IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 8/2002, Seite 46 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Integrale Planung - Anspruch nur für den Architekten?

Teil 2: Woran auch der Technische Gebäudeausrüster denken sollte

Dr.-Ing. Michael Günther*

Im Zusammenhang mit dem Planen und Bemessen thermisch aktiver Fußbodenflächen ist der Fugenplan auch für den Technischen Gebäudeausrüster relevant. Die Heiz- bzw. Kühlkreise sind bekanntermaßen so anzuordnen, dass lediglich deren Anbindeleitungen die Bewegungsfugen kreuzen. Welche technischen Bestimmungen es darüber hinaus einzuhalten gilt, darüber informiert der abschließende zweite Teil des Beitrags.

Nach den Regeln der Baukunst ist der Bauwerksplaner für den Fugenplan verantwortlich. Vielleicht wird dabei gelegentlich das Wort Baukunst zu wörtlich genommen und der Fugenplan entsteht gegen Mitternacht auf dem Rest des Transparentpapiers. Wenn dieser Entwurf - wie in Bild 10 dargestellt - einschließlich der vielfältigen Planungsänderungen dennoch die Ausführungsplanung für Heizungsmonteur und Estrichleger darstellt, kann keine einwandfreie Werkleistung erwartet werden. Erschwerend kommen außerdem mitunter unterschiedliche sowie teilweise veraltete und falsche Auffassungen der Estrich- und Bodenleger hinzu.

Bild 10: Im Zusammenhang mit dem Errichten eines modernen "Millionenbauwerks" dem ausführenden Technischen Gebäudeausrüster vorgelegter Bewegungsfugenplan.

Es ist dem Technischen Gebäudeausrüster also anzuraten, die Grundkenntnisse des Fugenplanens zu erwerben und Einfluss auf den Bauwerksplaner auszuüben. Die Ausrede, bei nicht bauwerksintegrierten Systemen davon befreit zu sein und deshalb deren Planung zu bevorzugen, ist unsinnig. Einerseits sollte der eigene ingenieurtechnische oder handwerkliche Anspruch dazu führen, sich mit diesen relativ einfachen Prinzipien zu befassen. Andererseits gehören Physik und Technische Mechanik (als Grundlagen auch des Planens der Bodenkonstruktion) zum Ausbildungsprofil des Technischen Gebäudeausrüsters.

Bild 11: Sanierter Riss in der Verschleißschicht einer beheizten Fußbodenkonstruktion mit ungünstigen Seitenverhältnissen.

Fallbeispiel 1 - Planung der Bewegungsfugen

Folgende Grundregeln des Planens von Bewegungsfugen sind einzuhalten:

Bild 11 zeigt einen sanierten Riss in einer beheizten Bodenplatte mit einem ungünstigen Seitenverhältnis. Der entstandene Riss ist auch hierbei eine ungeplante Fuge.

Bild 12: Bestimmen des Schwerpunktes zergliederter geschlossener Flächen zum Entscheid über Bewegungsfugen bei Calcium-Sulfatestrichen/43/.

Fallbeispiel 2 - Ausdehnung der thermisch aktiven Lastverteilschichten

Das Bemessen der Breite von Bewegungsfugen, Randstreifen und estricheingebetteten Einbauteilen wie z.B. Elektro-Kanalsysteme (Bild 13) setzt Betrachtungen zur Längenänderung infolge Schwindverkürzung während des Abbinde- und Trocknungsprozesses, des hygrischen Baustoffverhaltens bei Feuchteschwankungen und der thermischen Ausdehnung (Sonneneinstrahlung, Heiz- und Kühlsystem) voraus.

Die letztendlich zu wählende Fugenbreite muss die mögliche Zusammendrückbarkeit des elastischen Fugenfüll- und Fugendeckstoffes berücksichtigen.

Bild 13: Estricheingebettetes Elektro-Kanalsystem/44/ und Flächenheizung velta classic im neuen Porsche-Werk Leipzig.

Fallbeispiel 3 - Druck- und Biegezugfestigkeit der thermisch aktiven Bodenkonstruktion

In der Regel wird die DIN 1055 "Lastannahmen für Bauten - (lotrechte) Verkehrslasten" als Grundlage der statischen Planung der Bodenkonstruktion herangezogen. Treten Punktlasten auf oder unterliegt die Bodenplatte dynamischen Belastungen, sind weiterführende statische Berechnungen notwendig. Der Technische Gebäudeausrüster sollte demnach die Annahmen, Vorgaben und diesbezüglichen Baukonstruktionen des Statikers bzw. Bauwerksplaners zumindest auf Sinnhaftigkeit überprüfen und gegebenenfalls Bedenken anmelden. Tabellen 2 bis 4 enthalten informative Richtwerte zur Vorplanung, die jedoch keinesfalls ohne Kenntnis des Beanspruchungsprofils der Bodenkonstruktion und der Baustoffcharakteristika pauschal anzuwenden sind. Tiefgründigere Betrachtungen und exaktere Bemessungsregeln sind in den Standardwerken der Baustatik enthalten.

Tabelle 2: Überschlägige Dicken (mm) unbeheizter und Rohrscheitelüberdeckungen beheizter Estriche schwimmender Verlegung in Abhängigkeit von Lotrechter Verkehrs- bzw. Einzellast.

 

Tabelle 3: Lastverteilschichten auf Holzbalkendecken.

 

Tabelle 4: Überschlägige Mindestdicken (mm) des Betonbodens im Industriebau.

Baukonstruktionsteile
Fußboden und Decke im Industrie- und Verwaltungsbau

Industrieflächenheizungen haben sich im Zusammenwirken mit mattenbewehrtem Stahlbeton, Stahlfaser-, Spann- und neuerdings auch Walzbeton seit langem bewährt. Bei verantwortungsvoller Planung und Ausführung sind sowohl das Zusammenwirken mit den unterschiedlichen Betonarten als auch den -konstruktionen (Kasten) unproblematisch. Dennoch werden immer wieder Fragen zur Eignung der Kunststoffrohre unter Berücksichtigung der rauen Baustellenbedingungen gestellt. Gravierende mechanische Einwirkungen von Fasern (Charakteristik des Stahlfaserbetons in /57/58/; Beschreibung der Schwindreduzierung durch Glasfaser-Zuschlag in /59/) sind hierbei auszuschließen. Interessanter ist dagegen die Fragestellung, ob Transporteinwirkungen, Punkt- und Kerbbelastungen infolge Montage und Begehen der Kunststoffrohre deren Baulebenserwartung reduzieren.

Bild 14: Geschichtliche Hintergründe des Spannbetons.

Umfangreiche Erkenntnisse hierüber liegen auf der Grundlage von Untersuchungen zum ausgrabungsfreien Rohrleitungsbau /60/ bis /65/ vor. So zeigt beispielsweise ein PE 100-Rohr nach 1000 Stunden bei einer Stempellast von 600 N (gleichbedeutend mit einer in praxi kaum auftretenden lokalen Spannung von ca. 21 N/mm2) deutliche Risse auf der Rohrinnenseite. Ein Sprödbruch durch langsame Rissfortpflanzung ist die Folge. Anders die Situation beim PE-Xa-Rohr - bereits der Stempeleindruck außen hat eine geringere Tiefe, die sich durch das Rückerinnerungsvermögen dieses Werkstoffes weiter zurückbildet. Die Innenseite des Rohres weist keinerlei Anzeichen von Spannungsrissen auf. Ein Schnitt durch die Rohrwand an der belasteten Stelle zeigt keine strukturellen Veränderungen. Es wird deutlich, dass PE-Xa-Rohre für den ausgrabungsfreien Rohrleitungsbau geeignet sind. In Verbindung mit weiteren Versuchen (Kerbtest ISO/DIS 13479; Nageleindrückversuch; Berücksichtigung von Punkt- und Linienlasten; Schlagversuche unter Innendruck; Abquetschversuche bei tiefen Temperaturen) ergibt sich die hervorragende Eignung der PE-Xa-Rohre für jegliche Art von Betonböden im Industrie-, Gesellschafts- sowie Büro- und Verwaltungsbau - insbesondere auch bei Winterbaustellen. Die Gleichwertigkeit anderer Rohrwerkstoffe ist nach vorgenannten Aspekten gewissenhaft zu prüfen.

Bild 15: Thermische Betonkernaktivierung in Betondecken mit Vorspannung - Museum für Bildende Künste Leipzig.

Es ist im Zusammenhang mit dem gegenwärtigen Einbeziehen der thermischen Betonkernaktivierung in zahlreiche Architekturkonzepte des Büro- und Verwaltungsbaus ein großer Vorteil, auf Erfahrungen mit beheizten Industrie-(beton)flächen zurückgreifen zu können /66/. Bild 14 zeigt in diesem Zusammenhang die historischen Grundlagen des Spannbetons, dessen Kombination mit der velta Industrieflächenheizung mehrfach realisiert worden ist.

Vorgespannte Konstruktionen mit thermischer Betonkernaktivierung sind zwar relativ selten, aber durchaus möglich. Bild 15 verdeutlicht mit der Deckenkonstruktion des neu errichteten Museums für Bildende Künste Leipzig dieses Prinzip. Das interessante Bauvorhaben enthält aber auch einen weiteren Aspekt des integralen Planens und Ausführens thermisch aktiver Bauteile. Aus montagetechnologischen Gründen wurden einige velta contec Register an den Wänden vertikal montiert (Bild 16). Das Entlüften entspricht dann nicht dem alten Prinzip der Heizungstechnik, ist aber unter Berücksichtigung weiterer Zusammenhänge im Hinblick auf das Mitreißen von Luft bei hinreichend großer Fließgeschwindigkeit möglich /68/, /69/ - Bild 17. Diese bei konventionellen Wandheizungen des Öfteren praktizierte Lösung kann auch dann genutzt werden, wenn der Verteiler zur thermischen Betonkernaktivierung tiefer als die Heiz- bzw. Kühlebene liegt (Bild 18).

Bild 16: velta contec Register an den Wänden vertikal montiert.

Tabelle 5 zeigt die neben Ortbeton-Decken üblichen Betonteil-Deckenarten. Im Zusammenhang mit bauwerksintegrierten Rohrsystemen zum Kühlen und Heizen eignen sich für Aktivspeichersysteme (ASS) die Deckenkonstruktionen mit hoher speicherwirksamer Bauwerksmasse und hinreichend großer Rohrunter- bzw. -überdeckung in Sichtbetonausführung. Dabei sind auch Konstruktionslösungen mit Filigrandecken möglich.

Plattendecken sind als Aktivspeichersysteme ausführbar. Im Gegensatz dazu können Balken- (ohne Zwischenbauteile), Hohl- und Plattenbalkendecken mit oberflächennahen Rohren bzw. Rohrregistern im Sinne von regelfähigen thermisch aktiven Flächen (TAF) belegt werden. Je nach Rohrlage und Deckenkonstruktion sind dann Speicherwärme bzw. nutzbare Speicherkapazität, Kühlleistungs- bzw. Heizwärmestromdichten über Decke und Fußboden und Zeitverhalten unterschiedlich (GLÜCK 70/).

Bild 17: Auslegungshilfe zum Ermitteln der erforderlichen Wassergeschwindigkeit zur Vermeidung eines Luftsacks.

Die in diesem Zusammenhang von GLÜCK physikalisch begründeten Vorschläge zur Kombination von Aktivspeichersystem und regelfähiger thermisch aktiver Fläche (Rohrregister in zwei Ebenen) sind montagetechnologisch unter Berücksichtigung von Rohrqualität und Bewehrung durchaus lösbar.

Auch wenn die Kunststoffrohre nicht mehr wie in den 30er-Jahren anteilig in die Bewehrung eingerechnet werden können, sind konstruktive integrale Lösungen zur Rohrfixierung und Bewehrung (Abstandskörbe etc.) möglich.

Bild 18: Verteiler unterhalb der Heiz- bzw. Kühlebene.

Bild 19 und zugehörige Tabelle verdeutlichen frühzeitige und 1938 völlig neue Überlegungen, die Trägheit der Massivdeckenheizung herabzusetzen. Als Lösung wurden Flossen- und Gitterelemente zur Verbesserung der Querleitfähigkeit vorgeschlagen. Diese mit dem Rohr verschweißten Lamellen sind oberflächennah angeordnet. Der seinerzeit innovative Vorschlag sollte sowohl in Verbindung mit speziellen Deckenkonstruktionen, insbesondere Hohlsteindecken, als auch im Rahmen der Nachrüstung zur Anwendung kommen. Vielleicht war dieser Vorschlag die Grundlage für die mittlerweile eingeführten thermisch aktiven Deckenkassetten. Das Prinzip könnte jedoch auch im Rahmen der Aktivspeichersysteme (thermische Betonkernaktivierung) wiederbelebt werden.

Bild 19: Vorschlag zur Herabsetzung der Trägheit bei Deckenheizungen durch Verringerung der Wärme speichernden Massen.

 

Tabelle 5: Klassifizierung des Beton-Bauteils Decke nach /71/ und Möglichkeiten des Konzipierens von Aktivspeichersystemen (ASS) wie velta contec oder/und thermisch aktiven Flächen.

Ein zweites Anwendungsgebiet eröffnet sich für die vorangestellten Überlegungen im Bereich des Stahl- und Verbundbaus. Hierbei gelten hohe Tragfähigkeiten bei geringen Bauteilabmessungen neben der schnellen Montage (hoher Vorfertigungsgrad, geringer oder kein Schalungsaufwand) auch von Verbunddecken als Vorteil gegenüber klassischer Betonkonstruktionen. In Verbindung mit dem Integrieren von Rohrregistern können und müssen die baukonstruktiv notwendigen Verbundbleche der Decke in Überlegungen zu effektiven Wärmetransportvorgängen (Finite Elemente Methode FEM) herangezogen werden. Damit würden diese Bleche neben den ursächlichen Funktionen - verlorene Schalung und anrechenbare Feldbewehrung - eine zusätzliche Aufgabe erlangen. In der Regel dürfen die mitunter sehr flachen Deckenkonstruktionen einschließlich der relativ oberflächennahen Rohrregister nicht wie Aktivspeichersysteme behandelt werden. Bestimmte Rippenkonstruktionen können zwar gewisse, im Vergleich zur Beton(vollplatten)decke allerdings geringere Speichereffekte auch bei diesen Decken hervorrufen. Jedoch sollten derartige Aufbauten mehr in Richtung regelfähiger thermisch aktiver Flächen optimiert werden.

Bild 20: Thermisch aktives Stahlflachdeckensystem im Sportzentrum und Bürogebäude Samariterstraße, Berlin.

Dabei ergibt sich nicht nur die Forderung nach späterer integraler Planung, sondern nach bereits integraler Entwicklung von Baukonstruktionsteil und Kühl- bzw. Heizsystem - gegebenenfalls unter Bezugnahme auf die vorgenannten Vorschläge von 1938.

Neue Überlegungen zum wärmetechnischen Betriebsregime (Ladezeiten bzw. lastabhängiger Dauerbetrieb) sind außerdem angezeigt. Die abrufbaren Kühlleistungs- und Heizwärmestromdichten werden gegenüber dem Aktivspeichersystem durch geringere Raum(luft)temperaturschwankungen infolge verbesserter Regelfähigkeit höher sein.

Bild 21: Details des Stahl-Flachdeckensystems und Anschluss der velta contec Register (blau abgedeckt).

Die Bilder 20 und 21 zeigen mit dem Sportzentrum und Bürogebäude Samariterstraße Berlin ein erstes Anwendungsbeispiel des in Großbritannien neu entwickelten Stahl-Flachdeckensystems "Slimdek" mit integrierten Rohrregistern. Besonderes Merkmal der Konstruktion ist ein asymmetrisch gewalztes Profil, auf dessen verbreiterten Untergurt Tiefsickenbleche als Flächentragelemente aufgelegt werden. Stahlträger, Blech und Ortbeton bilden dann zusammen eine flache, leichte und thermisch aktive Rippendecke. Ein weiterer Vorteil der Bleche mit hinterschnittenen Sicken besteht in der Möglichkeit, diese als Ankerschienen für Installationen zu nutzen. Damit bleibt die sichtbare Oberfläche als Wärmeübertrager erhalten. Übrigens dienen die Bleche während des Bauens als Arbeitsbühne und verringern dadurch die Rüstarbeiten (/72/ bis /75/).

Grundlegende beheizte Betonkonstruktionen im Industriebau.

Zusammenfassung

Zum integralen Entwickeln, Planen und Ausführen gehören Verständnis für die Belange der Fachleute anderer Gewerke und zunehmend integrale Kenntnisse. Kenntnisse den Gesamtzusammenhang betreffend, Kenntnisse im Detail. Integrale Planung ist nicht nur ein Anspruch des Architekten, sondern auch eine Notwendigkeit für den Technischen Gebäudeausrüster!

Internetinformationen:
http://www.velta.de

L i t e r a t u r :

(43) Merkblätter 1 - 5 der Industriegruppe Estrichstoffe; Darmstadt/Duisburg, 2000
(57) GRAHLKE, CH./ Stahlfaserbeton und seine Anwendung in der EBBERT, J. Praxis (Sonderdruck); Beton, 1994/4, Beton-Verlag GmbH, Düsseldorf
(58) SCHNÜTGEN, B., Planung und Ausführung: Stahlfaserbeton; Der Architekt, 2000/6
(59) Effektive Schwindreduzierung durch Glasfaser-Zuschlag; FUSSBODENTECHNIK, 1998/6, Sonderdruck.
(60) Kriterien für die Auswahl von Rohrwerkstoffen unter besonderer Berücksichtigung des ausgrabungsfreien Rohrleitungsbaus; Sonderdruck aus Handbuch Wasserversorgungs- und Abwassertechnik - Band 1: Rohrnetztechnik; VULKAN VERLAG ESSEN
(61) HESSEL, J., Zeitstandverhalten von Polyethylen unter dem Einfluss lokal konzentrierter Spannungen; 3R international, 1995/10-11
(62) UHL, I./ Punktbelastungen an Kunststoffrohren; HAIZMANN, F. gwf - Wasser / Abwasser, 2000/3, Sonderdruck
(63) HOVING, L., et al. Rohre aus PE-X für Druckleitungen aller Art; gwf - Gas/Erdgas, 1996/9
(64) HARGET. D. C., et al. PE-X als Werkstoff für Rohre im Bereich Gas und Wasser; 3R international, 1994/7
(65) WIRSBO PEX. Das Langzeitrohr; Technische Information
(66) LINDEMANN, B., velta Industrieflächenheizung in der Praxis; 18. Internationaler velta Kongress, 1996
(68) Die Anlagenentlüftung; Stadt- und Gebäudetechnik, 1992/6
(69) OTTO, J., Pumpenheizungen richtig geplant; Krammer Verlag, Düsseldorf, 1991
(70) GLÜCK, B., Thermische Bauteilaktivierung; C. F. Müller, Heidelberg, 1999
(72) Technische Information Beton-Bauteile Decken; Beton-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1987
(73) Architecture Steel Stahl Acier 3; ECCS CECM EKS 1997
(74) Slimdek - The system Steel house, Teesside, 1998
(75) Neue Wege im Stahl- und Verbundbau; Dokumentation 601; Bauen mit Stahl, Düsseldorf, 2000
(76) Geschossbau in Stahl Flachdecken-Systeme; Dokumentation 605; Bauen mit Stahl, Düsseldorf, 1998

*) Dr.-Ing. Michael Günther, Leiter des technischen Beratungsbüros Dresden der Wirsbo-Velta GmbH & Co. KG, Norderstedt

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