M. Feldmann D. Pyschny

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1 Wann sind Stahlbauten besonders nachhaltig? iforum Nachhaltigkeit, Aachen M. Feldmann D. Pyschny

2 Was ist überhaupt Nachhaltigkeit? 18. Jahrhundert: Nachhaltige Forstwirtschaft 1970er Jahre: Nachhaltiges ökonomisches Wachstum 1980er Jahre: Nachhaltige ökologische Entwicklung 2000er Jahre: Nachhaltige Klimaentwicklung (Energie, CO2, Ozon) 2008/09: Weltfinanzkrise Nachhaltige Finanzwirtschaft? 2

3 Derzeitige Entwicklung der Randbedingungen Wesentliche (Basis-)Anforderungen Richtlinien (Auszug aus 30 Dokumenten) Mechanische Festigkeit und Stabilität Brandschutz Hygiene, Gesundheit und dumwelt Gebrauchs- tauglichkeit Schallschutz Energie, Wirtschaft und Wärmeschutz Nachhaltiger Verbrauch von natürlichen Ressourcen Bauproduktenrichtlinie (89/106/EEC) Richtlinie über Koordinierung der Verfahren zur Vergabe öffentlicher Bauaufträge, Lieferaufträge und Dienstleistungsaufträge (2004/18/EC) Richtlinie über die Angabe des Verbrauchs an Energie und anderen Ressourcen durch Haushaltsgeräte mittels einheitlicher Etiketten und Produktinformationen (92/75/EEC) Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (2002/91/EC) Richtlinie über Endenergieeffizienz und Energiedienstleistungen (2006/32/EC) Beteiligte Europäische CEN TCs TC 127 TC 250 TC 351 TC 156 TC 250 TC 126 TC 211 TC 126 TC 211 TC 89 TC 228 TC 156 TC 350 TC 154 TC 104 TC 250 3

4 Und der Stahlbau? Werkstoff % rezyklierbar - 40 % (90%) der Produktion aus Recycling - Fertigung mit kontrollierter Umweltbelastung Halbierung des CO 2 - Ausstoßes innerhalb der letzten 30 Jahre Geringe Abfallmenge - Stahl stellt keine Umweltbelastung dar (ungiftig, reaktionsträge) - Dritthäufigstes (festes) Element der Erdkruste - Leichtbau Bauweise Ressourcenschonung (30 70%) Nutzung von Baugrund geringer Belastbarkeit - Vorfertigung Qualitätskontrolle Baustellenoptimierung Sicherheit Leichter Rückbau - Trockenes Bausystem Geringe Umweltbelastung l t auf der Baustelle Betrieb - Hohe Energieeffizienz möglich - Einfache Installation von Systemen zur Nutzung regenerativer Energien - Gute Schalldämmung möglich - Baukastenprinzip vereinfacht Unterhalt, Erweiterung, Umnutzung - Große Spannweiten ermöglichen flexible Raumnutzung - Dauerhafte und robuste Konstruktion

5 Nachhaltigkeit 1. Herstellung 2. Betrieb 5

6 Beispiel: Lösungen für Funktionsdecken 6 - Deckenpaket bei einer Trägerspannweite e von 6 m und einer Plattenspannweite L= 7,5 m L= 15 m

7 Beispiel: Lösungen für Funktionsdecken Topfloor Integral Slimline 7

8 Multifunktionsdecke Nachhaltig? Gibt es eine optimale Deckenspannweite? (a) (b) (c) (d) Marktanalyse Herstellungsenergie und Kosten Ressourcenstrom- Wechselwirkung Mensch und Architektur 8

9 Gibt es eine optimale Deckenspannweite? (a) Marktanalyse* * Eurobuild in Steel: Evaluation of Client Demand, Sustainability and Future Regulations on the Next Generation of Building Design, RFCS research report 7210-PR , Brüssel

10 Umfrage Wichtung der Entwurfsanforderung Große Spannweiten von Decken 100% 5 90% 80% 4 Rüc ckantwort [% %] 70% 60% 50% 40% 30% 20% ittel Gew wichtetes Mi 10% 0% F E D NL B L S FIN GB K. A. 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% Gering 0% 4% 1% 2% 0% 0% 0% 0% 0% unter Durchschnitt 9% 8% 6% 2% 5% 0% 3% 8% 1% Durchschnitt 18% 11% 8% 11% 8% 13% 16% 12% 24% über Durchschnitt 20% 57% 28% 42% 46% 38% 40% 32% 42% Hoch 52% 20% 57% 43% 41% 49% 40% 48% 33% gew. Mittel

11 Umfrage Wiegroßsinddiebevorzugten die Spannweiten für? 25,00 Dur rchschnittlic che Spannw weiten [m] 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 F E D NL B L S FIN GB Ø Verkaufsflächen Bürogebäude Wohngebäude

12 Gibt es eine optimale Deckenspannweite? (b) Energie und Kosten 12

13 Kosten und Energie Ökobau.dat 2008 Stahlprofil Baustoff Herstellungsprozess Gesamtprimärenergie Entsorgungsprozess Gesamtprimärenergie Stahl, warmgewalzte Profile (I/U/T/H/L) 24,34 MJ/kg Recyclingpotential Stahlprofil, warmgewalzt -14,02 MJ/kg Stahlblech Stahl Feinblech (20µm bandverzinkt) 30,64 MJ/kg Recyclingpotential Stahl Feinblech, verzinkt -14,6 MJ/kg Bewehrung Beton Bewehrungsstahl 12,1919 MJ/kg Beton C25/ ,3 MJ/m³ Bauschutt Aufbereitung 0,05 MJ/kg Holz Brettschichtholz Nadelholz (12% Feuchte) 29,22 MJ/kg Holz, naturbelassen in MVA -13,84 MJ/kg Porenbeton Porenbeton P2 04 unbewehrt 3,82 MJ/kg Bauschutt Aufbereitung 0,05 MJ/kg PUR- Hartschaum Polyurethan-Hartschaum- Dämmstoff 93,85 MJ/kg End of life - Polyurethan Hartschaum (Rohrisolierung) -21,23 MJ/kg Mineral- wolle Mineralwolle (Fassaden- 96 MJ/m³ Dämmung) 940,96 Bauschuttdeponie 0,17 MJ/kg 13

14 Herstellungsenergie und Kosten von Stahlverbunddecken Rohbau: Stahlskelett und Betonplatte 230 /m² 160 /m² 180 /m² 100 MJ/m² 30 MJ/m² 50 MJ/m² 1,0 1,7 3,3 14

15 Gibt es eine optimale Deckenspannweite? (c) Ressourcenstrom- Wechselwirkung 15

16 Ressourcenstrom- Wechselwirkung Energievorrat V Nicht eingebaute Energie Graue Energie G Eingebaute Energie System Bau / Gebäude 16

17 Ressourcenstrom Wechselwirkung, Erhaltungsgleichungen Recyclinggewinne Erneuerbare Energien Betriebsgewinne Betriebsverbräuche Herstellungsverbrauch (eingebaut) Herstellungsverbrauch (verloren) Abrissrate Herstellungsverbrauch (eingebaut) 17

18 Ressourcenstrom- Wechselwirkung, Lösung: Umnutzungsrate k 2 gewählte Parameter k 1 0,18 k 3 0,40 k 4 0,33 L [m] k k ,81 k 6 0,43 k 7 0,05 7, 18

19 Gibt es eine optimale Deckenspannweite? (d) Mensch und Architektur 19

20 Mensch und Architektur, Nutzung: OFFICE 20

21 Mensch und Architektur, Nutzung: WOHNEN 21

22 Nachhaltigkeit 1. Herstellung 2. Betrieb 22

23 Typenhalle Stahl: Vergleich Fassadensysteme im Betrieb Ökobilanz der Industriehalle basierend auf der Datenbank Ökobau.dat Stahl-PUR Sandwichelemente d=80mm U = 0,30 W/(m² K) 2. Porenbeton d = 300 mm U = 030W/(m² K) 0,30 3. Stahl-PUR Sandwichelemente d = 200 mm U = 0,13 W/(m² K)

24 Vergleich Fassadensysteme nergie in kwh/m m² nach 20 Jah hren 600,00 500,00 400,00 300,00 Total costs Herstellung / End of Life Transmission Summe Conventional Building Gesamtprimäre 200,00 Investment costs 100,00 Sustainable Building 0,00 Porenbeton Operating costs Stahl-PUR- Sandwichelement Stahl-PUR- Sandwichelement Time d = 80 mm; U = 0,3 W/m²K d = 300 mm; U = 0,3 W/m²K d = 200 mm; U = 0,13 W/m²K

25 Zeit- und skalenbezogener Ressourcenverbrauch 25

26 Beispiele für die dimensions- und skalenabhängige Nachhaltigkeitsanalyse 26

27 Ein weiteres Beispiel: Schutzeinrichtungen Quelle: Arcelor Mittal Erweiterter Bilanzrahmen? Einfluss auf Unfallschwere, Gesundheit, Gesellschaft?

28 Stahl-Verbundbrücken mit und ohne integralen Widerlagern, Bilanzrahmen

29 Instandhaltungskosten Leduån bridge, Schweden et. al. hoto: Eriksen e Ph Instandhaltu ungskosten + Baukoste en (Eigner) Integrale Widerlagerbrücke Balkenbrücke mit Mittelstütze und Fb-Übergang Nutzungsjahr Quelle: Eriksen et. al., 2008 (basierend auf Angaben der Swedish National Road Administration)

30 Beispiel "Brücke" für dimensions- und skalenabhängige Nachhaltigkeitsanalyse 30

31 Wann sind Stahlbauten besonders nachhaltig? Verknüpfung der Stärken des Stahlbaus mit konkreten Nachhaltigkeitsanforderungen Zielgenaue Entwicklung neuer nachhaltiger Produkte Nachhaltigkeitsaspekte Verbesserte Ökologische Qualität Formulierung der Soziokulturelle und funktionale Qualität Nachhaltigkeitsbe- wertung für Stahlbaubelange, Ökonomische Qualität Technische Qualität des Bauwerks Prozessqualität Standortqualität Kriteriengruppe Wirkungen auf die globale Umwelt Ressourceninanspruchnahme Wirkungen auf die lokale Umwelt Lebenszykluskosten Wertstabilität Gesundheit, Behaglichkeit Nutzerzufriedenheit Funktionalität Gestalterische Qualität Qualität der Planung u. Qualität der Bauausführung Qualität der Bewirtschaftung 31 zutreffende EPDs

32 Deswegen: FOSTA-DSTV-DVS Forschungspaket NASTA P 879: Integrierte und nachhaltigkeitsorientierte Deckensysteme im Stahl- und Verbundbau P 881: Nachhaltige Büro- und Verwaltungsgebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise P 880: Mehrdimensionale energieoptimierte Gebäudehülle in Stahlleichtbauweise für den Industrie- und Gewerbebau P 845: Bauen im Bestand Potentiale und Chancen der Stahl(leicht)bauweise P 843: Ganzheitliche Bewertung von Stahl- und Verbundbrücken nach Kriterien der Nachhaltigkeit P 844: Methodenentwicklung und Leitfadenerstellung für die Bewertung der Nachhaltigkeit stählerner Konstruktionen für erneuerbare Energien 32