Angewandte Bauphysik und Werkstoffkunde naturfaserverstärkter Kunststoffe

Das erste Kapitel klassifiziert zunächst die Faser-Verbundwerkstoffe und legt dann den Schwerpunkt auf Wood-Plastic Composites (WPC) als einen Hauptvertreter dieser Werkstoffgruppe. Anschließend werden die wesentlichen Materialeigenschaften von WPC näher erläutert und auf die heute bereits gängigen Anwendungen eingegangen. Aber auch Sonderanwendungen werden aufgezeigt, die als richtungsweisend für das künftige Potential dieses neuen biobasierten Werkstoffes gesehen werden können. Der aktuelle Stand der Forschung zu WPC wird anschließend diskutiert und er soll aufzeigen, dass sich die meisten Forschungsprojekte derzeit noch im Grundlagenstadium befinden und sich erst langsam in Richtung Anwendungsorientierung verschieben. Schließlich wird dann der Fokus auf WPC in der Bauanwendung gelegt und dessen Potential als struktureller Werkstoff kritisch eingeschätzt. Dabei werden Fragen wie Produktregelung und Wiederverwertung am Lebensende aufgegriffen und gezielt auf die Fassadenanwendung als maßgebendes Bauteil in der Gebäudehülle eingegangen. Nachdem ausgewählte Herstellerangaben für WPC Fassadensysteme vorgestellt werden, soll eine Nutzwertanalyse diese Produktgruppe mit bisherigen kunststoffhaltigen Systemen gleicher Anwendung kritisch vergleichen. Das Kap. 1 schließt mit Wiederholungsfragen zur Vertiefung für das Werkstoffkunde-Studium ab.

Kapitel 2 stellt zunächst die wesentlichen Auswahlkriterien für Baumaterialien und Produkte gemäß Bauproduktenverordnung 305:2011 vor. Demnach sollen Bauteile künftig auch vermehrt Sekundärrohstoffe beinhalten, um sie nachhaltiger zu gestalten. Dass WPC nicht nur diesen Aspekt erfüllt, sondern auch bauphysikalisch interessante Eigenschaften besitzt, zeigen die dann folgenden Abschnitte. Darin werden zunächst die Grundlagen des baulichen Wärmeschutzes erklärt und für ein WPC-Fassadenprofil die wesentlichen Kennwerte exemplarisch ermittelt und die Ergebnisse diskutiert. Zusätzlich wird für einen Außenwandaufbau mit innenliegender WPC-Wandverkleidung die Temperaturverlaufskurve nach dem Glaser-Verfahren rechnerisch demonstriert. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf WPC-Profile als Fensterrahmen und deren Wärmedämmpotential gerichtet. Aber auch neue Forschungsergebnisse zur Integration von Phasenwechselmaterialien in WPC-Hohlprofilen zur Reduktion der Klimalasten am Bauwerk werden vorgestellt. Schließlich wird das Thema Wärmespeicherung im WPC-Material am Beispiel der Fassade erörtert und die Vorzüge der darin enthaltenen Holzfasern herausgestellt. Letztlich rundet das Kapitel mit Wiederholungsfragen und Berechnungsaufgaben inklusive Musterlösungen ab.

Kapitel 3 verbindet den Wärmeschutz mit dem baulichen Feuchteschutz und untersucht die Vorteilhaftigkeit von WPC-Paneelen als Innenwandverkleidung und als vorgehängte hinterlüftete Fassade. Dazu wird zunächst das Wasseraufnahmeverhalten von WPC allgemein anhand entsprechender Koeffizienten nach Stand der Forschung aufgezeigt. Anschließend führt das Kapitel in die Grundlagen der Wasserdampfdiffusion und Konvektion im Bauwesen ein, indem die Effekte von Kondensatbildung auf Oberflächen und innerhalb von Außenbauteilen rechnerisch nachgewiesen werden. Dazu relevante Faktoren, wie die Diffusionswiderstandszahl, werden wieder am Beispiel WPC erläutert, für eine gängige Materialrezeptur ermittelt und in Standardnachweisen exemplarisch angewendet. Es wird dabei deutlich, dass ein WPC-Hohlkammerprofil signifikant zur Vermeidung von Tauwasserniederschlag beitragen kann, aber auch dass ein konvektives Entlüften feuchter Innenräume weit effektiver ist als über natürliche Diffusion eine Austrocknung herbeizuführen. Schließlich werden konstruktive Grundlagen für das richtige Dimensionieren vorgehängter hinterlüfteter Fassaden erläutert und wieder am Beispiel von WPC-Paneelen demonstriert. Das Kapitel schließt ebenfalls mit Wiederholungsfragen und Berechnungsaufgaben inklusive Musterlösungen ab.

Als letztes Kapitel zu den bauphysikalischen Grundlagen in Verbindung mit naturfaserverstärkten Kunststoffen behandelt dieser Teil den Luft- und Körperschallschutz im Bauwesen. Dazu werden zunächst die Grundlagen der Schallausbreitung erörtert und die normative Nachweisführung vorgestellt. Der Luftschallschutz wird am Beispiel von Innenwand- und Deckenkonstruktionen erläutert, und beispielhafte Berechnungen demonstrieren den Unterscheid einer vorhandenen Vorsatzschale aus WPC-Paneelen. Ähnlich wird der Außenlärmschutz betrachtet, wobei WPC als vorgehängte hinterlüftete Fassade gleichermaßen sein Schalldämmpotential offenbart. In diesem Zusammenhang wird auch der aktuelle Stand aus der Forschungsliteratur in Verbindung mit dem neuartigen Werkstoff vergleichend herangezogen. Anschließend wird der Trittschallschutz vertieft, bei dem WPC auch als Bodenbelagsmaterial in den Berechnungen Berücksichtigung findet. Das Kapitel beinhaltet konkrete Ausführungsbeispiele für optimierten baulichen Schallschutz und schließt wieder mit Wiederholungs- und Übungsaufgaben.

Das letzte Kapitel bewertet die bauphysikalischen Vorteile von naturfaserverstärkten Kunststoffen zusätzlich im Lichte der Ökonomie. Es beantworte die Frage, wie viel Bio-Anteile als Holzfasern in WPC enthalten sein müssen, damit es effizient Umweltschäden aus petrochemischen Polymeren vermeidet. Dazu werden eingangs verschiedene Nachhaltigkeitsprinzipien aus der Umweltökonomie vorgestellt und anhand der Forschungsliteratur diskutiert. Die dann folgenden Abschnitte führen in das ökonomische Grundmodell für Angebot und Nachfrage ein und demonstrieren Änderungseffekt im Markt nach Substitution von Plastik in Produkten durch WPCs. Daraus wird ein Modell abgeleitet, das Kosteneffekte und Schadensausgleich durch einen zunehmenden Holzfasergehalt in WPC zur Nachhaltigkeitssteigerung darstellt. Unter dem Internalisierungsprinzip als effiziente Vermeidung umweltbelastender Technologien, wie Petroplastik, hilft dieses schließlich den volkswirtschaftlich optimalen Holzfasergehalt in WPCs zu bestimmen. Dazu bietet Kapitel 5 eine Beispielberechnung, die Internalisierung auch algebraisch demonstriert. Wie die bisherigen Kapitel lässt sich das Gelernte mit Wiederholungsaufgaben und klausurähnlichen Rechenaufgaben abschließend reflektieren.