Projekt 38392/01

Entwicklung innovativer Tragsysteme durch Wiederverwertung von Rohstoffen im Rahmen des Reallabors “Neubau des Museums-Pavillons der TU Berlin”

Projektdurchführung

Technische Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen FG Entwerfen und Konstruieren - Verbundstrukturen
Gustav-Meyer-Allee 25
13355 Berlin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens


Zur Erreichung der Klimaziele im Bausektor bis 2050 bedarf es einer radikalen Transformation der Art, in der gegenwärtig geplant und gebaut wird. Vor dem Hintergrund schwindender Ressourcen und den ökologischen Negativwirkungen der Herstellung von neuen Baumaterialien kommt der hochwertigen Wieder- und Weiterverwendung von Baustoffen und Bauteilen eine besondere Bedeutung zu. Für die Erreichung einer Kreislaufbauwirtschaft müssen die Inanspruchnahme von Rohstoffen maßgeblich reduziert, Lebenszyklen von Ressourcen, Bauteilen und ganzen Gebäuden längst möglich gestaltet und Abfall fast gänzlich vermieden werden. Gemäß einer Studie des Umweltbundesamtes werden die ökologischen und wirtschaftlichen Vorteile des Materialrecyclings und der Nachnutzung ganzer Bauteile bislang nur unzureichend oder gar nicht berücksichtigt. Beim Abbruch bzw. Rückbau anfallende mineralische Baustoffe werden größtenteils verwertet, allerdings nur zu einem Bruchteil in hochwertiger Form als Substitution in Primärbaustoffen. Andere anfallende, nicht mineralische Bauabfälle wie Kunststoffe und Holz werden primär thermisch und in nur wenigen Ausnahmen stofflich verwertet. Der vermehrte Einsatz von Baustoffen in Materialverbünden macht eine sortenreine Trennung zur Weiterverwendung nach derzeitigem Stand unmöglich

Das Forschungsvorhaben „Neubau des Museums-Pavillons der TU Berlin als Reallabor-Bauen“ setzt hier an und mit dem Ziel der Konzeption und Entwicklung innovativer Tragsysteme optimiert für die Herstellung aus wiederverwendeten Rohstoffen, die eine sortenreine Trennung und spätere Wiederverwendung vereinfacht ermöglichen. Für die Umsetzung dieser Ansätze abseits gängiger Standards bedarf es neben technischen Innovationen auch Anpassungen auf prozessualer Ebene: Herkömmliche Prozesse von der Forschung über die Entwicklung bis zur Umsetzung sind an vielen Stellen nicht mehr praktikabel, um die notwendige Geschwindigkeit der Transformation des Bausektors zu erreichen. Die direkte Zusammenarbeit von Forschung und Praxis für einen beschleunigten Wissenstransfer ist dafür von besonderer Bedeutung.

Das Forschungsvorhaben kooperiert mit dem Realisierungsprojekt GRW-Projekt „Pavillon und Wissenspfade“ der Technischen Universität Berlin. Ziel ist es, die wissenschaftlichen Ergebnisse der hier vorliegenden ersten und beantragten zweiten Stufe dieses Forschungsvorhabens in den Planungs- und Bauprozess einfließen zu lassen und so eine direkte Umsetzung zu ermöglichen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Forschungsprojekt „Neubau des Museums-Pavillons der TU Berlin als Reallabor-Bauen“ ist gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt. Die 12-monatige erste Stufe des Forschungsprojekts ist in vier Forschungsbereiche und Arbeitspakete gegliedert. Die Fortführung, Detaillierung und Umsetzung des Forschungsvorhabens in einer zweiten Stufe ist geplant und beantragt.

In Arbeitspaket 1 – Wiedergewinnung und -verwendung von Altholz als Baustoff für Tragwerke – werden die gegenwärtigen juristischen Grundlagen der Altholzwiederverwendung zusammengefasst und dargelegt. Weiterhin werden mithilfe von Altholz aus drei Berlin bzw. berlinnahen Rückbauvorhaben exemplarisch die Gewinnung, der Transport, die Aufbereitung sowie die Sortierung von Altholz in Festigkeitsklassen durchgeführt. Die Sortierung erfolgt vergleichend mit mehreren visuellen bzw. maschinengestützten Verfahren. Anhand der Ergebnisse und Erfahrungswerte aus der exemplarischen Durchführung der Altholzakquise wird ein allgemeingültiger Ablauf erarbeitet, mit dessen Hilfe Planer:innen und Bauherr:innen in der Lage sind, Altholz in ihren Bauvorhaben einzusetzen. In Bezug auf die Thematik der Altholzsortierung wird ein Bedarf für weiterführende Forschung festgestellt.

In Arbeitspaket 2 – Kreislaufgerechte Altholznutzung - Tragwerksentwurf – werden weitspannende Tragwerkstypologien, wie sie im Museumspavillon zum Einsatz kommen sollen, hinsichtlich der Verwendbarkeit von Altholz und der Rückbaubarkeit der notwendigen Verbindungen untersucht und optimiert. Es wird eine Parameterstudie hinsichtlich der notwendigen Querschnitte und auftretenden Schnittgrößen anhand eines 12 Meter spannenden Holzfachwerkträgers durchgeführt. Weiterhin werden für das Realisierungsvorhaben infrage kommende Holz-Holz-Verbindungen untersucht, indem ein theoretisches Bemessungsmodell entwickelt und anschließend Kleinteilprobekörper exemplarisch mithilfe von Druckversuchen beprobt werden.

In Arbeitspaket 3 – Beton- und stahlarme Gründung – werden zwei Varianten von Einzelfundamenten anhand der Lasten aus dem Realisierungsprojekt entworfen. Beide Varianten minimieren den Einsatz von Stahlbeton im Vergleich zu konventionellen Einzelfundamenten. Für die Varianten werden mögliche Bemessungskonzepte vorgestellt und konstruktive, ausführungsrelevante Details erörtert.

In Arbeitspaket 4 – Kreislaufgerechte Planung und Realisierung, Bewertung – werden die Rahmenbedingungen des neuartigen Reallabor-Ansatzes zusammengefasst, die die Grundlage für die kreislaufgerechte Planung und die Ausrichtung des Forschungsprojekts bilden. Zur Bewertung der ökologischen Vorteile der in dem Forschungsprojekt entwickelten Bauteile aus wiederverwendeten Materialien werden aktuelle Bewertungsansätze anhand der Umweltauswirkungen (LCA) vergleichend angewendet und daraus ein eigener Ansatz abgeleitet. Die Unschärfe der Ergebnisse zeigt einen Forschungsbedarf auf; empfohlen wird die Weiterentwicklung zu einem mehrdimensionalen Bewertungsansatz unter Einbezug zusätzlicher Faktoren in der zweiten Phase des Forschungsprojekts.


Ergebnisse und Diskussion

Die zentrale Forschungsfrage des Vorhabens ist, ob bzw. zu welchen Bedingungen die entwickelten kreislaufgerechten Konzepte für Tragkonstruktionen aus wiederverwendeten Materialien im Bauvorhaben realisiert werden können und ob eine Übertragbarkeit der Ansätze zur breiten Verankerung im Bausektor möglich ist. Das Reallabor für das Planen und Bauen in den planetaren Grenzen formuliert ein zukunftsweisendes Konzept für einfaches, schadstofffreies Bauen aus wiederverwendeten Materialien, das Abfall fast gänzlich vermeidet.

1. Forschungsgebiet Kreislaufgerechte Altholznutzung & Gewinnung des Altholzes
Im Rahmen dieser 1. Phase des Forschungsprojekts wurde ein für den kreislaufgerechten Einsatz von Altholz in tragender Funktion notwendiger Ablauf konzipiert. Dieser Ablauf beinhaltet sowohl formelle als auch werkstoffspezifische Aspekte: Es ist insbesondere Wert zu legen auf die Vermeidung der Abfalleigenschaft, einen zerstörungsarmen Ausbau der Einzelbauteile, eine werkstoffgerechte Lagerung zwischen den Einzelschritten des Ablaufs und eine Methode der Sortierung in Festigkeitsklassen, die auf die speziellen Herausforderungen im Umgang mit Altholz eingeht. Der Ablauf der Altholzgewinnung und -sortierung wurde exemplarisch anhand von drei repräsentativen Altholzquellen bzw. Rückbauvorhaben durchgeführt. Dabei lag ein Fokus auf der Aufbereitung, Sortierung und Einordnung in Festigkeitsklassen.

Es wird dabei festgestellt, dass Altholz aus Rückbauvorhaben in Mengen vorhanden ist, die für das Realprojekt relevant sind. Weiterhin wird, als zentrales und wegweisendes Forschungsergebnis, festgestellt, dass die Wiederverwendung von Altholz nach jetzigem Kenntnisstand grundsätzlich möglich ist – sofern der in diesem Bericht beschriebene Ablauf befolgt wird. Um die Altholzgewinnung derart zu skalieren, dass Projekte in der Größe des TU Pavillons damit realisiert werden können, bedarf es einer Professionalisierung aller Einzelabläufe.

Für die Sortierung des Altholzes in Festigkeitsklassen bedarf es weiterführender Forschung, die auf größeren Stichprobenmengen basiert. Eine reine visuelle Sortierung erscheint zum jetzigen Zeitpunkt und mit Holz in ähnlicher Qualität der bisher untersuchten Quellen nicht zielführend. Im Rahmen weiterführender Forschung sollte festgelegt werden, wie die im vorliegenden Bericht beschriebenen Verfahren der Sortierung möglichst zielführend miteinander kombiniert werden können, um die Festigkeit von Altholz zuverlässig beurteilen zu können.

2. Forschungsgebiet Kreislaufgerechte Holznutzung – weitspannende und rückbaubare Konstruktionen aus Altholz
Aufbauend auf dem Tragwerksentwurf aus der Planung des Bauvorhabens und unter Berücksichtigung der üblicherweise bei Altholz zu erwartenden Querschnitte und Geometrien, wurde im Rahmen der ersten Forschungsphase eine parametrische Studie durchgeführt, die eine möglichst großflächige Verwendung von Altholz ermöglichen soll. Hieraus wurde ein parametrischer Entwurf für einen verbindungsmittelarmen Knoten des Fachwerkträgers entwickelt, betrachtet wurden formschlüssige Holz-Holz-Verbindungen sowie konventionelle Anschlussformen. Aus den Entwürfen der Holz-Holz-Verbindungen, für die es gegenwärtig keine vollständigen Nachweiskonzepte nach DIN gibt, wurden Versuchsaufbauten an Kleinteilprobekörpern abgeleitet, um daran die Tragfähigkeit der unterschiedlichen Anschlussformen abschätzen zu können.

Basierend auf dem Bemessungskonzept, der durchgeführten Untersuchungen sowie den typischerweise vorhandenen Querschnitten des Altholzes werden die in Arbeitspaket 2 betrachteten formschlüssigen Holz-Holz-Anschlüsse für den weitspannenden Träger im Realprojekt für die Übertragung von Druckkräften empfohlen. Für die Übertragung von Zugkräften werden Bauteile aus Stahl empfohlen, die einen materialgerechten Materialeinsatz bedeuten und die für den Rest des Trägers einen wirtschaftlicheren und architektonisch ansprechenden Tragwerksentwurf ermöglichen. Forschungsbedarf besteht an dieser Stelle insbesondere zur Anfangsverformung des Gesamtträgers bei Verwendung von Zugelementen aus Stahl. Weiterhin gilt es im weiteren Verlauf zu untersuchen, inwiefern der Einsatz von Altholz bei der Herstellung von BSH-Bindern möglich ist.

3. Forschungsgebiet beton- und stahlarme Gründung
Auch im Bereich der Gründung soll im Rahmen des Realprojekts ein neuer Weg beschritten werden: die Bodenplatte wird vom Boden gelöst und als eine aufgeständerte Holzkonstruktion ausgeführt, so dass der Boden nicht versiegelt wird, das Holzbauteil aber nicht erdberührend ausgeführt wird. Im Rahmen des dritten Arbeitspakets wurden zwei mögliche Gründungsvarianten für den Abtrag von Vertikallasten durch Einzelfundamente untersucht. Nach jetzigem Kenntnisstand ist für Variante 1 – ein mit Bruchstein gefüllter, kreisrunder Stahlkorb – der vorrangig wichtige Nachweis der inneren Standsicherheit auf einer theoretischen Ebene möglich. Bei Variante 2 sind Fragen zur Lagesicherung des Füllmaterials aufgetreten, die zum jetzigen Zeitpunkt auf theoretischer Ebene unbeantwortet sind und in vertiefender Forschung untersucht werden müssen.

Für beide Gründungsvarianten wird ein Bedarf für weitere Forschung festgestellt. Es soll daher im zweiten Forschungsabschnitt ein insgesamt größerer Fokus auf das Arbeitspaket „Betonarme Gründung“ gelegt werden, um die bisher erzielten Ergebnisse verifizieren und vertiefen zu können. Besonderer Fokus soll dabei auf der experimentellen Untersuchung der letztlich gewählten Gründungsvariante sowie auf den Abtrag der Horizontallasten gelegt werden.

4. Forschungsgebiet Kreislaufgerechte Planung und Bewertung

Zur Stärkung kreislaufgerechter Ansätze und Legitimation des aktuell noch notwendigen Mehraufwandes für das Planen und Bauen mit wiederverwendeten Materialien sind robuste Messungen erforderlich, um die Vorteile der Wiederverwendung für eine nachhaltige Planungspraxis messbar zu machen. Dafür wurde in der ersten Phase des Forschungsvorhaben zunächst der Fokus auf die zunehmend etablierte Methode der Ökobilanzierung oder Lebenszyklusanalyse (LCA) gelegt. Die meisten etablierten Instrumente zur LCA sind jedoch nicht geeignet, um die Umweltauswirkungen eines Gebäudes zu bewerten, dessen Komponenten wiederverwendet sind und/oder in zukünftigen, noch nicht konkret geplanten Gebäuden wiederverwendet werden können. Für langlebige Bauteile, die über mehrere Nutzungszyklen hinweg eingesetzt werden können, braucht es einen anderen Berechnungsansatz, da die Verzögerung der CO2 Emissionen rechnerisch berücksichtigt werden muss.

In der ersten Stufe des Vorhabens wurde zunächst eine vergleichende Analyse bestehender Ansätze zur Berechnung der Ökobilanz wiederverwendeter Materialien und Bauteile in Anlehnung an die LCA gemäß DIN EN 15978 erstellt und auf die verschiedenen Bauteilvarianten des Forschungsvorhabens angewendet. Die Ergebnisse der Berechnungen des GWPs zeigen eine große Vielfalt in Abhängigkeit von der gewählten Methode der Bestimmung, dem Nutzungszyklus und Materialzusammensetzung des Bauteils. Signifikant waren die festgestellten Unterschiede der Holz- und Beton-Bauteile.

Für den Nachweis der verbesserten ökologischen Auswirkungen der neu entwickelten Bauteile aus wiederverwendeten Materialien konnte kein zufriedenstellender Berechnungsansatz gefunden oder entwickelt werden, anhand dessen die positiven Auswirkungen kreislaufgerechter Planungsentscheidungen und Forschungsinnovationen abgebildet werden können. Für die Entwicklung des Leitfadens zur Verbreitung der Ergebnisse dieses innovativen Vorhabens in der zweiten Phase des Forschungsprojekts wird, anknüpfend an die Ergebnisse der ersten Phase, ein mehrdimensionaler Bewertungsansatz zur Beurteilung im Vergleich zu konventioneller Planung und Bauteilen abgeleitet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Bereits in der ersten Stufe des Forschungsvorhabens wurden und werden die Ergebnisse der Forschung zum kreislaufgerechten Entwerfen, Planen und Konstruieren in der Lehre des Instituts für Architektur der TU Berlin sowie in Weiterbildungsangeboten der Architektenkammer aufgegriffen. Darüber hinaus wurden die Forschungsergebnisse des Projekts im Rahmen von verschiedenen Fachveranstaltungen präsentiert, wie die Lange Nacht der Wissenschaften 2023, der Jahresausstellung des Instituts für Architektur 2023, das NBL 5-Symposium an der TU Berlin, sowie in Form eines 1:5 Demonstrators auf der BAU Messe 2023 in München. Der daraus entstehende Diskurs mit anderen Wissenschaftler:innen, Partner:innen aus der Praxis und Industrie, sowie Kommunen und Gemeinden soll in der zweiten Stufe des Forschungsvorhabens aufgegriffen und skaliert werden. Die Ergebnisse des Forschungsprojekts werden außerdem in das der Ausstellung des Museums-Pavillons aufgenommen.


Fazit

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Neubau des Museums-Pavillons der TU Berlin als Realprojekt-Bauen“ wurden in vier Arbeitspaketen Fragestellungen untersucht, die für die Umsetzung des Bauprojekts „TU Museums Pavillons“ als wegweisendes Leuchtturmprojekt im Rahmen der Bauwende essentiell sind. Ziele des Bauvorhabens sind ein möglichst großflächiger Einsatz von Altholz in tragender Funktion, rückbaubare Verbindungen im Holztragwerk sowie die Verwendung von Fundamenten mit einem möglichst geringen Anteil an Beton und Stahl sowie mit einer sortenreinen Rückbaubarkeit.

Hin zum Erreichen der oben genannten Ziele wurden im Rahmen dieses Projekts in allen Arbeitspaketen wichtige Schritte getan, wobei gleichzeitig festzustellen ist, dass eine vollständige Zielumsetzung zum jetzigen Zeitpunkt und nach jetzigem Kenntnisstand nicht gesichert oder nur begrenzt möglich ist. In allen betrachteten Gebieten sind weitere Forschungsschritte und Untersuchungen notwendig, die in der beantragten 2. Stufe des Forschungsvorhabens weiterführend bearbeitet werden sollen.

Übergeordnetes Ziel des Forschungsprojekts und der Kooperation mit dem Realisierungsvorhaben der TU Berlin ist die Entwicklung kreislaufgerechter, innovativer Tragwerke, die erfolgreiche Umsetzung der Forschungsergebnisse im Neubau auf dem Campus der TU Berlin sowie die Skalierung der Erkenntnisse und Übertrag auf den Bausektor. Hierfür spielen der oben beschriebene Leitfaden, sowie zielgruppenspezifische Veranstaltungen zur Vorstellung und Verbreitung der Ergebnisse eine übergeordnete Rolle.