Metalldachdeckung als nicht­belüftete Konstruktion

Immer wieder wird in Fachkreisen darüber diskutiert, in welcher Form Metalldeckungen auszuführen sind. Im Mittelpunkt der Diskussionen steht die Frage: „Können Dächer mit Metalldeckung auch als nicht belüftete Dächer ausgeführt werden?“

Vor allem für die traditionelle Verlegung in Falztechnik auf Schalung wurde lange die belüftete Ausführung der Dachdeckung als einzig bauphysikalisch sichere Ausführung beschrieben. Heute steht allgemein anerkannt fest: Mit neuen Erkenntnissen, Produkten und Konstruktionen lassen sich auch unbelüftete Konstruktionen erstellen. Entscheidend für die sichere Funktion ist das Zusammenspiel der einzelnen Funktionsschichten und die Kenntnis der bauphysikalischen Anforderungen an Planung und Ausführung. In zwei Teilen stellen wir für den Klempner die wichtigen Grundlagen zusammen.

Seit Einführung der Energieeinsparverordnung (EnEV) sowie der Neufassung der DIN 4108-3 (7-2001) „Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden, Klimabedingter Feuchteschutz, Anforderungen, Berechnungsverfahren und Hinweise für Planung und Ausführung“ wurden die Rahmenbedingungen neu beschrieben.

Innovative Produkte

Entwicklungen innovativer Baustoffe, wie trocknungsfördernde Dampfbremsen und neue Verlegesysteme für nicht belüftete Konstruktionen, haben die Funkti- onssicherheit verbessert. Nicht belüftete Metalldach-Konstruktionen sind daher nicht nur eine mögliche Alternative zur belüfteten Konstruktion, sondern in vielen Fällen die einzig sinnvolle und wirtschaftliche Lösung. In der Praxis hat sich gezeigt, dass insbesondere Sonderdachformen wie Walm-, Tonnen- und Zeltdächer mit sehr niedrigen Dachneigungen nur bedingt als belüftete Konstruktionen mit einem hohen konstruktiven Aufwand hergestellt werden können, der häufig auch gestalterische Probleme mit sich bringt.

Im Vordergrund stehen die gestiegenen Anforderungen an den Wärmeschutz, geänderte und intensivere Gebäudenutzung, komplexe Dachformen sowie große Dachflächen mit flacher Neigung und bautechnische Entwicklungen. Dabei sind nicht belüftete Dachkonstruktionen auch bei Metalldeckungen nicht neu. Die Regelungen der alten DIN 4108 „Wärmeschutz im Hochbau“ - Ausgabe 1981 Teil 3 „Klimabedingter Feuchteschutz“ gaben bereits Hinweise für die Ausführung für belüftete und nicht belüftete Dächer, um auf einen rechnerischen Tauwassernachweis verzichten zu können. Diese Voraussetzungen sind auch mit Einführung der neuen Norm (Stand Juli 2001) weiterhin Bestandteil der Regeln. Auch der ZVSHK hatte in seinem Merkblatt „Unbelüftete wärmegedämmte Metall-Dächer in Klempner-Technik; Ausführung,

Besonderheiten“ (1994) als Teil der »Fachregeln für das Klempner-Handwerk« dem Verarbeiter Informationen für die Verarbeitung an die Hand gegeben.

Feuchteschutz nach DIN 4108

Bauen ist ständiger Kampf gegen das Wasser. Wasser in jeder Form gehört zu den Stoffen, die das Bauen schwierig machen. Viele Schäden und Probleme gehen auf Wasser in seinen unterschiedlichsten Aggregatzuständen zurück. Wasser kann von außen aber auch von innen in ein Bauteil eindringen. Zu beachten ist, dass Wasser auch seine jeweiligen Zustände, gefroren, flüssig, gasförmig ändern kann. Mit diesen Änderungen des Aggregatzustandes ist auch eine Veränderung des Volumens verbunden. Dringt flüssiges Wasser beispielsweise in eine Bauteilfuge ein, so kann gefrorenes Wasser, also Eis durch seine Volumenänderung in dieser Fuge zu Schäden (Auffrieren) führen. Auch kann etwa Wasserdampf durch Bauteile diffundieren, die gegen flüssiges Wasser einen entsprechenden Sperrwert aufweisen. Ein weiterer Vorgang ist der konvektive Transport von feuchter Luft über Fugen und Leckagen in die Konstruktion.

Temperatur, Taupunkt und Bedeutungen für das Klempnerhandwerk

Grundsätzlich hängen die jeweiligen Zustände des Wassers von der Temperatur ab. Bei 0 °C wechselt Wasser seinen Zustand von flüssig zu fest. Bei 100 °C siedet Wasser und geht in einen gasförmigen Zustand über. Abhängig vom Luftdruck erfolgt dieser Vorgang auch bei niedrigeren Temperaturen, so dass immer mehr oder weniger Feuchtigkeit in unserer Umgebungsluft vorhanden ist. Warme Luft kann mehr Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf aufnehmen als kalte Luft. Wird diese warme, feuchte Luft abgekühlt, dann kondensiert der Wasserdampf und fällt als flüssiges Wasser aus. Dies erleben wir jeden morgen beim Duschen. Es beschlagen die kalten Flächen eines Spiegels oder einer Duschabtrennung.

Für die Bauphysik erklärt sich dieses Phänomen durch Unterschreitung des Taupunktes. Der Taupunkt ist auch bei der Betrachtung eines Bauteils wie Dach oder Fassade von entscheidender Bedeutung.

Taupunkt

Wird ungesättigte Luft bei konstantem Gesamtluftdruck abgekühlt, so bleibt der Wasserdampfteildruck unverändert. Bei einer bestimmten Temperatur wird der Wasserdampfteildruck gleich dem zugehörigen Sättigungsdruck und es beginnt Tauwasser auszufallen. Diese Temperatur heißt der „Taupunkt“ oder „Taupunkttemperatur“ der Luft. Die Kurzbezeichnung „Taupunkt“ ist in der Praxis missverständlich, da sie oft als der „Ort“ in der Wärmedämmung verstanden wird, an dem Wasser ausfällt. Ein Beispiel verdeutlicht dies:

Luft mit einer Ausgangstemperatur von 20 °C und 50 % relativer Luftfeuchte enthält eine Wassermenge von 8,65 g/m³. Kühlt diese Luft an einem kälteren Gegenstand, etwa einer Wandfläche, ab, so geschieht solange nichts, bis der Taupunkt oder die Taupunkttemperatur erreicht wird. Diese beträgt in vorliegendem Fall 9,3 °C. Der Wasserdampfgehalt der Luft beträgt immer noch 8,65 g/m³, wobei diese Feuchtemenge nun der maximale Feuchtegehalt der Luft ist und die relative Luftfeuchte 100 % beträgt. Bei weiterer Abkühlung beginnt nun Tauwasser auf unserer Wandfläche auszufallen.

Neben einer luftdichten Gebäudehülle stellt die DIN 4108 an Gebäude mit normalen raumklimatischen Bedingungen die grundsätzliche Anforderung, dass es in der Konstruktion eines Außenbauteils und somit auch in der Dachkonstruktion nicht zu einer schädlichen Tauwasserbildung kommt, die durch Erhöhung des Feuchtegehaltes den Wärmeschutz und die Standsicherheit der Tragkonstruktion gefährdet oder zu einem Schädlingsbefall führt. Dies heißt natürlich nicht, dass keine Feuchtigkeit in die Konstruktion hineindiffundieren darf; es muss nur sichergestellt sein, dass in der Trocknungsperiode die eingedrungene Feuchtigkeit wieder hinausdiffundieren kann, um die Bilanz über das gesamte Jahr auszugleichen.

Der Nachweis, dass Diffusion nicht zu schädlichem Tauwasserausfall führt, erfolgt durch Diffusionsberechnungen nach DIN 4108, dem sogenannten Glaserverfahren. Das bilanzierende Glaserverfahren ist für die meisten Anwendungsfälle ausreichend. Es ermittelt, wie viel Feuchte in der Tauperiode (= Winter) in das Bauteil eindringt und wie viel Feuchte in der Verdunstungsperiode (= Sommer) austrocknen kann. Verdunstet mehr als die entstehende Tauwassermenge, so trocknet das Bauteil im Sommer aus und es kann sich über die

Jahre kein Tauwasser ansammeln. Zusätzlich darf die durch Diffusion eingedrungene Feuchtemenge bestimmte Obergrenzen nicht übersteigen.

Tauwasser-Obergrenze je Tauperiode

• Holz 5 % Massengehalt
• Holzwerkstoffe 3 % Massengehalt
• bei Tauwasserabfall an kapillar nicht wasseraufnahmefähiger Schicht: 0,50 kg/m²
• bei Tauwasseranfall an kapillar wasseraufnahmefähiger Schicht: 1,00 kg/m²

Luft kann in Abhängigkeit von der Lufttemperatur nur eine bestimmte Menge an Wasserdampf aufnehmen. Dabei nimmt warme Luft mehr Feuchtigkeit auf als kalte Luft. Fällt die Lufttemperatur, so sinkt die Fähigkeit, den Wasserdampf in der Luft zu halten. Wird die kritische Temperatur unterschritten, gibt die Luft den Wasserdampf in Form flüssigen Wassers ab. Man spricht von Tauwasserausfall.

Auf diesen sogenannten Tauwassernachweis kann bei belüfteten Dachkonstruktionen und bei unbelüfteten Dachkonstruktionen, wie sie in DIN 4108 beschrieben sind, verzichtet werden.

Nach DIN 4108 Teil 3:2001-07 und DIN 4108-3 Ber 1:2002-04 ist für belüftete Dächer mit zwei sog. Belüftungsebenen kein rechnerischer Nachweis der Tauwasserfreiheit erforderlich, wenn folgende Bedingungen eingehalten werden:

1. Belüftete Dächer mit einer Dachneigung 100 m unterhalb der Wärmedämmschicht, wobei der Wärmedurchlasswiderstand der Bauteilschichten unterhalb der diffusionshemmenden Schicht höchstens 20 % des Gesamtwärmedurchlasswiderstandes betragen darf. Unterhalb der Dampfbremse/Dampf- und Luftsperre darf also nur 20 % der gesamten Dämmwirkung erzielt werden – Beispiel: Untersparrendämmung.

2. Belüftete Dächer mit einer Dachneigung ≥5° unter folgenden Bedingungen:

• Die Höhe des freien Lüftungsquerschnittes innerhalb des Dachbereiches über der Wärmedämmschicht muss mindestens 2 cm betragen.

• Der freie Lüftungsquerschnitt an den Traufen bzw. an Traufe und Pultdachabschluss muss mindestens 2 ‰ der zugehörigen geneigten Dachfläche betragen, mindestens jedoch 200 cm²/m.

• Bei Satteldächern sind an First und Grat Mindestlüftungsquerschnitte von 0,5 ‰ der zugehörigen geneigten Dachfläche erforderlich, mindestens jedoch 50 cm²/m.

• Der sd-Wert der unterhalb der Belüftungsschicht angeordneten Bauteilschichten muss insgesamt mindestens 2 m betragen.

• Ergänzt werden die Mindestanforderungen an den sd-Wert der Konstruktion durch die Fachregeln des ZVSHK (Tabelle 24):

• Sparrenlänge < 10 m sd> 2 m
• Sparrenlänge < 15 m sd> 5 m
• Sparrenlänge > 15 m sd> 10 m

Die Planung und Ausführung schadensfreier Konstruktionen gehört zum Selbstverständnis des Handwerks. Dabei spielt die Kenntnis der bauphysikalischen Vorgänge eine wichtige Rolle.

Fest steht, dass Lüftungsöffnungen bei Kehlen konstruktiv nur unter sehr hohem Aufwand herzustellen sind. Solche Dachkonstruktionen – auch solche mit Dachgauben – sind daher zweckmäßiger ohne Belüftung auszuführen.

* Dipl.-Ing. Hanns-Christoph Zebe ist Fachautor und Geschäftsführer der Dr. Kiefhaber+Zebe Ingenieur Consult GmbH, Kaiserslautern. Er berät unter anderem Unternehmen der Baustoffindustrie sowie diverse Handwerksverbände

Hinweis: Die zitierte DIN 4108 Teil 3:2001-07 enthält im Gegensatz zur „alten“ DIN 4108 Teil 3:1981-08 für Dachneigungen < 5° keine Angaben über die freien Lüftungsquerschnitte. Dies bedeutet sicherlich nicht, dass bei belüfteten Konstruktionen generell auf einen Belüftungsraum verzichtet werden kann. Ein Luftstrom durch Thermik kann hier wegen des fehlenden Dachgefälles nicht entstehen, sondern wird durch Windsog und Winddruck verursacht.

In seiner gasförmigen Zustandsform ist Wasserdampf in unserer Umgebungsluft ständig vorhanden, aber meist nicht sichtbar. Zu jeder Lufttemperatur gehört ein maximaler Feuchtegehalt, der Sättigungsgehalt an Wasserdampf. Zum Beispiel kann Luft von 20 °C höchstens 17,29 g/m³ aufnehmen, Luft von 0 °C dagegen nur höchstens 4,84 g/m³. Luft kann aber auch mit Wasserdampf übersättigt sein. Das bedeutet, die lösliche Menge Wasserdampf, die unsichtbar ist wie die Luft selbst, wurde überschritten.

Der Überschuss ist nicht mehr in der Luft als Wasserdampf gelöst, sondern bildet feine Tröpfchen, welche als Nebel oder Wolken sichtbar werden. Ist der Wasserdampf in der Luft in geringerer Konzentration vorhanden als bei der betreffenden Temperatur löslich wäre, so nennt man die Luft ungesättigt. Das Verhältnis der vorhandenen Wasserdampfkonzentration zur maximal löslichen Konzentration bei der betreffenden Temperatur bezeichnet man als relative Luftfeuchte φ (sprich phi)

In der Bauphysik wird die in der Luft enthaltene Wasserdampfmenge nicht als Konzentration in g/m³, sondern als Wasserdampfteildruck oder Wasserdampfpartialdruck p in Pa (Pascal) angegeben. Feuchte Luft wird als Gemisch aus Wasserdampf und trockener Luft angesehen. Einem höheren Wasserdampfpartialdruck entspricht dann eine größere Konzentration von Wasserdampf im betrachteten Luftvolumen. So ist dem Sättigungsgehalt an Wasserdampf in der Luft ein Sättigungsdampfdruck zugeordnet, der ebenfalls mit zunehmender Temperatur wie die maximal aufnehmbare Wasserdampfmenge ansteigt.

Mit dem Berechnungsverfahren nach WUFI (Wärme und Feuchte instationär), entwickelt vom Fraunhofer Institut für Bauphysik in Holzkirchen, können als Randbedingungen gemessene Außenklimawerte einschließlich Schlagregen und Sonneneinstrahlung verwendet werden, wodurch sich das Verhalten eines Bauteils unter Einfluss natürlicher Bewitterung realistisch untersuchen lässt. So kann auch Funktionsweise von feuchteadaptiven Dampfbremsen berechnet werden.

Das Glaserverfahren (Seite 54) berücksichtigt weder den kapillaren Feuchtetransport im Bauteil noch dessen sorptive Aufnahmefähigkeit für ausfallende Feuchte. Ferner kann das mit stationären Zuständen unter pauschalen Blockrandbedingungen arbeitende Verfahren weder kurzfristige Ereignisse abbilden, noch Regen und Strahlung berücksichtigen.

Für die Betrachtungen des konstruktiven Feuchteschutzes in Verbindung mit den Anforderungen an den notwendigen Wärmeschutz sind einige Definitionen wichtig:

• <b>belüftete Luftschicht</b> Luftschicht in einer Konstruktion, die zum Zweck der konvektiven Feuchteabfuhr mit der Umgebungsluft in Verbindung steht. Die belüftete Luftschicht wird in der Praxis auch als „Hinterlüftung“ oder „Belüftungsschicht“ bezeichnet.

• <b>nicht belüftete („stehende“) Luftschicht</b> Luftschicht in einer Konstruktion ohne oder mit einer nur dem Druckausgleich dienenden Verbindung zur Umgebungsluft.

Für Gebäude mit normalen raumklimatischen Bedingungen (ohne Klimatisierung und erzwungenen Luftwechseln durch Über- und Unterdruck) kann bei Einhaltung der konstruktiven Vorgaben der DIN 4108-3 auf einen rechnerischen Tauwassernachweis verzichtet werden.Grundsätzlich gilt es zu unterscheiden zwischen belüfteten und nicht belüfteten Dächern sowie belüfteten und unbelüfteten Dachdeckungen.

• <b>Belüftete Dächer</b> Bei belüfteten Dächern ist oberhalb der Wärmedämmung eine belüftete Luftschicht angeordnet, die mit der Außenluft in direkter Verbindung steht und den konvektiven Luftaustausch und damit auch die Entfeuchtung eventuell durch Diffusion aus dem Gebäudeinneren in die Wärmedämmung eingedrungener Feuchtigkeit sicherstellt. Durch Konvektion von kalter Außenluft über Fugen und Fehlstellen oder mangelhaft eingebauter Dämmstoffe kann die Dämmwirkung von Dämmstoffen verringert werden.

• <b>Nicht belüftete Dächer</b> Bei nicht belüfteten Dächern wird direkt über der Wärmedämmung keine belüftete Luftschicht angeordnet. Zu diesen nicht belüfteten Dächern gehören auch Konstruktionen, die im weiteren außenseitigen Dachaufbau angeordnete Luftschichten oder Lüftungsebenen haben. Entscheidend für die Konstruktion ist also die Abdeckung der Wärmedämmung beispielsweise mit einer Unterdeckbahn.

• <b>Belüftete Dachdeckungen </b>Von einer belüfteten Dachdeckung spricht man, wenn die Werkstoffe auf linien-­ förmigen Trägern, wie etwa einer Lattung und Konterlattung, aufgebracht werden. Dies ist die klassische Dachziegel- oder Dachstein-Steildachkonstruktion. Die Belüftungsebene unter der Dachdeckung sorgt für ein schnelles Abtrocknen der Dachdeckung und unterstützt auch den sommerlichen Wärmeschutz. Für Metall­- deckungen mit einer strukturierten Trennlage gelten ähnliche Erfahrungswerte, die allerdings bislang nicht von der DIN-Norm erfasst sind. Mit strukturierten Trennlagen wird hier eine belüftete Ebene unterhalb der Metalldeckung geschaffen, die dafür sorgt, dass entstehende Feuchtigkeit sicher zur Traufe abgeleitet wird. Insbesondere im Dachneigungsbereich von 3 bis 15° ist dies bei Titanzink erforderlich, bietet aber auch bei den anderen Baumetallen Verlegevorteile.

• <b>Nicht belüftete Dachdeckungen</b> Werden die Dachbaustoffe auf flächigen Unterlagen (Schalung) aufgebracht, dann spricht man von einer nicht belüfteten Dachdeckung. Dieser Begriff ist zu unter­scheiden von den nicht belüfteten Dächern. Metalldeckungen auf Schalung sind folglich nicht belüftete Dachdeckungen.

Die feuchtetechnische Untersuchung nach dem Glaserverfahren erfolgt in vielen Berechnungsprogrammen, wie etwa dem „Hottgenroth-Energieberater“. An diesem Beispiel ist der „unschädliche“ Tauwasseranfall im Bereich einer Innendämmung gezeigt. Sinkt der Dampfsättigungsdruck (grün gestrichelt) unter den Dampfteildruck (rot) fällt Tauwasser aus. In unserem Beispiel ist das Tauwasser unschädlich, weil mehr Wasser in der Trocknungsperiode verdunstet als im Winter entsteht.

Quelle: Hottgenroth-Software

Berechnungstabellen auf https://www.baumetall.de/

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Der nächste Beitrag schildert Voraussetzungen für schadens- freie unbelüftete Metalldach- konstruktionen.

Mit freundlicher Unterstützung der KME-Anwendungstechnik