Analyse, Interpretation und Bewertung der Rechenergebnisse

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Thomas
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Analyse, Interpretation und Bewertung der Rechenergebnisse

Post by Thomas » Wed Nov 21, 2018 11:14 pm -1100

Bewertungskriterien

Das Ziel einer mit WUFI durchgeführten Simulation ist es meist, eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit oder über die Schadensfreiheit und Standhaftigkeit einer Konstruktion treffen zu können. WUFI liefert jedoch als Rechenergebnis lediglich Aussagen über Wassergehalte, Temperaturen, Feuchteströme usw. Diese Rechenergebnisse müssen erst bewertet werden, um die gewünschte Aussage über das Bauteil zu erhalten.

Aufgrund der Vielzahl der möglichen Schadens- und Versagensmechanismen ist bisher in der Regel keine automatische Bewertung der Rechenergebnisse möglich, die Interpretation muss vom Benutzer mit Hilfe seiner Fachkenntnis und Erfahrung vorgenommen werden. Oft sind zahlreiche Details der möglichen Schadensmechanismen noch unbekannt, da sie erst jetzt mit Unterstützung quantitativer Simulationen der näheren Untersuchung zugänglich geworden sind. Viele Schadensmechanismen sind Gegenstand aktueller Forschung, so dass möglicherweise in absehbarer Zeit automatisch anwendbare Bewertungskriterien zur Verfügung stehen werden. Neu erarbeitete Kriterien sollen künftig in WUFI-Postprozessoren implementiert werden, welche die Kriterien dann automatisch auf die numerischen Rechenergebnisse anwenden können.

Im Folgenden werden einige Aspekte erläutert, welche je nach untersuchtem Fall für die Bewertung von Rechenergebnissen relevant sein können (siehe auch [1]):


Allgemein

Wassergehalte im Bauteil, die der normalen Sorptionsfeuchte im Austausch mit der Umgebungsluft entsprechen, sind normal. Zahlreiche Schadensformen werden jedoch durch zu hohe Wassergehalte verursacht oder begünstigt. Grundsätzlich darf sich daher im Bauteil keine zu große Feuchtemenge anreichern.

Eine anfängliche Zu- oder Abnahme der Wassergehalte ist normal, falls der vom Benutzer vorgegebene Anfangswassergehalt unter oder über den Wassergehalten des resultierenden eingeschwungenen Zustands liegt. Jahreszeitliche Schwankungen des Gesamtwassergehaltes sind in begrenztem Rahmen ebenfalls normal. Jahreszeitliche Schwankungen der Wassergehalte einzelner Schichten können mit Schwankungen des Gesamtwassergehaltes zusammenhängen oder durch periodische Umverteilungen innerhalb des Bauteils verursacht werden (und verlaufen dann oft in zwei feuchteaustauschenden Schichten gegenläufig).

Falls der Gesamtwassergehalt oder der mittlere Wassergehalt in einer der Schichten auch über einen vieljährigen Berechnungszeitraum hinweg ständig ansteigt, so ist dies in der Regel bereits ein Hinweis auf ein Problem, da wahrscheinlich früher oder später eines der im Folgenden erläuterten Schadensrisiken auftreten wird.

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Wassergehalte können langfristig ansteigen, wenn aus der Umgebung im Mittel mehr Feuchte durch Diffusion, Konvektion oder Kapillartransport eingetragen wird als austrocknen kann. Wassergehalte einzelner Schichten können darüber hinaus auch ansteigen, wenn Baufeuchte aus anderen Schichten umverteilt wird und sich in der betreffenden Schicht anreichert.


Holzfäule

Gemäß DIN 68800:2012 Teil 2 darf zur Vermeidung von Holzfäule der massebezogene Wassergehalt von Holz 20 Massenprozent und der von Holzwerkstoffen 18 Massenprozent nicht längerfristig übersteigen. Ähnliches gilt für andere organische Faserdämmungen, wie z.B. Zellulosefasern oder textile Fasern.

Diese Grenzwerte enthalten eine Sicherheitsmarge. Die Pilze können erst oberhalb der Fasersättigung von etwa 25 bis 30 Massen-Prozent dem Holz genügend Feuchtigkeit entziehen, um Abbauprozesse in Gang setzen zu können.

Eine kurzfristige Überschreitung der Grenzwerte kann durchaus toleriert werden. Niedrige Temperaturen verlangsamen oder verhindern das Wachstum der Pilze, so dass in diesem Fall eventuell auch längerfristige Überschreitungen der Grenzwerte zulässig sind.

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WUFIs Schnellgrafiken für die Wassergehalte der einzelnen Schichten erlauben es, eine rote Referenzlinie bei einem benutzerdefinierten Massenprozent-Niveau einzublenden, welche ein Überschreiten dieses Niveaus sofort erkennen lässt.

Das WTA-Merkblatt zur feuchtetechnischen Bewertung von Holzbauteilen [9] [10] schlägt ein differenzierteres Kriterium vor. Für Massivholzprodukte wie z.B. Konstruktionsvollholz, verleimte oder verdübelte Vollholzprodukte, Vollholzschalung oder Dreischichtplatten gilt: Das Tagesmittel der relativen Porenluftfeuchte (gemittelt über die kritischsten 10 mm des Massivholzprodukts) darf 95% bei 0°C und 86% bei 30°C nicht überschreiten. In begründeten Ausnahmefällen können einzelne kurzfristige Überschreitungen akzeptiert werden.

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Diese temperaturabhängige Bewertung berücksichtigt, dass bei niedrigen Temperaturen die Wachstumsmöglichkeiten für holzschädigende Pilze geringer sind. Die Grenzkurve beschreibt in vereinfachter Form Versuchsergebnisse, nach denen in beimpften Holzproben (wenig resistentes Splintholz Fichte/Kiefer) auch nach zwölf Monaten kein Holzabbau stattfand, wenn die Bedingungen unterhalb der Grenzkurve lagen. Bei Überschreiten der Grenzkurve muss nicht zwangsläufig Holzabbau einsetzen; für die Bewertung dieser Situation ist ein entsprechendes Bewertungsmodell zu verwenden, z.B. das Holzzerstörungsmodell nach Viitanen, für das sich ein Postprozessor in Entwicklung befindet.

Der Darstellungstyp "Holzfeuchte nach WTA" in WUFIs Visualisierungs- und Auswerteprogramm WUFIGraph zeichnet die temperaturabhängige Grenzfeuchte nach WTA in ein Diagramm der Rechenergebnisse ein und erlaubt auf einen Blick festzustellen, ob die Grenzfeuchte überschritten wird:

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Schimmelpilzwachstum

An der Innenoberfläche eines Bauteils können bei hinreichend hohem Feuchteangebot und ausreichender Temperatur Schimmelpilze wachsen. Die DIN 4108 nennt als Grenzwert 80 % relativer Oberflächenfeuchte, die sich auf das Schimmelpilzrisiko an Wärmebrücken im Winter beziehen, also bei 12.6°C (das ist die Oberflächentemperatur, bei der angenommene Raumluftbedingungen von 20°C / 50 % r.F. zum Oberflächenfeuchte-Grenzwert 80 % führen). Bei höheren Temperaturen, insbesondere im Sommer, genügen bereits etwa 75 % r.F. Oberflächenfeuchte, um Schimmelpilzwachstum zu ermöglichen.

WUFIs Schnellgrafiken bieten unter anderem für jede Monitorposition ein Temperatur/Feuchte-Diagramm, in dem für jeden Rechenzeitschritt die berechnete relative Feuchte gegen die zugehörige Temperatur aufgetragen ist. Verschiedene Bereiche in einem solchen Diagramm stellen auch verschieden günstige Wachstumsbedingungen für Schimmelpilze dar, soweit sie durch die Feuchte- und Temperaturbedingungen bestimmt sind.

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Im Temperatur/Feuchte-Diagramm für die Innenoberfläche sind Grenzisoplethen eingetragen, welche die minimalen Wachstumsvoraussetzungen für das auf Baumaterialien übliche Nährstoffangebot darstellen (Grenzkurven LIM B I und LIM B II). Bleiben die Temperatur- und Feuchteverhältnisse unterhalb dieser Kurven, so ist in der Regel nicht mit Schimmelpilzwachstum zu rechnen.

Bei längerer Überschreitung der Grenzkurven hängt das Risiko von Dauer und Ausmaß der Überschreitung ab. Eine Bewertung dieser komplexeren Verhältnisse ist mittels des biohygrothermischen Modells möglich, das den Feuchtegehalt in einer Modellspore und damit ihre Keim- und Wachstumsmöglichkeiten in Abhängigkeit von den (mit WUFI ermittelten) instationären Temperatur- und Feuchtebedingungen an der betreffenden Oberfläche ermittelt. Im Postprozessor "WUFI-Bio" ist dieses Modell implementiert. Der in Kooperation mit dem VTT (Finnland) erstellte Postprozessor "WUFI Mould Index VTT" beurteilt das Schimmelpilzrisiko nach dem Viitanen-Modell. Der von der Uni Lund (Schweden) erstellte Postprozessor "Moisture Resistance Design (MRD) model" ermöglicht die Beurteilung des Schimmelpilzwachstumsrisikos nach schwedischem Ansatz.

Möglicherweise sind die Grenzisoplethen auch als Kriterium für das Schimmelpilzrisiko in Hohlräumen von Bauteilen anwendbar, dies ist jedoch bisher nicht verifiziert.

An Außenoberflächen kann Schimmelbewuchs durch die Sonnenstrahlung (Keimtötung durch hohe Temperaturen und UV-Strahlung) und den Regen (Abwaschen der Sporen) unterbunden werden, auch wenn er gemäß dem Grenzkurven-Kriterium möglich wäre. Für eine sachgerechte Bewertung dieser Situation wären einschlägige Modelle nötig, welche bisher nicht existieren.


Wärmeverlust

Auch wenn ein Dämmstoff feuchteunempfindlich ist (z.B. Hartschaumkunststoff), kann erhöhter Feuchtegehalt (z.B. infolge Kondensation) schädlich sein, falls er aufgrund der erhöhten Wärmeleitfähigkeit die Dämmwirkung auf nicht akzeptable Weise beeinträchtigt. Anhand der feuchteabhängigen Wärmeleitfähigkeit oder des feuchtebedingten Wärmeleitfähigkeitszuschlags des Dämmmaterials lässt sich abschätzen, ab welchem Feuchtegehalt die Dämmwirkung inakzeptabel verringert ist. Bis zu einem Feuchtegehalt von etwa 2 Volumenprozent kann in der Regel von einem geringen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit ausgegangen werden.

Je nach Diffusionsoffenheit des Dämmmaterials ist zusätzlich der Beitrag des Dampftransports in der Dämmschicht zu berücksichtigen, da der damit verbundene Latentwärmetransport die Dämmwirkung ebenfalls verringert. Der im Lieferumfang von WUFI enthaltene "Wärmedurchgang"-Postprozessor analysiert die Dämmwirkung des feuchten Bauteils auf Grundlage der resultierenden Wärmeströme.


Tauwassermenge auf Oberflächen

Nicht-hygroskopische Materialien und Materialien mit geringer Sorptionsfähigkeit können über Diffusion oder Konvektion eingetragene Feuchte nicht sorptiv binden; unter Kondensationsbedingungen fällt daher flüssiges Kondensat aus. Dies ist beispielsweise der Fall in Steinwolle- oder Mineralfaserdämmungen. Auf der Kaltseite solcher Dämmungen kann es daher zur Tauwasserbildung kommen.

Auch wenn die betroffenen Materialien selbst nicht feuchteempfindlich sind, besteht doch die Gefahr, dass Kondensat, das in zu großer Menge anfällt, abläuft und an anderer Stelle Feuchteschäden verursacht.

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Die Neufassung der DIN EN ISO 13788 [3] warnt deshalb vor einer Überschreitung einer Tauwassermenge von 200 g/m2, wenn die Materialien im Tauwasserbereich keine Feuchte aufnehmen können.

Krus und Rösler [4] stellen experimentell ebenfalls fest, dass in verschiedenen Mineralwolle-Arten auf nicht saugfähigem vertikalem Untergrund an der Grenzfläche ausfallendes Kondensat ab einer Menge von 200 g/m2 abzulaufen beginnt.

Die DIN 4108 [5] nennt 500 g/m2 als maximal zulässige Menge von Kondensat "an Berührungsflächen von Schichten, von denen mindestens eine nicht kapillar wasseraufnahmefähig ist".

Ähnliches gilt in noch stärkerem Maße für Luftschichten: Da die Luft keine Feuchte binden kann, schlägt sich unter Kondensationsbedingungen ausfallende Feuchte auf den Oberflächen jener Materialien nieder, welche die Luftschicht begrenzen. Sind diese Materialien nicht aufnahmefähig, kann sich eine größere Menge Wasser ansammeln und ablaufen.

Der British Standard BS 5250 [6] bietet eine differenzierte Liste:
  • Unter 30 g/m2 bildet die Feuchte lediglich einen Feuchtebeschlag an der Oberfläche.
  • Zwischen 30 und 50 g/m2 schließen sich die Tröpfchen zu einzeln Tropfen zusammen, die an vertikalen Flächen ablaufen können.
Größere Feuchtemengen bilden Tropfen, die an nicht-senkrechten Flächen ablaufen können:
  • 70 g/m2 laufen auf einer Neigung von 45° ab,
  • 150 g/m2 laufen auf einer Neigung von 23° ab.
  • Überschreitet die Kondensatmenge auf der Unterseite einer waagerechten Fläche 250 g/m2, so kann das Kondensat herabhängende Tropfen bilden und abtropfen.

Das Ablaufen selbst kann von WUFI nicht simuliert werden, in der Rechnung steigt der Wassergehalt einfach weiter an. Der Benutzer muss bewerten, ob eine Feuchtemenge erreicht wurde, die in Wirklichkeit ablaufen würde.

Läuft Kondenswasser aufgrund einer lokalen Überschreitung der maximalen stabilen Tauwassermenge ab, kann es auf seinem Weg nach unten weiteres Kondensat mit sich reißen, auch wenn dessen Menge für sich genommen noch stabil gewesen wäre. Es ist also nicht zu erwarten, dass ansteigender Kondenswassergehalt bei Erreichen der gerade noch stabilen Menge dort einfach verharrt und nur zusätzlich hinzukommendes Wasser abläuft. Es ist vielmehr mit deutlichen Fluktuationen des Wassergehaltes zu rechnen.

Die Tauwasserbewertung in hydrophoben Mineralfaserdämmungen wird ausführlich in unserem Tutorial
https://wufi.de/de/service/downloads/#t ... auswertung
beschrieben.


Tauwassermenge im Materialinneren

Das oben beschriebene Bewertungskriterium betrifft ausschließlich das Schadensrisiko durch Ablaufen von Tauwasser, das auf nicht aufnahmefähigem Untergrund ausgefallen ist.
Verwendung der insgesamt im Bauteil angefallenen Tauwassermenge als vertrautes und einfaches Bewertungskriterium in Anlehnung an die früher üblichen Glaser-Rechnungen ist aus mehreren Gründen in einer realistischen hygrothermischen Simulation nur eingeschränkt sinnvoll.

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In einer Glaser-Rechnung werden zunächst das Temperaturprofil und das Dampfdruckprofil ermittelt, die sich im Bauteil unter stationären Auslegungsbedingungen einstellen. Erreicht der Dampfdruck p an einer Stelle im Bauteil den (vom Temperaturprofil bestimmten) örtlichen Sättigungsdampfdruck psat, so bestehen dort "Taubedingungen": Die relative Feuchte beträgt 100 % und es fällt eine durch das Dampfdruckprofil und die Dauer der Taubedingungen bestimmte "Tauwassermenge" aus. Je nach anzuwendender Auslegungsvorschrift kann für das Bauteil gefordert werden,
  • dass die während der "Tauperiode" ausfallende Tauwassermenge eine vorgegebene Obergrenze nicht überschreiten darf und während einer anschließenden "Verdunstungsperiode" wieder vollständig austrocknen muß,
oder
  • dass Taubedingungen gar nicht auftreten dürfen.

Das für die Bemessung von Dämmschichten in Kühlhaus-Wänden entwickelte Glaser-Verfahren geht von nicht-hygroskopischen Materialien aus. Feuchtigkeit kann in solchen Materialien nur als Tauwasser auftreten. Für gegebene stationäre Randbedingungen läßt sich eindeutig feststellen, ob Tauwasser ausfällt oder nicht. Der Begriff "Taubedingungen" bezeichnet in einer Glaser-Rechnung sowohl
  • die Randbedingungen, die zu Tauwasserausfall im Bauteil führen
    ("Das Bauteil ist Taubedingungen ausgesetzt")
als auch
  • die relative Feuchte von 100 %, die in der Tauwasserregion des Bauteils das Auftreten von Tauwasser anzeigt
    ("In der Dämmschicht herrschen Taubedingungen")

Diese beiden Bedingungen treten in stationären Glaser-Rechnungen für nicht-hygroskopische Materialien stets gemeinsam auf, sind in einer Bewertung nach Glaser also gleichbedeutend.

Die meisten Baumaterialien sind jedoch hygroskopisch, und die Sorptionsfähigkeit ändert ihr Feuchteverhalten wesentlich. Die Begriffe "Taubedingungen" und "Tauwasser" sind auf solche Materialien meistens nicht sinnvoll anwendbar.

  • Hygroskopische Materialien können aufgrund ihres Sorptionsvermögens auch bei relativen Feuchten unter 100 % (d.h. ohne Auftreten von "Tauwasser" im Glaser-Sinne) einen erheblichen Feuchtegehalt aufweisen, beschrieben durch die Feuchtespeicherfunktion. Der Übergang von hygroskopischer Feuchte zu Wassergehalten bei "Taubedingungen" (im Sinne von 100 % relativer Feuchte) ist fließend.

    Wenn das Bauteil hohen Luftfeuchten ausgesetzt ist, können sich daher aufgrund der normalen Sorption schädliche erhöhte Wassergehalte einstellen, ohne dass Temperatur- und Feuchterandbedingungen vorliegen, die in einer Glaserrechung zu Tauwasser führen würden und ohne dass irgendwo im Bauteil 100 % r.F. erreicht werden.

    Die Feststellung, dass keine "Taubedingungen" im Glaser-Sinne vorliegen, würde in solchen Fällen zu einer Fehlbewertung der in Wirklichkeit schädlichen Wassergehalte führen.
    .
  • In hygroskopischen Materialien kann das Sorptionsvermögen eine nicht vernachlässigbare hygrische Trägheit verursachen. Wenn Temperatur- und Feuchterandbedingungen vorliegen, die in einer stationären Glaser-Rechnung zu Tauwasserausfall an einer Stelle im Bauteil führen, so kann es in einer instationären Simulation erhebliche Zeit dauern, bis dieser stationäre Endzustand tatsächlich erreicht wird.

    Wegen des strikten Zusammenhangs zwischen relativer Feuchte und Wassergehalt in hygroskopischen Materialien (siehe Feuchtespeicherfunktion) werden 100 % relativer Feuchte dann erreicht, wenn der Wassergehalt die freie Sättigung erreicht. Dazu muss eine hinreichende Menge Wasser an die betreffende Stelle transportiert werden. Je nach Feuchtetransport-Eigenschaften und Sorptions-Kapazität des Materials kann dies erhebliche Zeit dauern. In vielen Fällen haben sich die Randbedingungen wieder geändert, bevor die Sättigung tatsächlich erreicht werden konnte. (Siehe hierzu auch Why Never 100% RH in the Component?)

    In diesen Fällen kommt es nicht zu "Tauwasserausfall" (im Sinne von 100 % relativer Feuchte), obwohl vorübergehend Temperatur- und Feuchterandbedingungen vorlagen, die in einer Glaserrechnung zu "Taubedingungen" geführt hätten.

    Die Feststellung, dass Randbedingungen vorliegen, die in einer Glaser-Rechnung zu "Taubedingungen" geführt hätten, würde stets hohe Wassergehalte erwarten lassen, obwohl die tatsächlichen Wassergehalte je nach Umständen und Materialeigenschaften hoch oder niedrig sein können.
    .
  • Wegen des fließenden Übergangs zwischen Sorptionsfeuchte und "Tauwasser" ist eine "Tauwassermenge" in hygroskopischen Materialien gar nicht eindeutig feststellbar und von Sorptionsfeuchte unterscheidbar. Soll z.B. der im vorigen Beispiel beschriebene ansteigende Feuchtegehalt schon als sich langsam ansammelndes Tauwasser oder noch als erhöhte Sorptionsfeuchte betrachtet werden?

    Eindeutig als Tauwasser anzusprechen sind erst Wassergehalte oberhalb der freien Sättigung, denn solche Wassergehalte können nur durch Kondensation erreicht werden, nicht durch Kapillarleitung.
    .
  • Neben der Schwierigkeit, "Taubedingungen" oder "Tauwassermengen" in sorptionsfähigen Materialien eindeutig zu definieren, kommt hinzu, dass der in Glaser-Rechnungen nicht berücksichtigte Flüssigtransport einerseits
    • schädliche Feuchteansammlungen verursachen kann (z.B. infolge Regenaufnahme),
    oder andererseits
    • anfallendes Kondensat kapillar verteilen und so unschädlich machen kann.

    In beiden Fällen können "Taubedingungen" oder "Tauwassermengen" ein irreführendes Schadenskriterium sein.

Dieselben Einschränkungen bestehen für das Kriterium, welches das Temperatur-Profil im Bauteil mit dem Taupunkttemperatur-Profil vergleicht und im Falle des Zusammentreffens der beiden Profile "Taubedingungen" am betreffenden Ort feststellt. Dies ist nichts anderes als ein physikalisch anders formulierter Vergleich von Dampfdruck und Sättigungsdampfdruck und entspricht daher den Glaser-Kriterien.

Fazit:
  • Taubedingungen im Glaser-Sinne sind in hygroskopischen Materialien in der Regel kein zuverlässiges Kriterium zur Bewertung der zu erwartenden Wassergehalte.
  • Tauwassermengen im Glaser-Sinne sind in hygroskopischen Materialien nicht eindeutig definiert, außer wenn die freie Sättigung überschritten wird.
  • Flüssigtransport wird von den Glaser-Kriterien nicht berücksichtigt. In kapillaraktiven Materialien kann er Feuchteprobleme ebenso verursachen wie verhindern.

Anstelle von "Taubedingungen" und "Tauwassermengen" sollten daher in einer hygrothermischen Simulation unter Berücksichtigung der Sorptionsfähigkeiten der Materialien und aller relevanten Feuchtetransportmechanismen die im Bauteil resultierenden Wassergehalte ermittelt und nach den in der vorliegenden Zusammenstellung beschriebenen Kriterien für verschiedene mögliche Schadensmechanismen bewertet werden.

In der Praxis wird trotz der genannten Einschränkungen oft näherungsweise und anschaulich von "Tauwasser" gesprochen, wenn die Erhöhung des Wassergehalts ausschließlich oder überwiegend durch Dampftransport (und nicht durch Kapillartransport) verursacht wird.

Bei der Auswertung von Simulationsergebnissen kann in diesem Sinne der Kürze halber von "Tauwasser" gesprochen werden, sofern die Änderung des Wassergehalts bewertet wird und nicht nach absoluten "Tauwassermengen" oder dem Bestehen von "Taubedingungen" gefragt wird, da diese in hygroskopischen Materialien nur unscharf definiert sind.

Lediglich Überschreitungen der freien Sättigung sind eindeutig als "Tauwasser" im eigentlichen Sinne anzusprechen. Bei Auftreten derart hoher Wassergehalte wird aber in den meisten Fällen damit zu rechnen sein, dass andere der hier diskutierten Wassergehaltskriterien bereits überschritten sind. Dieses Kriterium wird daher nicht alleine angewendet werden dürfen.


Frostschadensrisiko

Hohe Wassergehalte können wegen der Volumenausdehnung des gefrierenden Wassers bei einer hinreichenden Anzahl von Frost-Tau-Wechseln zur Schwächung und Schädigung der inneren Struktur eines porösen Baumaterials führen. Die Anfälligkeit für Frostschäden hängt von der Art des Materials und von seinem Wassergehalt beim Gefrieren ab.

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Frostbeständige Materialien können in der Regel auch gefrierende Wassergehalte bis mindestens zur freien Sättigung ohne Frostschäden überstehen. Frostempfindliche Materialien hingegen dürfen während der Frostperiode bestimmte Grenzwassergehalte nicht überschreiten. Bei Kalksandstein ist ab Wassergehalten von etwa 12 Massen-Prozent bei den in Mitteleuropa üblichen Wintertemperaturen mit Frostschäden zu rechnen. Für die meisten Materialien sind allerdings bisher keine Grenzwerte für Wassergehalte und Temperaturen bekannt.

Das WTA-Merkblatt zur Innendämmung [2] nennt als Kriterium, dass nicht frostbeständige Materialien einen Sättigungsgrad von 30% (d.h. 30% des maximal möglichen Wassergehalts wmax) nicht überschreiten sollten. Dieses Kriterium enthält einen Sicherheitsfaktor 2. Höhere Sättigungsgrade sind zulässig, wenn die relative Feuchte der Porenluft unter 95% bleibt. Damit sind nach gegenwärtigem Kenntnisstand Frostschäden auch bei frostempfindlichen Materialien auszuschließen.

Bei allgemein feuchteempfindlichen Materialien ist natürlich deren zulässige Maximalfeuchte zu beachten.


Korrosion

Metallische Konstruktionsbestandteile können bei hohen Feuchten korrodieren. Dies betrifft z.B. Bewehrungsstahl im Beton, wenn mit fortschreitender Karbonatisierung der durch die Alkalität des Betons verursachte Korrosionsschutz nicht mehr gewährleistet ist. Als pauschales Kriterium kann angenommen werden, dass Korrosion von Stahl im karbonatisierten Beton unter einer relativen Porenluftfeuchte von 80 % vernachlässigbar ist. Der Postprozessor "WUFI-Corr" ermöglicht die Abschätzung der Korrosionsgeschwindigkeit [8] in Abhängigkeit von Feuchte und Temperatur bei Vorliegen von Korrosionsbedingungen.

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Andere Kriterien

Weitere Bewertungsaspekte, welche gegebenenfalls zu berücksichtigen wären, sind beispielsweise feuchtebedingte Entfestigung, chemische Vorgänge, Alterung etc. Über Kriterien zur Bewertung dieser Prozesse ist aber bislang nur wenig bekannt.


Beispiel: Innendämmungen

Als konkretes Beispiel für die Anwendung eines Satzes von Bewertungskriterien wird im Folgenden die Innendämmung einer Außenwand betrachtet.

Eine Außendämmung bringt die gedämmte Wand auf ein höheres Temperaturniveau (und begünstigt so die Austrocknung vorhandener Feuchtigkeit), schützt vor Schlagregen und anderen äußeren Belastungen und entschärft Wärmebrücken. Eine massive Wand verhindert Diffusionstransport aus der feuchten Raumluft in die außenliegende Dämmung, so dass in der Regel nicht mit Kondensationsproblemen in der Dämmschicht zu rechnen ist.

Eine Innendämmung hingegen koppelt die Wand von der Innenraumtemperatur ab, so dass das Temperaturniveau der Wand gegenüber dem ungedämmten Fall absinkt. Das nun möglicherweise unzureichende Trocknungspotential kann zu Durchfeuchtungen führen; die Kombination aus erhöhtem Feuchtegehalt und abgesenkter Temperatur kann Frostschäden an bisher schadensfreien Fassaden verursachen. Bei dickeren Dämmschichten ist damit zu rechnen, dass wandseitig in der Dämmung die Taupunkttemperatur der Raumluft unterschritten wird, so dass zur Vermeidung von Feuchteschäden entweder der Diffusionstransport hinreichend gering gehalten oder ausgefallenes Tauwasser kapillar abgeleitet werden muss (z.B. durch eine kapillaraktive Innendämmung oder - in begrenztem Rahmen - durch einen saugfähigen Untergrund). Die Dämmung darf auf keinen Fall von Raumluft hinterströmt werden.

In Fällen, die von den üblichen Planungsunterlagen zur Bemessung der Dämmung nicht erfasst werden, kann die Notwendigkeit und Eignung zusätzlicher feuchteregulierender Maßnahmen wie Schlagregenschutz, Hydrophobierung oder Diffusionskontrolle mit einer hygrothermischen Simulation untersucht werden.

Das WTA-Merkblatt 6–5 [2] gibt Hinweise zur Durchführung und Bewertung solcher Rechnungen. Als kritische Grenzen werden genannt:
  • Im Bereich zwischen Dämmung und Wand sollte zur Vermeidung von Frostschäden ein Durchfeuchtungsgrad von 30% nicht überschritten werden. Dieser Grenzwert darf überschritten werden, falls 95% r.F. eingehalten werden, oder die betroffenen Materialien frost- und feuchtebeständig sind (vgl. auch Abschnitt "Frostschadensrisiko").
  • Gipshaltige Untergründe sollten entfernt werden. Wo dies nicht der Fall ist, darf die relative Feuchte in diesen Materialien 95% nicht übersteigen.
  • In Fachwerk oder Dämmungen aus nachwachsenden Rohstoffen dürfen die Wassergehalte 20 Massenprozent in Massivholz bzw. 18 Massenprozent in Holzwerkstoffen nicht über längere Zeiträume überschreiten (vgl. auch Abschnitt "Holzfäule").

Zur Bewertung der Wassergehalte, die innerhalb einer Schicht sehr unterschiedlich sein können, wird empfohlen, diejenige 10 mm dicke Teilschicht auszuwerten, in welcher der höchste Feuchtegehalt auftritt.

Eine Begrenzung der relativen Feuchte an der Grenze zwischen Dämmschicht und Bestandswand auf 80%, wie sie auf der Oberfläche der freiliegenden Bestandswand nötig wäre (vgl. Abschnitt "Schimmelpilzwachstum") wird ausdrücklich nicht gefordert, da hier kein Schimmel wachsen kann, sofern die Dämmung hohlraumfrei aufgebracht wurde.


Verschärfte Bedingungen

Oft ist nicht das Verhalten des Bauteils unter mittleren, typischen Bedingungen von Interesse, sondern die Standhaftigkeit und Funktionstüchtigkeit unter verschärften Auslegungsbedingungen. Für diesen Zweck können Simulationen durchgeführt werden, in denen das Bauteil Bedingungen ausgesetzt wird, die den zu untersuchenden Schadensmechanismus begünstigen.

Für zahlreiche Schadensmechanismen kann eine eventuelle Anfälligkeit des Bauteils durch Verwendung verschärfter Wetterbedingungen untersucht werden. Näheres hierzu wird im WUFI-Hilfethema "Erstellung von Klimadateien" erläutert.

Zur Überprüfung eines ausreichenden Trocknungspotentials kann die Simulation mit einer realistisch erhöhten Anfangsfeuchte gestartet werden, z.B. als baufeuchtes Mauerwerk oder mit einer beregneten Holzschalung. Diese Einbaufeuchte muss austrocknen können, ohne Schäden an der Konstruktion zu hinterlassen.

Da Bauteile nie völlig dicht sind, kann über Luftströmungen oder Schlagregen Feuchte eingetragen werden, die ebenfalls austrocknen können muss und daher bei der Simulation berücksichtigt werden sollte. Die Eintragspfade sind in der Regel dreidimensional und können daher von ein- und zweidimensionalen Programmen nicht in ihrem Verlauf modelliert werden. WUFI kann also nicht von sich aus ermitteln, wo auf solche Weise eingetragene Feuchte sich ggf. niederschlägt. Der Benutzer kann jedoch ersatzweise Feuchtequellen definieren, die er an jene Stellen im Bauteil setzt, an denen seiner Erwartung gemäß die Feuchte in Erscheinung treten wird.

• So sind Leichtbaukonstruktionen nie völlig luftdicht. Druckunterschiede zwischen innen und außen, die vor allem im Winter aufgrund des thermischen Auftriebs im Innenraum entstehen, führen im oberen Bereich des Gebäudes zur Durchströmung des Bauteils von innen nach außen. Wenn die Luft auf ihrem (eventuell sehr gewundenen) Strömungsweg die Taupunkttemperatur der Raumluft unterschreitet, fällt innerhalb des Bauteils Tauwasser aus. Auch diese zusätzliche Feuchte muss austrocknen können, ohne Schäden zu verursachen. Die DIN 68800 fordert daher bei der feuchetechnischen Bemessung eine geeignete Berücksichtigung dieser Leckage. Dies ist in WUFI mit dem "Luftinfiltrationsmodell IBP" möglich: es steuert die bauteil- und klimaabhängige Feuchteabgabe der vom Benutzer an eine geeignete Stelle gesetzten Feuchtequelle.
Für stationäre Rechenverfahren geht die Norm von 250 g/m2 Feuchteanfall aus, die im Winterhalbjahr im Bauteil zu erwarten sind und austrocknen können müssen. Diese Menge kann auch für instationäre Simulationen als orientierende Größenordnung angesehen werden.

• Eine andere Befeuchtungsquelle sind Schlagregenleckagen: Bei Wänden mit Fassadendämmung oder Bekleidung kann Regenwasser oft an Anschlussdetails wie Fensterlaibungen ins Bauteilinnere hinter der Dämmung oder Bekleidung eindringen. Die amerikanische Norm ASHRAE Standard 160 [7] fordert daher, dass bei jedem Regenereignis 1 Prozent des auf die Fassade treffenden Schlagregens hinter die Dämmung in die Unterkonstruktion einzubringen ist. Auch dieser zusätzliche Feuchteeintrag muss schadlos austrocknen können. Die Mengenvorgabe "1 Prozent" beruht auf dem Abgleich von geschädigten und schadensfreien realen Fällen mit entsprechenden Simulationen. In WUFI setzt der Benutzer eine Feuchtequelle an die betreffende Stelle im Bauteil und lässt die Quellstärke als "Anteil des Schlagregens" steuern.


Unsicherheiten

Eine numerische Simulation liefert für einen gegebenen Satz von Eingabedaten (Materialkenndaten, Oberflächenübergangskoeffizienten, Wetterdaten, ...) die entsprechenden mathematisch ermittelten Ergebnisdaten. Die Eingabedaten werden jedoch niemals völlig exakt dem zu untersuchenden Objekt entsprechen.

Die Materialkenndaten beispielsweise stehen oft nur als repräsentativer generischer Datensatz für eine Materialklasse zur Verfügung. Auch wo Daten für ein konkretes Material ermittelt wurden, ist neben Messunsicherheiten auch mit produktionsbedingten Schwankungen oder gar mit Rezepturänderungen des Herstellers zu rechnen. Neu zu entwickelnde Materialien existieren anfangs noch gar nicht und können nur in Form eines hypothetischen Datensatzes eingegeben werden.

Gemessene Wetterdaten stehen nur für wenige Orte und begrenzte Zeiträume zur Verfügung. Ihre Übertragung auf den gewünschten Standort und (meist künftigen) Zeitraum bringt Unsicherheiten mit sich. Es ist mit Änderungen der Exposition (z.B. neu angepflanzte, oder wachsende oder entfernte beschattende Bäume) oder der Gebäudenutzung (und damit des Raumklimas) zu rechnen, usw. usw.

In der Regel wird die Unsicherheit der resultierenden Bewertung um so größer sein, je größer die Unsicherheiten der Eingangsparameter sind, aber verschiedene Parameter werden das Ergebnis in unterschiedlichem Maße beeinflussen.
Die Frage, welche Parameter mit welcher Genauigkeit bestimmt werden müssen, um die gewünschte Sicherheit im Ergebnis zu erhalten, lässt sich mit WUFI selbst beantworten. Variiert man einen Parameter in sinnvollem Rahmen, ohne dass die resultierende Bewertung sich in bedeutsamem Umfang ändert, so liegt nur eine geringe Sensitivität des Ergebnisses bezüglich dieses Parameters vor und es genügt eine plausible Schätzung. Ändert sich die resultierende Bewertung über ein akzeptables Maß hinaus, so ist der betreffende Parameter genauer zu bestimmen. Die für diesen Parameter erforderliche Genauigkeit lässt sich ebenfalls über Parametervariationen mit WUFI bestimmen.

Einfache Klimavariationen lassen sich durch Wechsel des Standortes, durch eine Temperaturverschiebung (in begrenztem Rahmen) oder durch Variation der Übergangskoeffizienten (in begrenztem Rahmen) erzielen.

Die Sensitivität bezüglich eines gegebenen Parameters, z.B. des µ-Wertes einer OSB-Platte, kann dabei sehr stark vom konkreten Fall abhängen. Hat die OSB-Platte eine dampfbremsende Wirkung und ist diese Wirkung unter den gegebenen Randbedingungen für das Funktionieren des Bauteils erforderlich, so ist mit höherer Sensitivität zu rechnen. Befindet sich dasselbe Material an einer anderen Stelle des Bauteilaufbaus, an der seine dampfbremsende Wirkung ohne Funktion ist, oder besteht unter den gegebenen Randbedingungen keine Tauwassergefahr, so ist mit geringer Sensitivität gegenüber demselben µ-Wert zu rechnen.


Literatur:

[1] Zirkelbach, D.: Hygrothermische Simulation - Anwendungsmöglichkeiten für Planer und Sachverständige.
ISK 2013 - 12. Internationale Baufach- und Sachverständigentagung Ausbau und Fassade 11./12. Oktober 2013 in Regensburg (online)
[2] WTA-Merkblatt E 6-5-12/D: Innendämmung nach WTA II - Nachweis von Innendämmsystemen mittels numerischer Berechnungsverfahren.
Entwurf November 2012
[3] DIN EN ISO 13788: 2001-11: Wärme- und feuchtetechnisches Verhalten von Bauteilen und Bauelementen – Oberflächentemperatur zur Vermeidung von kritischer Oberflächenfeuchte und Tauwasserbildung im Bauteilinneren – Berechnungsverfahren.
Beuth Verlag Berlin, 2001
[4] Krus, M., Rösler, D.: Hygrothermische Berechnung der Einsatzgrenzen unterschiedlicher Systeme bei der Aufdoppelung von Wärmedämmverbundsystemen.
Bauphysik 33 (2011), Heft 3, 142-149, DOI: 10.1002/bapi.201110017
[5] DIN 4108-3: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden. Teil 3: Klimabedingter Feuchteschutz - Anforderungen, Berechnungsverfahren und Hinweise für Planung und Ausführung.
November 2014. Beuth Verlag Berlin
[6] BSI 5250:2011: Control of condensation in buildings.
BSI - British Standards Institution, London, 2011
[7] ASHRAE ANSI Standard 160: Criteria for Moisture-Control Design Analysis in Buildings.
2009
[8] Carsana, M., Marra, E., Bertolini, L.: Corrosion behaviour of metal inserts in simulated ancient masonry mortars.
Construction and Building Materials 95 (2015) 457–466
[9] WTA-Merkblatt 6-8-15: Feuchtetechnische Bewertung von Holzbauteilen - Vereinfachte Nachweise und Simulation.
WTA
[10] Kehl, D.: Feuchtetechnische Bemessung von Holzkonstruktionen nach WTA.
Holzbau - die neue quadriga 6/2013, 24-28 (online)