Leistungsbasierter Vergleich von ein- und zweiachsig tragenden Geschossdecken

Link to English version: Performance-based comparison of single- and double-span floor slabs

---

Da Geschossdecken in der Regel den grössten Teil der Masse eines Gebäudes ausmachen, liegt hier einer der grössten Hebel für die CO₂-Reduktion im Tragwerksentwurf [1]. Je effizienter die Querschnittsform und das statische System sind, desto geringer fällt der im Tragwerk notwendige Materialbedarf zur Erfüllung der statischen Anforderungen aus. Dabei ist zu beachten, dass Anforderungen aus den Bereichen Schallschutz, Brandschutz, Architektur, Gebäudetechnik und Komfort die Dimensionierung der Bauteile massgeblich beeinflussen. Statisch ineffiziente Geschossdecken sind oft nicht auf eine Überdimensionierung zurückzuführen, sondern resultieren aus diesen Anforderungen. Werden sie durch einen – aus statischer Sicht – materialeffizienten Entwurf nicht erfüllt, müssen die Konstruktionshöhen erhöht oder zusätzliche nichttragende Schichten im Aufbau ergänzt werden. Beides wirkt sich negativ auf die ökologische Nachhaltigkeit des Entwurfs aus.

Um den Einfluss dieser zusätzlichen Anforderungen an den Entwurf von Geschossdecken auf deren GWP zu untersuchen, wurde eine vertiefte vergleichende Analyse der Konstruktionshöhe sowie der Emissionswerte verschiedener Deckensysteme (Konfigurationen von Geschossdecken aus Tragwerk und Aufbau) aus Stahlbeton durchgeführt. Dabei wurden sowohl das Tragsystem (statisch wirksame Konstruktion, durch Bauingenieur:innen geplant) als auch der Aufbau (nichttragende Bodenschichten, durch Architekt:innen oder Bauphysiker:innen geplant) berücksichtigt.

Lasten und Anforderungen

Die Grundlage für die Vergleiche bilden die in der Schweiz typischen Lastannahmen sowie die massgebenden Anforderungen an die Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit aus den geltenden Normen und Rahmenbedingungen. Da aktuell der Neubau von Wohnflächen in der Schweiz gegenüber Büroflächen priorisiert wird, wurden die Lasten gem. SIA 261:2020 für Wohnbauten zugrunde gelegt.

Die Tabelle 1 enthält die zugrunde liegenden Bemessungs- und Optimierungskriterien. Sie zeigt auf, nach welchen spezifischen Anforderungen und Randbedingungen die einzelnen Deckensysteme ausgelegt und hinsichtlich eines minimalen GWP optimiert wurden. 

Grundlagen der Vergleiche

Die untersuchten Deckensysteme sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Es handelt sich um am Markt weit verbreitete ein- und zweiachsig tragende Systeme. Um den gesamten Bereich zwischen einem einfach gelagerten System und einem idealisierten Innenfeld eines durchlaufenden Systems abzudecken, wurden einfach gelagerte Systeme mit frei drehbarer resp. voll eingespannter Lagerung untersucht. Diese wurden hinsichtlich ihrer statischen Effizienz, ihres Materialeinsatzes sowie ihrer ökologischen Auswirkungen über den gesamten Lebenszyklus hinweg für Spannweiten von 3 m bis 12 m verglichen. Ein besonderes Augenmerk galt dabei der Minimierung des GWP, das auch hier als zentrale Kenngrösse zur Bewertung der ökologischen Nachhaltigkeit herangezogen wird.

Für einen fairen Vergleich der unterschiedlichen Deckensysteme wurden alle Funktionen, die eine typische Geschossdecke erfüllen muss, berücksichtigt. Die dabei zugrunde gelegten Querschnitte, Mindestabmessungen und Aufbauten können Tabelle 2 und Tabelle 3 entnommen werden. Die Mindestabmessungen wurden in Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Bauphysiker definiert, um für alle Deckensysteme möglichst die gleichen Anforderungen an den Schallschutz zu erfüllen.

Die Querschnitte wurden auf die erforderlichen Mindestabmessungen reduziert. Eingelegte Rohre, Leitungen und sonstige Einlagen würden die minimalen Querschnittsabmessungen vergrössern und so zu einer unnötigen Erhöhung der CO₂-Emission der Decken führen. Im Sinne einer Minimierung des GWP wird deshalb davon ausgegangen, dass Leitungen bei Varianten ohne Schüttung ausserhalb des Deckensystems geführt werden.

Manche Deckensysteme erfüllen die Schallschutzanforderung bereits durch ihre Masse, ggf. in Kombination mit dem in jedem Fall als notwendig vorausgesetzten Estrich, bei anderen Deckensystemen ist zusätzlich eine Schüttung auf dem Tragsystem erforderlich. Der «Standardaufbau» erfordert eine Stahlbetondecke mit einer Deckenstärke von mindestens 16 cm. Beim Aufbau «Standardaufbau + Schüttung» beträgt die Mindeststärke der Platte 13 cm, wobei zusätzlich 60 mm Kiesschüttung zum Standardaufbau erforderlich sind.

Die Minimierung des GWP wurde mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus durchgeführt. Dafür wurden die Minimal- und Maximalwerte der jeweiligen Baustoffemissionswerte herangezogen. In den weiteren Diagrammen wurde der Mittelwert dargestellt. Die in Tabelle 2 aufgeführten Variablen werden optimiert, um die Gesamtemissionen der Deckensysteme zu minimieren. Interessant ist, dass der Bewehrungsgehalt bei der Optimierung aller untersuchten Systeme tendenziell sehr gering ausfiel (Mittelwerte aller untersuchten Vollplatten 4m – 6m Spannweite 78 kg/m³, 8m – 12m Spannweite 97 kg/m³) im Vergleich zu Erfahrungswerten aus der Praxis. Das weisst darauf hin, dass der Beitrag der Bewehrung am GWP des Deckensystems massgebend ist um kleinstmögliche GWP zu erreichen.

Vergleich der einachsig tragenden Deckensysteme

Die Auswertung in Abbildung 1 zeigt, dass bei kleinen Spannweiten die Unterschiede zwischen den Deckensystemen relativ gering sind. Das GWP liegt bei einer Spannweite von 4 m im Bereich von rund 60 bis 67 kgCO₂-eq für das Gesamtsystem. Je grösser die Spannweiten werden, desto deutlicher wird der Einfluss des statischen Systems bzw. des Querschnitts auf das GWP, wobei der Einfluss des Systems über die Querschnittsform dominiert. Die durchlaufende Vollplatte erweist sich als effizienter als eine einfach gelagerte Rippenplatte. Dabei muss auch die unterschiedliche Konstruktionshöhe berücksichtigt werden; die Rippenplatte erfordert eine deutlich grössere Konstruktionshöhe, um eine vergleichbare ökologische Effizienz zu erreichen, vgl. Abbildung 1.

Die nichttragenden Schichten leisten einen wesentlichen Beitrag zu einem funktionalen Deckensystem. Wie Abbildung 1 verdeutlicht, fallen sie jedoch auch in den CO₂-Betrachtungen ins Gewicht. Sie verursachen bei kleineren Spannweiten rund die Hälfte des gesamten GWP des Deckensystems, vgl. Tabelle 4. Die Wahl der nichttragenden Bodenschichten ist somit ebenso bedeutsam für die Reduktion des GWP wie die Wahl des Tragsystems. Ein vollständiger Vergleich von Deckensystemen muss daher auch die nichttragenden Schichten berücksichtigen. 

Tabelle 4: Konstruktionshöhen und GWP der Trag- und Deckensysteme von einachsig tragenden Stahlbetondecken für ausgewählte Spannweiten (Minimalwerte pro Spannweite in grün).

Die detaillierte Betrachtung kleiner Spannweiten im Bereich von 3 m bis 6 m zeigt, dass durch den Standardaufbau mit Schüttung die Deckenstärken auf die Mindestdeckenstärke von 13 cm (erforderlich für den Schallschutz bei 60 mm Kiesschüttung) reduziert werden können. Dadurch weisen die Systeme mit dem Standardaufbau mit Schüttung bei kleinen Spannweiten (4.5 m für die Vollplatte, einachsig tragend, einfach gelagert resp. 6 m für die Vollplatte, einachsig tragend, durchlaufend und der Rippenplatte einachsig tragend, einfach gelagert) die geringsten GWP auf.

Detaillierte Auswertung für kleinere Spannweiten

Ab 6 m Spannweite gleicht sich die statisch erforderliche Deckenstärke der Mindestdeckenstärke des Deckensystems mit dem Standardaufbau an, wodurch die durchlaufende Vollplatte mit dem Standardaufbau effizienter wird, vgl. Abbildung 2. 

In Tabelle 4 sind die massgebenden Punkte von Abbildung 1 für Spannweiten von 4 m, 8 m und 12 m zum Vergleich zusammengestellt. 

Vergleich mit zweiachsig tragenden Deckensystemen

Das Optimierungspotential von zweiachsig tragenden Tragsystemen, wie umlaufend gelagerte Platten, die frei aufliegen oder eingespannt sind, wurde ebenfalls untersucht. Durch einen zweiachsigen Lastabtrag lassen sich sowohl Durchbiegungen als auch Bemessungsmomente deutlich reduzieren. Vereinfachend wurde von derselben Spannweite in beiden Richtungen ausgegangen. Verglichen werden die Systeme mit der einachsig tragenden, durchlaufenden Vollplatte.

Wie aus Abbildung 3 ersichtlich zeigt sich bei geringen Spannweiten von 3 m bis 5 m, dass die einachsig tragende durchlaufende Platte gleich effizient wie die zweiachsig tragende eingespannte Platte ist. Dadurch, dass die Mindestabmessung der Deckenstärke massgebend wird, wird keine Reduktion der Deckenstärke aufgrund der Lagerung erzielt. Die geringste Deckenstärke wird ebenfalls mit dem Standardaufbau mit Schüttung erzielt. Die zweiachsig tragende, durchlaufende Platte kann sogar bis zu einer Spannweite von 8 m mit der minimalen Stärke von 13 cm ausgebildet werden. Die massgebenden Punkte in Abbildung 3 sind in Tabelle 5 angegeben.

Das Potential der Wahl eines effizienten statischen Systems hinsichtlich einer Reduktion des GWP ist auch hier klar ersichtlich. Die frei drehbar gelagerte Vollplatte benötigt auch bei zweiachsiger Tragwirkung eine grössere Plattenstärke und weist zudem das höchste GWP auf. 

Tabelle 5: Konstruktionshöhen und GWP der Trag- und Deckensysteme von zweiachsig tragenden Vollplatten verglichen mit der durchlaufenden, einachsig tragenden Vollplatte für ausgewählte Spannweiten (Minimalwerte pro Spannweite in grün).

Einfluss der Anforderungen an Tritt- und Schallschutz

Die vorgestellten Deckensysteme erfüllen die Mindestanforderungen an den Tritt- und Schallschutz gem. SIA 181:2020, Tabellen 2 und 4. Werden erhöhte Anforderungen angestrebt, muss die Mindestplattenstärke mit dem Standardaufbau in Absprache mit der Bauphysik definiert werden. Für die gewählten Bodenaufbauten erhöht sich die erforderliche Plattenstärke von 16 cm auf 24 cm. 

Abbildung 4 zeigt, dass eine Deckenstärke von 24 cm für einachsig tragende Platten erst ab einer Spannweite von rund 6.5 m (einfach gelagert) resp. 11 m (durchlaufend) statisch notwendig ist, für zweiachsig tragende Platten sogar erst ab 9.5 m resp. deutlich mehr als 12 m Spannweite. Die Wahl der Schallschutzanforderungen hat demnach einen massgebenden Einfluss auf die Konstruktionshöhe und damit auf das GWP der Tragsystem und sollte mit Umsicht getroffen werden (keine übermässigen Anforderungen, wo nicht zwingend notwendig). 

Variation der CO₂-Emissionen der Baustoffe

In Abbildung 5 sind die Ergebnisse aus Abbildungen 1 c) und 3 c) zusammengefügt. Zusätzlich wurde die Variation der CO₂-Emissionen der Baustoffe abgebildet. Die Variation der CO₂-Emissionen wurde bereits in einem früheren Blogpost untersucht. Es ist ersichtlich, dass die Berücksichtigung der Variation zu grossen Überlappungsbereichen der GWP der verschiedenen Tragsysteme führt. Die Wahl des Herstellers bzw. der Produkte innerhalb einer Baustoffgruppe haben somit einen entsprechend starken Einfluss auf das GWP des Tragwerks. Wird für eine Baustoffgruppe ein Produkt mit hohem GWP bei einem effizienten Tragsystem eingesetzt, kann das Gesamt-GWP trotzdem grösser sein als bei einem weniger effizienten System, bei dem jedoch ein Produkt mit geringem GWP verwendet wurde. 

Dieses Ergebnis legt nahe, wo immer möglich für eine Baustoffgruppe ein Produkt mit geringem GWP einzufordern, resp. Anreize zu deren bevorzugten Verwendung zu schaffen. Dies kann z.B. durch entsprechende Vergabekriterien im Rahmen einer Submission [2] erreicht werden. Solange jedoch beim Entwurf das spezifische Produkt nicht bekannt ist, sind bei der Beurteilung verschiedener Entwurfsvarianten jeweils auch die vorhandene Variation pro Baustoff zu berücksichtigen. Die in den bekannten Datenbanken (u.a. KBOB [3]) verfügbaren Nachhaltigkeitskennwerte je Baustoff sollten um Angaben zur Variation ergänzt werden, um die Zuverlässigkeit der darauf basierenden Nachhaltigkeitsvergleiche zu gewährleisten. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund wichtig, dass viele Akteur:innen und Entscheidungsträger:innen in der Bauindustrie, etwa Architekt:innen, Bauingenieur:innen oder Bauherrschaften, keine vertiefte Ausbildung in der Nachhaltigkeitsbewertung haben, aber Entscheidungen auf Basis dieser Daten treffen müssen – typischerweise in frühen Planungsphasen, wenn noch keine spezifischen Produkte oder gar Hersteller bestimmt werden können, sondern lediglich die grundsätzliche Materialwahl getroffen wird. Da die Variation der CO₂-Emissionen einzelner Materialien erheblich ist, bilden Ökobilanzen von Tragwerken, die für das jeweilige Material lediglich den GWP-Mittelwert berücksichtigen, die Realität nur unzureichend ab und verunmöglichen dadurch eine qualifizierte Bestellerkompetenz.

Fazit

Öffentliche und private Entscheidungsträger sind auf fundierte Fachkenntnisse und Beratung der Planenden angewiesen, um bereits in frühen Projektphasen fundierte Entscheide hinsichtlich emissionsarmen und ressourcenschonenden Bauens zu treffen. 

Dabei ist zu beachten, dass zum Zeitpunkt des Entwurfs eines Tragwerks die Emissionen der gewählten Baustoffe nur grob geschätzt werden können. Die in diesem Projekt dargestellten Variationen innerhalb der jeweiligen Materialgruppen zeigen, dass herstellerspezifische Parameter die Nachhaltigkeit der verwendeten Produkte stark beeinflussen können. Weiter ist zu bedenken, dass eine isolierte Betrachtung der Nachhaltigkeit auf Materialebene nicht zielführend ist, da die Baustoffe eine unterschiedliche mechanische Leistungsfähigkeit aufweisen, welche den Materialverbrauch und damit das GWP des Tragwerks stark beeinflusst.

Durch die Kenntnis der Variation innerhalb einer einzelnen Materialgruppe kann im Beschaffungswesen die Möglichkeit geschaffen werden, maximal zulässige Umweltbelastungen für ein bestimmtes Material vorzuschreiben, um die tatsächlich auftretenden CO₂-Emissionen aktiv steuern zu können. 

Der Vergleich der Trag- und Deckensysteme zeigt die Notwendigkeit der Betrachtung von Gesamtsystemen, die identische Anforderungen erfüllen, da für den Entwurf des Gesamtsystems oftmals nicht die statischen Anforderungen massgeben sind. Diese Vergleiche müssen in den frühen Projektphasen geführt werden, da zu diesem Zeitpunkt die GWP-Reduktion noch am stärksten beeinflusst werden kann. Um Treibhausgasemissionen effektiv zu reduzieren, sind optimierte Bauteildimensionen und Materialien, statisch optimierte Tragsysteme (im Rahmen der Möglichkeiten aufgrund der übrigen Anforderungen) und eine ganzheitliche Betrachtung aller Bauteile inklusive nichttragende Schichten nötig. 

Finanzierung

Die Finanzierung erfolgt zu einem grossen Teil über Projektpartner. Der Finanzierungsstand liegt Die Finanzierung des Projekts erfolgt zu einem grossen Teil über Projektpartner. Der Finanzierungsstand liegt derzeit bei rund 80%, für die fehlenden 20 % sind wir auf der Suche nach weiteren Partnern aus der Bauindustrie. Es würde uns insbesondere freuen, einen Partner aus der Holzbaubranche für das Projekt gewinnen zu können.

Ein grosser Dank geht an unsere bereits bestehenden Partner, die mit Ihrem Beitrag das Projekt ermöglichen:

• Anliker AG
• Debrunner Acifer AG
• Holcim (Schweiz) AG
• Implenia AG
• Marti Bauunternehmung AG
• TFB AG
• Walo Bertschinger AG
• armasuisse Immobilien

---

Forschungsgruppe: Nachhaltigkeit im Tragwerksentwurf

Referenzen

1. Bischof, P.; Mata-Falcon, J.; Kaufmann, W. (2022) Fostering innovative and sustainable mass-market construction using digital fabrication with concrete. Cement and Concerte Reserach 161, 106948.
2. Empfehlung Nachhaltige Beschaffung von THGE-relevanten Baumaterialien – Beispielhafte Anwendung am Bewehrungsstahl, KBOB, 2026.
3. Ökobilanzdaten im Baubereich, Version 8.02, Bundesamt für Umwelt (BAFU), KBOB, Amt für Hochbauten Stadt Zürich und Verein ecobau, https://www.ecobau.ch/de/instrumente/oekobilanzen, 16.03.2026.