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Baustatik

Schutz für die Achillessehne der Minergiehäuser

Wärmebrücken bilden die energetischen Schwachstellen von gut isolierten Gebäuden, sind jedoch unvermeidlich – 
bis jetzt: Unter der Leitung von Cornelius Oesterlee hat die BFH ein Produkt entwickelt, das diesem Umstand entgegenwirkt.

Das von der BFH zusammen mit Tebetec entwickelte System zur thermischen Entkopplung im Belastungsversuch. Bild: zvg
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Marc Schiess

«Wenn Sie im tiefsten Winter bei Ihrer Daunenjacke den Reissverschluss um einige Zentimeter öffnen, ist der Wärmeverlust viel stärker spürbar, als wenn Sie bei eisigen Temperaturen nur einen dünnen Pullover tragen und dann die Ärmel hochkrempeln.» Auf diese Weise erklärt Cornelius Oesterlee, warum bei einem gut isolierten Haus wie jenen mit Minergiestandard der Energieverlust durch Wärmebrücken stärker ins Gewicht fällt als bei schlecht isolierten. Im Verlauf des Gesprächs wird der Professor für Baustatik und Betonbau an der Berner Fachhochschule BFH noch einige Male zu plastischen Vergleichen greifen. Sehr zum Vorteil der Verständlichkeit: Das Produkt, das er zusammen mit seinem Team und dem Wirtschaftspartner Tebetec AG entwickelt, vereint Anforderungen aus Bauphysik, Erdbebensicherheit und Statik. Für Laien nicht einfach verständliche Anforderungen, die sich zudem teils widersprechen.


Nachteile von «dicken» Wänden
Um diese Widersprüche zu verstehen, braucht es etwas Grundwissen über den Aufbau eines Gebäudes und dessen Physik. Damit ein Haus standsicher wird, braucht es ein Fundament. Dieses ist in der Schweiz meistens aus Stahlbeton gebaut. Ebenso wichtig für die Standsicherheit sind Wände und Stützen, die die Last der Stockwerke tragen und das Gebäude für horizontale Lasten wie Wind und Erdbeben aussteifen. Je nach Bauweise sind diese tragenden Wände ebenfalls aus Stahlbeton.

Hier zeigt sich nun ein Zielkonflikt, den es zu lösen galt. Denn um die vertikal und horizontal wirkenden Kräfte, also quasi das Gewicht des Hauses, möglichst gut aufzunehmen, eignen sich «dickere» Wände besser, da sie das Gewicht auf mehr Fläche verteilen. Es braucht etwas «Fleisch am Knochen». Beton und Stahl leiten jedoch Wärme sehr gut. Eine durchgehende Stahlbetonwand bis auf das Fundament ist daher eine einzige grosse Wärmebrücke, wenn sie dabei beheizte und unbeheizte Bereiche des Gebäudes durchdringt.


Schimmel durch Kondenswasser
Neben dem Verlust von bis zu zehn Prozent des Gesamtenergieverbrauchs eines modern isolierten Gebäudes wirken die sogenannten linearen Wärmebrücken noch anderweitig nachteilig: Sie können die Bildung von gesundheitsschädigendem Schimmel begünstigen. «Der Effekt ist der gleiche, wie wenn die Brille nach der Kälte draussen im warmen Innern beschlägt», sagt Oesterlee. Weil warme Luft mehr Wasser aufnehmen kann als kalte, schlägt sich an kalten Wänden Feuchtigkeit nieder, das Kondenswasser. Auf feuchten Wänden kann somit Schimmel entstehen.

Gute Gründe, das Problem der Wärmebrücken anzupacken. Die Firma Tebetec AG, eine Vorreiterin bei Lösungen gegen Wärmebrücken, löste den Zielkonflikt «Kraft soll durchgehen, Wärme aber nicht» bereits vor Jahren mit ihrem Produkt Alphadock: Die tragenden Wände stehen nun auf kleinen, in Isoliermaterial eingebetteten Stützen und trennen beheizte und unbeheizte Bereiche. Der energiesparende Trick besteht nun aus der dadurch verkleinerten Kontaktfläche. Zudem ist die Form der Stützen ähnlich wie eine Sanduhr verjüngt. Sogenannter Ultrahochleistungsfaserbeton garantiert trotzdem mit seiner extrem hohen Druckfestigkeit die Kraftübertragung. Der finale Effekt: Die Wärmebrücke schrumpft auf ein Minimum, die Wände bleiben warm.


Erdbebenschutz muss günstig sein
Das Basisprodukt war an sich perfekt und erfolgreich auf dem Markt, doch ein Anwendungsgebiet fehlte, das in der Schweiz zunehmend Beachtung findet: die Erdbebensicherheit. Erdbeben setzen überwiegend horizontale Kräfte frei. Es ist so, als würde einem der Teppich unter den Füssen weggezogen. Ein so grosses Erdbeben wie im Jahr 1356 in Basel würde auch heute noch starke Schäden an Gebäuden verursachen. Weil in der Schweiz aber rein statistisch gesehen nur etwa alle 500 Jahre mit einem stärkeren Erdbeben gerechnet wird, darf der Erdbebenschutz eines Gebäudes für die meisten Bauherren kostenmässig nicht zu sehr ins Gewicht fallen.

Hier kam im Jahr 2015 nun die BFH ins Spiel. Als Forschungspartnerin unterstützt die Fachhochschule innovative Unternehmen wie die Tebetec AG. Finanzielle Schützenhilfe leistet der Bund. «Das KMU hatte die Idee, wir die technischen Mittel, um die Idee rechnerisch und experimentell zu untersuchen», so Cornelius Oesterlee. Unter seiner Leitung entwickelte das Projektteam in enger Zusammenarbeit mit dem Wirtschaftspartner die Lösung: ein System von thermischen Entkopplungsstützen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Solche, die Kräfte in Horizontalrichtung aufnehmen, kombiniert mit den schon bekannten Alphadock-Stützen, die Kräfte in Vertikalrichtung aufnehmen und übertragen. Der Weg zur Lösung war lang und nicht gradlinig. Als erstes analysierte das Team die Beanspruchung eines in der Schweiz typischen Gebäudes, ein drei- bis sechsstöckiger Wohn- oder Bürobau. Unter Berücksichtigung der bauphysikalischen Anforderungen galt es den Kraftfluss zu optimieren. «Zuletzt sind wir bei einer ähnlichen Form wie beim schon bekannten Alphadock gelandet», sagt Cornelius Oesterlee mit einem Schmunzeln. «Es ist auf den ersten Blick kein spektakuläres Produkt, aber es brauchte viel Denkarbeit für das Konzipieren hinsichtlich der gegenläufigen Anforderungen. Bei der Wahl des Materials entschied sich das Team wieder für den Ultrahochleistungsfaserbeton. Auch die neuen, erdbebensicheren Teile werden im Übrigen im Simmental hergestellt. Mittels zahlreicher Simulationen und experimenteller Untersuchungen entwickelte das Team die erwähnte Systemlösung.

Das von der BFH zusammen mit Tebetec entwickelte System zur thermischen Entkopplung ist ein weiteres kleines, aber feines Mosaiksteinchen für die Energiewende. Die ersten Rückmeldungen aus dem Markt lassen auf eine hohe Akzeptanz schliessen, vermeldet die Tebetec AG.

Corcelius Oesterlee, Professor für Baustatik und Betonbau, BFH

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