Sustainable construction needs monitoring

Der Holzbau, tief verwurzelt in der Bauge­schichte, erlebt eine Renais­sance und steht heute mehr denn je im Fokus von Bauherren, Archi­tekten und ausfüh­renden Firmen. Seine Rolle im Wohn‑, Gewerbe‑, Industrie- und Bildungsbau aber auch in der Infra­struktur, exempla­risch darge­stellt am Bau von Holzbrücken, hat sich seit Jahren wesentlich erweitert und wird mehr denn je als wesent­liches Element zukunft­wei­senden Bauens angesehen. Diese Entwicklung wird von einem zuneh­menden Bewusstsein für ökolo­gische Nachhal­tigkeit und Ressour­cen­ef­fi­zienz getragen. Dabei sieht sich der Holzbau aber auch spezi­fi­schen Heraus­for­de­rungen gegenüber, insbe­sondere der Anfäl­ligkeit des Baustoffs Holz für Feuch­tigkeit und Nässe während der Bauphase und der anschlie­ßenden Nutzung des Gebäudes. Versagt der Nässe- und Feuch­te­schutz im modernen Holzbau unbemerkt und langan­dauernd, besteht die Gefahr massivster Schäden, die alle angestrebten Nachhal­tig­keits­ziele ad absurdum führen. Insgesamt betrachtet besteht dabei die Gefahr, dass die derzeitige Begeis­terung für das Bauen mit Holz in zuneh­mende Ablehnung dieser Bauweise mündet. Ein tiefes Verständnis für die Eigen­schaften des Materials Holz, eine sorgfältige Planung und Ausführung der Bauvor­haben und innovative Überwa­chungs­tech­niken sind daher entscheidend, um die angestrebten Nachhal­tig­keits- und Nutzungs­ziele von in Holzbau­weise errich­teten Bauwerken langfristig zu sichern.

Histo­rische Entwicklung des Holzbaus

Tradi­tio­nelle Holzbau­weisen, wie sie in Fachwerk­häusern oder Block­häusern zu finden sind, waren oft von regio­nalen Bauweisen und verfüg­baren Materialien geprägt. Diese Bauformen waren einfach, funktional und passten sich den lokalen Gegeben­heiten und klima­ti­schen Bedin­gungen an. Die natür­liche Atmungs­ak­ti­vität der offenen Holzober­flächen sowie die Luftdurch­läs­sigkeit der Konstruktion sorgten für einen ausge­gli­chenen Feuch­tig­keits­haushalt im Inneren der Gebäude und die meist weit überkra­genden Steil­fach­formen sorgten für eine sichere Ableitung des Nieder­schlags­wassers weg vom Gebäude. Gute Vorau­set­zungen für eine lange Lebens­dauer.

Wandel zur Moderne

PhIm Gegensatz dazu steht der moderne Holzbau, der durch eine radikale Verän­derung in der Archi­tek­tur­sprache und den Bautech­niken geprägt ist. Die moderne kubische Archi­tektur mit ihren klaren Linien und minima­lis­ti­schen Formen hat auch den Holzbau stark beein­flusst. Diese Entwicklung führte zu einer Abkehr von tradi­tio­nellen Dachformen hin zu Flach­dä­chern mit dünnen, membran­ar­tigen Abdich­tungen und immer umfang­rei­cheren Dämmstoff­schichten, die zunehmend für Dachgärten, Terrassen, Photo­vol­ta­ik­an­lagen oder die Regen­was­ser­rück­haltung genutzt werden. Die heutige energie­op­ti­mierte und luftdichte Bauweise stellt so insbe­sondere für Holzge­bäude neue Heraus­for­de­rungen dar. Während diese Bauweise zu einer verbes­serten Energie­ef­fi­zienz beiträgt, erschwert sie gleich­zeitig die natür­lichen Feuch­te­trans­port­vor­gänge und macht die Konstruktion so anfäl­liger für Nässe und Feuch­tigkeit, unabhängig davon, welche Ursachen ihnen zugrunde liegen. Unzugänglich in der Konstruktion liegende Abdich­tungs­schichten und wasser­füh­rende Leitungs­systeme erschweren die syste­ma­tische Erkennung von Fehlzu­ständen als Voraus­setzung für zeitnah ausge­führte Repara­turen, gleich­zeitig führt die immer inten­sivere Nutzung von Dachflächen für Dachgärten, Terrassen, Photo­voltaik und Regen­was­ser­rück­haltung zu neuen Beschä­di­gungs­ri­siken für den Feuch­te­schutz, die, wenn sie eintreten, häufig jahrelang unerkannt bleiben und dann oft erst anhand des meist deutlich kapita­leren, nicht selten bereits die Stand­si­cherheit gefähr­denden Folge­schadens erkannt werden. Glück im Unglück ist dann im Spiel, wenn solcher­maßen ausge­löstes Bauteil­ver­sagen sich nur auf einen reinen Sachschaden beschränkt.

Zunahme der Baukör­per­größe im modernen Holzbau – Zunahme von Risiken durch Nässe

Weitere Risiken durch Nässe und Feuch­tigkeit im modernen Holzbau entstehen durch die zuneh­mende Größe der Baukörper. Mit dem Aufkommen von Techno­logien, die es ermög­lichen, größere und komplexere Struk­turen aus Holz zu errichten, haben sich die Dimen­sionen von Holzbau­werken erheblich erweitert. Dies findet seinen Ausdruck in großen Wohnkom­plexen, mehrstö­ckigen Büroge­bäuden und weitläu­figen Bildungs- und Kultur­ein­rich­tungen, die komplett in Holzbau­weise errichtet werden.

Diese Entwicklung hat zur Folge, dass schon die Errichtung des Gebäudes zumindest in unseren regen­reichen Breiten zu erheb­licher Einwirkung von Nieder­schlag auf den noch nicht oder nur temporär vor Nässe geschützten Baukörper führen kann. Hydrau­lisch abbin­dende Baustoffe und wasser­ba­sierte Farben und Anstriche nicht selten auch Havarien und ein leicht­fer­tiger Umgang mit Wasser auf der Baustelle tun ein Übriges, um hohe Feucht­elasten im Gebäude zu erzeugen, ohne das sofort sichtbar ist, wo sich die Holzkon­struktion auffeuchtet und Schädi­gungen der Holzbau­teile einsetzen.

Diese und weitere Aspekte, wie z.B. das Nutzungs­ver­halten nach Fertig­stellung des Gebäudes führen dazu, dass im Vergleich zu anderen Risiken wie Feuer oder Einbruch das Risiko von nässe­indu­zierten Schäden für ein Holzge­bäude langfristig gesehen eine Wahrschein­lichkeit von 100% aufweist, dies schon allein deshalb, weil Materialien wie Abdich­tungen und wasser­füh­rende Leitungs­systeme im Gebäude in der Regel eine kürzere Lebens­dauer haben, als die geplante Lebens­dauer des Gebäudes selbst und als Folge von werkstoff­licher Alterung im Laufe der Zeit irgendwann versagen. Hinzu kommt, dass zufällige Vorkomm­nisse sowohl in der Bauzeit als auch während der Nutzung praktisch jederzeit dazu führen können, dass Abdich­tungen oder wasser­füh­rende Systeme im Gebäude ihre Funktion verlieren und so unbemerkt weitrei­chende Folge­schäden am Gebäude in Gang setzen.

Notwen­digkeit eines effek­tiven Feuch­te­ma­nage­ments

Angesichts dieser Risiken ist ein effek­tives Feuch­te­ma­nagement während der Bauphase und während der Nutzung von Holzge­bäuden von entschei­dender Bedeutung, um kapitale Schäden und dadurch bedingte Ressour­cen­ver­luste zu vermeiden. Ein solches Feuch­te­ma­nagement umfasst sowohl präventive Maßnahmen wie den Schutz der Holzele­mente gegen Feuch­tigkeit und Nässe aber eben unbedingt auch ein geeig­netes Überwa­chungs­konzept zur Früherkennung auftre­tender Fehlzu­stände in Verbindung mit frühzeitig einset­zender, proak­tiver Schadens­be­sei­tigung.

Die Imple­men­tierung eines wirksamen Feuch­te­ma­nage­ments ist somit von grund­le­gender Bedeutung für schadens­freies Bauen mit Holz und eine langfristige schadens­mi­nierte Nutzung von Holzbau­werken. Es trägt dazu bei, die Nachhal­tigkeit und Sicherheit dieser beein­dru­ckenden Bauwerke zu gewähr­leisten und sollte immer auf der Agenda stehen, wenn Vorhaben in Holzbau­weise verant­wor­tungsvoll geplant und mit dem Anspruch auf Schaden­freiheit und Nachhal­tigkeit reali­siert werden.

Moderne Monito­ring­lö­sungen für den Feuch­te­schutz

Moderne Monito­ring­lö­sungen im Holzbau zielen darauf ab, Primär­schäden möglichst schnell, d.h. wenn möglich, in Echtzeit zu erkennen, unabhängig davon, wo genau Nässe und Feuch­tigkeit sich ausbreiten und die Schadens­ent­wicklung im zeitlichen Verlauf zu beobachten. Fortschritt­liche Systeme nutzen eine Kombi­nation aus langle­biger, soweit unzugänglich verbaut, passiver Sensorik, energie­op­ti­mierten Daten­er­fas­sungs- und Übertra­gungs­sys­temen zusammen mit meist zentra­li­siert auf Cloud­servern arbei­tenden Daten­banken und Auswer­te­software, um in Echtzeit festzu­stellen, wann und wo im Gebäude ein Schaden aufge­treten ist, dies an die zustän­digen Instanzen zu melden und Daten für die Beobachtung der zeitlichen und räumliche Entwicklung der Feuch­te­ein­wirkung zu bereit­zu­stellen. Damit schaffen Echtzeit­mo­ni­to­ring­systeme genau den Infor­ma­ti­ons­vor­sprung, der benötigt wird, um Schadens­be­sei­tungs­maß­nahmen schnell und zielge­richtet durch­führen zu können, bevor weitgrei­fende Folge­schäden entstehen.

Flächig wirkende, direkt unter Abdich­tungs­schichten angeordnete Sensorik ist dabei wenn möglich gegenüber linienhaft oder punkt­förmig anspre­chender Sensorik zu bevor­zugen, da sie in der Regel die schnellste und zuver­läs­sigste Erkennung von Fehlzu­ständen ermög­licht, ohne dass Wasser sich zunächst weiträumig in der Konstruktion ausge­breiten muss, um detek­tiert werden zu können.

Planung und Reali­sierung eines wirksamen Monito­rings

Die Planung und Umsetzung eines effek­tiven, für das jeweilige Objekt passenden Monito­rings­kon­zepts ist dabei eine ingenieur­tech­nische Querschnitts­aufgabe und erfordert umfas­sende Erfahrung in verschie­denen Fachge­bieten wie Baukon­struktion, Bauphysik, Werkstoff­kunde, Mess- und Regelungs­technik, Gebäu­de­au­to­mation und Software.

Angesichts der Komple­xität dieser Aufga­ben­stellung und zur Sicher­stellung einer langfris­tigen, nutzungs­be­glei­tenden Funktion der zu reali­sie­renden Monito­ring­lösung ist es daher ratsam, eine erfahrene spezia­li­sierte Fachfirma recht­zeitig mit in solche Projekte einzu­binden. Diese Experten bringen nicht nur das notwendige technische Wissen mit, sondern verfügen auch über praktische Erfah­rungen in der Umsetzung und im langfris­tigen Betrieb solcher Systeme und tragen so wesentlich mit zur erfolg­reichen Imple­men­tierung einer optimalen Monito­ring­lösung bei. Hierbei ist zu beachten, dass die im Markt angebo­tenen Systeme sich allein schon aufgrund der zugrunde liegenden physi­ka­li­schen Wirkprin­zipen, der Ansprech­si­cherheit und ‑geschwin­digkeit und der möglichen Nutzungs­dauern und der daraus resul­tie­renden langfris­tigen Funkti­ons­si­cherheit und Effizienz grund­legend unter­scheiden. System­auswahl und ‑zuschnitt sollten daher immer auch unter Beachtung der an das System gestellten Anfor­de­rungen hinsichtlich Gesamt­funk­tio­na­lität, Leistungs­fä­higkeit und Dauer­haf­tigkeit erfolgen.

Monitoring in der Praxis

Ein wichtiges Einsatz­gebiet für Monito­ring­systeme ist die messtech­nische Dicht­heits­über­wa­chung genutzter Flach­dächer. Die Abbildung zeigt ein typisches modernes Flachdach mit exten­siver Begrünung und darunter liegendem Warmdach­aufbau einer noch im Bau befind­lichen Dreifeld­sport­halle.

Schon jetzt, bevor die PV-Anlage instal­liert ist, ist die wasser­füh­rende Abdichtung nicht mehr sichtbar. Eine konven­tio­nelle Sicht­prüfung hinsichtlich auftre­tender Undicht­heiten ist damit nicht mehr möglich, auch von außen anset­zende Prüfver­fahren stoßen wegen der vielen Auf- und Einbau­teile des Daches an ihre physi­ka­li­schen Grenzen. Gleich­zeitig führen neuartige Entwäs­se­rungs­kon­zepte z.B. mit Regen­was­ser­rück­haltung auf dem Dach dazu, dass die auf die Abdichtung einwir­kenden hydrau­li­schen Gradi­enten nicht nur kurzfristig als Folge von Stark­regen, sondern auf länger­fristig wegen der gewollten Rückhaltung des Regen­wassers im Vergleich zu einem frei bewit­terten Flachdach mit Gefäl­le­aus­bildung stark ansteigen, wodurch sich Wasser­ein­träge in den Dachaufbau selbst bei kleinen Leckagen stark beschleu­nigen.

Wegen der heute erfor­der­lichen Dicke der Dämmstoff­pakete und mit Blick auf die im Falle einer schadens­be­dingten Sanierung erfor­der­lichen Rückbau- und Entsor­gungs­kosten für den Dachaufbau aber auch die darauf befind­lichen Nutzschichten und Systeme stellen derartige Dächer, die bis heute meist ohne Systeme der Schadens­früh­erkennung errichtet werden, ein signi­fi­kantes Risiko dar – ein Problem, das wegen der mittler­weile allge­gen­wär­tigen Pflicht zur Begrünung und photo­vol­ta­ischen Nutzung von Dachflächen neue Dimen­sionen erhält.

Hinzu kommt, dass häufig schon das Feuch­te­ma­nagement auf der Baustelle ungenügend ist, mit der Folge, dass nässe­emp­find­liche Baustoffe über längere Zeiträume ungeschützt der Witterung ausge­setzt sind, bevor sie verbaut werden.

Das einge­setzte System besteht im Wesent­lichen aus einer elektrisch leitfä­higen Kontaktlage, die vollflächig unterhalb der wasser­füh­renden Abdichtung angeordnet ist und über eine zugehörige Sensor­matrix und eine angeschlossene Messeinheit die elektrische Poten­zi­al­ver­teilung unterhalb der Abdichtung in kurzen Zeitab­ständen konti­nu­ierlich misst, die sich ergibt, wenn eine Messspannung auf die nasse Außen­seite der Abdichtung aufge­geben wird. Da die im Baube­reich einge­setzten Flächen­ab­dich­tungen in der Regel elektrische Nicht­leiter sind, ist ein elektri­scher Strom­fluss in dem beschrie­benen Aufbau rein physi­ka­lisch gesehen nur dort möglich, wo eine leitfähige Verbindung zwischen nasser Außen­seite und Kontaktlage unterhalb der Abdichtung besteht — dies ist in aller Regel dort, wo die Abdichtung Leckagen aufweist.

Um dies zu erkennen, werden die Messdaten von der Messeinheit automa­tisch per Internet auf einen Daten­bank­server gesendet, dort gespei­chert und hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs und der räumlichen Verteilung in einer Art tomogra­fi­schen Darstellung bildgebend ausge­wertet. Werden vorge­gebene Spannungs­werte überschritten und bestimmte Vertei­lungs­muster erkannt, wird vom System ein Lecka­ge­alarm gemeldet und die Lecka­ge­po­sition wird automa­tisch berechnet.

Im Gegensatz zu anderen Verfahren, z.B. Punkt­sen­soren auf der Dampf­sperre, kann das System Wasser­ein­tritte in den Dachaufbau prinzip­be­dingt so sehr schnell und sicher erkennen und mit hoher Genau­igkeit orten. Für die Praxis­taug­lichkeit des Verfahrens spricht weiterhin, dass auch das erfolg­reiche Verschließen von Leckagen unmit­telbar in den Messdaten beobachtet werden kann, was eine unschätzbare Unter­stützung bei Such- und Repara­tur­ar­beiten darstellt. Weiterhin kann das System auch die räumliche Verteilung von Feuch­tigkeit im Dachaufbau darstellen und liefert so zusätz­liche Infor­ma­tionen über die hygro­ther­mi­schen Vorgänge unterhalb der Abdichtung.

Physi­ka­lisch basiert das Verfahren auf den heute üblichen Kontroll­ver­fahren für die konti­nu­ier­liche Langzeit­über­wa­chung von Abdich­tungen bei Sonder­ab­fall­de­ponien, wie z.B. dem BAM-zugelas­senen Dichtungs­kon­troll­system geologger®. 

Unter dem Marken­nahmen smartex® mx wird es seit nunmehr als 25 Jahren erfolg­reich für die Echtzeit­über­wa­chung von Flach­dä­chern unter­schied­lichster Größen, Bauweisen und Nutzungen einge­setzt. Wegen des schnellen Ansprech­ver­haltens und der hohen Ortungs­ge­nau­igkeit ist es die beste verfügbare Technik für die Überwa­chung von Flach­dä­chern insbe­sondere im Holzbau, wo es auf eine sichere und schnelle Erkennung und möglichst präzise Ortung besonders ankommt. 

Eine kleine Monito­ring­lösung für flach­dach­artige Abdich­tungen von Balkonen, Vordä­chern, Gauben und für begrünte Flach­dächer von Fertig­häusern, die auf dem gleichen physi­ka­li­schen Prinzip basiert, wie das System smartex® mx, wird seit 2015 unter der Bezeichnung smartex® is von ProGeo angeboten und wurde seitdem bereits mehr als 4.500 mal ausge­liefert und instal­liert.