Die Tauwasserbildung und die Durchfeuchtung der Bauteile bei aelteren massiven Gebaeuden Teil 1

Die kuenftigen Bauaktivitaeten verlagern sich immer mehr in den Bereich der Modernisierung und Erhaltung der vorhandenen Bausubstanz. Daher wird bei diesem Beitrag bei der Betrachtung der Feuchtigkeitsproblematik der Schwerpunkt auf aelter Gebaeude mit Ziegelmauerwerk gesetzt.  Im Verlauf ihrer Standzeit traten unterschiedliche Feuchteeinfluesse auf. Die dabei auftretenden Feuchtigkeitstransportprozesse, wie die Wasserdampfdiffusion oder kapillare Wasserleitung werden durch den Feuchtegrad, die Feuchteverteilung in der jeweiligen Baustoffstruktur, dem Sorptionsverhalten sowie von den Schichtgrenzen innerhalb der massiven Konstruktion bestimmt.

In allen kapillarporoesen Bauwerksteilen stellt sich allmaehlich ein praktischer und rechnerischer Feuchtegehalt als Durchschnittswert ein. Massgebend sind die klimatischen Gegebenheiten und die Zellstruktur des Stoffes. Zu den Feuchtigkeitstransportprozessen im Mauerwerk und ihre Speicherung in den unterschiedlichen Baustoffstrukturen gibt es zahlreiche Publikationen, die sowohl Untersuchungen aber auch Berechnungsmethoden des gekoppelten Waerme- und Feuchtetransportes in den Bauteilen zum Inhalt haben.[1, 2, 3, 4, 5] Bei der gespeicherten Feuchtigkeit in einer Aussenwand handelt es sich um einen staendig veraenderlichen Prozess. Es ist daher schwierig, den durchschnittlichen Feuchtegehalt anzugeben. Die aussenklimatischen Bedingungen, wie Standort an der Kueste oder im Binnenland, die Beanspruchung durch Schlagregen sowie die Jahreszeit wirken hier entscheidend ein,  sodass bei gleichem Mauerwerk eines Gebaeudes je Ausrichtung vollkommen unterschiedliche Feuchteverteilungen vorliegen koennen und sich so zusaetzlich auf das Waermeverhalten des Gebaeudes auswirken.

Trifft ein Wasser-Dampf-Gemisch (Luft) auf eine weniger warme Bauteiloberflaeche auf und die Taupunkttemperatur der Luft wird unterschritten, so bildet sich auf einer glatten Oberflaeche ein duenner Feuchtigkeitsfilm oder Wassertropfen. Da sich waehrend der Standzeit der Gebaeude staendig die Nutzung aendert, sollte die Innenscheibe der Fenster als kuehlste Flaeche erhalten werden. [6] Hier kann sich sichtbar Kondensat ansammeln, ohne groessere Schaeden zu verursachen. Gerade dieser wichtige Gesichtspunkt wird bei der Sanierung der aelteren Gebaeude nicht beachtet. Durch den Austausch der Kastenfenster durch Isolierverglasung mit einem U-Wert 1,3 W/m?K und besser verlagert sich die kuehlste Oberflaeche in die Innenecken und ueber den Fussboden der Aussenwaende, siehe Beispiel Bild 2.

Eigene Messungen der Oberflaechentemperaturen an verschiedenen Aussenwaenden zeigen, dass die Temperatur ueber dem Fussboden circa 3 K niedriger als 1 m hoeher ist. Grundlage fuer die Bewertung einer Konstruktion sind daher die Temperaturen im Wandwinkel und des Wandabschnitts ueber den Fussboden. Diese punktuelle Aussenwandecke wird durch einen Waermedurchgangskoeffizienten Χ charakterisiert. Zur Ermittlung des Χ-Wertes ist eine 3-D-Berechnung des zu beurteilenden Anschlusses sowie eine 2-D-Berechnung fuer die linearen Waermebruecken der Bauteilflaechen, die sich dreidimensional treffen erforderlich. Ebenso wie der Ψ-Wert (linearer Waermedurchgangskoeffizient), welcher den zusaetzlichen Waermestrom im Bereich einer Waermebruecke im Vergleich zum ungestoerten Bauteil angibt, besitzt diese Groesse nicht immer Aussagekraft. [7] Die Berechnungen dienen dem waermetechnischen Nachweis, um zusaetzliche Verluste an Aussenwandwinkeln zu erfassen.

[8, 9, 10]

Bild 1: Die Feuchtigkeit aus dem Keller und
die kuehle Oberflaeche des Holzfussbodens
fuehren zur Feuchteerhoehung der Dielung.

Laenger anhaltende Tauwasserniederschlaege koennen zu Feuchteschaeden fuehren, die einmal zur Herausloesung gebundener Salze in den Baustoffen fuehren, aber auch eine Schimmelpilzbildung verursachen und guenstige Wachstumsbedingungen fuer Holz zerstoerende Pilze und Insekten bieten.
Besonders betroffen sind hier Lagerhoelzer und die Dielung ueber einer Kappe im Erdgeschoss (siehe Bild 1), die Balkenkoepfe im Aussenmauerwerk und Fachwerkkonstruktionen. Wobei fuer eine biologische Schaedigung langfristig bereits niedrigere Feuchten im Mauerwerk ausreichen.
Es tritt aber auch Tauwasser an Baustoffen mit ausserordentlich grossem Waermespeichervermoegen auf, wie zum Beispiel bei Schwerbeton. Das liegt in diesem Fall nicht an der fehlenden Waermedaemmeigenschaft, sondern an einen grossen Waermeeindringkoeffizienten b und die geglaettete Betonoberflaeche nimmt keine Feuchtigkeit auf. In diesem Fall ist eine diffusionsoffene Beschichtung anzubringen,  zum Beispiel eine Raufasertapete oder Kork. Diffusionsdichte Beschichtungen, wie zum Beispiel Styroporplatten fuer die Zimmerdecken, verstaerken diesen Effekt, sodass dann zwischen den Fugen der Platten eine starke Tauwasserbildung entsteht und durch eine Schimmelpilzbildung gekennzeichnet wird.
Der Feuchteschutz nach DIN 4108-07 ist darauf gerichtet, Schaeden an Bauteilen zu vermeiden sowie einer Beeintraechtigung des Waermeschutzes entgegenzuwirken. Dazu ist

? die Tauwassermenge im Bauteilinneren zu begrenzt,
? eine kritische Oberflaechenfeuchte und
? das Eindringen von Schlagregen zu vermeiden.

Befindet sich Wasser an der Bauteiloberflaeche, so kann dieses durch den jeweiligen Baustoff kapillar oder auch durch Diffusion aufgenommen werden. Dabei wird die Richtung der Diffusion von dem Konzentrationsgefaelle der absoluten Luftfeuchte bestimmt. Sie ist nicht abhaengig von der Richtung des Waermestroms, sie kann dieser entgegengesetzt gerichtet sein. Der Waermestrom folgt dem Temperaturgefaelle und der Dampfdruck dem Dampfdruckgefaelle. Im Winter ist die absolute Feuchtigkeit der kalten Aussenluft geringer, daher sind der Waerme- und der Dampfstrom nach aussen
gerichtet.[10, 11] ?In Baustoffen mit freiem Wasser in den Poren kann dabei der
Wasserdampfdiffusionsstrom ins Freie erheblich groesser sein als die pro Zeiteinheit an der Innenwandoberflaeche absorbierten Wassermengen.? Der Wasserdampfdiffusionsprozess entzieht so den Schimmelpilzen das fuer das Wachstum erforderliche freie Wasser. ?Die publizierten Ergebnisse der Laboruntersuchungen widerlegen nicht die Annahme, dass Schimmelpilzbildung auf der raumseitigen Oberflaeche der Aussenbauteile von Wohnungen in erster Linie von Tauwasserniederschaeden herruehrt. Ob Wasser aus einem Sorptionsvorgang fuer das Wachstum von Schimmelpilzen auf Bauteiloberflaechen verantwortlich sein kann, ist ungeklaert.? Es gibt bisher keine Angaben, ob sich die Laborergebnisse auf die realen Verhaeltnisse in Wohnungen uebertragen lassen. [12] Ein Beispiel stellt das Bild 2 dar, wo eine Tauwasser- und Schimmelpilzbildung im Wandeck auf der Raufasertapete erfolgte. Hier liegt nicht nur eine niedrige Oberflaechentemperatur vor, sondern
der Wassertransportprozess wird durch die Dispersionsfarbe auf der Tapete und eventuell auch durch die Farbbeschichtung auf der Aussenseite behindert. Die Feuchteerhoehung erfolgt aber auch am Auflager des Streichbalkens der Holzbalkendecke, die meist eine hoeheren Schaedigung durch Holz zerstoerende Insekten oder Pilze haben.

Bild 2: Schimmelpilzbildung als Folge einer Tauwasserbildung an
einer Gebaeudeaussenecke. Raumlufttemperatur 17,6?C bei einer
relativen Luftfeuchte von 53 %.

Bereits die DIN 4108-5 (1981) lies im Punkt 11.2.4. als Alternative zum Glaser-Verfahren das  Berechnungsverfahren mit Monatsmittelwerten nach JENISCH zu. Dieses Verfahren wurde  weiterentwickelt und ist in der DIN EN ISO 13788 (2001) aufgenommen und gilt als teilweiser Ersatz fuer  die DIN 4108-3 (2001). Es gelten die gleichen Gesetzmaessigkeiten der Dampfdiffusion. Es wird mit  Monatsmittelwerten gerechnet und eine Feuchtebilanz fuer einen Jahreszyklus aufgestellt. Mit dieser  Berechnung treten innerhalb mehrschichtiger Aussenwandkonstruktionen beheizter Gebaeude geringere  Tauwassermengen auf. [13] Diese guenstigeren bauphysikalischen Werte in Bezug der rechnerischen  Tauwasserbildung und der Verdunstungsmenge resultieren aus dem gegenwaertigen etwas hoeheren  Jahrestemperaturverlauf. Es ist jedoch zu beachten, dass ein Gebaeude nicht nur 20 Jahre steht, sondern  mehrere Jahrhunderte alt werden kann. Vergleicht man nur die letzten 150 Jahre, so werden groessere  Differenzen der durchschnittlichen Jahrestemperatur deutlich. [14] Nach Abklingen der gegenwaertigen  hoeheren Sonnenaktivitaeten [15, 16, 17] koennen durchaus in den naechsten Jahren wieder niedrigere  Jahrestemperaturen vorliegen. Konstruktionen, die unter heutigen durchschnittlichen  Jahrestemperaturen tauwasserfrei berechnet werden, koennen dann versagen. Eine Berechnung und bauseitige Umsetzung auf der Grundlage der gegenwaertigen Erhoehung der Jahrestemperatur ist daher als sehr bedenklich zu werten. Theoretisch berechnete wasserfreie Konstruktionen muessen daher nicht ueber den gesamten Lebenszyklus eines Gebaeudes gelten.
Die Auswertung eigner Untersuchungen aelterer Mehrfamilienhaeuser, vorwiegend aus der Gruenderzeit, zeigen bei 4477 Deckenbalkenkoepfen einen durchschnittlichen Schaedigungsgrad von 23,8 % durch Holz zerstoerende Insekten und Pilze. Dabei wurden sehr unterschiedliche Schaedigungsgrade festgestellt, die im Zusammenhang mit der Feuchte im Wandquerschnitt standen. Die Auswertung erfolgte nach Himmelsrichtung und der Staerke der Aussenwand. In den unteren Etagen liegt die hoechste Schaedigung vor. Damit kann die bisherige Auffassung, dass die Balkenkoepfe im schmaleren Mauerwerk
eine groessere Schaedigung haben, nicht bestaetigt werden. Die Auswertung zeigt, dass bereits eine geringe Erhoehung der Holzfeuchte von 1,4 % durchschnittlich die Schaedigung an den Balkenkoepfen um 4 % auf 25 % ansteigt. Das entspricht einem Anstieg der relativen Luftfeuchte von 7 %. Ebenso liegt eine Schaedigung der tragenden Holzkonstruktion auf der suedlichen Fassade niedriger und betraegt
circa 60 % gegenueber den auf der Nordseite. Durch Anobien wurden auf der suedlichen Fassade 131 und auf der noerdlichen Fassade 212 Deckenbalken geschaedigt. Damit wird der positive Einfluss auf die Trocknung des Mauerwerkes und der Balkenkoepfe durch die Solarstrahlung deutlich. Die Fassaden hatten mehrheitlich noch den urspruenglichen hydraulischen Kalkaussenputz oder eine Klinkerfassade. Aber auch bei der Klinkerfassade konnte eine deutlich hoehere Schaedigung festgestellt werden, die etwa um 50 % hoeher als bei einer verputzten Fassade ist. Um die moegliche Schaedigung an den Balkenkoepfen zu vermeiden, muss somit ein diffusionsoffener Schichtaufbau der Aussenwand vorliegen.
Die Larven der Holz zerstoerenden Insekten, zum Beispiel Anobium punctatum, haben noch Frassaktivitaeten bei einer Holzfeuchte von 8 bis 10 %, die eng an die Temperatur gekoppelt sind. Bei niedrigen Temperaturen liegt keine beziehungsweise geringe Frassaktivitaet durch Anobien vor. Bei einem nachtaeglich angebrachten Waermeverbundsystem werden guenstigere Lebensbedingungen fuer Holz zerstoerende Insekten geboten. Durch die zusaetzlichen Grenzschichten oder gar Sperrschichten kommt es zur geringen Erhoehung der durchschnittlichen Feuchte im Wandquerschnitt. Die durchschnittliche Temperatur wird erhoeht und damit guenstigere Temperaturbereiche fuer das Wachstum der Insekten ueber das gesamte Jahr geboten. Ebenso wird der positive Trocknungseffekt durch die Solarstrahlung vollstaendig unterbunden. Bei einer nachtraeglichen energetischen Sanierung von Gebaeuden mit tragenden Holzkonstruktionen sind die feuchtetechnischen Veraenderungen zu beruecksichtigen.
Eine zulaessige Feuchteerhoehung im Wandquerschnitt, wie sie in der DIN 4108 als Bedingung genannt wird, ist fuer ein aelteres Mehrfamilienhaus mit Holzbalkendecken nicht tolerierbar und widerspricht den Regeln der Baukunst.
Der Schaedigungsgrad an den Holzbalkenkoepfen im Aussenmauerwerk haengt stark von der Feuchte im Wandquerschnitt ab. Die Normen gehen von der Annahme konstanter Stoffeigenschaften, einer abgetrockneten Einbaufeuchte sowie von einer Feuchtigkeitseinwirkung ueber das Innen- und Aussenklima aus. ?Rechenwerte der Waermeleitzahl in DIN 1048 Teil 4 beruecksichtigen durchschnittliche Ausgleichfeuchten.?[6]
Thermische und hygrische Simulationsrechnungen zur Ermittlung der Feuchteverteilung in Bauteilen unter natuerlichen Randbedingungen auf der Grundlage des Glaserverfahrens sind kritisch zu bewerten. In einem Untersuchungsbericht warnt HAUSER mit folgendem Hinweis ?Der in Ansatz gebrachte Wassertransport in den Bauteilen beruecksichtigt allein die Wasserbewegung infolge von Diffusion.
Andere Transportphaenomene, die wie die Kapillarleitung den Feuchtetransport dominieren koennen, bleiben unberuecksichtigt. Auch die von den Materialeigenschaften abhaengige Wasserspeicherfaehigkeit wird nicht in Ansatz gebracht. Deshalb ist es mit dem Nachweisverfahren nicht moeglich, Rueckschluesse auf die sich in Bauteilen ansammelnde Wassermenge zu ziehen und realistische Wassergehalte zu ermitteln.?[18] EICHLER/ARNDT schrieben hierzu ?Enthaelt die berechnete Konstruktion Schichten aus Ziegeln, Gips, Moertelputz, Leichtbeton, Holzbeton, Holz oder andere feuchteleitfaehigen Stoffen, so koennen kapillare Wassertransporte eine negative Feuchtebilanz in das Gegenteil verkehren, unter unguenstigen Radbedingungen aber auch noch kritischer machen? Wasserbewegungen entziehen sich jedoch einer Berechnung, man kann nur ihre Tendenz zu erkennen suchen und ihre Auswirkung abschaetzen.?[10]
Mit den Berechnungsverfahren fuer Waerme- und Feuchtetransportprozesse koennen gegenwaertig keine ausreichenden Rueckschluesse auf realistische Wassergehalte im Wandquerschnitt gezogen werden, die Schlussfolgerungen auf eine hoehere Gefaehrdung der Balkenkoepfe durch Holz zerstoerende Insekten als Folge einer Tauwasserbildung zu lassen.

Prof. RNDr. Jaroslav Ř?mal Dr.Sc. und Dipl.-Ing.oec., Ing. Peter Rauch

Literatur:
[1] Kiessl, Kurt; Kapillare und dampffoermiger Feuchtetransport in mehrschichtigen Bauteilen.
Rechnerische Erfassung und bauphysikalische Anwendung, Dissertation, Universitaet
Gesamthochschule Essen 1983
[2] Haeupl, Peter; Stopp, Horst; Feuchtetransport in Baustoffen und Bauwerksteilen Dissertation, Technische Universitaet Dresden 1987
[3] Pedersen, C.R.; Combined heat and moisture transfer in building construction, Dissertation Technische Universitaet Daenemark, Lyngby 1998
[4] Kuenzel, Hartwig M.; Verfahren zur ein- und zweidimensionalen Berechnung des gekoppelten Waerme- und Feuchtetransport in Bauteilen mit einfachen Kennwerten, Dissertation 1994 , Universitaet Stuttgart
[5] Bednar, T.; Beurteilung des feuchte- und waermetechnischen Verhaltens von Bauteilen und Gebaeuden ?Weiterentwicklung der Mess- und Rechenverfahren, Dissertation 2000, Technische Universitaet Wien
[6] Mehlhorn, Gerhard; Der Ingenieurbau, Grundwissen, Bauphysik Brandschutz 1996 Berlin Ernst & Sohn, S. 46, 57, 78, 85, 90, 91
[7] Willems, Wolfgang; Schild, Kai; Waermebruecke: Berechnung ? Bilanzierung ?Vermeidung S.488-490 in: Bauphysik Kalender 2007, Ernst & Sohn
[8] Jaroslav Ř?mal, Marcus Hermes; Die energiesparende Gebaeudehuelle, GFF 12/2006, S. 28ff
[9] Koenigwinter, Peters; Waermebruecken im Mauerwerksbau beachten, Baumarkt 10/99 S. 10-15
[10] Eichler, Friedrich; Arndt, Horst; Bautechnischer Waerme- und Feuchtigkeitsschutz 1989,Bauverlag Berlin S. 92-102, 223
[11] Arendt, Claus; Seele, Joerg; Feuchte und Salze in Gebaeude, Verlagsanstalt Alexander Koch; 2000, S. 12-16, 51
[12] Jenisch, Richard; Stohrer, Martin; Tauwasserschaeden 2. Aufl. 2001, Fraunhofer IRB-Verlag, S. 26-27
[13] Weise, Manfred; ?Bauphysik und Klimawandel?; AEnderungen im Holzschutz, Vortrag auf der 14. Quedlinburger Holzbautagung 27.-28.3.2008, S. 6-9
[14] Artur B. Robinson; Noha E. Robinson, Willie, Soon; Environmental Effects of Increased Atmospheric Carbon Dioxide, Journal of American Physicians and Surgeons (2007)12, 79-90
[15] Chabibullo Abdussamatow; Mars gibt Hinweise auf kuenftige Kaltzeit auf der Erde, Russische Informations- und Nachrichtenagentur RIA NOVOSTI 10. Oktober 2007
http://de.rian.ru/science/20071010/83356266.html
[16] Usoskin, Ilya G. , S. K. Solanki, M. Schuessler, K. Mursula, K. Alanko (2003) A Millenium Scale Sunspot Reconstruction: Evidence For an Unusually Active Sun Since the 1940?s.- Phys.Rev.Lett. 91 (2003) 211101
[17] Lassen, K. Solar Activity and Climate - Long-term Variations in Solar Activity and their Apparent Effect on the Earth?s Climate.- Danish Meteorological Institute, Solar-Terrestrial Physics Division, Lyngbyvej,100, DK-2100 Copenhagen (2), Denmark.
[18] Hauser, Gerd: Forschungsvorhaben ?Auswirkungen der neuen europaeischen Norm EN ISO 13788 ?Raumseitige Oberflaechentemperatur zur Vermeidung kritischer Oberflaechenfeuchte und Tauwasserbildung im Bauteilinneren? auf Konstruktion und Holzschutz von Aussenbauteilen in Holzbauart?, Ingenieurbuero