Norm zur Bemessung von tragendem Lehmstein­mauerwerk verabschiedet

Kann Lehmsteinmauerwerk energieintensive Mauerwerksbaustoffe ersetzen?

Im Dezember des Jahres 2022 wurde der Normenentwurf E-DIN 18940:2022-10 Tragendes Lehmsteinmauerwerk – Konstruktion, Bemessung und Ausführung einstimmig vom DIN-Ausschuss NA 005-06-08 AA verabschiedet [1]. Die Veröffentlichung der Norm erfolgt im April 2023 [2]. Mit der bauaufsichtlichen Einführung durch das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) ist im Laufe des Jahres 2024 zu rechnen. Die Einführung der Bemessungsnorm stellt einen wichtigen Schritt für die Anwendung klima- und ressourcenschonender Bauweisen dar. Gebäude mit einer maximalen Höhe von 13 m (Gebäudeklasse 4) lassen sich nun in tragender Lehmsteinbauweise ausführen.

1 Einführung

Das Bauen mit Lehmsteinmauerwerk zählt zu den ältesten Bautechniken weltweit und war auch in Europa weitverbreitet [3]. Im Zuge der Industrialisierung im 19. Jahrhundert wurde es jedoch nahezu vollständig durch Mauerwerk aus künstlichen Steinen wie gebrannten Ziegeln oder Kalksandsteinen ersetzt. In den letzten Jahrzehnten hat Lehmsteinmauerwerk, bestehend aus Lehmsteinen und Lehmmauermörtel, in Deutschland wieder an Bedeutung gewonnen. Hintergrund für das wachsende Interesse an Lehmbaustoffen im Allgemeinen ist ihre hervorragende Ökobilanz. So ist im Vergleich zu anderen mineralischen Baustoffen das Treibhauspotenzial (GWP) von Lehmbaustoffen deutlich geringer. ­Hinzukommt, dass andere Baustoffe wie Beton am Ende ihres ­Lebenszyklus nur zu minderwertigen Bestandteilen für neue Materialien recycelt werden können. Lehmbaustoffe hingegen können vollständig wiederverwendet werden [4].

Die Bauindustrie verursacht etwa 11 % der weltweiten CO₂-Emissionen und fast die Hälfte des allgemeinen Rohstoffverbrauchs in Europa fällt auf die Bauindustrie [5]. Demgegenüber steht ein immer weiter steigender Bedarf an Wohnraum in Deutschland. Laut der Wohnungsmarktprognose 2030 des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumentwicklung (BBSR) [6] gilt es in Deutschland im nächsten Jahrzehnt eine Nachfrage von 230.000 neuen Wohnungen pro Jahr zu decken. Generell werden derzeit rd. 73 % aller Wohngebäude in Mauerwerkbauweise errichtet, v. a. aus Ziegel (42 %), Porenbeton (30 %) und Kalksandstein (23 %) [7]. Lehmsteinmauerwerk weist ähnliche Tragfähigkeiten wie Porenbeton auf und stellt damit v. a. in Bereichen, in denen keine hohe Materialfestigkeit gefordert ist, eine umweltfreundliche und ressourcenschonende Alternative zu Mauerwerk aus künstlichen Steinen dar.

Grundlage für die Bemessung, Konstruktion und Ausführung von tragendem Lehmsteinmauerwerk bildet ab April 2023 die DIN 18940:2023-04 [2]. Nach einer baurechtlichen Einführung durch das DIBt, mit der 2024 zu rechnen ist, lassen sich Gebäude mit einer maximalen Höhe von 13 m (Gebäudeklasse 4) nun in tragender Lehmsteinbauweise ausführen.

2 Vorstellung der neuen Norm DIN 18940 Tragendes Lehmsteinmauerwerk – Konstruktion, Bemessung und Ausführung

Bisher erfolgt die Bemessung von tragendem Lehmsteinmauerwerk in Deutschland nach den Lehmbau Regeln [8], welche in allen Bundesländern Bestandteil der Listen der Technischen Baubestimmungen (LTB) sind. Das in den Lehmbau Regeln verankerte Bemessungskonzept basiert auf dem globalen Sicherheitskonzept und entspricht damit aus sicherheitstheoretischer Sicht nicht mehr dem aktuellen Stand der Technik. Weiterhin wird der Einfluss der Materialfeuchte auf die Festigkeitsgrößen nicht explizit berücksichtigt.

Im Rahmen eines durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Forschungsvorhabens konnten ausreichend Grundlagen zusammengetragen werden, um ein neues Bemessungskonzept basierend auf Teilsicherheiten zu entwickeln. Ausgehend von experimentellen Untersuchungen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) sowie numerischen Betrachtungen der TU Darmstadt wurde von den Autor:innen der Normenentwurf E-DIN 18940 Tragendes Lehmsteinmauerwerk – Konstruktion, Bemessung und Ausführung [1] erarbeitet. Das Bemessungskonzept lehnt sich an die Grundprinzipien der Vereinfachten Berechnungsmethoden für unbewehrte Mauerwerksbauten nach DIN EN 1996-3/NA [9] an und berücksichtigt dabei die materialspezifischen Eigenschaften von Lehmsteinmauerwerk, insbesondere den Einfluss der Feuchte auf die Festigkeits- und Verformungskenngrößen.

2.1 Anwendungsbereich der DIN 18940

Während nach den Lehmbau Regeln [8] maximal zweigeschossige Gebäude in der Gebäudeklasse 2 zulässig sind, ermöglicht die neue Norm die Bemessung von tragendem Lehmsteinmauerwerk in Gebäuden mit einer maximalen Höhe von 13 m (Gebäudeklasse 4). Die tragenden Lehmsteinwände erfüllen dabei auch die An­forderungen an die Feuerwiderstandsdauer von 60 min gemäß Gebäudeklasse 4. Lehmsteinmauerwerk ist konstruktiv vor direkter Bewitterung zu schützen, was in Form von WDVS, Fassadenbekleidungen, Putz etc. normativ vorgeschrieben wird. Aufgrund der Wasserlöslichkeit von Lehmsteinmauerwerk ist die Anwendung in Überschwemmungs- oder Hochwassergebieten im Rahmen der Norm explizit ausgeschlossen.

2.2 Bauprodukte

Für tragendes Lehmsteinmauerwerk nach DIN 18940 sind Lehmsteine nach DIN 18945 [10] sowie Lehmmauermörtel nach DIN 18946 [11] zu verwenden. Die Baustoffnormen für Lehmbau­stoffe schließen die Beimengung von Stabilisierungsmitteln wie Zement oder Polymerdispersion bewusst aus, da sich diese negativ auf die Ökobilanzierung und das Raumklima auswirken würden. Auch ohne Stabilisierungsmittel können Bauprodukte mit ausreichenden Festigkeiten für die Gebäudeklasse 4 erreicht werden. Die charakteristische Mauerwerksdruckfestigkeit beträgt je nach Druckfestigkeitsklasse der Lehmsteine zwischen 1,9 N/mm² und 2,8 N/mm² und ist damit vergleichbar mit der Festigkeit von Mauerwerk aus Porenbetonsteinen.

Auch das Vermauern von Lehmsteinen mit anderen Mauermörteln wie Kalkzementmörtel ist im Rahmen der Norm nicht geregelt, da diese bei den stark saugenden Lehmsteinen zum Verbrennen neigen, damit nicht ausreichend abbinden und somit geringere Festigkeiten entwickeln. Außerdem lässt sich im Falle des Rückbaus der Mörtel nicht gut separieren. Ebenfalls nicht Bestandteil der DIN 18940 ist Mauerwerk aus konventionellen Mauersteinen wie Ziegeln oder Kalksandsteinen in Kombination mit Lehmmauermörtel. Unter dem Gesichtspunkt des Recyclings dieser Steinsorten ist die Kombination mit Lehmmauermörtel aber zukünftig durchaus von Interesse. Es ist grundsätzlich anzunehmen, dass das Bemessungsverfahren für Lehmsteinmauerwerk auch auf Mauerwerk aus konventionellen Steinen mit Lehmmauermörtel anwendbar wäre. Allerdings liegen bisher keine Versuche vor, die diese Annahme belegen.

Derzeit nehmen mehrere Ziegel- und Kalksandsteinhersteller die hohen Energiepreise und die neue Norm für Lehmsteinmauerwerk zum Anlass, ihre Entwicklungsarbeit in Lehmsteine zu stecken. Aktuell befinden sich mehrere neue Produkte, die zum Teil auch großformatig sind, in der Erstprüfung und damit Marktfreigabe.

2.3 Besonderheiten in Konstruktion und Ausführung von Lehmsteinmauerwerk

Der wesentliche Unterschied zu anderen Mauerwerksbaustoffen ist der Einfluss der Feuchte auf die Festigkeit und Steifigkeit des Lehmsteinmauerwerks, wobei den Tragwerksplaner:innen dieser Zusammenhang aus dem Holzbau bekannt ist. Konstruktiver Feuchteschutz und ein ausreichender Witterungsschutz auf der Baustelle sind demnach sehr wichtige Punkte, die es bei der Planung, Bemessung und Ausführung von Lehmsteinmauerwerk zu berücksichtigen gilt. Die Vorgaben hierzu wurden in der DIN 18940 weitestgehend aus den Lehmbau Regeln [8] übernommen. Im Folgenden werden einzelne Punkte aus den Regelwerken hervorgehoben.

Lehmsteinmauerwerk ist vor aufsteigender Bauwerksfeuchte durch eine geeignete Abdichtung zu schützen. Da eine Feuchteeinwirkung im Spritzwasserbereich des Sockels nie ausgeschlossen werden kann, ist hier, wie auch im Holzbau, Lehmsteinmauerwerk durch wasserbeständiges Material zu ersetzen (Bild 1). Zudem ist aus Gründen des Havarieschutzes in jedem Geschoss bis mindestens 5 cm über OK Fertigfußboden wasserfestes Material zu verwenden.

Generell bedeutet eine nachhaltige Architektur nicht nur mit umweltfreundlichen und ressourcenschonenden Baustoffen zu planen, sondern auch den Entwurf an die Eigenschaften des ­Mate­rials anzupassen. Im Lehmsteinmauerwerk bedeutet ein materialgerechtes Konstruieren z. B. Öffnungen übereinander anzuordnen. So können Wandabschnitte vermieden werden, in denen höhere Wanddicken erforderlich sind. Zudem sollte das Öffnungsmaß über die Verwendung stehender Formate begrenzt werden, um hohe Einzellasten aus Stürzen zu vermeiden. Weiterhin ist eine ausreichende Anzahl langer aussteifender Wandabschnitte vorzusehen, wobei diese Aussage allgemein auf den Mauerwerksbau zutrifft.

Die handwerkliche Ausführung von Lehmsteinmauerwerk gleicht der von konventionellem Mauerwerk. Jedoch muss während der kompletten Bauzeit bis zur Fertigstellung des Bauwerks bei den Lehmbaustoffen und dem Mauerwerk stets der Witterungsschutz garantiert werden. Die Baustoffe und Wände sind bei Regen oben und seitlich abzudecken. Aufgrund der Frostempfindlichkeit dürfen Lehmbaustoffe außerdem nicht bei Frost verarbeitet werden und bis zur ausreichenden Trocknung des Lehmmauermörtels im Mauerwerk darf keine Frosteinwirkung auftreten.

2.4 Nachweis der vertikalen Tragfähigkeit von Lehmsteinmauerwerk nach DIN 18940

Wie zu Beginn dieses Abschnitts erwähnt, konnte für Lehmsteinmauerwerk das vereinfachte Bemessungskonzept für unbewehrte Mauerwerkswände nach DIN EN 1996-3/NA [9] grundsätzlich übernommen werden, wobei einzelne Parameter im Rahmen der DIN 18940 ergänzt und angepasst wurden.

Die vertikale Traglast von Lehmsteinmauerwerk wird, wie nach DIN EN 1996-3, aus dem Produkt des Bemessungswerts der Mauerwerksdruckfestigkeit, der belasteten Fläche und dem sog. Traglastfaktor Φ₁ oder Φ₂ gebildet. Der Abminderungsbeiwert Φ₁ berücksichtigt den Einfluss von Biegebeanspruchungen an Wandkopf bzw. Wandfuß, während der Beiwert Φ₂ den Einfluss der Wandschlankheit auf die Traglast abbildet und daher in Wandhöhenmitte anzusetzen ist. Versuche und numerische Modellierungen zeigen, dass Lehmsteinmauerwerk eine geringere Systemtragfähigkeit als konventionelles Mauerwerk aus Ziegeln, Kalksandsteinen oder Porenbeton aufweist. Der Grund hierfür liegt im niedrigen Elastizitätsmodul des Lehmsteinmauerwerks, der zu einer verringerten Biegesteifigkeit und vergrößerten Querverformungen führt [12]. Deshalb wird in der DIN 18940 ein Traglastfaktor in Wandmitte Φ₂ eingeführt, der an das Tragverhalten von Lehmsteinmauerwerk angepasst wurde. Der Traglastfaktor Φ₁ am Wandkopf und Wandfuß hingegen kann aus der DIN EN 1996-3/NA übernommen werden.

Der zweite große Unterschied zur Bemessung von Mauerwerk aus künstlichen Steinen besteht in der Ermittlung des Bemessungswerts der Mauerwerksdruckfestigkeit von Lehmsteinmauerwerk. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens [13, 14] sowie weitere wissenschaftliche Untersuchungen [15–17] zeigen, dass Material- und Tragverhalten von Lehmsteinmauerwerk und seinen Komponenten stark von der Materialfeuchte abhängig ist. Deswegen ist der Kontakt mit Flüssigwasser bzw. lang anhaltender hoher relativer Luftfeuchte (RLF > 95 %) zu vermeiden. Diese Einflüsse werden durch einen ausreichenden konstruktiven Feuchteschutz und Witterungsschutz während der Bauzeit verhindert (Abschn. 2.3). Allerdings werden die bemessungsrelevanten Festigkeits- und Verformungseigenschaften von Lehmsteinmauerwerk bereits im hygroskopischen Bereich mit RLF ≤ 95 % stark beeinflusst. Versuche von Wiehle und Brinkmann [13] zeigen, dass eine Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % auf 80 % bei den geprüften RILEM-Körpern aus Lehmsteinmauerwerk zu einer Abminderung der Druckfestigkeit sowie des Elastizitätsmoduls bis zu 35 % führt. Generell stellen Wiehle et al. [14] fest, dass die Abnahme der Druckfestigkeit und des Elastizitätsmoduls mit zunehmender relativer Luftfeuchte im hygroskopischen Bereich sowohl für Lehmsteine als auch für Lehmmauermörtel durch eine lineare Beziehung beschrieben werden kann.

Aus diesem Grund werden mit der DIN 18940, ähnlich wie im Eurocode 5 [18] für die Bemessung von Holz, zwei Nutzungsklassen (NKL 1, NKL 2) und ein damit verbundener Umgebungsfeuchtefaktor Μ eingeführt (Tab. 1). Die Druckfestigkeit von Lehmsteinmauerwerk muss, je nach Nutzungsklasse, mit dem Faktor Μ abgemindert werden.

Nutzungsklasse	Beispiele	Umgebungsbedingungen	Umgebungs­feuchtefaktor Μ
NKL 1	Innenwände von beheizten Räumen Außenwände von beheizten Räumen mit außenliegender Wärmedämmung	Gekennzeichnet durch eine Ausgleichsfeuchte im Lehmsteinmauerwerk, die einer RLF von ≤ 65 % entspricht. Es sind nur kurzzeitige Überschreitungen zulässig.	0,80
NKL 2	Innen- und Außenwände von unbeheizten Räumen	Gekennzeichnet durch eine Ausgleichsfeuchte im Lehmsteinmauerwerk, die einer RLF von ≤ 90 % entspricht. Es sind nur kurzzeitige Überschreitungen zulässig.	0,55

3 Vergleich der Tragfähigkeit, bauphysikalischen Eigenschaften sowie Ökobilanz von Lehmsteinmauerwerk mit Mauerwerk aus künstlichen Steinen

Um einen Vergleich von Lehmsteinmauerwerk zu Mauerwerk aus künstlichen Steinen herzustellen, werden anhand eines fiktiven Beispiels erforderliche Wanddicken ermittelt. Für die Gegenüberstellung wird Mauerwerk aus Poroton, Kalksandstein und Porenbeton herangezogen. Betrachtet wird eine Innenwand ohne ­Öffnungen eines dreigeschossigen Wohngebäudes mit Massivholzdecken. Die Randbedingungen und Lastannahmen sind in Bild 2 dargestellt, die erforderlichen Wanddicken je Material und Geschoss werden in Tab. 2 zusammengefasst.

erf. Wanddicke für …		Lehmstein-MW (LS-3-1,8-M2,5)	Porenbeton-MW (PP-2-0,5-DM)	Poroton-Hlz-T-MW1) (Poroton-Hzl-T-20-1,2-DM)	Kalksandstein-MW (KS-XL-16-1,8-DM)
Tragfähigkeit je Geschoss	2. OG	17,5 cm2)	11,5 cm	11,5 cm
	1. OG	17,5 cm	17,5 cm	11,5 cm	11,5 cm
	EG	24,0 cm	17,5 cm	11,5 cm	11,5 cm
Mindestschallschutz (≥ 53 dB) Trennwand zwischen zwei Nutzungseinheiten		17,5 cm (55,0 dB)	42 cm (53,2 dB) oder Vorsatzschale	24 cm (53,8 dB)	17,5 cm (55,0 dB)
Brandschutz einseitige Beanspruchung REI 30 / REI 60		17,5 cm / 24cm3)	11,5 cm / 15 cm4)	17,5 cm / 17,5 cm	11,5 cm / 11,5 cm
1) nach Zulassung Z-17.1-868 2) Mindestdicke von tragenden Lehmsteinmauerwerkswänden, Auslastung bei 21 % 3) jeweils mit beidseitigem Putz 4) mit beidseitigem Putz auch 11,5 cm möglich

Die erforderlichen Wanddicken sind bei Lehmsteinmauerwerk im Vergleich zu Porenbeton, Kalksandstein und Poroton etwas höher. Neben der Tragfähigkeit bestimmen jedoch oft weitere Kriterien wie Brand- und Schallschutz die Wanddicke. Diese werden ebenfalls in Tab. 2 aufgeführt. Handelt es sich bei der Innenwand z. B. um eine Trennwand zwischen zwei Nutzungseinheiten, wäre zur Einhaltung des Mindestschallschutzes bei Mauerwerk aus Poroton eine Wanddicke von 24 cm erforderlich, während beim Lehmsteinmauerwerk eine Dicke von 17,5 cm ausreichend ist. Porenbetonmauerwerk müsste sogar eine Wanddicke von 42 cm aufweisen oder alternativ eine Vorsatzschale erhalten. Auch aus Brandschutzgründen wären je nach Feuerwiderstandsklasse größere Wanddicken bei Mauerwerk aus Porenbeton und Poroton erforderlich.

Im Anbetracht des Klimawandels und der damit verbundenen jährlichen Zunahme der Tage mit Temperaturen über 30 °C in Deutschland spielt nunmehr neben dem winterlichen auch der sommerliche Wärmeschutz eine wichtige Rolle. Die hierfür maßgebliche bauphysikalische Kenngröße ist die wirksame Wärmespeicherfähigkeit C_wirk. Generell gilt: Je größer die wirksame Wärmespeicherfähigkeit der einzelnen Bauteile, die einen Raum umschließen, desto langsamer erwärmt sich der Raum bzw. kühlt er aus [19]. Damit trägt die Größe maßgeblich zu einem stabilen Raumklima bei. In Bild 3 wird die wirksame Wärmespeicherfähigkeit von Mauerwerk aus Lehmsteinen, Poroton und Porenbeton für eine effektive Wanddicke von 10 cm gegenübergestellt. Wie schon beim Schallschutz schneiden Lehm- und Kalksandstein aufgrund ihrer hohen Rohdichte deutlich besser ab als die anderen beiden Steine.

Ein wichtiges Alleinstellungsmerkmal von Lehmbaustoffen ist außerdem das gute Feuchtepuffervermögen, d. h. deren Eigenschaft, bei hohen relativen Raumluftfeuchten Feuchte aufzunehmen und entsprechend wieder abzugeben, wenn die Luftfeuchte im Raum sinkt (Bild 4). Diese Eigenschaft beeinflusst, wie im vorhergehenden Abschnitt erläutert, zwar die Festigkeitskenngrößen von Lehmsteinmauerwerk, stabilisiert im Gegenzug – wie kein anderer Baustoff – das Innenraumklima und trägt zur Vermeidung feuchtebedingter Schimmelpilzbildung bei [15]. Vor allem bei Lehmputzen wird diese Eigenschaft hervorgehoben. Sie trifft aber auf alle Lehmbaustoffe zu und hängt maßgeblich vom Tongehalt und den enthaltenen Tonmineralien ab. Da die Tongehalte bei Lehmsteinen höher sind als die bei Lehmputzen [14], ist das Feuchtepuffervermögen sogar noch ausgeprägter. Die täglichen Schwankungen der Raumluftfeuchte werden maßgeblich von der Putzschicht gepuffert; die dahinterliegenden Schichten wirken dann stabilisierend für Schwankungszyklen, die über das tägliche Maß hinausgehen, wie trockene Perioden im Winter.

Das stärkste Argument für die Verwendung von Lehmsteinmauerwerk liefert allerdings ein Vergleich der Ökobilanz der Mauerwerksbaustoffe (Bild 5). Im Allgemeinen beschreibt eine Ökobilanz die umwelt- und klimabezogenen Auswirkungen eines Produkts während seines gesamten Lebenswegs – vom Ausgangsstoff über das Werkstor bis hin zu allen Prozessen am Ende ihres Lebenszyklus. Die Datengrundlage einer Ökobilanz bilden Umweltproduktdeklarationen (EPD), in denen u. a. konkrete Umweltindikatoren wie das globale Treibhauspotenzial (Global Warming Potential GWP) des jeweiligen Produkts angegeben werden [20].

Dank einer Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) konnte der Dachverband Lehm e. V. (DVL) eine aktuelle Muster-EPD für Lehmsteine [21] erarbeiten, die in den nächsten Wochen auf der Website des DVL veröffentlicht wird. Entscheidend für die Umweltbilanz von Lehmsteinen ist das angewandte Trocknungsverfahren bei der Herstellung. Nach der Muster-EPD liegt das globale Treibhauspotenzial in der Herstellung (Module A1–A3 der Ökobilanz) von technisch getrockneten Lehmsteinen bei 55 g CO₂eq/kg. Werden die Lehmsteine hingegen freiluftgetrocknet, fällt das GWP weit geringer aus.

Lehmbaustoffe können vollständig recycelt werden [4]. Im Rahmen der Ökobilanz von Lehmsteinmauerwerk sind deshalb die Rückgewinnungspotenziale (Module D1–D3) von größter Bedeutung. Während bei anderen Baustoffen hierzu oft keine Daten vorliegen, wurden im Rahmen der Muster-EPD mithilfe von Abbruchversuchen an der FH Potsdam [22] die Rückgewinnungspotenziale für Lehmsteine experimentell erprobt und bilanziert. Bei einer Betrachtung vom Werkstor bis zum Ende ihres Lebenszyklus kompensiert die Verwendung von Mauerwerksbruch die negativen Umwelteffekte der primären Herstellung von Lehmsteinen vollständig (Bild 5). Im Sinne einer zirkulären Bauwirtschaft stecken hierin die größten Umweltentlastungspotenziale des Lehmbaus. Unter diesem Gesichtspunkt ist außerdem der Anhang A der DIN 18940 zu nennen. Als erste Bemessungsnorm regelt die DIN 18040 den Rückbau und das Recycling von Lehmsteinmauerwerk.

4 Aktuelle Beispiele aus der Praxis

Die neue Bemessungsnorm DIN 18940 wird bereits im Entwurfsstadium angewendet. Zum Beispiel wird derzeit in Bad Aibling ein Mehrfamilienhaus aus tragendem Lehmsteinmauerwerk errichtet. Weitere Projekte sind in Planung, u. a. ein Mehrfamilienhaus mit 22 Wohneinheiten in Kirchheim bei München. Im Folgenden werden die zwei Projekte näher vorgestellt.

4.1 Forschungshäuser 2 – drei Wohnungsbauten von Florian Nagler Architekten in Bad Aibling

Das Projekt Einfach Bauen [24], in dessen Rahmen im Jahr 2020 drei Forschungshäuser in Bad Aibling entstanden, geht in die zweite Runde. Wie schon beim Vorgängerprojekt, werden bei den Forschungshäusern 2 drei dreigeschossige Häuser mit je sechs Wohnungen errichtet, die, um untereinander vergleichbar zu sein, in Form und Grundriss identisch sind (Bilder 6, 7). Während die ersten drei Wohnungsbauten in monolithischer Bauweise mit Holz, Ziegeln und Beton errichtet wurden, werden nun beim Bau der Forschungshäuser 2 Baumaterialen mit schlechter Umwelt­bilanz durch einen möglichst hohen Anteil an Holz, Lehm oder Recyclingbaustoffen ersetzt. Alle Außenwände werden bei den drei Häusern in unterschiedlichen Holzbauweisen errichtet, die Innenwände hingegen in Massivbauweise. Zwei der drei Häuser werden mit tragenden Lehmwänden realisiert: im Haus 1 wird Lehmsteinmauerwerk eingesetzt, bei Haus 2 werden Stampflehmwände errichtet und bei Haus 3 recycelte Ziegel vermauert. Die massiven Innenwände sollen dazu beitragen, dass die Häuser im Winter wenig Wärmeenergie verbrauchen und im Sommer nicht überhitzen.

Da es sich um dreigeschossige Gebäude handelt und die neue Bemessungsnorm für Lehmsteinmauerwerk erst im Entwurf verfügbar war, war eine Zustimmung im Einzelfall (ZiE) für die tragenden Lehmsteinwände erforderlich. Die Erstellung des dafür notwendigen Gutachtens übernahmen die Autor:innen für ZRS Ingenieure. Die Bemessung erfolgte durch mkp Ingenieure anhand des Entwurfs der Bemessungsnorm DIN 18940 für Lehmsteinmauerwerk. Die Treppenhauswände und die Wände im 2. Obergeschoss weisen eine Wanddicke von 24 cm auf. In der Haupttragachse sind aufgrund der Öffnungen und kurzen Wandabschnitte im 1. Obergeschoss 36,5 cm dicke Lehmsteinwände erforderlich, im Erdgeschoss werden recycelte Ziegel mit Kalkmörtel in einer Wandstärke von 51 cm vermauert. Der Lehmmauermörtel und die verwendeten Lehmsteine mit einer Steindruckfestigkeitsklasse SFK 2 werden von der Firma Claytec geliefert. Ursprünglich war auch im Erdgeschoss Lehmsteinmauerwerk vorgesehen, jedoch waren zum geplanten Ausführungsbeginn keine Lehmsteine der dafür notwendigen Festigkeitsklasse SFK 3 verfügbar. Ein Zustand, der sich inzwischen geändert hat: auch Lehmsteine der SFK 4 sind inzwischen am Markt vorhanden.

Das Mauern der tragenden Lehmsteinwände wurde im Februar 2023 begonnen.

4.2 Quartier Grüner Wohnen – Mehrfamilienhäuser von Dall’Armi Architekten in Kirchheim bei München

Einfaches Bauen mit nachwachsenden Rohstoffen und Lehm ist gemäß Dall’Armi Architekten der Grundsatz für das Projekt Grüner Wohnen, in dessen Rahmen u. a. zwei Mehrfamilienhäuser mit insgesamt 22 Wohnungen entstehen (Bild 8). Auch im Tragwerk wird dieser Ansatz umgesetzt. Die Wände des Erd- und Obergeschosses sind in tragendem Lehmsteinmauerwerk und die Geschossdecken in Brettstapelbauweise geplant. Wände, Bodenplatte und Streifenfundamente des Kellergeschosses werden größtenteils aus unbewehrtem Beton hergestellt. Die hohe speicherwirksame Masse des Lehmsteinmauerwerks verbessert im Besonderen den sommerlichen wie winterlichen Wärmeschutz der Gebäude. Auch schallschutztechnisch sind aufgrund der hohen Rohdichte der Lehmsteine keine weiteren Maßnahmen wie z. B. Vorsatzschalen erforderlich.

Für die tragenden Innenwände aus Lehmsteinmauerwerk, die gleichzeitig die Wohnungstrennwände bilden, ist eine Wanddicke von 24 cm erforderlich, die Außenwände weisen eine Wanddicke von 36,5 cm auf. Auf Grundlage des Entwurfs der Bemessungsnorm DIN 18940 konnte v. a. für die Innenwände gegenüber den Lehmbau Regeln eine schlankere Wanddimensionierung erreicht werden. Die Tragwerksplanung erfolgt durch das Ingenieurbüro Mendler Consult, wobei die Autor:innen für ZRS Ingenieure die Fachberatung Lehmbau übernommen haben.

Die Lehmsteine für das Bauvorhaben Grüner Wohnen sollen von der Firma Kimm geliefert werden. Das Unternehmen, welches bisher ausschließlich Kalksandsteine produziert, entwickelt aktuell zusammen mit der Materialforschungs- und -prüfanstalt für das Bauwesen (MFPA) Weimar klein- bis mittelformatige Lehmsteine (bis zu 16 DF). Druckversuche nach DIN 18945 zeigen, dass die Lehmsteine mit mittleren Druckfestigkeiten f_St ≥ 3,5 N/mm² die Steindruckfestigkeitsklasse SFK 3 erreichen.

Um die Frostfreiheit bei der Ausführung des Lehmsteinmauerwerks zu garantieren, ist der Bau der tragenden Mauerwerkswände im Frühjahr 2024 geplant.

5 Zusammenfassung

Die Einführung der DIN 18940 für tragendes Lehmsteinmauerwerk stellt einen wichtigen Schritt für die breitere Anwendung klima- und ressourcenschonender Bauweisen dar. Dabei legt die DIN 18940 die Anforderungen, Einsatzbereiche und Leistungsmerkmale fest, die bei der Bemessung, Konstruktion und Ausführung von tragendem Lehmsteinmauerwerk beim Neubau zu berücksichtigen sind.

Generell ist Lehmsteinmauerwerk mit charakteristischen Druckfestigkeiten zwischen 1,9 N/mm² und 2,8 N/mm² keine Bauweise für schneller, weiter, höher. Die Gegenüberstellung mit Mauerwerk aus gebrannten, energieintensiven Steinen wie Poroton und Porenbeton zeigt dennoch das große Potenzial von Lehmsteinmauerwerk auf. Die aufgrund der geringeren Tragfähigkeit von Lehmsteinmauerwerk größeren Wandstärken werden relativiert durch wichtige positive Einflüsse auf den sommerlichen Wärmeschutz und das Innenraumklima. Zudem ist im Wohnungsbau oft nicht die Tragfähigkeit entscheidend für die Wahl der Wandstärke, sondern bauphysikalische Eigenschaften wie Schall- und Brandschutz. Vor allem im Schallschutz schneidet Lehmsteinmauerwerk aufgrund der hohen Rohdichte sehr gut ab. Die neue Muster-EPD für Lehmsteine macht überdies noch einmal den klaren ökologischen Vorteil gegenüber Mauerwerk aus Kalksandstein, Ziegel und Porenbeton deutlich.

Im Anwendungsbereich der Gebäudeklassen 1–4 könnte zukünftig ein großer Teil der energieintensiven Mauerwerksbaustoffe durch Lehmsteinmauerwerk ersetzt werden.

Dank

Die Bemessungsnorm DIN 18940 konnte dank des durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Forschungsprojekts Schaffung von Bemessungsgrundlagen für Lehmmauerwerk auf Basis von DIN EN 1996-3/NA mittels experimenteller und numerischer Untersuchungen entstehen. Ein besonderer Dank für die konstruktive Zuarbeit geht außerdem an Manfred Lemke vom Dachverband Lehm e. V. sowie Philipp Wiehle von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung BAM.

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Projektbeteiligte

• Forschungsvorhaben der Deutschen Bundesstiftung Umwelt: Schaffung von Bemessungsgrundlagen für Lehmmauerwerk auf Basis von DIN EN 1996/NA mittels experimenteller und numerischer Untersuchungen (2018–2022)

Projektleitung: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung BAM

Projektpartner: Technische Universität Darmstadt

Projektpartner: ZRS Ingenieure GmbH

• Quartier Grüner Wohnen, Kirchheim bei München

Bauherr: DEUTSCHES HEIM WOHNUNGSBAUGESELLSCHAFT mbH

Architektur: Dall’Armi Ingenieure GmbH Denken Planen Bauen

Tragwerksplanung: Dall’Armi Ingenieure GmbH mit Mendler Ingenieur Consult

Fachberatung Lehmbau: ZRS Ingenieure GmbH

• Forschungshäuser II, Bad Aibling

Bauherr: B&O GruppeArchitektur: Florian Nagler Architekten GmbH

Tragwerksplanung: merz kley partner GmbH

ZiE-Gutachten: ZRS Ingenieure GmbH

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Literatur

1. E-DIN 18940:2022-10 (2022) Normenentwurf Tragendes Lehmsteinmauerwerk – Konstruktion, Bemessung und Ausführung. Berlin: Beuth. Ausgabe Okt. 2022.
2. DIN 18940:2023-04 (2023) Tragendes Lehmsteinmauerwerk – Konstruktion, Bemessung und Ausführung. Berlin: Beuth. Ausgabe Apr. 2023.
3. Röhlen, U.; Ziegert, C. (2020) Lehmbau-Praxis – Planung und Ausführung. Berlin: Beuth.
4. Schröder, H.; Lemke, M. (2020) Ökologische Bilanzierungen für Lehmbaustoffe in: Dachverband Lehm e. V. [Hrsg.] LEHM 2020: Tagungsbeiträge der 8. Fachtagung für Lehmbau. 8. Internationale Fachtagung für Lehmbau, Weimar, 30. Okt.–1. Nov. 2020 (abgesagt).
5. Pfoh, S.; Schneider, P.; Grimm, F. (2015) Leitfaden 01: Ökologische Kenndaten. Projektplattform Energie, München.
6. Held, T.; Waltersbacher, M. (2015) Wohnungsmarktprognose 2030. BBSR-Analysen kompakt, H. 7.
7. Statistisches Bundesamt Destatis [Hrsg.] (2022) Bauen und Wohnen – Baufertigstellungen von Wohn- und Nichtwohngebäuden (Neubau) nach überwiegend verwendetem Baustoff, Lange Reihen ab 2000. Wiesbaden.
8. Dachverband Lehm e. V. [Hrsg.] (2009) Lehmbau Regeln – Begriffe, Baustoffe, Bauteile. Wiesbaden: Springer Vieweg.
9. DIN EN 1996-3:2010-12 inkl. NA (2010; 2019) Eurocode 6: Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten – Teil 3: Vereinfachte Berechnungsmethoden für unbewehrte Mauerwerksbauten. Berlin: Beuth. Ausgabe Dez. 2012, Dez. 2019.
10. DIN 18945:2018-12 (2018) Lehmsteine – Anforderungen, Prüfung und Kennzeichnung. Berlin: Beuth. Ausgabe Dez. 2018.
11. DIN 18946:2018-12 (2018) Lehmmauermörtel – Anforderungen, Prüfung und Kennzeichnung. Berlin: Beuth. Ausgabe Dez. 2018.
12. Brinkmann, M.; Graubner, C.-A. (2020) Load-bearing capacity of slender earth masonry walls under compression in: Kubica, J. et al. [eds.] Brick and Block Masonry – From Historical to Sustainable Masonry: Proceedings of the 17^th International Brick/Block Masonry Conference. 17thIB2MaC 2020, Krakow, July 5–8, 2020.
13. Wiehle, P.; Brinkmann, M. (2020) Tragfähigkeit von Lehmmauerwerk – experimentelle und numerische Analyse in: Dachverband Lehm e. V. [Hrsg.] LEHM 2020: Tagungsbeiträge der 8. Fachtagung für Lehmbau. 8. Internationale Fachtagung für Lehmbau, Weimar, 30. Okt.–1. Nov. 2020 (abgesagt).
14. Wiehle, P.; Simon, S.; Baier, J.; Dennin, L. (2022) Influence of relative humidity on the strength and stiffness of unstabilised earth blocks and earth masonry mortar. Construction and Building Materials 342, 128026. doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022. 128026
15. Müller, U.; Ziegert, C.; Kaiser, C.; Röhlen, U. (2012) Eigenschaften industrieller Lehmbauprodukte für den Mauerwerksbau und Verhalten von Lehmsteinmauerwerk. Mauerwerk 16, H. 1, S. 17–28. doi.org/10.1002/dama.201200527
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Autor:in

Johanna Baier, baier@zrs.berlin

Prof. Dr. Christof Ziegert, ziegert@zrs.berlin

ZRS Ingenieure GmbH, Berlin

www.zrs.berlin

Dieser Aufsatz wurde in einem Peer-Review-Verfahren begutachtet.

Eingereicht: 23. Februar 2023; angenommen: 27. Februar 2023.