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Der nachfolgende Artikel entstand im Rahmen des EU-Forschungsvorhabens „3EnCult“, Efficient Energy for EU Cultural Heritage.
Die Autoren bedanken sich bei den involvierten Herstellern für die Bereitstellung der untersuchten Produktmuster zur Holzbalkenandichtung.
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Einbindung von Holzbalken in die luftdichte Ebene

Bei Sanierungsprojekten mit denkmalgeschützten Fassaden kommt in der Regel nur der Einsatz von Innendämmung in Frage. Bei energetisch anspruchsvollen Sanierungen stellen dann insbesondere alte, rissige Holzbalken Planer wie Handwerker vor nicht einfach zu lösende Aufgaben. Die Normung liefert hierzu keine Antworten und selbst unter Fachleuten gibt es keinen Konsens darüber, wie mit Durchdringungen der luftdichten Ebene durch Holzbalken umzugehen ist. Die Gefahr besteht in der mangelhaften Einbindung von Balkenköpfen in die luftdichte Ebene des Gebäudes. Die Wahrscheinlichkeit eines Bauschadens durch konvektiven Feuchteeintrag in den kalten Außenwandbereich steigt dadurch stark an (vgl. auch [AkkP 32]). Weitere Durchdringungen der luftdichten Ebene ergeben sich häufig im Dachbereich und dort insbesondere beim Dach-/Wandanschluss an der Traufe, beim Anschluss von Kehlbalken an die Sparren, sowie bei senkrecht auf einer wärmegedämmten obersten Geschossdecke aufstehenden Stützbalken.

Abbildung 1:
Zum Teil freigelegte Holzbalkendecken mit Wandauflager der Holzbalken
in zwei Sanierungsprojekten


Die Luftdichtheit der Gebäudehülle spielt, insbesondere bei energieeffizienten Gebäuden, eine entscheidende Rolle. Es sind vor allem Detailfragen wie die Einbindung rissiger Balkenköpfe, die über die erreichte Luftdichtheit eines sanierten Gebäudes entscheiden. Bei mangelhafter Planung oder Ausführung können zusätzlicher Heizenergiebedarf und Bauschäden die Folge sein. Zur Kontrolle der Bausubstanz (Statik) und zur Festlegung der notwendigen Arbeiten werden die alten Balken häufig im Bereich der Einbindung in die Wand überprüft. Unter der Voraussetzung der vollständigen („rundum“) Freilegung der Holzbalken im Bereich vor dem Auflager, stellt sich die Frage der Ausführung der luftdichten Anbindung des Balkens an die luftdichte Ebene der innengedämmten Wand.

Aus diesem Grund wurden am Passivhaus Institut Versuchsreihen zur luftdichten Einbindung von Holzbalken durchgeführten. Dabei wurde untersucht, welche Methoden und Materialien sich eignen und wie groß die Restleckagen der untersuchten Methoden ausfallen. Dazu wurden sieben unterschiedliche, handelsübliche Varianten und vier sog. „Alternativlösungen“ zur Holzbalkenandichtung in der Altbausanierung untersucht. Dabei handelt es sich um Erweiterungen mit zusätzlichen Maßnahmen bzw. um, für diese Anwendung nicht übliche Materialen oder Methoden. Für die Auswahl der zu untersuchenden Produkte und Methoden wurde eine Vielzahl von Fachherstellern kontaktiert und zu Lösungsansätzen für die bekannte Problematik befragt. Zehn der angeschriebenen Firmen aus dem In- und Ausland haben dem Passivhaus Institut Produktmuster zur Verfügung gestellt und zum Teil auch zur Handhabung beraten.

Um die unterschiedlichen Lösungen miteinander vergleichen zu können, wurden standardisierte „Musterbalken“ (8 x 8 cm) mit einem definierten, auf Null auslaufenden Spalt angefertigt. Der dreieckförmige Spalt soll die Problematik abbilden, die sich bei realen Rissen ergibt: eine Abdichtung bis in die Spitze des Spaltes ist schwierig. Bei der Untersuchung stand die Andichtung an den Holzbalken inkl. der Abdichtung des Spaltes im Vordergrund. Als Wandebene wurden beschichtete Holzplatten („Holzblende“) verwendet.

Aus den Materialmustern der Hersteller und den „Alternativlösungen“ ergaben sich insgesamt zwölf unterschiedliche Kombinationen der folgenden Produktgruppen und Verfahren zur Andichtung von Holzbalken: Klebeband, Dichtmasse/Kleber, Haftgrundierung, dehnfähiges Butyl-Kautschukklebeband, Reinacrylat-Dispersion („Speziallösung“), Putzanschlussband, Folienmanschette, Dickbeschichtung, Injektionskanal sowie Gipsverguss. Die Materialkombinationen bestehen jeweils aus bis zu drei Materialien. Es werden bei den untersuchten handelsüblichen Lösungen keine Produkte unterschiedlicher Hersteller miteinander kombiniert; eine Unverträglichkeit der verwendeten Produkte zueinander wird damit ausgeschlossen. An einer Kombination wurde zusätzlich ein Vergleich von zwei ähnlichen Produkten unterschiedlicher Hersteller durchgeführt.

bb_klebeband_img_3272.jpgbb_butyl_kautschukkleber_img_3319.jpgbb_speziallsg_1_img_3399.jpgtab_1_putzanschlussband.jpg
Klebeband Butyl-Kautschuk-Klebeband Speziallösung
(Reinacrylat-Dispersion)
Putzanschlussband
bb_folienmanschette_img_3956.jpgtab_1_injektionskanal.jpgtab_1_dickbeschichtung.jpgtab_1_gipsverguss.jpg
Folienmanschette Injektionskanal Dickbeschichtung Gipsverguss
Tabelle 1:
Übersicht über die unterschiedlichen Andichtungsmethoden, die an den Musterbalken ausgeführten wurden.


Die Versuche wurden in einem an die [DIN EN 12114] angelehnten Versuchsstand durchgeführt. Die gemessenen Einzelproben bestehen aus einer Holzblende, der Holzbalkendurchdringung durch die Blende und der untersuchten Andichtungsmethode. Es wurde jeweils eine Serie von unterschiedlichen Druckdifferenzen zwischen Umgebung und Prüfbox angelegt. Gemessen wurde der Volumenstrom, der durch die verbleibenden Restleckagen der Holzbalkenandichtung strömt. Die Undichtheiten der Prüfbox selber wurden dabei mit einer geschlossenen, luftdicht beschichteten Holzblende (ohne Durchbruch für einen Balken) als Offsetwert berücksichtigt. Die Auswertung erfolgt analog einer Luftdichtheitsmessung von Gebäuden (Blower-Door-Messung) bei einer Druckdifferenz von 50 Pa. Die durchgeführten Versuchsreihen liefern Hinweise für den erfolgreichen Anschluss freigelegter Holzbalken im Bereich der Balkenköpfe in der Altbausanierung sowie die Größenordnung der zu erwartenden Leckageströme bei 50 Pa Druckdifferenz.

Aufgrund der Qualität der verwendeten Messgeräte liegen die Messabweichungen dieser Untersuchung zwischen 3 und 7 % bezogen auf den jeweiligen Messwert (berechnet nach [DIN EN 12114]).

Abbildung 2:
Versuchsaufbau zur Luftdichtheitsmessung der Balkenköpfe am Passivhaus Institut

(A: Prüfbox mit Blende und einem beispielhaft eingedichtetem Testbalken ;
B: Schwebekörper-Durchflussmesser; C: Membranvakuumpumpen; D: Differenzdruckmessung)


Messergebnisse

Die Messergebnisse der untersuchten Methoden werden jeweils als arithmetischer Mittelwert aus Über- und Unterdruckmessung über die jeweils untersuchten drei Einzelproben dargestellt. Neben den Mittelwerten (Säulen) sind jeweils der minimale und der maximale Messwert dargestellt (I-Striche). Die Messwerte mussten gegenüber den zuvor veröffentlichten Ergebnissen ([PHT 2012] und [Buildair 2013]) aufgrund eines Messgerätefehlers geringfügig korrigiert werden.

Insgesamt zeigt sich, dass die erfolgreichen Methoden immer eine Abdichtung des Rissquerschnitts im Balken voraussetzen. Sobald der Riss mit Material verfüllt wird, kann der Leckagevolumenstrom gegenüber einer einfachen Abklebung mit Klebeband deutlich verringert werden. Der beste Messwert - also der geringste Leckagevolumenstrom - ergibt sich bei der Lösung mit dem Injektionskanal mit nur 0,03 m³/h (entspricht einer Reduktion um 98 %). Diese Rissabdichtung kann mit allen anderen Methoden kombiniert werden. Vorab muss allerdings zwingend die Statik des Balkens geklärt werden, da Bohrungen durchgeführt werden.

Entscheidend für den Erfolg ist, ob sich der Spalt mit der gewählten Technik ausfüllen lässt oder nicht. In allen durchgeführten Versuchen wurden für die Herstellung von luftdichten Verbindungen Spezialprodukte eingesetzt. Insgesamt kann festgestellt werden, dass es weniger auf die gewählte Materialart dieser Spezialprodukte zur Abdichtung ankommt, als insbesondere auf das weitgehende Verschließen des Rissquerschnitts. Es ist naheliegend, dass sobald der Querschnitt des Risses verringert wird, die Dichtheit merklich ansteigt. Aussagen über die evtl. unterschiedliche Dauerhaftigkeit der untersuchten Verbindungen können im Rahmen dieser Untersuchung nicht erfolgen. Alle untersuchten Proben sind vor UV-Licht geschützt eingelagert und könnten zu einem späteren Zeitpunkt nochmals untersucht werden.

Tabelle 2:
Produktmatrix der unterschiedlichen Materialkombinationen der untersuchten Messmethoden
(Methode = Produkt I + Produkt II + Produkt III)


Abbildung 3:
Vergleich der Leckageströme der durchgeführten Messungen normiert auf 50 Pa Druckdifferenz
(jeweiliger Mittelwert aus Über- und Unterdruckmessung der drei Proben).


Die dünne schwarze Linie gibt jeweils den gemessenen Minimal- und Maximalmittelwert an.


In der Handhabung unterscheiden sich die untersuchten Methoden zur Holzbalkenandichtung deutlich, sie wurde bei der Untersuchung ebenfalls bewertet. Wird keine besondere Abdichtung des Risses vorgenommen, ist ein Balken relativ zügig an die luftdichte Ebene (Dampfbremsfolie, Holzwerkstoffplatte, etc.) anzuschließen. Eine qualitativ hochwertige Andichtung – deren Voraussetzung die Zugänglichkeit des Balkens sowie die grundlegende Reinigung der Holzoberfläche ist – braucht hingegen mehr Zeit und Sorgfalt. Welche Methode im Einzelfall ausgewählt wird, muss nach den jeweiligen Randbedingungen entschieden werden.

Übertragung der Ergebnisse

Die Untersuchung an den kleinen Musterbalken mit nur einer Leckage wurde realisiert, um die unterschiedlichen Methoden sauber vergleichen zu können. Dabei sollten andere Einflüsse als die der Andichtung möglichst ausgeschlossen bzw. gering gehalten werden. Es handelt sich damit im Vergleich zu Situationen an historischen Balken um eine bewusst vereinfachte Situation. Um die Übertragung auf typische reale Situationen herzustellen, wurden einige Messungen an größeren Balken durchgeführt.

Dafür wurden die erfolgreichsten Abdichtungsmethoden zusätzlich an einem alten, exemplarischen Holzbalken (ca. 16 x 12 cm) (Bezeichnung hier: Alt- oder „Real“- Balken) und einem weiteren „großen“ Musterbalken (16 x 15 cm) getestet. Dieser größere Musterbalken weist eine Vielzahl unterschiedlicher Rissgeometrien auf: Es gibt diverse kleine und einige große Risse, welche wieder alle auf „Null auslaufen“ um tatsächlichen, natürlichen Rissformen nahe zu kommen. Die Summe der Leckagefläche bei diesem größeren Musterbalken beträgt ca. 11,5 cm², dagegen verfügt der kleine Musterbalken der umfangreicheren Untersuchung nur über ca. 0,9 cm².

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Abbildung 4:
Schnittfläche eines großen Musterbalkens (ca. 16 mm x 15 mm)
sowie eines Altbalkens (ca. 120 mm x 145 mm)


Als Referenzmessung dient in diesem Fall erneut die Andichtung nur mit Luftdichtheitsklebeband ohne weitere Maßnahmen bezüglich der Rissabdichtung. Nach der Rissverfüllung mit eingespritzter Dichtmasse und Abklebung mit Klebeband wird beim großen Musterbalken eine Reduktion des Leckagevolumenstroms von 89 % erreicht, es verbleiben knapp 1,2 m³/h Leckagenvolumen. Beim Altbalken verbleiben mit der Methode noch knapp 0,4 m³/h, was einer Reduktion um 95 % entspricht. Mit der Methode „Reinacrylat-Dispersion“ (pastöse Masse) verbleiben beim großen Musterbalken knapp 0,5 m³/h, was einer Reduktion um sogar 96 % entspricht. Der Erfolg der Abdichtungsmaßname kann damit erwartungsgemäß auf diese größeren Balken mit anderen Rissgeometrien übertragen werden.

Mit dieser Übertragung der Abdichtungsmethoden kann die Größenordnung der in der Realität auftretenden Leckageströme abgeschätzt werden. Allerdings muss dabei berücksichtigt werden, dass die Messungen am Versuchsstand an vollständig freiliegenden Balken durchgeführt wurden. Es gibt kein Mauerwerk oder dergleichen, welches den Luftstrom nach dem Abdichtungsbereich behindern oder reduzieren würde; real treten daher ganz andere Leckagevolumenströme auf. In der Realität sind aufgrund von Windanströmung und Thermik an Gebäuden Druckdifferenzen von z.B. 3 bis 8 Pa zu erwarten; nur in Böen oder bei sehr hohen Gebäuden liegen die Werte höher. Zur Verwendung der Messwerte an realen Gebäuden mit solchen Druckdifferenzen müssen die Werte entsprechend heruntergerechnet werden.

Das Vorgehen zur erfolgreichen Balkenabdichtung lässt sich reduzieren auf die folgenden Arbeitsschritte:

  • Balken freilegen
  • Im Einbindungsbereich Balken reinigen
  • Risse verfüllen
  • Abdichtung Balken zur Wandebene ausführen

Voraussetzung ist dabei immer die Verwendung von geeigneten Materialien (Spezialprodukten). Die Entscheidung für die eine oder die andere Methode bzw. deren Kombinationen zur Holzbalkenandichtung bleibt immer der Einzelfallprüfung vorbehalten.

Abbildung 5:
Leckagevolumenstrom bei 50 Pa Druckdifferenz am alten „Realbalken“
und dem Musterbalken „groß“ mit den Abdichtungen
nur Klebeband (ohne Rissverfüllung), Klebeband + Dichtmasse
und der Speziallösung (Reinacrylat-Dispersion)


Literatur

[AkkP 32] Faktor 4 auch bei sensiblen Altbauten: Passivhauskomponenten + Innendämmung; Protokollband Nr. 32 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser Phase III; Passivhaus Institut; Darmstadt 2005

[Buildair 2013] Peper, S.; Bangert, A.; Rupps, W.; Bastian, Z.: Messungen zur Andichtung von Holzbalkenköpfen und Luftdichtheit von OSB-Platten. In: Tagungsband, 8. Internationales BUILDAIR-Symposium, 2013, Hannover

[DIN EN 12114] Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden; Luftdurchlässigkeit von Bauteilen, Laborprüfverfahren (April 2000)

[PHT 2012] Bangert, A.; Peper, S.; Bastian, Z.: Einbindung von Holzbalken in die luftdichte Ebene. In: Tagungsband 16. Internationale Passivhaustagung 2012, Hannover (Seite 531 - 536). Passivhaus Institut Darmstadt

[Peper et al. 2014] Peper, S.; Bangert, A.; Bastian, Z.; Rupps, W.: Einbindung von Holzbalken in die luftdichte Ebene. Forschungsbericht im Rahmen des EU Forschungsprojektes „3EnCult“, Efficient Energy for EU Cultural Heritage. Passivhaus Institut, Darmstadt, Januar 2014

Siehe auch

Übersicht der Passipedia-Artikel zum Thema „Luftdichtheit“

Übersicht der Passipedia-Artikel zum Thema „Altbausanierung“

Übersicht der Passipedia-Artikel, die im Rahmen des Projekts 3EnCult verfasst wurden

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