Ökologische Bewertung und Optimierung von Tragwerken

Abstract

Weltweit verursacht das Bauwesen etwa 60 % des Ressourcenverbrauchs, 50 % des Abfalls, über 50 % der Treibhausgasemissionen und mehr als 35 % des Energieverbrauchs. Aus diesem Grund ist eine Ressourcenverbrauchs- und Emissionsreduktion in allen Bereichen des Bauwesens notwendig, wobei Tragwerke aufgrund des hohen Materialverbrauchs und den damit verbundenen Umweltauswirkungen eine besonders essenzielle Rolle spielen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der ökologischen Bewertung und Optimierung von Tragwerken mittels Ökobilanzierung. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der integrativen Analyse umweltbezogener und tragwerkstechnischer Eigenschaften von Baustoff- bis Bauwerksebene. Hierbei wurden bestehende Bewertungssysteme auf Baustoffebene analysiert, Optimierungsfunktionen und leistungsbezogene Umweltindikatoren für die Baustoff- und Bauteilebene entwickelt, ein neues Werkzeug zur ökologisch optimierten Tragwerksplanung von Bauteilen in Echtzeit entwickelt, eine bauteilbezogene Fallstudie mit über 450 Varianten durchgeführt, sowie die Optimierung von Bauwerken mittels Variantenstudien veranschaulicht und entsprechende Hürden thematisiert. Die Analyse bestehender Bewertungssysteme ergab, dass insbesondere quantitative Bewertungsmethoden auf Baustoffebene für die Anwendung in der Tragwerksplanung geeignet sind. Vollaggregierende Bewertungsmethoden, die eine Vielzahl von Umweltindikatoren zu Ressourceneinsatz und Umweltwirkungen in einem einzigen Wert zusammenfassen, erweisen sich dabei als besonders zweckmäßig. Die Analyse gängiger Systeme im DACH-Raum zeigt jedoch, dass die Ergebnisse und Handlungsempfehlungen je nach zugrunde liegender Datenbasis und Bewertungsmethode stark variieren können. Daher sollten Ergebnisse von Ökobilanzierungen stets in Relation zur verwendeten Datenquelle interpretiert werden. Eine sorgfältige Auswahl der Datenbanken und Bewertungsmethoden ist dabei essenziell. Aktuell empfehlen sich insbesondere die Datenbanken der KBOB und der ÖKOBAUDAT, da sie sowohl die Herstellung als auch die Entsorgung von Baustoffen berücksichtigen, sowie die „Methode der ökologischen Knappheit“, die eine umfassende Bewertung von Ressourceneinsatz und Umweltwirkungen bietet. Der „Oekoindex OI3“ hingegen ist aufgrund seiner Datenbasis, die die Entsorgungsphase ausklammert, sowie seiner Berechnungsmethode, die negative Konstanten einbezieht, weniger geeignet. Dies kann zu unplausiblen negativen Ergebnissen führen, insbesondere bei Bauteilstärken unter 12 cm und bei der Verwendung bestimmter Materialien wie Holz. Im Zuge der Entwicklung von Optimierungsfunktionen hat sich gezeigt, dass allgemeine Optimierungsfunktionen durch Integration ökologischer Dimensionen, wie Umweltwirkungen und Ressourceneinsatz, sinnvoll ergänzt werden können. Die Funktionen lassen sich flexibel an spezifische Anforderungen anpassen und erweitern. Die Verknüpfung ökologischer und tragwerkstechnischer Eigenschaften in einer einzigen Funktion bietet ein effektives Werkzeug zur Optimierung einzelner Bauteile und zur Durchführung allgemeiner Vergleiche. Dies ist insbesondere relevant bei der Bestimmung leistungsbezogener Umweltindikatoren, die eine fundierte Vorauswahl geeigneter Materialien ermöglichen. Ein diesbezüglich durchgeführter Materialvergleich hat gezeigt, dass es nicht nur aus technischen und wirtschaftlichen, sondern auch ökologischen Gesichtspunkten sinnvoll ist, Materialien entsprechend ihren konstruktiven Stärken einzusetzen. Bezüglich Druckbelastungen zeigt sich, dass vor allem unbewehrter Beton und Holzbaustoffe mit keinem beziehungsweise geringem Leimanteil sehr effizient sind, dicht gefolgt von Stahl. Hochlochziegel und Stampflehm sind aufgrund ihrer geringen Druckfestigkeit deutlich im Nachteil. Bei Biegebelastungen sind Stahlprofile aufgrund der effizienten Querschnittsform besonders effizient, gefolgt von Holzprodukten mit geringem Leimanteil. Die Ergebnisse der Zugfestigkeit zeigen ähnliche Tendenzen auf. Angemerkt sei hierbei, dass die Vergleiche von einer ähnlichen Lebensdauer der Tragwerke ausgehen und daher langlebige, durch ihre konstruktive Durchbildung robuste, Konstruktionen voraussetzen. Dies ist insbesondere hinsichtlich witterungsausgesetzter Tragwerke und Schäden bzw. deren Folgeschäden (Wassereintritt etc.) zu berücksichtigen. Darüber hinaus handelt es sich bei der Betrachtung um eine Momentaufnahme. Seitens der Baustoffindustrie wird aktuell intensiv an ressourcenschonenden Alternativprodukten geforscht, weshalb in naher Zukunft die Ergebnisse anders aussehen können. Die Entwicklung des modularen digitalen Werkzeugs, das eine integrierte, automatisierte und bauteilbezogene Lebenszyklusanalyse bereits in frühen Entwurfsphasen ermöglicht, schließt eine bisher bestehende Lücke zwischen konzeptioneller Planung und quantitativer Umweltbewertung. Das digitale Werkzeug verknüpft Tragwerksentwurf, Bemessung und Lebenszyklusanalyse miteinander und ermöglicht eine ökologische Optimierung in Echtzeit auf Bauteilebene. Die Anwendung des Werkzeugs wird anhand einer parametrischen Fallstudie mit mehr als 450 Trägerentwurfsvarianten veranschaulicht, in denen Lastniveau, Spannweite, Materialwahl, geometrische Randbedingungen und umweltbezogene Bewertungskennwerte variiert werden. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass kein Baustoff über alle untersuchten Szenarien hinweg ein Optimum hinsichtlich der Umweltwirkungen aufweist, wodurch der Nutzen eines integrierten digitalen Bewertungsansatzes bestätigt wird. Vielmehr zeigt sich eine enge Kopplung zwischen umweltbezogener und struktureller Leistungsfähigkeit sowie dem erforderlichen Materialeinsatz. Holz, Stahl und Stahlbeton können unter typischen Randbedingungen des Hochbaus jeweils vorteilhafte umweltbezogene Kennwerte erreichen, sofern sie in statisch und konstruktiv effizienten Tragwerkskonfigurationen eingesetzt werden. Entwurfsvarianten mit eingeschränkter Querschnittshöhe führen zu signifikanten Veränderungen in der relativen Materialbewertung und unterstreichen die zentrale Bedeutung projektspezifischer Randbedingungen für die praktische Anwendung. Insgesamt zeigt sich, dass parametrische Analysen auf Bauteilebene eine fundierte Unterstützung frühzeitiger Entwurfsentscheidungen leisten können und es wird die Notwendigkeit einer sorgfältigen Festlegung des funktionalen Äquivalents hervorgehoben. Der Prozess der ökologischen Optimierung auf Gebäudeebene mittels Variantenstudien wird anhand zweier beispielhafter Bauwerksarten, einer Brücke und eines Überkopfwegweisers, analysiert. Die Bauwerke werden in verschiedenen Materialisierungsformen und Ausführungsvarianten bezüglich ihrer umweltbezogenen Performance mittels Lebenszyklusanalyse untersucht und Optimierungspotenzial aufgezeigt. Die Ergebnisse zeigen auf, dass aus ökologischer Sicht nicht die übergeordnete Materialwahl (z.B.: Holz oder Stahl) per se entscheidend ist, sondern einerseits der den Baustoffen zugrunde liegende Herstellungsprozess und andererseits die Entwicklung effizienter Tragsysteme sowie die durchdachte konstruktive Durchbildung, um langlebige Bauwerke mit geringen Umweltwirkungen zu erhalten. Außerdem hat sich gezeigt, dass ein reiner Fokus auf Optimierung des Überbaus nicht zielführend ist, da die restlichen Bauteile wie Unterbau, Fundament und Ausrüstung für bis zu 75 % der Umweltwirkungen des Bauwerks verantwortlich sein können. Eine Optimierung scheint daher nur unter Einbeziehung dieser Bauteile sinnvoll. Abschließend hat sich gezeigt, dass entsprechende Optimierungsansätze bereits heute praxistauglich sind, indem die in der Untersuchung ökologisch effizienteste Brückenvariante im Rahmen eines Pilotprojekts schlussendlich zur Ausführung gelangte.

Globally, the construction sector accounts for approximately 60% of total resource consumption, 50% of waste generation, more than 50% of greenhouse gas emissions, and over 35% of global energy use. Consequently, reducing resource consumption and emissions across all areas of construction is essential. Structural systems play a particularly critical role due to their high material demand and the associated environmental impacts. This doctoral thesis therefore focuses on the ecological assessment and optimization of structural systems using life cycle assessment (LCA). A particular emphasis is placed on the integrated analysis of environmental and structural performance from the material level to the building level. To this end, existing assessment systems at the material level are reviewed, optimization functions and performance-based ecological indicators for material and component levels are developed, a new real-time tool for ecologically optimized structural design of components is introduced, a component-based case study with more than 450 variants is conducted, and the optimization of entire structures through variant studies is demonstrated while addressing related challenges. The analysis of existing assessment systems shows that quantitative evaluation methods at the material level are particularly suitable for application in structural design. Fully aggregating methods, which combine a wide range of indicators related to resource use and environmental impacts into a single value, prove to be especially practical. However, an analysis of commonly used systems in the DACH region reveals that results and derived recommendations can vary significantly depending on the underlying databases and assessment methods. LCA results should therefore always be interpreted in relation to the data sources used, making the careful selection of databases and methods essential. At present, the KBOB and ÖKOBAUDAT databases are particularly recommended, as they account for both the production and end-of-life phases of construction materials, along with the “ecological scarcity method,” which provides a comprehensive evaluation of resource consumption and environmental impacts. In contrast, the “Oekoindex OI3” is less suitable due to its data basis, which excludes the end-of-life phase, and its calculation method, which includes negative constants. This can lead to implausible negative results, particularly for component thicknesses below 12 cm and for certain materials such as timber. In developing optimization functions, it was shown that conventional optimization approaches can be meaningfully extended by integrating ecological dimensions such as environmental impacts and resource consumption. These functions can be flexibly adapted and expanded to meet specific requirements. Combining ecological and structural properties within a single function provides an effective tool for optimizing individual components and conducting general comparisons. This is particularly relevant for determining performance-based ecological indicators that enable a well-founded preselection of suitable materials. A material comparison conducted within this framework demonstrates that, from ecological as well as technical and economic perspectives, it is advantageous to use materials in accordance with their structural strengths. Under compressive loading, unreinforced concrete and timber products with no or low adhesive content perform very efficiently, closely followed by steel. Perforated clay bricks and rammed earth are at a clear disadvantage due to their low compressive strength. Under bending loads, steel profiles are particularly efficient due to their effective cross-sectional shapes, followed by timber products with low adhesive content. Similar trends are observed for tensile strength. These comparisons assume similar service lives of the structures and therefore presuppose durable, structurally robust designs. This is particularly important for structures exposed to weathering and potential damage and consequential effects (e.g., water ingress). Moreover, the assessment represents a snapshot in time. The construction materials industry is currently intensively researching resource-efficient alternative products, so future results may differ. The development of a modular digital tool that enables integrated, automated, component-based life cycle assessment already in early design phases addresses a previously existing gap between conceptual design and quantitative environmental assessment. The tool links structural design, structural analysis, and life cycle assessment, enabling real-time ecological optimization at the component level. Its application is demonstrated through a parametric case study comprising more than 450 beam design variants, in which load level, span, material choice, geometric boundary conditions, and environmental assessment parameters are varied. The results show that no single material exhibits optimal environmental performance across all investigated scenarios, thereby confirming the benefit of an integrated digital assessment approach. Instead, a strong interdependence between ecological efficiency, structural performance, and required material quantities becomes evident. Timber, steel, and reinforced concrete can each achieve favorable ecological indicators under typical building construction conditions, provided they are used in statically and structurally efficient configurations. Design variants with restricted structural depth lead to significant changes in relative material performance, highlighting the central importance of project-specific boundary conditions for practical application. Overall, parametric analyses at the component level are shown to provide robust support for early-stage design decisions and emphasize the need for a careful definition of the functional equivalent. The process of ecological optimization at the building level through case studies was analyzed using two exemplary types of structures: a bridge and an overhead sign support. These structures were evaluated in various material configurations and design variants for their ecological performance using life cycle assessment, identifying optimisation potential. The findings indicate that, from an ecological perspective, the overarching material choice (e.g., wood or steel) is not inherently decisive. Instead, the underlying production processes of the materials, the development of efficient structural systems, and thoughtful design to ensure durable structures with minimal environmental impact play critical roles. Additionally, it became evident that focusing solely on the optimisation of the superstructure is insufficient, as other components, such as substructures, foundations, and equipment, account for up to 75% of a structure’s emissions. Therefore, meaningful optimization can only be achieved by including these components in the analysis. Finally, it has been shown that corresponding optimization approaches are already practicable today, as the most ecologically efficient bridge variant in the study was ultimately implemented as part of a pilot project.