Sandwichbauweise im Aufwind

Vom Gros der Architekten und Planer fast unbemerkt, konnte sich die Sandwichbauweise in den letzten 50 Jahren zu einer besonders wirtschaftlichen Bauweise entwickeln, die heute auch hohen architektonischen Ansprüchen genügt. Während sich viele Bereiche des Bauwesens jährlich mit -5% bis -10% in bedenklichem Tempo ihrer Talsohle nähern, verzeichnet die Sandwichbauweise Zuwächse von +5% p.a. und sogar darüber. Heute werden etwa 64 Millionen Quadratmeter Dach- und Fassadenelemente in Europa p.a. hergestellt und eingebaut. Diese Fläche lässt sich besser vorstellen, wenn man sie mit bekannten Einheiten vergleicht. Etwa 10.000 Fußballfelder sind erforderlich, um diese Fläche auszufüllen. Man könnte auch den gesamten Hausbestand einer Großstadt wie Köln für den Vergleich heranziehen. Das sind etwa 55.000 Einfamilienhäuser und 65.000 Mehrfamilienhäuser. Setzt man eine durchschnittliche Fläche für Fassade und Dach mit je 500 m² an, dann sind das etwa 60 Mio. m². Dieser beträchtlichen Flächenzahl steht aber nur eine relativ kleine Zahl an Architekten gegenüber, die sich bislangintensiv mit der Sandwichbauweise auseinandergesetzt hat.

Abbildung 9.1.1 Symbolträchtiger Vergleich der Sandwichbauweise zum Lego-Baukasten: Verwaltungsbau im Legolandpark bei Windsor, Großbritannien (1996) - Architekten: Wimberley, Allison, Torry & Goo

  top

In Hinblick auf diesen Trend dürfte es sowohl im ureigenen Interesse als auch in der Sorgfaltspflicht der Planer liegen, sich mit der Sandwichbauweise näher zu beschäftigen. Bislang war dies in erster Linie nur über die herstellende Sandwichindustrie möglich, denn an Hochschulen, in Fachzeitschriften und in der Fachliteratur war von der Existenz der Sandwichbauweise kaum etwas zu spüren. Aus einer Marktrecherche bei 2.000 Architekten in Deutschland ist zu ersehen, dass bei vielen Architekten und Bauingenieuren aus den erwähnten Gründen wenig Detailwissen zur Sandwichbauweise, aber auch der erklärte Wunsch zu besserer Information vorlag. Nahezu die Hälfte der Architekten gab an, dass sie mit der Sandwichbauweise keinerlei Erfahrung hätte. Dieses Erfahrungsdefizit ist keinesfalls auf Deutschland beschränkt, auch in anderen europäischen Ländern, kann man ähnliche Situationen feststellen.

Abbildung 9.1.2 Etwa die Hälfte der befragten Architekten hat mit der Sandwichbauweise keine Erfahrung

Die Gesamtentwicklung hat dazu geführt, dass die Sandwichbauweise heute bereits etwa 6 bis 7 % aller Bauweisen ausmacht. Viele Anzeichen sprechen dafür, dass sich dieser Anteil in den nächsten Jahren weiter erhöhen wird. Seriöse Schätzungen gehen dahin, dass die Sandwichbauweise in den nächsten Jahren etwa 12 bis 13 % aller Bauweisen einnehmen wird. Dies käme etwa eine Verdoppelung der aktuellen Zahlen gleich.
Worin liegen nun die Gründe für diesen europaweiten Trend zur Sandwichbauweise? Offensichtlich hat diese Bauweise Vorteile zu bieten, die Bauherren und auch immer mehr Architekten überzeugen. Dieser Beitrag geht in der gebotenen Kürze auf die wichtigsten Eigenschaften moderner Sandwichbauweise ein.

Eine ausführliche Behandlung bietet das Fachbuch "Die Sandwichbauweise" von Rolf Koschade, erschienen im August 2000 beim Verlag Ernst & Sohn, Berlin (die englische Ausgabe wird voraussichtlich Oktober 2001 beim Verlag A. Wiley Company erscheinen). stellt auf ca. 400 Seiten mit über 500 Abbildungen und zahlreichen Tabellen die Sandwichbauweise mit industriell vorgefertigten Sandwichelementen, bestehend aus metallischen Deckschichten und Polyurethan-Hartschaumkern, ausführlich vor.

  top

Abbildung 9.1.3 Weltweit ist es das erste Fachbuch zur Sandwichbauweise, das Architekten, Tragwerksplanern, Statikern, Montagebauern und Bauherren als nützliches Handbuch für Planung und Durchführung, als Nachschlagwerk und als Anregung für Architekturbeispiele dienen soll.

Vassilis Sgoutas, Präsident der UIA (UNION INTERNATIONALE DES ARCHITECTES), beschreibt diese Buch u.a. in seinem Geleitwort: "In dieser Veröffentlichung werden unterschiedliche Anwendungen von Sandwichelementen vorgestellt. Offensichtlich stößt die Verwendung von Sandwichelementen in ganz neue Dimensionen vor, wenn ihr das kreative Flair der Architekten zur Seite gestellt wird, deren Werke wir hier bewundern können. Die UIA begrüßt die Initiative zur Veröffentlichung diese Buches..."

Sandwichelemente der neuen Generation

Sandwichelemente verfügen durch den Verbund korrosionsgeschützter metallischer Deckschichten mit werkseitiger Kerndämmung aus Polyurethan-Hartschaum über eine nützliche Kombination mechanischer und bauphysikalischer Eigenschaften. Außerdem verhalten sie sich bei der Montage sehr unproblematisch. Durch kontinuierliche Fortschritte in der Profilierung, bei der Verbindungstechnik sowie im Design wurden die Anwendungsmöglichkeiten und -techniken gezielt verbessert, so daß heute eine völlig neue Generation von Bauelementen mit langlebigen Eigenschaften zur Verfügung steht. Unterschiedliche Profilierungen (trapezprofilierte, gesickte, linierte, mikrolinierte und ebene Elemente), sowie unterschiedliche Deckschichtmaterialien (Stahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer), Oberflächenstrukturen und Farbbeschichtungen bieten dem Architekten heute ein breites Spektrum für die Gestaltung.

  top

Abbildung 9.1.4 Variable Oberflächenstrukturen von Sandwichelementen - L: liniert, S: Sicken; TW: Trapezprofil Wandelement; TD: Trapezprofil Dachelement; W: Wellen; M: Mikrolinierung; E: Eben;

Bauteilsysteme, Formteile, Türen und Fenster

Die marktführenden Sandwichhersteller Europas haben sich über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten von der Produktion einzelner Bauteile hin zu Anbietern kompletter Baukastensysteme entwickelt.
In den letzten zwei Jahrzehnten wurde diese Entwicklung in besonderem Maße auch von den Anforderungen der gestaltenden Architektur mitbestimmt. Entsprechend erweiterte sich der zunächst auf wirtschaftliche Elemente ausgerichtete Bauteilkatalog um Sandwichsysteme und Konstruktionszubehör, die eine gestaltungsreiche, ästhetische Architektur ermöglichten. Umfangreiche Formteile, wie z.B. Bogen- und Eckelemente für Dach und Fassade, ergänzen die Sandwichsysteme zu Baukastensystemen für variantenreichere Architektur.

Abbildung 9.1.5 Variable Fugengeometrie von Sandwichelementen:
1: schmale Schattenfuge mit sichtbarer Befestigung;
2: schmale Schattenfuge mit verdeckter Befestigung;
3: ohne Fuge im Rhythmus der Trapezprofilierung - mit sichtbarer Befestigung;
4: ohne Fuge, durch Überlappung der Hochsicke;
verdeckte Befestigung eines Dachelements

  top

Abbildung 9.1.6 Besondere Formteile ermöglichen heute anspruchsvollere Architektur

Abbildung 9.1.7 Beispiele für integrierbare Fenster in Sandwich-Fassadenelementen

Abbildung 9.1.8 Diese Edelstahl-Schiebetüre in Sandwichbauweise für Kühl und Tiefkühlhäuser ist nur ein Beispiel von zahlreichen Bauelementen, mit der die Sandwichbauweise zu einem kompletten Baukastensystem wird

  top

Die Funktionalität dieser Bauelemente wurde ebenfalls weiterentwickelt. Es stehen heute Sandwichsysteme mit integrierten Bauelementen wie beispielsweise Fenster, Belichtungselemente, Entlüftungsrohre, Belüftungselemente, Attikabauteile, Regenrinnen, Türen, Tore, Solartechnik etc. zur Verfügung. In den meisten Fällen verfügen die Sandwichhersteller auch über ein umfangreiches Produktionsprogramm von Metallbauteilen, Spezialprofilen und Formteilen, die sich mit Sandwichsystemen kombinieren lassen.

Sandwicheffekt - Tragverhalten

Legt man eine Dämmplatte und zwei dünne metallische Deckschichten lose auf zwei Auflager, dann werden sich die einzelnen Elemente, vor allem die metallischen Deckschichten, allein durch ihr Eigengewicht unübersehbar durchbiegen. Durch die Sandwichtechnologie, bei der man diese beiden metallischen Deckschichten kraftschlüssig mit der Kerndämmung Polyurethan-Hartschaum verschäumt, entsteht ein leichtes Bauelement mit ausgezeichnetem Tragverhalten.

Abbildung 9.1.9 links: lose Schichten - rechts: verschäumte Schichten eines Sandwichelements bieten tragfähige Eigenschaften und Eigensteifigkeit durch schubfeste Verbindung zwischen Dämmkern und Deckschichten

Abbildung 9.1.10 Vergleich der Durchbiegung eines 50 mm dicken Sandwichelements mit einem 50 mm dicken Holzbalken bei 3.000 mm Stützweite

  top

Ein praxisnaher Vergleich mit dem bekannten Werkstoff Holz verdeutlicht den Nutzen: Ein drei Meter langer Vollholzbelag, wie man in beispielsweise im Gerüstbau für Gerüstgruppe 3 als Gerüstboden einsetzt, benötigt bei einer Punktlast von 1,5 kN zur Einhaltung einer maximalen Durchbiegung von 20 mm etwa 50 mm Dicke und er muss mehrschichtig verleimt sein, um diese Anforderung zu erfüllen. Dies führt bei einer Belagbreite von 500 mm zu einem Gewicht von 45 kg. Demgegenüber biegt sich ein Sandwichelement von 50 mm Dicke bei gleichen Konditionen nur 16 bis 17 mm durch, es hat außerdem nur 18 kg Gewicht. Das Sandwichelement bietet eine Gewichtseinsparung von 60%. Dieser Gewichtsvorteil macht sich bei Transport, Montage und Dimensionierung der Tragkonstruktion vorteilhaft bemerkbar.
Durch den Sandwicheffekt besitzen Sandwichelemente eine ausgezeichnete Biege- und Torsionssteifigkeit und sind aufgrund ihrer hohen Eigensteifigkeit nicht nur selbsttragend. Sie können trotz ihres leichten Gewichts je nach statischem System und Dimensionierung sogar erhebliche Lasten tragen. Aus diesem Grund lassen sich Sandwichelemente als anspruchsvolle Fassadengestaltung und sichere Bedachung in einem sehr breiten Anwendungsspektrum des Bauwesens einsetzen. Grundsätzlich eignen sich Sandwichelemente für alle Leicht- und Mischbauweisen und können auf unterschiedlichste Tragwerke wie Stahlbeton, Stahl, Aluminium oder Holz montiert werden.

Design, Technik, Ökonomie und Ökologie

Abwehrende Aussagen wie: "Mit der Sandwichbauweise könne man keine anspruchsvolle Gestaltung erzielen", dürften entweder in die Zeit der 60iger Jahre oder in das Reich der Vorurteile gehören. Hunderte von Farben, eine Vielfalt von Oberflächenstrukturen und Profilierungen sowie eine breite Palette an systemgerechtem Konstruktionszubehör bieten sich heute dem Architekten, der sich mit moderner Sandwichbauweise beschäftigt. Kreative Architekten der 90er Jahre bewiesen mit ihren Bauwerken in ganz Europa, welche gestalterischen Spielräume die Sandwichbauweise erlaubt, wenn man ihre Möglichkeiten konsequent nutzt. Aus einer großen Anzahl weltweiter Architekturbeispiele werden hier stellvertretend drei Gebäude mit unterschiedlicher Nutzung aufgezeigt:

Abbildung 9.1.11 Um das 276.000 m³ große Bauvolumen der bis zu 46 m hohen Müllverbrennungsanlage ROTEB in Rotterdam in unmittelbarer Nähe eines Wohnviertels in Rotterdam human zu gestalten, bediente sich der niederländische Architekt Maarten Struijs einer Fassade mit gebogenen silbermetallischen Sandwichelementen und abgerundeten Ecken. Das 1993 bis 1994 errichtete Bauwerk reflektiert das Sonnenlicht im Ablauf des Tages und schafft ein sich stets veränderndes Spiel zwischen Licht und Schatten.

  top

Abbildung 9.1.12 Die Flughafen-Betreibergesellschaft SEA führte 1996 die komplette Fassade des neuen Mailänder Flughafens "Malpensa 2000" in Sandwichbauweise aus. Die Wandelemente mit einer Fläche von insgesamt 50.000 m² haben eine äußere Aluminiumdeckschale in den Farbtönen Hellelfengelb, Tannengrün und Cremeweiß.

Abbildung 9.1.13 Von 1996 bis 1998 wurden auf dem ehemaligen Flughafengelände München Riem 13 Ausstellungshallen für die Neue Messe München in Sandwichbauweise errichtet. Die gerundeten, weißaluminiumfarbenen Sandwichkonstruktionen erinnern an die aerodynamische Form von Flugzeugtragflächen (Entwurfsarchitekten: Bystrup, Bregenhøj & Partner, Dänemark; Ausführung: Planungsgemeinschaft Kaup, Scholz, Jesse und Obermeyer, Deutschland).

  top

Wärme- und Feuchteschutz

Bei den hier vorgestellten Bauwerken war ein hoher Wärmeschutz ohne aufwendige Baukonstruktionen gefordert. Durch Kerndämmung der Sandwichelemente aus PUR-Hartschaum wird der geforderte Wärmeschutz bereits mit relativ geringen Wanddicken erreicht. In einem Spektrum von 60 bis 140 mm Dicke können sämtliche Anforderungen der Wärmeschutzverordnung und auch die derzeit diskutierten verschärften Anforderungen des Entwurfs zur EnEV 2000 erfüllt werden.

Abbildung 9.1.14 Relation zwischen Erhöhung des Wärmeschutzes, Gewichtszunahme, Zunahme der Gesamtkosten und jährlicher Einsparung an Heizöl bei Sandwichelementen

Abbildung 9.1.15 Kombination von Sandwich-Dachelementen mit Solartechnik

  top

Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass selbst bei 100% Erhöhung des Wärmeschutzes sich bei der Sandwichbauweise die Gesamtkosten für Material und Montage nur um etwa 10% erhöhen. Innovationen bieten zusätzliche funktionale und architektonische Möglichkeiten. Ein Beispiel ist die Kombination von Solarmodulen mit Sandwichelementen, die am Markt in verschiedenen Design-Varianten erhältlich sind.

Nicht minder wichtig für den Wärme- und Feuchteschutz sowie für die Qualität der Raumklimate sind Luftdichtheit, Feuchteschutz und Schlagregenschutz der Gebäudehülle. Die Verbindungstechnik moderner Sandwichelemente ermöglicht heute eine Qualität der Elementverbindungen, die bis zu 100 mal so dicht sind wie hochwertige Fensterkonstruktionen. Sandwichelemente sind aufgrund ihrer metallischen Deckschichten wasserdampfdiffusionsdicht. Auch die Verbindung der Elemente lässt sich im Bedarfsfall durch geeignete Dichtungssysteme wasserdampfdicht ausbilden. Aus diesem Grund hat sich die Sandwichbauweise ja auch in der Kühl- und Kältetechnik so ausgezeichnet bewährt.

Witterungs- und Korrosionsschutz

Witterungs- und Korrosionsschutz nehmen hohen Einfluss auf Lebensdauer und Wartungsfreiheit der Gebäude. In den letzten Jahrzehnten wurde der Korrosionsschutz für metallische Deckschichten von Sandwichelementen so perfektioniert, dass man heute je nach Standort von einer Lebensdauer über mindestens ein bis zwei Generationen ausgehen kann. Bei den hier vorgestellten Beispielen kamen neben Stahlprofilen mit hochwertigen Duplex-Systemen auch Aluminium-Deckschichten mit organischer Beschichtung zum Einsatz.

Abbildung 9.1.16 Beispiel für den Korrosionsschutz von Sandwichelementen mit Duplex-Systemen

  top

Vorbeugender Brandschutz

Unter konsequenter Beachtung des konstruktiven Brandschutzes sowie der gültigen Brandschutzanforderungen und Sicherheitsbestimmungen kann man die Sandwichbauweise auch aus Sicht des Brandschutzes zu den sicheren und bewährten Bauweisen zählen. Das gesamte Element ist in der Regel schwerentflammbar (B1 nach DIN 4102). Eine zusätzliche Schutzfunktion gegen Einwirkung von Flammen bieten die umhüllenden metallischen Deckschichten einschließlich der Fugen.

Abbildung 9.1.17a - 9.1.17c Ablauf eines SBI-Tests zur brandschutztechnischen Klassifizierung von Sandwichelementen vom 4. Februar 2000 in der MFPA Leipzig: Die Sandwichelemente tragen nicht zur Aufrechterhaltung des Brandes bei. Das Feuer erlischt nach dem Entfernen der Beflammungsquelle.

  top

Schallschutz

Leichte Bauteile verfügen naturgemäß immer über eine geringere Schalldämmung als schwere Bauteile. Dies bedeutet jedoch nicht, dass man bei Leichtbauweisen auf Schallschutz verzichten muss. Sandwichelemente mit einer Dicke von 60 mm haben ein "Bewertetes Schalldämm-Maß R'w von ca. 25 dB. Für zahlreiche Einsatzbereiche im Industrie- und Hallenbau wird dieses Schalldämm-Maß ausreichen. In lärmsensiblen Zonen des Verwaltungs- oder Wohnungsbaus kann der Planer durch entsprechende Konstruktionsmaßnahmen mit vorteilhaften Baustoffen und Bauteilen den jeweils erforderlichen Schallschutz im Sinne eines optimalen Zusammenwirkens von Schalldämmung und Schallabsorption erzielen.

Wirtschaftlichkeit

Eine freie Wahl der Tragkonstruktion (Holz, Stahl, Aluminium, Stahlbeton) erlaubt es dem Planer auf die regionalen Gegebenheiten und auf die Wünsche der Bauherren einzugehen. Aufgrund der leichten, jedoch sehr stabilen Elemente lässt sich die Tragkonstruktion wirtschaftlich dimensionieren. Im Vordergrund vieler Bauprojekte stehen Produktivität und kurze Bauzeit. Der Verbundnutzen von hohem Vorfertigungsgrad, rationeller Rasterplanung mit großflächigen Bauelementen, leichtem Gewicht und schneller Montage wirkt sich bei der Sandwichbauweise sehr vorteilhaft aus. Ein Zahlenbeispiel mag dies verdeutlichen: So wurde das Handelszentrum von Argos in Stafford, Großbritannien, ein 384.000 m³ großer, 8 m hoher Industriebau mit 48.000 m² Dachfläche einschließlich Tragkonstruktion innerhalb von fünf Arbeitswochen komplett errichtet. Das handwerklich einfache Montageprinzip (Steckverbindung und Verschraubung an der Unterkonstruktion) kann auch bei Umbau- und Erweiterungsmaßnahmen für spürbare Kosten- und Zeiteinsparung sorgen.

Abbildung 9.1.18 Ökologische Energiebilanz zur Kerndämmung von Sandwichelementen für eine Nutzungsdauer von 35 Jahren

  top

Ökologie

Bei vorsichtiger Einschätzung des Energieeinsparungspotentials eines Sandwichelements, kann über die Nutzungsdauer einer Generation mindestens das 40fache zur eingesetzten Herstellenergie der Kerndämmung PUR-Hartschaum an Heizenergie und mindestens das Doppelte der Investitionskosten für die Sandwichbauweise eingespart werden.

Mit der Einsparung an Ressourcen und Kapital geht gleichzeitig auch eine entsprechend hohe Reduktion der Emissionen einher, wie sie durch die Verbrennung von Heizöl oder anderen organischen Brennstoffen entsteht. Auch nach ihrem Lebenszyklus als Sandwichelemente lassen sich die Werkstoffe Metall und PUR-Hartschaum einer ökologisch und ökonomisch sinnvollen Verwertung zuführen. Für Polyurethan-Hartschaum wird neben dem Energierecycling mit einer Energierückgewinnung von etwa ca. 34% der gesamten Herstellenergie zur thermischen Nutzung auch Werkstoffrecycling betrieben, das der Bauindustrie zu interessanten Produkten mit neuen Werkstoffeigenschaften verholfen hat.

Summa summarum hat sich die Sandwichbauweise aufgrund einer Symbiose von Design, Technik, Ökonomie und Ökologie zu einer interessanten Alternative für die Architektur entwickelt.

Autor: Rolf Koschade

  top