Das alte Foto zeigt einen Vortrag über Fenster vor Studenten draußen im Grünen.

50 Jahre Qualität und Sicherheit

Fenster und Fassaden im technischen und gesellschaftlichen Wandel

Lesezeit: 46 Minuten

50 Jahre sind mehr als ein ganzes Berufsleben. In 50 Jahren haben sich nicht nur Fahrzeuge, Unterhaltungs- und Kommunikationstechnik verändert, sondern auch Gebäude. Vor allem Fenster, Fassaden und Glas haben sich zu High-Tech Produkten entwickelt.

Das 1966 gegründete Institut für Fenstertechnik e.V. oder auch ift Rosenheim hat mit vielen Forschungsprojekten diese Entwicklung maßgeblich gemeinsam mit Herstellern und staatlichen Förderstellen unterstützt. Es wurden nicht nur Materialien und Konstruktionen optimiert oder erfunden, sondern oft auch neue Mess- und Prüfverfahren gleich mitentwickelt, die es so noch nicht gab. Dabei standen und stehen für uns die Verbesserung der Qualität, Sicherheit und Gebrauchstauglichkeit sowie Augenmaß und Praxisorientierung immer im Mittelpunkt.

Die Erfahrung zeigt, dass Megatrends wie Sicherheit oder Energieeffizienz sich kaum verändern und heute immer noch aktuell sind. Gesetzliche Vorgaben wie die Energieeinsparverordnung können diese Entwicklung maßgeblich fördern und beschleunigen. Im Fall der Fensterbranche hat dies dazu geführt, dass deutsche Produkte technisch weltweit führend sind. Nun gilt es nach vorne zu schauen und die Trends der Zukunft rechtzeitig zu erkennen und zu prägen. Hierzu gehören die weitere Digitalisierung und Automatisierung, neue Materialien auf Basis von Nano und Biotechnik, das Internet der Dinge sowie Nachhaltigkeit in Verbindung mit Gesundheit und Ressourcenknappheit. Dieser Beitrag soll grundlegende technisch/konstruktive Zusammenhänge aufzeigen, die sich auch auf Konstruktionen von heute und morgen übertragen lassen – begleiten Sie uns dabei!

Zu sehen sind vier verschiedene Fotos und Bilder von Fenstern und Fensterteilen.
Bild 1: Fenster von gestern – heute – morgen (2. Bild v. rechts: FH Dortmund, Bild rechts: Flüssigkristall-Fenster, Foto: Merck, Fotografin: Eva Speith)

In diesen 50 Jahren sind viele Entwicklungen eingetreten und angestoßen worden, die unsere Fensterbrache vorangebracht und geprägt haben. Die Erfahrung zeigt, dass sich Megatrends wie Sicherheit oder Energieeffizienz kaum verändern und heute noch aktuell sind. Aber auch neue Strömungen in der Gesellschaft und Entwicklungstendenzen in der Technik entstehen. Diese gilt es zu erkennen und die Chancen zu nutzen. Begleiten Sie uns nun in die Themen der Vergangenheit und Herausforderungen für die Zukunft.

Rückblick in die Zeit der Gründung des Instituts

Die Phase des Wiederaufbaus in der Bundesrepublik Deutschland ging gerade zu Ende, als das Institut für Fenstertechnik e.V. im Jahr 1966 gegründet wurde. Diese Zeit war im Wesentlichen durch die quantitative Bedarfsbefriedigung im Wohnungsbau geprägt.

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Bild 2: Die Anfänge – im Eingang des ersten Forschungshäuschens: Oberbaurat Erich Seifert und Josef Schmid im Kreis der Studenten – eine lebendige Vorlesung im Grünen

Die Gründung des Instituts für Fenstertechnik e.V. (ift Rosenheim) im Jahr 1966 war somit kein Zufall. Die existierende Fenstertechnik war geprägt von traditionellen Erkenntnissen und Erfahrungen sowie durch eine stärkere Betonung rationeller Massenproduktion.

Allerdings gab es auch damals bereits technische Regelwerke, die Eigenschaftswerte für unterschiedliche Fensterkonstruktionen festlegten. Beispielsweise findet man in DIN 4701 vom Januar 1959 bereits Tabellen, in denen Funktionswerte für eine Wärmebedarfsberechnung vorgegeben sind, wie Tabelle 3 „Wärmedurchgangszahlen k für Fenster und Türen“ oder Tabelle 4a „Fugendurchlässigkeit a je m Fugenlänge für Fenster und Türen einwandfreier Ausführung und normaler Fugenabmessungen“. Doch was bedeutete „einwandfreie Ausführung“? Diese Lücken waren die ersten Herausforderungen für das ift Rosenheim. Es mussten Anforderungen in Abhängigkeit der zu erwartenden Beanspruchungen festgelegt werden. Nachweise, ob die Klassifizierungen erreicht werden, mussten mit vertretbarem Aufwand über Tabellen oder Prüfungen ermöglicht werden. Aussagen über Eigenschaften von Serienprodukten waren durch statistische Qualitätskontrollen sicherzustellen.

Diese ursprünglichen Aufgabenstellungen für das ift Rosenheim sind aktueller denn je. Auch heute befinden wir uns in einer Wachstumsphase im Bauwesen. Große Mengen an Wohnungen werden benötigt, und rege Bautätigkeit führt zu hoher Auslastung der Betriebe. Debatten zu Kosteneinsparungen und dem Abspecken von Anforderungen, aber auch die Schaffung neuer rationeller Bauweisen bestimmen diese dynamische Zeit. Die Erfahrung zeigt jedoch auch, dass der Aufschwung bei der Nachfrage meist zu einem Abschwung bei der Bauteilqualität führt. Qualitätsdiskussionen, Schadensfälle usw. treten mit einer mehrjährigen Verzögerung ein. Um ein böses Erwachen zu vermeiden, ist es gerade heute wichtig, am hohen Qualitätsniveau der Fenstertechnik festzuhalten.

Weiterhin schreitet die Urbanisierung in vielen Teilen der Welt voran, neue Konzepte des Städtebaus und damit indirekt für Bauelemente werden wichtiger. Die Umweltfragen, Nachhaltigkeitsthemen etc. werden dabei immer neu durchdacht und sind auch für die Fenster und Fassaden in Zukunft nicht mehr auszublenden. Die Herausforderungen werden sicher nicht kleiner.

Am Anfang stand das Holzfenster

Mangelhafte Qualität speziell beim Holzfenster war also ein wesentlicher Ausgangspunkt für das ift Rosenheim. „Die Gebrauchsdauer des Bauteils Fenster wird in der Regel vom Wandel der Architektur bestimmt. Die natürliche Alterung kommt kaum zum Tragen.“ So wurde in den Problemstellungen der ersten ift-Forschungsberichte im Hinblick auf Erfahrungen mit Nutzungsdauern von bis zu 100 Jahren argumentiert. Am Holzfenster wurde in den davorliegenden Jahren allerdings in immer stärkerem Umfang eine vorzeitige Alterung durch den Befall mit holzzerstörenden Pilzen festgestellt. Die geplanten Arbeiten sollten die Ursachen der häufig erkannten Durchfeuchtungen und der daraus resultierenden Holzzerstörungen aufzeigen. Neue und dem Stand der Fertigungstechnik angepasste Verarbeitungsrichtlinien sollten aufgestellt werden. Die Bearbeitung umfasste die Themen

–   Bestimmung tragender Querschnitte,

–   Schlagregensicherheit,

–   Festlegung von Gruppen für die Verleimung,

–   Verglasung (Dichtschluss Glas zu Rahmen),

–   Temperaturbelastung durch farbige Anstriche.

Gründe für die hohen Feuchtigkeitsanreicherungen wurden eindeutig im konstruktiven und verarbeitungstechnischen Bereich gesehen (Feuchtezutritt z. B. über die Verglasung, den Anschluss zum Baukörper und über offene Verleimungen), ebenso in einer Überforderung der Werkstoffe und in bauphysikalischen Fehlern. Parallel durchgeführte Untersuchungen ließen auch Einflüsse aus Bauabwicklung, Einbauart und Einbaurichtung vermuten. Weiter wurden eindeutige Zusammenhänge mit den verwendeten Lacksystemen nachgewiesen. Interessant ist der bereits damals eindringlich formulierte Wunsch: „Als Ziel der gesamten Arbeiten stellt sich die Forschungsstelle die Erarbeitung einer umfassenden DIN-Norm „Fenster“ vor. …“. Als konkrete Ergebnisse aus den Forschungsprojekten konnte das ift Rosenheim der Branche bereits im Jahr 1969 grundlegendes Basiswissen in Form verschiedener Tabellen und Ausarbeitungen an die Hand geben:

–   Tabelle zur Ermittlung der erforderlichen Trägheitsmomente für Holz,

–   Tabellen zur Ermittlung von Querschnitten für Pfosten und Riegel,

–   Tabelle zur Bestimmung der Beanspruchungsgruppen für die Schlagregensicherheit,

–   Tabelle „Empfehlung maximaler Flügelgrößen in Abhängigkeit der Beanspruchungsgruppe für die Schlagregensicherheit“

–   Tabelle zur Ermittlung der Beanspruchungsgruppen zur Verglasung von Fenstern,

–   Empfehlungen für die Ausschreibung von Holzfenstern.

Zu sehen sind drei Tabellen aus Broschüren zum Thema Holzfenster.
Bild 3: Tabellen zur Ermittlung der Beanspruchungsgruppen zur Verglasung von Fenstern, zur Bestimmung der Beanspruchungsgruppen für die Schlagregensicherheit sowie Empfehlungen maximaler Flügelgrößen in Abhängigkeit der Beanspruchungsgruppen

Die meisten dieser für die Baupraxis wertvollen Unterlagen wurden weiterentwickelt und gelten bis in die heutige Zeit als unabdingbare Voraussetzung für Konstruktion und Fertigung funktionstauglicher Fenster. Die im Jahre 1973 veröffentlichte DIN 68121-1 und -2 entstand fast vollständig aus den vorher vorgestellten Forschungsarbeiten. Viele Bilder, Tabellen und Diagramme wurden 1 : 1 übernommen. Weitere Richtlinien zu Lamellierung, Oberflächenbeschichtung, Ausführung der Verglasung etc. bereiteten den Weg zu den heute noch relevanten Grundsätzen der Fenstergestaltung, welche über das Holzfenster hinaus auf alle anderen Rahmenmaterialien und Bauarten anzuwenden sind.

Die Fensterhersteller haben diese Bauanleitungen dankbar übernommen; fortan kam es zu einer Verbesserung der Verarbeitungsqualität sowie der erzielten technischen Eigenschaften.

Erst in den 1990er Jahren änderte sich das Bild. So kam es zwar zu einer Neufassung von DIN 68121 im Jahr 1993. Durch die Konstellation von

–   steigenden Anforderungen in der Bautechnik bzgl. Wärmeschutz, Luftdichtheit, geringen Bauzeiten und hohen Feuchtebelastungen während der Bauphase,

–   Wegfall von robusten tropischen Hölzern und Ersatz durch heimische, weniger geeignete Holzarten,

–   fehlender Bereitschaft der Eigentümer, die Anstrichwartung daraufhin zu intensivieren,

–   für reine Holzfenster heikle architektonische Entwürfe mit exponierten Erkern, Wintergärten etc.,

–   individuellen Veränderungen und Fortentwicklungen der genormten Details, aber auch

–   dem altersbedingten Wegfall von Holzfenster-Fachleuten der ersten Stunde

kam es zu einer Zunahme von Schäden, welche das Holzfenster nachhaltig Marktanteile kosteten (Bild 4). Zudem sahen alle Holzfensterkonstruktionen praktisch identisch aus, die starre Normung hatte sich zu einem Nachteil gegenüber den anderen Rahmenwerkstoffen entwickelt. Auch im Jahr 2016 findet man in Ausschreibungen noch „IV 68 nach DIN 68121“ für die Beschreibung der Holzfenster. Von den mittlerweile über 40 Jahre alten Grundlagen sind lediglich allgemeingültige Details wie Ablaufschrägen, Kantenrundungen, Geometrie von Tropfnasen etc. für die heutige Zeit relevant.

Das Schaubild zeigt die Zusammenhänge von Holzfenstern (Einsatzbedingungen, Holzart, Baulicher Schutz, Chemischer Schutz, Konstruktiver Schutz) und das daraus resultierende Spannungsfeld. Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Bild 4: Spannungsfeld beim Einsatz von reinen Holzfenstern

Die europäischen Klassen und Leistungseigenschaften nach EN 14351-1 haben dagegen Beanspruchungsgruppen, Größendiagramme & Co. abgelöst. Heute wird auch DIN 68800 modernen Holzfenstern gerecht und fordert neben dem konstruktiven und baulichen Schutz maßvollen chemischen Holzschutz. Die chemische Keule als alleiniges Prinzip hat sich sowie nie bewährt. Besonders auf den Schutz gegen Bläue und der von besonders belasteten Rahmenecken sollte geachtet werden

Vor allem die wärmetechnische Optimierung der Holzfenster stand in den letzten 20 Jahren im Vordergrund. Parallel dazu wurden die bezüglich Tauwasserbildung heiklen Bereiche der Konstruktionen angepasst. Der Markt verlangt nach modernen Holzfenstern, deren Merkmale sich auf den in Bild 5 gezeigten Stand der Technik weiterentwickelt haben.

Als Entwicklungstrends der letzten Jahre sind eine definierte Grundlüftung, minimale Wärmeverluste, der sommerliche Wärmeschutz, sicherheitstechnische Eigenschaften (Einbruchhemmung, aber auch Nutzungssicherheit) und auch der Komfort beim Umgang mit dem Fenster zu beobachten. Alle aktuellen Entwicklungstendenzen (Bild 6) zeigen, dass der flexible Umgang mit dem Werkstoff Holz der Weg in die Zukunft des Holzfensters ist. Die Dauerhaftigkeit bei geringer Wartung und Instandhaltung ist zudem immer noch eines der wichtigsten Argumente für den Markterfolg.

Querschnitt eines Holzfensters auf aktuellem Stand mit ergänzenden Informationen.
Bild 5: Aktueller Stand der Technik beim Holzfenster
Das Schaubild zeigt Verbundaufbauten beim Holzfenster. Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Bild 6: Verbundaufbauten beim Holzfenster mit Pfeilen, welche die Tendenz bzgl. Umsetzung/Praxisverbreitung der letzten Jahre zeigen.

Der Trend geht dabei weg von reinen Holzfenstern hin zu Holz-Metall-Fenstern, neuen Verglasungsarten mit Integralflügeln (Bild 7) und integrierten Sonnenschutzsystemen bei Verbundfenstern. Gleichzeitig müssen Fragen zur Tauwasserfreiheit bei mehrschichtigen Aufbauten aufgearbeitet werden.

Das Holzfenster hat sich damit nach vielen Jahren des Rückgangs in einem soliden Marktbereich behauptet: Verbraucher, die auf edle Anmutung, Naturprodukte und (höherpreisige) Qualität setzen. Andere Materialien müssen Acht geben, nicht in die gleiche Falle zu tappen. Auch hier gilt die Dauerhaftigkeit und Gebrauchstauglichkeit als oberstes Gebot. Dauerhaftigkeit von Beschichtungen, Materialien, Verformungsrisiken usw. gilt es für alle zu beachten.

Das Bild zeigt das vereinfachte Konzept von Integralfenstern mit ergänzenden Informationen. Bild 7	Konzept eines Integralfensters (stark vereinfachte schematische Darstellung ohne relevante Detaillösungen)
Bild 7: Konzept eines Integralfensters (stark vereinfachte schematische Darstellung ohne relevante Detaillösungen)

Der Wärmeschutz als Entwicklungsmotor

Die Entwicklung ift Rosenheim war mit dem Geschehen auf der großen Weltbühne verknüpft. Die Siebziger-Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts waren geprägt durch das Öl-Embargo der OPEC-Staaten, das im Herbst 1973 zur bisher folgenreichsten Ölkrise führte. Bereits am 9. November 1973 verabschiedete der Bundestag ein Energiesicherungsgesetz, das unter anderem Sofortmaßnahmen zur Energieeinsparung vorsah. Es begann verstärkt der Ausbau des Bereichs Wärmeschutz.

Das alte Foto zeigt den früheren Leiter des Bereichs Wärmeschutz am k-Wert-Prüfstand
Bild 8: Hans Hartmann, langjähriger Leiter des Bereichs Wärmeschutz am ift Rosenheim am selbst entwickelten k-Wert-Prüfstand (70er-Jahre)

Nach und nach nahm der Fensterflächenanteil an der Gesamtfassadenfläche zu. Ab den 70er-Jahren waren Anteile von über 50 % keine Seltenheit. Dies beeinflusste neben anderen bauphysikalischen Ursachen wesentlich den Wärmehaushalt der Gebäude. Da das Heizöl bis dahin relativ günstig war, gab es kaum nennenswerte Vorschläge zur Energieeinsparung. Der plötzliche Preisanstieg für Heizöl aufgrund der Ölkrise um 300 % und mehr veränderte die Randbedingungen drastisch und zwang zu raschem Handeln.

So wurde das ift Rosenheim im Rahmen des Forschungsauftrags „Reduzierung des Energieverbrauches in Wohnungen“ mit der Bearbeitung des Abschnittes „Fenster“ sowie des Teilabschnittes „Wände – Fenster“ (Anschluss des Fensters zum Baukörper) beauftragt. Das Gesamtprojekt sollte die Einflussfaktoren analysieren, von denen der Energiebedarf in Wohnungen abhängt. Nach der Ermittlung der theoretischen Grundlagen sollten Untersuchungen an Objekten aus den Jahren 1951 bis 1974 Maßnahmen zur Reduzierung des Energiebedarfs aufzeigen.

Bei dem im Jahr 1974 veröffentlichten Forschungsbericht wurden zwei Bereiche mit Einfluss auf den Energiebedarf unterschieden:

–   durch Planung und Berechnung direkt beeinflussbare Faktoren;

–   in der Hauptsache durch die Verarbeitungsqualität beeinflussbare Faktoren.

Das Bild zeigt einen ovalen Aufkleber mit der Aufschrift "Ich bin Energiesparer". Der Hintergrund ist schwarz, rot und gelb.
Bild 9: Aufkleber, herausgegeben 1980 vom Bundesministerium für Wirtschaft

Der Fokus lag auf umfangreichen Überprüfungen der Fugendurchlässigkeit von Fenstern. Die Messwerte zeigten große Schwankungen ohne Zusammenhang zwischen Baujahr und Höhe der Fugendurchlässigkeit. Die Hauptursachen lagen in der Konstruktion und Qualität der untersuchten Fenster. Zudem traten erhebliche Luftmengen über die Anschlüsse zum Baukörper ein. Die Notwendigkeit rasch wirksam werdender Maßnahmen, auch für den Altbaubereich, war gegeben.

Die im Rahmen der Untersuchung gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten konkrete Verbesserungsmaßnahmen für Fenster und die Definition von qualitätsbestimmenden Merkmalen. Bereits wenig später stellte das ift Rosenheim im Forschungsvorhaben „Fenster bei Altbauerneuerung“ einen Maßnahmenkatalog (Bild 10) vor, der eine Entscheidungshilfe lieferte, welche Maßnahmen möglich, technisch richtig und damit wirtschaftlich sinnvoll sein können.

Die Tabelle zeigt die Maßnahmen an Fenstern bei der Altbauerneuerung. Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Bild 10: Maßnahmen an Fenstern bei der Altbauerneuerung

1977 wurde mit der ersten Wärmeschutzverordnung (WSV) den gesamten Erkenntnissen zur Energieeinsparung am Bau eine gesetzliche Form gegeben. So wurden erstmalig Zweifach-Verglasungen und eine Dichtung im Funktionsfalz zwischen Flügel und Blendrahmen gefordert. Damit begann eine dynamische Weiterentwicklung in der Fenstertechnik bezüglich Konstruktion und Fertigung – bis in die Details:

–   Falzausbildung mit Dichtungen, Gestaltung der Dichtprofile und der Entwässerung,

–   Weiterentwicklung in der Beschlagtechnik,

–   Einsatz von Mehrscheiben-Isoliergläsern,

–   Verglasungssysteme für Isoliergläser (Klotzung, Abdichtung, Falzgestaltung, ...),

–   Thermische Trennung von Metallprofilen,

–   Lüftungsgeräte zum Einsatz in Fenstern und Fassaden usw.

1977 wurde mit der ersten Wärmeschutzverordnung (WSV) den gesamten Erkenntnissen zur Energieeinsparung am Bau eine gesetzliche Form gegeben. So wurden erstmalig Zweifach-Verglasungen und eine Dichtung im Funktionsfalz zwischen Flügel und Blendrahmen gefordert. Damit begann eine dynamische Weiterentwicklung in der Fenstertechnik bezüglich Konstruktion und Fertigung – bis in die Details:

–   Falzausbildung mit Dichtungen, Gestaltung der Dichtprofile und der Entwässerung,

–   Weiterentwicklung in der Beschlagtechnik,

–   Einsatz von Mehrscheiben-Isoliergläsern,

–   Verglasungssysteme für Isoliergläser (Klotzung, Abdichtung, Falzgestaltung, ...),

–   Thermische Trennung von Metallprofilen,

–   Lüftungsgeräte zum Einsatz in Fenstern und Fassaden usw.

Durch rationelle Fertigung und gute Werkstoffeigenschaften etablierten sich Kunststofffenster sehr rasch. Die Sanierungen von Wohngebäuden mit weitgehend gleichartigen Fenstern kamen dabei diesem Rahmenwerkstoff sehr entgegen. Mit der Zunahme und Komplexität der Konstruktionsdetails wurde auch die richtige Verarbeitung ein immer wichtigerer Faktor. Eine entsprechende Qualitätskontrolle wurde unverzichtbar.

Über den Baukörperanschluss eindringendes Wasser wurde als eine wesentliche Schadensursache analysiert. Da die Gebäudehülle noch nicht dicht war, war das Thema einer raumseitigen Abdichtung aufgrund innerer Feuchtebelastungen noch nicht relevant. Die Empfehlungen für die Abdichtung bezogen sich so nur auf die äußere Dichtheit.

Die Tabelle zeigt Anschlussausbildung zwischen Fenster und Baukörper. Beschriftet sind die Spalten mit "Beanspruchung" und "Beanspruchungsgrößen". Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Bild 11: Anschlussausbildung zwischen Fenster und Baukörper
Das Schaubild zeigt den Einfluss neuer, dichter Fenster auf das sonst nicht sanierte Gebäude.  Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Bild 12: Einfluss neuer, dichter Fenster auf das sonst nicht sanierte Gebäude

Der Großteil der Fenster wird heute in Deutschland in der Altbausanierung verbaut. Verbesserungen bei Energieeffizienz, Sicherheit und Komfort sind ausschlaggebende Faktoren bei der Entscheidung für neue Fenster. Zur technischen Umsetzung gibt es eine Reihe von Regelwerken, die baurechtlich eingeführt sind. Dazu zählen DIN 4108 (Wärmeschutz), DIN 4109 (Schallschutz), die EnEV und DIN 1946-6 (Lüftung). Damit sind nahezu alle Anforderungen an die Montage, an geplante Lüftungskonzepte etc. verbindlich vorgegeben. In der Praxis zeigt sich, dass diese Anforderungen bei Altbauten ohne zusätzliche Baumaßnahmen so gut wie nie vollständig erfüllbar sind. Die Ausführung der erforderlichen Maßnahmen zur Vermeidung von Wärmebrücken, zur Umsetzung eines Lüftungskonzepts usw. wird häufig nicht vollständig beauftragt. Damit bleibt die Sanierungsmaßnahme unvollständig und anfällig hinsichtlich Tauwasser- und Schimmelpilzproblemen (Zusammenhänge siehe Bild 12).

Vordergründig ist die Energieeinsparung das einzige wesentliche Argument für die Fenstersanierung. Doch die eigentliche Sanierungsentscheidung basiert eher auf der Behebung von Mängeln und Defiziten an den alten Fenstern:

•    visuell auffällige Mängel an den Fenstern,

•    Gebrauchsmängel,

•    geringes Sicherheits- und Komfort-Niveau,

•    häufige Wartung, Pflege- und Instandhaltungsmaßnahmen.

Erfüllen die neuen Fenster die eigentlichen Beweggründe für die Sanierung nicht, kann es schnell zu Reklamationen und unzufriedenen Kunden kommen. Eigenschaften wie leichte Bedienbarkeit, Schalldämmung o.ä. sind nämlich vom Nutzer unmittelbar selbst wahrnehmbar. Ähnliches gilt für Mängel aus nicht fachgerechter Ausführung. Dagegen ist die Energieeinsparung nur zeitverzögert und indirekt erlebbar. Leider setzen viele Sanierungsempfehlungen nach wie vor ausschließlich auf die energetische Karte. Zudem ist festzustellen, dass die realen Fenster in der Praxis häufig nicht die zugesicherten Klassen einhalten. Viele Abweichungen bei Teilung und Größen, Werkstoffen und Befestigungstechniken lassen eine Übertragung der ursprünglichen Klassen z. B. beim Thema Einbruchhemmung nicht mehr zu – die gesamte Grundlage der Sanierungsentscheidung steht damit auf der Kippe mit zu Recht verärgerten Kunden.

Konstruktionen ändern sich

Mit der ersten Wärmeschutzverordnung begann eine kritische Phase für Fensterprofile aus Metallen. Bis dahin waren Einfachverglasung und Metallprofil „thermisch ausgewogen“, d. h. aus heutiger Sicht beide gleich schlecht. Mit dem Rückgang der Einfachverglasung war das durchgängige Metallprofil die verbleibende Schwachstelle. Eine Vielzahl konstruktiver Lösungen wurde durch eine thermische Trennung zur Reduzierung der Wärmebrückenwirkung umgesetzt (Bild 13).

Das Diagramm zeigt die Verbundsysteme 1980 mit Beispielen in Form von Fotos. Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Bild 13: Übersicht der Verbundsysteme 1980 mit Beispielen

Die Forschungsarbeiten des ift konzentrierten sich hinsichtlich des wärmetechnischen Verhaltens der Profile zu Beginn auf die Ermittlung der raumseitigen Oberflächentemperaturen. Die Konstruktionen sollten vermeiden, dass sich evtl. anfallendes Tauwasser zuerst am Profil zeigt. Es wurde eine Kenngröße benötigt, die die wärmetechnische Wirksamkeit der Dämmzonen direkter beschreibt.

Weiter fehlten allgemeingültige Grundlagen zur Beurteilung der mechanischen Belastbarkeit des Verbundes. Eine Herstellergruppe beauftragte das ift, entsprechende Unterlagen zu erarbeiten. Sowohl Prüfmöglichkeiten als auch rechnerische Ermittlungen wurden benötigt, um die in den Regelwerken geforderten Nachweise mit angemessenem Aufwand zu erbringen.

Wesentliche Einflüsse auf den Wärmedurchgangskoeffizienten kR (heute Uf) der Rahmen ergaben sich aus:

–   dem Abstand der Metallschalen,

–   dem Material der Dämmzone,

–   der Breite der Dämmzone,

–   der Profilansichtsbreite.

Das Foto zeigt ein Aluminium-Fensterprofil, das in eine Prüfeinrichtung für Biegeversuche eingespannt ist.
Bild 14: Aluminium-Fensterprofil – eingespannt in Prüfeinrichtung für Biegeversuche bei großen Stützweiten

Das Verhalten bei mechanischer bzw. Temperatureinwirkung beschreibt der 1979 veröffentlichte ift-Forschungsbericht „Untersuchung über das mechanische Verhalten von wärmegedämmten Aluminium-Verbundprofilen“. Der Nachweis von Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit der Profile erfolgte nicht über die Elastizitätstheorie, sondern über den elastischen Verbund der Einzelprofile. Für die Ermittlung der notwendigen Kenngrößen ermöglichte eine neu gebaute Prüfeinrichtung Biegeversuche an Profilen bis zu Stützweiten von 3100 mm bei einer maximalen Prüflast von 100 kN (Bild 14).

Es wurde nachgewiesen, dass unter Berücksichtigung der Theorie des elastischen Verbundes die notwendigen Verformungs- und Spannungsnachweise bei Momentenbeanspruchung möglich sind. Auch in weiteren Projekten wurden verschiedene Vorschläge erarbeitet. Von Einfluss waren sowohl system- als auch profilbezogene Kriterien. Bei den Bauweisen hat sich besonders die eingerollte/gerändelte Verbindung von Aluminium-Schalen und -Stegen durchgesetzt. Als Stegmaterialien kamen/kommen zum Einsatz:

•    PVC
Nicht mehr aktuell, wurde von PA abgelöst;

•    PA 6.6 25 GF, Polyamid 6.6 mit 25 % Glasfaseranteil,
Größte Verbreitung, bekannt; darf nach DIN 4102 als B2 (normalentflammbar) angesetzt werden bei Dicken ≥ 1 mm;

•    PPO+PA (auch PPE+PA) Polyphenylenoxid-Polyamid-Blend (Polyphenylenether)
Zunehmend im Einsatz, bedarf der Nachweise nach EN 14024 und der Brennbarkeit nach DIN 4102 B2 oder EN 13501-1 E in jeweils ungünstigster Geometrie;

•    ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat)
Nicht hochtemperaturbeständig, bedarf des Nachweises nach EN 14024 und der Brennbarkeit nach DIN 4102 B2 oder EN 13501-1 E in jeweils ungünstigster Geometrie.

Wesentliche statische Anforderungen an die nun als Metall-Kunststoff-Verbundprofile bezeichneten Halbzeuge sind Standsicherheit (auch bei Minusgraden und Temperaturen bis 80 °C), die mittragende Wirkung des Verbunds und eine resultierende geringe Durchbiegung.

Die Standsicherheit ist gesetzlich verankert. Ausgehend von der DIBt-Richtlinie für den Nachweis der Standsicherheit von Metall-Kunststoff-Verbundprofilen wurde dies 1997 in die Bauregelliste übernommen. Sie wird auch in der neuen Verwaltungsvorschrift technische Baubestimmungen (VV TB) der Bauministerkonferenz enthalten sein. Der Nachweis erfolgt durch ein allgemein bauaufsichtliches Prüfzeugnis, der Übereinstimmungsnachweis durch eine Übereinstimmungserklärung des Herstellers (ÜH), woran sich nichts ändern wird. Prüftechnisch werden Schubbeanspruchung und Querzugbeanspruchung unter verschiedenen Temperaturbedingungen simuliert. Da ein Nachweis der Standsicherheit nur für Haupttragglieder sinnvoll ist, müssen nach deutschem Baurecht Flügelprofile nicht nachgewiesen werden, sondern nur Pfosten und Riegel bei Fassadenteilen > 9 m².

Zu sehen sind ein Foto und ein Schaubild, welches die unterschiedlichen Verbundwirkungen von Metall-Verbundprofilen zeigt.
Bild 15: Unterschiedliche Verbundwirkung von Metall-Kunststoff-Verbundprofilen
(a) ideal starrer Verbund
(b) elastischer Verbund
(c) loser Verbund bzgl. Schubbeanspruchung

Die Optimierung der Verbundwirkung der Profilteile (Bild 15) kann für geringere Ansichtsbreiten und geringeren Einsatz an Aluminium genutzt werden. Bei der Durchbiegung müssen die max. zulässigen Durchbiegungswerte eingehalten werden:

–   durch das Isolierglas: Durchbiegung ≤ 15 mm im Bereich des Randverbunds, nach DIN 18008-2,

–   für Fassaden gem. EN 13830, Abschnitt 4: Durchbiegungsbegrenzung l/200, bzw. 15 mm,

–   indirekt über die erforderliche Dichtheit der Fenster-/Fassadenkonstruktionen.

Die drei Fotos zeigen Beispiele für wärmtechnisch optimierte Metall-Kunststoff-Verbundprofile.
Bild 16: Beispiele für wärmtechnisch optimierte Metall-Kunststoff-Verbundprofile
links: aufgelöster Profilsteg mit Kammern
Mitte: aufgelöste Profilstege mit Dämmstofffüllung
rechts: durch Stege unterteilter Zwischenraum

Dieses Nachweis- und Bemessungssystem ermöglichte einen einfachen Umgang mit Metall-Kunststoff-Verbundprofilen. Speziell bei großen Glasabmessungen (Objektgeschäft) war trotz immer noch nicht exzellenter Uf-Werte ein ausreichend guter UW-Wert erzielbar. Mit der EnEV und der Annäherung der Anforderungen an das Passivhaus-Niveau sowie der EN 10077 als Ersatz für DIN 4108-4 wurden auch Anreize zu Änderungen der thermischen Trennung geschaffen. So hätte ein Aluminiumfenster (Standardgröße 1,23 × 1,48 m²) in den 1990er-Jahren einen UW-Wert von 2,2 W/(m²·K) besessen; mit heutiger Profiltechnik würde sich ein Wert von 1,3 W/(m²·K) ergeben (bei jeweils gleichem Ug-Wert von 1,1 W/(m²·K)). Typische Optimierungsmaßnahmen sind (Bild 16):

–   Auflösung der Profilstege mit dünneren Wandungen und Kammern,

–   Profilstege zur Unterteilung des Zwischenraums und damit Reduzierung der Konvektion,

–   Größerer Schalenabstand,

–   Dämmstoffe im Zwischenraum,

–   Stegmaterialien mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit,

–   Optimierung der Ansichtsbreiten,

–   Niedrigemittierende Beschichtungen im Zwischenraum der Metallprofile,

–   Reduzierung der Aluminium-Wanddicken.

Mit der wärmetechnischen Optimierung sind auch Fragen bzgl. der Mechanik neu zu stellen, da die Stege immer dünner und Materialien mit geringeren Wärmeleitfähigkeitswerten verwendet werden.

A)        Standsicherheit

Sicherheitsrelevante Größe ist die Querzugtragfähigkeit des Verbunds, also die Kraft, die senkrecht zur Profilebene aufgenommen werden kann. Wird durch Einwirkung von großen Windlasten der Widerstand des Profilverbundes überschritten, könnte die Dämmzone versagen und die Verglasung nicht mehr gehalten sein. Daher fordert der Gesetzgeber einen Mindestwert von > 20 N/mm Profillänge als Grenzwert. Diese gilt auch für erhöhte Temperaturen bis zu 80 °C. Erstmals wurde dies formuliert in der Richtlinie des Instituts für Bautechnik (IfBt, heute DIBt), basierend auf dem ift-Forschungsprojekt.

B)        Gebrauchstauglichkeit

Durch den Verglasungsdruck und äußere Lasten aus Temperatur und Windsog stehen die Kunststoffstege unter ständiger Belastung. Falls der Kunststoff unter dieser Dauerbelastung „kriecht“, kann eine Verglasungsdichtung undicht werden. Auch dies berücksichtigt die Richtlinie mit ihrer Forderung Δh ≤ 1 mm nach Einfluss von Dauerlast.

Ähnliche Forderungen entstanden gleichzeitig in Frankreich durch die UEAtc-Leitlinie. Als Zusammenführung der nationalen Forderungen wurde im Jahr 2005 die europäische Norm EN 14024 veröffentlicht. Die Qualitätssicherung ist geregelt durch die deutsche Bauregelliste (künftig VV TB) zur Ü-Kennzeichnung auf Basis von Prüfung und werkseigener Produktionskontrolle des Verbunds sowie die Forderungen der Gütegemeinschaft Fenster und Haustüren e.V. in RAL-GZ 695.

Das heutige Niveau thermisch getrennter Metallprofile ermöglicht die Einhaltung der Anforderungen der EnEV. Neue Herausforderungen ergeben sich durch den Bimetall-Effekt bei den immer besser gedämmten Profilen. Abhilfe könnten schubweiche Verbünde und reflektierende Beschichtungen zur Reduzierung der Oberflächentemperaturen schaffen. Die Grundlagen für Metall-Kunststoff-Verbundprofile sind also aktueller denn je, denn in vielen Regionen dieser Erde werden immer noch nicht getrennte Profile eingesetzt, insbesondere in den dynamisch wachsenden asiatischen Märkten. Für die vielen ambitionierten Bauprojekte auf der ganzen Welt führen steigende Anforderungen an Energieeffizienz, Sicherheit und thermischen Komfort zur Entwicklung neuer Profile.

Durchblick behalten beim Glas

Über Jahrzehnte bestimmten Sprossenfenster aus Holz mit kleinen Scheiben und geringen Flügelbreiten das Bild der Gebäudefassaden. Das Verglasungssystem aus Glas, Rahmen und freiliegender Kittfase stellte den Standard dar. Die Architektur der 60er-Jahre mit größeren Fensterflügeln führte zu bis dahin nicht gekannten Schäden am bisherigen Verglasungssystem. Überbeanspruchte Kittfasen, Abrisse zu Holz oder Glas ermöglichten Wassereintritt in die Holzkonstruktion. Pilzbefall mit Zerstörung des Holzes war die Folge.

Konstruktive Veränderungen führten zu Verglasungen mit äußerem Glasfalzanschlag, innenliegender Glashalteleiste und Abdichtung mit plastischen Dichtstoffen. 1967 wurden mit der „Tabelle zur Ermittlung der Beanspruchungsgruppen zur Verglasung von Fenstern; Holzfenster“ Grundlagen für die Wahl des Verglasungssystems geschaffen. Die Tabelle wurde unter Berücksichtigung anderer Rahmenmaterialien überarbeitet und fand in den 80er-Jahren auch Eingang in DIN-Normen.

Das Bemühen um Energieeinsparung forcierte den Einsatz von Mehrscheiben-Isolierglas (MIG). Allerdings häuften sich in den 70er-Jahren auch die Schäden durch Tauwasserbildung im Scheibenzwischenraum (SZR). Bei allen Rahmenmaterialien war der mit plastischem Dichtstoff voll ausgefüllte Falzraum die häufigste Verglasungsart. Der Einsatz von elastischen Dichtstoffen bei der Glasabdichtung verbesserte das Verhalten gegenüber äußeren Witterungseinflüssen zwar wesentlich, löste die Probleme aber nicht generell.

Die grafische Darstellung der 5 Verglasung zeigen die verschiedenen Entwicklungsstufe.
Bild 17: Entwicklungsstufen der Verglasung: von links: Einfachglas mit freiliegender Kittfase, Einfachglas mit innenliegender Glashaltleiste, MIG mit plastischem Dichtstoff, MIG mit außenseitigem elastischem Dichtstoff bei ausgefülltem Falzraum, MIG mit dichtstofffreiem Falzraum und beidseitiger elastischer Abdichtung

Gehäufte Schäden am MIG nach relativ kurzer Nutzungsdauer beunruhigten Bauherren, Architekten und Isolierglashersteller. Ein Grund für die Tauwasserbildung im SZR war nicht klar erkennbar. So beauftragte das Bundesministerium für Raumordnung, Bauwesen und Städtebau das ift Rosenheim mit der Untersuchung des Alterungsverhaltens von MIG sowie des Einflusses der Verglasungsart auf die Alterung. Die Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt mündeten in verschiedenen Vorgaben:

•    Kleinformatige Scheiben mit großem SZR sind zu vermeiden.

•    Zweistufige Isolierglassysteme (mit innerer Dichtung aus Butyl und äußerer Abdichtung aus elastischem Dichtstoff) erreichen eine höhere Nutzungserwartung.

•    Der Glaseinbau kann sowohl mit spritzbaren Dichtstoffen als auch mit vorgefertigten Profilen ausgeführt werden, beides mit dichtstofffreiem Falzraum.

•    Feuchtigkeit am Randverbund muss so weit wie möglich vermieden werden durch einen dichten Glaseinbau sowie durch Öffnung des nicht ausgefüllten Falzraums zur Außenseite.

•    Eine Qualitätssicherung empfiehlt sich.

Bei Einhaltung der vorgenannten Vorgaben wurde bei Mehrscheiben-Isolierglas mit geklebtem Randverbund von einer Nutzungsdauer zwischen 20 und 30 Jahren ausgegangen.

Das Fügen der Einzelscheiben zu MIG war technologisch nicht einheitlich gelöst. Markenbegriffe wie „Thermopane“ (Randverbund gelötet), „Gado“ (Randverbund geschweißt) oder „Cudo“ (Randverbund geklebt) etablierten sich. Der mit organischen Klebstoffen gefügte zweistufige Randverbund mit Abstandhalterrahmen und Trocknungsmittelfüllung besitzt heute noch den größten Anteil an den MIG.

Die Erfordernisse beim Einbau des MIG in den Rahmen haben sich nicht mehr wesentlich geändert. Nachfolgend genannte Grundsätze sind nach wie vor allgemein gültig:

•    Lagerung:
Klotzung in Abhängigkeit von der Öffnungsart mit Trag- und Distanzklötzen; Auflage der Klötze über alle Scheiben und Lastabtragung über den Falzgrund,

•    Abtragung der Kräfte quer zur Ebene:
Ausreichend befestigte Glashalte- oder Pressleiste,

•    Dichtheit des Glasfalzes:
Abdichtungen zwischen Rahmen und Glas mit Dichtstoff (mit oder ohne Vorlegeband) oder Dichtprofil; dichte Stöße der Glashalteleiste zum Rahmen und untereinander,

•    Belüftung und Feuchteabführung:
Zusammenhängende Hohlräume, Öffnungen zum Außenklima.

Die Tabelle gibt die Parameter zur Beeinflussung der Eigenschaften von Isolierglas im Vergleich zu gestern und heute an. Beschriftet sind die Spalten mit "Parameter zur Beeinflussung früher" und "Parameter zur Beeinflussung aktuell". Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Tabelle 1: Parameter zur Beeinflussung der Eigenschaften von Isolierglas gestern und heute

Das Glas besitzt einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungseigenschaften des Fensters. Dadurch ergaben sich viele teilweise noch heute aktuelle Lösungen für spezielle Anforderungen (Tabelle 1).

Die Reduzierung der Transmissionswärmeverluste war lange Zeit nur über die Gläser umgesetzt worden. Erste Dreifachgläser mit Luftfüllung wurden von Wärmeschutz-gläsern mit Low-E-Beschichtungen und Gasfüllungen abgelöst. g-Wert und Lichttransmission wurden als wesentliche Faktoren für die Energieeffizienz erkannt, die Beschichtungen entsprechend optimiert. Anfänglich wurde die Wärmebrückenwirkung des Abstandhalterrahmens durch einen tieferen Glaseinstand im Rahmenprofil kompensiert. Zwischenzeitlich erfolgt dies durch thermisch optimierte Warm-Edge-Systeme. Für passivhaustaugliche Fenster wurden erneut Dreifach-Aufbauten aktuell, nun mit zwei Low-E-Beschichtungen und Gasfüllung.

Mit der Klebung von Glas und Rahmen hat sich eine Fortentwicklung der Verglasung beim Fenster ergeben. Seit längerem als Structural Glazing/SG-Verglasung im Fassadenbereich erfolgreich umgesetzt (Bild 18), erfolgte eine Adaption einer tragenden Klebung auf das Fenster.

Damit wird die aussteifende Wirkung des Glases besser als mit reiner Klotzung genutzt. Auch die Lasteinleitung der einwirkenden Kräfte aus dem Fensterrahmen ins Glas erfolgt mit wesentlich geringeren Spannungsspitzen. Aktuelle Klebetechniken sind (Bild 19):

–   Überschlagsklebung auf unterschiedlichen Positionen,

–   Falzgrundklebung,

–   Stufenglasklebung.

Die drei Fotos zeigen jeweils Gebäude mit geklebten Verglasungen.
Bild 18: In-situ-Forschung an verschiedenen geklebten Verglasungen am ift Rosenheim
(links: Erkerfassade am Neubau von 1984; Mitte: Wintergarten aus 1997; rechts: Fahrradhalle aus 2007)
Zu sehen sind drei Darstellungen von Glasklebetechnicken
Bild 19: Schematische Darstellungen verschiedener Glasklebetechniken (ohne Stufenglasklebung)

Ein wichtiger Faktor für die Dauerhaftigkeit eines MIG ist die chemische Verträglichkeit der verwendeten Werkstoffe zu Klebung, Abdichtung, Randverbund und Beschichtungen. Die Anforderungen an die Glaskonstruktionen werden immer vielschichtiger. Entwicklungen wie Block- und/oder Integralfenster führen zu größer werdenden Glasflächen. Der Rahmen wird hinter Dämmung oder Zargen versteckt, so dass nur noch die Glasfläche sichtbar bleibt. Durch Adapter-Rahmen (sinnvollerweise bereits Bestandteil des MIG), kann eine einfache Anbindung an das Fenstersystem erfolgen.

Moderne Medienfassaden, Energieerzeugung durch Kollektoren usw. sind dabei High-Tech-Anwendungen für Glasprodukte. Aber auch „einfachere“ Eigenschaften des Raumabschlusses werden vermehrt in die Glasfläche transferiert, vor allem Sicherheitsthemen wie Absturzsicherung, Einbruchhemmung und Feuerwiderstand. Auch der Sonnenschutz wird in die Gesamtkonstruktion integriert. Die Bemessung des Glases nach DIN 18008 spielt bei den speziellen Anforderungen an die Eigenschaften und die zunehmend schlanken Glasformate eine immer wichtigere Rolle. Dort und auch bei kleinen Formaten wird mit der überarbeiteten DIN 18008-2 zu arbeiten sein.

Closed-Cavity-Fassadenelemente mit integrierten Funktionselementen in einem leicht belüfteten SZR erhalten so zunehmend Bedeutung. Auch MIG mit großen Zwischenräumen, aber ohne Gasfüllung, das dauerhaft über Kapillarrohre oder andere Vorrichtungen mit dem Umgebungsdruck in Verbindung steht, wird den Trend zum mehrschichtigen Aufbau ergänzen.

Weiteres großes Zukunftsthema ist die Renovierung. Hier wartet die Fensterindustrie, vor allem beim Holzfenster, auf die Einführung des Vakuumglases als geregeltes Bauprodukt, wodurch mit kleinen Formaten und geringen Dicken und Gewichten das frühere Einfachglas stilgerecht ersetzt werden kann. Erste Ansätze sind erkennbar; allerdings kommen die Produkte bisher aus dem Ausland und sind in Deutschland nur mit baurechtlicher Zustimmung im Einzelfall oder Zulassung einsetzbar. Prüfkonzepte und erste Prüfungen sind dazu am ift in Arbeit.

Plastic is fantastic

Neue Techniken und Werkstoffe, der Wunsch nach mehr Wohnkomfort sowie die Methoden der Serienfertigung bestimmten die Fensterentwicklung. Der Gebrauchswert der neuen „Fenstergeneration“ war jedoch schwer zu beurteilen, und die Anpassung der technischen Regelwerke wurde unumgänglich. Man versuchte zunächst technische Details normativ zu regeln, was aber die Entwicklung einschränkte. Deshalb wurden die Vorgaben wieder gelockert und lediglich die Grenzen für technisch richtiges Verhalten definiert.

Bei der weiteren Fensternormung sollte nur Grundsätzliches festgelegt werden. Bauherr, Bauplaner und Bauleiter mussten deshalb über die notwendigen Kenntnisse verfügen. Das Bundesministerium für Raumordnung, Bauwesen und Städtebau beauftragte das ift Rosenheim, die wesentlichen Merkmale zur Konstruktion und Bewertung von Fenstern zusammenzustellen.

Die Entwicklung zum „aufwendigeren Fenster“ hinsichtlich Rahmen, Beschlag und Aussehen sowie „überhöhte“ Anforderungen an technische Kennwerte, Oberfläche sowie ästhetische Details standen wegen der einhergehenden Kostensteigerung auch in der Kritik. Es fehlten jedoch objektive Entscheidungshilfen. Mit dem Forschungsprojekt „Konstruktionsmerkmale für Fenster“ sollte eine Basis für eine tragbare Lösung gefunden werden.

Der im Jahr 1986 veröffentlichte Forschungsbericht „Konstruktionsmerkmale für Fenster“ bot Unterstützung bei der täglichen Arbeit hinsichtlich funktionaler Leistungsbeschreibungen, der Definition von Anforderungen und der Konstruktionsdetails. Grundlegende Bewertungskriterien zu Werkstoffen, Zubehörteilen, Fensterarten und -systemen schafften eine gute Planungsgrundlage, und die systematische Berücksichtigung aller Einflüsse ermöglichte eine objektive Beurteilung. Beispiele und eine Zusammenstellung der vom ift Rosenheim erarbeiteten Richtlinien und Tabellen (Verglasung, Anstrich, Verträglichkeit und Statik) ergänzen den Bericht.

Die ersten Kunststofffenster bestanden 1956 aus einem mit Weich-PVC überzogenen Stahlrahmen. Im Jahr 1959 folgten Fenster aus PVC hart (heute PVC-U). Profilgeometrien und -konstruktionen waren noch nicht werkstoffgerecht ausgebildet und orientierten sich am Holzfenster. Die Vielzahl der in der Folgezeit entwickelten Systeme unterschied sich durch Anzahl und Anordnung der Dichtungen und Hohlkammern in den Profilen. In den 60er- und 70er-Jahren wurden auch Profile aus glasfaserverstärktem Polyester, Polyurethan und Holz-Kunststoff angeboten.

In den 60er-Jahren war der a-Wert (Dichtheit) die einzige objektive Beurteilungsgröße. Speziell bei Kunststofffenstern wurde er als alleiniges Qualitätsmerkmal hervorgehoben. Eine Weiterentwicklung brachten die neu entwickelten Prüfmöglichkeiten anderer Eigenschaften, die durch die RAL-Gütesicherung sowie Ergebnisse aus ift-Forschungsarbeiten zu Falzausbildung und Verglasung unterstützt wurden (Bild 20).

Das Schaubild zeigt die Entwicklung von Kunststofffenstern ab den 50er Jahren. Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Bild 20: Entwicklungsabschnitte beim Kunststofffenster
Das Diagramm bei a) zeigt den Einfluss von Kammeranzahl auf den Uf-Wert. die sechs Bilder bei b) stellen weitere Maßnahmen zur Verbesserung des Uf-Werts dar. Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Bild 21: Der Kampf ums Zehntel: Maßnahmen zur Optimierung des Uf-Werts
a) Einfluss von Kammeranzahl (und Profildicke) auf den Uf-Wert
b) Weitere Maßnahmen zur Verbesserung des Uf-Werts

Der steigende Anteil in der Altbausanierung machte auch technische Regeln für den Einbau und die Abdichtung notwendig. Auf Basis von ift-Forschungsberichten wurden die „Einbaurichtlinien für Kunststofffenster“ und die Richtlinie „Prüfung von mechanischen Verbindungen bei Kunststofffenstern“ erstellt. Die zwischenzeitlich aktualisierten Richtlinien besitzen nach wie vor ihre Gültigkeit.

Die Entwicklungen führten zu einer Angleichung der Konstruktionen in den 80er- und 90er-Jahren und wurden charakterisiert durch extrudierte, harte PVC-Profile mit einer Hauptkammer inkl. metallischem Verstärkungsprofil sowie mindestens einer Vorkammer in überwiegend weißer Farbe.

Die Ähnlichkeit der Systeme und schwer erkennbare Detailverbesserungen erschwerten die qualitative Differenzierung der Fenster. Mit den wärmeschutztechnischen Anforderungen begannen die Profile zu „wachsen“ und die „Kammerolympiade“ begann. Die leicht verständliche Formel „je mehr Kammern desto besser“ wurde irgendwann aber unwirksam, und tiefgreifende Veränderungen am Profil wurden möglich. Neben der Profildicke und der Unterteilung in Luftkammern haben

–   die geometrische Ausführung,

–   das Material der Verstärkung,

–   die Ansichtsbreite,

–   die Unterteilung des Falzraums mit Dichtungen,

–   die Profilwandungsdicken

großen Einfluss auf den U-Wert des Kunststofffensters (Bild 21).

Seit Mitte der 2000er-Jahre wird die konstruktive Entwicklung auch durch die Glasklebung angetrieben, denn die mittragende Wirkung des Glases erlaubt große Fensterflügel mit geringen Profilansichtsbreiten und die Reduzierung massiver Stahlverstärkungen.

Die Herausforderungen der Gegenwart sind großformatige Flügel und hohe Flügelgewichte, Zusatzfunktionen wie Lüftung, Sonnenschutz, zu integrierende Sicherheitsaspekte, die Vielfalt an Gestaltungsmöglichkeiten bezüglich Oberfläche, Formen, Farben sowie die offene Kommunikation der Auswirkungen bzgl. Umwelt und Gesundheit.

Durch die Fokussierung auf den Wärmeschutz entwickelten sich stark asymmetrische Profilgeometrien, und aussteifende Elemente (Metall-Verstärkungen) rückten in den Innenbereich. Zusätzlich stieg der Anteil farbiger Profile. Weitere thermische Verformungen (Schwindung und Längenausdehnung) bedingen aber erhöhte Bedienkräfte und Undichtheiten bei Differenzklima (Bild 22), die Funktionseinschränkungen wie klemmende Elemente, geringere Luft- und Schlagregendichtigkeit sowie niedrigere Schalldämmwerte bewirken können.

Normative Grenzwerte für die max. Verformung von Kunststofffensterprofilen aufgrund thermischer Belastung existieren nicht, aber die Funktion muss sichergestellt sein. Die Systemhäuser geben in den Systembeschreibungen und Verarbeitungsrichtlinien klare Vorgaben hinsichtlich Fertigung und Montage, beispielsweise die Reduzierung von Maximalgrößen in Abhängigkeit der Farbe, Verwendung von geeigneten Verstärkungsprofilen (Geometrie, Wanddicke, Stahlqualität etc.), zusätzliche Belüftungsbohrungen und Befestigungen zur Wand. Neuentwicklungen von Beschichtungsfolien mit reduzierter Absorption und damit geringerer Aufheizung setzen hier ebenfalls an.

Das Foto zeigt die Verformung eines Kunststofffensters.
Bild 22: Aufgrund Differenzklima verformter Fensterflügel (Lichtspalt) mit Einschränkungen bei der Bedienung
Das Foto bei a) zeigt ein Integralfenster mit Aluminium-Vorsatzschale. Die Grafik bei b) zeigt ein in das Fensterprofil integriertes Lüftungssystem.
Bild 23:
a) Integralfenster mit Aluminium-Vorsatzschale (Quelle: Finstral GmbH)
b) Beispiel eines in das Fensterprofil integrierten Lüftungssystems (Quelle: Rehau AG + Co)

Durch 3fach-Isolierglas erhöhen sich die Flügelgewichte ganz erheblich. Standardbeschläge stoßen schon bei normalen Aufbauten und großen Flügelformaten an die maximale Belastbarkeit. Dies gilt besonders bei Sondergläsern (z. B. Schallschutz, Einbruchhemmung). Wesentlich für die Nutzungssicherheit der Fenster sind die Befestigung der Beschläge und die Ausführung der Schraubverbindungen mit Einhaltung der ermittelten Verarbeitungsparameter. Die Hohlkammern und das Baukastensystem ermöglichen die Integration von Zusatzfunktionen und Zusatzbauteilen. Die variable Ausstattung mit Lüftern, Gläsern, Beschlägen mit Zusatzfunktionen ist leichter möglich. Kombinationen mit Aluminiumschalen, Integralfenster und Verbundaufbauten bieten einen großen Gestaltungs- und Leistungsbereich (Bild 23).

Die freie Kombination von Modulen zur Gestaltung des Wunschfensters ist allerdings noch Utopie. Hier fehlt die konsequente Trennung von Funktionen z. B. Tragstruktur sowie Wärmeschutz und Gestaltung. Die aktuell wichtigste Zusatzfunktion Einbruchhemmung ist mit Kunststoffprofilen jedoch seit längerem konstruktiv gelöst. Optimierungspotenzial gibt es nach wie vor bei der Montage und bei konstruktiven Schwachstellen wie Kopplungen.

Die zunehmende Knappheit der Rohstoffe sowie die Umweltverträglichkeit werden Kernthemen bleiben. Beim Kunststofffenster waren Chloranteile und Schwermetall-Stabilisatoren wie Blei in der Vergangenheit problematisch. Es mussten alternative Stabilisatoren sowie Verwertungskonzepte für Altfenster und Produktionsabfälle entwickelt werden. Aktuelle Forschungsprojekte zu Belastungen durch VOC-Emissionen und Auswaschungen waren notwendig, um Grundlagen für kommende Diskussionen zu schaffen. Diese Entwicklungen forderten auch eine Veränderung des Qualitäts-Denkens vom reinen Profil zum funktionsfähigen Gesamtsystem. Umgesetzt wurde dies in der RAL-Gütesicherung Kunststofffenstersysteme als Grundlage für die RAL-Gütesicherung Fenster.

Sicher ist sicher

Die Ursprünge zur Entwicklung einbruchhemmender Bauteile liegen bereits in den 70er-Jahren. Nach Versuchsreihen an Türen im ift Rosenheim fand 1975 ein erstes Gespräch mit der Kriminalpolizei und der Schloss- und der Türenindustrie statt. Man kam zu der Erkenntnis, dass die Einbruchhemmung nur dann gegeben ist, wenn alle Einzelkomponenten (Schließblech, Schloss, Zylinder, Bänder, Türblatt) das gleiche Sicherheitsniveau einhalten. Zudem wurde auch die Montage als wichtige Voraussetzung zum Erhalt der einbruchhemmenden Eigenschaften erkannt. Im Jahr 1989 wurde der Normentwurf zur DIN 18103 für einbruchhemmende Türen vorgelegt.

Fast zeitgleich untersuchte das ift Rosenheim einbruchhemmende Eigenschaften handelsüblicher Fensterkonstruktionen. Konventionelle Fenster konnten den grundlegenden Anforderungen aus DIN 18103 nicht standhalten, auch heute sind sie nach wenigen Sekunden zu öffnen. Die Prüfvoraussetzungen der Türen mussten an die Besonderheiten der Fenster angepasst werden. Hieraus entstand die 1987 veröffentlichte ift-Richtlinie zur Prüfung und Beurteilung einbruchhemmender Fenster. Diese mündete schließlich in der Vornorm DIN V 18054 für einbruchhemmende Fenster.

Um einbruchhemmende Fenster leichter in die Widerstandsklassen der DIN V 18054 einstufen zu können, sollten Konstruktionskriterien erstellt werden. Im Forschungsprojekt „Konstruktionsmerkmale für einbruchhemmende Holzfenster“ wurden Prüfungen am kompletten Fenster nach DIN V 18054 sowie Bauteil- und Einzelteilversuche durchgeführt. Ziel war eine Übersicht aller relevanten Konstruktionskriterien für einbruchhemmende Holzfenster.

Zugrunde lagen die Anforderungen aus DIN V 18054. Allerdings änderte sich die Normungssituation im Verlauf der Arbeiten des Forschungsprojekts mehrfach. Die Bewertung einbruchhemmender Holzfenster wurde im Abschlussbericht zwar nach DIN V 18054 vorgenommen. Jedoch wurden die Anforderungen so formuliert, dass sie auch mit den Widerstandsklassen 1 bis 6 der europäischen Vornormen ENV 1627 bis 1630 in Einklang standen.

Eine direkte Zuordnung der Konstruktionen zu den in den Normen festgelegten Widerstandsklassen wurde möglich. Die Zuordnung zu den in DIN V 18054 festgelegten Klassen EF0 bis EF2 war eindeutig. Ebenso konnte eine Einstufung einbruchhemmender Holzfenster in die Widerstandsklassen 1 bis 3 nach ENV 1627 erfolgen. Zudem konnte durch Kombination verschiedener Zusatzmaßnahmen die nächsthöhere Widerstandklasse erreicht werden. Die Mindestanforderungen wurden für Holzfenster in Tabelle 2 zusammengestellt. Somit war es dem Hersteller von Holzfenstern möglich, seine Fenster bereits in der Planungsphase einer Widerstandsklasse zuzuordnen bzw. seine Konstruktionen entsprechend aufzubauen.

Die Tabelle zeigt die Mindestanforderungen zur Vorherbestimmung der einbruchhemmenden Widerstandsklasse von Holzfenstern. Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Tabelle 2: Mindestanforderungen zur Vorherbestimmung der einbruchhemmenden Widerstandsklasse von Holzfenstern
ZU sehen ist ein Pfeil, der die Entwicklung der Regelwerke zur Einbruchhemmung zeigt.
Bild 24: Entwicklungsschritte von der ift-Richtlinie zur europäischen Normenreihe

Ein Meilenstein bei der Entwicklung der normativen Grundlagen für die Prüfung einbruchhemmender Bauteile war das Inkrafttreten der Normenreihe DIN V ENV 1627 ff. im Jahr 1999. Im September 2011 erfolgte die Überführung der Vornorm in die heute gültige DIN EN 1627 ff. (Bild 24). Es gilt nach wie vor der Grundsatz, dass alle Einzelkomponenten das gleiche Sicherheitsniveau einhalten müssen. Besondere Aufmerksamkeit ist dem Beschlag zu widmen, da er zwei Komponenten zu einem Bauteil verbindet, was im Forschungsprojekt berücksichtigt wurde.

Speziell die Zugversuche haben sowohl für die werkseigene Produktionskontrolle als auch für die Zertifizierung große Bedeutung. Eine häufige Problemstelle ist der Eingriff des Pilzkopfes in das Schließblech. Man ging bei den Zugversuchen von einem Eingriff des Pilzkopfes von 8 mm als realistischem Mittelwert aus. Dieser Mindesteingriff sollte auch heute bei jedem Schließpunkt eingehalten werden, um die Leistungsfähigkeit der Beschläge und Fensterelemente sicherzustellen (Bild 25).

Die Grafik zeigt den Eingriffspunkt des Pilzzapfens in das Schließstück
Bild 25: Der Eingriffspunkt des Pilzzapfens in das Schließstück

Die Erarbeitung entsprechender Prüfnormen lieferte Möglichkeiten, auch bei bereits verbauten Fenstern und Türen eine nachträglich eingebaute Sicherung zu schaffen. Die Eigenschaften von Nachrüstmaßnahmen an Fenstern und Türen konnten für aufschraubbare Nachrüstprodukte durch DIN 18104-1 sowie für im Falz eingelassene Nachrüstprodukte durch DIN 18104-2 nachgewiesen werden. Somit kann auch ein sehr gutes Sicherheitsniveau geschaffen werden, ohne dass ursprünglich eine einbruchhemmende Ausführung beauftragt wurde. Erwähnenswert ist, dass sich durch diese „Nische“ in den letzten Jahren ein neuer Markt entwickelt hat. Allerdings ist ein geprüftes und zertifiziertes Bauteil immer zu bevorzugen!

Seit ca. 10 Jahren sind wieder steigende Einbruchzahlen zu verzeichnen. Allerdings steigt auch der Anteil der fehlgeschlagenen Einbrüche; er lag zuletzt bei 42 %. Das heißt, die Täter scheitern bei fast jedem zweiten Einbruchversuch. Der Hauptgrund dürfte an wirksamen mechanischen Sicherungseinrichtungen liegen. Zudem unterscheiden sich einbruchhemmende Bauteile speziell in der Widerstandsklasse 2 optisch nicht mehr von Standardprodukten.

Die Tabelle zeigt die Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt „Holzfenster 2012“. Beschriftet sind die Spalten mit "System 10", "Variante A", "Variante B" und "Variante C". Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Bild 26: Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt „Holzfenster 2012“

Die Ausführung hochwärmedämmender Fenster mit einbruchhemmenden Eigenschaften ist grundsätzlich kein Widerspruch. Jedoch entwickelten sich mit Kunststoffprofilen bessere Möglichkeiten. Im Forschungsprojekt „Holzfenster 2012“ wurden auch die Auswirkungen auf die Einbruchhemmung berücksichtigt. Verschiedene Rahmenvarianten wurden geprüft und positiv nachgewiesen (Bild 26).

Die Sicherung der Glasanbindung wurde früher durch im Glasfalz eingesetzte Winkel, Winkel auf der Raumseite und verschraubte Glashalteleisten umgesetzt. Die Verklebung der Glasanbindung wurde auch überprüft, war in der Praxis jedoch eher als Exot anzusehen. Gründe waren der hohe Aufwand und Schwierigkeiten beim Einbringen des Klebstoffs. Ebenfalls gab es Verträglichkeitsprobleme mit dem Randverbund. Am ift Rosenheim wurden umfangreiche Prüfungen zur Randverbundverträglichkeit durchgeführt. Heute ist auch der Einsatz von Klebstoffen nahezu zum Standard geworden. Durch das Einbringen des Klebstoffs wird zudem der Schwachpunkt des Überschlags gesichert.

Über all die Jahre und Forschungsprojekte ist immer die Frage der Reproduzierbarkeit der manuellen Prüfung im Raum gestanden. Viele Ideen wie der Knickschlüssel Test (AHS), den Einsatz von Robotern und Coincidential Loading Test hat es gegeben. Kein Verfahren konnte das Geschick des manuellen Prüfers („Normeinbrecher“) ersetzen. Dies haben in den 90er-Jahren Versuche in Skandinavien gezeigt; dabei waren die Einbruchprüfungen reproduzierbarer als Brandversuche. Dennoch wird das Thema immer wieder diskutiert – so auch aktuell im an der Überarbeitung der Norm arbeitenden Normenausschuss. Wichtig bleibt der regelmäßige Erfahrungsaustausch der Prüfer in Europa wie er im Fox Club, in dem die wichtigsten Labore vertreten sind, gepflegt wird.

Nahezu jeder Hersteller kann heute über entsprechende Systemunterlagen einbruchhemmende Elemente in Lizenz herstellen und den erforderlichen Nachweis liefern. Hierzu ist eine Schulung notwendig. Überwachung und Zertifizierung der Hersteller dienen als Nachweis und Qualitätssicherung; sie sind bei Ausschreibungen meist gefordert. Zudem ist die Überwachung Grundvoraussetzung für eine Listung in den „Herstellerverzeichnissen der Landeskriminalämter“.

Wichtig ist, was hinten rauskommt

Die vieldeutigen Worte des Altkanzlers Kohl begleiten Bauelemente schon seit längerer Zeit. In den 1970er-Jahren begann die Diskussion über Formaldehyd in Innenräumen, welche Mitte der 80er-Jahre einen Höhepunkt erreichte. Emissionen aus Spanplatten von Möbel und Innentüren trafen auf ein neues Umweltbewusstsein bei der Bevölkerung. In den Medien wurde über die Bedeutung von Begriffen wie „krebsfördernd“ oder „krebserzeugend“ diskutiert. Das 1978 vom Innenminister ins Leben gerufene Umweltlabel „Der Blaue Engel“ hat sich auch über dieses Thema zu einem der bekanntesten Kennzeichnungen in diesem Bereich in Deutschland entwickelt. Die aktuellen Entwicklungen z. B. der Einsatz von fungiziden Mitteln in Beschichtungen zur Schimmelpilzvermeidung, aber auch die immer größere Anzahl an Unverträglichkeiten und Allergien beim Menschen machen Angst und befeuern das Thema.

In den letzten Jahren hat sich ein Schwerpunkt bei den Forschungsarbeiten des ift Rosenheim bei den Umweltwirkungen von Bauelementen und Nachhaltigkeitsbetrachtungen ergeben. So wurden verschiedene Forschungsprojekte zu

–   Emissionen aus Fenstern mit unterschiedlichen Werkstoffen und Innentüren

–   Auswaschungen von Bauelementen

–   EPD (Environmental Product Declaration) für transparente Bauelemente

–   Verwertungskonzepte für Holzfenster

durchgeführt. Dies geht einher mit den Tendenzen in der europäischen Regelwerkssetzung, welche den Begriff „Nachhaltigkeit“ in der Bauproduktenverordnung (BauPVO) an prominente Stelle gesetzt hat.

Durch die Nachhaltigkeitsbetrachtungen von Gebäuden und deren Komponenten ist die Bandbreite der Bewertung wesentlich erweitert worden. Nicht mehr nur die Einzelwerte für die Wärmedämmung, Luftdichtheit usw. bestimmen jetzt das Produkt, sondern die Fragestellungen über den gesamten Lebenszyklus zu

–   Materialeinsatz (Gewinnung, Energieverbräuche bei Transport ...),

–   Produktion (Wasserverbrauch, CO2-Ausstoß...),

–   Nutzung (Wartungsaufwand, Lebensdauer...) und

–   Verwertung (Demontage, Recycling ...)

werden in umfangreichen Bilanzierungen behandelt. Neben diesen immer noch technischen Eigenschaften sind aber auch soziokulturelle Faktoren ein Thema. Gestaltungsaspekte, Behaglichkeitsthemen wie der thermische Komfort in Sommer und Winter, Umnutzbarkeit und Barrierefreiheit erweitern das Spektrum der Bewertung nochmals.

Weltweit existiert eine Vielzahl von Nachhaltigkeits-Zertifizierungssystemen für Gebäude. Systeme wie LEED, BREEAM, BNB und DGNB fordern von den Herstellern Produktinformationen, die wichtige Kriterien der Nachhaltigkeit über den ganzen Produkt-Lebenszyklus beschreiben. Wie wichtig auch die Nachnutzung und das Recycling sind, zeigt z. B. die Asbest-Problematik oder die intensive Diskussion über die Endlagerung von Baustoffen aus Atomkraftwerken. Die Ermittlung der Umweltwirkungen erfolgt im Rahmen einer Umweltproduktdeklaration (EPD) gemäß DIN ISO 14025 sowie EN 15804. Um entsprechende EPDs erstellen zu können, ist eine Product Category Rule (PCR) notwendig, die für die Produktgruppen sinnvolle Randbedingungen und Verfahren festlegt. Leider hemmt die Vielzahl der Systeme trotz beachtlicher Erfolge den Durchbruch der Nachhaltigkeitszertifizierung. Außerdem fehlt die verbindliche Verankerung in den Produktnormen unter der BauPVO.

Eine PCR stellt allgemeine Regeln für die Erstellung der Umweltproduktdeklarationen (EPD – Environmental Product Declaration) zur Verfügung. Die PCR sind aufgebaut wie ein Regelwerk oder ein Leitfaden. Verpflichtende Aussagen werden im Rahmen einer EPD nur für die Herstellung gefordert („cradle to gate“, d. h. von der Wiege bis zum Werkstor). Die restlichen Lebenszyklusphasen „gate to grave“ (vom Werkstor bis zur Bahre) können optional betrachtet werden. Da die Zertifizierungssysteme BNB und DGNB Informationen aus allen Produktlebenszyklusphasen benötigen, ist es sinnvoll, bei der Erstellung einer EPD alle notwendigen Daten zu ermitteln. In einer EPD müssen als „Pflichtteil“ für die Herstellphase mindestens Aussagen zu den Indikatoren gemäß Tabelle 3 gemacht werden. Neben den Pflichtangaben können in der EPD freiwillige Angaben zu den Umweltwirkungen der weiteren Lebenszyklen gemacht werden: „gate to grave“ (vom Werkstor bis zum Grab). Dies sollte auch genutzt werden, da notwendige Informationen von den meisten Zertifizierungssystemen für Gebäude gefordert werden, und vor allem die Nutzungsphase einen großen Einfluss hat.

Die Tabelle gibt Nachhaltigkeitsindikatoren an. Beschriftet sin die Spalten mit "Nr.", "Indikator", "Foto" und "Beschreibung". Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Tabelle 3: Nachhaltigkeitsindikatoren

Bei der Analyse von Produktionsprozessen für die Erhebung der Daten hat sich gezeigt, dass dabei auch Optimierungspotenziale aufgedeckt werden. Somit haben die Anstrengungen für die EPD den Nebeneffekt, auch wirtschaftliche Verbesserungen neben dem Zugang zu zertifizierten Bauvorhaben zu ermöglichen.

Fenster und Türen haben meist einen eher geringeren Anteil an den Flächen eines Gebäudes. Neben der Betrachtung von Emissionen von Bauelementen wie Fußböden oder Baustoffen wie Wandfarben rücken dennoch zunehmend auch Fenster und Türen in den Fokus des Interesses, da sie im Verdacht stehen, für gesundheitliche Probleme mitverantwortlich zu sein. In der Diskussion stehen dabei vor allem leichtflüchtige, flüchtige und schwerflüchtige organisch-chemische Bestandteile (VVOC, VOC, SVOC), von denen vielfältige Wirkungen auf den Menschen ausgehen können. Aufgrund der Anforderungen aus der BauPVO muss für CE-kennzeichnungspflichtige Produkte künftig – neben vielen anderen Leistungseigenschaften – auch eine Aussage zu den jeweils möglichen innenraumluftrelevanten Emissionen gemacht werden. Hierzu wurden auf europäischer Ebene vom technischen Komitee CEN/TC 351 horizontale prüftechnische Vorgaben für alle Produkte unter der BauPVO erstellt, die in den kommenden Jahren als Basis für eine Umsetzung innerhalb der jeweiligen Produktnormen dienen werden.

Für eine Bewertung der Emissionen von Bauprodukten existiert derzeit noch kein europäisch harmonisiertes Bewertungsverfahren. Neben einer Reihe privatwirtschaftlicher Kennzeichnungssysteme wurden jedoch von einigen europäischen Staaten eigene Regularien und Bewertungssysteme eingeführt. Die Umsetzung dieser Vorgaben ist zwar noch nicht direkter Bestandteil der CE-Kennzeichnung, sobald jedoch Produkte in die jeweiligen Märkte gebracht werden, müssen auch die dort vorherrschenden nationalen Anforderungen erfüllt und umgesetzt werden.

Innerhalb der Forschungsprojekte des ift Rosenheim wurden in den letzten Jahren die Emissionspotenziale von Bauprodukten wie Fenstern und Innentüren untersucht und bewertet. Zielsetzung war dabei, auch jeweils eine generelle Datenbasis zu schaffen sowie Vorgehensweisen zu erarbeiten, damit künftige Änderungen der Produktnormen in diesem Bereich sinnvoll und praxisnah vorbereitet werden können.

Das Foto zeigt Fensterelemente in der Freibewitterung
Bild 27: Fensterelemente in der Freibewitterung

Anfang Mai 2016 wurde zudem das Forschungsvorhaben „Untersuchung der Auswaschungen von Bauelementen aus Holz, Kunststoff, Metall und Glas zur Bewertung der Auswirkungen auf Boden und Grundwasser“ abgeschlossen. Aufgrund negativer Erfahrungen bei Wärmedämm-Verbundsystemen rücken die weiteren Bauteile der Außenwand bzgl. Auswaschung von schädlichen Stoffen in den Fokus. Ziel des Forschungsvorhabens war die detaillierte Erforschung der Auswaschungen von Bauelementen der Gebäudehülle aus Holz, Kunststoff, Metall und Glas. Für die Untersuchungen unter natürlicher Freibewitterung (Bild 27) wurde eine repräsentative Auswahl von Fensterelementen getroffen. An zwei Standorten wurden komplette Fensterelemente aus Holz, Kunststoff und Aluminium bewittert; das ablaufende Regenwasser wurde hinsichtlich verschiedener chemischer Prüfparameter, z.B. pH-Werten, Schwermetallen, Spurenelementen, bioziden Wirkstoffen etc., analysiert.

Sowohl bei den betrachteten Bauelementen als auch den Einzelkomponenten konnten in Abhängigkeit vom jeweils betrachteten Produkt in der Freibewitterung wie auch bei beiden Laborverfahren messbare Auswaschungen festgestellt werden. Mit Ausnahme des Biozids Propiconazol und des Phenolindex bewegten sich die ermittelten Eluatkonzentrationen überwiegend im Bereich der Hintergrundwerte oder lagen unterhalb der Bestimmungsgrenzen der analytischen Messverfahren. Eine Bewertung der ausgewaschenen Substanzen hinsichtlich eines möglichen Gefährdungspotenzials ist aufgrund derzeit (noch) nicht definierter Bewertungsmodelle nicht möglich.

Sowohl bei den Emissionen als auch bei den Auswaschungen konnte für die überprüften Bauelemente insgesamt also keine 100%ige Entwarnung gegeben werden. Die festgestellten Mengen an gefährlichen Substanzen waren zwar äußert gering, aber dennoch nachweisbar. Auf europäischer Ebene geht die Diskussion zu den Bewertungsmaßstäben weiter; es ist derzeit noch nicht absehbar, ob für die Fenster, Türen und Fassaden zukünftig weitergehende Nachweise gefordert werden. Es ist von weiterem Forschungs- und Optimierungsbedarf für die Zukunft auszugehen.

Fenster und Fassaden 2016: Komfortabel, energieeffizient, intelligenter und sicher

Die vergangenen 50 Jahre waren von immensen Entwicklungssprüngen bei der Fenstertechnik geprägt. Viele Diskussionen um Verschärfungen von Anforderungen in den Wärmeschutzverordnungen und anderen Regelwerken haben letztendlich zu Verbesserungen bei den Produkten geführt. Das „komplexe“ Fenster ist aus dem modernen Bauen nicht mehr wegzudenken.

Aktuell befindet sich die gesellschaftliche Entwicklung in einer sehr dynamischen Phase. Wesentliche Strömungen finden starken Wiederhall im Bauwesen und bei Fenstern, Türen und Fassaden:

–   Urbanisierung mit der Konzentration von Wohnen, Verkehr und Infrastruktur im städtischen Raum;

–   Digitalisierung von Dienstleistungen und Produkten;

–   regelmäßige wirtschaftliche und politische Krisen mit der Verstärkung von Gefühlen der Unsicherheit;

–   demographische Veränderungen mit älter werdender Bevölkerung und Erweiterung des Spektrums von Formen des Zusammenlebens;

–   weiterhin hohe Sensibilität bei Umweltthemen.

Die sich im Zuge der Nachhaltigkeitsbetrachtungen einstellende Erweiterung des Beurteilungsspektrums von Bauelementen erweist sich vor diesem Hintergrund als richtig. Einige der über die letzten Jahrzehnte bestimmenden Kennwerte wie der U-Wert oder der Fugendurchlasskoeffizient haben mittlerweile kaum noch etwas mit der Kaufentscheidung des Kunden zu tun. Das liegt einerseits daran, dass auch bei Standardprodukten ein hohes Niveau bei diesen Eigenschaften erreicht wird, und ein höheres Niveau für den Kunden keinen fühlbaren Mehrwert mehr bietet. Die „Energieeinsparung“ wird zudem durch die „Energieeffizienz“ abgelöst. Hierunter können sommerlicher und winterlicher Wärmeschutz und die thermische Behaglichkeit zusammengefasst werden.

Andererseits bestimmen Sicherheits- und Komfortthemen mittlerweile die Entscheidung für neue Fenster. Die leichte und sichere Bedienung von Fensterflügel, Lüftungs- und Sonnenschutzeinrichtungen, komfortable Überwachung von Schließzuständen, leichte Passierbarkeit (Bild 28) usw. kommen den Anforderungen einer älteren und sicherheitsbedürftigeren Gesellschaft entgegen.

Die Tabelle stellt die Bewertung unterschiedlicher Schwellenausführungen dar. Beschriftet sind die Spalten mit "Typ", "Schematische Darstellung", "Barrierefreiheit", "Überrollbarkeit" und "Stolpergefahr". Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Bild 28: Auszug aus ift-Richtlinie FE-17/1 Einsatzempfehlungen für Fenster bei altersgerechtem Bauen und in Pflegeeinrichtungen: Beschreibung und Bewertung von verschiedenen Bodenschwellenausführungen

Von der Energiewende zur Komfortwende? Begünstigt wird die Verbreitung elektromotorischer Bauelemente vor allem durch das Smartphone, das eine intuitive Nutzung durch unterschiedliche Ziel- und Altersgruppen erlaubt. Für die neuen „Alten“ von morgen ist dies mittlerweile genauso selbstverständlich wie für die Jugend. Natürlich entbrennt damit auch eine neue Sicherheitsdiskussion. Was macht die „Cloud“ mit unseren Daten? Und lassen sich die Schließsysteme manipulieren? Beispiele aus der Autoindustrie wie bei angreifbaren Keyless-Systemen („schlüssel-los = auto-los?“) zeigen den Handlungsbedarf. Bei schlüssellosen Türen, die mit Funkchip oder Fingerprint arbeiten, muss die elektronische Verarbeitung der Signale innerhalb des Hauses erfolgen und ausreichend gesichert sein. Ansonsten haben „Langfinger“ mit elektronischen Decodern leichtes Spiel. Hier gibt es noch einiges an Entwicklungsarbeit zu leisten. Das ift Rosenheim hat deshalb ein neues Geschäftsfeld zur Bewertung der Nutzungssicherheit, Einbruchhemmung und Betriebssicherheit aufgebaut, das auch elektromechanische Antriebe und Steuerungen umfasst.

Zu sehen sind zwei Fotos von der Prüfung der Wechselwirkungen eines „elektrifizierten“ Fensters.
Bild 29: Prüfung der Wechselwirkungen eines „elektrifizierten“ Fensters – Empfindlichkeit auf äußere Einwirkungen elektromagnetischer Strahlung und Störungen, die durch das Fenster auf dessen Umgebung ausgehen.

Das im Jahr 2008 abgeschlossene F&E-Projekt „Elektronik im Fensterbau“ behandelte viele Themen, die aktueller sind denn je. So lohnt ein Blick in die Fragestellungen und Ergebnisse des Projekts. Die Integration von Elektronik im Fenster-, Fassaden- und Türenbau ist ein komplexes Thema. Durch das Zusammenwirken unterschiedlicher Gewerke wie z. B. Fensterbau, Elektrotechnik, TGA etc. entstehen viele Schnittstellen und eine Vielzahl von Wechselwirkungen. Eine Vielzahl von Fragestellungen betrifft nur das Produkt Fenster/Tür/Fassade an sich:

–   Anforderungen auf Grund der elektrotechnischen Grundnormen und Regeln,

–   Leitungsführung und Auswahl im und am Element,

–   Umsetzung der Anforderungen der Produktnorm EN 14351-1,

–   Anforderungen an elektronische Bauteile bei Einsatz in der Gebäudehülle,

–   Verhalten von Fenstern, Türen und Fassaden bzgl. der elektromagnetischen Verträglichkeit (Bild 29).

Diese können durch die Hersteller, Systemhäuser und Zulieferer durch Festlegung von Standards und eigene Untersuchungen gelöst werden. Als schwierig erweist sich die Kommunikation und Abstimmung mit dem Gewerk Elektrotechnik bzw. der TGA (Technische Gebäudeausrüstung) vor Ort:

–   Definition der Schnittstellen zu anderen Gewerken wie z. B. Übergabepunkte,

–   Definition bzw. Vereinbarung einheitlicher Parameter wie erforderliche Spannung, Stecker usw.,

–   einheitliche Kennzeichnung der Leitungen bzw. Belegung des Steckers,

–   einheitliche Sprache bei Ausschreibungen,

–   Beschreibung unterschiedlicher Ansteuerungskonzepte.

Mit dem am ift durchgeführten Forschungsvorhaben wurden hierzu erste Empfehlungen gegeben. Die Erkenntnisse und Festlegungen der Untersuchungen bildeten die Grundlage für einen Leitfaden zur Planung der Integration von Elektronik in Fenster, Türen und Fassaden. Zielgruppe dieses Leitfadens ist neben dem Gewerk Fensterbau auch das Gewerk Elektrotechnik sowie die zuständige Fachplanung. Durch den Leitfaden sollen die Beteiligten auf die Probleme bei der Planung und Umsetzung hingewiesen und sensibilisiert werden. Für spezielle Fragestellungen werden im Rahmen der Richtlinie konkrete Lösungsvorschläge für die Kommunikation und die Schnittstellendefinition der beteiligten Gewerke gegeben.

Für eine breitere Marktdurchdringung von „mechatronischen Bauteilen“ sind nach wie vor Standardisierung und weitere Festlegungen notwendig. Ein langfristiges Ziel muss hierbei eine Plug-and-Play-Lösung wie beim Computer sein. Dies wird aber nur funktionieren, wenn sowohl die Hardware (z. B. Fenster, Antriebe, Sensoren, Leitungen, Stecker etc.) als auch die Software (Busprotokolle, Übergabeparameter bei der Kommunikation etc.) dies unterstützten. Mit der Euro-Beschlagsnut existiert ein Beispiel, wie es gelungen ist, am Fenster einen einheitlichen Standard für die leichtere Anwendung von Zulieferbauteilen zu etablieren. Einheitlich angeordnete Kabelkanäle oder Leiterbahnen, die Definition eines Fenster-Universal-Steckers usw. wären wichtige Meilensteine dorthin. Die elektronischen Komponenten müssen in jedem Fall dauerhaft und sicher im Bauteil integriert werden. So ist die bereits mehrfach erwähnte Einbruchsicherheit durch elektronische Bauteile im besten Fall auch dadurch erhöht – allerdings sind auch neue Einfallstore für Manipulationen vorhanden, die es zu schließen gilt (Bild 30).

Das Schaubild zeigt sechs unterschiedliche Manipulationsmöglichkeiten von elektronischen Komponenten am Fenster und in Türen. Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Bild 30: Manipulationsmöglichkeiten von elektronischen Komponenten am Fenster und in Türen

Für zunehmend geforderte Variabilität sind einheitliche Schnittstellen im und am Fenster eine Voraussetzung. Einen Fenstertyp für alle Einsatzzwecke gibt es schon lange nicht mehr, denn je nach Nutzung bestehen gravierende Unterschiede bei den Anforderungen. Oft ist noch unklar, mit welchen technischen Eigenschaften und Kennwerten diese erfüllt werden können. Unsicherheit bezüglich der Planung, Ausschreibung und Herstellung der „richtigen“ Fenster sind die Folge. Hier besteht unserer Meinung nach ein großes Optimierungspotenzial für die Zukunft. Unter dem Titel „Anwendungsbezogene Bauteilqualität“ werden Eigenschaftsprofile von Bauelementen für spezifische Anwendungen entwickelt. Deshalb legt das ift Rosenheim eine neue Reihe von Richtlinien auf. Mit Einsatzempfehlungen für Fenster in „Schulbauten“, in „Altenpflegeeinrichtungen“ und in Kürze auch für „Innentüren in Schulbauten“ liegen bereits erste Ausgaben vor. Weitere Anwendungen sind in Planung und bedürfen einer regen Beteiligung der Branche bei Diskussion und Verbreitung bei den ausschreibenden Stellen.

Zusammenfassung und Ausblick

Die 50-jährige Reise hat zu einer technologischen Spitzenstellung von Fenstern und Fassaden aus Deutschland und Mitteleuropa geführt. Es stellt sich die Frage „Wie geht es weiter?“

Das Bauen wird durch den Bevölkerungszuwachs, die globale wie nationale Migration (Land-Stadt-Bewegung) und die demografische Entwicklung weiterhin eine zentrale gesellschaftliche und wirtschaftliche Aufgabe bleiben und an Dynamik eher noch zunehmen. Technisch wird die Weiterentwicklung der regenerativen Energieerzeugung, eine verbesserte Energieeffizienz und Haustechnik, Fortschritte in den Materialwissenschaften, Nanotechnik sowie der Einzug von Elektronik, Internet und Data-Mining in allen Lebensbereichen geprägt. In allernächster Zukunft wird dies durch den akuten Wohnungsmangel überlagert, dem die Fenster- und Türenbranche durch modulare Systeme begegnen kann, mit der sich Produkte schneller und kostengünstiger, aber dennoch individuell und mit gleichbleibender Qualität fertigen lassen.

Zu sehen sind zwei Bilder von nachhaltigen und moderne Wohnwelten der Zukunft in Megacities und auf dem Land.
Bild 31: Nachhaltige und moderne Wohnwelten der Zukunft in Megacities und auf dem Land (Bild: Siemens AG)

Viele Technologien für zukünftige Fenster und Fassaden sind im Grundsatz bereits heute vorhanden. Trotz sinkender Erzeugungskosten für regenerative Energien werden transparente Fenster- und Glasflächen das thermische Rückgrat eines Gebäudes bilden. Neue Glaskonstruktionen mit einer intelligenten Kombination aus Vakuumglas und beschichteten Gläsern werden U-Werte von 0,2 W/(m²K) bei gleichzeitig hohen g-Werten erreichen. In Verbindung mit thermischen Speichern werden die solaren Gewinne gepuffert. Die gesamte Gebäudehülle wird eine Kombination aus Glaselementen und Flächen sein, die mit organischen PV-Folien bekleidet sind, deren photoelektrische Schicht einfach und kostengünstig appliziert werden kann. Weiterhin werden wir einen Siegeszug der OLED-Technik erleben, mit der Glaselemente im Innen- und Außenbereich zu Bildschirmen und Medienfassaden werden.

Einen großen Entwicklungsschub wird die Integration elektromechanischer Bauteile bringen, die Wohnkomfort und -gesundheit sowie die Sicherheit und Energieeffizienz noch einmal deutlich verbessern. Dies ist möglich durch Fenster, Verschattungs- und Lüftungselemente, die mittels Sensoren und automatischen Antriebe intelligent und adaptiv auf den Einfluss von Wetter und Bewohner reagieren. Die Möglichkeiten des Internets und mobiler Endgeräte werden sich weiter stark verbreiten und die Bedienung beweglicher Bauelemente ähnlich stark verändern, wie wir das zur Zeit in der Automobilindustrie erleben, wo wir kurz vor der Einführung des autonomen Fahrens stehen.

Die Materialwissenschaften erleben zurzeit eine Blüte durch neue Herstell-, Fertigungs- und Analyseverfahren, die Nanotechnologie sowie die gezielte Beeinflussung der Oberflächeneigenschaften. Dies gilt in besonderem Maße bei der Entwicklung neuer Verbundmaterialien, Metalllegierungen, faserverstärkter Polymere und thermoplastischer Elastomere. Heute sind schon erste Produkte (Innentüren und Türgriffe) auf dem Markt, bei denen Silber- oder Kupferionen in die Oberflächenstruktur eingebunden werden und antibakteriell wirken. In Zukunft werden funktionale Oberflächen entwickelt, die je nach Einsatzzweck gestaltbar sind. Bei Fenstern und Fassaden wird dies eine Vereinfachung bei Wartung und Reinigung bringen, so dass das Fensterputzen und Beschläge Ölen der Vergangenheit angehören. Aber auch Oberflächen zur Verbesserung der bauphysikalischen Eigenschaften werden möglich, beispielsweise die Aufnahme von Luftfeuchtigkeit oder die Bindung von Schadstoffen. Zum Einsatz werden auch neuartige „grüne“ Baustoffe und Pflanzen kommen, die lebendige organische Materialien nutzen, und damit auch das städtische Mikroklima (Sauerstoff, Temperatur, Luftfeuchte und -qualität) verbessern.

Als Forschungs-, Prüfungs- und Zertifizierungsstelle wird das ift Rosenheim auch in den nächsten 50 Jahren die Baubranche weltweit bei der Entwicklung und Einführung neuer Technologien und Produkte unterstützen, damit die Gebrauchstauglichkeit, Qualität und Sicherheit nicht vergessen wird und das Wohnen noch gesünder, nachhaltiger und sicherer wird.

Zu sehen ist eine Kompass-ähnliche Darstellung (der ift-Kompass), die erleichternd eine objektive Bewertung innovativer neuer Produkte abgibt. Nähere Informationen zur Darstellung erhalten Sie auf Anfrage unter +49 8031 261-2150.
Bild 32: Der ift-Kompass „Universal Design“ erleichtert eine objektive Bewertung innovativer neuer Produkte.
Portraitfoto von Prof. Ulrich Sieberath

Ulrich Sieberath

ift Rosenheim

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