Sandwichbauteile - Vorgefertigt und im Verbund tragend

Sandwichelemente erfreuen sich aufgrund ihrer hohen Vorfertigung, der hervorragenden Wärmedämmung und der guten statischen Eigenschaften bei Bauherren und Planern immer größerer Beliebtheit. Wir erläutern die Nachweisverfahren für den praxisgerechten Einsatz und gehen in einem weiteren Teil des Beitrages (folgt demnächst) auf die europäische Normung ein.

Durch die einfache Montage auf der Baustelle und die guten
statischen und Wärmedämmkennwerte nimmt der Einsatz von
Sandwichelementen immer mehr zu.

Die in der Praxis verwendeten Sandwichbauteile bestehen meistens aus metallischen Deckschichten und einem Kern aus Kunststoff (zum Beispiel Polyurethan, Polystyrol) oder Mineralwolle. Die Deckbleche, die quasi eben (gesickt oder liniert) beziehungsweise trapezprofiliert sein können, sind durch Selbsthaftung oder Klebung schubfest mit der Kernschicht verbunden, so dass ein insgesamt tragender Verbund- oder Sandwichquerschnitt mit hoher Steifigkeit entsteht (Bilder 1 und 2).

Bild 1: Ausführungsvarianten von Sandwichbauteilen
nach Kernschichten

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Einsatzgebiete und Tragverhalten
Sandwichbauteile werden hauptsächlich als raumbildende und tragende Wand- und Dachbauteile eingesetzt. Sie sind somit wesentliche Konstruktionselemente eines Bauwerks. In Deutschland wurden 1999 etwa 12 bis 14 Millionen m² Dacheindeckungen und Wandverkleidungen aus diesen Elementen gebaut.

Werkstoff Stahlblech tN = 0,40 –1,00 mm, bs = 280 – 350 N/mm² Korrosionsschutz nach DIN 55928 Aluminium zum Beispiel: Al Mn Mg 0,5 tN = 0,50 – 0,70 mm Rp;0,2 = 140 – 220 N/mm² Kupfer zum Beispiel: SF – Cu Nr. 2.0090, tN = 0,50 – 0,70 mm Rp;0,2 = 280 N/mm² Holz plattenförmige Holzwerkstoffe zum Beispiel: Flachpressplatten nach DIN 68763 d = 8 mm

Bild 2: Ausführungsvarianten von Sandwichbauteilen nach Deckschichtene

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Der Vorteil der Sandwichbauteile besteht zunächst darin, dass sie baustellenkomplettierte Systeme sind, die als Wand- und Dachbauteile - in der Fabrik vorgefertigt - auf der Baustelle nur noch verlegt und befestigt werden müssen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser einfach und daher kostengünstig zu montierenden Sandwichtragwerke besteht darin, dass im Sinne des „integrierten Bauens“ die Kernschicht nicht nur als hervorragende Wärmedämmung wirkt, sondern durch den Verbund mit den Deckblechen auch erheblich die Steifigkeit und Tragfähigkeit der Bauteile erhöht wird.

So erreicht man zum Beispiel für ein (übliches) 80 mm dickes Wandbauteil mit quasi-ebenen, gesickten Deckblechen mit t_N = 0,5 mm und einem Polyurethan-Kern - je nach Bauteiltyp - zulässige Stützweiten von 5,0 bis 6,0 m (Gebäudehöhe < 8,0 m) und für ein Dachbauteil (oben trapezprofiliert, unten gesickt) bei einer Schneebelastung von 0,75 kN/m2 Stützweiten von 4,0 bis 6,0 m.

Wegen der Verwendung von Kernschichten aus Kunststoff beziehungsweise Mineralwolle, die sich hinsichtlich der Herstellung und der bautechnischen Anforderungen so günstig verhalten, sind bei der Beurteilung der Tragfähigkeit der Sandwichtragwerke und damit der Bemessung jedoch eine Reihe von Besonderheiten zu beachten.

So ist zum Beispiel bei der Beurteilung der Tragfähigkeit die Schubweichheit der Kernschicht (Bild 3) zu berücksichtigen und damit die „Theorie des elastischen Verbundes“ zu beachten. Dies ist eine Frage der sicheren Bemessung, da bei Ansatz des „starren Verbundes“ die Tragfähigkeit der Bauteile überschätzt würde. Außerdem sind aufgrund der Kombinationen verschiedener Materialien (zum Beispiel Metall/Kunststoff) besondere Einwirkungen zu berücksichtigen, die einen bedeutenden Einfluss auf das Tragverhalten haben.

Bild 3: Theorie des elastischen Verbundes

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Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung
Für den Einsatz von Sandwichbauteilen für Dach und Wand, bei denen die Verbundtragwirkung durch die schubfeste Verbindung der Deckbleche mit einem Kern angesetzt und genutzt wird, ist in Deutschland eine „Allgemein bauaufsichtliche Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik, Berlin (DIBt),“ erforderlich, da diese Bauteile in keiner Norm geregelt und in der Bauregelliste A und C nicht erfasst sind.

Mit den Festlegungen, die jeweils für einen bestimmten Bauteiltyp eines bestimmten Herstellers in dem Zulassungs-Bescheids erfasst sind, können praxisgerechte Nachweise für die Tragsicherheit und Gebrauchseignung ausreichend genau durchgeführt werden. Für die Berechnungen ist jedem Zulassungsbescheid eine allgemein gültige Anlage „A“ beigefügt, in der alle erforderlichen Nachweise für die Standsicherheit und Gebrauchseignung, vor allem aber auch die zu beachtenden Einwirkungen, aufgeführt sind. Falls die Nachweise mit den Rechenwerten und Widerstandsgrößen nach Anlage „B“ danach durchgeführt werden und die geforderten Sicherheiten eingehalten sind, kann davon ausgegangen werden, dass gegen die Verwendung dieser Bauteile keine Bedenken bestehen.

Besondere Einwirkungen
Bei Fassadenbauteilen und tragenden Wand- und Dachbauteilen sind als äußere Lasten die üblichen Einwirkungen aus Eigengewicht, Schnee und Wind anzusetzen (Bild 4). Zusätzlich sind jedoch, und dies gilt im Prinzip für alle Sandwichbauteile gleich welcher Nutzung, zwei weitere Einwirkungen von ausschlaggebender Bedeutung:
X Temperaturzwängungen durch die unterschiedlichen Deckblechtemperaturen und (insbesondere bei Kunststoffkernen) Kriechen durch die Schubbeanspruchung in der Kernschicht
X die zusätzlichen Beanspruchungen bei Temperaturänderung ergeben sich aus den Verformungen, die durch die Dehnungen in den Deckschichten auftreten. Es ist nachgewiesen und vor allem auch in den bauaufsichtlichen Zulassungen bei den Lastannahmen vorgeschrieben (Tabelle), dass bei Sandwichbauteilen mit metallischen Deckschichten und Kunststoffkern durch Sonneneinstrahlung an der äußeren Deckschicht in Mitteleuropa Temperaturen von 80°C entstehen können, während an den inneren Deckschichten infolge der guten Isoliereigenschaften der Kernschicht nur 25°C anzusetzen sind. Die Höhe der Temperaturen an der Außenschicht hängt von der Farbe ab. Im Winter sind außen beispielsweise -20°C und innen +20°C als Einwirkungsgrößen zu berücksichtigen.

Bild 4: Ausführungsvarianten von
Sandwichbauteilen nach Deckschichten

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Bei längerer Belastung zum Beispiel durch Eigengewicht und Schnee ist bei Sandwichbauteilen auf die Spannungsumlagerung in den Deckblechen durch das Schubkriechen der Kunststoffkernschicht zu achten. Kriechen bedeutet bekanntermaßen die Zunahme der Verformungen ohne Erhöhung der Belastungen. Durch die zusätzlichen Verformungen treten Spannungsumlagerungen auf, die bei der Bemessung der Sandwichbauteile berücksichtigt werden müssen.

Bei der Beurteilung der Tragfähigkeit der Sandwichbauteile dürfen der „Lastfall Temperatur“ und der „Lastfall Kriechen“ keinesfalls vernachlässigt werden, da die Spannungen aus diesen „besonderen“ Einwirkungen durchaus in der Größenordnung von denjenigen aus äußeren Lasten liegen können. Sie sind somit für die sichere Bemessung dieser Bauteile von ausschlaggebender Bedeutung.

Nachweis der Standsicherheit und Gebrauchsfähigkeit
Zur Durchführung der erforderlichen Nachweise der Standsicherheit und Gebrauchsfähigkeit sind in der Praxis zwei Verfahren denkbar, die ausdrücklich in den Zulassungen genannt werden und somit vorgeschrieben sind: Nachweis aufgrund typengeprüfter Stützweitentabellen oder projektbezogene Einzelnachweise.

Nachweise mit typengeprüften Stützweitentabellen
Für die praxisgerechte Bemessung der Bauteile, die aufgrund der Berechnungsverfahren und der Vielzahl der möglichen Lastfallkombinationen relativ aufwendig wird, sollten zunächst von jedem Hersteller Tabellen mit (typengeprüften) zulässigen Stützweiten zur Verfügung gestellt werden. Die Stützweiten müssen für den entsprechenden Einsatz als Dach oder Wand mit den zugehörigen Lastansätzen (zum Beispiel Schnee entsprechend den Schneelastzonen oder Wind in Abhängigkeit von der Gebäudehöhe) und den entsprechenden Farbklassen berechnet werden, so dass alle erforderlichen Nachweise erbracht sind.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass zusätzlich zu dem Nachweis, dass das Bauteil selbst mit ausreichenden Sicherheiten bemessen ist, folgende Nachweise zu führen sind (Bild 5):

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Nachweis der Auflagerpressung

Nachweis der Verbindungsmittel
a) Nachweis der Tragfähigkeit der Verbindungen
(insbesondere für abhebende Beanspruchungen,
den Rand- Eckbereichen)

b) Nachweis der Schraubenkopfauslenkung
(infolge unterschiedlicher Deckblech-Temperaturen)

Bild 5: Zusätzlich zu den Typenprüfungen erforderliche Nachweise

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- Nachweis der Befestigungen, insbesondere für abhebende Beanspruchungen durch Windsog und Temperaturzwängung, auch in Rand- und Eckbereichen der Gebäude, nach Abschnitt 7.7 der Zulassung, Anlage A
- Nachweis der Auflagerpressung (Druckfestigkeit der Kernschicht) nach Abschnitt 7.2.1.4 und 7.3 der Zulassung, Anlage A, aufgrund der Auflagerkräfte durch Auflasten, einschließlich der Zwängungskräfte durch Temperatur
- Nachweis der Schraubenkopfauslenkung durch unterschiedliche Deckblech-Temperaturen nach Abschnitt 7.7.2 der Zulassung, Anlage A.

Einzelnachweise
Für spezielle Projekte (zum Beispiel unterschiedliche Stützweiten) oder Nutzungen (zum Beispiel Tiefkühllager) ist für den praxisgerechten Einsatz eine projektbezogene Einzelbemessung auf der Grundlage der Anlage A der bauaufsichtlichen Zulassungen durchzuführen. Die genaue Darstellung der einzelnen Nachweise würde den Rahmen dieses Beitrages sprengen. Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass ausreichende Erläuterungen und ausführliche Beispiele für die nach der bauaufsichtlichen Zulassung geforderten Nachweise in der Literatur, zum Beispiel in [1] bis [13], dargestellt sind.

Prof. Dr. Klaus Berner,
Professor an der FH Mainz für Stahlbau,
Holzbau und Statik

Deckschichtentemperatur Innenseite
Im Regelfall: θ_I = 20°C im Winter θ_I = 25°C im Sommer

Deckschichttemperatur Außenseite

Bild 6: Temperaturbeanspruchung (Auszug aus den allgemein
bauaufsichtlichen Zulassungen, Anlage A)

Literatur

[1] Stamm, K., Witte, H.: Sandwichkonstruktionen. Springer- Verlag, 1974
[2] Berner, K.: Stahl/PUR-Sandwichtragwerk unter Temperatur- und Brandbelastung. TH Darmstadt, 1978
[3] Stamm, K.: Sandwichelemente mit metallischen Deckschichten als Wandbauelemente und Dachbautafeln im Bauwesen. Stahlbau (5 und 8) 1984
[4] Schwarze, K.: Numerische Methoden zur Berechnung von Sandwichelementen. Stahlbau (12) 1984
[5] Langlie, C.: Berechnung von Sandwichelementen mit ebenen metallischen Deckschichten. Stahlbau (10) 1985
[6] Jungbluth, O., Berner,K.: Verbund- und Sandwichtragwerke. Springer-Verlag, 1986
[7] Wölfel, E.: Nachgiebiger Verbund. Eine Näherungslösung und deren Anwendungsmöglichkeiten. Stahlbau (6) 1987
[8] Berner, K.: Erarbeitung vollständiger Bemessungsunterlagen im Rahmen bautechnischer Zulassungen für Sandwichbauteile. Forschungsvorhaben DIBt, Berlin, 1995
[9] Berner, K.; Hassinen, P.: Present Design Methods of Leightweight Sandwich Panels. Nordic Steel Construction Conference, 1995
[10] Berner, K.: Praxisgerechte Nachweise zur Trag- und Gebrauchsfähigkeit von Sandwichbauteilen. Stahlbau (12) 1998
[11] Koschade, R., Berner, K., u. a.: Die Sandwichbauweise. Ernst & Sohn, Verlag für Architektur und techn. Wissenschaften GmbH, Berlin, 2000
[12] Berner, K., Gruber P.: Handbuch zum Programm SandStat 3. Ingenieurbüro Berner & Gruber GmbH, Darmstadt, 1998 / 2000
[13] Davies J. M. (Hrsg.), Berner, K., u. a.: Lightweight sandwich construction. Blackwell Science Ltd., Oxford, 2000

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