Hygrothermische Bewertung von Konstruktionen mit DELPHIN 6.1.6

Die Norm beschreibt folgendes Vorgehen:

Falls Materialien mutmaßlich nicht frostbeständige sind, besteht eine Gefahr der Schädigung wenn:

Hierbei sind die kritischen 10mm der betroffenen Materialschicht zu untersuchen. Das sind meist die äußeren Materialschichten wie z.B. der Außenputz und/oder die daran angrenzende Tragkonstruktion (speziell Ziegel).

Wie funktioniert das in DELPHIN:

Bei einer solchen Ausgabe zeigt jeder Wert über 0 ein mögliches Frostschadensrisiko. Für 1D Konstruktionen existiert eine automatische Bewertung (siehe unten).

Anmerkung

DELPHIN enthält ein Modell zur direkten Berechnung der Eismenge. Für die dort ermittelten Werte existieren aber keine Bewertungskriterien.

Bei der Bewertung einer möglichen Holzzerstörung wird im Allgemeinen auf holzschädigende Pilze eingegegangen. Mögliche Schäden durch Insekten sind dabei aber mit erfasst. Desweiteren wird auf konstruktive Grenzwerte aus der DIN 68800-2 Bezug genommen.

Für Holzwerkstoffe können die zulässigen Holzfeuchten nach DIN 68800-2 geprüft werden.

Für DELPHIN sind dabei folgende Ausgaben zu verwenden (alle als räumliche Mittelwerte):

Die Ausgaben können im PostProc 2 geprüft werden. Bei Kriterium 1 wird die Holzfeuchte einfach als Liniengrafik dargestellt und geprüft ob der jeweilige Grenzwert überschritten wird. Für Kriterium 2 muss das ein Modell verwendet werden (siehe PostProc 2 - Modelle). Das hier zu verwendende Modell heißt 'WTA Holzzerstörungsmodell'. Es gibt im PostProc 2 noch ein weiteres Modell zur Holzzerstörung welches 'VTT Holzzerstörung' genannt wird. Dieses Modell wurde von einem Mitarbeiter des VTT, Hannu Viitanen entwickelt und wird international viel verwendet. Als Ergebnis des WTA Modells entsteht ein Diagramm wie Folgendes.

Die rote Linie im Diagramm kennzeichnet den Grenzwert. Die blauen Punkte sind die Tagesmittelwerte von Temperatur und relativer Luftfeuchte am zu bewertenden Ort. Wenn alle Punkte unter der roten Linie liegen besteht kein Risiko für Holzschädigung.

Die DIN 4108-3 beschreibt in Kapitel D.7.3 einen Test auf kritische Wassergehalte. Hierbei sollen einzelne Materialschichten (Schicht, Ränder, Materialgrenzen) bezüglich eines materialspezifischen kritischen Wassergehaltes geprüft werden. Was dieser kritische Wassergahlt genau bewirkt und wie dieser bestimmt werden soll, wird nicht beschrieben. Eine Möglichkeit hier wäre der Wassergehalt in offenporigen Materialien (z.B. Faserdämmstoffe) ab dem das Wasser nicht mehr gehalten werden kann und mittels Schwerkraft nach unten abläuft. Falls Materialhersteller diese Daten bereitstellen, kann man in DELPHIN die Wassergehalte dieser Schichten separat mit ausgeben und im PostProc 2 mit den kritischen Werten vergleichen.

Aktuell gibt es in der deutschen Norm nur die Bestimmungen der DIN 4108-2 zum Mindestwärmeschutz. Hier wird nur geprüft, ob die Oberflächenluftfeuchte größer als 80% ist. Wenn das der Fall ist, besteht ein Risiko für Schimmelbildung. Dieses Modell richtet sich aber an stationäre Betrachtungen und ist für hygrothermische Berechnungen nur eingeschränkt verwendbar. Eine Anwendung dieses Kriteriums liegt hier sehr weit auf der sicheren Seite. Der aktuelle Entwurf der DIN 4108-3 enthält weitergehende Bewertungsmöglichkeiten. Auch hier wird als Basistest auf den Vergleich mit 80% relative Luftfeuchte hingewiesen. Wenn dieser Wert überschritten wird, kann ein dynamisches Schimmelprognosemodell verwendet werden. Ein solches Modell wird z.B. im kommenden WTA Merkblatt 6.3 beschrieben. Es ist als Isoplethenmodell bekannt. Die Auswertung in DELPHIN erfolgt ähnlich wie beim Holzzerstörungsmodell:

Algenbewuchs auf der Außernoberfläche ist ein häufig auftretendes Problem speziell bei gut gedämmten Gebäuden (Wärmedämmverbundsysteme). Leider gibt es hierfür noch kein normatives Bewertungskriterium. Maßgebend für den Algenbewuchs ist ein hoher Feuchtegehalt an der Außenoberfläche. Die Temperatur dazu spielt eine untergeodnete Rolle. Sie muss lediglich über 0°C liegen.

In PostProc 2 existiert ein experimentelles Algenwachstumsmodell, welches von einer italienischen Arbeitsgruppe entwickelt worden ist. Dieses Modell benötigt, genau wie beim Schimmel und der Holzzerstörung, die Temperatur und die relative Luftfeuchte als Ausgaben. Mehr hierzu finden sie hier: 'Algen in PostProc 2'.

Als Korrosion bezeichnet man im Allgemeinen die Zerstörung von Materialien durch chemische Vorgänge. Das trifft im Bauwesen hauptsächlich auf ungeschützte Metalle (Baustahl) sowie Beton zu. Auch hier gibt es keine normativen Modelle. Es sind aktuell Modelle in Erarbeitung. Wenn diese verfügbare sind, werden sie in DELPHIN bzw. PostProc 2 zur Verfügung gestellt.

Bei der Feuchteakkumulation gibt es mehrere Einstellmöglichkeite. Das folgende Bild zeigt den Einstelldialog.

Im obersten Punkt kann die Bewertung deaktiviert werden. Danach folgt ein Feld zur Einstellung der Änderungsgrenze für die Erkennung eines stabilen Verhaltens. Standardmäßig ist hier 1% eingestellt.

Im folgenden kann gewählt werden welche Daten zur Bewertung herangezogen werden. Zur Auswahl stehen:

Der zweite Punkt ist erforderlich wenn stark wasserführende Schichten, wie z.B. das Substrat eines Gründaches, aus der Bewertung ausgeschlossen werden sollen. Wenn diese Punkt gewählt ist, wird eine Auswahlliste für die Schichten aktiv.

Der Punkt 'Zeige Feuchtegehalt aller Schichten' ermöglicht die grafische Darstellung des Feuchteverhaltens jeder einzelnen Materialschicht.

Die Abbildung oben zeigt ein Beispiel für diese Auswertung. Zuerst kommt eine kurze Beschreibung des Tests. Danach wird die ausgegeben für welche Zeit Berechnungsergebnisse zur Verfügung stehen und ob die Berechnung bereits beendet ist. Dann erfolgt die Prüfung ob der eingeschwungene Zustand erreicht ist und wenn ja, ab wann das der Fall war. Falls dieser Zustand noch nicht erreicht war, wird geprüft ob die maximale Testzeit von 10 Jahren bereits ausgeschöpft ist. Falls ja, ist das Kriterium nicht erfüllt. Falls nein wird darauf hingewiesen das die Berechnungszeit auf 10 Jahre vergrößert werden sollte. Dann wird noch der Feuchtegehalt der gesamten Konstruktion bzw. aller einzelnen Schichten grafisch dargestellt.

Auch hier kommt zuerst eine kurze Beschreibung der Bewertungskriterien. Danach folgt die Ausgabe der Bewertung. Falls das Kriterium nicht erfüllt war (kein Frostschadensrisiko) wird dies beschrieben und es erfolgt keine weitere Auswertung. Anderenfalls folgt zuerst eine Tabelle mit allen Bereichen mit einem möglichen Risiko für Frostschäden. Die Spalten dieser Tabelle beinhalten:

Darunter wird noch die Konstruktion schematisch dargestellt. Die gefundenen Bereiche werden mit einem hellblauen Rechteck markiert (grüner Pfeil). Ob wirklich ein reelles Risiko für Frostschäden besteht muss letzlich der Nutzer entscheiden. Hier muss geprüft werden, ob die Materialien im Bereich frostempfindlich sind. Hier können Herstellerdatenblätter oder andere Literatur hilfreich sein. Wenn mehrere Bereiche gefunden wurden wird für jeden Bereich eine eigene Konstruktionsdarstellung mit Markierung des Bereiches angezeigt.

Diese automatische Bewertung ist seit DELPHIN 6.1.6 möglich. Die Bewertung setzt folgendes voraus:

Falls das alles zutrifft und die Schimmelbewertung bei den Einstellungen aktiviert ist, werden die Ausgaben für Temperatur und relative Luftfeuchte automatisch erzeugt und zugewiesen. Die Auswertung erfogt immer für das letzte Jahr der Simulation.

Die Auswertung erfolgt in zwei Schritten:

Dieser Test liegt sehr weit auf der sicheren Seite. Falls alle Werte unter 80% liegen ist Schimmelwachstum faktisch ausgeschlossen. Im Bild oben ist eine deutliche Überschreitung der 80% Grenze zu erkennen. In einem solchen Fall sollte eine weitere Auswertung mit einem dynamischen Schimmelprognosemodell erfolgen.

Es sind zwei verschiedene dynamische Prognoseverfahren beschrieben:

Beim Isoplethenmodell nutzt man Linien gleichen Wachstums in eine Diagramm welches auf der x-Achse die Temperatur und auf der y-Achse die relative Luftfeuchte abbildet. Die Zustände an der Oberfläche der Konstruktion werden dann als Punkte dargestellt. Es gibt verschiedene Arten von Isoplethen:

Das Modell prüft nun wie lange die einzelnen Grenzlinien überschritten werden. Wenn die Gesamtzeit der Überschreitungen den Grenzwert der jeweiligen Linie erreicht besteht ein hohes Risiko für Schimmelwachstum. In diesem Modell gibt es keine weiteren Einstellmöglichkeiten.

Das VTT Modell berechnet einen Schimmelindex. Eine Erklärung zur Bedeutung findet sich im Bild unten:

Dieses Modell kann durch drei verschiedene Optionen konfiguriert werden (siehe auch Einstelldialog im Bild unten):

Standardmäßig sind diese Optionen auf Worst-Case eingestellt (sehr empfindlich, sehr empfindlich, keine Rückbildung). Im Diagramm gibt es zwei Linien als Hilfe zur Auswertung. Das Ganze ist einer Ampel nachempfunden:

Zur Bewertung der Feuchteakkumulation benötigt man die Ausgabe der integralen Feuchtemasse. Meist wird diese Ausgabe für die gesamte Konstruktion benötigt. Laut DIN 4108-3 sollen aber stark wasserführende Schichten, wie Wetterschutzschalen oder Gründächer nicht berücksichtigt werden. In solchen Fällen muss eine Ausgabe zugewiesen werden, die diese Schichten nicht enthält. Weiterhin kann es sinnvoll sein, auch einzelnen Materialschichten auf ihr langfristiges Feuchteverhalten zu überprüfen (z.B. Dämmschichten). Eine Ausgabe für die integrale Feuchtemasse sollte immer folgendermaßen konfiguriert sein.

Nach der Simulation kann diese Ausgabe dann in PostProc 2 dargestellt und ausgewertet werden.

Wenn sich der Mauscursor im Diagramm befindet wird der x- und y-Wert daneben mit angezeigt. Das ist eine schnelle Methode die Werte an bestimmten Punkten zu bekommen. So kann man leicht die Werte von einem Jahr zum nächsten Jahr vergleichen, um festzustellen ob die Änderung kleiner als 1% ist. In diesem Fall ist das aber nicht nötig, weil der Feuchtegehalt abnimmt und somit ohnehin keine Gefahr für Feuchteakkumulation besteht. Eine genaue Auswertung kann durchgeführt werden, indem man die Ansicht von Diagramm auf Tabelle umschaltet.

Hier kann man die genauen Werte zu jedem Zeitpunkt ablesen und vergleichen.

Zur Auswertung des Frostschadensrisikos gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die Einfachste ist eine Ausgabe vom Typ 'IceCriteriaDIN4108_3' zu erzeugen und der gesamten Konstruktion zuzuweisen. Diese Ausgabe erzeugt einen Wert größer als 0 wenn der Sättigungsgrad größer 30% und die Temperatur kleiner als -5°C ist. Der genaue Wert ergibt sich aus vorhandener Sättigungsgrad - 30%. Die Formatierung sollte so aussehen:

In diesem Fall sollte man für das räumliche Format 'Individuelle Werte …​' wählen. Das erlaubt es nicht nur festzustellen ob ein Frostrisiko besteht, sondern auch die Position zu bestimmen. Für die Zeit sollte man 'Werte in der Zeit integrieren' wählen. Das führt dazu, dass die Werte über die Zeit akkumuliert werden. Dann kann man einfach das Profil für den letzten Zeitpunkt der Simulation auswerten und sieht sofort ob zu irgendeinen Zeitpunkt der Simulation das Risiko größer 0 war. Das funktioniert auch bei 2D Konstruktionen.

Das Bild oben zeigt das Frostrisiko über Ort und Zeit. Die x-Achse ist die Berechnungszeit und die y-Achse die Konstruktionsdicke. Dabei ist 0 auf der y-Achse (unten) Außen. Rot bedeutet 0, also kein Frostriskio. Alle anderen Farben beschreiben ein Risiko größer als Null. Wie man sehen kann besteht im Außenputz eine Zone mit Risiko für Frostschäden. Nun muss man noch prüfen ob das Material des Außenputzes frostbeständig ist.

Für eine Bewertung des Risikos für Schimmel benötigt man Ausgaben von Temperatur und relativer Luftfeuchte an der Innenoberfläche. Diese Ausgaben sind bei 1D Konstruktionen und bei Verwendung des Projektassistenten meist schon vorhanden. Ansonsten muss man diese Ausgaben hinzufügen. Bei 2D-Konstruktionen muss man sensitive Bereiche an der Innenoberfläche selbst festlegen. Hier können auch mehrere Positionen möglich sein.

Das Bild oben zeigt die 1D Konstruktion mit den beiden erwähnten Ausgaben und deren Zuweisung zum Randelement auf der Innenseite. Nach erfolgter Simulation können diese Ausgaben nun auf 3 Arten ausgewertet werden:

In Deutschland wird immer Punkt 1 und dann evtl. Punkt 2 geprüft. Das Viitanen-Modell (3.) ist international gebräuchlicher.

Es ist gut zu erkennen, dass in unserem Fall die Oberflächenluftfeuchte ständig unter 80% bleibt. Ein Risiko für Schimmelbildung ist also ausgeschlossen. Das war bei einer gedämmten Konstruktion aber auch zu erwarten. Eine weitere Auswertung ist nun eigentlich nicht mehr erforderlich. Der Vollständigkeit halber wird aber noch der Test mit dem Isoplethenmodell gemacht. Dieses Modell wird unter anderem auch im WTA Merkblatt 6.3 beschrieben. Die Erstellung einer solchen Modellausgabe wird im PostProc Handbuch hier beschrieben.

Nachdem das Diagramm erstellt wurde,

kann man bei den Modelloptionen (ganz rechts unten) die Isoplethen anzeigen die man sehen möchte (rotes Rechteck). Im gezeigten Diagramm ist nur die Auskeimungsgrenze dargestellt. Wenn alle Punkte unter dieser Linie liegen ist das Schimmelrisiko Null. Der eine Punkt hier im Diagramm ist die Anfangsbedingung und darf nicht betrachtet werden. Für eine leichtere Auswertung empfiehlt es sich nur das letzte Jahr mit Tagesmittelwerten darzustellen (siehe Bild unten, Einstellungen rot markiert).

Das ganze Procedere zur Schimmelbewertung kann auch für Positionen in der Konstruktion verwendet werden. Hierbei gilt es zu beachten, dass die dynamsichen Prognosemodelle für frei bewitterte Oberflächen validiert sind. Die Aussagekraft im Inneren einer Konstruktion istb also begrenzt. Wenn überhaupt, dann sollte man so eine Bewertung an den Oberflächen von Luftschichten bzw. Hohlräumen durchführen. Inwieweit eine Schimmelbildung im Inneren einen Schaden darstellt ist aktuell auch ungeklärt.

Für die Demonstration der Bewertung von Holzschädigung wird ein unbelüftetes Flachdach als Beispiel gewählt. Die Bewertung sollte an einem kritischen Bereich im Holz durchgeführt werden. Hierbei muss noch zwischen Massivholz und Holzwerkstoffen unterschieden werden. Für Massivholz wird die Prüfung auf einen maximalen Feuchtegehalt von 20M% und gemäß den Holzzerstörungsmodell nach WTA 6.8 durchgeführt. Zusätzlich steht noch das Holzzerstörungsmodell des VTT (Viitanen) zur Verfügung welches speziell bei Holzschützern bekannt ist. Für Holzwerkstoffe erfolgt nur der Test auf die jeweilige maximale Feuchte in M% (siehe Bewertung Holzzerstörung). Die Grafik unten zeigt die Konstruktion als Darstellung aus der DELPHIN Konstruktionsansicht.

Für die Bewertung im Sparren wurden die beiden Bereiche 1 und 2 gewählt. Dort wurden folgende Ausgabe angesetzt:

Alle Ausgaben erfolgen im Stundenraster. Für die OSB-Platte wurde nur ein Bereich (3) in der Mitte des Gefaches an der Unterseite gewählt. Hier können bei Bedarf weitere Ausgaben zugefügt werden. Alle Bereiche sind ca. 1x1cm2 groß.

Zuerst werden die Holzfeuchten im Sparren untersucht. Hierbei wird kontrolliert ob diese den Wert von 20M% überschreiten. Dabei ist eine Überschreitung in den ersten 3 Monaten zulässig. Das folgende Diagramm zeigt die Holzfeuchten in allen 3 Bereichen.

Bei den beiden Holzfeuchten im Sparren überschreitet nur die Position 1 (Seite zu Gefach) im letzten Berechnungsjahr die 20M%. Allerdings nehmen die Feuchtegehalte auch weiterhin zu. Deswegen könnte man diese Konstruktion schon damit als unzulässig einstufen. Der Feuchtegehalt der OSB Platte überschreitet sogar 26M%. Allerdings ist hier kein eindeutiger Grenzwert vorhanden. Wenn man eine OSB-Platte als Holzwerkstoff, einsetzbar im Feuchtbereich, einstufen würde, wäre die Grenze laut DIN 68800-2 bei 21M%. Eine solche Einstufung ist aber fragwürdig. In der Fachwelt ist man sich einig, dass für OSB-Platten eigene Grenzwerte geschaffen werden müssen. Zum Abschluss erfolgt noch die Auswertung des Bereiches 1 mit dem WTA Holzzerstörungsmodell. Dazu wählt man die Temperatur und die relative Luftfeuchte in der Datentabelle im Postproc aus, setzt dann das Modell auf WTA Holzzerstörungsmodell und erzeugt dann das Diagramm.

Auch hier sieht man gut die die deutliche Überschreitung der Grenzline. Diese Konstruktion wäre also nicht zulässig.