Estrich Zementestriche auf Dämmung: Nachträgliche Bestimmung der ­Tragfähigkeit

Der Bericht behandelt die nachträgliche Bestimmung der Biegezugfestigkeit bzw. Tragfähigkeit von Estrichen durch die Bestätigungsprüfung gemäß DIN 18560-2 [1]. Im Rahmen dieser Prüfung werden z.B. die ermittelten Biegezugfestigkeiten von ausgeschnittenen Plattenstreifen als Bewertungsgrundlage für die Tragfähigkeit und Qualität eines Estrichs bestimmt. Alternativ dazu, wird ein aus dem Bereich „Hohlraumböden“ bekanntes Bestimmungsverfahren rechnerisch näher beleuchtet, das zwar nicht in [1] prüftechnisch geregelt ist, aber bereits in Absprache praktiziert wird.

Von Dipl.-Ing. Ingo Grollmisch

Die DIN 18560-2 sieht gemäß Punkt 7.2 die Möglichkeit der „Bestätigungsprüfung“ vor, um die Biegezugfestigkeit von Estrichen auf Dämmung nachträglich zu überprüfen. Allerdings empfiehlt die Norm, diese Prüfung nur in Sonderfällen durchzuführen. Es stellt sich die Frage, was genau einen solchen „Sonderfall“ definiert. Eine mögliche Ursache für einen solchen Sonderfall könnte die Behauptung sein, dass aufgetretene Risse oder Verformungen möglicherweise mit einer unzureichenden Festigkeit des Estrichs in Zusammenhang stehen.

Viele Planer und Bauherren sind sich jedoch häufig nicht bewusst, dass eine hohe Festigkeit von Zementestrichen auf Dämmung nicht nur Vorteile hat. Hohe Festigkeiten erfordern eine größere Menge an Bindemitteln, was in der Regel zu einem höheren Schwund führt als bei Estrichen mit geringerer Bindemittelmenge. Ein erhöhter Schwund wiederum kann bei mit Fliesen belegten Zementestrichen zu verstärkten Verformungen führen, was zusätzlich die Wahrscheinlichkeit von Rissen erhöht.

Zu den Prüfungen:

1. Bestätigungsprüfung nach DIN 18560-2 [1]

Um die Biegezugfestigkeit von Calciumsulfat-, Magnesia- und Zementestrichen gemäß Punkt 7.2 der DIN 18560-2 zu prüfen, ist es erforderlich, mindestens zwei Estrichplatten mit einer Trennscheibe möglichst trocken auszusägen. Aus jeder dieser Platten sollten dann drei bis fünf Prüfstreifen mit einer Breite von 60 mm ausgeschnitten werden. Die Maße der Platten und der Prüfstreifen ergeben sich aus den Estrichdicken d wie folgt:

Platten:

• Länge = 8 d (mm)
• Breite ≥ 300 mm
• Dicke = d (mm)

Prüfstreifen:

• Länge = 6 d
• Breite = 60 mm

Durchführung der Prüfung (Zusammenfassung):

Die Probekörper sollten so fixiert werden, dass sich ihre Unterseiten in der Zugzone befinden. Die Prüfkraft muss als Streifenlast in der Mitte der Stützweite angreifen und bis zum Bruch erhöht werden. Die Biegezugfestigkeit ergibt sich aus der ermittelten Bruchkraft gemäß folgender Gleichung 1

Dabei sind

• σBZ: Biegezugfestigkeit (N/mm²)
• F: Bruchkraft (N)
• l: die Stützweite (mm)
• b: die Breite des Probekörpers im Bruchquerschnitt an der Unterseite (mm)
• d: die mittlere Dicke des Probekörpers im Bruchquerschnitt (mm)

Der grundsätzliche Versuchsaufbau für die Balkenprüfung ist Grafik 1 zu entnehmen. Der detaillierte Versuchsablauf ist [1] zu entnehmen.

Vorgenannte Prüfung berücksichtigt nicht die Plattenwirkung des Estrichs. Ferner bleibt der Einfluss der Dämmstoffsteifigkeit (vertikale Bettungsziffer –KV- in MN/m³) unberücksichtigt.

Unter Fachleuten gibt es zudem auch konkrete Kritik am derzeitigen geregelten Versuchsaufbau. Dies liegt daran, dass die Bruchstellen der Balken bei den Prüfungen aufgrund von Inhomogenitäten im Estrich selten genau in der Mitte auftreten. Die dabei entstehenden rechnerischen Momente und somit auch die resultierenden Biegezugspannungen sind aufgrund der geringeren Hebelarme kleiner als in [1] angenommen.

Um die außermittige Bruchstelle korrekt zu berücksichtigen, müsste die resultierende Biegezugspannung gemäß folgender Gleichung 2 berechnet werden:

wobei x der kleinste Abstand des Bruchs von den Auflagern ist (Grafik 2).

Bei dieser Prüfung können zufällige Inhomogenitäten in einem Teil der Prüfkörper dazu führen, dass der Estrich als ungeeignet für den vorgesehenen Zweck eingestuft wird, obwohl eine solche Inhomogenität in der Platte eigentlich zu Spannungsumleitungen im gesamten Estrich führen würde.

Die Durchführung dieser Prüfung gestaltet sich zudem für Heizestriche als sehr unpraktisch, da die eingelegten Heizelemente beim Heraustrennen der Prüfkörper planmäßig durchtrennt werden, bzw. eine Durchtrennung nicht vermieden werden kann.

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2. Bestätigungsprüfung mit dem Einzellastprüfungsverfahren

Als Alternative zur „Prüfstreifenmethode“ nach [1] wird seit geraumer Zeit in Sachverständigenkreisen das „Einzellastprüfungsverfahren“ diskutiert und auch schon nach vorheriger Vereinbarung zwischen den Parteien angewendet. Es handelt sich hierbei um ein bereits aus dem Bereich „Hohlböden“ bekanntes Prüfungsverfahren. Dieses Verfahren ermöglicht auch eine Tragfähigkeitsprüfung von Estrichen auf Dämmung unter Berücksichtigung der Dämmstoffeigenschaften. Hierbei wird eine Hydraulikpresse, die an der Decke abgestützt ist, auf die zu prüfende Stelle des Estrichs aufgebracht. Anschließend erfolgt die Belastung mit einem quadratischen Metallstempel von 50 x 50 mm, wie in [2, Pkt. 6.3.1.2] beschrieben. Obwohl das genannte Verfahren mit dem quadratischen Metallbelastungsstempel in [1] unter Punkt 4.2.1.1 zwar als zu erfüllende Belastung mit Lasten von 1 KN bis 4 KN in Tabelle 1 erwähnt, jedoch vom Verfahrensablauf unter Punkt 7.2.3 - Prüfung der Biegezugfestigkeit - nicht geregelt ist, ist es vorab zwischen den Parteien zu vereinbaren.

Dieses Baustellenprüfverfahren, ermöglicht auch ohne weitere Kenntnisse der Dämmstoffeigenschaften und der Biegezugfestigkeiten eine praxisnahe Bestimmung der Tragfähigkeit des Estrichbauteils.

Zwischen den beiden Verfahren bestehen grundsätzliche Definitionsunterschiede. Während mit der bekannten Bestätigungsprüfung die maximal aufnehmbare Biegezugfestigkeit an einem aus dem Estrich ausgeschnittenen Balken ohne Einfluss des Gesamtbauteils inklusive Dämmung bestimmt wird, werden mit dem Einzellastprüfverfahren sowohl die nicht unerhebliche Plattenwirkung und zusätzlich die Dämmstoffeigenschaften mitberücksichtigt. So kann ein Estrich mit einer sehr harten Unterlage ca. 4-mal höher als mit einer sehr weichen Unterlage belastet werden. Dieser Sachverhalt soll kurz an einem Estrich erläutert werden, der mit einer Mittellast beaufschlagt wird.

Unterschiede im Spannungsverhalten einer auf Dämmung gebetteten Platte und einem frei liegenden Balken bei Angriff einer Einzellast

Im Gegensatz zu einem mittig belasteten Balken (Bild 5), werden die Spannungen im Estrich (Bild 6) aufgrund der Plattentragwirkung flächig um die angreifende Last verteilt. Idealerweise geschieht dies bei einer mittig angreifenden Last oder wenn die Last ca. 0,2-0,3 m vom Rand angreift. Siehe hierzu auch [5].

Zur analytischen Ermittlung der Biegezugspannungen bedient man sich der Gleichungen aus [3-4] oder noch genauer und zuverlässiger der Finiten-Element-Methode (FEM), oder der Randelement-Methode. Um einen Eindruck über die sich einstellenden Spannungsunterschiede zwischen Estrichbalken und Estrichplatte zu erhalten, dienen die Tabellen 1 und 2.

Für die Berechnungen von Tabelle 1 wurden neben der Stempelbreite zusätzlich die mittwirkenden unterschiedlichen Lasteintragsflächen auf die Mittellinie der Estrichdicke nach [5, Seite 37] berücksichtigt.

Hier ein kurzes Erklärungsbeispiel zu Tabelle 2 für einen Estrich der Dicke 40 mm mit Gleichung 1:

Für die Berechnungen und Einordnung in die Tabelle 1 ist die vertikale Bettungsziffer KV–Wert (in MN/m³) von Bedeutung. Die Bettungsziffer gibt die elastische Verformbarkeit des Untergrunds an, in diesem Fall der Dämmung. Sie wird vereinfacht als elastisch angenommen.

Wenn der Dämmstoffhersteller sie ermittelt hat, ist sie bekannt, wenn nur der E-Modul und die Dicke der Dämmung bekannt sind, kann sie mithilfe nachfolgender Gleichung 3 berechnet werden:

Ansonsten muss sie bei Bedarf durch Belastungsversuche ermittelt werden.

Einen Überblick über die Größenordnungen von KV (MN/m³) liefert [3]. Der KV -Wert liegt danach je nach Härtegrad für expandiertes PS (EPS) bei 74-90 MN/m³, für extrudiertes PS (XPS) bei 60-200 MN/m³, für Polyurethan (PUR) bei 16-50 MN/m³ und für Schaumglas (CG) bei 650-5000 MN/m³ für jeweilige Dämmstoffdicken von 100 mm. Für davon abweichende Dämmstoffdicken besteht eine lineare Beziehung. Umso dicker, desto linear geringer ist der K-Wert.

Ein kurzes Berechnungsbeispiel soll die Unterschiede noch zahlenmäßig darstellen: Wenn ein 50 mm dicker Estrich mit einer sehr weichen Dämmung (K-Wert = 1 MN/m³) mit einem 1 KN-Stempel in der Mitte (siehe Tabelle 1) belastet wird, treten Biegezugspannungen von 0,693 N/mm² auf. Bei einer (mittel-) harten Dämmung (K-Wert = 1000 MN/m³), betragen die Estrichbiegezugspannungen lediglich 0,304 N/mm², also knapp die Hälfte. Im Vergleich dazu erzeugt eine 1 KN-belastete Balkenkonstruktion Biegezugspannungen von 2,500 N/mm², also das 3,6- bis 8,2-fache. Im Gegensatz zu Balken haben einzelne Schwachstellen in einem flächig gelagerten Plattentragwerk aufgrund möglicher Spannungsumleitungen zudem eine weniger gravierende Auswirkung.

Als Berechnungsgrundlage für den Estrich diente ein E-Modul von 15.000 N/mm². Für einen E-Modul von

• 20.000 N/mm² erhöhen sich die Spannungswerte moderat um 3 %, bei einem E-Modul von
• 10.000 N/mm² entsprechend weniger.

Für andere E-Module einen entsprechenden linearen Anteil davon.

Kurzer Ausblick auf die sich ergebenen Spannungen bei Rand- und Eckbelastung:

Wenn eine Stempellast direkt am Rand wirkt, ergeben sich ca. zwei Mal so hohe Estrichbiegezugspannungen wie beim Mittenangriff. Die sich ergebenen Spannungen aus Eckbelastung liegen zwischen der Rand- und Mittenbelastung, bei allerdings höherer Verformung.

Kurzer Ausblick auf die sich ergebenen Verformungen:

Die Plattenwirkung hat nicht nur einen positiven Einfluss auf die sich ergebenen Spannungen, sondern auch auf die sich einstellenden Verformungen und Druckspannungen auf die Dämmung. Musterberechnungen an zwei Estrichen mit 40 mm und 100 mm Dicke mit 1 KN Stempelrandbelastung und einem KV der Dämmung von 100 MN/m³ ergaben 0,14 mm und 0,034 mm Verformung, sowie Druckspannungen auf die Dämmungen von 0,014 N/mm² sowie 0,0034 N/mm². Bei einem KV der Dämmung von 50 MN/m³ ergaben sich Verformungen von 0,21 mm und 0,054 mm, sowie Druckspannungen auf die Dämmungen von 0,010 N/mm² sowie 0,0027 N/mm². Auch hier kann man davon ausgehen, dass sich die Druckspannungsspitzen sofort in die Fläche umlagern. Bei KV-Werten von kleiner 5 MN/m³ kippt der Estrich bei fehlendem Sockel eher in Richtung der Last als das er sich verformt. Als Estrichparameter galten die Werte, die den Berechnungen der Tabelle 1 zugrunde lagen. Wird der Stempel in der Mitte aufgesetzt, stellen sich ca. ein Drittel der Werte ein.

Schlussbemerkungen

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass sich das Einzellastprüfungsverfahren in Absprache mit den Parteien als weitere Möglichkeit anbietet, die Tragfähigkeit von Estrichen zu prüfen. Wichtig ist in diesem Zusammenhang die lotrechte Nutzlast plus einem Sicherheitsfaktor für die Prüfung festzulegen. Näheres siehe hierzu [4, Pkt. 4.1].