Energetische Qualität von Gebäudehüllen in Stahl-Sandwichbauweise

Kuhnhenne, Markus; Feldmann, Markus

doi:30498

Energetische Qualität von Gebäudehüllen in Stahl-Sandwichbauweise = Energy performance of building envelopes using steel sandwich panels

Kuhnhenne, Markus (Author)

2009 & 2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Markus Kuhnhenne

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

Umfang183 S. : Ill., zahlr. graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zsfassung in dt. und engl. Sprache. - Prüfungsjahr: 2009. - Publikationsjahr: 2010

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Feldmann, Markus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-10-16

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-33978
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63295/files/3397.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Stahl- und Leichtmetallbau und Institut für Stahlbau (311710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Energieeffizienz (Genormte SW) ; Nachhaltigkeit (Genormte SW) ; Bauphysik (Genormte SW) ; Wärmeschutz (Genormte SW) ; Energieeinsparung (Genormte SW) ; Luftdichtheit (Genormte SW) ; Stahlbau (Genormte SW) ; Leichtmetallbau (Genormte SW) ; Leichtbau (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Metallleichtbau (frei) ; Nachhaltiges Bauen (frei) ; Building Physics (frei) ; Sustainable Construction (frei) ; Lightweight Metal Construction (frei) ; Steel Sandwich Panels (frei) ; Air-tightness (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das energieeffiziente und nachhaltige Bauen verlangt nach einer möglichst präzisen Kenntnis aller Einzelgrößen der energetischen Qualität von Gebäudehüllen. Bisher existieren keine wissenschaftlichen Untersuchungen zur energetischen Qualität von Gebäudehüllen in Stahl-Sandwichbauweise und deren Einfluss auf den Energiebedarf von Gebäuden. Es fehlt die genaue Kenntnis nahezu aller Einzelgrößen, die die energetische Qualität bestimmen. Damit kann diese bisher nicht bewertet und optimiert werden sowie ihre Auswirkung auf den Energiebedarf des Gebäudes bestimmt werden. Diese Arbeit behandelt systematische Untersuchungen des Wärmeschutzes und der Luftdichtheit um mit den ermittelten Kenngrößen zu einer präzisen Beurteilung der energetischen Qualität von Gebäuden in Stahl-Sandwichbauweise zu kommen. Anhand des Beispiels von ausgewählten Mustergebäuden in Stahl-Sandwichbauweise wird die Konsistenz der Verordnungen, Normen, Prüfstandards und Herstellererklärungen überprüft und es werden Vorschläge für eine Verbesserung der Nachweissituation entwickelt. Die Arbeit konzentriert sich auf die im Wesentlichen durch die konstruktive Ausbildung der Produkte und Detailkonstruktionen von Anschlüssen steuerbaren Fragen der Wärmebrücken und Luftdichtheit. Dabei werden konkrete Empfehlungen für die Planung, Bemessung und Ausführung von Stahl-Sandwichkonstruktionen erarbeitet. Die Untersuchungen haben ergeben, dass die genaue Bestimmung der Wärmebrückenwirkung im thermischen Einflussbereich metallener Elemente der Gebäudehülle nur mit Hilfe numerischer Verfahren möglich ist. Die Bestimmung der Fugendichtheit von Konstruktionen des Metallleichtbaus ist sicher reproduzierbar und wirtschaftlich derzeit nur mit Hilfe von experimentellen Verfahren möglich. Die Ergebnisse der systematischen Untersuchungen zeigen, dass die maßgeblichen Kriterien bei der Bewertung des Wärmeschutzes und der Luftdichtheit von Stahl-Sandwichkonstruktionen die Einhaltung der Einzelanforderungen an die Fugendichtheit und den Mindestwärmschutz darstellen. Werden diese Einzelanforderungen eingehalten und werden Stahl-Sandwichelemente mit einer Bemessungsdicke von mindestens 120 mm verwendet, sind nahezu wärmebrückenfreie und sehr luftdichte Gebäudehüllen realisierbar. Die Längsfugen von Stahl-Sandwichelementen sollten so weiterentwickelt werden, dass sicher luftdichte Längsfugen auch bei Variation der Fugenbreite hergestellt werden können. Dabei sollte das Toleranzmaß vertikal und horizontal aus baupraktischen Gründen mindestens 5 mm betragen. Die Produktnorm für Stahl-Sandwichelemente DIN EN 14509 sollte unter Beachtung der Erkenntnisse dieser Arbeit in den Themenbereichen „Wärmedurchgang“ und „Luftdurchlässigkeit“ vollständig überarbeitet werden. Grundsätzlich sollten in Zukunft im Metallleichtbau nur noch wärmetechnisch optimierte und dauerhaft luftundurchlässige Konstruktionen verwendet werden. Dazu ist die Entwicklung von wärmebrückenreduzierten und in Bezug auf die Luftdichtheit optimierten fehlertoleranten Konstruktionen in Metallleichtbauweise notwendig. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Wärmebrückenatlas der Stahl-PUR-Sandwichbauweise sollte in den nächsten Jahren auf alle Konstruktionen des Metallleichtbaus ausgedehnt werden. Mit der in dieser Arbeit vorgestellten Vorgehensweise, den gewählten Verfahren und Methoden sowie den erzielten Ergebnissen können über die untersuchte Bauweise hinaus weitere Elemente und Konstruktionen des Metallleichtbaus untersucht und hinsichtlich der wärmetechnischen und energetischen Qualität bewertet werden. Dadurch wird diese Arbeit zu einem grundsätzlichen Beitrag zum energieeffizienten und nachhaltigen Bauen mit Konstruktionen des Metallleichtbaus.

The design of energy-efficient and sustainable buildings requires the knowledge of all relevant parameters for the energetic quality of building envelopes. So far, there is no scientific background for the determination of the energetic quality of building envelopes made of steel sandwich panels and its influence on the energy demand for buildings available. In particular the numerical values of the parameters governing the energetic quality are not known. Therefore, the energetic quality, so far, cannot be assessed and optimized and its effect on the energy demand for a building cannot be determined. This work gives a systematic analysis of the thermal protection and air-tightness of buildings to obtain the necessary parameters and their qualities for an accurate rating of the energetic quality of buildings made of steel sandwich panels. For particular reference buildings with envelopes made of steel sandwich panels the consistency of directives, design standards, test standards and declarations of producers are checked and proposals are made for improving the situation for assessments. The work focuses on the design and structural detailing of steel sandwich products and their connections that govern the formation of thermal bridges and the air-tightness. This leads to recommendations for the structural design and execution of steel sandwich structures. The analysis has shown that an accurate determination of the effects of thermal bridges caused by metallic components in the building envelope requires the use of finite element methods. The determination of the air-tightness of joints between steel components in reproducible and economic way is only possible by experimental tests. A conclusion of the systematic analysis is that the relevant criteria for the assessment of the thermal protection and air-tightness of steel sandwich panels are the local requirements of air-tightness of a joint and the minimum requirements for thermal protection. Where these local and minimum requirements are met and the thickness of the sandwich panels is greater or equal to 120 mm, the building envelopes are practically free of thermal bridges and air-tight. The longitudinal joints of steel sandwich panels should be further developed in such a way that they are air-tight not only for full fit but for a certain variation of the gap in the joint. The variation should be limited by a vertical and horizontal tolerance of equal or more than 5 mm. The product standard for steel sandwich panels EN 14509 should be completely revised as far as “heat transfer” and “air-tightness” are concerned taking the results of this work into account. In future, light weight steel buildings should be all optimized in view of heat transfer and durable air-tightness. To this end, the products and joints should be further developed to reduce thermal bridges and to tolerate imperfections of fit of joints. The atlas for structural detailing to reduce thermal bridges for steel polyurethane sandwich panels as developed in this work should be extended to all structural solutions for light weight metal buildings. The procedure presented in this work and the results obtained for steel sandwich components permit to assess the energetic quality of building envelopes made of any other light-weight metal component. Therefore, this work may be considered as a basic contribution to energy efficient and sustainable construction of any building made of light weight metal components.

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