Ökologischer und nachhaltiger als Ortbeton

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 für zur Steigerung der Anpassungsfähigkeit  formuliert er die Notwendigkeit eines kompakten Baukörpers, den regelmäßigen Aufbau der Konstruktion in Skelettbauweise unter Verzicht auf tragende Innenwände, großzügige Geschosshöhen und eine hohe Belastbarkeit des Tragwerks.

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.

Gebäudegliederung 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 Eingangsbereichs 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. Kämereit´s 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 durch ein nachhaltige Tragwerkskonzepte

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.

Mehr Informationen zur Dissertation von Dr.-Ing. Kämereit finden Sie hier in einer 16-seitigen Broschüre der DW SYSTEMBAU GMBH.