Metallprofile zukunftsfähig machen

_ Die zweite Hälfte der Siebzigerjahre war geprägt durch die Energiekrise, die im Jahr 1977 zur Veröffentlichung der ersten Wärmeschutzverordnung (WSV) führte. Die Energieeinsparung wurde durch diese gesetzliche Auflage zum volkswirtschaftlichen Anliegen. Eine besonders kritische Phase begann dabei für Fensterprofile aus Metallen.

Metallprofil war Schwachstelle

Das Mehrscheiben-Isolierglas hatte Einzug gehalten; die Einfachverglasung ging zurück. Bis dahin waren Einfachverglasung und Metallprofil „thermisch ausgewogen“, d. h. aus heutiger Sicht beide gleich schlecht. Mit dem Rückgang der Einfachverglasung war das durchgängige Metallprofil die verbleibende Schwachstelle. Die Lösung lag auf der Hand: Das äußere Metallteil musste vom inneren Teil thermisch getrennt werden. Die thermische Trennung zur Reduzierung der Wärmebrückenwirkung wurde in einer Vielzahl von konstruktiven Lösungen umgesetzt (Bild 01).

Der Marktanteil blieb aber zunächst wegen der hohen Kosten relativ gering. Das änderte sich grundlegend durch die Energiekrise. Nicht getrennte Metallprofile konnten den in der Wärmeschutzverordnung von 1977 geforderten k-Wert (heutiger U-Wert) nicht einhalten.

Das ift Rosenheim begleitete von Anfang an die Entwicklung wärmegedämmter Profile durch experimentelle und theoretische Arbeiten sowie durch die Mitarbeit in Gremien und Ausschüssen. Dabei wurde schnell klar, dass neben den wärmeschutztechnischen Belangen auch die mechanische Festigkeit mit einbezogen werden musste. Namhafte Hersteller von wärmegedämmten Aluminium-Verbundprofilen unterstützten die daraus resultierenden Forschungsaktivitäten.

Die Forschungsarbeiten konzentrierten sich bei der Beurteilung des wärmetechnischen Verhaltens wärmegedämmter Aluminium-Verbundprofile zu Beginn auf die Ermittlung der raumseitigen Oberflächentemperaturen. Diese wurden mit den Oberflächentemperaturen am Mehrscheiben-Isolierglas verglichen. Die Konstruktionen sollten vermeiden, dass sich evtl. anfallendes Tauwasser nicht zuerst am Profil zeigt. Allerdings wurde bald klar, dass zur besseren Vergleichbarkeit unterschiedlicher Konstruktionsprinzipien eine Kenngröße benötigt wurde, die die wärmetechnische Wirksamkeit der Dämmzonen direkter beschreiben konnte.

Weiter fehlten allgemeingültige Grundlagen zur Beurteilung der mechanischen Belastbarkeit des Verbundes. Eine Gruppe von Herstellern beauftragte daher das ift entsprechende Unterlagen zu erarbeiten. Dabei sollten sowohl Möglichkeiten zur Prüfung als auch eine rechnerische Ermittlung aufgezeigt werden. Der Konstrukteur sollte damit in der Lage sein, in Normen und Vorschriften geforderte Nachweise unter angemessenem Aufwand zu erbringen.

Ergebnisse der Forschungsvorhaben

Da wärmegedämmte Verbundprofile zur Verbesserung der wärmeschutztechnischen Eigenschaften von Metallfenstern und -fassaden entwickelt wurden, konzentrierten sich die ersten Untersuchungen auf den Wärmeschutz dieser Konstruktionen.

Wesentliche Einflüsse auf den Wärmedurchgangskoeffizienten k_R (heute U_f) der Rahmen ergaben sich [1] aus:

• dem Abstand der Metallschalen (Bild 02),
• dem Material der Dämmzone,
• der Breite der Dämmzone,
• der Profilansichtsbreite.

Grundlagen für die Beurteilung des Verhaltens von wärmedämmten Profilen bei mechanischer bzw. bei Temperatureinwirkung finden sich im 1979 veröffentlichten ift-Forschungsbericht „Untersuchung über das mechanische Verhalten von wärmegedämmten Aluminium-Verbundprofilen“ [2]. Wesentlich ist, dass die Nachweise der Standsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit von wärmegedämmten Aluminium-Verbundprofilen nicht über die Elastizitätstheorie zu bewerkstelligen sind. Es wurde vielmehr ein elastischer Verbund der Einzelprofile zugrunde gelegt. Für die notwendigen Versuche zur Ermittlung der entsprechenden Kenngrößen wurde eine Prüfeinrichtung gebaut, die es ermöglichte, Biegeversuche an Profilen bis zu einer Stützweite von 3100 mm bei einer maximalen Prüflast von 100 kN durchzuführen (Bild 03).

Es konnte nachgewiesen werden, dass unter Berücksichtigung der Theorie des elastischen Verbundes die notwendigen Verformungs- und Spannungsnachweise bei Momentenbeanspruchung möglich sind. Um für den Praktiker eine möglichst schnelle und brauchbare Umsetzung der Erkenntnisse zu erreichen, wurden verschiedene Vorschläge erarbeitet. Von Einfluss waren sowohl system- als auch profilbezogene Kriterien. Die Forschungsaktivitäten wurden in weiteren Projekten fortgesetzt.

Zur Benennung der Profile waren in der Praxis die Begriffe „wärmegedämmte“ bzw. „thermisch getrennte Aluminium-Verbundprofile“ üblich. Ein übergeordneter Begriff wurde in der Richtlinie des Instituts für Bautechnik [3] mit „Metall-Kunststoff-Verbundprofile“ gewählt, um zu dokumentieren, dass die Grundsätze der Bewertung dieser Systeme neben Aluminium auch für andere Metalle gelten.

Die Etablierung von Metall-Kunststoff-Verbundprofilen

Mit der Einführung der thermischen Trennung in Metallprofilen waren diese für die Zukunft gerüstet. Die Vielfalt der Konstruktionen nahm mit der Zeit ab. Von den in Bild 01 dargestellten Bauweisen hat sich insbesondere die eingerollte/gerändelte Verbindung von Aluminium-Schalen und -Stegen durchgesetzt. Die Vergussmassen – meist aus PU – spielten rasch nur noch bei Nischenprodukten eine Rolle. Als Materialien für die Stege kamen bzw. kommen zum Einsatz:

• PVC: Verwendung in Deutschland nicht mehr aktuell, wurde von PA abgelöst;
• PA 6.6 25 GF, Polyamid 6.6 mit 25 % Glasfaseranteil: Am häufigsten eingesetzter Kunststoff für Isolierstege, gilt normativ als „bekannt“, darf nach DIN 4102 als B2 (normalentflammbar) angesetzt werden bei Dicken 2 mm;
• PPO+PA (auch PPE+PA) Polyphenylenoxid-Polyamid-Blend (Polyphenylenether): Zunehmend im Einsatz, bedarf der Nachweise nach EN 14024 und der Brennbarkeit nach DIN 4102 B2 oder EN 13501-1 E in der jeweils ungünstigsten Geometrie;
• ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat): Ist nicht hochtemperaturbeständig, bedarf des Nachweises nach EN 14024 und der Brennbarkeit nach DIN 4102 B2 oder EN 13501-1 E in der jeweils ungünstigsten Geometrie.

Die wesentlichen Anforderungen an die Metall-Kunststoff-Verbundprofile in Bezug auf die Statik sind die Standsicherheit (auch bei Minusgraden und Temperaturen bis 80 °C), die mittragende Wirkung des Verbunds und eine daraus resultierende geringe Durchbiegung.

Ausgehend von der DIBt-Richtlinie für den Nachweis der Standsicherheit von Metall-Kunststoff-Verbundprofilen [3] ist dies seit 1997 in die Bauregelliste übernommen worden. Der Nachweis muss dabei in Form eines allgemeinen bauaufsichtlichen Prüfzeugnisses erfolgen, der Übereinstimmungsnachweis in Form der Übereinstimmungserklärung des Herstellers (ÜH). Da ein Nachweis der Standsicherheit nur für Haupttragglieder sinnvoll ist, müssen nach deutschem Baurecht Flügelprofile nicht nachgewiesen werden, sondern nur Pfosten und Riegel bei Fassadenteilen> 9 m².

Die Optimierung der Verbundwirkung der Profilteile (Bild 04) kann für geringere Ansichtsbreiten und geringeren Einsatz an Aluminium genutzt werden.

Bei der Durchbiegung müssen die maximal zulässigen Durchbiegungswerte eingehalten werden. Diese werden vorgegeben:

• durch das Isolierglas: Durchbiegung nicht mehr als 15 mm im Bereich des Randverbunds, angeglichen an die Vorgaben der TRLV (früher: 8 mm) bzw. heute DIN 18008-2,
• für Fassaden gem. EN 13830, Abschnitt 4: Durchbiegungsbegrenzung l/200, bzw. 15 mm und
• indirekt über die erforderliche Dichtheit der Fenster-/Fassadenkonstruktionen (Anlage von Dichtungen, Möglichkeiten zur Verriegelung…).

Dieses Nachweis- und Bemessungssystem hat einen einfachen Umgang mit Metall-Kunststoff-Verbundprofilen ermöglicht. Speziell im Objektgeschäft mit großen Glasabmessungen war trotz der immer noch nicht exzellenten U_f-Werte ein ausreichend guter U_W-Wert zu erzielen. So konnte beispielsweise gemäß DIN 4108-4 bei einem Rahmenanteil < 5 % (z. B. bei Schaufensteranlagen) der U_g-Wert für die gesamte Konstruktion in Ansatz gebracht werden.

Mit Einführung der EnEV und der langsamen Annäherung der Anforderungen an das Passivhausniveau sowie der EN 10077 als Ersatz für DIN 4108-4 wurden allerdings auch Anreize zu Änderungen der thermischen Trennung geschaffen.

Metall-Kunststoff-Verbundprofile heute

Die Optimierung der thermischen Trennung hat für Metallfenster in den vergangenen 15 Jahren zu einer großen Verbesserung hinsichtlich des thermischen Verhaltens geführt. Dies wurde durch folgende Maßnahmen möglich (Bild 05):

• Auflösung der Profilstege mit dünneren Wandungen und Kammern,
• Einführung von Profilstegen zur Unterteilung des Zwischenraums und damit Reduzierung der Konvektion,
• Vergrö&szlig;erung des Schalenabstands,
• Einführung von Dämmstoffen im Zwischenraum,
• Steg-Materialien mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit,
• Optimierung der Ansichtsbreiten,
• Einführung von niedrig-emittierenden Beschichtungen im Zwischenraum der Metallprofile,
• Reduzierung der Wanddicken der Aluminiumprofile.

Mit dieser wärmetechnischen Optimierung sind aber auch wieder Fragen bzgl. der Mechanik neu zu stellen.

Standsicherheit: Die sicherheitsrelevante Größe für ein thermisch getrenntes Profil ist die Querzugtragfähigkeit des Verbundes, das heißt die Kraft, die senkrecht zur Profilebene aufgenommen werden kann. Sollte durch die Einwirkung von großen Windlasten der Widerstand des Profilverbundes überschritten werden, könnte es passieren, dass die gesamte Außenschale versagt und somit die Verglasung nicht mehr gehalten ist. Aus diesem Grund hat der Gesetzgeber einen Mindestwert der Querzugtragfähigkeit von> 20 N/mm Profillänge als Grenzwert gefordert. Erstmals wurde dies formuliert in der Richtlinie [3] der damals noch als Institut für Bautechnik (IfBt) benannten obersten Baubehörde der Bundesrepublik, des späteren DIBt, basierend auf den Untersuchungen im Forschungsprojekt des ift [2].

Somit ist bei einer Optimierung des Wärmedurchgangs auch immer die Frage nach der Mechanik zu stellen. Die Stege werden immer dünner und es werden neue Materialien mit geringeren Wärmeleitfähigkeitswerten verwendet.

Gebrauchstauglichkeit: Durch den Verglasungsdruck und einwirkende äußere Lasten aus Temperatur und Windsog stehen die Kunststoffstege teilweise unter ständiger Belastung. Falls der Kunststoff unter dieser Dauerbelastung „kriecht“, hat dies zur Folge, dass eine Verglasungsdichtung durchaus undicht werden kann. Dauerhafte Feuchtigkeit im Glasfalz schätzt das Isolierglas als wesentlicher Bestandteil einer Fassadenkonstruktion überhaupt nicht. Auch dieser Anforderung wird die Richtlinie [3] mit ihrer Forderung nach einer Veränderung der Profilhöhe h nach Einfluss von Dauerlast h 1 mm gerecht.

Hinsichtlich der Qualitätssicherung sind auch die Vorgaben der deutschen Bauregelliste zur Ü-Kennzeichnung auf Basis einer Prüfung und werkseigenen Produktionskontrolle des Verbunds als auch die Forderungen der Gütegemeinschaft Fenster und Haustüren e.V. in RAL-GZ 695 [4] zu nennen.

Modifikationen gut überlegen

Thermisch getrennte Metallprofile sind heute auf einem Niveau, das es möglich macht, den Anforderungen der EnEV gerecht zu werden. Einen großen Anteil am Erreichen der erforderlichen Werte hat natürlich auch das eingesetzte Isolierglas. Somit sollte die Rahmenkonstruktion dem Glas die Möglichkeit bieten, dauerhaft die „Performance“ zu behalten, die zugesichert wird.

Natürlich lassen sich bei den Profilen noch kleine Verbesserungen des Wärmedurchgangs im Hundertstel-Bereich erzielen. Bei ähnlichen Optimierungsvorgängen am Glasrandverbund hat sich jedoch gezeigt, dass diese Bestrebungen bei ungenügender Ausführung das Gesamtsystem negativ beeinflussen können. Daher sollte auch bei Metall-Kunststoff-Verbundprofilen jede Modifikation gründlich durchdacht werden, um die Anforderungen an Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit erfüllen zu können.—

Literatur

[1] Hartmann, H.; Heinrich, R.;: Wärmedurchgangskoeffizient k von Fenstern. Forschungsbericht des ift 1978.

[2] Heinrich, R.; Schmid, J.; Stiell, W.: Untersuchung über das mechanische Verhalten von wärmegedämmten Aluminium-Verbundprofilen. Forschungsbericht des ift, 1979.

[3] Richtlinie für den Nachweis der Standsicherheit von Metall-Kunststoff-Verbundprofilen (08/1986). IfBt-Mitteilungen Nr. 6/1986.

[4] Gütesicherung RAL-GZ 695, Fenster, Fassaden, Haustüren und Wintergärten. RAL, 2010.

1972 Untersuchung über das Stehvermögen von Sperrtüren bei klimatischer Belastung und über deren Widerstandsfähigkeit bei mechanischer Belastung

1976 Falzausbildung am Fenster

1976 Tauwasserbildung an Verbundfenstern

1977 Anschluss der Fenster zum Baukörper

1978 Wärmedurchgangskoeffizient k von Fenstern

1978 Untersuchung über die Möglichkeit der Erstellung einer Gebrauchstabelle für die Zuordnung von Türbeschlägen

1979 Fenster bei Altbauerneuerung

1979 Alterung von Aluminium-Fenstern

1979 Untersuchung über das mechanische Verhalten von wärmegedämmten Aluminium-Verbundprofilen

1979 Lastverteilungsbreite bei Dachschalungen aus Einzelbrettern

1980 Fenster und Fensterwände

Das ift Rosenheim feiert 2016 sein 50-jähriges Bestehen. Deshalb wird in einer 10-teiligen Fachartikelserie die technische Entwicklung vorgestellt. Die einzelnen Beiträge beziehen sich auf Zeitfenster von 5 Jahren ab der Institutsgründung. Bisher haben wir über folgende Themen und Zeitfenster berichtet:

• &bdquo;Gegründet, um das Holzfenster besser zu machen&ldquo; (1966-1970): Heft 01/2016, S. 62 ff
• &bdquo;Auf dem Weg zum energiesparenden Bauen&ldquo; (1971-1975): Heft 02/2016, S. 122 ff

Gabriele Tengler, stv. Leiterin der Abteilung PR & Kommunikation, war viele Jahre für die technische Auskunft zuständig.

Ingo Leuschner, techn. Assistent der ift-Institutsleitung bzw. Leitung von div. Forschungsprojekten (Holzfassaden, Beschlagtechnik, Verbundaufbauten, Oberflächentechnik).

Karin Lieb ist ift-Produktmanagerin, schwerpunktmäßig für den Bereich Glas und Baustoffe. Sie übernahm 2003 die entsprechende Prüfstellenleitung. Darüber hinaus ist sie als Referentin und Lehrbeauftragte sowie in verschiedenen Normenausschüssen tätig.