DBU-Projekt "Holz-Beton-Verbund im Geschossdeckenbau"

Ökologische und technische Optimierung durch ganzheitliche Betrachtung

Dieses von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderte und in Zusammenarbeit mit mbaec durchgeführte Projekt hat zum Ziel, die Verbreitung der Holz-Beton-Verbund-Bauweise (HBV) im Geschossdeckenbau maßgeblich zu steigern. Zur Umsetzung dieses Zieles wird ein grundlegend neuer Ansatz gewählt: Parameterstudien auf der Basis eines automatisierten Bemessungs- und Bilanzierungstools. Dadurch soll die energie- und CO₂-intensive Stahlbetonbauweise in großem Umfang ersetzt werden, ohne dabei Nachteile in Bezug auf Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Bauphysik der gebauten Decken in Kauf nehmen zu müssen.

Konkret wird durch die gesamtheitliche Betrachtung und den Vergleich aller zur Verfügung stehenden Deckenkonstruktionen die Herausstellung der material- und energieeffizientesten Bauweisen unter gegebenen Randbedingungen erreicht. Aufgrund der hohen Anzahl und der Interaktion der veränderlichen Randbedingungen wie der Art des Deckenaufbaus, Verbindungsmittel, Spannweite, Nutzungsart, Belastung oder maximaler statischer Höhe kann diese Betrachtung nicht auf ein einfaches Vorgehen reduziert werden, das „von Hand“ zu bearbeiten ist. Um die Untersuchung zu ermöglichen, steht am Anfang des Projekts deshalb die Entwicklung eines Software-Tools, das alle Wechselwirkungen berücksichtigt, indem es jede Veränderung bei der Eingabe unmittelbar erfasst, die erforderlichen Nachweise automatisch führt, die Ökobilanz der gefundenen Systeme selbst erstellt und auf dieser Grundlage eine Optimierung durchführt. Umgesetzt wird dieses Vorgehen im CAD-Programm Rhino, das für diesen Zweck durch die Plug-Ins Grasshopper, Karamba3D und Galapagos ergänzt wird.  Nach der Entwicklung des Tools werden damit Parameterstudien durchgeführt, um zu untersuchen, welche HBV‑Aufbauten unter welchen Bedingungen zu den günstigsten Umweltbilanzen führen. Auf diesen Studien aufbauend lassen sich dann statische und bauphysikalische Nachweise sowie Konstruktionsregeln und  ‑vorschläge erstellen, die direkt in der Praxis umgesetzt werden können.  Dies führt zu einer deutlichen Erleichterung bei der Erarbeitung von HBV‑Lösungen, da Planer auf die untersuchten HBV-Konstruktionen zurückgreifen können und nicht in aufwendigen eigenständigen Untersuchungen und Überlegungen ein System entwickeln müssen, das den komplexen individuellen Anforderungen entspricht. 

Aus einer beispielhaften Vergleichsrechnung ergibt sich eine CO₂-Einsparung von ca. 50 kg/m² bei der Substitution einer Stahlbetondecke durch eine HBV-Decke. Das Ausmaß der Klimawirkung dieser Einsparung lässt sich veranschaulichen, indem man die gesamte neu gebaute Fläche von Hochbauten in Deutschland pro Jahr betrachtet. Diese lag für Wohn- und Nichtwohnbauten laut Statistischem Bundesamt bei 58 052 000 m² im Jahr 2017. Geht man davon aus, dass zwei Drittel dieser Fläche mit einer Geschossdecke versehen sind, dann lässt sich daraus ungefähr das Einsparpotential ermitteln, das mit der Substitution von Stahlbetondecken einhergeht. Gelingt es beispielweise 10% der Stahlbetondecken durch HBV-Decken zu ersetzen, ließen sich dadurch jährlich 200 000 t CO₂ einsparen. Auch wenn diese Rechnung wegen der lückenhaften Datenlage nur überschlägig durchgeführt werden kann, so zeigt sie doch, dass ein Umdenken bei der Konstruktion von Geschossdecken aufgrund der enormen realisierten Flächen erhebliches Einsparpotential bietet.

Die HBV-Systeme eigenen sich aufgrund deren Komplexität in Bemessung und Herstellung für standardisierte Systeme besonders gut. Wenn bei dem standardisierten System wiederrum ein nachhaltiges Tragwerk beabsichtigt ist, können die Abmessungen sowie ökologischen und ökonomischen Eigenschaften eines HBV-Systems mithilfe des Optimierungstools (Download-Link) in Grasshopper optimiert werden. Dabei lassen sich die Zielgrößen berücksichtigen, die in der Forschung analysiert wurden. Im Eingangsbereich sollten die ständigen und veränderlichen Lasten basierend auf dem Bodenaufbau, der Steifigkeit und dem Abstand der Verbindungsmittel als Randbedingungen vorgegeben werden (siehe Abbildung). Innerhalb dieser Randbedingungen wird die Optimierung mithilfe der Funktion 'Galapagos' durchgeführt, um die optimalen Parameter des Systems zu ermitteln. Unter dem folgenden Link (Download-Link) finden Sie die durch das entwickelte Tool optimierten Beispiele fürs HBV-System unter den bestimmten Randbedingungen.

In den Tabellen der Excel-Datei (Vorschau in der oberen Abbildung, Download-Link) sind die durch das Optimierungstool generierten Empfehlungswerten für einen allgemeinen Bodenaufbau eines HBV-Systems und den im Projekt „Wandelbarer Holzhybrid für differenzierte Ausbaustufen“ entwickelten Bodenaufbau für Wohn- oder Bürogebäude zu finden. Die definierten Randbedingungen werden am Anfang der Tabelle aufgelistet.

Insgesamt soll durch das beschriebene Vorgehen die Umsetzung von HBV-Geschossdecken deutlich vereinfacht werden und diese Bauweise so vermehrt in die Praxis geführt werden. Außerdem soll erreicht werden, dass die gebauten HBV-Decken ressourcenschonender und kostengünstiger ausgeführt werden als bisher.