DE202008005770U1

DE202008005770U1 - Wandkonstruktion

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Publication number: DE202008005770U1
Application number: DE200820005770
Authority: DE
Original assignee: Ernst Basler & Partner AG; ERNST BASLER and PARTNER AG; TECHNOCARBON TECHNOLOGIES GbR; Technocarbon Technologies GbR (vertretungsberechtigter Gesellschafter Herr Kolja Kuse 81925 Muenchen)
Current assignee: TECHNOCARBON TECHNOLOGIES GBR (VERTRETUNGSBERE, DE
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2018-04-26
Also published as: EP2350404B1; EP2350404A1; WO2009129839A1; WO2009129839A4

Abstract

Anordnung mit zwei Platten oder sonstigen Geometrieen aus Stein, Naturstein, Steingut, Kunststein, Beton, Keramik, glashaltigem Material, Glas oder sonstigem druckstabilen Material – im folgenden Träger genannt, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche, die Gesamtanordnung mechanisch über die Querschnittserhöhung stabilisierende, Schicht aus Isolationsmaterial zwischen den Trägern angebracht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine neuartige Wandkonstruktion. Diese Wandkonstruktion kommt zum Einsatz beim Bau von zum Beispiel Gebäuden oder Häusern. Die Wand wird gebildet aus einem symmetrischen Sandwich aus druckstabilen Platten, die in einem bestimmten Abstand gehalten sind. Zwischen den Platten befindet sich eine isolierende Schicht. Die beiden Platten nehmen die Druckkräfte auf und bestehen aus besonders druckstabilem Material wie Naturstein, Kunststein aller Arten, Beton und sonstigem Steingut, sowie Keramik bis hin zu glashaltigen Substanzen oder Glas – im folgenden Steingut genannt – die zwar druckstabil, in der Regel aber auch durch eine spröde und bruchgefährdete Struktur gekennzeichnet sind. Hier sind besonders Natursteine wie Granit, granitähnliche Gesteine wie Gneis, sowie Marmor, Kalkstein, hochdruckfeste moderne Keramiken, Glaskeramik oder Glas zu erwähnen, sowie alle sonstigen Materialien aus Stein oder Keramik, natürlich oder künstlich entstandenem Steingut.
Diese Materialien zeichnen sich einerseits durch eine hohe Belastbarkeit bei Druckbeanspruchung bei einem vergleichsweise geringen spezifischen Gewicht aus, solche Materialien sind aber auch relativinstabil bei Zug- und Biegebelastung, insbesondere dann, wenn Sie möglichst dünn gehalten werden sollen und materialsparend und insbesondere so leichtgewichtig wie möglich ausgelegt werden sollen.
Dabei handelt es sich vorwiegend um dünne Steingutplatten, die bisher im Fassadenbau zu rein dekorativen Zwecken Verwendung finden und zusätzlich an tragenden Wandstrukturen angebracht werden.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen Weg vor, solche dünn ausgelegten Stein bzw. Steingutplatten oder Keramik- bzw. Kunststeinplatten, die nachhaltig auf preiswerte Weise stabilisiert werden, und auf dem hier vorgeschlagenen Weg zum selbsttragenden Wandelement werden. Der Stein, die Keramik oder das Glas und sonstige druckstabile Materialien, – generell hier als das Steingut gezeichnet – welches bisher rein als Fassadenverkleidung zusätzliches Gewicht für den Bau von Gebäuden bedeutet, wird nunmehr selbst zum tragenden Element der Hauswand.
Wichtig ist dabei, dass solche Wandelemente in weiten Temperaturbereichen formstabil bleiben und der "Bi-Metalleffekt" unterdrückt wird. Um dieses Ziel zu erreichen ist es nicht nur nötig, die Steingutplatten oder Keramikplatten gegen Zug und damit verbundenen Bruch zu stabilisieren, sondern auch einen auf der zu stabilisierenden Steinseite an der Grenzfläche zwischen zu stabilisierendem Stein und Stabilisator einen Druckgradienten einzustellen, der praktisch gegen Null geht, damit die Steinlatte weder zu der einen Seite, noch zu der anderen Seite, auch bei wechselnden Temperaturen, gebogen wird und somit die sichtbare Fläche großflächig gerade und eben bleibt.
Einen solchen Weg schlägt die Erfindung mit einem symmetrischen Wandaufbau vor, wobei das Merkmal der Ebenheit der Steinplatte in weiten Temperatur- und Druckbereichen zu einem wesentlichen Kern der Erfindung wird, in Kombination mit einem zweiten kennzeichnenden Merkmal der Nutzung des Fassadenelements selbst als tragendes Teil.
Der Weg gewährleistet, daß das Steingut unter den unterschiedlichsten thermisch bedingten mechanischen Belastungen, sowie auch rein mechanischen Belastungen so stabilisiert wird, daß sie durch eine, für die jeweiligen Einsatz- und Belastungsfälle geeignete, Stabilisierung vor mechanischer Zerstörung durch Reißen der Wandplatte einerseits, und insbesondere auch zusätzlich vor thermisch bedingtes Verbiegen geschützt werden. Die Formstabilität bei Temperaturunterschied auf der Wandinnen- und Wandaußenseite und auch damit bedingter Temperaturänderungen auf der wettabhängigen Seite ist dabei ebenfalls von kennzeichnender Bedeutung.
Kern der Lösung, das für solche selbsttragenden Wände in Sandwichbauweise am besten geeignete Stabilisierungsmantel zu finden ist es, den Gesamtausdehnungskoeffizient der inneren und äußeren Platte möglich klein und insbesondere möglichst gleich, also idealerweise fast bei Null zu halten. Die Erfindung basiert auf der Stabilisierung von einem symmetrischen Aufbau von zwei Steingutplatten durch ein teilweise oder ganzflächig auf dem Steingut aufgebrachtes faserhaltiges Trägermaterial, welches ermöglicht, das für die Stabilisierung von dünnen Steingutmaterialien benötigte Steingutmaterial möglichst dünn bzw. leicht und materialsparend zu halten und durch eine zusätzliche leichte und isolierende Trägerschicht in der Mitte über den Querschnitt so auszusteifen, dass die Gesamtkonstruktion sich möglichst wenig biegen kann, um den einwirkenden Knickbelastungen, auch solchen, die durch Temperaturunterschiede oder Temperaturänderungen entstehen, zu widerstehen und auszugleichen.
Durch den Stand der Technik ist beschrieben, wie Ziegelbauweise mit aufgemauerten Steinen, vor Ort aus Beton gegossene Wandelemente oder Fertigbauteile aus Beton, sowie gemauerter Stein-, Glas- oder Keramikbauweise, die statisch-dynamische Lasten aufnehmen müssen, Verwendung finden. Fachwerke aus Stahlkonstruktionen und Holz finden bereits Anwendung. Bekannt sind bisher Wandkonstruktionen, die über den Querschnitt massiv ausgeführt werden, um die Druckbelastungen aufzunehmen. Solche Wände werden dann unter Umständen zusätzlich einseitig mit einer wärmeisolierenden Schicht versehen, der Gesamt-Aufbau ist in der Regel dann im Querschnitt unsymmetrisch. Solche Wände können zusätzlich durch Verkleidungen optisch aufgewertet werden, was häufig mit Natursteinplatten oder anderen Steingutplatten ausgeführt wird.
Bisher nicht bekannt sind Bauformen, bei denen zum Beispiel die Natursteinplatte selbst zum tragenden Element wird und damit zwei Funktionen erfüllt, einmal die statischen Notwendigkeiten beim Hausbau optimal zu übernehmen und gleichzeitig eine optimale Optik zu bieten.
Die optimale Statik wird damit erreicht, dass eine solche Natursteinplatte zum Beispiel aus Granit eine doppelt so hohe Tragkraft besitzt, wie eine vergleichbare Betonplatte gleichen Gewichts. Dadurch wird leichteres, höheres und raumgewinnendes Bauen möglich, im Vergleich zur klassischen Beton und Ziegelbauweise. Auch im Vergleich zum Bauen mit Stahl wird Gewicht und Raum gespart, weil zum Beispiel Granit mit einem spezifischen Gewicht von Aluminium um einen Faktor 2,7 leichter ist als Stahl, dabei aber eine Druckstabilität besitzt, die dem von Baustahl sehr nahe kommt.
Es folgt eine bautechnische Beschreibung der Wandkonstruktion. Die zur Anmeldung gebrachte Erfindung betrifft den Bausektor, darin insbesondere den Hochbau, genauer den Hausbau mit Dienstleistungsgebäuden, Wohnhäusern, Pavillons, Hallen und jegliche Art von Gebäuden allgemein. Kern der Erfindung betrifft eine neuartige Technik zur Erstellung einer Hauswand als Gebäudeelement, mit den Funktionen der statischen Lastabtragung und der Fassade mit allen Funktionen einer Gebäudehülle und den entsprechenden physikalischen Anforderungen gemäss den aktuellen Normierungen.
Die Wandelemente werden vorfabriziert und am Bau fertig versetzt. Die Deckenkonstruktionen werden auf die Wandelemente aufgesetzt. Die Wandelemente vereinigen alle statischen und bauphysikalischen Anforderungen in einem Sandwichaufbau. Die äusseren dünnen Scheiben aus Steingut oder sonstigen druckstabilen Materialien übernehmen hauptsächlich die Normalkräfte (Scheibenkräfte). Sie können direkt als fertige Oberflächen auf Sicht im Innen- und Aussenbereich genutzt werden. Den Kern des Sandwiches bildet zum Beispiel ein schubsteifer wärmedämmender Schaum, der schubsteif mit den äusseren Scheiben verbunden ist. Mit dem Kern werden die Schubkräfte aus Biegebeanspruchungen aufgenommen, es ergibt sich eine ausreichende Biegesteifigkeit quer zum Element. Das Element ist damit gegen Knicken gesichert und es können horizontal quer zum Element auftretende Lasten wie zum Beispiel Windlasten aufgenommen werden. Die Lasteinleitungs- und Lastausleitungskonstruktion von den Geschossdecken auf dieses Sandwichelement bringt die Vertikallasten symmetrisch auf die Scheiben ohne eine bauphysikalisch untragbare Wärmebrücke zu erzeugen. Die Wasserdichtigkeit, Dampfdichtigkeit wird durch Zusammenwirken der Sandwichmaterialien mit speziellen Verbindungsdetails gewährleistet. Das Lastniveau ohne zusätzliche statische Strukturen liegt bei Gebrauchslasten > = 75 kN/m. Die Elemente werden vom statischen Prinzip als Pendelstützen in den Decken oben und unten gehalten eingebaut. Die Wärmedämmwerte können Minergiestandard erreichen.
Die dünnen Scheiben bestehen aus einem druck- und schubfesten, wasserdichten Material wie zum Beispiel Beton, Naturstein, Glas, Keramik. Sie werden gesichert über Bewehrungen gegen Zugbeanspruchungen aus thermisch asymmetrischen Verformungen und gegen Zugspannungen im Bereich der Spannungsverteilung in den Lasteinleitungszonen, die zu unangekündigten Totalsprödbrüche führen könnten. Ebenso können Imperfektionen im Material und in der Konstruktion überbrückt werden und es wir ein gutmütiges möglichst duktiles Materialverhalten erzeugt. Der Sandwichkern besteht aus einem schubsteifen, hoch wärmedämmenden Aufbau, in der Regel aus einem ausreichend festen Schaum.
Die Lasteinleitung besteht aus einem thermisch schwach leitenden druck- und schubsteifen Element aus GFK oder Holz oder einem Fachwerk.
Die Verbindungen zwischen den Scheiben und der Lasteinleitung, den Scheiben und des Sandwichkerns werden über dauerhafte schubsteife Verklebungen hergestellt. Es kommen handelsübliche Verklebungen zum Einsatz.
Das Element kann unter Erfüllung aller Anforderungen an eine Hauswand mit 15–20% des sonst üblichen Gewicht und damit Materialverbrauchs gebaut werden.
Das Element spart weiterhin 20–50% Platz gegnüber vergleichbaren Konstruktionen. Das Element und die einzelnen Bestandteile sind einfach zu trennen und einer vergleichbaren Nutzung wieder zuzuführen. Das Element hat ein fertiges Oberflächenfinnisch auf Sicht. Im Element können haustechnische Installationen flexibel untergebracht werden. Die Elemente erlauben einen sehr schnellen Baufortschritt.
Als isolierende Schichten können alle möglichen über den Querschnitt aussteifenden Lösungen angewendet werden, beispielsweise auch gerade, gewellte oder wabenförmige Papiermaterialien, die verschiedensten druckstabilen Schäume, Holzrahmen mit Hohlräumen in Verbindung mit Steinwolle, Schafswolle, Stroh oder sonstigen modern werdenden Isoliermaterialien und Konstruktionen. Hier ist insbesondere auch das Blähglas zu erwähnen, welches sich bei geringem spezifischen Gewicht durch eine zusätzlich nutzbare große Druckstabilität auszeichnet und dabei sehr gute wärmeisolierende Eigenschaften bei einem sehr geringen Ausdehnungskoeffizienten mitbringt.
Für die Stabilisierung der Steinplatten selbst wird die Verwendung von Fasermaterialien mit Harzmatrix vorgeschlagen, wie Glasfaser- oder Aramidfaserlaminaten, Carbonfasern oder Steinfasern, sowie Naturfasermaterialien, die den Stein grossflächig stabilisieren und an der Ausdehnung hindern. Der Naturstein selbst hat ein sehr geringes Ausdehnungsmodul, welches mit der Faserstabilisierung auf Null gebracht werden kann, da Naturstein aufgrund seiner porösen Struktur komprimierbar ist. In dem Fall, dass der Faserzug entsprechend gross wird und die richtige Faser verwendet wird, bzw. mit Hilfe der Faser eine entsprechende Vorspannung in den Verbund aus Fasermatrix und Stein gebracht werden kann, wird eine temperaturbedingte Ausdehnung der Steinplatte minimiert. Das Ergebnis ist eine druck- und zugspannungsbelastbare Platte, die in normalen Anwendungsfällen eine ausreichende Stabilisierung des Steinguts gegen Reissen und Bruch gewährleistet. Damit wird diese Platte im symmetrsichen Gesamtverbund – faserstabilisierte Steinplatte – Isolationsquerschnitt – weitere faserstabilisierte Steinpllatte – nicht nur aus Sicht der Optik im Innenbereich und Aussenbereich attraktiv, sondern es wird eine völlig neuartige Wandkonstruktion darstellt, die bei gleicher Tragkraft etwa zweifach leichter ist bzw. dünner gehalten wedren kann, als herkömmliche Hauswände und Gebäudekonstruktionen.
Die Aufgabe, der Neigung von dünnen Naturstein-, Glas- und/oder Keramikplatten zum Brechen oder Reißen durch wesentlich leichtere Bauformen sicher entgegenzuwirken, wird durch verbesserte stabilisierende Eigenschaften des Trägers gelöst. Zu diesem Zweck wird ein Trägermaterial eingesetzt, welches einen ähnlich geringen Ausdehnungskoeffizienten hat, wie die zu stabilisierende Steinplatte und welches ein sehr geringes spezifisches Gewicht hat. Dass geringe Gewicht kombiniert mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten wird ebenso zum Kern der Erfindung der Erfindung dieser neuen Wandkonstruktion, wie der symmetrische Gesamtaufbau.
Das Trägermaterial, im folgenden Träger genannt, besteht – wie zum Beispiel in der Patentanmeldung EP 106 20 92 beschrieben – aus einer faserverstärkten Matrix, die ein Kunstharz oder gegebenenfalls selbst ein Keramikmaterial ist. Es kommen dabei z. B. Carbonfasern zum Einsatz, die hohe Zugbelastungen standhalten und sich unter Wärmeeinwirkung zusammenziehen, also einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzen und eine mehr oder weniger dünne Steinplatte nachhaltig stabilisieren. Dadurch wird die Platte insbesondere gegen Risse durch Überdehnung und Hitzeeinwirkung geschützt, sowie dem Bruch durch mechanische Belastung senkrecht auf das Steingut entgegengewirkt. Zusätzlich müssen solche Platten – je nach Anwendungsfall – zusätzlich für mechanische Beanspruchungen – wie in der EP 106 20 92 mit einer Sandwicheinlage beschrieben – statisch (auch gegen Knickkräfte) stabil gemacht werden. Dies geschieht bei dieser Erfindung durch eine Schicht, die aus den oben skizzierten Lösungen für Isolationsmaterialien besteht.
Mit Hilfe des Einsatzes von zum Beispiel temperaturstabilen Epoxidharzen, Polyesterharzen, Harzen auf Phenol-, Polyimid-, Cyanatester-, Melamin-, Polyurethan- oder Silikonbasis, genannt Matrix, in Kombination mit z. B. Carbonfasern, die einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten haben, wird eine solche sichere Stabilisierung auch von sehr grossen Steinplatten möglich. Es wird darüber hinaus die Forderung erfüllt, die mechanische Belastbarkeit und Temperaturbelastbarkeit von dünnen Steintragwerken so zu optimieren, daß der Gesamt-Ausdehnungskoeffizient der Platte in weiten Temperaturbereichen kontrolliert wird, um das Schüsseln der Gesamt-Platte zu vermeiden und trotzdem eine Leichtbauweise zu realisieren. Um die Druckkräfte, die von einer solchen Hauswand aufgenommen werden müssen, in die Wand einzuleiten, beschreibt die Erfindung in den Unteransprüchen eine geeignete Lösung mit Hilfe von Fachwerken aus GFK-Teilen oder Vollmaterial, zum Beispiel aus Carbon-verstärktem Holz, welches einerseits eine hohe Druckbelastbarkeit und andererseits möglichst isolierende Eigenschaften besitzen muss, um die Kraft einerseits wirkungsvoll in die faserverstärkten Steinplatten einzuleiten und trotzdem Wärmebrüchen zu verweiden, um keinerlei Konsenswasser- und damit Schimmelbildung zuzulassen. Die Gesamtkonstruktion der hier beschriebenen neuartigen Wandkonstruktion trägt dem Umstand Rechnung, dass die notwendige Dampfsperre durch die Fasermatrix eingebaut ist. Die Steinplatten selbst können eine gewisse Menge Wasser absorbieren und wieder abgeben und wirken damit regulierend auf den Feuchtigkeitshaushalt im Innenraum. Nach aussen hin haben die Steinplatten die gleiche Wirkung und können damit im Sommer zur Kühlfläche werden, wenn die in dem Stein befindliche Feuchtigkeit verdunstet. Wenn geeigneter Granit zur Anwendung kommt, dann sind solche Hauswände absolut frostsicher und korrosionsfrei und alter quasi nicht, insbesondere dann, wenn sie an der Aussenseite poliert sind.
Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt eine Platte aus Steingut (1), die einseitig mit einem Carbonfaserroving (2) stabilisiert wird (1, Aufbau im Querschnitt). Die Verbindung zwischen Stein und Faser wird durch eine temperaturstabile Epoxidharzmatrix hergestellt, welche sich je nach Einsatzgebiet entsprechend thermisch stabil belasten lässt und deren Gesamt-Ausdehnungskoeffizent von Faser und Matrix nach Möglichkeit kleiner dem der zu stabilisierenden Steinplatte ist. Durch eine weitere Schicht aus Isoliermaterial, zum Beispiel PUR-Schaum (3) wird die Platte mit Hilfe einem Epoxid-Harz Klebverbindung (4) zusätzlich mechanisch stabilisiert und mit Hilfe einer zusätzlichen – nach Möglichkeit gleichen oder identischen – stabilisierten Steinplatte (1) im Aufbau symmetrisch zu einer Hauswand aufgebaut. Krafteinleitungselemente (5) aus GFK-Profilen sorgen für die Aufnahme der Lasten in die Steinplatten über die Faser-Matrix (2). Über ein Kipplager (6) aus CFS (Carbonfaser ummanteltem Stein) oder Stahl (20/60) werden die Lasten der darüberliegenden Decke (7) und Wandelemente oberer Stockwerke (8) auf die Krafteinleitungselemente (5) gebracht.
2 zeigt die in 1 gezeigt Ausführung der Erfindung mit einer anderen Lösung für die Krafteinleitung in die Hauswand, die durch den Druck der darüber liegende Decken und weitere Stockwerke notwendig wird. Die Abb. zeigt zwei mehr oder weniger große dünne stabilisierte Steinplatten (1), die über eine isoliernden Schicht aus Schaummaterial (3) ausgesteift werden, indem die Platten mit einer Schicht aus Baukleber (4) verbunden werden. Ein Schichtholzklotz (5) mit einem Mantel aus Carbonfasermatrix bildet über die Faserbeschichtung der Steinplatten die Krafteinleitung in die beiden Steinplatten. Auf einem Kipplager (6) liegt das Gewicht der Betondecke (7) und der Wand (8) für das darüberliegende Stockwerk. 3 zeigt die gleiche Anordnung, wie 2 mit einem Fachwerk aus Carbonfaser-verstärktem Stein (CFS) für die Krafteinleitung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1062092 [0022, 0022]

Claims

Anordnung mit zwei Platten oder sonstigen Geometrieen aus Stein, Naturstein, Steingut, Kunststein, Beton, Keramik, glashaltigem Material, Glas oder sonstigem druckstabilen Material – im folgenden Träger genannt, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche, die Gesamtanordnung mechanisch über die Querschnittserhöhung stabilisierende, Schicht aus Isolationsmaterial zwischen den Trägern angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger mit einer faserhaltigen Matrix auf Epoxidharz-, Polyesterharz-, Phenolharz, Polyimidharz-, Cyanatesterharz-, Melaminharz-, Polyurethanharz- oder Silikonharzbasis, bzw. Keramik- oder Wasserglassbasis zusätzlich stabilisiert ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix Fasermaterialien wie Glasfasern, Carbonfasern, Aramidfasern, Steinfasern oder Natur- und Pflanzenfasern, wie Holzfasern enthält.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die faserhaltige Matrix das Träger ein Gemisch unterschiedlicher Fasermaterialien enthält, die insgesamt einen Ausdehnungskoeffizineten ähnlich dem des zu stabilisierenden Trägers haben.
Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausdehnungskoeffizent der Fasermatrix kleiner als dem des zu stabilisierenden Trägers ist, und zusammen mit der Stabilisierungsschicht aus Isolierstoff einen Ausdehungskoeffizenten hat, der ähnlich dem, bzw. vorzugsweise kleiner dem des zu stabilisierenden Trägers ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil oben und unten eine geeignete Konstruktion zur Krafteinleitung hat.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese Krafteinleitung aus Holz, Vollholz oder einem Fachwerk aus faserverstärktem Steingut, Holz oder anderen druckfesten Materialien besteht.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil als tragendes Bauteil im Bau, als Wand- oder Fertighauselement, oder als tragendes Element im Hochhausbau Verwendung findet.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil als Boden- und Deckenplatte Verwendung findet.