Integratio® - Forum

Fenster- und Türkonstruktionen aus Kunststoff und Aluminium

Fortbildungsseminar Glas
Bundesverband der öffentlich bestellten und vereidigten sowie qualifizierten Sachverständigen Nordrhein-Westfalen
Fachgruppe Bau
22 November 2002

Das Büro Integratio &endash; der Name steht für die Gesamt- bzw. Systemsicht &endash; wurde 1972 von Hans Udo Reichstadt* als Arbeitsgemeinschaft von Fenster-Fachingenieuren gegründet und später in eine GmbH überführt. Namhafte Systemgeber und Unternehmen der Kunststoff- und Aluminium-Fensterbranche zählen seit Jahren zum Kreis der Geschäftspartner.

Für die Entwicklung und die Dokumentationen von Fenster-, Tür- und Fassaden-Systemen aus Kunststoff und/oder Aluminium wurde mit geeigneten Hilfsmitteln gearbeitet. CAD, DTP, interaktive digitale Fensterhandbücher, Erstellung und Pflege von HomePages bzw. WebSites für das Internet, QM-Handbücher für den Elementebereich usw. gehör(t)en zum Standard-Leistungsumfang von Integratio.

* Hans Udo Reichstadt ist seit vielen Jahren als Sachverständiger für das Fachgebiet Fenster- und Türkonstruktionen aus Kunststoff und Aluminium von der IHK zu Düsseldorf öffentlich bestellt und vereidigt, Mitglied des Sachverständigen-Bestellungsausschusses, einschlägiger Fachgremien, Spiritus rector des ad hoc-Fachgremiums Fassadentechnik, Fenster, Türen und verglaste Konstruktionen aus Kunststoff und Metall, Qualitätsbeauftragter DGQ, Fachauditor usw.

Sollte direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernommen werden.

Nachdruck und Vervielfältigung ist &endash; auch auszugsweise &endash; nur mit schriftlicher Genehmigung gestattet; schreiben Sie uns an.

Diese Unterlagen sollen dem Interessierten einen Überblick geben; für die Richtigkeit kann keine Haftung übernommen werden.

Ausgabe: November 2002

Inhaltsverzeichnis

Fenster-Historie

Erste Aluminiumfenster
Aluminiumfenster-Isolierkonstruktionen
Pfosten-Riegelkonstruktionen, Fassaden

Vollkunststofffenstersysteme aus PVC
Eine kurze Rückschau
- Zubehör- und Beschlagtechnik
- Viel- bzw. Mehrkammersysteme
- Einkammersysteme

Gründe für den Erfolg von Fenstersystemen aus PVC
Wartungsfreiheit
Energieeinsparungsgesetz, Fördermaßnahmen
Rahmen und k-Werte der Fenster
Konzentration, Preisdruck und konstruktive Folgen
Biege-E-Modul von PVC im Fensterbau
Profiloptimierung und Eckenfestigkeit
Statik-Probleme mit Kunststoffenstern leicht lösbar

Aluminiumfenster-Isolierkonstruktionen

Entwicklungen zur Wärmeisolierung
Aluminiumsysteme in Rahmenmaterialgruppe 2 und 1
Aluminiumfenster mit Uf-Werten </= 2,0 W/m2 K
Veränderungen der U-Werte an Fassadensystemen
Veränderungen des Regelwerks, Entwicklungstendenzen
Anschlussausbildung

Kunststoff-Alternativen zum Werkstoff PVC

Einige Beispiele aus der Gutachtenspraxis


Fenster-Historie

Abgesehen von wenigen Ausnahmen, kann man die Fenster-Historie bis in das 18. Jahrhundert so Beschreiben: Fensterrahmen waren aus Holz. Licht konnte durch ölimprägniertes Pergament eintreten und später durch Glas. In der kalten Jahreszeit waren vor den Fenstern Bretterverschläge. Die Kenner des Handwerks und der seit dem 12. Jahrhundert entstandenen Zünfte und Gilden mögen mir diese Verkürzung verzeihen.

Vereinheitlichung der Profilausbildungen, alternative Ausführungen aus bspw. warmgewalzten Stahlprofilen usw. waren Folge der Industrialisierung und Standardisierung. So auch die zunehmende Präsenz der standardisierten Beschlagteile, der Materialien für die Glasabdichtung etc.

Insbesondere die stürmischen Nachkriegs-Aufbaujahre haben das Holzfenster in Misskredit gebracht, weil "Holz zu Fenstern verarbeitet wurde, welches gestern noch als grüner Baum im Wald stand". Hinzu kamen ungeeignete Glasabdichtungen, Anstrichmaterialien usw. Die Fenster verfaulten, weil

Erste Aluminiumfenster

Die ersten Aluminiumfenster waren eigentlich nur Kopien der Stahlkonstruktionen. Es handelte sich also um Konstruktionen aus Winkel-, T- und Z-Profilen. Die Entwicklungen in der Extrusion von Aluminium erlaubte dann ab Mitte des 19. Jahrhunderts die wirtschaftliche Herstellung von Fenstern aus dafür konstruierten Profilen.

Das System "A" von Erbslöh zeigt eine repräsentative Lösung aus den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts. Als Beispiel der teilweise tollkühnen Konstruktionsüberlegungen steht das Erbslöh System "E" als Dreh- bzw. mit nach innen öffnendem Flügel. Interessant die Entwässerungskammer am Blendrahmenaufdeck und die tiefsten Falzzonen auf der dem Raum zugekehrten Seite.

Schwingflügelkonstruktionen wurden mit Aluminiumrahmen häufig als Karussellfenster mit horizontaler oder vertikaler Achse ausgeführt. Das System "E" als Schwingfenster von Erbslöh zeigt, wie man über Isolierwirkung dachte. Das System "RO" als Rotationsfenster hatte zwei Dichtebenen; dadurch wurden die mechanischen Elemente abgedeckt, die man bei der Serie "E" von der Raumseite her sah.

Eine typische Konstruktion aus dieser Zeit von Heinz Schürmann, dem heutigen Haus Schüco. Die Ecken stumpf geschweißt oder mit mechanischer Eckverbindung. Besonderes Werbeargument: "Basisprofil mit Schwitzwasserablauf"

Wie an den Beispielen erkennbar, wurden die Rahmenecken bis in die 60er Jahre des 20. Jahrhunderts durch Schweißung bzw. mit Stumpfschweißmaschinen hergestellt; seitdem hat sich die mechanische Eckverbindung durchgesetzt.

Die Rahmen des Systems "PASS-AIR" der Aluminium-Werke Wutöschingen wurde mit Eckverbinder geklebt oder geschweißt. Das rechte Schnittbild zeigt einen Schwingfenster-Vertikalschnitt mit Wechselprofil und Schwinglager mit Doppelachse, wodurch (wie bei Holzfenstern bereits üblich) die Wechselprofile beim um 180 ° geöffneten Flügel unter dem Lager unmittelbar aufeinander lagen, also zugfreie Lüftung; Lüftungsschlitze nur über dem Lager.

Beispiele von Profilsystemen aus dieser Zeit sind weiterhin die GLISSA-Serien der Aluminium-Walzwerke Singen; Rahmenecken ebenfalls stumpf geschweißt oder mit mechanischer Eckverbindung.

Nicht zu vergessen; die Schiebefenster. Als typischer Vertreter die aus den USA übernommene Konstruktion der GLIDE-WINDOW. Die Rahmenecken wurden mechanisch verbunden und die Flügelrahmen wurden mit Eckverbindern um die Verglasung herum zusammengebaut.

Aluminiumfenster-Isolierkonstruktionen

Mit Einführung und zunehmendem Markterfolg der Zweischeiben-Isoliergläser (bspw. randverlötete Thermopane) wurde die Taupunktbildung auf den Rahmenprofilen zum Problem und führte zur Entwicklung von Isolierkonstruktionen. Eine etwas abenteuerliche Lösung kam von der Fa. Brökelmann; die Feuchtigkeitsaufnahme der Holzprofile und die daraus resultierende Schädigung führte zu Problemen.

Eine Lösung des Taupunktproblems lag in der thermischen Trennung der Profile. Die Koller-Konstruktion sah Verschraubung mit Trennung aus Kunststoff-Isolierprofilen vor.

Die 80 mm tiefe Kawneer-Isolierserie von AMAX-Aluminium zeigte mit eingerollten PVC-Distanzprofilen eine richtungsweisende Problemlösung auf. Die Rahmen wurden mit Eckverbindern geklebt. Die Aussage zur Isolierwirkung: "Isolierwert wie bei 24 mm dickem Isolierglas"

Pfosten-Riegelkonstruktionen, Fassaden

Die obenstehende Fassadenkonstruktion der Wieland-Werke konnte bei niedrigen Außentemperaturen wohl eher als Kondensator betrachtet werden. Durch Anordnung der großen Querschnitte bzw. Umfassungsflächen auf der Außenseite und den vergleichsweise kleinen inneren Umfassungsflächen kam es zur Eisbildung auf der raumseite.

Das Schnittbild der ALLDOOR-Fassadenkonstruktion wies ebenfalls hohe k-Werte auf; durch die großen raumseitigen Querschnitte bzw. Umfassungsflächen wurde die Oberflächentemperatur aber auf akzeptable Werte angehoben.

 

Vollkunststofffenstersysteme aus PVC

Der Wunsch nach besser isolierenden Fensterrahmen, die einen geringeren Pflegeaufwand als Holzrahmen erforderten, muss Ursache für die Entwicklung der ersten Kunststoffenster gewesen sein. Wie sonst kann erklärt werden, dass zuerst Stahl- und Holzprofile mit PVC-Koextrusionsschichten in den Markt kamen. Die Entwickler wußten nicht, dass gerade die besonders gut gepflegten und immer “gut lackierten" Holzfenster “von innen her verrotteten", weil die in den Querschnitt eingedrungene Feuchtigkeit durch die vergleichsweise diffusionsdichte Lackschicht nicht ausdiffundieren konnte. Wie wäre sonst ein Holzfenster mit PVC-Koextrusionsschicht &endash; Monzaplast oder ähnliche Konstruktionen in der damaligen DDR &endash; zu erklären. Im Zusammenhang mit Kunststoff-Alternativen zum Werkstoff PVC werde ich noch einmal auf die Zusammenhänge bezüglich Diffusionsdichte, Taupunktbildung usw. eingehen.

Für die Entwickler derartiger Konstruktionen wurde schnell klar, dass es einen Grund bspw. für die rasche Schädigung des Holzes geben musste; hinzu kamen Probleme bei der Eckverbindung und verbesserte Konstruktionen bei den sogenannten Vollkunststoffenstern.

Eine kurze Rückschau

Zubehör- und Beschlagtechnik

Heutige Fenster werden unter Berücksichtigung vorhandener Regelwerke und bestehender Industriestandards konstruiert. Vor 30 Jahren kannte man aber Beschlagsysteme mit kraftübertragenden Schubstangen im Flügelüberschlag, Getriebeschienen in Breiten zwischen 16 und 24 mm, u-förmige Getriebeschienen usw.

Die Fenster erhielten zumeist Einfachglas. Mangelhafte Steifigkeit machte den Einsatz der mit Aluminium- und Holzfenstern zunehmend in den Markt drängenden Einhandbeschläge problematisch. Bei geringer Windbelastung musste der Flügel mit der zweiten Hand angedrückt werden, um eine Fehlbedienung zu verhindern. Und wenn diese denn mal entstanden ist, musste ein Fensterfachmann geholt werden, um den Beschlag wieder in Funktionsstellung zu bringen, weil die fehlbedienungssicheren Drehkippscheren noch nicht bekannt oder üblich waren.

Schmale Dichtungsnuten führten häufig zu Problemen, weil die dadurch erforderlichen Toleranzvorgaben in der Praxis sowohl beim Fenster- als auch beim Dichtungsprofil nicht eingehalten werden konnten. Geeignete Elastomere wurden erst mit peroxydisch vernetztem APTK/EPDM vor ca. 30 Jahren als Dichtungen angeboten.

Die Vorstellung der Entwickler der ersten Fenstersysteme waren eher davon bestimmt, die Anforderungen an die Fensterrahmen durch die Konstruktion und Dimensionierung der Profile allein unter Berücksichtigung des Rahmenmaterials &endash; Hart-PVC &endash; und der Profilgeometrie erfüllen zu wollen.

Viel- bzw. Mehrkammersysteme

Die Vorstellung der Entwickler der ersten Fenstersysteme waren eher davon bestimmt, die Anforderungen an die Fensterrahmen durch die Konstruktion und Dimensionierung der Profile allein unter Berücksichtigung des Rahmenmaterials - Hart-PVC - und der Profilgeometrie erfüllen zu wollen.

Typische Systeme dieser ersten Jahre sind “Raucron 1", “Gevo A1" und “Polycella, Serie 500".

Letzteres sollte ohne Verstärkung alle auf ein Fenster der späten 60er Jahre wirkenden Lasten und Kräfte übernehmen und auf das Mauerwerk übertragen. Dabei waren die Flügel zumeist nicht mit Isolierglas versehen und entsprechend wenig verwindungssteif. Die Profile des Systems “Raucron 1" sollten bei höheren Lasten mit einem Stahlrohr von 30 x 20 verstärkt werden. Diese waren in Wanddicken von max 3 mm lieferbar; das Trägheitsmoment betrug also max. 2,89 cm4. Damit konnten bspw. frei gespannte Träger bzw. Rahmenteile von 148 cm Länge gebaut werden, wenn das Fenster für Beanspruchungsgruppe B, also für Flächenlasten von 0,96 kN/m2 (96 kp/m2) ausgelegt war. Bei der Betrachtung bin ich von einer Streckenlast mit einer Lastfeldbreite von 50 cm ausgegangen und einer max. Durchbiegung von 1/300 der frei gespannten Länge; einer Forderung aus DIN 18055 und der Glasindustrie.

Naturgemäß erkannte man schnell die Grenzen derartiger Konstruktionen; war doch schon bei Beanspruchungsgruppe A (bis 8 m über Gelände, 0,6 kN/m2 bzw. 60 kp/m2) für eine übliche Wohnzimmer-Fensterwand aus Balkontür und daneben angeordnetem Festteil mit gleicher Höhe in der Addition der Trägheitsmomente insgesamt ca. 19 cm4 erforderlich.

Einkammersysteme

So war es naheliegend, dass bspw. die “Combidur-Profile" als Einkammerprofile ausgelegt waren, technisch problematische Röhrchen-Entwässerungen ausgeführt werden mussten usw. Mit der abgebildeten Verstärkung (ca. 10/32/48/28/8 x 1,5 mm) wurde Ix ca. 6,6 cm4 erreicht; demgemäß war ein Kopplungsbereich aus Festteil und Balkontür ausreichend zu dimensionieren.

Einheitliches Zubehör (bspw. sogenannte Euronorm-Beschläge), Vertriebsargumente wie “Dreikammerprofil" usw. haben die Systeme verändert. Die Dicken der Innenstege wurden zunehmend reduziert, allein um negative Auswirkungen auf die Profilgeometrie durch nachträgliches Abkühlen zu verhindern. Usw.

 

Gründe für den Erfolg von Fenstersystemen aus PVC

In den späten 60ern und zu Beginn der 70er Jahre hatte das Kunststoffenster einen Marktanteil von unter 10 % und der Beschaffungspreis lag höher als der eines vergleichbaren Holzfensters. Kunststoffe wurden von der technikfreundlich eingestellten Gesellschaft positiv bewertet und die schlechte Qualität der Holzfenster aus den frühen Jahren des Wiederaufbaus wurde auf Holzfenster allgemein übertragen. Beim Ersatzbedarf spielten die schlechten Erfahrungen mit Holzfenstern und die scheinbare Wartungsfreiheit der Kunststoffenster eine große Rolle.

Wartungsfreiheit

Das glaubwürdig erscheinende Argument der Wartungsfreiheit und die ständig steigenden Lohnkosten haben den Vertrieb erleichtert. So war die Wirtschaftlichkeit auch in der Zeit der hohen Marktpreise ein entscheidender Grund für die rasch steigenden Marktanteile.

Energieeinsparungsgesetz, Fördermaßnahmen

Den meisten wurde spätestens durch die erste Energiekrise Anfang der 70er Jahre der Ernst der Lage bewußt. Autofreie Sonntage und eine Geschwindigkeitsbegrenzung regten zum verstärkten Nachdenken an. Durch effizientere Verfahrenstechniken konnte die Nutzung fossiler Energieträger reduziert werden. Gegenüber 1973 hätte entsprechend dem Bruttosozialprodukt-Wachstum 1988 der Primärenergieverbrauch 480 Mio t SKE/a betragen. Tatsächlich betrug er - durch effizientere Nutzung wurde eine Einsparung von 70 Mio t SKE/a erzielt - jedoch lediglich 390 Mio t SKE/a. Weitere 20 Mio t SKE/a betrug die Minderung durch strukturelle Veränderungen. Als wohl wichtigste Energiequelle wurde die Energieeinsparung erkannt. Es wurden das Energieeinsparungsgesetz (1976) und Förderprogramme verabschiedet - der Kunststoffenstermarkt boomte.

Bis dahin bestanden die Aufgaben des Wärmeschutzes darin, Grundlagen für die wirtschaftliche Erwärmung und Kühlung des Gebäudes zu schaffen. Die Umstände und Bedingungen zur Erzielung physiologischer Behaglichkeit waren den Fachleuten bekannt; wurden aber von der Fensterbranche zumeist außer acht gelassen. Auch großflächige Elemente, d.h. Hebeschiebetüren und ähnliche, wurden (und das noch nicht einmal immer) mit normalem Zweischeiben-Isolierglas ausgestattet.

So war es eine Folge der Umstände, dass eine Wärmeschutzverordnung erstmalig 1977 erlassen und diese im Februar 1982 (erlangte am 1. Januar 1984 Gesetzeskraft) novelliert wurde. In Folge der Klimaschutzstrategie der Bundesrepublik Deutschland sollte der Ausstoß energiebedingter CO2-Emissionen als Hauptverursacher des Treibhauseffektes bis zum Jahre 2005 um 25 % in den alten und 30 % in den neuen Bundesländern, bezogen auf das Emissionsvolumen des Jahres 1987, reduziert werden. So wurden die Anforderungen an die Umfassungsbauteile eines Gebäudes - und dazu sind die Fenster zu zählen - in der WSchV ´95 (seit 1. Januar 1995 Gesetz) noch einmal erhöht.

Rahmen und k-Werte der Fenster

Die veränderten Vorgaben bezüglich Transmissions- und Lüftungswärmeverluste bestätigten das Kunststoffenster erneut; bestätigten die Erfahrungen - die vergleichsweise geringen Dichtigkeitsprobleme über den gesamten Nutzungszeitraum selbst bei mangelhafter Pflege und Wartung. Kunststoffenster sind gemäß DIN 4108 (Tabelle 3, Teil 4) der Rahmengruppe 1 zuzuordnen; der dafür einzusetzende k-Wert: (< 2,0) 1,9 W/m2 K.

Konzentration, Preisdruck und konstruktive Folgen

Der anhaltende Erfolg, die Subventions-Einflüsse und ständig steigende Marktanteile des Kunststoffensters führten auch zum Aufbau von Überkapazitäten, daraus resultierendem Wettbewerb, zur Konzentration, zum Preisverfall, zur Optimierung der Konstruktionen usw.

Biege-E-Modul von PVC im Fensterbau

Ein kleiner Ausflug in die "Statik der Kunststoffenster" verdeutlicht die Veränderung der (Ein-?) Sicht. So wurde bereits 1983 nachstehender Beitrag veröffentlicht:

Die Bewertung des Biege-E-Modul von PVC im Fensterbau überdenken?

Bisher wurde für PVC (wie es im Fensterbau verwendet wird) ein Biege-E-Modul von 25.000 kp/cm2 bzw. 2.500 N/mm2 angegeben. Bei der Ermittlung zulässiger freier Spannweiten für unverstärkte Profile wurde dieser Wert in der Statik berücksichtigt. Das Büro Integratio teilt nun mit, dass dieser Wert so nicht mehr in die statische Berechnung einfließen sollte. Bei Untersuchungen durch das Büro Integratio in Zusammenarbeit mit einem Großunternehmen der chemischen Industrie an extrudierten Fensterprofilen unterschiedlicher Hersteller und aus verschiedenen “Rohstoffen" haben sich Werte ergeben, die zu einem Überdenken dieses Wertes führen sollten.

Bei zunehmend härter werdendem Wettbewerb sucht jeder Hersteller nach Einsparmöglichkeiten. So lag es nahe festzustellen, bis zu welcher Flügelbreite ohne Mittelverschluß gearbeitet werden kann. Diese Werte lassen sich aufgrund statischer Berechnungen für die unterschiedlichen Gebäudehöhen (Windlasten) leicht errechnen. In diese Rechnungen fließt das Trägheitsmoment eines Profils und der Biege-E-Modul des Materials ein. Die Techniker des Büros Integratio haben Prüfstandsversuche mit Fenstern gefahren, die bis zu dieser theoretischen Maximalabmessung gingen und mussten dabei feststellen, dass die Durchbiegung über den rechnerisch ermittelten Werten lagen. Es war festzustellen, weshalb diese (negativen) Differenzen entstanden bzw. woraus sie resultierten.

Es wurde ein Versuchsprogramm durchgeführt, innerhalb dessen verschiedene Profile getestet wurden. Sämtliche Profile wurden bei Raumtemperatur, bei konstanter freier Spannweite (in beweglichen Lagern) mit unterschiedlicher Punktlast beaufschlagt. Die jeweils entstandene Durchbiegung wurde gemessen.

Aufgrund der errechneten oder bekannten Trägheitsmomente war es nun leicht möglich, den E-Modul-Wert rechnerisch festzulegen oder besser, den bisher eingesetzten Wert zu überprüfen. Hierbei hat sich ergeben, dass der zur Zeit verwendete Wert von 25.000 kp/cm2 bzw. 2.500 N/mm2 erst erreicht wurde, wenn die Durchbiegung des Prüfstabes erheblich über den für den Fensterbau zulässigen Durchbiegungen lag. Mehr noch; die ermittelten Werte lagen um so niedriger, je kleiner die Durchbiegung war. Was ergab sich daraus?

Der Biege-E-Modul war bei Belastungen, die zu einer Durchbiegung von ca. 1/300 führten, ca. 1.400 N/mm2. Aus der Untersuchungsreihe ergab sich, dass der Biege E-Modul bei hohen Lasten und großen Durchbiegungen rechnerisch zwar auf über 2.000 N/mm2 kommen kann, dieser Wert aber bei niedrigen Lasten und kleineren Durchbiegungen auf unter 1.000 N/mm2 liegt; also keinen festen Wert darstellt. Da im Fensterbau zumeist mit 1/300 der frei gespannten Länge zu rechnen ist, sollte der durch diese Versuchsreihe ermittelte Wert (wie er für diese Durchbiegung ermittelt wurde) eingesetzt werden. Um die in der Untersuchung ermittelten Differenzen und etwas Sicherheit zu berücksichtigen, sollte nach Meinung des Büros Integratio mit einem Biege-E-Modul von 1.250 N/mm2 gerechnet werden.

Die untenstehende Grafik zeigt den rechnerisch ermittelten E-Modul-Verlauf, wie er im Mittel aus der Versuchsreihe hervorgegangen ist.

Der Kurvenverlauf weist darauf hin, dass beim PVC im Fensterbau anders zu rechnen ist, als beispielsweise beim Stahl. In wieweit das Hookesche Gesetz in bezug auf derartige Thermoplaste oder die E-Modul-Bestimmung nach DIN in diesem Zusammenhang zu diskutieren ist, soll hier nicht weiter erörtert werden. Für den im Kunststoff-Fensterbau tätigen Anwendungstechniker ergibt sich die Frage, mit welchen Methoden und Zahlen zu rechnen ist.

Da die Formeln "Statik" als bestehende Zahlenwerke akzeptiert werden müssen, stellt sich letztlich die Frage, wie die Lastfälle für unverstärkte PVC-Fensterprofile zu rechnen sind. Ergebnis der Untersuchung: 1.250 N/mm2.

Profiloptimierung und Eckenfestigkeit

Ein anderes Problem lag (und liegt) in den Richtlinien der nationalen Gütegemeinschaften. So waren/sind die Wanddicken "gemäß Gütegemeinschaft Kunststoff-Fensterprofile" aus Sicht des Konstrukteurs nicht nachzuvollziehen. In einer Veröffentlichungsreihe zum Thema "Qualitätsmanagementsysteme im Kunststoffensterbau" wurde 1994 zur Profiloptimierung unter Berücksichtigung der Querschnittsgewichte folgendes dargestellt:

Das links untenstehend abgebildete Profil (Bild 4) entspricht in der Auslegung der Wanddicken den derzeit gültigen Bestimmungen der Gütegemeinschaft Kunststoff-Fensterprofile und der Gruppe A (Hinweis: "deutsche Regelung - 3 mm, - 0,2 mm") zuzuordnen.

Das Profil hat eine Querschnittsfläche von ca. 940 mm2. Die Werte sind vergleichbar mit den am Markt befindlichen Profilen.

Bild 4

Profilausbildung gem. Regelwerk der Gütegemeinschaft

Bild 5

Profilausbildung nach Möglichkeit bzw. zertifiziert nach DIN ISO 9001

Die abgebildete Alternative in Bild 5 ist ein konstruktives Beispiel gemäß Gruppe C der vorstehenden Betrachtung. Die Vorteile liegen darin, dass

Einwänden von Werkzeugbauern und Extrudeuren kann mit dem Hinweis auf existierende Beispiele begegnet werden, wenn auch besondere Arten von Steganbindungen u.dgl. gewählt werden mussten.

Statik-Probleme mit Kunststoffenstern leicht lösbar

Ein nicht unwesentlicher Grund für den Erfolg des Kunststoffensters liegt in der Möglichkeit, die Probleme der Fensterstatik mit unterschiedlichen Verstärkungen weitestgehend lösen zu können. Kunststoffenster haben veränderbare Werte aus Trägheitsmoment und E-Modul, weil Stahlverstärkungsprofile unterschiedlicher Dimensionierung verwendet werden können. Zur Verdeutlichung ist nachfolgend ein Blendrahmenprofil eines nicht existierenden Systems (Fenonyma aus "www.Fensterberater.de") mit zwei verschiedenen Verstärkungsprofilen dargestellt.

Es ist ebenso bekannt (bspw. Eurodur® 3S) die Verstärkungskammer für verschiedene Profilarten/-tiefen auszulegen oder Profile mit gleicher Außenkontur und unterschiedlicher Kammerausbildung herzustellen. Am Beispiel des Systems Fenonyma würden die Vergleichswerte gemäß obenstehendem Beispiel aussehen können.

Vorstehende Betrachtung verdeutlicht, wie mit einer marktüblichen wirtschaftlichen Konstruktion statische Probleme gelöst werden können, die bei Materialien mit "festen Werten" (Holz, PU, Combidur AV) einen vergleichsweise großen Aufwand erfordern.

Aluminiumfenster-Isolierkonstruktionen

Die Bemühungen der Systemanbieter bei den Aluminiumsystemen wurde seit Mitte der 80er Jahre des 20. Jahrhunderts bestimmt von der Vergrößerung der Isolierzonenbreite. Die nebenstehende Tabelle 3 aus DIN 4108-4 zeigt die Zusammenhänge.

Die Systeme wiesen zumeist Abstandmaße "a" von 22 mm auf, um den Wert der Rahmenmaterialgruppe 2.1 zu erreichen = kR < 2,8 W/m2 K.

Verschiedene Materialien wurden im Bereich der Isolierzone verwendet. So waren Profile mit PU-Verbund üblich. Hueck-Serien wiesen Hohlkammern auf, die mit PU-Integralschaum gefüllt wurden und nach Abschluss der Reaktion wurden Al-Stegbereiche herausgerissen oder -gefräst. Auch im Zusammenhang mit der Schubfestigkeit des Profilverbunds hat sich am Ende der nach Dr. Nahr eingerollte (konditionierte) Polyamidsteg mehrheitlich durchgesetzt.

Entwicklungen zur Wärmeisolierung

Die Anfang der 80er Jahre mit nennenswerten Stückzahlen in den Markt drängenden Wärmeschutzgläser und Entwicklungen für den skandinavischen Markt haben uns veranlasst, die k-Werte der Rahmenprofile in die Überlegung mit einzubeziehen. So wurde eine Entwicklung aus 1984 umgesetzt und die Profilstege eines Kunststoffensters mit Reflexionsschichten versehen. An einem daraus gebauten Fenster wurden 1987 am ift Rosenheim Messungen durchgeführt. Der k-Wert konnte mit dieser Maßnahme auf Anhieb von 1,7 W/m2 K auf 1,4 W/m2 K verbessert werden.

Im Laufe der Zeit wurden von verschiedenen Entwicklern andere Möglichkeiten untersucht und verschiedene Wege zur Verbesserung des k-Wertes gefunden.

Größere Konstruktionstiefen

Es erscheint naheliegend, die Konstruktionstiefe und Kammer-Anzahl anzuheben. Dabei sollte beachtet werden, dass bei einer normalen Konstruktion ohne Mitteldichtung Flügelbreiten unter ca. 40 cm problematisch werden können. Die untenstehende Abbildung zeigt ein Schema-Schnittbild mit einem Abstandmaß von der Flügelkante zur erhöhten Rahmenkante - diese steht für die Schließstücke - von 5 mm. bei einem Kammermaß von 12 mm ergäbe sich ein Luftmaß von 4 mm; die Flügelkante würde mit den Schließstücken kollidieren.

Aluminiumsysteme in Rahmenmaterialgruppe 2 und 1

Die üblichen Fenster- und Fassadenserien waren nach DIN 4108-4 der Rahmenmaterialgruppe 2.1 zuzuordnen. Bei Fassadensystemen liegen die Oberflächentemperaturen durch die raumseitigen Querschnitte bzw. Umfassungsflächen auch bei einem k-Wert von 2,7 W/m2 K vergleichsweise hoch. Beispielgebend für eine "frühe" derartige Fassadenserie steht die nebenstehend abgebildete Serie HUECK VF 70.

Ein Beispiel für ein Aluminium-Fenstersystem mit entsprechendem Marktanteil war die Serie ROYAL S 65 von Schüco.

Aluminiumfenster mit Uf-Werten </= 2,0 W/m2 K

Der durch Bauproduktenrichtlinie bzw. Übereinstimmungszeichen-Verordnung auch formal geforderte Nachweis der k-Werte &endash; nein, man sollte U-Werte sagen &endash; hat zu Neukonstruktionen geführt. Die beiden Schnittbilder der Serie ROYAL S 70 (Rahmenmaterialgruppe 2.1) und der Serie ROYAL S 70.1 (Rahmenmaterialgruppe 1) von Schüco verdeutlichen den von den Inverkehrbringern der Aluminiumsysteme eingeschlagenen Weg.

Veränderungen der U-Werte an Fassadensystemen

DeAuch bei den Pfosten-Riegelkonstruktionen der Fassaden werden die gestiegenen Anforderungen erkennbar.

Die in den beiden Abbildungen gezeigten Systeme SYSTHERM® Fassade 52 E und K-Fassade 52 E von Hartmann sind der Rahmenmaterialgruppe 1 zugeordnet und im BAZ veröffentlicht.

Diese beiden Schnittbilder zeigen links den Pfosten und oben den Querriegel der SYSTHERM® Fassade 52 E.

Die beiden unteren Schnittbilder zeigen zwei verschiedene Traufenbereiche aus der gleichen Serie.

Veränderungen des Regelwerks, Entwicklungstendenzen

DIN V 4108-4 ist im Zusammenhang mit der WSchV ´95 herausgegeben worden. Die dort ausgewiesenen Rechenwerte der Wärmedurchgangskoeffizienten für Fenster mit "UF" sind in Vorwegnahme zukünftiger europäischer Bezeichnungen in Normen gewählt worden. Die Bezeichnung ist nicht verwechselbar mit der zukünftigen Bezeichnung "Uf" für den Rahmen-Wärmedurchgangskoeffizienten.

Index F in "UF " steht nach DIN 4108-4 für "Fenster" und Index f in "Uf " steht nach zukünftigen europäischen Normen für "Frame", d.h. Rahmen.

Sofern der Begriff "k-Wert" verwendet wird, war dieser mit dem "U-Wert" gemäß vorstehender Definition nach DIN 4108-4, 1998-10 gleichzusetzen.

Als Übergangslösung gilt Vornorm DIN V 4108, Teil 4, 2002-02 (Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden - Teil 4: Wärme- und feuchteschutztechnische Bemessungswerte) seit Inkrafttreten (am 01.02.2002) der Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden: Energieeinsparverordnung/EnEV.

Für die Berechnung zweidimensionaler Wärmeströme wurde/wird von der Firma Sommer Informatik in Zusammenarbeit mit dem ift Rosenheim das Programm WinISO erstellt und gepflegt. Die Bestimmung der Rahmenwerte erfolgt im Fenster- und Fassadenbau gemäß vorstehender Hinweise analog DIN EN ISO 10077-2. So werden auch Isothermenberechung in den Anschlussbereichen zuverlässig planbar. Tabelle 7 in DIN V 4108-4 nennt die Zuordnung der Uf-Werte von Einzelprofilen zu einem Uf,BW-Bemessungswert für Rahmen.

Besondere Einflüsse gehen vom Niedrigenergie- und vom Passivhaus aus. Ebenso wird es bei/seit Inkrafttreten der EnEV und der verschiedenen EN-Normen möglich sein, die U-Werte der Rahmen - aus Rahmengruppe 1 - genau zu bestimmen und diese Werte dann auch bei der Ermittlung der Fensterwerte zu berücksichtigen. Sofern die Werte dann Anerkennung als amtliche Rechenwerte für Nachweise erfahren, wird ein Wettbewerb der Profilsysteme lohnend und es werden sich Möglichkeiten eröffnen, die k-Werte der Rahmen auf das Niveau der hochwertigen Wärmeschutzverglasungen abzusenken.

Inwieweit Glaseinstände zur Minimierung des Randeinflußfaktors der Isolierglasscheiben beitragen, hängt vom Verhalten der Isolierglashersteller ab. So haben wir bereits (Pat.-Anm. aus Jan. 1983) vor vielen Jahren Versuche mit Isolierglas-Abstandhaltern aus Kunststoff durchgeführt, die in den der Scheiben-Außenkante zugewandten Teilbereichen mit einer Dampfsperre versehen waren und aufgrund der niedrigen Dampfdiffusionsdichte auf der dem Scheibenzwischenraum zugekehrten Seite ohne Öffnungen ausgeführt werden konnten. Naturgemäß war der Randeinflußfaktor derartiger Abstandhalteprofile vergleichsweise günstig. Ob die Isolierglashersteller nun begreifen, dass der Wärmestrom in einem Aluminiumprofil dreimal so groß ist, wie bei einem Stahlprofil oder gar andere Materialien verwenden, hängt von Einflüssen ab, die für einen Konstrukteur von und Sachverständigen für Fenster nicht mehr verstanden werden können.

Seit 2000 kommen zunehmend Konstruktionen in den Markt, die mit größeren Konstruktionstiefen und "ausgeschäumten Profilkammern" Rahmenwerte von < 1 W/m2 K erreichen. Ein Beispiel sollen die Schnittbilder aus einer Patentanmeldung darstellen, auch wenn es dabei um eine Einbauzarge für Fensterrahmen geht.

Anschlussausbildung

Untersuchungen zur Anschlussausbildung und Lage des Fenster in der Laibung wurden insbesondere vom Kollegen Froelich bzw. dem ift durchgeführt und veröffentlicht. Im Zusammenhang mit der EnEV werden diese Aspekte erneut zu diskutieren sein. Der derzeitige Stand wird in der "Technische Richtlinie der Bundesverbände" des Glaserhandwerks, Metallhandwerks, Holz und Kunststoff gut zusammengefasst.

Ein wichtiger Hinweis auf die Veränderungen liegt in der Isothermenberechung bei den Anschlüssen. Kann davon ausgegangen werden, dass bisher ein Nachweis für die Tauwasserfreiheit bei einer Oberflächentemperatur von 9,3 °C (sogen. 10 °C-Isotherme) lag; so ist nun von 12,6 °C (13 °C-Isotherme) auszugehen.

Untersuchungen haben gezeigt, dass Tauwasser zu Schäden bspw. in Form von Schimmelpilzbildung führen kann, wenn Bauteiloberflächen einer relativen Luftfeuchte von über 80 % ausgesetzt sind und ein für das Schimmelpilzwachstum geeigneter Nährboden vorhanden ist.

Kunststoff-Alternativen zum Werkstoff PVC

Als Folge der ersten hysterischen Reaktionen sogenannter Ökologen in den 80er Jahren und dem folgenden PVC-Verbot in verschiedenen Bundesländern und Großstädten, wurden alternative Werkstoffe untersucht. Systeme aus Polycarbonat, faserverstärkte und oberflächenbehandelte Polyolefine, Verbundmaterialien usw. tauchten immer wieder zumindest in Veröffentlichungen auf. Aus diesem Grund einige Hinweise aus unserer Erfahrung:

Die Verwendung von mit Faserstoffen und/oder Holzmehlen modifizierten Kunststoffen kann interessante Möglichkeiten eröffnen; dabei sind jedoch verschiedene Aspekte zu beachten:

1.

PVC hat einen besonders hohen Dampfdruck-Diffusionswiderstand, deshalb können daraus bspw. Blutbeutel und Verpackungen von eiweißhaltigen Lebensmitteln (Wurst, Fleisch) hergestellt werden. Die meisten anderen Kunststoffe haben einen vergleichsweise niedrigen Dampfdruckwiderstandsfaktor; das trifft bspw. auch auf Polycarbonat zu. Wenn nun bspw. ein Fensterrahmen aus Polycarbonat hergestellt wird, ist damit zu rechnen, dass im Winter die in der warmen Raumluft getragene Feuchtigkeit durch die Wandungen des Rahmens hindurchwandert und im Bereich der Profilinnenkammern kondensiert.

Die nebenstehende Abbildung zeigt den Schnitt eines Dachflächenfensters. Dieses wird seit über 20 Jahren aus einem PC-ABS-Blend (Noryl der GE-Plastics) hergestellt. In der Verarbeitungsanleitung ist berücksichtigt, dass die Profil-Innenkammern von Luft durchströmt werden, weil der Taupunkt sonst in den mit Tropfen gekennzeichneten Bereichen erreicht würde. Das Tauwasser kann bei fehlenden Belüftungsbohrungen nicht entweichen, weil dieses nicht (wie Wasserdampf) durch die Profilwandungen ausdiffundieren kann.

2.

Ein Kunststoffenster aus alternativen Thermoplasten wäre also nur vorstellbar, wenn zusätzlich Barriereschichten ein- oder aufgebracht würden; aber wer will schon solche Mischpolymerisate? Wer will diese ökologisch verantworten und wie sollen diese recycliert werden?

3.

Die Herstellung faserstoffgefüllter Profile aus Polyolefinen bzw. "Nicht-PVC" bietet sich in allen Bereichen an, die nicht als Umfassungsbauteile bzw. zwischen Wohnräumen und Kaltzonen angeordnet werden. So könnten die mit nicht unwesentlichen Mengen am Markt befindlichen Fensterbänke aus holzmehlgefülltem PVC problemlos ebenfalls aus entsprechend modifizierten Polyolefinen hergestellt werden.

4.

Die Spiegelschweißung kann als problemlose Eckverbindungstechnik für Kunststofffenster bezeichnet werden. Die Schweißparameter für Profile aus Noryl (obenstehendes Dachfenster) waren nicht einfach zu erarbeiten und sind nicht problemlos einzuhalten.

Eckverbindungen mit Steck- bzw. Eckwinkeln (wie bei Aluminium-Fenstern oder -Türen) sind bei maßlich geeigneter Ausführung der Profil-Innenbereiche herstellbar; dabei ist jedoch zu beachten, dass

  • die Eckwinkel mit Energie-Richtungsgebern versehen werden, wenn Profile und Eckwinkel (und damit die Rahmenecke) mit Ultraschall-Schweißung verbunden werden sollen. In der Ausführung haben sich Probleme ergeben, weil Eckverbindungen mit Ultraschall-Schweißung nur mit Profilqualitäten möglich waren, die wirtschaftlich nicht herstellbar (sind?) waren,
  • bei eingeklebten Eckwinkeln keine Lösungsmittelkleber verwendet werden können, wenn Profile aus PVC verbunden werden sollen. Der hohe Dampfdruck-Diffusionswiderstand des PVC´s verhindert das Ausdiffundieren des Lösungsmittels. Damit hergestellte Rahmen wiesen &endash; je nach Wanddicke &endash; nach einigen Tagen oder Wochen Ausbeulungen, Stegmarkierungen und Änderungen in der Druckfestigkeit auf. Konvektionsöffnungen in Profilbereichen, die bei bestimmungsgemäßer Verwendung nicht dem Sichtbereich zugewandt sind, konnten das Problem beseitigen.
  • Es ist ebenso zu beachten, dass bei Verwendung von “Schmelzklebern" problemlos Maßabweichungen ausgeglichen werden können; der Energieeintrag jedoch möglichst gering bleiben sollte, um ungewollte Verformungen zu vermeiden.
  • Usw.

Teile der vorstehenden Ausführungen sind einem Vortrag entnommen - 5. Fachtagung am SKZ Süddeutsches Kunststoff-Zentrum im Mai 2000.

Kunststoff-Alternativen zum Werkstoff PVC

Mischpolymerisate

2.

Ein Kunststoffenster aus alternativen Thermoplasten wäre also nur vorstellbar, wenn zusätzlich Barriereschichten ein- oder aufgebracht würden; aber wer will schon solche Mischpolymerisate? Wer will diese ökologisch verantworten und wie sollen diese recycliert werden?

Faserstoffgefüllte Kunststoffe

3.

Die Herstellung faserstoffgefüllter Profile aus Polyolefinen bzw. “Nicht-PVC" bietet sich in allen Bereichen an, die nicht als Umfassungsbauteile bzw. zwischen Wohnräumen und Kaltzonen angeordnet werden. So könnten die mit nicht unwesentlichen Mengen am Markt befindlichen Fensterbänke aus holzmehlgefülltem PVC problemlos ebenfalls aus entsprechend modifizierten Polyolefinen hergestellt werden.

Eckenverbindung

4.

Die Spiegelschweißung kann als problemlose Eckverbindungstechnik für Kunststofffenster bezeichnet werden. Die Schweißparameter für Profile aus Noryl (obenstehendes Dachfenster) waren nicht einfach zu erarbeiten und sind nicht problemlos einzuhalten.

Eckverbindungen mit Steck- bzw. Eckwinkeln (wie bei Aluminium-Fenstern oder -Türen) sind bei maßlich geeigneter Ausführung der Profil-Innenbereiche herstellbar; dabei ist jedoch zu beachten, dass

-

die Eckwinkel mit Energie-Richtungsgebern versehen werden, wenn Profile und Eckwinkel (und damit die Rahmenecke) mit Ultraschall-Schweißung verbunden werden sollen. In der Ausführung haben sich Probleme ergeben, weil Eckverbindungen mit Ultraschall-Schweißung nur mit Profilqualitäten möglich waren, die wirtschaftlich nicht herstellbar (sind?) waren,

-

bei eingeklebten Eckwinkeln keine Lösungsmittelkleber verwendet werden können, wenn Profile aus PVC verbunden werden sollen. Der hohe Dampfdruck-Diffusionswiderstand des PVC´s verhindert das Ausdiffundieren des Lösungsmittels. Damit hergestellte Rahmen wiesen - je nach Wanddicke - nach einigen Tagen oder Wochen Ausbeulungen, Stegmarkierungen und Änderungen in der Druckfestigkeit auf. Konvektionsöffnungen in Profilbereichen, die bei bestimmungsgemäßer Verwendung nicht dem Sichtbereich zugewandt sind, konnten das Problem beseitigen.

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Es ist ebenso zu beachten, dass bei Verwendung von “Schmelzklebern" problemlos Maßabweichungen ausgeglichen werden können; der Energieeintrag jedoch möglichst gering bleiben sollte, um ungewollte Verformungen zu vermeiden.

-

Usw.

Einige Beispiele aus der Gutachtenspraxis

Diese Bilder sind einem Fachbeitrag aus der GFF 3/2002 von Dipl.-Ing Reiner Oberacker, Fensterakademie Karlsruhe, zum Thema Schimmelpilze in Folge verschärfter Energieeinsparmaßnahmen entnommen.

Die fortgesetzte Taupunktbildung im Glasfalz eines weiß lasierten Holzfensters bzw. die daraus resultierende Feuchtigkeitsbelastung zerstört das Holz.

Die untenstehenden Bilder zeigen Schimmelpilzbildung an der Laibung unmittelbar neben dem Fensterrahmen und im Falz des Holzfensters - Folge schwacher Luftströmung warmer Raumluft zur Außenseite.

Bei Bewertung der Diffusionsströme, Diffusionswiderstände an Holzfenstern und der Qualität der Oberflächenbehandlung in später unzugänglichen Bereichen (Blendrahmen-Außenseite, Nutbereiche unter dem Beschlag, Glasfalz ...) bin ich dankbar, dass ich die meisten Gutachtenaufträge für Holzfenster ablehnen kann.

Diese Bilder zeigen die mangelhafte Anschlussausbildung von Holzfenstern. Der Wandanschlussbereich war nicht mit Isolierstoff (Mineralwolle oder PU-Schaum) gefüllt. Von mir eingeblasener Rauch des Strömungsprüfers trat auf der Außenseite im Bereich der horizontalen Kopplungsfuge aus.

Auch als Beispiel für die Folgen einer zur Raumseite hin bestehenden Fuge zwischen Falz und Glasleiste von ca. 0,7 mm können diese zwei Jahre alten Holzfenster herhalten.
Diese Mängel haben nach den Ausführungen eines Kollegen (SV f.d. Tischlerhandwerk) 9 Monate vor Erstellung dieser Fotos nicht bestanden.

In einem anderen Fall haben die Parteien einen Spezialisten hinzugezogen, der mit thermographischer Untersuchung festgestellt hat, dass die Tür in den unteren Eckbereichen unzulässig hohen Luftdurchgang aufweisen würde.

Die Lage der Isolierzonen von Blendrahmen und Schwelle korrespondiert nicht; es sind keine Falzsperren eingebaut.

Weitere Hinweise und Lösungsbeispiele finden Sie unter "www.fensterberater.de"


Beachten Sie bitte, dass wir keine Haftung für die Richtigkeit übernehmen können.

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