Lehrbuch der Bauphysik

Die Gestaltung und der konstruktive Aufbau der Gebäudehülle resultieren aus einer Vielzahl von Einflüssen bzw. Vorgaben wie Standsicherheit, architektonisches Erscheinungsbild oder der Nutzung eines Gebäudes. In den vergangenen Jahrzehnten trat immer mehr die Notwendigkeit der Berücksichtigung klimatischer Verhältnisse in den Vordergrund.

Mit der Temperatur kennzeichnet man den thermischen Zustand eines Systems. So wird beispielsweise mit der Raumtemperatur der thermische Zustand der Luft in einem Raum bzw. in einem Gebäude angegeben.

Zu einem guten Wärmeschutz gehören nicht nur hochwärmedämmende Bauteile, sondern auch entsprechende Bauteilanschlüsse. Im Bereich dieser Anschlüsse besteht die Gefahr zusätzlicher Wärmeabflüsse und niedriger raumseitiger Bauteiloberflächentemperaturen während der Heizperiode.

Die Form der Lüftung hat einen entscheidenden Einfluss sowohl auf das thermische Verhalten von Gebäuden als auch auf die Raumluftqualität. Bei der Mehrzahl der heute existierenden Gebäude erfolgt die Lüftung über Fenster und Türen oder andere Öffnungen in der Gebäudehülle.

Infolge der auf Außenbauteile auftreffenden Sonneneinstrahlung können die Wärmesenken vermindert oder Wärmequellen erzielt werden. Für das Fensterglas gilt, dass ein Teil der auf das Glas treffenden Strahlung reflektiert wird, ein Teil der Strahlungsenergie wird absorbiert und trägt zur Erwärmung der Glasscheibe bei.

Die Voraussetzungen für den Wärmetransportprozess „stationäre Wärmeleitung“ sind gleichbleibende Temperaturen zu beiden Seiten des Bauteils und die Abwesenheit von Wärmequellen oder -senken innerhalb des Bauteils. Es ist leicht nachvollziehbar, dass bei für ein Bauteil üblichen Randbedingungen diese Voraussetzungen typischerweise nicht gegeben sind.

Eine der großen Aufgaben des Umweltschutzes ist die Senkung der Emissionslasten durch rationelle Energieverwendung bei der Gebäudebeheizung. Insbesondere im Gebäudebestand mit oftmals unzureichender wärmeschutztechnischer Qualität sind hierzu große Potenziale vorhanden.

Die wärmeschutztechnischen Vorschriften im Hochbau wurden in den letzten Jahren wegen der ständig wachsenden Bedeutung des Wärmeschutzes immer umfangreicher und anspruchsvoller hinsichtlich des Anforderungsniveaus.

Der Staat darf durch Vorschriften in das Baugeschehen nur dann eingreifen, wenn eine Gefährdung des Lebens oder der Gesundheit der Menschen oder der Umwelt zu befürchten ist.

Luft kann bis zur Sättigung eine begrenzte Menge Wasser in Gasform (Wasserdampf) aufnehmen. Diese Menge ist von der Temperatur Ɵ abhängig, wobei die Aufnahmefähigkeit mit der Temperatur zunimmt (Tabelle 2.1). Auch Luft, die kälter als 0ºC ist, kann noch eine entsprechend kleine Menge Wasserdampf enthalten. Ab 100ºC kann der Wasserdampf einen vorgegebenen Raum völlig ausfüllen, so dass dann im Extremfall nur noch Wasserdampf und gar keine Luft mehr vorliegt.

„Diffusion“ ist das Wandern einzelner sehr kleiner Teilchen (Atome, Ionen, kleine Moleküle), verursacht durch die thermische Eigenbeweglichkeit (Brown’sche Molekularbewegung) dieser kleinen Teilchen. Bei makroskopischer Betrachtung herrscht in dem Medium, in welchem Diffusion stattfindet, anscheinend Bewegungslosigkeit.

Luftbespülten Oberflächen von Bauteilen oder Gewässern haftet eine wenige Millimeter dicke, mehr oder weniger ruhende Luftschicht an, welche Grenzschicht heißt und den Übergang zur Atmosphäre darstellt (Bild 4.1). Feuchtetransport durch diese Grenzschicht hindurch ist nur möglich nach dem Mechanismus der Wasserdampfdiffusion.

Es wird angenommen, dass sich ein Schichtenpaket aus planparallel begrenzten Einzelschichten der Dicken d_i mit den Diffusionswiderstandszahlen μ_i zusammensetzt. Der Diffusionsstrom durchdringt das Schichtenpaket senkrecht zu den Schichtebenen und es herrschen stationäre Verhältnisse.

Findet in Räumen eine gleichmäßige Wasserdampfproduktion statt und liegt eine gleich mäßige Durchlüftung vor, hat die relative Luftfeuchte der Raumluft einen bestimmten Wert und die dem Wasserdampf zugänglichen Oberflächen der raumbegrenzenden Bauteile und der Raumausstattung haben einen bestimmten und konstanten Wassergehalt.

Definitionsgemäß ist Schwinden bzw. Quellen von Baustoffen die Volumenänderung oder Längenänderung als Folge von Austrocknung bzw. Wasseraufnahme. Die meisten Baustoffe zeigen ein reversibles Quellen und Schwinden als Folge wechselnder Wassergehalte, manche Baustoffe zusätzlich ein irreversibles Anfangsschwinden, wie frisches Holz oder neue zementgebundene Bauteile, wenn sie erstmalig austrocknen.

Das wärme- und feuchtetechnische Verhalten des Gebäudes und der einzelnen Bauwerksteile wird ganzjährig (in Mitteleuropa während der Heizperiode und in der Jahreszeit mit zweit gehend freier Klimatisierung) vom Außenklima maßgeblich beeinflusst.

Für die hygrothermische Bemessung der Bauteile und Gebäude sind auch die die raumseitigen Klimakomponenten zu quantifizieren. Neben der Eigensicherung des Gebäude dient das Raumklima auch der Gewährleistung der Funktionssicherung, z. B. der Behaglichkeit in Wohn- und Bürobauten oder der Sonderklimate in Produktionshallen, Museen usw. [2], [15], [18], [21], [23], [62], [64]. Auf Schadstoffe und Verunreinigungen in der Raumluft wird hier nicht eingegangen.

Klimatisierung verlangt eine klimagerechte Gestaltung und Konstruktion des Gebäudes. Freie Klimatisierung, bei der sich das Gebäude selbst (autogen) klimatisiert, beruht ausschließlich auf der bauklimatischen Wirksamkeit des Gebäudes und seiner Elemente: einen hinreichenden Wärmewiderstand der Hüllkonstruktion, eine ausreichende Wärme- und Feuchtespeicherwirkung des Baukörpers sowie eine dem Klima angepasste Lüftung.

Was versteht man unter Klima? Der Begriff des „Klimas“ kann durchaus unterschiedliche Bedeutungen in sich tragen, wie beispielsweise das soziale, das meteorologische oder das geographische Klima, wobei im Zusammenhang mit Architektur und Baukonstruktionen jedoch letztere üblicherweise gemeint sein wird.

Mit Schall bezeichnet man mechanische Schwingungen in einem elastischen Medium. Während in Fluiden nur Druckwellen, auch Longitudinalwellen genannt, möglich sind, gibt es in Festkörpern auch diverse andere Wellenformen wie beispielsweise Biegewellen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeiten sind abhängig vom Wellentyp und dem Medium.

Sabine [90] erforschte empirisch den Zusammenhang zwischen Volumen, schallabsorbierenden Flächen und dem Nachhall im Raum. Zur Quantifizierung des Nachhalls legte er die Zeitspanne fest, in der die Schallenergie im Raum nach Abschalten einer Schallquelle auf den millionsten Teil seines Anfangswertes abklingt. Dies entspricht einem Pegelabfall von 60 dB.

Die Schalldämmung, also die Transmission des Schalls durch Trennbauteile, wird durch den Transmissionsgrad τ beschrieben, der das Verhältnis der vom Bauteil abgestrahlten Schallleistung P₂ zur auftreffenden Schallleistung P₁ auf das Bauteil angibt.

Durch den Betrieb von Maschinen und Aggregaten innerhalb eines Gebäudes werden am Aufstellort Schwingungen in den Baukörper eingeleitet und von dort als Körperschall weitergeleitet, was in anderen Gebäudeteilen zu störenden Vibrationen oder Luftschallemissionen führt. Besondere Bedeutung kommt bei Maschinen mit drehenden Anlagenteilen der Drehzahl zu, die direkt in die Betriebsfrequenz f umgerechnet werden kann.

Das Teilgebiet Schallimmissionsschutz beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Entstehung, der Ausbreitung und des Empfangs von Schall im Freien. In Deutschland existieren zahlreiche Rechtsvorschriften und Regelwerke zu dieser Thematik, die im Rahmen eines Lehrbuchs für Bauphysik nur angerissen und kurz vorgestellt werden können.

Die Beleuchtung von Räumen für uns Menschen ist eine physiologische Notwendigkeit, welche am Tage am besten mit dem Licht der Sonne erreicht wird, nachts mit künstlichen Lichtquellen. Eine Grundbeleuchtung mit Tageslicht wäre schon durch eine Öffnung in einer Behausung gegeben, die Grundbeleuchtung nachts mit einem Feuer.

Licht ist elektromagnetische Strahlung, gewichtet mit der spektralen Helligkeitsempfindlichkeit des menschlichen Auges (s. Abb. 2.5). Die Einbettung in das elektromagnetische Frequenzspektrum zeigt die Tabelle.

Bei der Planung von Gebäuden mit Tagesbeleuchtung geht es immer um zwei Schwerpunkte, die Beleuchtungssituation bei bedecktem Himmel und die bei Besonnung. Entsprechend unterschiedlich sind auch die zugehörigen Planungswerkzeuge und Berechnungsmethoden.

Künstliches Licht ist rein sprachlich der Gegenpart zu natürlichem Licht, als welches gemeinhin das Tageslicht bezeichnet wird. Es ist also das Licht, welches wir zunächst zum Sehen in der Nacht erzeugen, einschl. Feuer, Kerzen etc., dem auch ‚natürliche‘ Prozesse im Sinne von physikalischen zugrunde liegen.

Gemessen wird immer der Photostrom einer Diode, welcher verstärkt und ggf. mittels A/DWandler digitalisiert wird.

Die Begriffe Steuerung und Regelung werden oft miteinander verwechselt. Werden beispielsweise nach einem fest in ein Steuerungselement eingegebenen Zeitplan Einstellungen des Kunstlichts oder von Licht- und Sonnenschutzanlagen vorgegeben, handelt es sich um eine Steuerung.

Wohl von Anbeginn war die Menschheit fasziniert von der Naturerscheinung Feuer. Sie lernte es schätzen, nutzen, fürchten, und sie versuchte, sich vor ihm zu schützen. Trotzdem weisen Brandschadenstatistiken noch immer steigende Tendenz auf, und schon deshalb ist eine bessere Kenntnis der Brandschutzmöglichkeiten bei allen am Bau Beteiligten wünschenswert.

In der Bundesrepublik Deutschland liegt die Regelung des vorbeugenden baulichen Brandschutzes in der Hoheit der Länder, die sich in Zusammenarbeit mit dem Bund darum bemühen, in Musterentwürfen möglichst einheitliche Anforderungen zu formulieren.

Grundsätzlich sind vier Bedingungen für die Entstehung eines Brandes zu erfüllen. Es muss ein brennbarer Stoff vorhanden sein, eine ausreichende Menge Sauerstoff und eine ausreichend hohe Zündenergie bzw. Zündtemperatur. Liegt ein ausreichendes Mischungsverhältnis vor, kommt es zur Entzündung und ein Übergang zum offenen Brand ist wahrscheinlich.

Die Kennwerte für das mechanische und thermische Verhalten der Baustoffe sind temperaturabhängig. Das gilt in besonderem Maße für die mechanischen Eigenschaften, aber auch die Veränderung der thermischen Eigenschaften muss berücksichtigt werden.

Durch eine Reihe von Maßnahmen, die den vorbeugenden baulichen Brandschutz, der durch feuerwiderstandsfähige Ausbildung der Bauteile gewährleistet wird, ergänzen, kann der Entstehung und vor allem der Ausbreitung von Schadenfeuern wirksam begegnet werden.

Als Brandnebenwirkung werden neben der Wirkung von Temperaturen und Wärmeströmen, die Wirkung von Rauch und Gasen bezeichnet, die bei der Verbrennung von Brandgut entstehen. Diese können mit unterschiedlicher Konsequenz entscheiden Einfluss auf die Bauteile im Gebäude aber auch auf Personen haben, die sich im Brandfall noch im Gebäude befinden.

Mathematische Brandmodelle gewinnen im Rahmen von Ingenieurmethoden eine wachsende Aufmerksamkeit.