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Entwicklung und Anwendung eines virtuellen Mehrzwecklabors zur Untersuchung und Optimierung multifunktionaler Wandstrukturen

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[Quelle: http://d-nb.info]

Zum Schutz vor Lärmeinwirkungen und hinsichtlich eines möglichst geringen Energieverbrauchs müssen im Bauwesen verwendete Wandstrukturen sowohl über eine gute Schalldämmung als auch über eine effiziente Wärmedämmung verfügen. Um diese beiden Vorgaben bestmöglich zu erfüllen, werden zur Optimierung der Schall- und Wärmedämmeigenschaften von Wandstrukturen üblicherweise experimentelle Messungen sowie analytische und numerische Untersuchungen durchgeführt. Während umfangreiche Messreihen teuer und zeitaufwändig sind, müssen für analytische Methoden starke Vereinfachungen bezüglich der möglichen Randbedingungen und dem geometrischen Aufbau vorgenommen werden. Durch die Anwendung geeigneter numerischer Näherungsverfahren können hingegen fast alle relevanten physikalischen Phänomene in der Berechnung berücksichtigt werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein virtuelles Mehrzwecklabor entwickelt, das in der Lage ist, die Schall- und Wärmedämmeigenschaften von geometrisch beliebigen Wandstrukturen zu ermitteln und zu optimieren. Zur Bestimmung der Schalldämmeigenschaften wird ein vollständig gekoppeltes Fluid-Struktur-Interaktionsproblem (FSI) im Frequenzbereich gelöst, wobei sich die numerische Näherungsrechnung am prinzipiellen Vorgehen bei einer Messung im Labor orientiert. Die im virtuellen Mehrzwecklabor berechneten Kennwerte der Schalldämmung sind daher gut mit experimentellen Versuchsergebnissen vergleichbar. Durch Lösung der Wärmeleitungsgleichung werden die Wärmedämmeigenschaften bestimmt. Für luftgefüllte Spalte und Hohlräume innerhalb der Struktur wird dazu ein äquivalenter Wärmeleitkoeffizient verwendet. Das virtuelle Mehrzwecklabor soll die Kennwerte der Schall- und Wärmedämmung für eine große Anzahl an Geometrieparametern der Wandstrukturen ermitteln. Um eine genaue und zeiteffiziente Berechnung zu gewährleisten, wird die Spektral-Elemente-Methode (SEM), eine fortschrittliche Variante der Finite-Elemente-Methode (FEM), verwendet. Die Effizienz der entwickelten SEM wird anhand von Konvergenzstudien diskutiert. Die im virtuellen Mehrzwecklabor ermittelten Kennwerte der Schall- und Wärmedämmung werden mit experimentellen Daten validiert und mit anderen Näherungsverfahren verglichen. Die Anwendung des virtuellen Labors zur Optimierung von Wandstrukturen wird für ausgewählte Beispiele demonstriert.

Folgendes könnte Sie auch interessieren:

Bücher, Broschüren

Ralf Ruhnau, Nabil A. Fouad
Schäden an Außenwänden aus Mehrschicht-Betonplatten
Schadenfreies Bauen, Band 19
2., überarb. Aufl.
2017, 105 S., 69 Abb. und 7 Tab., Hardcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

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Gregor A. Scheffler
Validation of hygrothermal material modelling under consideration of the hysteresis of moisture storage
Schriftenreihe / Publication Series - Technische Universität Dresden, Institut für Bauklimatik
2016, 236 S., zahlr. Abb., Tab., Diagramme,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

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Rainer Hohmann
Elementwände im drückenden Grundwasser
Konstruktionsprinzip, Planung, Bauausführung, Schwachstellen, Fehlervermeidung, Instandsetzung
2016, 445 S., über 1200 Abb. und Tab., Hardcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Bauen mit Elementwänden erfreut sich heute zunehmender Beliebtheit, birgt aber auch Gefahren. Das Buch erläutert ausführlich die Besonderheiten bei der Planung und Ausführung von Bauwerken mit Elementwänden im drückenden Grundwasser. An zahlreichen Beispielen zeigt es Schwachstellen und typische Fehler auf und gibt Hinweise für ihre Vermeidung.

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Helmut Künzel
Der Feuchtehaushalt von Holz-Fachwerkwänden
Bauforschung für die Praxis, Band 23
Untersuchungen an Fachwerkelementen und Fachwerkhäusern und Folgerungen für die Praxis
1996, 85 S., Abb., Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Aufgrund der Fachwerkforschung der letzten Jahre sind heute die Grundzüge der Bauphysik des Fachwerkhauses bekannt. Man kann alte Fachwerkhäuser mit den heutigen Baustoffen und modernen Heizanlagen so renovieren, daß der gleiche thermische Komfort erreicht wird wie bei Neubauten. Auch der Wartungsaufwand ist vergleichbar mit dem bei neuzeitlichen Bauarten. Im Bericht werden die spezifischen Probleme des Fachwerkbaus dargelegt, die zu beachten sind, um Schäden zu vermeiden und einen mit anderen Bauarten gleichwertigen Wärme- und Feuchteschutz zu erzielen.

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Klaus W. Liersch
Schäden an Außenwänden mit Asbestzement-, Faserzement- und Schieferplatten
Schadenfreies Bauen, Band 10
1995, 146 S., 86 Abb., 20 Tab., Hardcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Belüftete Außenwandbekleidungen aus Asbestzement, Faserzement und Schieferplatten sind seit vielen Jahren bewährte Konstruktionen, um die raumabschließenden und wärmedämmenden Bauteile der Außenwand dauerhaft gegen Witterungseinflüsse zu schützen. Dennoch sind immer wieder Bauschäden und Mängel feststellbar, die auf fehlerhafte Planungen, Ausführungen und materialbedingte Schwächen zurückzuführen sind. Ziel des Bandes ist es, die wichtigsten Eigenschaften der Materialien sowie Planungsgrundlagen zur Bauphysik, Tragfähigkeit und baulichen Durchbildung von Außenwandbekleidungen zu geben. Der Autor beschreibt typische Baumängel und Schäden und gibt Hinweise, wie sie zu vermeiden sind.

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Forschungsberichte

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Thomas Ummenhofer, Jürgen Schmied
Verifizierung der Extrapolationsregeln in DIN EN 15254 Teil 5 für den Feuerwiderstand von Wänden aus selbsttragenden Sandwichelementen
Abschlussbericht.
Bauforschung, Band T 3390
2021, 412 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen des Forschungsvorhabens "Verifizierung der Extrapolationsregeln in DIN EN 15254 Teil 5 für den Feuerwiderstand von Wänden aus selbsttragenden Sandwichelementen" wurden, zur Überprüfung der Extrapolationsregeln in DIN EN 15254-5:2018-06 für nichttragende Wände aus Sandwichelementen mit einem Kern aus Mineralwolle und Deckschichten aus Stahl, 10 Feuerwiderstandsversuche nach DIN EN 1364-1:2015-09, in Verbindung mit DIN EN 1363-1:2012-10, mit unterschiedlichen Stützweiten und Elementdicken durchgeführt. Die Parameter der Feuerwiderstandsversuche wurden so gewählt, dass die Grenzen der Extrapolationsregeln überprüft werden konnten.

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Daniel Schmeer, Benjamin Schönemann, Olga Arkhipkina, Walter Haase, Harald Garrecht, Oliver Sawodny, Werner Sobek
Entwicklung einer ökologischen und ökonomischen Bauweise durch den Einsatz vorgefertigter multifunktionaler Wandbauteile aus gradiertem Beton
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3194
2020, 130 S., 96 Abb. u. 37 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Bauwesen steht vor der Herausforderung, für mehr Menschen mit weniger Materialaufwand mehr zu bauen. Dies erfordert die Entwicklung neuer Technologien, die auf ein möglichst leichtes Bauen, die Minimierung des Verbrauchs an fossil erzeugter Energie sowie der vollständigen Rezyklierbarkeit der Bauteile abzielen. In diesem Kontext bestand das Ziel des Forschungsvorhabens in der Entwicklung von rein mineralischen, multifunktional gradierten Wandbauteilen, welche in der Lage sind, die Anforderungen an die Tragfähigkeit, die Dauerhaftigkeit, das architektonische Erscheinungsbild sowie den Wärmeschutz zu erfüllen. Eine deutliche Massenersparnis, eine signifikante CO2-Reduktion sowie eine sortenreine Rezyklierbarkeit gegenüber herkömmlichen Massivbauteilen sollten erzielt werden. Das Ziel des Forschungsprojektes konnte durch die Entwicklung von rein mineralischen multifunktional gradierten Wandbauteilen, welche den tragstrukturellen und bauphysikalischen Anforderungen gerecht werden, erreicht werden. Hierzu konnten sowohl die Berechnungsansätze auf der Basis normativer Regelungen formuliert und validiert werden, als auch die zielführenden Verfahren zur Bauteilherstellung identifiziert und weiterentwickelt werden. Zum Abschluss des Projektes konnte mit der Technologie eine Masseneinsparung von rund 60 % gegenüber Massivwänden mit Wärmedämmverbundsystem erzielt werden, bei vergleichbaren Baukosten. In nachfolgenden Projekten gilt es die erzielten Lösungen final zu erforschen und weiterführende Versuche durchzuführen, um die Technologie letztlich praxisreif zu machen.

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Mark Koehler, Klaus-Dieter Brandstetter, Lutz Weber
Schallschutz von Fenstern in vorgesetzter Einbaulage (vorgesetzte Fenster)
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3164
2019, 64 S., 50 Abb. u. 12 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Neben der Verglasung und des Rahmens hängen Eigenschaften von Fenstern in starkem Maße von den Einbaubedingungen und der Position ab. Es ist zwar bekannt, dass bei vorgesetzter Einbauweise ein kritischer Einfluss auf die Schalldämmung besteht, belastbare Daten liegen hierzu jedoch bislang nicht vor. Im Projekt sollen Messdaten von gängigen Konstruktionen durch Prüfstandsmessungen ermittelt und eine Art Bauteilkatalog erstellt werden. Im Rahmen des durchgeführten Forschungsprojekts wurde der Einfluss der vorgesetzten Einbaulage von Fenstern bei Außenwänden mit Wärmedämmverbundsystem (WDVS) auf die Schalldämmung untersucht. Ziele der Untersuchung waren u.a., Messergebnisse für verschiedene Befestigungssysteme und unterschiedliche Einbaupositionen im Prüfstand zu ermitteln und mit einem Referenzeinbau, wie er auch bei bauakustischen Prüfungen im Labor verwendet wird, zu vergleichen. Aus diesem Grund wurden alle Messungen im Fensterprüfstand gemäß DIN EN ISO 10140-1 bis 5 durchgeführt. In dem durchgeführten Messprogramm wurden insgesamt drei verschiedene Montagesysteme mit vier verschiedenen Einbaupositionen und Fenstern mit den Schallschutzklassen 2 bis 5 sowie verschiedenen Fugenabdichtungen kombiniert.

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Bernhard Middendorf, Ekkehard Fehling
Dauerhafte und wärmedämmende Wandelemente aus Fertigteil-Hybriden aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC) und chemisch aufgetriebenen, lufthärtendem, mineralischen Schaumbeton
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3128
2019, 71 S., 56 Abb. u. 9 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Konventionelle Wandelemente bestehen heutzutage meist aus einer Vielzahl an Materialen, um den Anforderungen an den Lastabtrag sowie an den Wärmeschutz nach EnEV zu entsprechen. Diese Materialen werden beispielsweise verklebt, sodass beim Rückbau keine sortenreine Trennung möglich ist. Dieses Problem soll durch das rein mineralische Wandsystem aus zwei UHPC-Schalen, die den wärmedämmenden und lastabtragenden Schaumkern schützen, erzielt werden. Für die Entwicklung eines vollständig mineralischen, tragenden und gleichzeitig wärmedämmenden Wandbauteiles wurden außenliegende ultrahochfeste Betonschalen (UHPC) und ein innenliegender Schaum auf UHPC-Basis zu einem Sandwichwandelement kombiniert. Dabei wurde ein mineralischer, chemisch aufgetriebener, lufthärtender Schaum (CLM-Schaum) auf Basis einer UHPC-Feinkornmischung genutzt, der im Gegensatz zu Porenbeton lufterhärtend ist und keine energieintensive Autoklavierung benötigt.

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C.-A. Graubner, Tilo Proske, Jochen Zeier
Entwicklung einer thermischen Entkoppelung von Stahlbetonwänden im Wand-Deckenknoten
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3134
2019, 152 S., 87 Abb. u. 48 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Gegenwärtig werden Wände im Übergangsbereich von unbeheizten zu beheizten Räumen nicht oder nur in Teilbereichen gedämmt. Dadurch entstehen erhebliche Wärmebrücken. Durch einen innovativen Wand-Decken-Anschluss könnte eine Verbesserung der wärmedämmenden Eigenschaften des Gebäudes erreicht werden. Derzeit gibt es für Wand-Decken-Anschlüsse im Stahlbetonbau kein geeignetes integrales System mit Dämmwirkung und lastabtragender Funktion. Daher sollten im Forschungsvorhaben die wissenschaftlichen Grundlagen für Anschlüsse zur thermischen Entkoppelung zwischen Stahlbetonwänden und Decken erarbeitet werden. Hinsichtlich der Methodik gliedert sich das Vorhaben in drei Teilbereiche: den theoretischen Teil, den experimentellen Teil sowie den analytischen Teil. Grundlage zur Anwendbarkeit des Wandanschlusses bildet die Erfüllung der bauphysikalischen Einflüsse. Wesentlich ist hierbei die Vorgabe aus dem Brandschutz, dass kraftübertragende Bereiche nur aus nichtbrennbaren Materialien bestehen dürfen. Mithilfe einer numerischen Berechnung zur Bestimmung des Wärmeflusses am Wand-Decken-Knoten konnte die einzuhaltende Wärmeleitfähigkeit für den Wandanschluss bestimmt werden.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Dalhoff, Nadine; Wenker, Jan L.; Kloster, Nina
Holz mit grünem Daumen. Vertikale Innenraumbegrünung
Mikado, 2022

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Tuschen, Christian
Eine Begrünung verleiht jedem Raum eine neue Dimension. Was es bei der Planung einer Innenraumbegrünung zu beachten gilt
GebäudeGrün, 2022

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Kaufmann, Julia
Untersuchung der Permeation von Kohlenstoffmonoxid durch komplette Wandaufbauten
vfdb-Zeitschrift für Forschung, Technik und Management im Brandschutz, 2022

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Vogel, Bodo
Wandtemperierung als alternative Beheizungsmöglichkeit von Wohnhäusern. Teil 1
Der Holznagel, 2022

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Otto, Julian
Dschungelatmosphäre in Mannheimer Start-Up-Cafe. BuGG-Innenraumbegrünung des Jahres 2021
GebäudeGrün, 2022

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Highlights aus dem Programm 2022