Nachhaltigkeitsbewertung von Holzbrücken

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1 Nachhaltigkeitsbewertung von Holzbrücken N. Stoll 1 Nachhaltigkeitsbewertung von Holzbrücken Nils Stoll Bachelor of Engineering Zimmerei Grünspecht DE-Freiburg

2 2 Nachhaltigkeitsbewertung von Holzbrücken N. Stoll

3 Nachhaltigkeitsbewertung von Holzbrücken N. Stoll 3 Nachhaltigkeitsbewertung von Holzbrücken 1. Einleitung In heutiger Zeit wird im Bauwesen nicht mehr nur auf Ästhetik und Wirtschaftlichkeit von Gebäuden Wert gelegt, sondern auch die Bedeutung des Umweltschutzes rückt mehr und mehr ins Bewusstsein der Planer. Ein Beispiel hierfür, ist die von der Bundesregierung eingeführte Energieeinsparverordnung (EnEV), die einen geringen Energieverbrauch bei Gebäuden während der Nutzung vorschreibt. Dies soll durch den Einsatz von effizienter Gebäudetechnik und einer hoch wärmedämmenden Gebäudehülle erreicht werden. Doch sollte auch schon beim Erbauen eines Gebäudes darauf geachtet werden, dass sowohl möglichst wenig Energie benötigt, als auch die Erzeugung von Müll sowie umweltund gesundheitsschädlichen Emissionen gering gehalten werden. Diese Devise gilt natürlich ebenso bei Gebäuden der Infrastruktur. Dazu wurden bei dieser Untersuchung einige Aspekte einer Nachhaltigkeitsuntersuchung von vier verschiedenen Brückenbauweisen miteinander verglichen. Die Ausführungsvarianten wurden nach den Hauptbestandteilen ihrer Baumaterialen ausgewählt. Die vier in heutiger Zeit am meist verwendeten Baumaterialien für Fußgängerbrücken sind: Aluminium Holz Stahl Stahlbeton Neben der Wirtschaftlichkeit liegt ein besonderes Augenmerk auf dem Vergleich verschiedener Baumaterialien nach ihrer Ökobilanz. Im Folgenden wird jedoch nur eine Sachbilanz und keine komplette Ökobilanz erstellt, da keine Wirkungsabschätzung vorgenommen wurde Vorgehensweise bei der Studienarbeit Erstellung einer Entwurfsplanung zu jeder der vier unterschiedlichen Brückenbauweisen. Dazu gehören eine kurze Baubeschreibung, eine Vorbemessung und jeweils einen Entwurfsplan. Massenermittlung der Hauptbestandteile. Untersucht wurde nur der Überbau. Die Fundamentierung wurde weder vorbemessen, noch in die Untersuchungen mit aufgenommen. Vernachlässigt wurden außerdem Verbindungsmittel. Aufstellung der Sachbilanz nach DIN EN Auf Basis der ermittelten Massen wurden mit Hilfe von den zugehörigen EPDs (Environmental Product Declarations) folgende Kategorien untersucht: o Einsatz von Primärenergie ohne die als Rohstoffe verwendeten Primärenergieträger Unterschieden wurde hierbei in: Regenerativer Primärenergie [MJ] Nicht Regenerativer Primärenergie [MJ] o Treibhauspotential [kg CO2-äquiv] Auswertung der Sachbilanz Kostenermittlung der vier Brückentypen Vergleich der Kosten unter Berücksichtigung der Lebensdauer der unterschiedlichen Bauweisen. Schlussbetrachtung mit Bewertung und Fazit

4 4 Nachhaltigkeitsbewertung von Holzbrücken N. Stoll 2. Beschreibung der Brückentypen Die vier verschiedenen Bauweisen einer Fuß- und Radwegbrücke wurden mit einer identischen Spannweite von 25 Metern und einer lichten Fahrbahnbreite von 3 Metern gewählt, um die Vergleichbarkeit sicherzustellen. Diese vier folgenden Brückentypen wurden für die Untersuchung ausgewählt: Abbildung 1: Aluminiumfachwerkbrücke Holz Trogbrücke: Aluminium Fachwerkbrücke: Die zwei Hauptträger sind als Fachwerkträger ausgebildet und sind seitlich der Fahrbahn angeordnet. Der Belag der als Scheibe ausgebildet ist und somit einen Windverband ersetzt leitet seine Belastung über U-förmige Aluminiumquerträger an die Hauptträger weiter. Die Querträger sichern gleichzeitig die Stabilität der Fachwerk-träger. Die zwei vor Witterung geschützten Hauptträger aus Brett-Schicht-Holz sind seitlich der Fahrbahn in Höhe der Geländerebene angeordnet. Der Bohlenbelag aus Lärchenholz leitet seine Belastung über U-förmige Stahlquerträger an die Hauptträger weiter. Ein Rundstahldiagonalverband in Ebene der Querträger übernimmt die Funktion des Windverbandes. Abbildung 2: Holztrogbrücke Stahl Deckbrücke: Die zwei Hauptträger sind unterhalb des Belages angeordnet und bestehen aus breiten I-Trägern. Der Bohlenbelag aus Lärchenholz liegt auf Stahllängsträgern. Diese wiederum sind durch Stahlquerträger mit den Hauptträgern verbunden. Ein Rundstahldiagonalverband in Ebene der Querträger übernimmt die Funktion des Windverbandes. Abbildung 3: Stahl-Deckbrücke

5 Nachhaltigkeitsbewertung von Holzbrücken N. Stoll 5 Stahlbetonbrücke: Die Tragstruktur wird mit einem sogenannten Pi-Träger gebildet, zwei nebeneinander angeordneten Plattenbalken. Der Brückenkörper wird mit c30/37 ausgebildet. Der Belag wird aus dichtem, 7 cm starken Gussasphalt gebildet. Abbildung 4: Stahlbetonbrücke 3. Massenermittlung Bei der Sachbilanz wurden diese seitlich aufgelisteten Materialien und deren ermittelte Massen berücksichtigt. Die Dimensionierung der einzelnen Brückentypen wurde in einer Entwurfsermittlung bemessen. 4. Sachbilanz Das Aufstellen der Sachbilanz wurde nach Vorlage der DIN EN vorgenommen. Das Ziel dieser Norm mit dem Titel Nachhaltigkeit von Bauwerken Bewertung der umweltbezogenen Qualität von Gebäuden Berechnungsmethode ist, Regeln zur Berechnung aufzustellen, welche die Bewertung der umweltbezogenen Qualität von Gebäuden ermöglicht. Dies ist für bereits bestehende, sowie für neue Gebäude möglich. Hiernach müssen alle Rahmendaten und Untersuchungsszenarien aufgelistet werden die berücksichtigt oder vernachlässigt wurden. Normalerweise wird der komplette Lebenszyklus eines Gebäudes berücksichtigt, wobei sowohl die erwartete Lebensdauer sowie mögliche Renovierungsarbeiten bedacht werden müssen. Bei dieser Untersuchung beruhen die Daten ausschließlich auf den Umweltbezogenen Daten der verwendeten Baumaterialien, die nach DIN EN in den sogenannten Environmental Product Declaration, kurz EPD ermittelt wurden. Die DIN EN regelt die quantifizierte Datenerhebung umweltbezogener Daten von Bauprodukten. Das heißt, eine EPD eines Baustoffes enthält Daten in Form von vergleichbaren Zahlen, mit denen man die Ökobilanz eines Gebäudes in Werten aufstellen kann. Dabei stellt eine EPD Informationen zu Umweltwirkungen und dem Ressourceneinsatz auf, die bei der Herstellung und der Entsorgung des Produktes anfallen. Die Datenerhebung wird von Institut Bauen und Umwelt e.v. geleitet. Die EPDs werden teilweise von den jeweiligen Deklarationsinhabern zur Verfügung gestellt. Zusätzlich wird vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Bau, in der Baustoffdatenbank Ökobau.dat, aktuelle Daten von über 1300 Datensätzen öffentlich zur freien Nutzung bereitgestellt.

6 6 Nachhaltigkeitsbewertung von Holzbrücken N. Stoll 4.1. Ergebnis Sachbilanz Die ermittelten Massen ergeben folgendes Ergebnis Das Ergebnis zeigt, dass Holz verglichen zu anderen Baumaterialien bei der Betrachtung der Ökobilanz äußerst gut dasteht. Aluminium liegt weit abgeschlagen mit extrem hohen Werten. Die Bauweisen mit Stahl und Stahlbeton sind im Ergebnis vergleichbar. Doch wie kann es sein, dass Holz sowohl beim Primärenergiebedarf als auch bei der Freisetzung von CO 2 einen negativen Wert aufweist? Bei näherer Betrachtung der EPD von Brettschichtholz fällt auf, dass das Holz nach Lebensende des Gebäudes in einem Biomassekraftwerk bei der thermischen Nutzung zur Energieerzeugung genutzt wird. Dies ist möglich, da das Holz wegen der geschützten Bauweise nicht behandelt werden muss. Hieraus ergibt sich der Energiegewinn. Weiter wird angegeben, dass diese erzeugte Energie, Energie aus fossilen Quellen substituiert. Das bedeutet, dass die Energie des verbrannten Holzes dem Stromnetz zugeführt wird. Diese zugeführte Energie ersetzt dadurch dieselbe Menge an Energie die aus der Verbrennung von Gas erzeugt wird. Das CO 2 das in dieser Menge Gas gebunden ist, wird nicht freigesetzt. Es wird also nicht der Atmosphäre CO 2 entzogen, sondern es wird CO 2 eingespart, das normal freigesetzt werden würde. Ein Blick auf den Anteil an Primärenergie aus erneuerbaren und nicht-erneuerbaren Quellen, der nur bei der Bereitstellung des Materials (cradle to Gate) benötigt wird zeigt, dass auch hier Holzprodukte verglichen zu anderen Bau-materialen sehr nachhaltig sind, da großteils Energie aus erneuerbaren Energieressourcen verwendet wird.

7 Nachhaltigkeitsbewertung von Holzbrücken N. Stoll 7 5. Wirtschaftlichkeitsvergleich Neben der zunehmend wichtiger werdenden umweltbezogenen Qualität von Bauwerken ist natürlich immer noch der Kostenfaktor, und somit die Wirtschaftlichkeit eines Gebäudes von entscheidender Bedeutung. Um die Wirtschaftlichkeit einer Brücke zu beurteilen, hat das Bundesministerium für Verkehr eine Richtlinie erstellt, die den Lebenszyklus von Brücken bei der Beurteilung berücksichtigt. Dabei werden Kosten für Unterhalt, Instandsetzung, sowie für Abriss und Erneuerung neben den erstmaligen Baukosten betrachtet. Nicht nur niedrige Baukosten, sondern vielmehr eine lange Lebensdauer in Verbindung mit niedrigen Unterhaltungskosten sind entscheidende Faktoren für eine wirtschaftliche Lösung. Um dies beurteilen zu können, wird ein gemeinsamer Betrachtungszeitraum für alle zu vergleichenden Brücken festgelegt. Dies ist erforderlich, um die Anwendung von finanzmathematischen Verfahren zu ermöglichen. Der Betrachtungszeitraum wurde auf 80 Jahre festgelegt. Die Rahmenbedingungen der unterschiedlichen Bauarten, wie der theoretischen Nutzungsdauer sowie dem Prozentsatz der jährlichen Unterhaltungskosten, sind den Ablöserichtlinien 147/10 entnommen. Demzufolge haben Stahlbrücken, mit 100 Jahren die längste theoretische Nutzungsdauer und Stahlbetonbrücken mit 0,8% die niedrigsten jährlichen Unterhaltungskosten. Da die Bauweise mit Aluminium in den Richtlinien nicht mit aufgenommen ist, sind diese Werte einer Lebenszyklusanalyse der Zeitschrift Bautechnik (Sonderdruck aus Bautechnik 85 (2008), Heft 10) entnommen. Darin werden eine theoretische Lebensdauer von 100 Jahren und jährlichen Unterhaltungskosten von 1% angenommen. Geschützte Holzbrücken sind festgelegt mit einer theoretischen Lebensdauer von 60 Jahren und 2% jährlichen Unterhaltungskosten. Neben den Rahmenbedingungen der unterschiedlichen Brückenvarianten ist den Ablöserichtlinien ein inflationsbereinigender Zinssatz von 4% zu entnehmen, der in der Berechnung berücksichtigt wird. Das untersuchte Szenarium umfasst den Neubau als Erstmaßnahme und eine mögliche Erneuerung als Zweitmaßnahme, falls die Lebensdauer kürzer sein sollte als der Untersuchungszeitraum von 80 Jahren. Es wird keine Instandsetzung von einzelnen Bauteilen untersucht Kostenermittlung Die Kostenermittlung der vier Brückenvarianten wurde auf unterschiedliche Weisen vorgenommen. Durch Kostenschätzungen von Fechtelkort & Eggersmann GmbH, Ingenierbüro Miebach, der Firma Glück sowie den Baukosten von Referenzobjekten wurden die zu erwartenden Kosten möglichst genau ermittelt Fazit Die Wirtschaftlichkeitsberechnung, deren Ergebnis auf der folgenden Seite aufgelistet ist zeigt, dass die Deckbrücke aus Stahlbeton und die Fachwerk-Trogbrücke aus Aluminium zwar sehr wartungsarme Brückenbauweisen sind, jedoch mit dem hohen Baupreis am Ende der Rangliste platziert sind. Die Deckbrücke aus Stahl ist trotz längster Lebensdauer immer noch ein gutes Stück teurer als die Holzvariante. So gesehen ist die Holz-Trogbrücke, trotz hoher Unterhaltskosten und kürzester Lebensdauer, immer noch die preisgünstigste Variante. Damit stellt die Bauweise mit Holz im Brückenbau für Fuß- und Radwege nicht nur die Lösung der Vergangenheit sein, sondern auch heutzutage und zukünftig eine sehr gute, kostengünstige und zu bevorzugende Bauweise darstellen.

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