Steuerung der Nachhaltigkeit durch den Tragwerksentwurf

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Leistungsbasierter Vergleich von Baustoff-Emissionen unter Berücksichtigung der Datenstreuung

Link to English version: Controlling Sustainability through Structural Design


Die Bauindustrie steht vor erheblichen Herausforderungen, da durch die Instandhaltung der alternden Infrastruktur und die Abdeckung des weltweit steigenden Bedarfs an Wohn- und Nutzfläche die Bautätigkeit in den kommenden Jahren massiv zunimmt. Gleichzeitig eröffnet sich dadurch die Möglichkeit, Bauprozesse nachhaltig weiterzuentwickeln und den ökologischen Fussabdruck der Branche deutlich zu reduzieren.

In der Entwurfsphase von Tragwerken kann deren ökologische Nachhaltigkeit wesentlich beeinflusst werden. In der Forschungsgruppe rund um Professor Walter Kaufmann wird am Institut für Baustatik und Konstruktion der ETH Zürich im Rahmen eines Forschungsprojekts die Nachhaltigkeit im Tragwerksentwurf materialunabhängig betrachtet. Das Projekt wurde zusammen mit Industriepartnern lanciert und hat zum Ziel, die wichtigsten Steuerungselemente, die den Bauingenieur:innen beim Entwurf von Tragwerken zur Verfügung stehen, praxisorientiert aufzuzeigen und deren Wirkung mithilfe wissenschaftlicher Methoden zu quantifizieren. Dieses Wissen soll künftig im Rahmen von Block- und Weiterbildungskursen sowohl an angehende als auch bereits in der Praxis tätige Ingenieur:innen weitergegeben werden.

Für eine fundierte Beurteilung der ökologischen Nachhaltigkeit eines Tragwerks sind neben den Emissionen der Baustoffe die direkten und indirekten Einflüsse auf die Umweltauswirkungen eines Bauwerks zu berücksichtigen. Diese sind in Abbildung 1 konzeptionell am Beispiel von Geschossdecken dargestellt [1].

Abbildung 1: Konzeptionelle Gleichung zur Beurteilung der Emissionen am Beispiel von Geschossdecken [1].

Der einfachste und im Bauwesen heute wohl am häufigsten angewendete Hebel zur Minimierung des CO2-Emissionsäquivalent – auch als Treibhauspotential oder Global Warming Potential (GWP) bezeichnet – ist die Wahl von emissionsarmen Materialien, die in der konzeptionellen Gleichung gemäss Abbildung 1 insbesondere in den Faktor (i) Emissionen pro Masse einfliesst. Für einen repräsentativen Vergleich unterschiedlicher Baustoff- und Tragwerksvarianten ist der Faktor (ii) Masse pro Geschossfläche jedoch genauso wichtig. Er bildet ab, wie viel Masse eines Baustoffs, z.B. pro Geschossfläche, verbaut werden muss, um allen Anforderungen an Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit gerecht zu werden. In diesen Faktor spielt neben der Materialdichte auch das Volumen des verbauten Materials hinein. Je höher die statische Leistungsfähigkeit eines Materials (Festigkeit und Steifigkeit) ist und je effizienter eine Querschnittsform bzw. ein statisches System ist, desto geringer ist das erforderliche Volumen. Hinzu kommt der Faktor (iii), die indirekten Einflüsse eines bestimmten Tragsystems [1]. So können beispielsweise leichte Deckensysteme das Eigengewicht eines Bauwerks stark verringern und so zu wesentlichen Material- und Emissionseinsparungen bei den Fundationen führen. Die weiteren Faktoren (iv) Geschossfläche pro Nutzung und (v) Nutzungsdauer sind für die Emissionen ebenfalls relevant, hängen jedoch in erster Linie von den Nutzungsansprüchen und nur bedingt vom Tragwerksentwurf ab. Durch eine regelmässige Tragstruktur kann eine spätere Umnutzung und somit auch eine längere Nutzungsdauer gefördert werden.

In den weiteren Darstellungen werden CO2-Emissionsäquivalente (GWP) zur Quantifizierung der Umweltauswirkungen betrachtet.

Über die Nachhaltigkeitskennwerte von Baustoffen

Der ökologische Fussabdruck von Baustoffen hängt stark von den Produktionsprozessen, den zur Herstellung verwendeten Rohstoffen sowie dem Energiebedarf und den Energiequellen ab. Entsprechend variiert der ökologische Fussabdruck je nach Herstellungsort, Hersteller und Produkt. Die heute in der Schweiz häufig verwendeten Kennwerte aus der Liste der Ökobilanzdaten im Baubereich von KBOB und ecobau [2] bilden die Mittelwerte der Umweltauswirkungen, aber nicht deren Streuung ab. Es ist allerdings davon auszugehen, dass die Kenntnis der Streuung zu einem wesentlich besseren Verständnis der Relationen der Materialien zueinander und deren Streuungsbereich und dadurch zu einer gezielteren Materialauswahl führen kann. Um die Streuung der aktuell am Markt verfügbaren Baustoffe sichtbar zu machen, wurden in diesem Projekt die Nachhaltigkeitskennwerte von für Tragwerke relevanten und in der Schweiz breit eingesetzten Bauprodukten aus Umweltproduktdeklarationen (EPDs) einzelner Hersteller und Verbände zusammengetragen1Im Allgemeinen ist die Datengrundlage je nach Baumaterial unterschiedlich stark, wie dies Tabelle 1 exemplarisch zeigt. Für Beton wurden die EPDs für Hochbaubeton der Vereinigung Baustoff Kreislauf Schweiz (früher FSKB) berücksichtigt. Dabei handelt es sich um EPDs mit Durchschnittswerten aus 21 Schweizer Betonwerken für die NPK-Betonklassen A bis C. Die angegebenen Werte sind laut EPD repräsentativ für Betone NPK A bis C und sämtliche Werke der FSKB-Mitglieder, die die analysierten Betone produzieren [3]. Einzelne EPDs der jeweiligen Werke stehen nicht zur Verfügung, wodurch eine Aussage über die Streuung der ökologischen Kennwerte unterschiedlicher Betonlieferanten nicht möglich ist. Die nachfolgend angegebene Streuung ergibt sich somit aus den drei zur Verfügung stehenden Durchschnitts-EPDs für NPK A, B und C. Für Beton wurden keine EPDs aus dem Ausland berücksichtigt, da diese für die Bautätigkeit in der Schweiz als nicht relevant eingestuft wurden. Für Holz, Bewehrungsstahl, Baustahl und Spannstahl wurden EPDs aus ganz Europa berücksichtigt, was auch der Herkunft der auf dem schweizerischen Markt erhältlichen Baustoffe entspricht. Es wurde jedoch weder eine Marktuntersuchung noch eine Gewichtung der EPDs im Hinblick auf die tatsächlich verbauten Mengen durchgeführt. Bei den Holzwerkstoffen konnten zahlreiche EPDs von Herstellern und Verbänden gefunden werden, wovon insgesamt 22 EPDs für verschiedene Verarbeitungsgrade (Konstruktionsvollholz KVH, Brettschichtholz BSH und Brettsperrholz BSP) berücksichtigt wurden. Von den gesammelten EPD-Werten für Holz stammt einer aus der Schweiz und der Rest aus dem europäischen Ausland. Bei Bewehrungsstahl liegen den Untersuchungen 12 EPDs der Festigkeitsklassen B500B, bei Baustahl 12 EPDs der Festigkeitsklassen S235-S460 und bei Spannstahl 5 EPDs der Klasse Y1770-2160 und solche ohne Festigkeitsangaben vor. Auch bei den EPDs zu Holz-, Bewehrungsstahl-, Baustahl- und Spannstahlprodukten stammen die Werte aus Einzelprodukt-EPDs und teilweise EPDs mit Mittelwerten von Werken oder Verbänden. 
 

Für die beschriebene Datengrundlage je Baumaterial (vgl. Tabelle 1) wird in den folgenden Darstellungen die Streuung abgebildet. Diese ist jedoch sorgfältig zu interpretieren, da es sich – wie erwähnt – um eine Mischung aus Einzelprodukt- und Durchschnittswert-EPDs handelt und daher keine qualitative Aussage zur Streubreite gemacht werden kann2Nach ISO 21930 sind die Lebenszyklusphasen A0–A5 (Planung bis Errichtung), B1–B7 (Nutzung), C1–C4 (Entsorgung), D (Recycling) definiert. In diesem Projekt sind die Phasen für die Herstellung (A1 – A3) (cradle to gate) und Entsorgung C1-C4 (End of Life) bei der Ermittlung des GWPs berücksichtigt. Die übrigen Phasen sind nicht berücksichtigt, da sie stark vom Einzelfall abhängen. Die Berücksichtigung einer Speicherung von biogenem Kohlenstoff und deren Anrechnung in der CO2-Bilanz ist nach den allgemein anerkannten Regeln der Lebenszyklusanalyse in der Schweiz nicht zulässig. EPDs, die eine solche Speicherung anrechnen, wurden in der vorliegenden Studie nicht berücksichtigt..

Gruppe der BaumaterialienBeschreibung und FestigkeitsklassenAnzahl EPDsHerkunft
BetonHochbaubetone NPK A – C3CH
BewehrungsstahlFestigkeitsklasse B500B12E
Holz und HolzwerkstoffeUntersch. Verarbeitungsgrade (KVH, BSH, BSP)
GL24h-GL32c und C24
22EU, CH
BaustahlS235, S355, S46012EU, CH, Türkei
SpannstahlY1770-21605EU
Tabelle 1: Datengrundlage je Baumaterial

In Abbildung 2 sind die Histogramme der oben beschriebenen Daten, getrennt nach Material, dargestellt. Die Punkte stellen die berücksichtigten Werte der Einzel- und Durchschnitts-EPDs dar. Im grau schattierten Bereich liegen 80% der Datenpunkte (zwischen dem 10%- und dem 90%-Quantil). Zur direkten Gegenüberstellung sind die Werte gemäss KBOB sowie die aus den EPDs gewonnen Mittelwerte als vertikale Linien eingetragen. In der Grafik werden Mittelwerte angegeben, da die KBOB ebenfalls mittelwertbasiert arbeitet. Im Gegensatz zu den gewichteten Mittelwerten der KBOB, sind die Mittelwerte aus den gesammelten EPDs nicht gewichtet worden. Um Ausreissern weniger Gewicht zu geben, wird ab Abbildung 3 mit Medianen statt Mittelwerten gearbeitet. 

Abbildung 2: Streuung des Emissionskennwertes GWP [kg-CO2-eq/t] ausgewählter Baumaterialien.

Der Vergleich der Werte zeigt, dass die KBOB-Werte für den Bewehrungsstahl merklich von den gefundenen EPD-Daten abweichen. Dabei ist zu beachten, dass es sich bei den Betonwerten um bereits gemittelte EPDs handelt. Beim Holz und Holzwerkstoffen liegen die KBOB-Werte innerhalb des 80%-Bereichs der berücksichtigten EPDs. Beim Baustahl liegt der KBOB-Wert sehr nahe am Mittelwert der berücksichtigten EPD-Daten. 

An dieser Stelle ist anzumerken, dass die EPDs und die von der KBOB veröffentlichten Ökobilanzdaten auf unterschiedlichen methodischen Grundlagen basieren und daher nicht direkt miteinander vergleichbar sind. Während EPDs nach der Norm EN ISO 14025 erstellt werden und europaweit einem standardisierten Verfahren folgen, wendet die KBOB eine eigene Methodik an, die sich insbesondere hinsichtlich den Systemgrenzen und der Definition der Energieflüssen von dieser Norm unterscheidet. Da die KBOB ihre Methodik sowie die verwendeten Ursprungsdaten nicht vollständig und unabhängig nachvollziehbar darlegt, konnten die Abweichungen nicht näher untersucht werden.

Neben einer nachvollziehbaren Datengrundlage ist es aus Sicht des Projektteams unerlässlich, dass zu den Nachhaltigkeitskennwerten pro Baustoff jeweils auch die vorhandene Streuung (aufgrund tatsächlich vorhandener Unterschiede in Produktionsprozessen) sowie zusätzliche Unsicherheiten (aufgrund unvollständiger bzw. mit Unsicherheiten behafteter Datengrundlagen) transparent ausgewiesen werden, um die Zuverlässigkeit von darauf basierenden Nachhaltigkeitsvergleichen zu ermöglichen. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund wichtig, dass viele Akteur:innen und Entscheidungsträger:innen in der Bauindustrie, etwa Architekt:innen, Bauingenieur:innen oder Bauherrschaften, oft keine vertiefte Ausbildung in der Nachhaltigkeitsbewertung haben, aber Entscheidungen auf Basis dieser Daten treffen müssen – typischerweise in frühen Planungsphasen, wenn noch keine konkreten Produkte oder gar Hersteller bestimmt werden können, sondern lediglich die grundsätzliche Materialwahl getroffen wird. Da die Streubereiche einzelner Materialen erheblich sind, bilden Ökobilanzen von Tragwerken, die für das jeweilige Material lediglich den GWP-Mittelwert berücksichtigen, die Realität nur unzureichend ab und verunmöglichen dadurch einen gut informierten Entscheid. 

Vergleich der Nachhaltigkeit und Leistungsfähigkeit von Baumaterialien 

Abbildung 3 stellt die Nachhaltigkeit verschiedener Baumaterialien (als GWP) bezogen auf ihre mechanische Leistungsfähigkeit (Steifigkeit sowie Zug- und Druckfestigkeit) dar. Das GWP wurde auf Basis der gesammelten EPD-Daten berechnet. Die auf Materialebene vorhandene Streuung wird abgebildet, indem die Bandbreite zwischen dem 25%- und dem 75%-Quantil dargestellt wird.

Für die Darstellung in Abbildung 3 (a) ist das GWP mit der Steifigkeit (E-Modul) des jeweiligen Materials normalisiert. Es ist ersichtlich, dass die Betonsorte NPK C C30/37 das beste Verhältnis von Steifigkeit (E-Modul) zu GWP aufweist, gefolgt von Vollholz C24. Der Median von Brettschichtholz GL24h ist 87% höher als jener von NPK C Beton und 25% höher als jener von Vollholz. Die höchsten Emissionen bezogen auf die Steifigkeit weisen Bewehrungsstahl B500B und Baustahl S355 auf, gefolgt von Spannstahl Y1860. 

Auf den ersten Blick scheinen steifere Materialien (Spannstahl, Baustahl, Bewehrungsstahl) deutlich höhere GWP aufzuweisen. Die Betrachtung von Holz, mit einer geringeren Steifigkeit als Beton, zeigt jedoch, dass kein direkter Zusammenhang mit der Steifigkeit der Materialien vorliegt.  In Abbildung 4 (d) ist erkennbar, dass ein Zusammenhang zwischen der Dichte des Materials und dessen GWP vorhanden ist. Die Unterschiede des GWP bei den unterschiedlichen Stahlverarbeitungen lassen sich mit der Verwendung von Primärstahl, welcher für Spannstahl nötig ist, und Sekundärstahl bei Bewehrungsstahl und Baustahl erklären. Dadurch wird klar ersichtlich, welches Potential die Verwendung von recyceltem Stahl bietet. 

Abbildung 3: Vergleich des GWPs von Baustoffen bezogen auf (a) Steifigkeit, (b) Druckfestigkeit,- (c) Zugfestigkeit und (d) Volumen des jeweiligen Baustoffes, dargestellt als Boxplot mit Median, 25% bzw. 75% Quantil, oberem und unterem Nachbarschaftswert sowie statistischen Ausreissern (als Kreise).

In Abbildung 3 (b) und (c) ist das GWP mit der Druck- bzw. Zugfestigkeit auf Bemessungsniveau der betrachteten Materialien normalisiert, wobei für Beton nur die Druckfestigkeit und für Spannstahl nur die Zugfestigkeit berücksichtigt wurden. Es ist ersichtlich, dass Vollholz C24 und Brettschichtholz GL24h auf Druck am besten abschneiden. Auf Zug hat der Spannstahl das geringste GWP bezogen auf die Festigkeit. 

Der Vergleich des auf das Volumen bezogenen GWPs, wie in Abbildung 3 (d) dargestellt, lässt keine leistungsbasierte Aussage zu. Erst in Kombination mit den Anforderungen an die Tragstruktur lassen sich anhand dieser Angaben Aussagen zu den bezogenen Treibhausgasemissionen treffen. 

Da die zugrunde liegenden Daten eine starke Streuung aufweisen, entstehen grosse Überlappungsbereiche zwischen den einzelnen Materialien. Zudem wird ersichtlich, dass je nach Belastungsart Materialien unterschiedlich leistungsstark sind und deshalb für das GWP günstig sind. 

Wie zuvor beschrieben, ist aufgrund der unterschiedlichen Datengrundlage je Baumaterial mit Einzelprodukt- und bereits gemittelten Durchschnittswert-EPDs eine Interpretation zur tatsächlichen Streuung der Materialien nur bedingt möglich. Durch die angegebene Streuung wird das Potential der unterschiedlichen Materialien ersichtlich, eine qualitative Aussage zur Streubreite kann dadurch aber nicht gemacht werden.

Vergleich der Leistungsfähigkeit bei normalkraftbeanspruchten Bauteilen

Für den nachfolgend präsentierten leistungsbezogenen Vergleich verschiedener Baustoffe wird angenommen, dass für jedes Material ein CO2-Budget von 100 kg-CO2-eq zur Verfügung steht, um einen Druck- bzw. Zuggurt von 1 m Länge herzustellen. Über das zur Verfügung stehende Volumen des Baustoffs ergibt sich daraus die jeweilige Querschnittsfläche des Bauteils (siehe Abbildung 4). Anhand des resultierenden Last-Verformungsverhaltens lassen sich die für ein Tragwerk relevanten Parameter – Festigkeit, Steifigkeit und Duktilität – beurteilen. 

Abbildung 4 zeigt das Ergebnis einer solchen Betrachtung für eine (a) Zug- und (b)Druckbelastung für ein Bauteil aus Stahlbeton (NPK C, Bewehrungsgehalt ρs = 8% auf Zug und ρs = 0.6% auf Druck), Spannbeton (NPK C, Spannstahl Y1860 auf sc = 10 MPa vorgespannt mit einen Bewehrungsgehalt von ρ p = 0.9%), Vollholz C24, Brettschichtholz GL24h und Baustahl S355. Für die Berechnungen wurden der Median (durchgezogene Linien) und die 10% bzw. 90% Quantile (gestrichelte Linien) der zur Verfügung stehenden EPD-Werte der Baustoffe verwendet (vgl. Abbildung 1). Beim Stahlbetonzuggurt wurde die zugversteifende Wirkung des Betons (Verbund zwischen Bewehrungsstahl und Beton) durch Anwendung des Zuggurtmodells berücksichtigt. Das Stoffgesetz von Beton im Druckbereich wurde gem. dem fib Model Code 2010 modelliert [5]. Ein etwaiges (vorzeitiges) Versagen infolge Stabilitätsproblemen wurde bei der Druckbelastung nicht berücksichtigt. 

Grundsätzlich ist ersichtlich, dass sich infolge der Streuung der CO2-eq-Werte die Bereiche der Last-Verformungsverhalten überschneiden (mit Ausnahme des Betons, für den keine Daten zur Streuung zur Verfügung stehen). Brettschichtholz und Baustahl weisen den höchsten Zugwiderstand auf. Holz und Spannbeton weisen im Gebrauchszustand die grösste Steifigkeit bei Zugbelastung auf, Holz und Stahlbeton die grösste Steifigkeit sowie eine hohe Traglast bei Druckbelastung. Stahl- und Spannbeton sowie Baustahl verhalten sich erwartungsgemäss duktil, während die Holzwerkstoffe durch ein sprödes Versagen gekennzeichnet sind (Sprödbruch bei der Höchstlast). 

In Abbildung 4 (c) sind die aus den zur Verfügung stehenden 100 kg CO2-eq resultierenden Querschnitte und deren Eigengewicht abgebildet. Daraus wird ersichtlich, dass bei gleichem CO2-Budget deutlich unterschiedliche Volumina je Material ermöglicht werden (das maximale Verhältnis der Querschnittsfläche von Vollholz zu Spannstahl beträgt 328:1). Das Eigengewicht der Gurte variiert ebenso stark. Der vorgespannte Beton ist um eine Grössenordnung leichter als die übrigen Querschnitte, gefolgt vom Stahl. Die Holzquerschnitte und der Stahlbetonquerschnitt sind in einem vergleichbaren Rahmen, wobei der Bewehrungsgehalt bzw. der Anteil Beton einen grossen Einfluss hat. Der tiefbewehrte, betonintensive Querschnitt ist um einen Faktor >2 schwerer. Ein solcher leistungsbasierter Vergleich ermöglicht, Baustoffe differenziert zu bewerten und sie gezielt nach ihren jeweiligen Vorteilen einzusetzen. 

Abbildung 4: Last-Verformungsdiagramme von (a) Zug- und (b) Druckgurten aus Baustahl, Stahlbeton (schlaff bewehrt und vorgespannt), Brettschichtholz und Vollholz bei einem Verbrauch von 100 kg-CO2-eq. pro Laufmeter; (c) zugehörige Querschnitte und Eigenlasten.

Die abgebildeten Streuungen zeigen, dass herstellerspezifische Produktionsparameter die Nachhaltigkeit der verwendeten Baumaterialien stark beeinflussen können. Je nachdem, von welchem Hersteller das Baumaterial bezogen wird, kann es an der oberen oder unteren Grenze der Streubreite liegen. Bei einer CO2-bewussten Planung besteht hier ein grosses Potential, durch die gezielte Steuerung der geforderten maximalen CO2-Emissionen ein Produkt, das an der oberen Streuungsgrenze liegt, durch ein Gleichwertiges eines anderen Herstellers mit tieferem GWP zu ersetzen. Dadurch könnten grosse Einsparungen erzielt werden, ohne die Materialisierung an sich verändern zu müssen. Zudem würden Vorgaben der Bauherrschaften zu maximalen CO2-Budgets innerhalb einer Materialgruppe gezielte Anreize für die Hersteller schaffen, die Emissionen ihrer Produkte weiter zu verringern. 

Fazit

Öffentliche und private Entscheidungsträger sind auf fundierte Fachkenntnisse und Beratung der Planenden angewiesen, um bereits in frühen Projektphasen die richtigen Entscheide hinsichtlich emissionsarmen und ressourcenschonenden Bauens zu treffen. Ein leistungsbasierter Vergleich der Baustoffe ermöglicht eine differenzierte Betrachtung, um die Materialien gezielt nach ihren jeweiligen Vorteilen einzusetzen.

Dabei ist zu beachten, dass zum Zeitpunkt des Entwurfs eines Tragwerks die Emissionen des gewählten Baustoffs nur grob geschätzt werden können. Die in diesem Projekt ermittelten Streuungen innerhalb der jeweiligen Materialgruppen zeigen, dass herstellerspezifische Parameter die Nachhaltigkeit der verwendeten Produkte stark beeinflussen können. Ein Nichtbeachten dieser Streuung birgt die Gefahr, dass Ökobilanzen von Tragwerken falsch interpretiert werden. Weiter ist zu bedenken, dass eine Betrachtung der Nachhaltigkeit nur auf Materialebene nicht zielführend ist, da die Baustoffe eine unterschiedliche mechanische Leistungsfähigkeit besitzen, welche den Materialverbrauch und damit das GWP des Tragwerks stark beeinflusst. 

Die Kenntnis der Streuung innerhalb einer einzelnen Materialgruppe könnte auch dazu benutzt werden, gezielt ein Produkt eines Herstellers einzusetzen, dessen GWP im Vergleich tief ist. Aktuell können die tatsächlichen CO2-Äquivalenzwerte jedoch erst bestimmt werden, wenn die tatsächlich verbauten Produkte feststehen. Und dies auch nur dann, wenn für diese eigenständige EPDs vorliegen. Trotzdem sollte im Beschaffungswesen die Möglichkeit geschaffen werden, maximal zulässige Umweltbelastungen für ein bestimmtes Material vorzuschreiben, um die tatsächlich auftretenden CO2-Emissionen aktiv steuern zu können. 

Ausblick

In diesem Beitrag wurden bewusst keine CO2-optimierte Betone berücksichtigt, da diese am Markt heute nicht in grösseren Mengen verfügbar sind. Es ist zu erwarten, dass mit der Inkraftsetzung des Anhangs ND der SN EN 206:2013 in naher Zukunft Betone mit deutlich reduzierten Emissionen eingesetzt werden können, was sich auf die leistungsbezogene Nachhaltigkeit von Stahl- und Spannbeton auswirken wird. Diese potentiellen Entwicklungen werden in zukünftige Betrachtungen, sobald Daten vorliegen, einfliessen.

Neben den bereits besprochenen Parametern hat die Wahl des Tragsystems einen enormen Einfluss auf die Effizienz und damit auf die Emissionen der Tragstruktur. Bei Geschossdecken – die wegen ihres massenmässig grössten Anteils an den meisten Gebäuden für die Nachhaltigkeit von zentraler Bedeutung sind – sind hier insbesondere der (Tritt-)Schallschutz, der Brandschutz, die thermisch aktivierbare Masse und die Schwingungsanfälligkeit zu beachten, siehe z.B. [4]. Sind die diesbezüglichen Anforderungen mit einem statisch optimierten Entwurf nicht erfüllt, müssen die Bauteilstärke des Tragwerks erhöht oder zusätzliche nichttragende Schichten im Deckenaufbau ergänzt werden, was die Nachhaltigkeit stark beeinträchtigt. 

Der nächste Schritt des Forschungsprojekts sieht daher vor, typische Deckensysteme mit unterschiedlicher Materialisierung einander gegenüberzustellen und ihre Vor- und Nachteile bei unterschiedlichen Spannweiten und statischen Systemen zu untersuchen. Gleichzeitig wird eine Analyse der Ökobilanzen typischer Bauwerke durchgeführt (unter Berücksichtigung der bisherigen Erkenntnisse zur Streuung der Materialkennwerte). Ziel ist es, auf Grundlage realisierter Tragwerke zu analysieren, in welchem Bereich die Emissionswerte ausgeführter Bauten typischerweise liegen und wo wie viel Einsparpotenzial durch eine geschicktere Querschnitts-, System- oder Materialwahl besteht. Indirekte Einflüsse wie der Bodenaufbau bzw. die Geschosshöhe, das Vorhandensein einer Abfangdecke, der Bedarf an tragenden Zwischenwänden, etc. stehen in diesem Projektteil ebenfalls im Fokus.

In der letzten Projektphase steht der Aufbau eines Block- und Weiterbildungskurses für Studierende und Planende sowie die Erstellung eines Entwurfsleitfadens im Fokus, um das in den vorangehenden Phasen gesammelte Wissen aufbereitet weitergeben zu können.

Finanzierung

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. W. Kaufmann, Ökologisch nachhaltige Geschossdecken, White Paper, 2024, basierend auf L. Gebhard, Reinforcement strategies for digital fabrication with concrete, Diss. Nr. 29201, ETH Zürich, 2023.
  2. Ökobilanzdaten im Baubereich, Version 7, Bundesamt für Umwelt (BAFU), KBOB, Amt für Hochbauten Stadt Zürich und Verein ecobau.
  3. Umwelt-Produktdeklaration nach ISO 14025 und EN 15804, SÜGB, Schwanengasse 12, CH-3011 Bern, 22.05.2023.
  4. R. Ammann, Correlations of requirements and performance metrics for concrete floor slabs, Proceedings of the 15th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, 2024.
  5. fib-fédération internationale du béton. fib model code for concrete structures 2010. John Wiley & Sons, 2013.