03.12.2021 – Kategorie: Bauphysik

Holz oder Stahl? Mit Topologie-Optimierung den CO2-Fußabdruck von Fachwerk reduzieren

Fachwerk: Was den CO2-Fußabdruck optimieren hilftQuelle: MIT News, iStockphoto

Ein neues Berechnungstool soll helfen, den CO2-Fußabdruck von Fachwerk durch die Kombination der geeigneten Materialien zu reduzieren.

  • Gebäude können zur globalen Erwärmung beitragen, und zwar nicht nur durch ihren laufenden Betrieb, sondern auch durch die für ihren Bau verwendeten Materialien.
  • Fachwerk, das überall im modernen Bauwesen zum Einsatz kommt, besteht in der Regel aus Stahl oder Holz oder einer Kombination aus beidem.
  • Es gibt jedoch nur wenige quantitative Untersuchungen darüber, wie man die richtigen Materialien auswählt, um den möglichen Beitrag dieser Strukturen zur globalen Erwärmung zu minimieren.

Der in einem Baumaterial enthaltene „verkörperte Kohlenstoff“ umfasst den Brennstoff, der bei der Herstellung des Materials (zum Beispiel bei der Gewinnung und Verhüttung von Stahl oder beim Fällen und Verarbeiten von Bäumen) und beim Transport des Materials zur Baustelle verwendet wird. Dazu gehören auch die für den Bau selbst verwendeten Geräte. Forschende des MIT haben nun eine detaillierte Analyse durchgeführt und eine Reihe von Berechnungswerkzeugen entwickelt, die es Architekten und Ingenieuren ermöglichen, Fachwerk so zu entwerfen, dass der darin enthaltene Kohlenstoff auf ein Minimum reduziert wird und gleichzeitig alle für eine bestimmte Bauanwendung erforderlichen Eigenschaften erhalten bleiben. Während Holz im Allgemeinen einen viel geringeren CO2-Fußabdruck hinterlässt, kann die Verwendung von Stahl an Stellen, an denen seine Eigenschaften maximalen Nutzen bringen, ein optimales Ergebnis liefern, so die Forscher.

Zwei Möglichkeiten, die mit Fachwerk verbundenen Emissionen zu reduzieren

Die Analyse wird in einer in der Fachzeitschrift Engineering Structures veröffentlichten Arbeit des Doktoranden Ernest Ching und der MIT-Assistenzprofessorin für Bau- und Umwelttechnik Josephine Carstensen beschrieben.

„Das Baugewerbe ist ein riesiger Verursacher von Treibhausgasemissionen, der in den letzten Jahrzehnten sozusagen unter dem Radar geflogen ist“, sagt Carstensen. Aber in den letzten Jahren haben die Konstrukteure von Gebäuden begonnen, sich mehr darauf zu konzentrieren, wie sie nicht nur die mit der Gebäudenutzung verbundene Betriebsenergie reduzieren können, sondern auch den wichtigen Kohlenstoff, der mit der Baustruktur selbst verbunden ist. Und genau hier setzt diese neue Analyse an.

Die wichtigsten Optionen zur Verringerung der mit Fachwerk verbundenen Kohlenstoffemissionen seien der Austausch von Materialien oder die Veränderung der Struktur. Bisher habe man jedoch erstaunlich wenig an Werkzeugen gearbeitet, die Strategien zur Emissionsreduzierung für eine bestimmte Situation unterstützen, sagt Carstensen.

Das neue System nutzt die Topologie-Optimierung. Sie ermöglicht die Eingabe grundlegender Parameter, wie zum Beispiel der zu tragenden Last und der Abmessungen der Struktur. Mit ihr lassen sich Entwürfe erstellen, die für verschiedene Merkmale optimiert sind, wie zum Beispiel Gewicht, Kosten oder, in diesem Fall, Auswirkungen auf die globale Erwärmung.

Optimierungswerkzeuge von der frühen Planungsphase bis zur Endphase des Entwurf

Holz eignet sich sehr gut für Druckbelastungen, hat aber Nachteile gegenüber Stahl, wenn es um Zugbelastungen geht. Carstensen sagt, dass Holz im Allgemeinen in Bezug auf den verkörperten Kohlenstoff weitaus besser sei als Stahl. Somit sollte man „insbesondere bei Strukturen, die keine Spannungen aufweisen, definitiv nur Holz verwenden“, um die Emissionen zu minimieren. Ein Nachteil sei, dass „das Gewicht der Struktur höher ist als bei Stahl“, sagt sie. Die von den Forschenden entwickelten Werkzeuge, die Grundlage für Chings Masterarbeit, lassen sich in verschiedenen Planungsphasen einsetzen.

Erhebliche Einsparungen bei den im Fachwerk verkörperten Treibhausgasemissionen

Als Übung entwickelte das Team einen Vorschlag für die Überarbeitung mehrerer Fachwerke mit Hilfe dieser Optimierungswerkzeuge. Somit konnten die Forschenden zeigen, dass sich eine erhebliche Einsparung an verkörperten Treibhausgasemissionen ohne Leistungseinbußen erzielen lässt. Es habe sich zwar herausgestellt, dass Verbesserungen von mindestens 10 Prozent erreichbar seien. Aber diese Ergebnisse seien nicht eins zu eins in die Realität übertragbar, so Carstensen. Denn die Einsparungen könnten zwei- bis dreimal so hoch ausfallen.

„Es geht darum, die Materialien intelligenter auszuwählen“, sagt sie, je nach den Besonderheiten einer bestimmten Anwendung. In bestehenden Gebäuden „wird oft Holz verwendet, wo es unter Druck steht und wo dies sinnvoll ist. Dann werden wirklich dünne Stahlteile verwendet, die unter Spannung stehen, wo es sinnvoll ist. Das ist auch das, was wir in unseren vorgeschlagenen Konstruktionslösungen sehen, aber vielleicht können wir es noch deutlicher sehen.“

Noch nicht für den kommerziellen Einsatz bereit

Die Werkzeuge seien jedoch noch nicht für den kommerziellen Einsatz bereit, da eine entsprechende Benutzerschnittstelle derzeit fehlt. Carstensen sieht einen Trend zur zunehmenden Verwendung von Holz im Großbau. Das berge ein wichtiges Potenzial für die Reduzierung der weltweiten Kohlenstoffemissionen. „In der Bauindustrie gibt es ein großes Interesse an Massivholzkonstruktionen, und dies spricht genau diesen Bereich an. Die Hoffnung ist also, dass dies im Baugewerbe Einzug hält und tatsächlich einen Rückgang in diesen sehr großen Beitrag zu den Treibhausgasemissionen ausmacht.“

Bild oben: Eine neue Analyse von MIT-Forschern könnte Architekten und Bauherren dabei helfen, den Kohlenstoff-Fußabdruck von Fachwerk zu reduzieren. Bild: MIT News, iStockphoto

Weitere Informationen: https://cee.mit.edu/

Erfahren Sie hier mehr darüber, wie sich CO2-Emissionen in verschiedenen Projektphasen berechnen lassen.

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