Quelle: RPTU in Kaiserslautern
Für diese Ziele betreibt der Bundesverband in enger Abstimmung mit seinen Mitgliedsunternehmen Forschungs- und Entwicklungsarbeit, die sich gleichermaßen an Fragestellungen aus der Baupraxis und aus der Normung orientiert. Für diese Forschungs- und Entwicklungsprojekte arbeitet der Bundesverband kooperativ mit externen Expertinnen und Experten aus Wissenschaft, Lehre und Praxis zusammen.
Der Bundesverband ist Mitglied in der Fachvereinigung Deutscher Betonfertigteilbau e.V. und initiiert darüber eigene Forschungsvorhaben. Er beteiligt sich auf Anfrage als Kooperationspartner auch an externen Projekten. Außerdem versteht sich der Bundesverband als Datenbank für Forschungsergebnisse, die sich mit dem effizienten Bauen mit Spannbeton-Fertigdecken auseinandersetzen.
Wirtschaftslichkeitsstudie verschiedener Betondeckensysteme
Im Auftrag der Mitglieder des Bundesverbandes Spannbeton-Fertigdecken wurde 2010 an der TU Dortmund eine Wirtschaftlichkeitsstudie durchgeführt. Am Beispiel eines Musterbürogebäudes wurden die Baukosten und Bauzeiten von Spannbeton-Fertigdecken, Ortbetondecken und Halbfertigteildecken verglichen.
6 Deckenvarianten und 2 Fundamentvarianten
Unter Leitung von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Reinhard Maurer und Dipl.-Ing. Halil Kiziltan sowie in Zusammenarbeit mit dem Ing.-Büro König und Heunisch (KHP) aus Dortmund wurden die Kosten der Rohbaukonstruktionen eines Musterbürogebäudes für 6 Deckenvarianten untersucht: jeweils die Ortbeton-, Halbfertigteil- (Filigran-) und Spannbeton-Fertigdeckenlösung mit Mittelunterzug und als Flachdecke.
Außerdem wurden die 6 Varianten mit unterschiedlichen Gründungsarten gerechnet: als Bodenplatte und mit Einzel- und Streifenfundamenten.
Kostenvorteile bei allen Spannbeton-Fertigteildeckenvarianten
Auf den ersten 4 Plätzen der Wirtschaftlichkeitsstudie landeten die 4 Lösungen mit Spannbeton-Fertigdecken.
Bis zu über 7 % waren sie günstiger im Vergleich zu Ortbeton- und Filigrankonstruktionen.
Nicht nur günstiger, auch deutlich schneller
Auch die Bauzeiten wurden verglichen, allerdings ohne in die Wirtschaftlichkeitsstudie monitär einzufließen.
Die Ergebnisse sind aber dennoch eindeutig und für Planer und Bauherren aufschlussreich: Auch bei diesem Vergleich schnitten die 4 Spannbeton-Fertigdeckenlösungen am besten ab.
Beim Musterbürogebäude mit ca. 13.000 m³ umbauten Raum konnten die Rohbauarbeiten um bis zu 3 Wochen (ca. 25% der gesamten Rohbauzeit) schneller abgeschlossen werden als bei Ortbeton- oder Filigrankonstruktionen.
Bei 2.500 m² vermietbare Bürofläche kein unwesentlicher Faktor für die Wirtschaftlichkeit einer Immobilie.
Kreislaufwirtschaft in der Baubranche: Klingt utopisch, gibt's aber schon
Mit bis zu 40 % des globalen Energieverbrauchs und fast einem Drittel der weltweiten Abfallmenge zählt die Baubranche zu den ressourcenintensivsten Wirtschaftszweigen überhaupt. Allein in Deutschland werden laut dem Statistischen Bundesamt jährlich 520 Mio. t Baumaterial hergestellt. Diese Zahlen machen deutlich, wie wichtig gerade im Bausektor ein effizienter und nachhaltiger Umgang mit Rohstoffen und Energie ist – besonders vor dem Hintergrund wachsender Ressourcenknappheit.
Bauboom versus Rohstoffknappheit
Experten rechnen mit einer Erhöhung der weltweiten Bautätigkeiten von bis zu 70 % und mit stark ansteigenden Preisen für die dazu notwendigen Rohstoffe. Damit sind es nicht mehr nur die ökologischen Aspekte, mit unseren natürlichen Ressourcen möglichst verantwortungsvoll umzugehen, es wird plötzlich auch ökonomisch interessant, ganzheitliche Gebäudekonzepte zu entwickeln, in denen die Materialien beim Abriss getrennt und unzerstört ausgebaut und in neuen Gebäuden ein weiteres Mal eingebaut werden können. Als besonders konsequente Variante der Kreislaufwirtschaft steht das „Cradle to Cradle“-Konzept (C2C), das gänzlich ohne Abfall auskommt.
Cradle to Cradle
Noch herrscht in der Baubranche – wie in fast allen Bereichen – das lineare Wirtschaftssystem vor. Das heißt, unter hohem Energieeinsatz werden aus Rohstoffen Güter produziert, verkauft, verwendet und schließlich entsorgt. In der Kreislaufwirtschaft dagegen ist genau dieses Recycling – in der Praxis häufig nur ein Downcycling – die letzte Option. In dem regenerativen System einer Kreislaufwirtschaft entstehen keine Abfälle, da alle Materialien konserviert und hochwertig wiederverwendet werden. Die gesamte Wertschöpfungskette ist darauf ausgerichtet, auf allen Ebenen größtmöglichen Nutzen zu erbringen.
Kreislaufwirtschaft ist mehr als Recycling
Ansätze zum zirkulären Wirtschaften finden sich auch in der Baubranche, die aufgrund des enormen Ressourcenbedarfs von Kreislaufwirtschaften besonders profitieren könnte. Die Initiative „Kreislaufwirtschaft Bau“ gibt an, dass 2016 in Deutschland 58,5 Mio. t mineralischer Bauschutt angefallen ist und davon nur 7,5 Mio. t (12,7 %) in Baustoffen wiederverwertet werden, alle anderen mineralischen Abfälle kamen in verminderter Qualität als Gesteinskörnung im Straßen-, Erd- und Deponiebau zum Einsatz und spielen daher als Ersatz für den Primärbaustoffverbrauch kaum eine Rolle.
Branchenspezifische Hürden im Bausektor
Zugegeben: Einige Faktoren erschweren im Bausektor die Umsetzung zirkulärer Wirtschaftsmodelle. Unter anderem weisen Bauprojekte eine geringe Wiederholungsrate auf und sie unterscheiden sich stark in Art und Umfang. Hinzu kommen die langen Nutzungszyklen von Gebäuden sowie Verbundbauteile, die eine gesicherte Rückgewinnung der eingesetzten Materialien und Bauteile für eine qualitativ hochwertige Wiederverwendung schwer vorstellbar erscheinen lassen. Neben einer guten Zerlegbarkeit und Separierung in Materialfraktionen spielt dabei die umfassende Dokumentation aller verwendeten Baustoffe und – teile sowie der Demontagemöglichkeiten eine zentrale Rolle
Der Bundesverband Spannbeton-Fertigdecken ist aktiv dabei
Der Bundesverband Spannbeton-Fertigdecken ist an dieser Entwicklung aktiv beteiligt und unterstützt Forschungsvorhaben, die nach Lösungen für ressourcenschonendere Materialkreisläufe in der Baubranche suchen. So auch das Forschungsprojekt ReDeMaM der TU Dresden und ganz aktuell mit einem Forschungsantrag gemeinsam mit der RPTU in Kaiserslautern. Bei diesem Forschungsprojekt werden besonders die Längsfugen untersucht. Dabei geht es um Rückbaumethoden und Fugenfüllmaterialien, die einen zerstörungsfreien Rückbau zulassen.
Immense Rohstoff- und CO2-Einsparungen mit Spannbeton-Fertigdecken
HTW Berlin überprüft Umweltauswirkungen verschiedener Betondeckensysteme
Die Einsparpotenziale unterschiedlicher Tragwerkskonstruktionen bei Ressourcenverbrauch und CO₂-Emissionen sind im Hochbau bislang kaum betrachtet worden. Eine aktuelle Untersuchung zeigt, welche Potenziale hier ausgeschöpft werden können.
Die Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Andreas Heuer hat im Auftrag des Bundesverbandes Spannbeton-Fertigdecken e. V. erstmals ein gesamtes Tragwerk – von den Decken über die Unterzüge und Stützen bis hinunter zu den Fundamenten – über eine vergleichende Ökobilanzierung untersucht, wie sich die Spannbetondeckenkonstruktion zur rein konventionellen Stahlbetonbauweise verhält.
Die Studie
In der Studie werden drei baugleiche Wohngebäude, die 2018/2019 mit Spannbeton-Fertigdecken errichtet wurden, einer konventionellen Konstruktion mit Halbfertigteildecken gegenübergestellt.
Dabei handelt es sich um eine Wohnanlage für 258 Studierende, die als Slim Floor-Tragwerk aus Spannbeton-Fertigdecken und deckengleichen Verbundträgern gebaut wurde.
Die Deckenspannweiten betragen zwischen 7,38 und 7,60 Meter. Die Treppenhauswände und Fundamente sind in Ortbeton, Stützen, Treppenläufe und Unterzüge aus Stahlbeton-Fertigteilen. Das Gesamttragwerk ist über die Spannbeton-Fertigdecken, die als horizontale Scheiben ausgebildet sind, sowie über die Stahlbetonwände ausgesteift.
Methodik
Für die Studie wurde zunächst die CO2-Bilanz des Gebäudekomplexes mit Spannbeton-Fertigdecken ermittelt und dazu parallel das Gebäude mit konventionellen Stahlbetondecken neu dimensioniert, einschließlich notwendiger Unterzüge, Stützen und Wände bis zu den Fundamenten. Nach Bestimmung der Materialmengen beider Bauweisen in Beton und Stahl erfolgte eine Bewertung der Ökobilanz.
Aus den Original-Planungsunterlagen für den erstellten Gebäudekomplex wurden neben den geprüften statischen Berechnungen auch die detaillierten Schal-, Bewehrungs- und Montagepläne entnommen. Die Deckenstärke der Spannbeton-Fertigdecken beträgt in nahezu allen Geschossbereichen 20 cm (C 45/55). Unterzüge sind deckengleich als DeltaBeam®-Verbundträger (Peikko Deutschland GmbH) ausgeführt, die Fertigteilstützen mit 24/24 und in den Randbereichen mit 20/20 cm (bzw. 20/24 cm) bemessen. Die Treppenhauswände, die vorrangig zur Aussteifung herangezogen wurden, besitzen eine Stärke von 25 cm. Ihr Anteil an der Gesamtmasse und an den Schadstoffemissionen ist bei beiden Bauweisen gleich und wird in dieser Studie nicht eingerechnet. Die Bemessung des Tragwerks des fiktiven Vergleichsgebäudes mit schlaff bewehrten Halbfertigteildecken ergab teilweise neue Bauteilabmessungen. Dabei war das Durchbiegungskriterium für die Decken maßgeblich und führte zu Deckendicken von 25 cm und 32 cm. Die Dimension der Unterzüge blieb aufgrund der besseren Ausnutzung der effektiven Breite gleich, ebenso wie die Wanddicken, die in der originalen Bemessung leicht überdimensioniert waren.
Die Stützen und Fundamente mussten mit den höheren Lasten aus den massiven Decken neu dimensioniert werden. Über die Massenermittlung beider Objekte konnte der Materialeinsatz der Tragwerkssysteme unabhängig von den Materialgüten gegenübergestellt werden. Für die Ökobilanz ist dies ein erstes übersichtliches Ergebnis. Bei der Gründung und bei den Geschossdecken zeigten sich die größten Einsparpotenziale.
Auswertungen zu den Treibhausgasreduzierungen
Die hier erstellte Ökobilanz berücksichtigt die LCA-Module Produktion (A1-A3), Entsorgung (C3 und C4) und Recyclingpotential (D). Für die Spannbeton-Fertigdecken (DW SYSTEMBAU GMBH) und Verbundträger (PEIKKO Deutschland GmbH) standen EPD-Dokumente (Environmental Product Declaration) zur Verfügung, die anderen Tragwerkselemente konnten mit entsprechenden Datensätzen der Plattform Ökobaudat bilanziert werden. In der vorliegenden Ökobilanz wurden folgende Indikatoren berücksichtigt: Treibhausgaspotential (GWP, Global Warming Potential), Ozonabbaupotential (ODP, Ozone Depletion Potential), Versauerungspotential (AP, Adification Potential), Überdüngungspotential (EP, Eutrophication Potential), das bodennahe Ozonbildungspotential und POCP (Photochemical Ozone Creation Potential).
Dieser Artikel bezieht sich ausschließlich auf die Unterschiede im GWP, das maßgeblich für die Klimaerwärmung verantwortlich ist und das als CO₂-Äquivalent in kg CO₂/Einheit eines Stoffes angegeben wird. Allerdings sind die Spannbeton-Fertigdecken auch in allen anderen von der DGNB untersuchten und beurteilten Umweltkriterien ökologischer als massive Halbfertigteildecken.
Die höheren Betongüten der Fertigdecken (C45/55) und die damit verbundenen größeren CO₂-Emissionen gegenüber den schlaff bewehrten Decken (C30/37) werden über den geringeren Beton- und Stahlverbrauch mehr als ausgeglichen. Bessere Werte ergaben sich auch bei der Gründung und den Stützen. Bei Unterzügen und Wänden hingegen gab es aus den genannten Gründen keine Abweichungen.
Das so eingesparte Global Warming Potential – allein an diesen drei Gebäuden – entspricht den jährlichen CO₂-Emissionen von 70 Mittelklassewagen bei einer Fahrleistung einmal rund um die Erde (40.000 km)!
Auswertungen zu den Ressourceneinsparungen
Die Studie macht deutlich, dass nicht nur enorme Mengen an Rohstoffen eingespart werden können, auch die Treibhausgasemissionen werden beim Einsatz von Slim Floor-Tragwerken aus Spannbeton-Fertigdecken massiv reduziert. Und weil Betondecken mit über 40% die größten CO₂-Verursacher beim Rohbau sind, steckt hier auch das höchste Einsparpotential.
Die hohen Einsparungseffekte der vorgespannten Fertigdeckenelemente resultieren vorrangig aus den geringeren Deckendicken trotz großer Spannweiten, kombiniert mit dem niedrigen Betonanteil aufgrund der industriellen Fertigung und effizienten Materialausnutzung. So kann mit Spannbeton-Fertigdecken je nach Deckentyp bis zu 49 % Betonmasse eingespart werden. Hinzu kommt der geringere Anteil an Spannstahl (Einsparungen von über 80 % sind möglich).
Fazit
Beton hat im Rohbau den größten Anteil an den klimaschädlichen Treibhausgasemissionen. Die größten Einsparungen lassen sich bei den Deckensystemen erzielen. Bei diesem Referenzobjekt wurden allein durch die Entscheidung, dieses Wohnquartier mit Spannbeton-Fertigdecken statt mit massiven Halbfertigteildecken zu errichten, 25 % der CO₂-Emissionen – bezogen auf den Rohbau des Gesamtgebäudes - eingespart.
Bei der alleinigen Gegenüberstellung der untersuchten Decken verursachen die massiven Halbfertigteildecken fast 50 % mehr CO₂-Äq. als Spannbeton-Fertigdecken. Das Ergebnis zeigt, dass sich in der Baubranche heute schon große Mengen an CO₂-Emissionen einsparen lassen, allein über die Auswahl und die Dimensionierung der Tragsysteme.
Immense Rohstoff- und CO2-Einsparungen mit Spannbeton-Fertigdecken
HTW Berlin überprüft Umweltauswirkungen verschiedener Betondeckensysteme
Die Einsparpotenziale unterschiedlicher Tragwerkskonstruktionen bei Ressourcenverbrauch und CO₂-Emissionen sind im Hochbau bislang kaum betrachtet worden. Eine aktuelle Untersuchung zeigt, welche Potenziale hier ausgeschöpft werden können.
Die Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Andreas Heuer hat im Auftrag des Bundesverbandes Spannbeton-Fertigdecken e. V. erstmals ein gesamtes Tragwerk – von den Decken über die Unterzüge und Stützen bis hinunter zu den Fundamenten – über eine vergleichende Ökobilanzierung untersucht, wie sich die Spannbetondeckenkonstruktion zur rein konventionellen Stahlbetonbauweise verhält.
Die Studie
In der Studie werden drei baugleiche Wohngebäude, die 2018/2019 mit Spannbeton-Fertigdecken errichtet wurden, einer konventionellen Konstruktion mit Halbfertigteildecken gegenübergestellt.
Dabei handelt es sich um eine Wohnanlage für 258 Studierende, die als Slim Floor-Tragwerk aus Spannbeton-Fertigdecken und deckengleichen Verbundträgern gebaut wurde.
Die Deckenspannweiten betragen zwischen 7,38 und 7,60 Meter. Die Treppenhauswände und Fundamente sind in Ortbeton, Stützen, Treppenläufe und Unterzüge aus Stahlbeton-Fertigteilen. Das Gesamttragwerk ist über die Spannbeton-Fertigdecken, die als horizontale Scheiben ausgebildet sind, sowie über die Stahlbetonwände ausgesteift.
Methodik
Für die Studie wurde zunächst die CO2-Bilanz des Gebäudekomplexes mit Spannbeton-Fertigdecken ermittelt und dazu parallel das Gebäude mit konventionellen Stahlbetondecken neu dimensioniert, einschließlich notwendiger Unterzüge, Stützen und Wände bis zu den Fundamenten. Nach Bestimmung der Materialmengen beider Bauweisen in Beton und Stahl erfolgte eine Bewertung der Ökobilanz.
Aus den Original-Planungsunterlagen für den erstellten Gebäudekomplex wurden neben den geprüften statischen Berechnungen auch die detaillierten Schal-, Bewehrungs- und Montagepläne entnommen. Die Deckenstärke der Spannbeton-Fertigdecken beträgt in nahezu allen Geschossbereichen 20 cm (C 45/55). Unterzüge sind deckengleich als DeltaBeam®-Verbundträger (Peikko Deutschland GmbH) ausgeführt, die Fertigteilstützen mit 24/24 und in den Randbereichen mit 20/20 cm (bzw. 20/24 cm) bemessen. Die Treppenhauswände, die vorrangig zur Aussteifung herangezogen wurden, besitzen eine Stärke von 25 cm. Ihr Anteil an der Gesamtmasse und an den Schadstoffemissionen ist bei beiden Bauweisen gleich und wird in dieser Studie nicht eingerechnet. Die Bemessung des Tragwerks des fiktiven Vergleichsgebäudes mit schlaff bewehrten Halbfertigteildecken ergab teilweise neue Bauteilabmessungen. Dabei war das Durchbiegungskriterium für die Decken maßgeblich und führte zu Deckendicken von 25 cm und 32 cm. Die Dimension der Unterzüge blieb aufgrund der besseren Ausnutzung der effektiven Breite gleich, ebenso wie die Wanddicken, die in der originalen Bemessung leicht überdimensioniert waren.
Die Stützen und Fundamente mussten mit den höheren Lasten aus den massiven Decken neu dimensioniert werden. Über die Massenermittlung beider Objekte konnte der Materialeinsatz der Tragwerkssysteme unabhängig von den Materialgüten gegenübergestellt werden. Für die Ökobilanz ist dies ein erstes übersichtliches Ergebnis. Bei der Gründung und bei den Geschossdecken zeigten sich die größten Einsparpotenziale.
Auswertungen zu den Treibhausgasreduzierungen
Die hier erstellte Ökobilanz berücksichtigt die LCA-Module Produktion (A1-A3), Entsorgung (C3 und C4) und Recyclingpotential (D). Für die Spannbeton-Fertigdecken (DW SYSTEMBAU GMBH) und Verbundträger (PEIKKO Deutschland GmbH) standen EPD-Dokumente (Environmental Product Declaration) zur Verfügung, die anderen Tragwerkselemente konnten mit entsprechenden Datensätzen der Plattform Ökobaudat bilanziert werden. In der vorliegenden Ökobilanz wurden folgende Indikatoren berücksichtigt: Treibhausgaspotential (GWP, Global Warming Potential), Ozonabbaupotential (ODP, Ozone Depletion Potential), Versauerungspotential (AP, Adification Potential), Überdüngungspotential (EP, Eutrophication Potential), das bodennahe Ozonbildungspotential und POCP (Photochemical Ozone Creation Potential).
Dieser Artikel bezieht sich ausschließlich auf die Unterschiede im GWP, das maßgeblich für die Klimaerwärmung verantwortlich ist und das als CO₂-Äquivalent in kg CO₂/Einheit eines Stoffes angegeben wird. Allerdings sind die Spannbeton-Fertigdecken auch in allen anderen von der DGNB untersuchten und beurteilten Umweltkriterien ökologischer als massive Halbfertigteildecken.
Die höheren Betongüten der Fertigdecken (C45/55) und die damit verbundenen größeren CO₂-Emissionen gegenüber den schlaff bewehrten Decken (C30/37) werden über den geringeren Beton- und Stahlverbrauch mehr als ausgeglichen. Bessere Werte ergaben sich auch bei der Gründung und den Stützen. Bei Unterzügen und Wänden hingegen gab es aus den genannten Gründen keine Abweichungen.
Das so eingesparte Global Warming Potential – allein an diesen drei Gebäuden – entspricht den jährlichen CO₂-Emissionen von 70 Mittelklassewagen bei einer Fahrleistung einmal rund um die Erde (40.000 km)!
Auswertungen zu den Ressourceneinsparungen
Die Studie macht deutlich, dass nicht nur enorme Mengen an Rohstoffen eingespart werden können, auch die Treibhausgasemissionen werden beim Einsatz von Slim Floor-Tragwerken aus Spannbeton-Fertigdecken massiv reduziert. Und weil Betondecken mit über 40% die größten CO₂-Verursacher beim Rohbau sind, steckt hier auch das höchste Einsparpotential.
Die hohen Einsparungseffekte der vorgespannten Fertigdeckenelemente resultieren vorrangig aus den geringeren Deckendicken trotz großer Spannweiten, kombiniert mit dem niedrigen Betonanteil aufgrund der industriellen Fertigung und effizienten Materialausnutzung. So kann mit Spannbeton-Fertigdecken je nach Deckentyp bis zu 49 % Betonmasse eingespart werden. Hinzu kommt der geringere Anteil an Spannstahl (Einsparungen von über 80 % sind möglich).
Fazit
Beton hat im Rohbau den größten Anteil an den klimaschädlichen Treibhausgasemissionen. Die größten Einsparungen lassen sich bei den Deckensystemen erzielen. Bei diesem Referenzobjekt wurden allein durch die Entscheidung, dieses Wohnquartier mit Spannbeton-Fertigdecken statt mit massiven Halbfertigteildecken zu errichten, 25 % der CO₂-Emissionen – bezogen auf den Rohbau des Gesamtgebäudes - eingespart.
Bei der alleinigen Gegenüberstellung der untersuchten Decken verursachen die massiven Halbfertigteildecken fast 50 % mehr CO₂-Äq. als Spannbeton-Fertigdecken. Das Ergebnis zeigt, dass sich in der Baubranche heute schon große Mengen an CO₂-Emissionen einsparen lassen, allein über die Auswahl und die Dimensionierung der Tragsysteme.
(Kopie 1)
Prinzipien des nachhaltigen Konstruierens bei Geschossbauten
Ressourcenknappheit, emissionsbedingter Klimawandel und große Mengen an Bau- und Abbruchabfällen rücken die Baubranche als einen der material- und energieintensivsten Wirtschaftszweige immer stärker in den Fokus. Mit dem Ziel, den Energieverbrauch und Schadstoffausstoß zu verringern, ging es in der Vergangenheit vornehmlich um die energetische Optimierung von Anlagentechnik und Gebäudehülle. Nachdem dieses Einsparpotential in hohem Maße ausgereizt ist, steht zunehmend der ökologische Fußabdruck der Konstruktion im Vordergrund.
Der ökologische Fußabdruck der Konstruktion
Genau mit dieser Fragestellung befasst sich Dr.-Ing. Christopher Kämereit in seiner Dissertation „Zur Rolle der Konstruktion in der nachhaltigen Gebäudeplanung“. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens an der Technischen Universität Dortmund untersucht die Studie im Jahr 2019 verschiedene Konstruktionsvarianten für ein typisches, innerstädtisches Wohn- und Geschäftshaus.
Dabei vergleicht der Bauingenieur mit Schwerpunkt konstruktiver Ingenieurbau eine konventionelle Ortbetonbauweise (Skizze 1a und 1b) mit modularen Bauweisen (Skizze 2a und 2b) und belegt, wie sich durch den Einsatz von Betonfertigdecken die Anpassungsfähigkeit der Konstruktion und damit auch schlussendlich die Energie- und Rohstoffbilanz des Gebäudes verbessern lässt.
Konstruktive Flexibilität für maximale Nutzungsmöglichkeiten>
Eine hohe Ressourceneffizienz im Bausektor ist nur in Verbindung mit einer langen Nutzungsdauer eines Gebäudes zu erreichen, um die investierte Energie und die eingesetzten Rohstoffe effizient zu verwerten. Als Minimum setzt Dr.-Ing. Kämereit hier 50 Jahre an und entwickelt Gebäudekonzepte mit flexiblen Konstruktionen, die eine Vielzahl an Grundriss- und Nutzungsänderungen erlauben. Als grundlegende Prinzipien zur besseren Anpassungsfähigkeit sind laut dieser Studie kompakte Baukörper, großzügige Geschosshöhen, Lastansätze für unterschiedliche Nutzungsarten sowie regelmäßige Tragwerke in Skelettbauweise, möglichst ohne tragende Innenwände.
Modulbauweise für variable Raumgestaltungen für zukünftige Nutzungen
Die Studie definiert zusätzlich weitergehende Anforderungen für nachhaltige Konstruktionen in Modulbauweise, die es erlauben, in einem späteren Lebenszyklusabschnitt variable Raumgestaltungen für zukünftige Nutzungen zu erlauben. Als weitere Faktoren zur Schaffung der Voraussetzungen für eine lange Nutzungsdauer werden u.a. die Veränderbarkeit des technischen Ausbaus und das konstruktionsseitige Potential zur Erweiterung des Gebäudes identifiziert und behandelt.
Gliederung in 3 Anforderungszonen
Um die Konstruktionsentwürfe der Studie optimal auf diese Anforderungen abzustimmen, folgt Dr.-Ing. Kämereit einem Nutzungsplan, der das beispielhaft behandelte Gebäude in drei Zonen gliedert.
Zone I umfasst die Regelgeschosse, die im innerstädtischen Raum meist durch die Funktionen Büro, Wohnung oder Hotel bestimmt sind. Damit hier moderate strukturelle Modifikationen möglich sind, ist für den oberen Gebäudebereich eine Konstruktion mit modularen Spannbeton-Fertigdecken und innen liegender Stützenreihe vorgesehen.
Wesentlich komplexer stellen sich die Anforderungen in Zone II dar, dem erdgeschossnahen Bereich. Häufige Nutzer- und Funktionswechsel erfordern hier weitreichende Anpassungsmöglichkeiten bis hin zur Schaffung eines mehrgeschossigen Großraums, z. B. als Eingangsbereich oder Foyer. Geplant wird daher mit einer flexiblen, zweigeschossigen Stahl-Verbundkonstruktion, die stützenfreie Innenräume schafft und eine hohe Belastbarkeit erlaubt.
Zone III bildet das Untergeschoss, das zumeist Technikräume, Lagerfläche oder Parkflächen aufnimmt und als langlebige Massivkonstruktion in monolithischer Bauweise angelegt wird.
Nutzungsvarianten Zone 2
Energieersparnis bei anpassungsfähigen Tragwerken
Mit modularer Bauweise Voraussetzungen für einen langen Lebenszyklus schaffen
Die Anpassungsfähigkeit der Konstruktion stellt eine elementare Voraussetzung für das nachhaltige Bauen dar und steht deshalb im Fokus bei der Konzeptionierung und dem Vergleich unterschiedlicher Konstruktionsvarianten.
Die entwickelten Varianten werden in Dr.-Ing. Kämereits Dissertation anhand eines nachhaltigkeitsspezifischen Kriterienkatalogs bewertet und miteinander verglichen.
Konstruktionen in Ortbetonbauweise (Variante 1a und 1b) verkörpern eine geringe (1a) bis moderate (1b) Anpassungsfähigkeit. Sie sind aufgrund der hierdurch vergleichsweise geringen Umnutzungsfähigkeit von einem frühzeitigen Rückbau und damit kurzem Lebenszyklus bedroht. Rohstoffe werden ineffizient genutzt und hohe Energieverbräuche für Ersatzneubauten werden erforderlich.
Längere Nutzungsdauer
Ein anderes Bild ergibt sich für Konstruktionsentwürfe, die vor dem Hintergrund einer gesteigerten Anpassungsfähigkeit entworfen werden. Beide untersuchten Varianten (2a und 2b) verfügen über eine deutlich erhöhte Anpassungsfähigkeit in den häufig von Veränderungen betroffenen Gebäudezonen.
Hierdurch steigen die Chancen für Umnutzung und Revitalisierung eines Gebäudes merklich an, sodass von einer deutlich verlängerten Lebensdauer der Struktur ausgegangen werden kann.
Das Tragwerk in hybrider Bauweise unter Einsatz von Spannbeton-Fertigdecken (2a) punktet dabei im Vergleich zur untersuchten freitragenden Konstruktionsvariante (2b) zusätzlich mit der Option zum einfachen Einbau von Deckenöffnungen zu einem späteren Lebenszykluszeitpunkt, durch höhere Lastreserven und dem weitestgehend zerstörungsfreien Ein- und Ausbau von Bauteilen durch reversible Fügetechnik.
DELTABEAM® Verbundträger mit Spannbeton-Fertigdecken im Brandfall
Aktuelle Versuchsreihen (2020) von Peikko Deutschland belegen, dass der Bemessungsansatz zur indirekten Auflagerung von Spannbeton-Fertigdecken auf den auskragenden Untergurt-Flanschen und geneigten Stegen des DELTABEAM® Verbundträgers im Brandfall mittels einer geraden Koppelbewehrung sicher angewendet werden kann.
Keine Reduzierung der Tragfähigkeiten im Brandfall
Bei den Versuchen wurden die Erwartungen an die getesteten BRESPA®-Deckentypen A20B und A32V bei biegeweicher Auflagerung hinsichtlich der Duktilität der Spannbeton-Fertigdecken unter kombinierter Beanspruchung, der Lastweiterleitung auf dem DELTABEAM® und der Querkraft-Tragfähigkeit im Brandfall übertroffen.
Damit ist belegt, dass für die biegeweiche Auflagerung von Spannbeton-Fertigdecken auf DELTABEAM® im Brandfall die Querkraft-Tragfähigkeiten der geprüften Spannbeton-Fertigdecken mit der Bemessungsformel in Anhang G, DIN EN 1168 [1] sicher ermittelt werden können.
Eine Abminderung der Tragfähigkeit aufgrund der biegeweichen Auflagerung ist im Brandfall nicht erforderlich.
Peikko Deutschland stellt die Ergebnisse in einer Broschüre zur Verfügung.
Die Ergebnisse dieser Versuchsreihe werden bei Peikko weiter analysiert, um das Zulassungsverfahren beim DIBt voranzutreiben.
Gutachterliche Stellungnahmen zu Befestigungsmitteln an Spannbeton-Fertigdecken
Mit Verankerungstiefen von 20 mm sind Betonschrauben und Bolzenschubnägel unterseitig überall einsetzbar
Der Bundesverband Spannbeton-Fertigdecken e.V. hat gemeinsam mit dem Bundesverband der Gipsindustrie e. V., der Adolf Würth GmbH & Co. KG, Hilti Deutschland AG und der ITW Befestigungssysteme GmbH Prof. Dr.-Ing. Jan Hofmann von der Universität Stuttgart und das Institut für Werkstoffe im Bauwesen (IWB) beauftragt, zwei gutachterliche Stellungen für verschiedene Befestigungsmittel für den Einsatz an den Unterseiten von Spannbeton-Fertigdecken zu untersuchen.
Ziel der Forschungsversuche war das Ermitteln der Tragfähigkeiten von Betonschrauben und Bolzenschubnägeln an vorgespannten Hohldecken mit Verankerungstiefe von maximal 20 mm. Mit dieser geringen Verankerungstiefe bleiben die Befestigungsmittel weit genug entfernt von den unteren Spannlitzen, so dass der Brandschutz und Korrosionsschutz gewährleistet bleibt und die Betonschrauben und Bolzenschubnägel ohne Rücksicht auf die Plattengeometrien eingesetzt werden können. Diese neue Option vereinfacht und beschleunigt das Anbringen statisch nicht relevanter Lasten wie Kabeltrassen, Deckenleuchten oder leichten Trennwänden an Spannbeton-Fertigdecken.
Die Untersuchungen wurden an repräsentativen vorgespannten Hohldeckenplatten mit einer Nennfestigkeitsklasse des Betons von C45/55 durchgeführt.
Untersuchungen mit Betonschrauben
Die geprüfte Betonschraube W-BS der Fa. Würth besitzt bereits eine ETA (ETA-16/0043) für redundante Systeme in Normalbeton und Spannbetonhohldecken mit einer Einbindetiefe von mindestens hef ≥ 25 mm. Aus diesem Grund ist die Anwendung solcher Verankerungen auf Bereiche begrenzt, bei denen die Betonschrauben einen Abstand von mindestens 50 mm von der Spannlitze aufweisen. Mit einer Einbindetiefe von hnom = 20 mm und den Ergebnissen dieser Untersuchungen kann die W-BS mit abgeminderten Tragfähigkeiten auch unterhalb der Spannlitzen eingesetzt werden.
Die charakteristische Tragfähigkeit liegt für alle Belastungsrichtungen bei FRk = 0,9 kN. Der Bemessungswert liegt unter Annahme eines Teilsicherheitsbeiwertes ϒM von = 1,5 bei FRd = 0,6 kN (60 kg pro Belastungspunkt für statisch nicht relevante, unbestimmte Systeme). Unter Annahme einer statischen und ruhenden Einwirkung ergibt sich mit γL = 1,35 eine zulässige Belastung von FZul = 0,45 kN (45 kg pro Belastungspunkt) für vorgespannte Spannbeton-Fertigdecken bei einer Verankerungstiefe von hef = 20 mm.
Die Tragfähigkeit einer Gruppe mit mehreren Schrauben muss mit 0,7 abgemindert werden. Eine minimale Spiegeldicke der vorgespannten Hohldeckenplatte von 30 mm ist einzuhalten.
Die Montage muss mit einem Bohrer mit Tiefenanschlag durchgeführt werden, da in jedem Fall Bohrlochtiefen von 20 mm ±1 mm einzuhalten sind. Fehlbohrungen sind grundsätzlich mit hochfestem und unterhalb der Spannlitzen mit alkalischem Mörtel zu verschließen.
Die Montageversuche zeigen, dass ein gewisses Risiko besteht, dass die Betonschrauben im Zuge der Montage überdreht werden. Dies kann dadurch ausgeschlossen werden, dass das maximale Drehmoment von 5 Nm oder das vorhandene Eindrehmoment nicht überschritten wird.
Untersuchungen mit Bolzenschubnägeln
Es wurden 5 verschiedene Bolzenschub-Befestigungssysteme untersucht:
- Hilti X-P 17 B3 mit Hilti BX3 (ETA 20/0886, batteriebetrieben)
- SPIT HC 6-17 mit SPIT Pulsa 65 (ETA 23/508, gasbetrieben)
- SPIT SC 9-70 mit SPIT P370 (pulverbetrieben)
- Würth NG CSM-1 HFBX mit DIGA CSM-1 (ETA 12/0452, gasbetrieben)
- Würth NG CS-2/3 HFBx mit DIGA CSM-3 (ETA 21/0703, gasbetrieben)
Die Forschungsversuche bestanden aus Vorversuchen nach EAD 330083-03-0601 für alle fünf Produkte. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde das Befestigungssystem Würth NG CS-2/3 HFBx mit DIGA CSM-3 für weitere Untersuchungen ausgewählt. Die folgenden Versuchsreihen wurden bei Zug- und Querbelastung sowie mit unterschiedlichen Anbauteildicken (bis 48 mm für „gleitende“ Wandanschlüsse) durchgeführt.
Die Auswertung der Ergebnisse zeigt, dass die charakteristische Tragfähigkeit für alle Belastungsrichtungen mit FRk = 0,15 kN (15 kg) und der Bemessungswiderstand mit FRd = 0,10 kN (10 kg pro Belastungspunkt für statisch nicht relevante, unbestimmte Systeme) angenommen werden kann.
Die Bolzenschubnägel sind durch eine Probebelastung oder andere geeignete Verfahren auf nicht sichtbare Setzfehler zu prüfen.
Consolis DW Systembau und HALFEN stellen neue Balkonanschlusslösung vor
Versuche an der TU Kaiserslautern erfolgreich abgeschlossen
Die günstigste und einfachste Lösung für Balkone und Laubengänge sind selbsttragende und vom Gebäude entkoppelte Konstruktionen. Das ist nicht überall möglich und nicht immer gewünscht.
Thermisch und brandtechnisch getrennt
DW SYSTEMBAU und HALFEN haben aus diesem Grund gemeinsam konstruktive Lösungen entwickelt, mit denen freitragende Balkonplatten – thermisch und brandtechnisch einwandfrei getrennt – an Spannbeton-Fertigdecken anzuschließen sind. Alle Anschlussvarianten haben eins gemeinsam: Die Balkone werden unabhängig von der Deckenspannrichtung über Aufbeton an massive Spannbeton-Fertigdecken befestigt.
Deckenstärken in 20 cm oder 26,5 cm
Deckenstärken von 20 cm werden mit 12 cm BRESPA®-Massivdecken (A12M) und 8 cm Aufbeton hergestellt, bei größeren Spannweiten setzt man zur Balkonverankerung 20 cm BRESPA®-Massivdecken (A20M) und 6,5 cm Aufbeton ein.
Als Anschlusselemente werden von HALFEN HIT-HP MVX (80 mm Dämmung) und HIT-SP MVX (120 mm Dämmung) eingebaut.
Versuche an der TU Kaiserslautern
Die konstruktive Einleitung der Balkonlasten in die Deckenelemente geschieht über Reibung und Anschlussbewehrung in den Plattenlängsfugen. Versuche an der TU in Kaiserlautern im Herbst 2016 haben die rechnerischen Annahmen bestätigt. Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schnell und Dipl.-Ing. Felix Breit wurden drei Versuchsaufbauten mit unterschiedlichen Anschlusssituationen durchgeführt und ausgewertet.
Technische Hinweise
Eine HIT-Bemessungssoftware auf www.halfen.de ermöglicht die dazugehörige prüffähige Planung der Balkone.
Es geht allerdings auch einfacher!
Eine wirtschaftliche und konstruktiv einfachere Alternative sind Systembalkone von Spittelmeister mit vertikalen Stahl-Lisenen, an denen Aluminium-Systembalkone über Zugstangen oder horizontal auskragende Träger befestigt werden. Die Stahl-Lisenen sind mit Mineralwolle gefüllte Hohlprofile, die in den Fassaden integriert und an den Außenwänden verankert werden. Die Abspannungen können in Höhe der seitlichen Geländer bleiben oder zur darüber liegenden Geschossdecke geführt werden.
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