Grenzenlose Möglichkeiten des Stahl-Leichtbaus

Die Leichtbauweise hat Ihren Ursprung in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Schon Ende des 19. Jahrhunderts beschäftigten sich Luftfahrtpioniere wie die Gebrüder Wright intensiv mit den vielfältigen Facetten des Leichtbaus. Heute wird der Leichtbau im Rahmen der ökonomischen und ökologischen Gesamtbilanzierungen auch beim Bau von Gebäuden immer wichtiger.

Die Stahl-Leichtbauweise ist im deutschsprachigen Raum noch relativ neu. In Skandinavien, Nordamerika oder Japan ist sie hingegen bereits weit verbreitet. Die Bautechnik ist vergleichbar mit dem Holzrahmenbau. Sie ist geprägt durch eine optimierte Gestaltung der Bauteile im Hinblick auf Tragfähigkeit, Gewichtsminimierung, Schallschutz, Nichtbrennbarkeit und Erd-
bebensicherheit.

Die sehr leichten Profile werden zu Rahmen zusammengefügt und mit Plattenmaterial beplankt und ausgedämmt. Zu den Anwendungsgebieten zählen der erweiterte Trockenbau, vorgefertigte Außenwände, Gebäudeerweiterungen bis hin zu mehrgeschossigen Wohn- und Geschäftsgebäuden. Alle Systemkomponenten haben einen hohen Recycling­anteil und ein hohes Wiederverwertungspotential. Und weil weniger Ressourcen verbraucht werden, reduziert sich der Energieaufwand – sowohl beim Bauen als auch beim Unterhalt oder beim späteren Rückbau.

Tragkonstruktion und Aufbauten

Die Tragkonstruktion wird aus einem Schichtaufbau gebildet. Kaltgeformte Stahl-Leichtbauprofile bilden den Kern des Elements. Die Dämmung erfolgt entsprechend den Brand-, Schall- und Wärmeschutzanforderungen. Die aufgeschraubte oder genagelte Beplankung dient zur Profilstabilisierung und Gebäude­aussteifung. Sämtliche anderen Schichten werden anhand der Anforderungen an die Bauteile gewählt. Auf diese Weise können Aufbauten für Innenwände, Aussenwände, Wohnungstrennwände, Geschossdecken, Dächer, Weitspanndecken (als akustische Maßnahme) oder andere spezielle Bauteile definiert und optimiert werden. Die verschiedenen Varianten können in Vorfertigung oder vor Ort hergestellt werden. Unterschiedliche Vorfertigungstiefen sind möglich: von der Lieferung von Bausätzen, die auf der Baustelle zusammengestellt werden, über Lieferung von Halbfabrikaten (z. B. einseitig beplankte Wand- oder Deckenelemente) bis hin zur Lieferung von komplett fertiggestellten Elementen oder sogar Raummodulen.

Einsatz im Wohnungsbau

In den meisten Großstädten ist eine Steigerung der Einwohnerzahlen festzustellen. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, nimmt das Thema der Nachverdichtung eine immer bedeutendere Rolle ein. Da es in den Kernstädten kein Bauland mehr gibt, versucht man durch Aufstockungen und Erweiterungen Wohnraum zu schaffen. Für diese städtebauliche Herausforderung ist die Stahl-Leichtbauweise prädestiniert. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine Leichtbauweise und demzufolge um reduzierte Lasten für das Bestandsgebäude. Gleichzeitig hat man den Vorteil einer nicht brennbaren Struktur, was bei mehrgeschossigen Gebäuden entscheidend ist. Weitere Vorteile sind eine sichere und widerstandsfähige Konstruktion in Bezug auf Windlasten oder Erdbebensicherheit.

Eine weitere Möglichkeit, das Bauen von Wohngebäuden zu optimieren, ist der Einsatz von Stahl-Leichtbau-Systemen in Kombination mit der Massivbauweise. Das Gebäude wird in der Skelettbauweise erstellt und die leichten, auch vorgefertigten, nichttragenden Außenwandelemente bilden die Hülle des Gebäudes. Die leichten Außenwandelemente belasten die Tragstruktur geringer und erlauben ein kosten- und ressourcenoptimiertes Bauen. Auch bei der Fertigstellung und Oberflächengestaltung sind die Möglichkeiten fast grenzenlos: Holz-, Glasfassade, Verputz mit Wärmedämmung oder hinterlüftete Fassade.

Statik von Stahl-Leichtbau-Strukturen

Grundlage der statischen Berechnung von Stahl-Leichtbau-Strukturen bilden, wie bei jeder Planung, die Unterlagen des Architekten, Wünsche des Bauherren sowie die gesetzlichen und normativen Grundlagen. Der markante Unterschied zu konventionellen Bauweisen ist die Vielfalt der Einsatzbereiche und der ausführenden Unternehmen. Die Bandbreite reicht von einer hohen Trennwand oder einer Weitspanndecke zur Erfüllung akustischer Anforderungen bis hin zur Aufstockung mit komplexen Anforderungen an Tragfähigkeit, Montagefreundlichkeit, Brandschutz, Schallschutz, Wärmeschutz und anderen projektspezifische Anforderungen. Die Einwirkungen Windlast, Schneelast, Erdbeben, etc. werden gemäss EN 1991 ermittelt und in der Berechnung berücksichtigt. Es werden ebenso die nationalen Anhänge (NA) beachtet sowie nationale Regelungen (Lastkarten, Tabellen, Ausnahmefälle).

Die Bemessung erfolgt anhand der geltenden, relevanten Normen und Zulassun-gen. Die wichtigsten Grundlagen sind:

– EN 1993-1-1, im Besonderen auch die Teile 1-3 und 1-5 zur Berücksichtigung des lokalen Beulens der einzelnen Querschnittsteile anhand des vorhandenen Spannungszustandes (Belastung)
– EN 1995-1-1 zur Erfassung der Scheibenwirkung von Wand- und Deckenelementen
– Diverse System-Zulassungen und Zulassungen für Plattenwerkstoffe.

Dünnwandige Querschnitte weisen durch das geringe Verhältnis der Blechstärke zu den Elementbreiten (z. B. Flanschbreite) ein lokales Beulverhalten vor. Um dieses Verhalten abzubilden, ist laut Eurocode das Verfahren der ausfallenden Querschnittsteile anzuwenden. Außer dem lokalen Beulen kann auch das distorsionale Beulen oder das globale Beulen/Knicken/Biegedrillknicken maßgebend sein. Die Bemessung erfolgt mit Hilfe einer spezifischen Software oder nach Angaben des Herstellers. Manche Hersteller bieten die Bemessung inkl. statischer Berechnung als Dienstleistung an.

Erdbebensicherheit

Erdbeben zählen zu den Außergewöhnlichen Lastfällen, sie gelten als seltene Ereignisse, die allerdings zu erheblichen Schäden führen können. Als Ziel für die Bemessung gilt das Vermeiden des Einsturzes und somit der Schutz von Personen und Beschränkung der Sachschäden. Um ein gutes Verhalten im Erdbebenfall zu gewährleisten, müssen Baustoffe und Bauelemente in der Lage sein, die Energie des Erdbebens in gewisse Teile der Struktur zu leiten, die wiederum in der Lage sind, diese Energie durch zulässige Verformungen aufzunehmen (dissipatives Verhalten). Stahl ist hierfür ein besonders geeigne-ter Baustoff, da er sowohl eine hohe Tragfähigkeit wie auch eine hohe Bruchzähigkeit hat und somit in der Lage ist die vorhin erwähnten Verformungen ohne Versagen aufzunehmen. Bauelemente, die als mechanisch verbundene Scheibe ausgebildet sind (Stahl-Leichtbau Riegelwerk mit aufgeschraubter/-genagelter Beplankung), bieten den Vorteil der grossen Anzahl der Verbindungsmittel. Diese können durch plastische Verformungen Energie aufnehmen, ohne die Tragfähigkeit zu verlieren. Die Stahl-Leichtbauweise bietet darüber hinaus den Vorteil einer geringen Eigenmasse, somit reduziert sich die Erdbebenlast und dadurch die Kräfte, die von der Struktur aufgenommen werden müssen.

Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts ELISSA [1] wurden diverse Erdbebenversuche durchgeführt, aus denen sich gezeigt hat, dass die Stahl-Leichtbau-Konstruktion ein sehr gutes Verhalten hat. Als Beweis der Theorie wurde ein zweigeschossiges Mock-up-Gebäude auf einem Rütteltisch geprüft. Als Basis für die Beanspruchung wurde das L’ Aquila Erdbeben ge-

wählt, da die Grundperiode der Struktur mit der Anregung des Erdbebens übereinstimmend war. Die Intensität wurde stufenweise bis zu einer Beschleunigung von 1g erhöht, das einer Skalierung von 150 % des Naturerdbebens entspricht. Das Mock-up zeigte dabei ein sehr gutes Verhalten, ohne große Schäden aufzuweisen (wichtig für den Schutz der Personen und Retter nach einem Erdbeben).

Bauphysik

Brandschutz

Für den Brandschutz gelten die gesetzlichen Anforderungen. Je nach Bauwerksklasse (Nutzung, Flächen, Höhe, etc.) werden die Anforderungen an einzelne Bauteile definiert.

In der Stahl-Leichtbauweise werden Brandschutzanforderungen über im Brandfall wirksame Beplankungslagen gelöst. Um eine REI 90-Wand zu bauen, braucht man z. B. eine Beplankung mit 2 x 15 mm Hartgipsplatten. Bei Geschossdecken kann man eine unterseitige Beplankung mit 2 x 20 mm Feuerschutzplatten GKF vorsehen und von oben einen klassifizierten Aufbau wählen. Die Beplankung schützt die Profile vor Temperatureinwirkung und ermöglicht ihnen, die Tragfähigkeit über die geforderte Schutzdauer zu behalten (30, 60 oder 90 Minuten).

Schallschutz

Die Stahl-Leichtbauweise bietet für den Schallschutz gegenüber dem Massivbau eine hohe Anpassungsfähigkeit an die Anforderungen. Schichten können in der Planung und Optimierung der Aufbauten aufgewertet, ergänzt und ausgetauscht werden, sodass die gewünschten Werte erreicht werden. Durch die geringe Materialstärke bieten die Profile auch eine federnde Wirkung zwischen den Beplankungslagen, was zu besseren Schalldämmwerten führt als in Holzständerbauweise.

Wärmeschutz

In den letzten Jahren haben sich klimatische Bedingungen wie auch Regelungen (Energieeinsparverordnung/EnEV) für Gebäude geändert bzw. verschärft, was zu ständig höheren Anforderungen führt. Stahl-Leichtbau-Strukturen werden üblicherweise im Hohlraum zwischen den Profilen ausgedämmt, zusätzlichwird außenseitig eine Überdämmung aufgebracht (gesamt ca. 250 mm, U-Wert ca. 0,2 W/m²K). Im Vergleich zum Massivbau erzielt man somit schlankere Aufbauten unter Beibehaltung des U-Wertes.

Von der Planung zum fertigen Projekt in Stahl-Leichtbauweise

Basis für ein Stahl-Leichtbauprojekt bilden die Pläne vom Architekten und Planer. Die Pläne werden besprochen und die Anforderungen bezüglich Bauphysik und Statik geklärt und die Machbarkeit und Eignung des Projektes für die Realisation in der Stahl-Leichtbauweise geprüft. Die Vorbemessung dient dazu ein Angebot für die Projektreali-sation zu erstellen.

Nachdem der Systementscheid für die Stahl-Leichtbauweise gefällt ist, geht es um die Projektoptimierung und Detaillierung. Die Fachplanung erfolgt durch den Statiker und Bauphysiker. Die Elementierung von Wänden, Decken und Böden inklusive der Details für Anschlüsse, Fenster- und Türöffnungen erfolgt mittels CAD-Software. Bei Vorfertigung bildet die CAD-Software auch die Schnittstelle zu einer Multifunktionsbrücke für die teilautomatisierte Erstellung der Elemente oder Module. Die CAD-Software generiert pro Baugruppe eine Stückliste für das Konfektionieren der Bausätze bestehend aus Stahl-Leichtbau-Profilen, Zubehör und Isolations- und Beplankungsmaterial.

Die Bausätze werden entweder direkt auf die Baustelle zwecks Montage vor Ort oder in eine Vorfertigungshalle geliefert. Die Vorfertigung erleichtert die Prozesssicherheit und ermöglicht das Arbeiten unabhängig von Witterungseinflüssen. In der Vorfertigung wird das Ständerwerk des Bauteils zu Elementen zusammengefügt und entsprechend beplankt. Anschliessend werden die Fenster eingesetzt. Die Vorfertigung der Elemente erhöht die Ausführungsgenauigkeit und verkürzt die Bauzeit entscheidend. Die vorgefertigten Elemente werden auf einen bestimm-

ten Termin hin produziert und montagefertig auf die Baustelle geliefert. Die Vorfertigung und Montage vor Ort ermöglicht daher einen raschen Weiterbau.

Die Stahl-Leichtbauweise unterscheidet sich also nicht groß von anderen Leichtbauweisen, hat aber durch die Leichtigkeit und Nichtbrennbarkeit wichtige Vorteile und bietet daher fast grenzenlose Möglichkeiten.

Anmerkungen
[1] ELISSA - Energy Efficient LIghtweight-Sustainable-SAfe-Steel Construction. Collaborative Project funded under FP7-2013-NMP-ENV-EeB. www.elissaproject.eu

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