Dipl.-Ing. Aaron von der Heyden

Aufgrund der ausgezeichneten Kombination von raumabschließender, wärme¬dämmender und tragender Funktion sind Sandwichelemente als Dach- und Wandverkleidungen im Industriebau weit verbreitet. Die üblicherweise verwendeten Elemente bestehen aus zwei Metall-deckschichten, die über ein wärmedämmendes Kernmaterial schubsteif miteinander verbunden sind. Die beiden am häufigsten eingesetzten Kernmaterialien Polyurethan-Hartschaum und Mineral¬wolle haben jedoch Nachteile im Hinblick auf ökologischen und gesundheitlichen Gesichtspunkte.

Um Sandwichelemente auch im Hinblick auf Ökologie und in Fragen der Nachhaltigkeit interessanter zu machen, stellt sich daher die Frage nach einem alternativen Kernmaterial. Im Rahmen des Forschungsvorhabens IGF-Nr. 19886 N wurde die Eignung von Wellpappe als alternatives Kernmaterial für Sandwichelemente untersucht.

Hierzu wurden auf der Basis einer Literaturrecherche die wichtigsten Grundlagen zu Papier und Wellpappe einerseits und der Sandwichbauweise andererseits zusammengetragen. Darauf aufbauend wurde ein geeignetes Materialmodell gefunden und die elastischen Material-parameter sowie Festigkeiten für insgesamt 10 verschiedene Wellpappensorten bestimmt. Anhand der Versuchs¬ergebnisse zur Bestimmung des elastischen Materialmodells wird das Tragverhalten von Wellpappe grundsätzlich bewertet. Je nach Kernausrichtung und Wellpappensorte zeigt Wellpappe ähnliche oder vielfach höhere Steifigkeiten und Festigkeiten als die herkömmlichen Kernmaterialien.

In Biegeversuchen an Sandwichproben in Form von Balken und Bauteilen wurde das Verbundtragverhalten für vier ausgewählte Wellpappensorten und drei unterschiedliche Kernausrichtungen untersucht. Der Einfluss der Inhomogenität eines Kerns aus vorgefertigten Lamellen konnte hierbei ebenfalls analysiert werden. Die Biegeversuche der Elemente mit der schwächsten Kernausrichtung (Typ 1), in der die ebenen Papiere parallel zu den Deckschichten der Bauteile liegen, führten bei Verwendung von hochwertigen Wellpappen zu Trageigenschaften, die mit denen von Sandwichelementen mit herkömmlichen Kernmaterialien vergleichbar sind. Für die Elemente der anderen beiden Kernausrichtungen (Typ 2 und Typ 3) stehen die ebenen Papiere jeweils in der XZ-Ebene der Sandwichelemente. Diese sorgen für eine derart gute Stützung der Deckschichten gegen Ausweichen aus ihrer Ebene heraus, dass auch höherfeste Stähle mit Streckgrenzen von nahezu 500 N/mm² bis zu Fließen beansprucht werden können.

Die Elemente der schwächsten Kernausrichtung zeigen ähnlich wie die herkömmlichen Materialien große Kriechzahlen, sodass eine planmäßige andauernde Belastung von Elementen mit ebenen Deckschichten mit den Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit nicht vereinbar ist. Die anderen Elementtypen zeigten hingegen so kleine zeitabhängige Verformungszuwächse, dass sich für diese Elemente möglicherweise weitere Einsatzgebiete mit planmäßiger Dauerlast erschließen lassen.

Untersuchungen zur Wärmeleitfähigkeit ausgewählter Pappen ergaben, dass in der Kernausrichtung von Typ 1 die besten Wärmedämmeigenschaften vorliegen. Die Dämm¬fähigkeit liegt nahe bei der von Mineralwollelementen. Bei Elementen von Typ 2 und Typ 3 ergaben die Messungen für beide Typen ähnliche Wärmeleitfähigkeiten. Diese sind allerdings so hoch, dass der Einsatz dieses Elementtyps für beheizte Wohngebäude baupraktisch kaum umsetzbar wäre. Für schwach beheizte Industriegebäude mit einem maximal zulässigen U-Wert von 0,35 W/(m²K) sind hier bereits Kerndicken von ca. 260 mm erforderlich.

Untersuchungen zum Feuchteschutz haben gezeigt, dass in einem abgeschlossenen Kern die Bildung von Kondensat nicht auftreten kann. Langzeitexperimente an Bauteilen mit je einer Seitenkante, die nicht geschützt wurde und einer hohen Umgebungsfeuchte ausgesetzt wurden, haben gezeigt, dass Feuchtigkeit aus der Luft nur langsam in ein Element eindringt. Allerdings ist auch davon auszugehen, dass der Vorgang erst endet, wenn sich die Gleichgewichtsfeuchte eingestellt hat. Gegenüber der Umgebung ungeschützte Elementseiten sind daher zu vermeiden.

Die Untersuchungen zum Brandverhalten konnten im Rahmen des Projekts nur in geringem Umfang durchgeführt werden. Die durchgeführten Versuche zeigten ein Brandverhalten, dass als schwer entflammbar, ohne brennendes Abtropfen zu klassifizieren ist.

Mit der erfolgreichen Herstellung von Musterbauteilen mit Längen von 6 m durch einen Produzenten von kommerziellen Sandwichelementen konnte die Möglichkeit zur industriellen Fertigung auf bestehenden Produktionsstraßen unter Beweis gestellt werden.

Die erzielten Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens zeigen die grundsätzliche Eignung von Wellpappe als Kernmaterial für Sandwichelmente. Im Zuge des Forschungsprojekts wurden zahlreiche Optimierungsansätze gefunden, die eine Basis für weitere Forschungsarbeiten darstellen.

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben „Untersuchungen zur Eignung von Wellpappe als ökologisches Kernmaterial für Sandwichelemente“, IGF-Projekt Nr. 19886 N, der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Der Schlussbericht kann beim IfSW und bei der FOSTA angefordert werden.

Projektlaufzeit 01.01.2018 – 31.12.2019