Reinraumtechnik im Industriebau: Was die Statik fordert

Häufig liegt das Problem im Verborgenen — in minimalen Schwingungen, die von der Gebäudestruktur übertragen werden, oder in einer zu weichen Decke, an deren Filterdichtungen sich feinste Spalte öffnen. Was als technische Selbstverständlichkeit der Lüftungsplanung beginnt, wird in der Reinraumpraxis sehr schnell zu einer Frage der Tragwerksplanung, und diese Frage entscheidet am Ende, ob ein Prozess die geforderte ISO-Klasse dauerhaft halten kann.

Wir erleben das in unserer Planungspraxis regelmäßig: Die Schnittstelle zwischen Lüftung, Reinraumhülle und Tragwerk wird in frühen Phasen oft unterschätzt. Wer hier nicht mit der nötigen Sorgfalt plant, riskiert nicht nur teure Ertüchtigungen am Tragwerk, sondern im schlimmsten Fall eine Produktionsunterbrechung, deren Kosten sämtliche Mehraufwand für die Statik bei Weitem übersteigen.

Zusatzlasten durch Filter-Fan-Units und technische Gebäudeausrüstung

Die offensichtlichste statische Herausforderung im Reinraum sind die Lasten, die eine Filter-Fan-Unit (FFU) oder eine vergleichbare Filterdecke an die Tragkonstruktion abgibt. Ein einzelnes FFU-Modul wiegt je nach Baugröße und Ausstattung zwischen 21 kg und 46 kg, und das ist nur das Modul selbst. In einem Reinraum mit mehreren hundert Quadratmetern Grundfläche summieren sich diese Punktlasten schnell zu einer flächenbezogenen Zusatzlast, die in der ursprünglichen Tragwerksplanung des Gebäudes nicht vorgesehen war. Hinzu kommen die Lüftungskanäle, Medienleitungen, Wartungsstege und die nicht selten über der Decke installierte Beleuchtung — Lasten, die in ihrer Summe erfahrungsgemäß 1,0 bis 2,0 kN/m² an die Decke abgeben können.

Diese Lasten sind in der Statik von Anfang an als ständige Lasten zu behandeln, denn ein FFU wird einmal montiert und verbleibt über die gesamte Lebensdauer des Reinraums in dieser Position. Wir müssen bei der Bemessung berücksichtigen, dass selbst bei späteren Revisionen oder dem Tausch einzelner Module die charakteristischen Werte nicht sinken, eher im Gegenteil: Neuere FFU-Generationen sind durch verbesserte Filtertechnik häufig schwerer als ihre Vorgänger.

Die Tabelle ersetzt keine objektbezogene Berechnung, aber sie macht deutlich, warum die Tragwerksplanung eines Reinraums frühzeitig mit der TGA-Planung verzahnt werden muss. Wer die Lastreserven erst in der Ausführungsplanung entdeckt, gerät unter Termin- und Kostendruck und nimmt entweder statische Kompromisse oder erhebliche Mehrkosten in Kauf.

Durchbiegungsbegrenzung als Schutz der Reinraumhülle

Wenn die Decke eines Reinraums unter ihrer Last nachgibt, leidet nicht zuerst die Tragfähigkeit — die ist in der Regel weiterhin gegeben. Das Problem liegt in der Reinraumhülle selbst. Filter, Leuchten und Lüftungsanschlüsse sind über Dichtungen und formschlüssige Verbindungen an die Decke angeschlossen. Sobald die Tragkonstruktion sich stärker verformt, als es diese Anschlüsse mitmachen können, entstehen feine Spalten, durch die Partikel in den Reinraum eindringen oder Laminarströmungen gestört werden. Aus diesem Grund müssen wir die zulässige Durchbiegung deutlich strenger fassen als im üblichen Hochbau.

Begehbare Reinraumdecken, häufig als Kreuzbandrasterdecken ausgeführt, werden deshalb nicht nur für Eigen- und Zusatzlasten bemessen, sondern zusätzlich für Mannlasten bis 150 kg beziehungsweise 1,5 kN/m², wenn ein Techniker die Decke zur Wartung der FFUs betreten muss. Die zulässige Durchbiegung liegt in der Praxis erfahrungsgemäß im Bereich von l/500 bis l/800 der Stützweite, in Einzelfällen mit besonders engen Filteranschlüssen sogar darunter. Eine konventionelle Stahlbeton-Geschossdecke nach Mindeststandard erfüllt diese Anforderungen in der Regel nicht.

Eine Reinraumdecke verzeiht keine Nachgiebigkeit — sie ist Filttermembran, Wartungsbühne und Raumbegrenzung in einem Bauteil.

Konstruktive Lösungen für geringe Verformungen

Wo eine Standarddecke an ihre Verformungsgrenzen stößt, können vorgespannte Flachdecken, ein engmaschiger Stahlträgerrost oder eine Hybridkonstruktion aus Stahl und Brettsperrholz die wirtschaftlichere Lösung sein. In Reinräumen mit höchster Schwingungsempfindlichkeit, etwa in der Halbleiterfertigung, hat sich die Kombination aus einer massiven Bodenplatte und einer separat aufgeständerten, entkoppelten Reinraumdecke bewährt. Die Decke trägt dann nur ihr Eigengewicht und die FFU-Lasten, nicht aber die Geschosslasten des Gebäudes. Diese Trennung erkauft man sich mit zusätzlicher Bauhöhe und einer aufwendigeren Schnittstelle zur Reinraumhülle, sie zahlt sich aber aus, wenn die VC-Stufen unter VC-C fallen.

Schwingungskriterien nach VDI 2038 für hochsensible Prozesse

Bei Reinräumen, in denen nicht nur partikelarm, sondern auch erschütterungsarm gearbeitet werden muss, verschärfen sich die Anforderungen an das Tragwerk erheblich. Die VDI 2038 definiert für schwingungsempfindliche Geräte und Prozesse Kriterien in den Stufen VC-A bis VC-E, wobei sich die zulässige Schwinggeschwindigkeit von Stufe zu Stufe annähernd halbiert.

Eine wichtige Abgrenzung ist dabei nicht allen Beteiligten geläufig: Die DIN 4150-3, Ausgabe Dezember 2016, bewertet Erschütterungen im Bauwesen ausschließlich im Hinblick auf Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit des Gebäudes selbst. Sie schützt Wände, Decken und Gründungen, nicht aber die Funktion empfindlicher Geräte oder Reinraumprozesse. Wer glaubt, mit der Einhaltung der DIN 4150-3 sei automatisch auch die Schwingungsfreiheit eines Reinraums nachgewiesen, geht einem häufigen Irrtum auf den Grund. Tatsächlich liegen die zulässigen Werte nach VDI 2038 für hochsensible Anwendungen um ein Vielfaches unter denen, die nach DIN 4150-3 für das Gebäude selbst gerade noch tolerierbar wären.

Anregungsquellen und Isolierung im Tragwerk

Wir müssen daher bei der Planung eines Reinraums sehr früh klären, welche Geräte und Prozesse dort betrieben werden sollen und welche VC-Stufe diese benötigen. Davon hängt ab, ob das Gebäude auf einer eigenen, schwingungsisolierten Bodenplatte gegründet werden muss, ob schwere Maschinen oder Verkehrswege im selben Gebäude überhaupt zulässig sind und wie weit das Tragwerk von schwingungsanregenden Quellen wie Straßenverkehr, Schienenverkehr oder innerbetrieblichen Anlagen entfernt sein muss. Elastom