieden in: • Skelettbauweise: nur das Skelett ist tragend; • Massivbauweise: Wände und Decken übernehmen Tragfunktion; • Leichtbauweise: schlanke Bauwerke durch Verwendung leichter Materialien wie Stahl oder Holz; • Raumzellenbauweise: auf der Baustelle zusammengefügte vorgefertigte Räume; • Schottenbauweise: lineare Anordnung mehrerer Tragwände; • Großtafelbauweise: Deckenplatten und Wandscheiben aus Betonfertigteilen; • Fertigteilbauweise: Bauteile werden im Werk vorgefertigt und auf der Baustelle montiert. Zusätzlich kann die Bauweise nach Art der verwendeten Baustoe unterschieden werden in: Membranbauweise Bei dieser Bauweise kommen (vorgespannte) Membrane zum Einsatz, die biegeweich und nur auf Zug beanspruchbar sind. • • • • • • Mauerwerksbauweise, Holzbauweise, Stahlbau, Stahlbetonbau, Membranbauweise und kombinierte Bauweisen. Bei Massivkonstruktionen mit tragenden Wänden bestehen folgende Grundrisstypen: • Bauwerke mit tragenden, ausgesteien Längswänden (Scheiben), • Bauwerke mit tragenden, ausgesteien Querwänden (Schotten) sowie • System aneinander gefügter, allseitig geschlossener Räume, deren Verbindung untereinander oder nach außen über Önungen in der Wand erfolgt. Alle Wände können gleichmäßig belastet werden (Schachtel). Folgend werden zunächst die Bauweisen erläutert, bevor dann detaillierter auf den Skelettbau und die Massiv- und Mauerwerkskonstruktionen eingegangen wird. 32 2.1 Definition Massivkonstruktionen werden aus Wänden und Decken erstellt, die gleichzeitig die tragende Funktion übernehmen und raumabschließend wirken. Tragwerk und Raumabschluss sind beim Massivbau ein identisches Bauteil. Dagegen ist beim Skelettbau das Tragwerk (das Skelett) konstruktiv klar von den Elementen der Außenhülle und des Innenausbaus getrennt und Lasten werden konzentriert über Stützen und Träger abgeführt. Während in Massivkonstruktionen die Aussteifung über die Bauteile erfolgt, muss die Standfestigkeit des Skeletts dabei durch zusätzliche Maßnahmen sichergestellt werden, z. B. durch Aussteifung mit Wandscheiben oder Diagonalverbände. Bei Geschossbauten bilden Stützen und Unterzüge zusammen mit den Decken aussteifende Systeme. Skelettkonstruktionen haben den Vorteil, dass o und rasch wechselnde, funktionelle Anforderungen des Bauwerks, z. B. bei der Raumaueilung oder der Gebäudetechnik, innerhalb der tragenden Konstruktion leicht angepasst und ohne großen Aufwand verändert oder ergänzt werden können. Bestandteile von Skelettkonstruktionen sind Stützen und Träger, auf denen Dachflächen oder Geschossdecken aufgelagert sind. An den Anschlussstellen (Knoten) sind je nach statischen Anforderungen gelenkige oder steife Verbindungen zu schaen. Es wird von Scheiben gesprochen, wenn Wände oder Decken in der Lage sind, die in ihrer Ebene, d. h. in Plattenrichtung angreifenden Kräe z. B. durch Wind aufzunehmen und abzuleiten und so das Gesamtbauwerk auszusteifen. Von den Scheiben leitet sich die Schottenbauweise ab, die zwischen Massivbau und Skelettbau einzuordnen ist. Ähnlich wie bei der Skelettkonstruktion kann der Grundriss zwischen den Schotten flexibel verändert werden. Wenn die Wände in beiden oder mehreren Richtungen mittels der Deckenplatten ein sich gegenseitig aussteifendes „verschachteltes“ Raumgefüge bilden, wird dies als Schachtelbauweise bezeichnet. 33 Abbildung 13: Anordnung tragender Wände Quelle: Hestermann & Rongen, 2015, S. 16. Aussteifung Durch Aussteifung mit Wandscheiben oder Diagonalverbänden, durch Rahmen mit biegesteifen Eckverbänden oder durch Einspannung wird die Standfestigkeit des Skeletts sichergestellt. Folgende Abbildungen zeigen Beispiele zur Aussteifung haIIenartiger eingeschossiger Bauwerke. 34 Abbildung 14: Aussteifung von Skelettkonstruktionen Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Statisch gesehen bestehen Rahmen aus Stäben, die an den Anschlüssen biegesteif miteinander verbunden sind. Die übrigen Eckverbindungen können gelenkig sein. Die Rahmenstäbe sind gerade, geknickt oder gekrümmt. Rahmen erhalten Biegung aus vertikalen und horizontalen Kräen. Bei hohen Gebäuden sind Rahmen zu weich, sodass sie durch andere Aussteifungsarten verstärkt oder ersetzt werden müssen. Abbildung 15: Rahmen Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 35 Abbildung 16: Fachwerke Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Fachwerke bestehen aus stabförmigen Gliedern, die Dreiecke bilden. Die Achsen der an einem Knoten zusammenlaufenden Stäbe sollen sich in einem Punkt schneiden. Die Eckverbindungen gelten in der Regel als gelenkig. Fachwerkstäbe werden dann nur auf Druck oder Zug beansprucht. Scherwände sind schubsteife Wandscheiben, die zum Abtragen horizontaler Kräe kraschlüssig mit dem Stahlskelett verbunden sind. Scherwände sind steifer als die anderen Aussteifungssysteme des Stahlbaus. Wenn sie mit diesen gemeinsam wirken, ziehen sie daher einen großen Lastanteil an sich. 36 Abbildung 17: Scherwände Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Abbildung 18: Kerne Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 37 Abbildung 19: Röhren Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Senkrechte Betonschächte steifen einen Skelettbau als Kerne sehr wirkungsvoll aus. Sie können Schubkräe, Biegemomente und – wichtig bei außermittigem Lastangri – Torsionsmomente übertragen. Sie enthalten die Vertikalerschließung – Treppen, Aufzüge, Leitungsschächte –, die ohnehin durch feuerbeständige Wände abgeteilt sein müssen. Hochhäuser mit gedrungenem Grundriss können sehr wirkungsvoll dadurch ausgestei werden, indem ihre Außenwände schubsteif ausgebildet und miteinander zu einer biegesteifen Röhre verbunden werden. Die in Windrichtung stehenden Wände wirken dabei als Scherwände, die beiden anderen Wände als Zug- und Druckglieder. 38 Die Auskreuzung kann in leichter (linke Abbildung, mit Stäben oder Seilen) und schwerer Ausführung (rechte Abbildung, mit Stahlprofilen) erfolgen. Die Schwerpunktachsen aller Glieder müssen sich in einem Punkt treen. Abbildung 20: Auskreuzung Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 39 Abbildung 21: Scheiben Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Die Scheiben werden in das Stahlskelett eingestellt. Mörtelpolster bewirken den genauen Anschluss an das Gerippe. Zur Aufnahme größerer Horizontalkräe werden Knotenbleche in die Scheiben eingelassen. 2.2 Skelettbau Der Skelettbau kann nach Art des verwendeten Baustos in Holzskelettbau, Stahlskelettbau und Stahlbetonskelettbau unterschieden werden. Gebäudelasten werden über stabartige horizontale Träger und Unterzüge sowie über vertikale Stützen zusammengeführt und abgeleitet. Die Aussteifung dieser Bauwerke ist besonders zu berücksichtigen. O werden Mischformen aus Skelett- und Massivbauten angewendet, in denen die Aussteifung über tragende Außen- oder Innenwände oder einen (Treppenhaus-)Kern funktioniert. 40 Abbildung 22: Mischbauweise Wand und Skelett Quelle: Hestermann & Rongen, 2015, S. 243. Skelettbauweisen haben folgende Vorteile im Vergleich zur Massivbauweise: • geringes Eigengewicht, • erhöhte Flexibilität und Variabilität der Raumstruktur während der Nutzungszeit, • kostengünstiger Einsatz hoch beanspruchter Bauteile (statische Belastung und Feuerwiderstand), • hoher Vorfertigungsgrad ist möglich, • Reduzierung der Bauzeit durch Vorfertigungs- und Montagesysteme, • wirtschalicher Einsatz von Rohstoen durch Materialeinsparung. Holzskelettbau Der Holzskelettbau hat eine lange historische Tradition, auch im Wohnungsbau. Holzskelettbauten sind häufig im asiatischen und nordamerikanischen Bereich zu finden. Als Bauholz werden vorwiegend Nadelhölzer verwendet (Weichhölzer wie Fichte, Kiefer oder Lärche mit einer Eigenlast von 4 bis 6 kN/m³) oder Laubhölzer wie Buche und Eiche (Harthölzer mit einer Eigenlast von 6 bis 8 kN/m³). Im modernen Ingenieurholzbau spielen neben Konstruktionsvollholz Balkenschichtholz und Brettschichtholz eine tragende Rolle. Neue Entwicklungen, wie Brettsperrholz und z. B. Furnierschichtholz aus Buche, entwickeln den Holzskelettbau heute weiter. Der Holzskelettbau bietet grundsätzlich sämtliche Vorteile der Skelettbauweise. Jede Skelettbauweise erfordert abhängig vom Bausto besondere Konstruktionselemente und Bauteilanschlüsse. Beim Holzskelettbau sind die Bauteilanschlüsse im Bodenbereich besonders zu berücksichtigen – insbesondere eine Einspannung der Stützen in Stahlbetonfundamente ist feuchtetechnisch problematisch –, aber auch für weitere Detailpunkte 41 Holzschutz Bei Anwendung von Holzwerkstoen muss ein ausreichender Feuchteschutz z. B. nach DIN 68800 – Holzschutz – berücksichtigt werden. ist ein Feuchteschutzkonzept notwendig, das ggf. Fäulnisschutz bzw. Holzschutzanstriche nach DIN 68800 umfasst. Anschlüsse müssen über ausreichende Maßtoleranzen verfügen, um durch Feuchtigkeitsschwankungen ausgelöste Dehnungen aufzufangen. Stahlskelettbau Die Vorzüge der Stahlskelettbauweise liegen in ihrem hohen Vorfertigungsgrad, der schnellen Montage und der guten Veränderbarkeit des Traggerüstes. Änderung von Gebäudeabschnitten sind leicht möglich. Aufgrund der immer kürzer werdenden Lebenserwartung von Gebäuden sind die problemlose Demontierbarkeit und Materialverwertung besonders wichtig. Stahl ist ein vielseitiger Werksto mit einer entsprechend hohen Vielfalt an Stahlsorten, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden können. Stahl ist leistungsstark in Bezug auf Zug- und Druckfestigkeit, seine Schwäche ist seine Empfindlichkeit gegenüber Korrosion und thermischer Verformung (Stichwort Brandschutz). Korrosion bedeutet Rost; bei der Korrosion von Metall geht Material verloren, welches die Tragfähigkeit des Bauteils auf Dauer schwächt. Folgende Vorteile ergeben sich für die Stahlskelettkonstruktion (Hanses, 2015): • Sämtliche tragenden und nahezu alle raumbildenden bzw. -abschließenden Bauteile können werkstattmäßig vorgefertigt werden, sodass an der Baustelle zügig montiert werden kann. • Große Spannweiten können aufgrund der relativ geringen Eigengewichte und Querschnitte der tragenden Teile erreicht werden. • Konstruktive Teile können verändert oder nachträglich verstärkt oder demontiert werden. • Geringe Eigenlasten der Tragkonstruktion bei mehrgeschossigen Bauten können zu vermindertem Aufwand bei Gründungen führen. • Wirtschalichkeit: Kleinere Querschnitte der tragenden Bauteile (Träger) führen zu geringerer Geschosshöhe, folglich zu kleineren Stützen und Fassadenflächen. Der Wegfall tragender Wände ermöglicht reduzierte Konstruktionsflächen. • Trockene Bauweise: passgenaue Bauteile und sehr geringe Toleranzen. Folgende Nachteile der Stahlskelettkonstruktion müssen berücksichtigt werden (Hanses, 2015): • erhebliche Aufwendungen für den Brandschutz bei mehrgeschossigen Bauten für alle tragenden Bauteile: Stahl ist generell zwar nicht brennbar, verändert aber bei hohen Temperaturen stark seine Eigenschaen; • Aufwendungen für einen dauernden Korrosionsschutz. Baustahl für Stahlbauten ist nach seinen Festigkeitseigenschaen für Druck, Zug, Bewegung, Scheren und Torsion der leistungsfähigste Bausto. 42 Baustahl ist umfassend genormt und wird in aufeinander abgestimmten Profilreihen als warmgewalzte Profile (Profil- oder Formstahl, Stabstahl, Hohl- und Sonderprofile) sowie Bleche mit unterschiedlichen Materialien hergestellt. Für Stahlbauten kommen in erster Linie I-Profilstähle gemäß DIN 1025, L-, U-, T-, Z- sowie verschiedenste Rohrprofile infrage. Abbildung 23: Stahlprofile - Walzprofile (Auswahl) Warmgewalzt Sogenannte warmgewalzte Profile, Blöcke oder Stangen werden auf Walzstraßen bei 720 bis 1.260°C plastisch verformt. Kaltgewalzte Profile aus Walzdraht oder Blechen werden auf Profilwalzmaschinen bei Raumtemperatur in Form gebracht. Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 43 Insbesondere die IPE-Profile eignen sich aufgrund ihres rechteckigen Querschnitts besonders zum Einsatz als Träger. Schmale Flansche ergeben eine geringe Knicksteifigkeit in diesen Achsen. Dagegen sind HE-Profile wirtschaliche Stützenprofile, da sie aufgrund ihrer breiten Flansche eine gute Knicksteifigkeit in beiden Richtungen besitzen. HE-Profile besitzen eine quadratische Projektionsfläche. U-, T- und L-förmige Winkelprofile werden genutzt, um Tragwerksglieder zu verstärken oder zusammenzusetzen. Hohlprofile zeichnen sich aufgrund ihrer Knicksteifigkeit aus. Ihre Tragfähigkeit ist jedoch begrenzt und der Materialpreis relativ hoch. Rundrohrprofile werden meist in Bauten mit nicht rechtwinkligem Raster verwendet. Alle Hohlprofile gibt es mit verschiedenen Wandstärken. Vollprofile eignen sich zum Abtragen großer Stützenlasten. Sie erreichen ohne oder mit nur geringem Brandschutz eine hohe Feuerwiderstandsklasse. Die Tragstruktur der Skelettbauweise wird im Raster geplant und lässt sich einfach vertikal sowie horizontal erweitern. Die Tragstruktur lässt sich an Punkten mit großer Lastwirkung einfach verstärken, z. B., indem bestehende Profile kombiniert oder erweitert oder als Verbundkonstruktionen ausbetoniert werden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Abbildung 24: Verbundstützen Quelle: Hestermann & Rongen, 2015, S. 262. Verbundstützen bestehen aus ummantelten oder mit Beton gefüllten Profilen; der Beton kann eine schlae Bewehrung haben. Ausbetonierte Stützen sind deutlich tragfähiger als die entsprechenden Hohlprofile und so deutlich schlanker. Bei kammergefüllten Profilen werden nur die Profilkammern ausbetoniert, während Flansche und Kanten sichtbar bleiben. Sie werden insbesondere als Unterzüge und Deckenträger verwendet. Als Träger werden Vollwandträger bestehend aus Walzprofilen im Geschossbau am häufigsten verwendet. Vorzugsweise sind es IPE-Profile mit Bauhöhen von 80 bis 600 mm, seltener sind: • IPB: Breitflanschträger mit parallelen Flanschen, normale Ausführung, • IPBv: verstärkte Ausführung, 44 • IPBl: leichte Ausführung. Bei Lochstegträgern wird bei großen Trägerhöhen der Steg in der neutralen Zone punktförmig ausgespart, um das Gewicht zu reduzieren und Installationsführungen in Trägerebene zu vereinfachen. Wabenträger entstehen aus trapezförmig aufgeschnittenen IPEoder HE-Profilen. Die beiden Trägerteile werden versetzt wieder zusammengeschweißt. Durch Einsetzen von Zwischenblechen lässt sich die Trägerhöhe noch vergrößern. Fachwerkträger eignen sich besonders für große Trägerhöhen und Spannweiten. Vorteile sind geringer Materialbedarf und gute Leitungsführungsmöglichkeiten. Als Nachteil ist der hohe Herstellungsaufwand anzusehen. Fachwerkträger können aus diversen Walz- oder Hohlprofilen hergestellt werden. Unterspannte Träger eignen sich ebenso für große Spannweiten. Mit ihnen lassen sich sehr zierliche Trägerkonstruktionen erreichen. Sie zeigen deutlich den Kräeverlau: Der Obergurt überträgt Druckkräe, der Untergurt übernimmt Zugkräe und kann als Seil ausgebildet werden. Abbildung 25: Träger erstellt im Aurag der IU, 2023. 45 Stahlbauten können durch Schweißen, Nieten, Schrauben oder Bolzen in Kombination mit Splinten verbunden werden. 46 Durch Schweißen entstehen nicht lösbare Stahlverbindungen. Der Verbund wird durch Stahlschmelz erreicht. Dies darf nur von speziell geschulten Fachleuten durchgeführt werden. Tragwerkanschlüsse dürfen i. d. R. nicht auf der Baustelle geschweißt werden. Nieten ermöglichten ursprünglich die Herstellung von nicht lösbaren Stahlverbindungen und die Aufdickung der Flansche mittels Flachstählen. Die Nieten wurden in glühendem Zustand eingesetzt. Der herausstehende Scha wurde mit dem Niethammer zum Nietkopf umgeformt; nach Erkalten und Kontraktion der Nieten kam es zum Reibungsverbund. Heute sind Nietverbindungen nicht mehr gebräuchlich. Schrauben führen zu hochfesten, jedoch lösbaren Stahlverbindungen. Die Kraübertragung erfolgt ähnlich dem der Nieten durch Scher- und Reibungsverbund. Schraubenverbindungen beschleunigen die Montage. Bolzen und Splinte ergeben lösbare Verbindungen. Sie eignen sich zur Ausbildung von Gelenken. Stützen können in ihrem Fußpunkt gelenkig gelagert oder eingespannt sein. Die gelenkig gelagerte Stütze überträgt Druck- und Horizontalkräe. Zur Übertragung der Horizontalkräe reicht die durch die aus Stützenlast erzeugte Reibungskra aus. Eine Stütze kann sowohl Druck-, Horizontal- als auch Zugkräe übertragen. Zur Übertragung von Zugkräften muss die Bodenplatte im Fundament verankert werden. Ein eingespannter Stützenfuß gilt ebenfalls als einachsig gelenkig und ist durch die einfache Art der Einspannung sehr wirtschalich. Die Stütze wird in Fundamentaussparungen eingesetzt und mit Beton vergossen; zur Justierung dient eine Nivellierplatte. Bei größeren Lochtiefen sind an den Stützenflanschen Setzwinkel anzuordnen. Die Kopfplatte dient der Justierung und der Aufnahme von Zugkräen. Die Einspannung erfolgt mittels Ankerschrauben und Ankerbarren an C-Profilen. Abbildung 26: Stütze gelenkig gelagert Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 47 Abbildung 27: Stütze eingespannt Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Stahlbetonskelettbau Ein Großteil der Skelettbauten mit geringer Geschosszahl wird in Stahlbetonbauweise ausgeführt, denn moderne Schaltechniken ermöglichen eine wirtschaliche Herstellung zum einen in allen erforderlichen Abmessungen, zum anderen von Sonderformen in Ortbetonbauweise für kleinere Bauwerke. Brandschutz Stahlbetonbauteile sind besonders feuerwiderstandsfähig. Bei Betonüberdeckungen der Stahlbewehrungen von 25 mm wird beispielsweise bei Stahlbetonmassivdecken aus Normalbeton die Feuerwiderstandsklasse F60 bereits in statisch ungünstigen Fällen erreicht. Bei größerer Betonüberdeckung sind selbst hochfeuerbeständige Ausführungen F180 ohne Weiteres möglich. Bauteile Viele Bauaufgaben lassen sich standardisiert wirtschalicher durchführen, wenn auf Einzelfälle verzichtet und auf ein baukastenartiges System von Bauteilen zurückgegrien wird. Daher liegt es nahe, die Details von Bauteilen für Stahlbetonskelettbauten zu stan- 48 dardisieren. Bauteile wie Fundamente, Stützen, Auflagerkonsolen, aber auch Unterzüge, Träger und Balken können vorgefertigt oder nach standardisierten Vorgaben ohne großen Berechnungsaufwand wiederholt gefertigt werden. Abbildung 28: Standardisierte Querschnitte von Stahlbetonfertigteilen Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Stützenfundamente können beispielsweise als vorgefertigte „Köcherfundamente“ mit dem Kran auf die vorbereitete Sauberkeitsschicht aufgesetzt und die Stützen eingesetzt werden; es wird mit Ortbeton vergossen. Stützen sind weniger für eine Standardisierung geeignet, da zu viele Typen zu entwickeln wären. Die Anschluss- und Auflagerpunkte sind allerdings nach standardisierten Vorgaben ausführbar. Auflagerkonsolen gibt es in verschiedenen Ausführungen für Unterzüge, Riegel, den Anschluss von Bindern am Stützenkopf zur Ausbildung von Rahmen, oder Fassaden- bzw. Brüstungselementen. Unterzüge, Balken und Träger werden entweder im Zusammenhang mit den Decken in Ortbeton ausgeführt oder es können Fertigteile mit standardisierten Querschnitten eingesetzt werden, die in Maßsprüngen – abhängig von statischen Erfordernissen – und in Längen je nach Bedarf hergestellt werden. Im Folgenden sind verschiedene Fertigteile dargestellt: 49 Abbildung 29: Köcherfundament als Fertigteil Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Das Köcherfundament ist auch für die Gründungsarbeiten als Fertigteil einsetzbar. Mit dem Bauteil kann die Aufnahme von Biegemomenten bewältigt werden. Dies kann z. B. notwendig sein, wenn eine hohe Windbelastung der Stütze zum Kippen führen könnte. 50 Abbildung 30: Auflagerkonsolen für Unterzüge Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Die konstruktive Durchbildung von Stahlbetonkonsolen an durchlaufenden und nicht durchlaufenden Stützen ist maßgeblich durch die statische, die dynamische sowie die Torsionsbeanspruchung geprägt. Zu beachten sind die Lagerung sowie die Verankerung der Bauteile. 51 Abbildung 31: Auflager von Bindern Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 52 Abbildung 32: Auflagerung von Fassadenelementen Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 53 Abbildung 33: Unterspannte Träger Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Ein wesentlicher Nachteil von Stahlbetonkonstruktionen besteht darin, dass sie selbst bei vorgefertigten Systemen praktisch nicht zerstörungsfrei demontierbar sind. Eine Lösung kann die Herstellung von Verbindungen in ähnlicher Form wie bei Stahlbauten sein. Bei derartigen Verbindungen werden in die miteinander zu verbindenden Stahlbetonfertigteile Stahllaschen o. Ä. mit aufeinander abgestimmten Bolzen- oder Dübellöchern einbetoniert, sodass z. B. Stützenanschlüsse oder Anschlüsse, die Querkräe und bedingt auch Biegemomente aufnehmen können, ausgebildet werden. 54 Abbildung 34: Momentsteifer Stützenanschluss mit Fußplatte Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Aufgrund der unvermeidlichen Maßabweichungen bei der Fertigung von Bauteilen und zur Erleichterung der Montage müssen Fugen eingeplant werden. Die Richtwerte für Fugenbreiten erfolgen gemäß DIN 18540, Abdichten von Außenwandfugen im Hochbau mit Fugendichtstoen. Abbildung 35: Richtwerte für die Fugenbreite nach DIN 18540 Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Je nach Hersteller variieren die Systembauten. Folgend wird ein Beispiel gezeigt: 55 Abbildung 36: Stahlbetonskelettbau (System HOCHTIEF), Übersichtsskizze Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 2.3 Massiv- und Mauerwerksbau Beim Massiv- und Mauerwerksbau besteht die tragende Konstruktion aus Wänden, die entweder aus Mauerwerk oder aus Beton erstellt sind. Mauerwerk Beim Mauerwerksbau werden zunächst die elementaren Grundbestandteile Stein und Mörtel unterschieden. Zu beachten sind die Regeln für das Zusammenfügen dieser beiden Elemente und damit die planerische und gestalterische Grundlage für die jeweilige Wandkonstruktion. Mauerwerk ist – im Gegensatz zu Holz oder Stahl – eine Verbindung aus zwei Baustoen. Entscheidend für Konstruktion und Tragfähigkeit ist die Qualität der Baustoe, der Zusammenhalt von Mörtel und Stein sowie die richtige Auswahl der Komponenten. Dies und die Ausführung der Verbindung ergeben letztendlich die Qualität des Endproduktes. Das Mauerwerk ist eine Wandscheibe, die zumeist tragend ist und bei vollflächiger Verfugung als raumabschließend trennend wirkt. Sie kann als Verblendung verkleidend und schützend wirken und wird von angrenzenden Wänden, Stützen, Balken und Decken 56 begrenzt. Mauerwerk kann auch in Gewölben, Kappen oder als Bodenbelag eingesetzt werden. Für jede dieser Konstruktion werden unterschiedliche Stein- bzw. Mörtelarten verwendet. Mauersteine gibt es in unterschiedlichen Farben und Größen, dennoch bildet der Standardziegel mit genormten Maßen heute die Basis für diese Handwerkskunst. Die drei Flächen des Standardziegels werden als Lagerfläche, Stirnfläche und Läuferfläche bezeichnet. Der Mörtel dient dazu, Fugen vollständig zu verfüllen und so den Raumabschluss sicherzustellen, indem keine Lueinschlüsse bestehen können, die Steine vollflächig aufliegen und die Last kraschlüssig weitergeleitet werden kann. Daneben können mit dem Mörtel Toleranzen ausgeglichen und durch variable Ausarbeitungsmöglichkeiten der Fugenoberfläche das Sichtmauerwerk mitgestaltet werden. Der Mörtel wird sowohl horizontal zwischen den einzelnen Steinschichten aufgetragen (Lagerfuge) als auch vertikal zwischen den einzelnen Steinen selbst (Stoßfuge) (Bielefeld, 2015). Maße und Module Bei der Erstellung einer Mauerwerkskonstruktion soll zunächst Wert gelegt werden auf eine optimale Tragfähigkeit und eine Widerstandsfähigkeit gegen Feuchteeinflüsse. Dabei muss der Materialeinsatz wirtschalich gehandhabt werden, der Bauablauf soll möglichst schnell und nahtlos erfolgen, und die Gestaltung muss architektonischen Anforderungen genügen. Mörtel heute Für hochwärmegedämmtes Mauerwerk (kein Sichtmauerwerk) werden Steine heutzutage geklebt (Klebemörtel), da der Fugenmörtel eine Wärmebrücke darstellt. Die Stoßfuge wird häufig durch die Steinform verzahnt. Innerhalb der Baukonstruktion des Gebäudes gilt es, unterschiedliche Bauleistungen (Gewerke) zu koordinieren und im Bauablauf zu integrieren. Dabei gilt es, Rohbau (wie Wände, Stützen, Decken) und Ausbau (wie Fenster, Türen, Bodenbeläge) optimiert und eizient aufeinander abzustimmen. Wiederholter Einsatz gleichbleibender Elemente und Größen (Gebäuderaster) helfen dabei sinnvoll und eizient sowohl in der Planung als auch in der Ausführung. Beim Mauerwerksbau stellt sich allerdings die zusätzliche Herausforderung, dass nicht einfach das Steinmaß genutzt werden kann, sondern auch die Mörtelfugen zwischen den Steinen eingerechnet werden müssen. Daher unterscheidet man zwischen Baurichtmaß und Nennmaß. 57 Abbildung 37: Baurichtmaß und Nennmaß Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Unter Baurichtmaß versteht man das theoretische Grundmaß, also das Raster oder Modul, aus dessen Vielfachem sich das gesamte System des Mauerwerksbaus zusammensetzt. Das auf der Baustelle erstellte und in der Bauzeichnung eingetragene Maß ist das Nennmaß. Das Baurichtmaß berechnet sich damit aus dem Nennmaß des Steins zuzüglich der ausgeführten Fuge (Kummer, 2017, S. 11). Betrachtet man eine gemauerte Wand mit Fensterönungen und Querwänden, erkennt man, dass sich aufgrund der Fugen zwischen den Steinen unterschiedliche Maße für die Wandbreite, Önung und Vorsprünge ergeben. Beim Außenmaß ist aufgrund einer immer fehlenden Fuge, unabhängig von der Anzahl der Steine, immer eine Fuge vom Baurichtmaß abzuziehen. Das Innenmaß einer Önung beinhaltet immer eine zusätzliche Fuge. Das Vorsprungsmaß misst das Wandstück zwischen Önung und Wand bzw. Mauervorsprünge (Kummer, 2017, S. 12f.). 58 Abbildung 38: Außenmaß I Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Abbildung 39: Önungsmaß I Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 59 Abbildung 40: Önungsmaß II Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Abbildung 41: Außenmaß II Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Steinmaße und Bezeichnungen Steinmaße und Bezeichnungen werden seit der Wideraufbauphase nach dem Zweiten Weltkrieg durch DIN 4172 „Maßordnung im Hochbau“ definiert. Damit gilt einheitlich in Deutschland das Grundmodul von 25 cm für Mauerwerk im Rohbau. Die später entstandene DIN 18000 „Modulordnung im Bauwesen“, mit einem Grundmodul von M = 10 cm, basierend auf einem dezimetrischen System, hat sich nicht durchgesetzt (Kummer, 2017, S. 15). Das Mauerwerk wird in Deutschland nach dem Oktametersystem bemessen. Das Achtel eines Meters (12,5 cm) gilt damit als Baurichtmaß und wird als Standard benutzt. Ausgehend vom ganzen Meter können die Nennmaße, die einen Standardziegel im Normalformat bilden, bestimmt werden zu 24 x 11,5 x 7,1 cm. Indem für die vertikalen Stoßfugen eine Fugengröße von 1 cm berechnet wird und für die horizontalen Lagerfugen 1,23 cm, ergibt sich das Baurichtmaß zu 25 x 12,5 x 8,33 cm, was zu einem Meter vervielfacht werden kann. Es ist zu beachten, dass diese Maße nur für Deutschland und nicht in anderen Ländern gelten (Kummer, 2017, S. 15). Die genannte Fugengröße ist nicht festgeschrieben und kann je nach Steingröße variiert werden. 60 So erfordern moderne Plansteine nur wenige Millimeter dicke Fugen. Zum Verbinden werden Dünnbettmörtel oder Klebemörtel genutzt. Die vertikalen Stoßfugen können entfallen, wenn die Steine dazu ineinandergreifende Formen aufweisen. Dazu werden die Steinmaße angepasst, damit die Gesamtmaße wieder dem System entsprechen. Abbildung 42: Steinformate Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Abbildung 43: Geschnittene Steine erstellt im Aurag der IU, 2023. 61 Abbildung 44: Höhenvergleich von Steinformaten Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 62 Die einzelnen Reihen eines Mauerwerks nennt man Schicht; man unterscheidet je nach Ausrichtung der Steine (Kummer, 2017, S. 18): • • • • Läuferschicht: Steine parallel zur Wandachse, Binderschicht: Steine quer zur Wandachse, Rollschicht: Steine in Querrichtung und hochkant auf ihren Längsseiten, Grenadierschicht: Steine hochkant auf der Schmalseite als aufgestellte Rollschicht. Abbildung 45: Steinschichten Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Mauerwerksverbände Im Verband wird gemauert, um die Flächentragwirkung des Mauerwerks sicherzustellen. Dazu müssen Stoß- und Längsfugen übereinanderliegender Schichten versetzt sein. Das Überbindemaß muss ü > 0,4 h bzw. > 4,5 cm sein, wobei h die Steinhöhe (Sollmaß) ist. Die Verbandsregeln bestimmen die handwerklichen Regeln der Verlegung. Grundsätzlich gilt (Kummer, 2017, S. 18): • Alle Schichten liegen horizontal; • Steinhöhe nicht größer als Steinbreite; • in einer Schicht werden nur gleich hohe Steine verwendet (Ausnahme: Mauerenden in jeder zweiten Schicht); • möglichst viele ganze Steine sind zu verwenden; • der Versatz bei der Schichtung beträgt für alle Stoßfugen mindestens ein Viertel der Steinlänge. 63 Versatz Je größer der Versatz ist, desto größer ist die Widerstandsfähigkeit gegen Risse in Längsrichtung. Abhängig von der Reihenfolge, in der man die Schichten übereinandersetzt, sowie dem Versatz der Schichten gegeneinander, unterscheidet man vier sogenannte Schulverbände. 1. Läuferverband Alle Schichten des Mauerwerks bestehen aus Läuferschichten, die um eine halbe Steinlänge versetzt werden. Ein Versatz quer zur Wandachse ist bei diesem Verband nicht möglich, daher kann der Läuferverband nur bei ½-Stein starken Wänden verwendet werden (z. B. bei Innenwänden oder Schornsteinen) (Kummer, 2017, S. 19). Eine größere Wandbreite ist nur bei Verwendung von größeren Steinen möglich. Aufgrund des großen Versatzes ist eine hohe Druck- und Zugfestigkeit beim Läuferverbandes gegeben, diese reduziert sich entsprechend bei einem Versatz von nur einem Drittel oder einem Viertel Steinlänge. Abbildung 46: Läuferverband Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 2. Binderverband Beim Binderverband (oder Kopfverband) werden die Schichten aus Binderschichten erstellt, die um ein Viertel Steinlänge übereinander versetzt werden. Er ist nur bei 1-Stein starken Wänden möglich, bietet aufgrund der geringen Überdeckung eine geringe Tragfähigkeit und neigt aufgrund der steilen Abtreppung zu Schrägrissen. Er ist besonders bei engen Mauerwerksradien geeignet (Kummer, 2017, S. 20). Kombiniert man nun unter Befolgung der folgenden 2 zusätzlichen Regeln diese beiden Verbände, erhält man den Block- und den Kreuzverband (Kummer, 2017, S. 20): • Läufer- und Binderschichten wechseln sich ab. • Eine Läuferschicht beginnt mit einem oder mehreren ¾-Steinen. Abbildung 47: Binderverband erstellt im Aurag der IU, 2023. 64 3. Blockverband Hier „wechseln sich Läufer- und Binderschichten gleichmäßig ab, der Versatz beträgt einen Viertel Steinlänge, sodass sich eine günstige, flache Abtreppung um jeweils ein Viertel und drei Viertel Steinlänge ergibt“ (Kummer, 2017, S. 20). Abbildung 48: Blockverband Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 4. Kreuzverband Analog dem Blockverband beginnt der Kreuzverband mit abwechselnder Läufer- und Binderschicht. „Jedoch sind die Stoßfugen der Läuferschichten gegeneinander um ½ Stein versetzt, womit sich das Fugenbild erst nach vier Schichten wiederholt. So entsteht ein abwechslungsreicheres, aber auch steiler abgetrepptes Fugenbild“ (Kummer, 2017, S. 21). Dieser Verband neigt daher eher zu Diagonalrissen. 65 Abbildung 49: Kreuzverband Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Regelgerechte Konstruktionen Besondere Detailpunkte, wie Mauerecken, Nischen, Vorlagen und Pfeiler, müssen auch so ausgeführt werden, dass die Verbandsregeln eingehalten werden (Kummer, 2017, S. 22): • Läuferschichten laufen an Ecken, Kreuzungen und Stößen durch, Binderschichten binden an. • Parallele Wände weisen die gleiche Schichtenabfolge auf. • Von einer Innenecke darf in jeder Schicht nur eine Stoßfuge ausgehen. • Fenster und Türanschläge sind analog Mauerenden mit Vorsprüngen zu konstruieren (bei Bindern durch Versetzen eines Steines in der Größe des Vorsprungs, bei Läufern durch Vorschieben der Läufer). Abbildung 50: Mauerwerkspfeiler Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 66 Abbildung 51: Mauernische und Mauervorsprung Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Fugen Stoß- und Lagerfugen sind vollfugig zu mauern, soweit nicht die Steinform eine unterbrochene Stoßfuge vorsieht. Die Dicke der Fugen ist so zu wählen, dass das Maß von Fuge und Stein dem Baurichtmaß entspricht. Im Allgemeinen sollen die Stoßfugen 1 cm dick sein. Bei gleichzeitiger Verarbeitung verschieden hoher Steine in durchgehender und aussteifender Wand sind die Schichthöhen genau einzuhalten, um das Einbinden zu ermöglichen. Bei Gewölben sind die Fugen so knapp wie möglich zu halten. Am Gewölberücken dürfen sie nicht dicker als 2 cm werden (Döring, 1998, S. 43; DIN 4172). Zum optischen Erscheinungsbild des Mauerwerks tragen neben den Verbänden auch die Fugen durch entsprechende Farbe und Tiefe bei. Die fachgerechte Verfugung des Mauerwerks ist wesentlich für dessen Tragfähigkeit, Widerstandsfähigkeit gegenüber Witterungseinflüssen und ermöglicht erst eine bestimmungsgemäße Lebensdauer. Es existieren zwei Arten der Verfugung (Bielefeld, 2015): 1. Fugenglattstrich: Dabei wird der durch das Aufsetzen des Steines ausquellender Mörtel mit der Kelle abgestrichen und nach kurzer Zeit glattgezogen. Der Mörtel wird vollflächig aufgetragen. Dadurch wird die Tragfähigkeit des Mauerwerks erhöht und die Fuge gut verdichtet (Kummer, 2017, S. 29). 2. Nachträgliches Verfugen: Dies wird ausgeführt, wenn großer Wert auf die farbliche und einheitliche Gestaltung der Fugen gelegt wird. Dabei wird der frische Mörtel mit einer Holzleiste ca. 2 cm ausgekratzt und die Önung gereinigt. Bei saugfähigen Steinen muss die Önung vorgenässt werden, bevor sie mit dem Fugenmörtel wieder verschlossen wird. Aufgrund zweier Mörtelarten ist auf eine hochwertige Ausführung zu achten, welche die Tragfähigkeit und Dichte der Konstruktion sicherstellt (Kummer, 2017, S. 30). Baustoe Zum Mauern können verschiedene Steine verwendet werden; die gebräuchlichsten werden folgend vorgestellt: 67 Mauerziegel sind Mauersteine, die aus Ton oder anderen tonhaltigen Stoen (Lehm), mit oder ohne Sand sowie anderen Zuschlägen, gebrannt werden, um einen keramischen Verbund zu erzielen. Frostbeständige Mauerziegel werden „Vormauerziegel“ genannt. Frostbeständige Mauerziegel mit einer Scherbenrohdichte über 1,90 kg/dm3 und einer Druckfestigkeit von über 28 N/mm2 werden als „Klinker“ bezeichnet. Unter Leichthochlochziegel versteht man Mauerziegel mit verbesserten Wärme- und Schallschutzeigenschaen durch Herabsetzung der Rohdichte mittels Lochung. Frost-Tau-Wechsel (FTW) Über diese Kennzahl wird die Eignung von Mauersteinen, Dachziegeln oder auch ganzen Wandsystemen, dem Frost zu widerstehen, angegeben. Ziel des damit verbundenen normativen Testverfahrens ist es, eine Aussage zur Bewitterungstauglichkeit von unterschiedlichen Baustoen zu treffen. Kalksandsteine werden aus Kalk und kieselsäurehaltigen Zuschlägen hergestellt, verdichtet und unter Dampfdruck gehärtet. Sie zeichnen sich gegenüber gebranntem Stein durch besonders gute Maßhaltigkeit aus. Daher sind sie auch für Sichtmauerwerk gut geeignet. Frostbeständige Kalksandsteine werden „KS-Vormauersteine“ (25-facher Frost-Tau-Wechsel) oder „KS-Verblender“ (50-facher Frost-Tau-Wechsel) genannt. Hüttensteine sind Mauersteine aus Hochofenschlacke und mineralischen Bindemitteln, die durch Pressen und Rütteln verdichtet und an der Lu oder unter Dampf oder in kohlensäurehaltigen Abgasen gehärtet werden. Porenbetonsteine (Gasbetonblocksteine) aus feinporigem Beton, der aus Zement und Kalk und feingemahlenen oder feinkörnigen, kieselsäurehaltigen Zuschlägen unter Verwendung von porenbildenden Zusätzen hergestellt und in gespanntem Dampf gehärtet wird. Leichtbetonhohlblocksteine sind Mauersteine aus Leichtbeton, sie bestehen aus porigen, mineralischen Zuschlägen und hydraulischen Bindemitteln. Mauersteine aus Leichtbeton werden mit geschlossenem oder haufwerkporigem Gefüge und vertikalen Hohlkammern hergestellt sowie aus mineralischen Zuschlägen und hydraulischen Bindemitteln. Leichtbetonhohlblocksteine sind aufgrund ihres Gewichtes großformatig (Hesterman & Rongen, 2015). 68 Abbildung 52: Großformatige Steine Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 2.4 Mauerwerkskonstruktionen Mauerwerksverbände werden „durch vertikale Lasten aus Decken und anderen Bauteilen, aus dem Eigengewicht, durch Horizontalkräe wie Wind, Erddruck und Stoßkräe oder Konsollasten durch auskragende und angehängte Elemente belastet“ (Kummer, 2017, S. 35). Es ist erforderlich, dass das Mauerwerk mit den angrenzenden Baukonstruktionen kraschlüssig verbunden ist und Lasten sicher weitergeleitet werden. 69 Abbildung 53: Wandlasten Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Eine Wand wird erst durch aussteifende Querwände stabil. Dazu gehört auch eine gleichmäßige vertikale Belastung (Kummer, 2017, S. 35). Anforderung aus Bauphysik und Brandschutz sind selbstverständlich zu beachten und einzuhalten. Außenwände Außenwände sind tragende Wände, soweit es sich nicht um Ausfachungen innerhalb anderer Tragsysteme (z. B. Fachwerkkonstruktion oder freistehende Mauern) handelt. Sie trennen Innen- vom Außenraum und schützen gleichzeitig vor Witterung und Außenschall. Gleichzeitig spielt die optische Komponente eine entscheidende Rolle, also ob das Mauerwerk von außen sichtbar sein soll oder nicht. Einschaliges Mauerwerk Einschaliges Mauerwerk aus klein- und mittelformatigen Steinen ist geeignet für tragende und dem Schall- oder Brandschutz dienende Innenwände, insbesondere für solche mit komplizierten Grundrissen sowie für Pfeilermauerwerk. Bei Außenwänden ist aufgrund der erforderlichen größeren Wanddicke ein großformatiger Stein vorherrschend, auch aus wirtschalichen Gesichtspunkten. Statik, Bauphysik Bei einem einschaligen Sichtmauerwerk, also einer von beiden Seiten oder zumindest von außen sichtbaren Mauerkonstruktion, widersprechen sich meist Wärme- und Witterungsschutz (Kummer, 2017, S. 37). Um den heute erforderlichen Wärmeschutzkriterien zu 70 genügen, müssen gut isolierende, poröse Steine verwendet werden. Ruhende Lu weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine sehr geringe Dichte auf, daher bieten Steine mit einem hohen Luanteil durch Poren und Hohlkammern und somit einer niedrigen Rohdichte (= Masse zu Volumen) eine gute Wärmedämmung bei gleichzeitigem Schutz vor äußeren Einflüssen (Kummer, 2017, S. 37). Ein zusätzlicher Widerspruch entsteht also zwischen der im Schallschutz notwendigen Masse, die zugunsten des Wärmeschutzes herabgesetzt wird. Es gilt der Merksatz: „Der Schallschutz ist dem Wärmeschutz sein Feind“. Die Industrie hat Steine mit integrierter Wärmedämmung entwickelt. Diese sind unter den Aspekten Recycling und Nachhaltigkeit zu betrachten. Beim einschaligen Mauerwerk erfüllt die Außenwand also mehrere Anforderungen gleichzeitig: • • • • tragende Funktion, Wärmedämmung, Schallschutz sowie Wetterschutz/Witterungsschutz. Um einschalige Konstruktionen vor Witterung zu schützen, müssen zusätzliche Maßnahmen getroen werden, z. B. ein Außenputz oder Wärmedämmputz. Dabei geht allerdings das optische Erscheinungsbild des Mauerwerks verloren. Sollte die Dämmfähigkeit des Materials nicht ausreichen, wird die einschalige Wand verkleidet, z. B. mit einer Thermohaut (WDVS Wärmedämmverbundsystem) und Putzsystem. So lassen sich Schallschutz (Stein mit hoher Rohdichte) und Wärmeschutz (leichte, gut dämmende Thermohaut) konstruktiv miteinander kombinieren. Bei der Auswahl geeigneter Wandaufbauten sind nachhaltige bzw. nachwachsende, natürliche Materialien bei der Auswahl der Baustoe vorzuziehen (z. B. Holzweichfaser statt Polystyrol als Dämmsto). Abbildung 54: Einschaliges Mauerwerk erstellt im Aurag der IU, 2023. Feuchtigkeit Einschaliges Mauerwerk nimmt, wenn es nicht durch Verkleidung geschützt ist, das Regenwasser teilweise auf und gibt es dann später wieder durch Verdunstung an die Außenlu ab. 71 Abbildung 55: Feuchtigkeit Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Sockel, Keller Kellerwände aus Mauerwerk werden einschalig hergestellt. Die Ausführung der „weißen Wanne“ aus wasserundurchlässigem Stahlbeton ist gängig, aber auch eine günstige Mauerwerkskonstruktion wäre möglich. Bei der Ausführung von Kellerwänden aus Mauerwerk muss darauf geachtet werden, dass sie gegen den Erddruck ausreichend ausgestei sind. Dem Erddruck muss die außen vorgesetzte Wärmedämmung (Perimeterdämmung) standhalten und druckfest sein. Kellerwände müssen zusätzlich gegen die Feuchtigkeit des Erdreiches abgedichtet werden (mittels Bitumenbahn, Kaltanstrich oder Dichtungsschlämme). „Während bei starker Beanspruchung durch drückendes Wasser die Betonausführung zu bevorzugen ist, sieht man bei schwacher Beanspruchung und nicht drückendem Wasser eine horizontale und eine vertikale Abdichtung vor“ (Kummer, 2017, S. 41). Der Sockelbereich muss aufgrund von Spritzwasser besonders geschützt werden. Der Übergang von Keller zu aufgehendem Mauerwerk erfordert einen erhöhten Planungsaufwand. So benötigen beispielsweise Grundstücksgefälle, Anforderung an Barrierefreiheit, Eingänge und Terrassenausgänge an das jeweilige Projekt angepasste individuelle Detaillösungen. 72 Abbildung 56: Kellerwand Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Abbildung 57: Sockeldetail Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Wärmedämmverbundsystem 73 Eine sogenannte Thermohaut, das Wärmedämmverbundsystem (WDVS), besteht aus einer gemäß den geltenden Anforderungen dimensionierten Wärmedämmung und einem darauf abgestimmten mineralischen Außenputz. Für dieses System werden auch Kunstharzputze angeboten, die aber weniger stoßfest sind und auf der Oberfläche unangenehm glänzen. Dämmstärken von WDVS reichen z. B. für den Passivhausstandard bis über 30 cm. Geboten sind für einen zukunsweisenden Wärmeschutz zumindest Dämmstärken ab 20 cm. Durch die mit Dämmstärke zunehmenden Anforderungen an die Verarbeitung werden ab 20 cm auch alternative Dämmmethoden aus nachwachsenden Rohstoen wirtschalich. Eigenschaen eines WDVS: • mechanisch befestigtes Wärmedämmverbundsystem auf der Außenseite mit geschlossener fugenloser Putzoberfläche, • einsetzbar auf allen trockenen Untergründen (Alt- und Neubau), • für Gebäudehöhen bis 22 m, • Stärke: d = ab 16 cm (je nach System), • Senkung des Wärmedurchgangskoeizienten durch Einhaltung des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) • hohe Wärmedämmung (Lambdawerte unter 0,04 W/mK), • witterungsbeständig und schlagregendicht, wasserdampfdurchlässig. Zweischaliges Mauerwerk Beim zweischaligen Mauerwerk wird mit Abstand vor einer inneren Wand (Innenschale, die vor allem die lastabtragende Funktion übernimmt) eine zweite Wand gestellt (Außen- bzw. Verblendschale, zum Schutz der Innenschale vor Witterung). Der Zwischenraum (Schalenabstand) kann frei bleiben bzw. mit Dämmung gefüllt werden (Kummer, 2017, S. 42). Sorgfältige und aufwendige handwerkliche Arbeit ist für die werkgerechte Ausführung von zweischaligem Mauerwerk erforderlich, jedoch stellt es bei starker Witterungsbeanspruchung eine sehr gute Lösung insbesondere für Sichtmauerwerk dar. Innenschale Die Innenschale wird in der DIN EN 771-1 „Festlegung für Mauersteine, Teil 1 Mauerziegel“ als geschütztes Mauerwerk bezeichnet, die Ziegel werden als P-Ziegel bezeichnet. Ungeschützte Mauersteine der Außenschale werden als U-Ziegel bezeichnet. 74 Die Außenschale dient als Wetterschutz und wird an der inneren Schale mittels Mauerankern und Winkeln befestigt. Deshalb gilt: Die Außenschale niemals statisch mit auskragenden Bauteilen belasten, immer alles an der tragenden Wand (Innenschale) befestigen. Die Funktion der Innenschale ist bei allen Konstruktionen Standsicherheit und Lastabtrag. Hierfür können nur tragfähige Steine mit einer hohen Rohdichte eingesetzt werden. „Diese haben zwar einen geringen Wärmedurchlasswiderstand, bieten jedoch einen hohen Schallschutz“ (Kummer, 2017, S. 45). Die Funktion der Außenschale ist es, das restliche Mauerwerk vor äußeren Einflüssen und Witterung zu schützen. Daher dürfen nur entsprechende Steine verwendet werden, die diesen Bedingungen entsprechen und gegen Frost, Feuchtigkeit und äußere Einwirkungen unempfindlich sind: Vormauersteine bzw. Verblender und Klinker. Die äußere Schale prägt das Erscheinungsbild eines Gebäudes. Materialwahl und die Ausführungsart der Vormauerschale bieten eine umfangreiche architektonische Gestaltungsmöglichkeit. Die Außenschale (Vormauerschale) trägt i. d. R. nur ihr eigenes Gewicht und wird über Drahtanker mit der Tragschale zur Aussteifung verbunden, um Winddruck und Windsog zu widerstehen. Die Anzahl der Anker ist abhängig vom Abstand der Schalen, der Wandhöhe, von Gebäudeönungen und -ecken, Dehnfugen sowie abgerundeten Bauteilen. Zusätzlich zu den Mauerankern muss die Außenschale an der Innenschale befestigt werden. „Bei größeren Höhen ist die Eigenlast neben der Auflagerung am Sockel gleichmäßig in die Tragschale einzuleiten. Hierfür werden Konsolanker und Winkelkonsolen oder thermisch getrennte Deckenvorsprünge genutzt“ (Kummer, 2017, S. 47). Abbildung 58: Zweischaliges Mauerwerk Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Nachfolgende Grafik zeigt verschiedene Außenwandkonstruktionen im Vergleich mit Aufbau, Abmessungen und Wärmedurchgangskoeizient (U-Wert). Dabei ist der U-Wert ein spezifischer Kennwert eines Bauteils. Er wird im Wesentlichen durch die Wärmeleitfähigkeit und Dicke der Dämmung determiniert, aber auch durch die Wärmestrahlung und Konvektion an den Oberflächen. Je höher der U-Wert, umso schlechter ist die Dämmwirkung, je niedriger der U-Wert, umso besser die Dämmwirkung. Der UWert wird in W /m2K angegeben. Damit wird die Energiemenge abgebildet, die in einer Sekunde durch die Fläche von einem Quadratmeter strömt, wenn die auf beiden Seiten vorherrschende Lutemperatur um 1 K (Kelvin) dieriert. 75 Abbildung 59: Vergleich der Wandkonstruktionen Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Dimensionierung/Abmessungen Für die Dimensionierung bzw. Abmessungen eines zweischaligen Mauerwerkes gilt (Döring, 1988): 9 cm Die Festlegung einer Mindestdicke von 9 cm beruht auf dem nationalen Anhang der DIN EN 1996-2/NA, Eurocode 6: Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten, Nationaler 76 • Die Mindestdicke der Innenschale muss 11,5 cm betragen, wird aber i. d. R. min. 17,5 cm betragen. • Die Außenschalen müssen mindestens 9 cm dick sein. • Die Luschicht soll mindestens 6 cm bis max. 15 cm sein, sie darf jedoch auf 4 cm vermindert werden, wenn der Fugenmörtel mindestens an einer Hohlraumseite abgestrichen wird. • Bei zweischaligem Mauerwerk mit Luschicht darf die Decke nur auf der Innenschale aufgelagert werden. • Bei Anordnung einer zusätzlichen matten- oder plattenförmigen Wärmedämmschicht auf der Außenseite der Innenschale darf der lichte Abstand der Mauerwerkschalen 15 cm nicht überschreiten. Die Luschicht muss in diesem Fall mindestens 4 cm dick sein. • Es muss sichergestellt sein, dass die Luschicht nicht durch Mörtelbrücken aus der Verblendschale eingeengt wird. Anhang des Eurocode 6. Soll die Vormauerschale kleiner als 9 cm sein, ist dies statisch nachzuweisen. Zweischaliges Mauerwerk mit Lufschicht Aufgabe der Luschicht ist es, in die Konstruktion eingedrungenes Wasser daran zu hindern, in die innere Schale, aber auch in den Raum zu diundieren. Dies würde zu Feuchteschäden wie Schimmelbildung führen. Falls Feuchtigkeit eingedrungen ist, wird sie über die Luschicht abgeführt. Dazu sind im Sockelbereich sowie am Wandkopf und bei Mauerönungen Be- und Entlüungsönungen anzuordnen. Diese bestehen aus oenen Stoßfugen, die mit einer horizontalen Feuchtigkeitssperre verbunden werden (Kummer, 2017, S. 43). Die Luschicht sollte mindestens 60 mm betragen, um eine ausreichende Hinterlüung zu gewährleisten (Kummer, 2017, S. 44). Abbildung 60: Belüfungsönungen durch oene Stoßfugen Quelle: Künzel, 2020a. 77 Zweischaliges Mauerwerk mit Kerndämmung Bei dieser Konstruktionsart wird der gesamte Hohlraum zwischen den beiden Schalen mit Dämmmaterial gefüllt. Es können dabei hohe Wärmeschutzwerte erreicht werden. Bezüglich des zu verwendenden Dämmstos ist darauf zu achten, dass er für den Anwendungsfall genormt ist oder eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung besitzt. Als Dämmstoe in Plattenform können beispielsweise Mineralwolle, Steinwolle, Polystyrol oder Polyurethan eingesetzt werden, die hydrophobiert, also wasserabweisend sein sollten. Alternativ dazu eignen sich zur Kerndämmung Schüttungen wie Perlite. Soll im Zuge einer energetischen Sanierung eine bislang ungedämmte zweischalige Konstruktion ertüchtigt werden, können Einblasdämmungen aus Mineralfasern, Polystyrol oder Perlite verwendet werden (Baunetz Wissen, o. J.a). Zweischaliges Mauerwerk mit Kerndämmung und Lufschicht Zwischen den Mauerwerksschalen wird eine Schicht aus wasserabweisenden Wärmedämmplatten bzw. -matten eingebaut. Eine Luschicht von mindestens 4 cm zur Außenhaut wird erstellt, um den Feuchte- und Witterungsschutz zu gewährleisten (Kummer, 2017, S. 45). Innenwände Innenwände sind nicht direkt mit der Außenlu verbunden und werden durch die Außenhaut vor Witterung geschützt. Ihre Funktion ist das „Trennen von Innenbereichen, Nutzungszonen oder Sichtbeziehungen“ (Kummer, 2017, S. 51). Daher besteht auch eine erhöhte Schallschutzanforderung sowie Brandschutzanforderungen an Innenwandkonstruktionen. Jedoch können Innenwände zum Lastabtrag oder zur Aussteifung des Gebäudes oder einzelner Wandabschnitte dienen. Sie können dabei in direkter Verbindung mit den angrenzenden Bauteilen entweder tragend oder nicht tragend ausgebildet werden, wobei nur ihr Eigengewicht und die auf ihre Fläche wirkende Horizontallast auf andere Bauteile weitergeleitet werden muss , um ein Umkippen zu verhindern (Kummer, 2017 S. 51). Diese heterogenen Anforderungen spielen eine signifikante Rolle für die Detailausbildung der Anschlusspunkte, wobei die Rohdichte mit Auswirkung auf Festigkeit sowie der Schallschutz eine Rolle spielen. Nichttragende Trennwände Nichttragende Innenwände sind gemäß DIN 4103 (Nichttragende innere Trennwände) Bauteile, die im Inneren eines Gebäudes der Unterteilung von Räumen dienen und nicht bei der Lastabtragung oder Aussteifung des Gebäudes mitwirken. Sie haben die Aufgabe, stoßartigen Belastungen widerstehen zu müssen, die bei Gebrauch üblicherweise aureten können. Sie müssen ausschließlich ihr Eigengewicht abtragen, dagegen gelten Wände, die mehr als ihre Eigenlast aus einem Geschoss zu tragen haben, als Tragwände. 78 Es muss bei Trennwänden sichergestellt werden, dass sie bei Bauwerksverformungen nicht unbeabsichtigt belastet werden, da sonst Schäden an den Trennwänden selbst und erheblich nachteiligere Folgen für das gesamte statische Baugefüge durch eine dann „tragende“ Wand entstehen. Unabhängig von Materialart, Wanddicke, -höhe und -länge müssen nichttragende Trennwände ausgestei werden. Anschlüsse an angrenzende Bauteile können starr oder gleitend ausgebildet werden (Kummer, 2017, S. 53). Abbildung 61: Anschlüsse von nichttragenden Trennwänden an Decken Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Abbildung 62: Nichttragende gemauerte Wände: Anschluss an tragende Wand Quelle: Hestermann & Rongen, 2015, S. 222. 79 Tragende und aussteifende Innenwände Tragende Innenwände dienen der Aussteifung des Gebäudes und als Deckenauflager. Bei aussteifenden Wänden ist der Verbund mit der auszusteifenden Wand zug- und druckfest auszubilden und für die Stabilität ein Bausto mit möglichst annähernd gleichem Verformungsverhalten zu wählen (Kummer, 2017, S. 52). Aussteifende Wände Aussteifende Wände Die Wände wirken als Scheiben und führen horizontale Lasten in den Untergrund ab. Man unterscheidet bei den auszusteifenden Wänden zwischen ein-, zwei-, drei- und vierseitig gehaltener Wand: Abbildung 63: Ausstreifende Wände Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Unter aussteifenden Wänden versteht man scheibenartige Bauteile zur Aussteifung des Gebäudes bzw. zur Knickaussteifung tragender Wände. Sie werden nach DIN EN 1996 (Eurocode 6) bemessen. Auf einen rechnerischen Nachweis nach EC 6 darf verzichtet werden, sofern die Geschossdecken als steife Scheiben wirken bzw. wenn ausreichend steife Ringbalken vorhanden sind und eine ausreichende Anzahl von aussteifenden Wänden vorhanden sind. Eine Wand darf als an einer Seite ausgestei angesehen werden, wenn (DIN EN 1996-1-1:2013, S. 49) … 80 • … zwischen der Wand und der sie aussteifenden Wand keine Risse zu erwarten sind, d. h., dass beide Wände aus Baustoen mit ungefähr gleichem Verformungsverhalten hergestellt werden, beide Wände etwa gleich belastet sind, sie gleichzeitig hergestellt und im Verband gemauert sind und unterschiedliche Bewegungen durch z. B. Schwinden, Belastung usw. nicht erwartet werden, oder • die Verbindung zwischen der Wand und der sie aussteifenden Wand so bemessen ist, dass auretende Zug- und Druckkräe durch Maueranker oder ähnliche Hilfsmittel aufgenommen werden. Daneben gilt, dass aussteifende Wände eine Länge von mindestens einem Fünel der Geschosshöhe und eine Dicke von mindestens einem Drittel der eektiven Dicke der auszusteifenden Wand aufweisen. Schlitze und Aussparungen Sofern in der aussteifenden Wand Önungen existieren, so sollte die Länge der aussteifenden Wand zwischen diesen Önungen über folgende Mindestlänge verfügen: 81 Abbildung 64: Mindestmaße aussteifender Querwände Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Die Länge der aussteifenden Wand sollte über eine Länge von mindestens einem Fünel der Geschosshöhe über jede Önung hinausgehen. Zudem muss eine tragende Wand mindestens eine Nettoquerschnittsfläche von 0,04 m² unter Berücksichtigung von Schlitzen und Aussparungen verfügen. Insgesamt dürfen Schlitze und Aussparungen die Standsicherheit einer Wand nicht beeinträchtigen. Sie sollten nicht durch Stürze oder andere tragende Bauteile einer Wand gehen. Insbesondere bei der Bauausführung ist darauf zu achten, dass sie nicht ohne besondere Zustimmung des Planers erlaubt werden. 82 Freistehende Mauern Freistehende Mauern haben eine geringe Standfestigkeit und neigen daher zum Kippen. Aussteifungen können abgesehen von den bereits genannten Mauerwerkspfeilern oder Wänden auch Stahlbetonstützen, Stahlprofile oder Kopfriegel sein: Abbildung 65: Aussteifung mit Stahlbetonstützen Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 83 Abbildung 66: Stahlprofile - Walzprofile (Auswahl) Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. 84 Abbildung 67: Aussteifung mit Kopfriegeln Quelle: erstellt im Aurag der IU, 2023. Ringanker Ringanker sind in Wandebene liegende horizontale Bauteile zur Aufnahme von Zugkräen, die in den Wänden infolge von äußeren Lasten oder von Verformungsunterschieden entstehen können. Sie leiten als Teil des Deckensystems die Last weiter. Sie wurden traditionell in historischen Gebäuden mit großem Fensteranteil angeordnet, um das Mauerwerk zu stabilisieren. Sie sind Teil des Deckensystems oder können auch eine schubsteife Deckenscheibe ersetzen. Es sind in allen Außenwänden und aussteifenden Querwänden Ringanker zu legen: • bei Bauten mit mehr als zwei Vollgeschossen (Abbildung C), • bei Bauten, die länger als 18 m sind, • bei Bauten mit vielen und besonders großen Ö