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82. Jahrgang Januar 2013 ISSN 0038-9145 A 6449

Stahlbau

– Nachhaltigkeitsbewertung von Stahl- und Verbundbrücken – Integrierte Verbunddecken für nachhaltige Stahlbauten – Stahl als Konstruktionswerkstoff für nachhaltige Bürogebäude – Energieoptimierte Gebäudehüllen für den Industriebau – Potenziale der Stahl(leicht)bauweise beim Bauen im Bestand – Nachhaltigkeitsbewertung stählerner Tragwerke Erneuerbarer Energien – Überdachung in Monocoque-Bauweise für den ZOB Schwäbisch Hall – Groutverbindungen bei Monopilegründungen von Offshore-WEA

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Inhalt

Die Sanierung des Hamburger Hauptbahnhofes umfasste die Erneuerung der Glasfassaden in der Haupthalle und den Seitenhallen, den Austausch der Satteldachoberlichter und der Dachreiter sowie eine gezielte Erneuerung und Verstärkung von Tragelementen der bestehenden Stahlkonstruktion unter der Berücksichtigung von Denkmalschutzauflagen. Im höchstfrequentierten Bahnhof Deutschlands (nach Angaben der Deutschen Bahn) wurden die Arbeiten ohne Beeinflussung des Bahnverkehrs und der Reisenden geplant und umgesetzt. Die in diesem Projekt der Eiffel Deutschland Stahltechnologie GmbH realisierten Ingenieurlösungen wurden mit dem Ingenieurbaupreis 2013 ausgezeichnet. (Foto: Eiffel)

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82. Jahrgang Januar 2013, Heft 1 ISSN 0038-9145 (print) ISSN 1437-1049 (online) Wilhelm Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG www.ernst-und-sohn.de

Editorial 11

Hans-Joachim Wieland, Gregor Nüsse, Markus Feldmann Nachhaltigkeit von Stahl im Bauwesen (NASTA) Fachthemen

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Tabea Beck et al. Instandhaltungsstrategien als Basis für die ganzheitliche Bewertung von Stahl- und Verbundbrücken nach Kriterien der Nachhaltigkeit

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Josef Hegger, Martin Claßen, Peter Schaumann, Jörg Sothmann, Markus Feldmann, Bernd Döring Entwicklung einer integrierten Verbunddecke für nachhaltige Stahlbauten

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Tino Baudach, Katharina Kokot, Volker Lingnau, Klaus J. Zink Einfluss von Nutzeranforderungen auf die ökonomische Bewertung von Stahl als Konstruktionswerkstoff für nachhaltige Bürogebäude

26

Markus Feldmann et al. Mehrdimensional energieoptimierte Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise für den Industrie- und Gewerbebau

35

Dieter Ungermann et al. Potenziale und Chancen der Stahl(leicht)bauweise beim Bauen im Bestand

42

Natalie Stranghöner et al. Nachhaltigkeitsbewertung stählerner Tragkonstruk tionen Erneuerbarer Energien – Methodenentwicklung und Anwendungsbeispiele

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Stephan Engelsmann, Stefan Peters Neubau von zwei flügelartigen Überdachungsbauwerken in Monocoque-Bauweise für den ZOB Schwäbisch Hall

55

Marc Voßbeck, Thomas Löhning, Martin Kelm Tragverhalten von Groutverbindungen bei Monopilegründungen von OffshoreWindenergieanlagen Berichte

61

Peer-reviewed journal Stahlbau ist ab Jahrgang 2007 bei Thomson Reuters ISI Web of Science akkreditiert Impact-Faktor 2011: 0,252

Torsten Zimmermann Museum der Bayerischen Könige, Hohenschwangau Rubriken

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Aktuell (s. a. S. 34, 48, 63 und 64) Persönliches Rezensionen Tagungsberichte Termine Stellenmarkt Produkte & Objekte

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Nachhaltiges Bauen mit Stahl aktuell Bautechnik 81 (2004), Heft 1

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Produkte & Objekte

Le Varesine – das höchste Gebäude aus Stahl in Italien 2011 war für Stahlbau Pichler ein Jahr mit besonderen baulichen Highlights, bei denen man mehr denn je das Können und die eigenen Fähigkeiten unter Beweis stellen konnte. Das in Bozen ansässige Unternehmen hat die Stahlkonstruktion des höchsten Gebäudes aus Stahl in Italien ausgeführt: Das Bauwerk umfasst 30 Etagen, inklusive 3 Techniketagen, sowie zusätzlich 4 Untergeschosse. Bis in eine Höhe von 140 m ragt die imposante Tragstruktur auf, für die Stahlbau Pichler verantwortlich zeichnet. Der Masterplan sieht den Bau dreier Hochhäuser unterschiedlicher Größen im Zentrum des ehemaligen Güterbahnhofareals Varesine vor. Der als „Diamant“ bezeichnete Büroturm, das sogenannte Gebäude 3 der städtebaulichen Planung, mit dessen Errichtung Stahlbau Pichler beauftragt war, wird bei Fertigstellung das dritthöchste Turmgebäude Italiens sein.

Bild 2. Das höchste Gebäude aus Stahl in Italien: Das Bauwerk umfasst 30 Etagen, inklusive 3 Techniketagen, sowie zusätzlich 4 Untergeschosse

Städtebaulicher und historischer Überblick Diese Neubebauung bietet das Potenzial, einem historisch bedeutenden Stadtbereich Mailands zu neuer Attraktivität zu verhelfen und das Renommee moderner funktionaler Architektur in Italien zu fördern. Der städtebauliche Entwurf zur baulichen Ausformulierung und Höhenentwicklung des gesamten Areals stammt von dem italoamerikanischen Architekten Lee Polisano, aus dem Architekturbüro Kohn Pedersen Fox, das als Sieger aus einem Wettbewerb hervorging, an dem Planer aus Italien, Amerika und England teilnahmen. In der weitergehenden Planung wurde Polisano durch den Architekten Paolo Caputo und die Ingenieurgesellschaft Jacobs unterstützt. Das Projekt sieht Neubauflächen mit 82.000 m² Brutto-Grundfläche vor, vornehmlich für die Dienstleistungs- und Handelsnutzung. Baulicher Schwerpunkt der Bebauung sind die drei Turmgebäude. Im Rahmen dieser Neuplanung ist ein Kulturzentrum mit 3.000 m² Fläche vorgesehen, das der Stadt Mailand zur Verfügung stehen wird.

Die Konstruktion durch Stahlbau Pichler

Bild 1. Die Bezeichnung des Hochhauses als „Diamant“ leitet sich aus dem Unterschied zu der Mehrheit anderer Hochhausbauten ab: Ein Teil der Fassadenstützen ist schräg gestellt

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Das Gebäude 3 des Neubaukomplexes „Porta Nuova – Varesine“ besteht aus einem Büroturm mit 30 Stockwerken sowie 4 Untergeschossen; der Gebäudesockel misst in etwa 30 × 50 m, die Gebäudehöhe beträgt beachtliche 140 m. Die besondere Charakteristik des Bauwerks liegt in der unregelmäßigen Geometrie, aus der sich die Bezeichnung des Hochhauses als „Diamant“ ableitet; im Unterschied zu der Mehrheit anderer Hochhausbauten ist ein Teil der Fassadenstützen dieses Gebäudes schräg gestellt, wodurch der Linienführung des architektonischen Entwurfs ihre Besonderheit verliehen wird. Die horizontalen Tragelemente sind komplett aus Stahl: IPE/HETräger mit Kopfbolzendübeln und Trapezprofilen, mit einer variablen Dicke der Deckenplatte von 150 bis 200 mm. Die Stützenausbildung stellt bei diesem Hochhaus in jedem Fall einen Sonderfall dar – sie bestehen aus Stahl erhöhter Festigkeitsklasse, S460M: Die HD-Profile der Serie 400 und 360 sind an den Enden gefräst, um den direkten Kontakt zwischen den

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Nachhaltiges Bauen mit Stahl

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Stahlbau

Bild 3. Für die imposante Tragstruktur bis in eine Höhe von 140 m zeichnet Stahlbau Pichler verantwortlich (Fotos: Stahlbau Pichler)

Die Zahlen des Stahltragwerks STÜTZEN: HD-Profile 460 und 360, S460M – mehr als 700 t (2,54 km) Stahlstützen – Anzahl der Anschlüsse Stütze-Stütze: 250 – Anzahl der Schraubbolzen für die Anschlüsse Stütze-Stütze: 7.200

Verbindungen

Massivbau

TRÄGER (HE, IPE, zusammengesetzte Querschnitte) – 1322 t (13,52 km) Stahlträger – Anzahl Träger: 1.800 – Anzahl der Anschlüsse Träger-Stütze: 3.600 – Anzahl der Schraubbolzen für die Anschlüsse Träger-Stütze: 28.800

Brückenbau

Bautafel Le Varesine: Auftraggeber: HINES Italia SGR SpA für Fondo Porta Nuova Varesine Architekt: Kohn Pedersen Fox Associates Pc Tragwerksplaner und technische Beratung für die Ausführung: ARUP Stahlbau: Stahlbau Pichler Stahlhersteller (S460M): ArcelorMittal Planungsbeginn (Architektur und Ingenieurbau): 2006 Abschluss der Planungsphase: 2009 Baubeginn: 2009 Fertigstellung: in Fertigstellung

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Weitere Informationen: Stahlbau Pichler, Edisonstraße 15, 39100 Bozen, Tel. +39 (0)471 065 000, Fax +39 (0)471 065 001, sales@stahlbaupichler.com, www.stahlbaupichler.com

Stabilität und Dynamik

Verbindungen

erzielen. Die einzigen vor Ort geschweißten Elemente waren die „Stutzen“, die mit dem Betonkern verbunden sind, während alle anderen Haupt- und Nebenträgerprofile, mit ganz wenigen Ausnahmen, mittels Schraublaschen an Steg und Flansch verbunden wurden. Besonders zu erwähnen ist, dass Stahlbau Pichler bei diesem Projekt eine ganze Etage in nur einer Arbeitswoche erstellen konnte.

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Aktuelle Informationen...

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Elementen an den Knotenpunkten zu gewährleisten; der Schraubanschluss erfolgt mittels Scher-Lochleibungsverbindung. Aufgrund der komplexen Geometrie des gesamten Tragwerks führt die Neigung der Stützen, auf Höhe einiger Ebenen (insbesondere 9. und 12. Geschoss), zu horizontalen Kräften beachtlichen Ausmaßes; diese Kräfte, in einer Größenordnung von mehreren hundert Tonnen, werden mittels eines hochleistungsfähigen horizontalen Gitterträgersystems auf den Betonkern abgeleitet, über weitere Verbundbau-Stahlträger „eingelassen“ in die Stahlbetonbauteile. Für den Anschluss der weiteren horizontalen und vertikalen Elemente wurde eine Lösung gewählt, die es gestattete, eine erhöhte Montagegeschwindigkeit zu

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Nachhaltiges Bauen mit Stahl

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Der fliegende Teppich von Paris Das Louvre Museum in Paris hat mit einem spektakulären Anbau neuen Raum geschaffen für die Präsentation islamischer Kunst. Elegant und scheinbar schwebend überdacht die Konstruktion aus Glas und Metall den Cour Visconti genannten Innenhof des Louvre. Das Glas für die rund 2.000 Scheiben der Überdachung lieferte die Flachglaswerk Radeburg GmbH. Der Pariser Louvre ist eines der größten und bekanntesten Museen der Welt. Untergebracht im historischen Stadtschloss am nördlichen Ufer der Seine beherbergt es auf rund 60.000 m² Kunstwerke aus aller Welt – darunter auch die berühmte „Mona Lisa“ von Leonardo da Vinci. Doch nicht nur die Gemälde und Kunstwerke, die hier zu sehen sind, locken jährlich Millionen von Besuchern an. Auch die modernen Erweiterungsbauten des Museums sind eigene Attraktionen. 1989 sorgte eine Pyramide aus Glas, die im zentralen Innenhof des Gebäudes errichtet wurde, für erregte Diskussionen. Heute gilt die als Haupteingang zum Museum genutzte Pyramide als eines der Wahrzeichen der Stadt. Zu ähnlicher Bekanntheit könnte auch der zweite moderne Anbau des Louvre gelangen. Entworfen wurde die Glas-MetallKonstruktion von Architekt Rudy Ricciotti aus Marseille und dem Designer Mario Bellini aus Mailand. Sie gingen als Sieger aus einem internationalen Architektur-Wettbewerb hervor, der für das Projekt ausgeschrieben worden war.

Motiven, sondern auch mit politischen Ambitionen. Denn der Anstoß für den Neubau kam 2003 vom damaligen französischen Präsidenten Jacques Chirac, der die „leuchtende Seite des Islam“ in die Öffentlichkeit bringen wollte. Zum anderen standen die Architekten vor der schwierigen Aufgabe, die neue, moderne Architektur in eine harmonische Beziehung mit dem denkmalgeschützten Altbau zu bringen. Dem Team Ricciotti/Bellini ist beides meisterhaft gelungen. Wie ein fliegender Teppich aus Glas und Metall überspannt die sanft gewellte Konstruktion fast den gesamten Innenhof, hält aber einen Abstand von 2,5 bis 4 m zum umgebenden Altbau. Das Glasdach ist beidseitig von einem Metallgeflecht aus Bronzedraht umgeben und „schwebt“ in einer Höhe von 6 bis 8 m über den Ausstellungsräumen. Der goldene Farbton des Teppichs harmoniert dabei mit den beigen Farbtönen der Sandsteinfassaden des Louvre. „Der Cour Visconti sollte nicht überdeckt, sondern sichtbar bleiben. Wir wollten eine sanfte und nicht gewaltsame Integration eines entschieden zeitgenössischen Architekturdesigns in einem historischen Umfeld erreichen“, erklärten die beiden Architekten ihren Entwurf.

1.200 t schwere Stahlkonstruktion

Einerseits ging es um die neue Präsentation der Abteilung für islamische Kunst – ein Vorhaben nicht nur aus künstlerischen

Getragen wird die rund 1.700 m² große Überdachung aus Glas von einer 1.200 t schweren Stahlkonstruktion. Ca. 8.000 Stahlrohre wurden wabenartig zusammengeschweißt. Sie bilden den Rahmen für die rund 2.000 Isolierglas-scheiben, die von der Flachglaswerk Radeburg GmbH alle einzeln angefertigt wurden. Dies war notwendig, weil alle Scheiben unterschiedlich groß sind: zwei Drittel der Scheiben wurden dreieckig mit Durchschnittsmaßen von ca. 120 cm × 120 cm × 170 cm ausgeführt, zu

Bild 1 Das fertige Dach (Foto: M. Bellini – R. Ricciotti/Musée du Louvre © 2012 Musée du Louvre/Philippe Ruault)

Bild 3. Montage der Gläser (Foto: M. Bellini – R. Ricciotti/Musée du Louvre © 2011 Musée du Louvre/Antoine Mongodin)

Bild 2. Das Glasdach wird verschleiert (Foto: M. Bellini – R. Ricciotti/Musée du Louvre © 2011 Musée du Louvre/Antoine Mongodin)

Bild 4. Montage des äußeren Metallschleiers (Foto: M. Bellini – R. Ricciotti/Musée du Louvre © 2011 Musée du Louvre/Antoine Mongodin)

Künstlerische und politische Ambitionen

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WIEN NORD

—NICHTS IST ALS STAHL.—

—Um der Islamischen Sammlung des Pariser Louvre ein neues Zuhause zu geben, sollte über dem Cour Visconti ein zarter, transparenter „Libellenflügel“ schweben. Wie Waagner-Biro diese Aufgabe mit einer freigeformten Stahl-Glaskonstruktion und nicht weniger als 4.700 unterschiedlichen, transluzenten Metallpaneelen löste, erfahren Sie auf waagner-biro.com.

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Nachhaltiges Bauen mit Stahl einem Drittel wurden wirtschaftlichere Viereckscheiben mit einer durchschnittlichen Kantenlänge von ca. 120 cm eingefügt. Als Glas wurde teilvorgespanntes Sonnenschutzisolierglas mit Sunex-Beschichtung und CEKAL-Kennzeichnung in der Ausführung als Verbund-Sicherheitsglas aus dem Hause Saint-Gobain verbaut. Der Abstandhalter im Scheibenzwischenraum ist aus farbigem Edelstahl, als Randverbund wurde graue Butylschnur gewählt. Eingerahmt wird das Glasdach durch ein doppeltes Netz aus Bronzedraht. Von außen wirkt die Überdachung blickdicht, von innen jedoch können die Besucher durch die filigrane Netzstruktur hindurch schauen. Sogar aus der zweiten Ebene im Souterrain, die in einen geheimnisvollen Halbschatten getaucht ist, erlauben Öffnungen im Zwischenboden den Blick hinauf in den goldenen Himmel. Die Netze dienen nicht nur als zusätzlicher Sonnenschutz für die Ausstellungsräume, in denen auch sehr lichtempfindliche kostbare Teppiche präsentiert werden. Durch den „Schleier“ aus Bronze wird auch ein diffuses goldenes Licht erzeugt, das die Vision von Jacques Chirac, die „leuchtende Seite des Islam“ zu zeigen, auf ebenso praktische wie poetische Art umsetzt.

Bild 1 Reiser und Partner Architekten erhielten beim Wettbewerb um den Verzinkerpreis 2011 einen der beiden ersten Preise für die feuerverzinkte Fassade der Wernervon-Siemens-Schule in Bochum

Weitere Informationen: SAINT-GOBAIN Deutsche Glas GmbH, Viktoriaallee 3–5, 52066 Aachen, Tel. +49 (0)241 – 516-0, marcel.fila@saint-gobain.com, www.glassolutions.de BAU 2013, Halle A 1, Stand 502

Verzinkerpreis 2013 wird ausgelobt – Einsendeschluss vormerken und bewerben Architekten, Bauingenieure, Stahl- und Metallbauer, Designer und Metallgestalter sind aufgerufen sich am Wettbewerb um den 13. Deutschen Verzinkerpreis für Architektur und Metallgestaltung zu beteiligen. Der Einsendeschluss für den mit 15.000 Euro dotierten Preis ist der 29. März 2013. In seiner rund 25-jährigen Geschichte hat sich der Verzinkerpreis zu einem in der Fachwelt beachteten Podium für innovative Architektur und Metallgestaltung mit Stahl entwickelt. Namhafte Architekten und Designer stellten sich dem Wettbewerb. Gleichzeitig dient der Verzinkerpreis talentierten, weniger bekannten Architekten und Metallgestaltern als Sprungbrett. Der Deutsche Verzinkerpreis prämiert innovative Bauwerke, Objekte und Produkte, die im wesentlichen Umfang feuerverzinkt sind oder interessante feuerverzinkte Details enthalten. Eine unabhängige,

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Bild 2 Für die Kunstgalerie Stihl und Kunstschule Waiblingen wurden Hartwig N. Schneider Architekten ebenfalls mit einem ersten Preis beim Wettbewerb um den Verzinkerpreis 2011 ausgezeichnet (Fotos: Industrieverband Feuerverzinken)

hochkarätige Jury aus Architekten, Metallgestaltern und Fachpressevertretern entscheidet über die Vergabe des Preises, der in getrennten Kategorien die Bereiche Architektur und Metallgestaltung prämiert. Weitere Informationen, Bewerbungsformulare und die Auslobung mit den Teilnahmebedingungen: Industrieverband Feuerverzinken e.V., Graf-Recke-Str. 82, 40239 Düsseldorf, Tel. + 49 (0)211 – 6907650, Fax + 49 (0)211 – 690765-28, feuerverzinken@t-online.de, www.feuerverzinken.com/verzinkerpreis2013 BAU 2013, Halle B 1, Stand 318

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Nachhaltiges Bauen mit Stahl

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Sika Protective Coatings stärkt Marktposition und Produktportfolio im Brandschutz Die Sika Deutschland GmbH übernahm zum 17. 11. 2012 den Geschäftsbereich der Brandschutzsysteme von der in Mannheim ansässigen RÜTGERS Organics GmbH. Verkäufer ist die International Chemical Investors Group (ICIG), welche die Tochter der ehemaligen Rütgers AG übernommen hatte.

Konstruktive Stahlbau-Elemente eines Gebäudes werden mit Sika Unitherm Brandschutz-Systemen beschichtet, um im Brandfall die Tragfähigkeit des Stahls zu verlängern. Bei Hitzeeinwirkung verwandelt sich die Beschichtung in eine zentimeterdicke isolierende Schaumschicht. (Foto: Sika)

Durch die Akquisition von Rezepten, Zulassungen und der Marke Pyroplast® festigt Sika seine Position im Brandschutz und erwirbt ein Portfolio gut etablierter, fortschrittlicher und umweltfreundlicher Brandschutzbeschichtungen und -systeme. „Mit der Kombination der Stärken von Sika und Rütgers Organics kann dem Kunden damit in allen wichtigen Feuerwiderstandsklassen ein attraktives Sortiment angeboten werden“ meint Joachim Straub, Geschäftsführer Sika Deutschland GmbH. Neben lösemittelhaltigen und lösemittelfreien Beschichtungssystemen erweitert Sika somit seine Produktpalette auf wässriger Basis. Anwendung findet der Brandschutz von Sika bei den klassischen Baustoffen Stahl, Holz und Beton. Dämmschichtbildner schützen den Stahl durch Isolation des Untergrundes vor der Hitze und dem darauf folgenden Verlust der Stabilität. Bei Holzelementen lassen sich die Entflammung und die Brandweiterleitung verhindern oder verzögern. Brandschutz für Beton wird dort eingesetzt, wo durch Nutzungs- oder Bestandsänderung in einem Bauwerk eine brandschutztechnische Nachrüstung notwendig ist. Weitere Informationen: Sika Deutschland GmbH, Kornwestheimer Straße 103–107, 70439 Stuttgart, Tel. +49 (0)711 8009 0, info@de.sika.com, www.sika.com

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AUTOMATION Bernd (35) kennt die effektivste Arbeitsweise für die Planung, Detaillierung und Fertigung von Stahlkonstruktionen. Sein Unternehmen hat Fertigung und Projektmanagement mithilfe von Teklas Kopplung zu MIS-Systemen und CNC-Maschinen automatisiert. Wichtiger noch, durch die Arbeit an ein und demselben Tekla-Modell stehen allen Partnern die aktuellsten Baudaten zur Verfügung, in Echtzeit. Tekla Structures BIM (Building Information Modeling)Software bietet eine datenintensive 3D-Umgebung, die von Bauunternehmern, Planern, Konstrukteuren und Fertigungsbetrieben sowohl im Stahl- als auch Betonbau gemeinsam genutzt werden kann. Tekla ermöglicht besseres Bauen und eine optimale Integration bei Projektmanagement und -auslieferung.

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Nachhaltiges Bauen mit Stahl

VOC-Kalkulator für KorrosionsschutzSysteme (DGNB-Anforderungen) Die Reduzierung von Lösemitteln bei der Applikation von Korrosionsschutz-Produkten ist ein viel diskutiertes Thema. Für die Stahlbauer ist die 31. BlmSchV wichtig mit den VOCJahresemissionen, während die Beschichter vor Ort die Decopaint-Richtlinie mit den VOC-Grenzwerten für jedes einzelne Produkt in g/l einhalten müssen. Im Korrosionsschutz werden in der Regel mehrschichtige Beschichtungssysteme eingesetzt wie z. B. – eine EP-Zinkstaubgrundierung, – zwei EP-Zwischenbeschichtungen und – eine PUR-Deckbeschichtung. Für Bauherren, Planer und Anwender ist es mit den bisherigen Kennzahlen von den Materialherstellern fast unmöglich zu ermitteln, wie hoch die VOC-Emissionen von Beschichtungssystemen in Gramm pro beschichtete Oberfläche sind. Ein VOC-Vergleich bei Korrosionsschutz-Beschichtungsaufbauten findet nicht statt. Die DGNB (Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen e.V.) hat seit 5.2012 in den Nutzungsprofilen für Korrosionsschutz-

systeme Grenzwerte für VOC-Emissionen pro beschichtete Oberfläche festgelegt. Für die Erreichung der Qualitätsstufe 2 (Bronzestatus) ist für die Korrosionsschutzbeschichtung für Bauteile der Korrosivitätskategorie größer C3 ein VOC-Wert von < 120 g/m² einzuhalten – bei dem Goldstatus < 60 g/m². In der Tabelle 1 finden Sie zwei Beschichtungssysteme für die Korrosivitätskategorie C3 und zwei für C4 sowie die Einteilung der Systeme in die DGNB-Qualitätsstufen. GEHOLIT+WIEMER hat viele Produkte und Produktsysteme, mit denen alle Qualitätsstufen sicher erfüllt werden können. Für die einfache und schnelle Ermittlung der neu geforderten VOC-Emissionswerte in g/m² für Beschichtungssysteme wurde der VOC-Kalkulator entwickelt. Auf der Homepage www.geholitwiemer.de können Sie die einzelnen Beschichtungsstoffe ausgesucht und mit der Eingabe der geplanten Schichtdicken erscheinen schon die VOC-Emissionen des gesamten Korrosionsschutzsystems (siehe Tabelle 2).

Weitere Informationen: GEHOLIT+WIEMER, Tel. +49 (0)7255/99-0, Fax +49 (0)7255/99-123, info@geholit-wiemer.de, www.geholit-wiemer.de

Tabelle 1. Beispielhafte VOC-Emissionen verschiedener Beschichtungssysteme und Erfüllung der DGNB-Kriterien, Version 2012

Tabelle 2. Ergebnisse des VOC-Kalkulators für ein Korrosionsschutz-System für Bauteile mit der Korrosivitätskategorie C4-Hoch Schicht

Beschichtungsstoff

Schichtdicke

Festkörper

VOC-Gehalt

VOC-Wert

Verbrauch

Voc

[µm]

[ml/kg]

[Masse %]

[g/L]

[g/m2]

[g/m2]

1

GEHOPON-E87Metallgrund

80

390

19,0

314

205

39

2

GEHOPON-E87-ZB

80

360

18,0

315

222

40

3

WIEREGEN-M87

80

403

28,0

392

199

56

4

0

0,0

0

0

0

5

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0,0

0

0

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626

135

Gesamt

240

Ergebnis: Das Korrosionsschutz-System erfüllt mit 135 g/m2 die DGNB-Qualitätsstufe 1

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fischer Verbundanker-Systeme Damit die Planung hält.

Messe BAU München 14.-19. Januar 2013 Halle A1, Stand 329

Die fischer Verbundanker-Systeme für gerissenen Beton halten, was sie versprechen. Das fischer Highbond-System FHB II ist der Profi für gerissenen Beton mit höchster Leistung und millionenfach bewährt. Das fischer Powerbond-System FPB ist der Ökonom mit hoher Tragfähigkeit und variabler Verankerungstiefe. Das fischer Superbond-System FSB ist der Beton-Allrounder. Die Software COMPUFIX unterstützt Sie zudem umfassend bei Auswahl und Bemessung des passenden Systems. www.fischer.de

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Nachhaltiges Bauen mit Stahl

Auf eine zukunftsträchtige Form der Stromerzeugung setzen ThyssenKrupp Steel Europe und Solliance: die organische Photovoltaik (OPV). Dabei handelt es sich um Solarzellen aus lichtaktiven Kunststoffen, die flexibel einsetzbar sind und sich in günstigen und für die Großproduktion geeigneten Verfahren herstellen lassen. Im Vergleich zu den bisher bekannten starren Solarzellen auf Silizium-Basis weisen sie zwar einen geringeren Wirkungsgrad auf, sie haben aber das Potenzial in großen Mengen sehr effizient, ressourcenschonend und preisgünstig hergestellt zu werden. Ihre Vorteile spielt diese Technologie also in der Verwendung auf großen Flächen aus. Hier bieten sich z. B. Dach- und Fassadenteile von Industriebauten an, ein Bereich in den typischerweise Bauteile aus organisch vorbeschichten Stahl eingesetzt werden. Um diese innovative Technologie weiter voranzutreiben, sollen neue Verfahren untersucht werden, wie die organische Photovoltaik für den Einsatz in der Bauindustrie bereits in Stahlflacherzeugnisse integriert werden kann. Aus diesem Grund beteiligt sich ThyssenKrupp Steel Europe, einer der führenden Anbieter von vorbeschichteten Flachstahlprodukten, am Solliance-Forschungsprogramm zu organischer Photovoltaik.

Vollständige Verschmelzung des Bauteils und der stromerzeugenden Funktion Die Bauindustrie setzt zunehmend darauf, den Energiebedarf von Gebäuden über ihre Nutzungsdauer hinweg zu reduzieren. Aus Umweltsicht sollen energieneutrale und -autarke Gebäude

Organische Photovoltaik auf Stahl: Auf eine zukunftsträchtige Form der Stromerzeugung setzen ThyssenKrupp Steel Europe und Solliance: die organische Photovoltaik (OPV). Dabei handelt es sich um Solarzellen aus lichtaktiven Kunststoffen, die flexibel einsetzbar sind und sich in günstigen und für die Großproduktion geeigneten Verfahren herstellen lassen (Fotos: Solliance)

Verbindungen im Stahl- und Verbundbau

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■ Zentrale Themen des Buches sind geschweißte und geschraubte Verbindungen im Stahl- und Verbundbau. Darüber hinaus werden auch andere Verbindungstechniken bzw. Verbindungsmittel behandelt, wie z. B. Kontakt, Kopfbolzendübel, Setzbolzen, Niete, Augenstäbe, Bolzen, Hammerschrauben, Zuganker, Dübel und Ankerschienen. Auf die Methoden und Vorgehensweisen zur Bemessung und konstruktiven Durchbildung der Verbindungen wird ausführlich eingegangen. Neben den allgemeingültigen Grundlagen werden die Regelungen der Eurocodes mit ihren Nationalen Anhängen behandelt und Erläuterungen zum Verständnis gegeben. Zahlreiche Konstruktions- und Berechnungsbeispiele zeigen die konkrete Anwendung und Durchführung der Tragsicherheitsnachweise. ROLF KINDMANN MICHAEL STRACKE

Verbindungen im Stahl- und Verbundbau Reihe: Bauingeneur-Praxis BiP 3., aktualisierte Auflage 2012. ca. 480 Seiten, ca. 330 Abb., ca. 70 Tab., Br. ca. € 55,– ISBN: 978-3-433-03020-2 Erscheint August 2012

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errichtet werden. Eine Möglichkeit ist die Einbindung von Technologien zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien wie Solarzellen in die Gebäudehülle. Im Gegensatz zu nachträglich an den Gebäuden montierten Solarsystemen geht es bei dieser Art der Gebäude Integrierten Photovoltaik (GIPV) um die vollständige Verschmelzung des Bauteils und der stromerzeugenden Funktion. Ziel ist es, in Serienproduktion bereits das Stahlband, aus dem die Bauelemente hergestellt werden können, mit der OPV-Funktion zu auszustatten. Die Integration von organischer Photovoltaik in Flachstahlerzeugnisse bringt deutliche Vorteile gegenüber bisher bekannten organischen Solarmodulen auf Kunststofffolien und kann so zu einer Beschleunigung der Entwicklung hin zu marktreifen Produkten führen. Organische Photovoltaik ist ästhetisch, konstruktionsfreundlich und unterstützt Konstrukteure und Bauherren darin, sich für Niedrigenergie-Gebäude zu entscheiden. Die integrierte OPV kann sowohl an den Dächern als auch auf Fassaden eingesetzt werden. Auf diese Weise vergrößert sich die Erzeugungsfläche wesentlich und die umweltschonend erzeugte Elektrizitätsmenge erhöht sich.

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Beschleunigte Entwicklung bei standardmäßig integrierter PV-Lösung Bei der Produktion von Stahl-Elementen gibt es eine Coil-Coating genannte Fertigungsstufe, in der flaches Stahlband auf kontinuierlich arbeitenden Anlagen mit Lacken, Folien und Lack-/ Folienkombinationen beschichtet wird. „Wir sind führende Anbieter von oberflächenveredelten Flachstahlprodukten für den Bausektor und setzen uns in erster Linie für eine nachhaltige Stahl- und Bauindustrie ein. Durch die Integration der OPVTechnologie in unseren Beschichtungsprozessen wollen wir unseren Kunden in der Baubranche einen Zusatznutzen bieten, der sich finanziell auszahlt und gleichzeitig einen Beitrag zur für aktiven Klimaschutz leisten“, so Dr. Bettina Werner, bei ThyssenKrupp Steel Europe im Bereich Color für die Entwicklung von Oberflächenbeschichtungen der Flachstahlprodukte zuständig. „Die gemeinsame Forschungsarbeit bei Solliance umfasst Aktivitäten in der gesamten Wertschöpfungskette. Die Beteiligung verschiedener Partner mit unterschiedlichen Schwerpunkten wird zu einer beschleunigten Entwicklung einer standardmäßig integrierten Photovoltaik-Lösung führen“, erwartet Dr. Bettina Werner. „Wir freuen uns, ThyssenKrupp Steel Europe im Solliance-Ökosystem begrüßen zu dürfen. Die Beteiligung eines international renommierten Stahlerzeugers unterstreicht die starke Marktnachfrage nach organischer Photovoltaik und hilft uns dabei, unsere Forschungsarbeit an den Bedürfnissen der Endverbraucher zu orientieren. Dies bedeutet einen zentralen Schritt in unseren laufenden Entwicklungsplänen für hocheffiziente und kostengünstige OPV-Module von hoher Stabilität für eine Vielzahl von Anwendungen“, sagte Ronn Andriessen, OPV Program Manager bei Solliance.

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Systemkette an Produkten mit völlig neuer Anwendung Das Unternehmen Hilti präsentiert sich an zwei Messeständen auf der internationalen Messe BAU vom 14. bis 19. Januar 2013 in München. In Halle A5 / Stand 526 wird eine Vielzahl von Produkten gezeigt, die den nachträglichen Bewehrungsanschluss revolutionieren. Speziell für den Bereich Unterkonstruktionen und Befestigungssysteme für Fassaden ist Hilti darüber hinaus in Halle C2, Stand 435 vertreten. Auf der BAU 2013 lüftet Hilti den Vorhang für gleich mehrere Neuheiten: Rund um den nachträglichen Bewehrungsanschluss stellt der Spezialist für Elektrowerkzeuge und Befestigungstechnik eine ganze Systemkette an Produkten vor, die eine völlig neue Herangehensweise an diese Anwendung ermöglichen. Darüber hinaus können die Messebesucher auf dem großen Messestand in Halle A5 (Stand 526) zahlreiche weitere Produkte für den professionellen Anwender in den Branchen Bau, Stahl/Metall und Ausbau sowie Lösungen für Planer und Architekten in Augenschein nehmen und ausprobieren. Die Palette an Neuprodukten reicht dabei vom Kernbohrgerät DD 160, dem Gas-Direktbefestigungsgerät GX 90-W für Holz-auf-Holz-Befestigungen über die neuesten Geräte der 22 V-Akku-Generation bis hin zu Weiterentwicklungen der Lasertechnik wie dem Innenrotationslaser PRI 36 sowie Multi-, Punkt- und Linienlasern. Einen besonderen Schwerpunkt hat Hilti auf den Bereich Unterkonstruktionen und Befestigungssysteme für Fassaden gelegt und ist hier sogar mit einem eigenen Messestand in Halle C2 (Stand 435) vertreten.

Hilti stellt auf der BAU 2013 u.a. rund um den nachträglichen Bewehrungsanschluss eine ganze Systemkette an Produkten vor, die eine völlig neue Herangehensweise an diese Anwendung ermöglichen (Foto: Hilti)

Weitere Informationen: Hilti Deutschland AG, Hiltistraße 2, 86916 Kaufering, Tel. (0800) 888 55 22, Fax (0800) 888 55 23, de.kundenservice@hilti.com, www.hilti.de BAU 2013, Halle A 5, Stand 526 sowie: Halle C 2, Stand 435

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■ Der Stahlbau-Kalender ist ein Wegweiser für die richtige Berechnung und Konstruktion im gesamten Stahlbau, er dokumentiert und kommentiert verlässlich den aktuellen Stand der Stahlbau-Regelwerke. Zur bauaufsichtlichen Einführung von Eurocode 3 werden seit der Ausgabe 2011 systematisch alle Teile der Norm mit ihren Nationalen Anhängen kommentiert. In diesem Jahr sind neben der Aktualisierung zum Teil 1-8 „Bemessung von Anschlüssen“ auch praxisnahe Anwendungshinweise für die Nachweisformate und optimalen Bemessungsabläufe zum Teil 1-1 „Allgemeine Bemessungsregeln“ enthalten. Weitere ausführliche Kommentare aus erster Hand werden zu den Teilen 1-3 „Kaltgeformte Bauteile und Bleche“, 2 „Stahlbrücken“ und 5 „Pfähle und HRSG.: ULRIKE KUHLMANN Spund wände“ verfasst. Stahlbau-Kalender 2013 Der Industrie- und Anlagenbau ist ohne den 2013. modernen Stahlbau undenkbar. Beiträge über ca. 800 S. ca. 600 Abb. Stahlschornsteine, Maste, Tankbauwerke, Silos und ca. 50 Tab. Gb. Industrieanlagen stellen aktuelle Entwicklungen ca. € 139,–* vor und berücksichtigen die neuen europäischen Fortsetzungspreis: ca. € 119,–* Normen für Einwirkungen und TragwerksbeISBN 978-3-433-02988-6 messung. Erscheint April 2013

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Brandschutz-Beschichtungen für nach haltiges Bauen Die Rudolf Hensel GmbH setzt bei der Entwicklung ihrer Brandschutz-Beschichtungen auf deren Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit. ln ihrer Green Product Linie werden diejenigen Brandschutzprodukte präsentiert, die 2012 mit dem Amerikanischen Gütesiegel LEED als Baustoffe für ökologisches Bauen bestätigt wurden. Hierzu gehören Beschichtungssysteme für den Brandschutz von Stahlkonstruktionen in Gebäuden. Sie sind nach europäischer Norm zugelassen für eine Feuerwiderstandsdauer von bis zu 120 Minuten. Mit dem Decklack im

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ln ihrer Green Product Linie präsentiert die Rudolf Hensel GmbH diejenigen Brandschutzprodukte, die mit dem Amerikanischen Gütesiegel LEED als Baustoffe für ökologisches Bauen bestätigt wurden (Foto: Hensel)

Hinter der neuen Norm verbirgt sich die Anpassung der Bemessungs- und Herstellungsverfahren für Stahl-, Aluminumund Verbundtragwerke aus Stahl und Beton hin zu einem einheitlichen Richtlinienwerk für insgesamt 30 Länder des Europäischen Wirtschaftsraums (EWR). Ziel der neuen DIN EN ist eine flächendeckende Vergleichbarkeit von Herstellungsprozessen sowie die Bescheinigung der Konformität der so hergestellten Konstruktionen durch Kennzeichnung mit dem CE-Zeichen. Die DIN EN 1090 unterteilt in 4 s. g. Execution Classes, Abkürzung EXC, wobei die Anforderungen von EXC1 nach EXC4 ansteigen. Die Einstufung in die entsprechenden Ausführungsklassen folgt dabei einer produktbezogenen Sichtweise. Das herstellende Unternehmen muss nun mittels Zertifizierungsprozess nachweisen, dass alle Werks-, Schweiß- und Prüfeinrichtungen den Anforderungen der werks-

eigenen Produktionskontrolle (kurz WPK) für die entsprechende Ausführungsklasse entsprechen und qualifiziertes Personal zur Erteilung des zusätzlichen Schweißerzertifikates benennen. Aufbauend auf den bereits erfolgreich umgesetzten Anforderungen der Produktionsplanungs-, Qualitätssicherheits- sowie Qualitätsmanagementsysteme konnte der Züblin Stahlbau GmbH durch die SLV die Erstzertifizierung nach der neuen europäischen Herstellerqualifikation EN 1090-1 in der höchsten Ausführungsklasse, der EXC4, bestätigt werden. Gleichzeitig konnte der Züblin Stahlbau GmbH auch die Rezertifizierung nach der in der Übergangsphase weiterhin gültigen DIN 18800-7, wiederum in der höchsten Klasse E und die Qualifikationen in den DIN 18800-7-Erweiterungsgebieten Eisenbahnbauwerke nach RIL 804 sowie Straßenbrücken nach DIN-FB 103 bestätigt werden. Das QM-System „Schweißen“ der DIN EN ISO 3834-2 wurde ebenfalls neu zertifiziert. Weitere Informationen: Züblin Stahlbau GmbH, Bahnhofstraße 13, 01996 Hosena, Tel. +49 (0)35756 71-0, Fax +49 (0)35756 71-123, info@zueblin-stahlbau.de, www.zueblin-stahlbau.de

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Als einer der ersten Stahlbaubetriebe in Deutschland besitzt die Züblin Stahlbau GmbH neben der Herstellerqualifikation nach DIN 18800 nun auch die Zertifizierung nach der EN 1090. Die dazu erforderliche Betriebsprüfung wurde durch die Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Berlin-Brandenburg bzw. Halle (SLV) durchgeführt.

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Neue Versionen RFEM 5 und RSTAB 8 Mit RFEM 5 und RSTAB 8 bringt Dlubal die neue Generation seiner Statikprogramme für anspruchsvolle Tragwerksplaner auf den Markt. Beide Programme vereinen die bekannte Effizienz mit einer Vielzahl an neuen hilfreichen Features. RFEM 5 und RSTAB 8 stehen jeweils auch als 64-Bit-Version zur Verfügung. Dadurch lassen sich die Ressourcen des Computers besser ausnutzen und umfangreichere Berechnungen durchführen. Viele weitere neue Features Um internationalen Ansprüchen Rechnung zu tragen, wurden sechs neue Programmsprachen implementiert. Dlubal stellt die neuen Versionen somit in neun verschiedenen Sprachen zur Verfügung: in Deutsch, Englisch, Tschechisch, Spanisch, Französisch, Italienisch, Portugiesisch, Polnisch und Russisch. Lastfälle und Einwirkungen lassen sich jetzt direkt in RFEM 5 und RSTAB 8 entsprechend der Kombinationsregeln des Eurocodes und weiterer internationaler Normen automatisch kombinieren. Neu ist ebenso ein Ansichts-Navigator, der es erlaubt, bequem Ansichten zu generieren, abzuspeichern und wieder aufzurufen. Im Konfigurationsmanager können Anzeigeeigenschaften, Programmoptionen, Symbolleisten usw. benutzerdefiniert eingestellt und als eigene Konfiguration abgespeichert werden. Es lassen sich einfach Linienraster erzeugen sowie relative Stabexzentrizitäten, welche nach Querschnittsänderungen automatisch angepasst werden. Neue Stabtypen wie Feder, Steifigkeiten, Starrstab und die Verwendung von zusammengesetzten Holzund hybriden Querschnitten bieten zusätzliche Optionen bei der Modellierung. Zur besseren Übersicht bei komplexen Modellen lassen sich den Objekten unterschiedliche Farben zuordnen, z. B. material-, querschnitts- und stabtypweise. Zudem können Auflager mit der Nichtlinearität Reibung erzeugt werden. Durch das Festlegen von Glättungsbereichen lassen sich Singularitäten in den Ergebnissen glätten.

Bild 1. Eingabe einer automatischen, relativen Stabexzentrizität in RSTAB 8

Bild 2. Neuer Projekt-Navigator – Ansichten

(Abb.: Dlubal)

Neue und weiterentwickelte Zusatzmodule Auch die Palette der Zusatzmodule und Einzelprogramme wurde erweitert. So sind z. B. folgende Module hinzugekommen: – FUND Pro (Bemessung von Fundamenten nach Eurocode) – JOINTS Stahl-Stützenfuß (Stützenfußbemessung nach EC 3) – RF-INFLUENCE (Ermittlung von Einflusslinien und -flächen) – STAGES (Berücksichtigung von Bauzuständen in RSTAB)

Weitere Informationen: Ingenieur-Software Dlubal GmbH, Am Zellweg 2, 93464 Tiefenbach, Tel. + 49 (0) 96 73 92 03-0, Fax + 49 (0) 96 73 92 03-51, info@dlubal.com, www.dlubal.de

In den Einzelprogrammen FE-BEUL und KRANBAHN ist jetzt u. a. die Bemessung nach Eurocode möglich.

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Landeplatz für Lebensretter Unter Verwendung der 3D-CAD Software Advance Steel von GRAITEC konstruierte die Stahlbau Ziemann GmbH einen erhöhten Hubschrauberlandeplatz am Krankenhaus „Barmherzige Brüder“ in Trier. Aufgrund einer geänderten EU-Bestimmung erhalten immer mehr Krankenhäuser einen hoch gelegenen Hubschrauberlandeplatz. Dies betrifft vor allem Krankenhäuser in dicht besiedelten Gebieten, da dort der An- und Abflug nicht mehr ebenerdig erfolgen darf. Vorteil des neuen Landeplatzes in Trier ist, dass die Notfallpatienten sofort mit dem Aufzug zur Notaufnahme gebracht werden können. Da sich der Aufzugsturm in direkter Anbindung an die Landeplattform befindet, können die Patienten ohne zeitliche Verzögerung medizinisch behandelt werden. Der Landeplatz am Trierer Krankenhaus besteht aus einer 32 m hohen Stahlkonstruktion und einer Landeplattform mit einem Durchmesser von 28 m. Das Gewicht der reinen Stahlkonstruktion beträgt ca. 310 Tonnen. Für die Gründung und die Landeplattform wurden zusätzlich ca. 1000 m2 Beton benötigt. Des Weiteren wurden ca. 260 m Geländer, Treppen und Laufstege montiert. An die Stahlkonstruktion angegliedert ist ein massiver Stahlbetonaufzugsturm mit einem integrierten Bettenaufzug. Der Aufzug ist im Erdgeschoss durch einen kurzen Verbindungsgang direkt mit dem Notfallzentrum verbunden. Direkt unterhalb der Landeplattform befinden sich die Technikebene und ein Fluchtsteg vom Landeplatz zum Aufzugsturm. Eine konstruktive Herausforderung bei diesem Projekt war die Anbindung des massiven Aufzugturms an die Stahlkonstruktion. Die Verbindung erfolgte in 32 m Höhe und erforderte eine Maßgenauigkeit in vertikaler und horizontaler Richtung. Außerdem musste der Übergang zwischen der Stahlplattform und dem Betonaufzugsturm dreidimensional verschieblich ausgebildet werden, um die unterschiedlichen Bewegungen der beiden Baukörper aufnehmen zu können.

Präzise Umsetzung mit 3D-CAD Advance Steel Die 3D-CAD-Software Advance Steel von GRAITEC ermöglichte den Konstrukteuren der Stahlbau Ziemann GmbH, dieses maßgenaue und anspruchsvolle Bauvorhaben präzise umzusetzen. Durch die sehr gute Visualisierung in 3D konnten sogar die schwierigsten Knotenpunkte und Anschlüsse einwandfrei ausgebildet werden. Das Modellieren von gebogenen Trägern und Rohren sowie von Schweißprofilen erfolgte reibungslos und ohne großen Aufwand. Viel Zeit wurde ebenfalls durch die intelligenten Anschlussfunktionen beim Modellieren der Hersteller- Zug- und Druckstabsysteme gespart. Diese übernehmen am Turm die komplette Aussteifungsfunktion. Für die Erstellung der Treppen um den Aufzugsbetonkern herum erwiesen sich die Treppen- und Geländermakros in Advance Steel als ideale Unterstützung. Ebenfalls begeistert zeigten sich die Konstrukteure von der Verbindung der abgeleiteten Dokumente (Zeichnungen, Stücklisten, NC-Dateien) zum Modell. Mit Hilfe des Dokumentenmanagers in Advance Steel konnte sehr schnell erkannt werden, welche Dokumente ein Update benötigten.

3D-Model eines Hubschrauberlandesplatzes konstruiert mit Advance Steel (Abb.: Stahlbau Ziemann)

In den vergangenen Jahrzehnten sind Bauwerke zunehmend flexibler und anspruchsvoller geworden. Um im Wettbewerb mithalten zu können, wird der Einsatz professioneller Software in der Bauplanung und -konstruktion immer wichtiger. Seit mehr als 25 Jahren liefert GRAITEC höchst innovative und einfach zu bedienende 3D-CAD- und Statik-Software, sowohl für einfache als auch für komplexe Konstruktionen im Stahlbau, Massivbau und Brückenbau. Zu den CAD- und Statik-Produkten von GRAITEC gehören herausragende Lösungen, wie Advance Steel, die 3D-CAD-Software für die Stahlbaukonstruktion; Advance Bridge, die intelligente Lösung für den Brückenbau; CS-STATIK, die neue Generation der Tragwerksplanung und Advance Concrete, 3D-CAD-Software für die Stahlbetonkonstruktion. Weitere Informationen: GRAITEC GmbH, Dietrich-Oppenberg-Platz 1, 45127 Essen, Tel. +49 (0)201/64 72 97-50, Fax +49 (0)201/64 72 97-88, info.germany@graitec.com, www.graitec.de

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Tekla zeichnet herausragende BIM-Projekte aus

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11.09.2012

Der Entwurf von Pouma und Iemants für die Louis Vuitton Foundation erhielt eine besondere Anerkennung der Jury. Bei dem eisbergförmigen Gebäude für das Pariser Museum gelang es dem Projektteam mithilfe von BIM, eine außergewöhnliche und enorm komplexe Vision Realität werden zu lassen. Den Publikumspreis gewann das Gebäude der Finanzaufsichtsbehörde in Riad/Saudi Arabien, dessen Entwurf von Eversendai stammt. Der Jury gehörten führende BIM-Experten aus aller Welt an: Kim Inhan, Professor an der Kyung-Hee University/Korea, John Moebes, Director of Construction bei Crate & Barrel, Miklós Szövényi-Lux, Vice President of Business Development bei Graphisoft und Chris Sleight, Redakteur des International Construction Magazine. Tekla wurde von Executive Vice President Risto Räty vertreten. „Die Projekte, die sich in diesem Jahr um die Tekla Global BIM Awards beworben haben, lagen alle auf außerordentlich hohem Niveau“, sagt Risto Räty. „Die Teilnehmer beeindruckten durch große Kompetenz und Innovationskraft. Unabhängig von der Gebäudefunktion wiesen viele Modelle eine sehr hohe Komple13:07:48 xität auf. Die Tekla-Anwender haben uns mit ihren Entwürfen wirklich beeindruckt.“

Die Gewinner der Tekla Global BIM Awards stehen fest: Die Auszeichnung in der Kategorie BIM erhielt der vom Ingenieurbüro Mäkeläinen konzipierte Derby Business Park in Espoo/ Finland. Den Preis im Bereich Betonbau verlieh die Jury dem Park&Ride De Uithof im niederländischen Utrecht. In der Kategorie Stahlbau wurde die Emirates Air Line Gondelbahn in London ausgezeichnet. Den Sonderpreis der Jury bekam die Eisberg-Architektur der Louis Vuitton Foundation in Paris. Der Derby Business Park zeichnet sich durch außergewöhnlich effiziente und innovative Architektur und Gebäudetechnik aus. Das in Tekla Structures erstellte Gebäudedatenmodell des Ingenieurbüros Mäkeläinen umfasst alle Bereiche von den Fundamenten bis zu technischen Details speziell verstärkter Betonelemente. HLK-und Elektroplaner sowie die Ausführenden auf der Baustelle verwendeten das Tekla-Modell als Arbeitsgrundlage und konnten so alle Arbeiten innerhalb des engen Zeitplans fertigstellen. Die Gewinnerin in der Kategorie Stahlbau, die Emirates Air Line in London, transportiert ihre Passagiere in Gondeln über die Themse. Die von Watson Steel Structures Ltd ausgeführte Seilbahn wird von drei 80 Meter hohen, kegelförmigen Türmen getragen. Bei deren Planung und Herstellung war extreme Präzision erforderlich, um eine problemlose Montage aller Teile zu gewährleisten. Die Emirates Air Line ist bereits in Betrieb und befördert pro Stunde bis zu 2.500 Passagiere in beide Richtungen. Gewinner in der Kategorie Betonbau ist die Park&Ride-Anlage De Uithof (Entwurf: Hurks Delphi Engineering) in Utrecht/Niederlande. Die große Parkgarage hat keine geraden Flächen, ihre offene Struktur basiert auf speziell verstärkten Betonstützen. Ein Teil dieser Verstärkungen wurde auf der Grundlage der geometrischen Daten des Tekla-Modells automatisch berechnet.

Bild 2. Die Emirates Air Line Seilbahn überspannt die Themse mit einer Länge von 1000 Metern (Abb. Tekla)

Die Kandidaten für die Tekla Global BIM Awards setzten sich aus den Gewinnern der regionalen BIM-Wettbewerbe zusammen, die im Laufe des Jahres 2012 von Tekla-Niederlassungen und -Händlern durchgeführt wurden. Die Awards wurden in den Kategorien BIM, Stahlbau und Betonbau vergeben. Insgesamt traten 42 Projekte bei den Tekla Global BIM Awards 2012 an. Auf der Internetseite des Wettbewerbs stimmten mehr als 2.300 Personen über ihre Favoriten ab. Weitere Informationen: Tekla GmbH, Helfmann-Park 2, 65760 Eschborn, Tel. +49 (0)6196 4730 830, Fax +49 (0)6196 – 4730 840, contact@de.tekla.com, www.tekla.com/de

Bild 1. Bis zu acht Ingenieure arbeiteten gleichzeitig im Multi-User-Modus am Modell des Derby Business Park

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Editorial DOI: 10.1002/stab.201201656

Nachhaltigkeit von Stahl im Bauwesen (NASTA)

Hans-Joachim Wieland

Gregor Nüsse

Markus Feldmann

Der NASTA-Forschungsverbund erreicht 2013 das dritte Jahr der Forschung an nachhaltigkeitsbezogenen Themen des Stahl-, Stahlleicht- und Stahlverbundbaus. Im letzten Drittel der insgesamt sechs Teilprojekte, über deren Zielstellung im STAHLBAU Heft 10 (2011) ausführlich berichtet wurde, können wir bereits eine Vielzahl von interessanten Ergebnissen vorlegen, die zum Teil sogar projektbegleitend ihren Weg in die industrielle Anwendung bzw. baubezogene Normung finden. Aus diesem Ergebnispool lassen sich als Schwerpunkte für die vorliegenden Beiträge beispielhaft folgende Aspekte nennen: Für den Brückenbau sind die erarbeiteten Möglichkeiten zur Quantifizierung von Umweltwirkungen unterschiedlicher Bauweisen zu nennen. In Ergänzung zu den ebenfalls bestimmten externen Effekten im Einflussbereich von Brücken aufgrund von Mittelbaustellen, kann nun eine Bauweise bereits im Stadium der Auftragsvergabe ganzheitlich über ihre gesamte Lebensdauer bewertet werden. Dies ist realitätsnah und zeigt verstärkt die Vorteile von Verbundfertigteilbauweisen über den bautechnischen Aspekt hinaus. Für den Bereich der Decken wird anhand einer adaptiven Tragstruktur gezeigt, dass diese optimale Voraussetzungen für eine nachhaltige Gebäudenutzung bietet. Im Gegensatz zu monofunktionalen Bauten mit eindimensionaler Nutzungsstruktur liefern solche integrierten Deckensysteme bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Anforderungen an Tragfähigkeit, Brandschutz, Bauphysik und Gebäudetechnik, die Möglichkeit, unterschiedliche Nutzungszyklen in zeitlich beliebiger Reihenfolge zu realisieren. Dieser Umstand wirkt sich positiv auf die ökologischen und ökonomischen Folgen eines Nutzungswechsels aus. Für Büro- und Verwaltungsgebäude wird mit gebäudebezogener Sichtweise der Einfluss technischer Aspekte, wie z. B. der Gebäudeflexibilität, auf soziale Aspekte, also die Gebäudenutzer, nachgewiesen. Zusätzlich werden Aussagen über die ökonomischen Vorteile von flexiblen Gebäudestrukturen in Stahl- und Stahlverbundbauweise möglich. Auch diese Dimensionen gehören zum nachhaltigen Bauen und werden damit vermehrt für eine ganzheitliche Gebäudeplanung quantifizierbar. Im Bereich des Industrie- und Gewerbebaus hat die Gebäudehülle einen wesentlichen Stellenwert. Vor dem Hintergrund der Energie- und Ressourcenschonung werden zum einen energetisch optimierte Bauteildetails aufgezeigt, zum anderen werden aber auch Möglichkeiten zur Integration von Solarthermie und Photovoltaik-Technologie in die bestehenden Stahlleichtbausysteme erforscht. Für die Zukunft entsteht somit durch den Einsatz derartiger Systeme ein mehrdimensionaler Beitrag zur Nachhaltigkeit des Bauwerks. Für die anhaltende Aufgabe des Bauens im Bestand wird anhand von Beispielbauwerken u. a. gezeigt, wie mit Hilfe einer Stoffstrommodellierung bei einer Gebäudemodernisierung Benchmarks angelegt und genutzt werden können, um einen realistischen Vergleich zwischen den Varianten ‚Komplettabriss und Neubau‘ und ‚Modernisierung des Bestandes unter Verwendung des Werkstoffs Stahl‘ zu erhalten. Hierdurch ergibt sich eine Hilfestellung für den Planungsprozess, mit der Eingriffe im Lebenszyklus eines Gebäudes unter Nutzung des Werkstoffs Stahl erfasst werden können. Für den Ausbau erneuerbarer Energien spielen die zugehörigen baulichen Anlagen eine wichtige Rolle. Mit Hilfe einer entwickelten Methodik zur Nachhaltigkeitsbewertung dieser tragenden Stahlkonstruktionen werden Vergleiche verschiedener Bauweisen ermöglicht und Entscheidungshilfen für die praktische Anwendung generiert.

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Editorial Anhand der sechs Beispielthemen aus dem NASTA-Forschungsverbund zeigt sich, dass der Werkstoff Stahl eine „Enabler-Funktion“ zur Realisierung von Innovationen in unterschiedlichen Themengebieten wie Ressourcen- und Energieeffizienz, Urbanisierung und Energieversorgung übernimmt. Der Forschungsverbund NASTA entlang der Wertschöpfungskette Bauen ermöglicht die Bilanzierung des gesamten Lebenszyklus von der Stahlproduktion über die Lebensphase der Bauwerke bis hin zum Recycling des Werkstoffs. Die Ergebnisse der NASTA-Projekte haben bereits zu einer Vielzahl von Veröffentlichungen in Fachzeitschriften und Vorträgen auf Konferenzen auf nationaler und internationaler Ebene geführt. Das industrielle Engagement aus unterschiedlichen Wertschöpfungsstufen in den einzelnen NASTA-Projekten bestätigt die geplante Fortführung dieses Forschungsverbundes in den kommenden Jahren. Wir wünschen Ihnen eine interessante Lektüre.

Dr. Ing. Hans-Joachim Wieland Geschäftsführer FOSTA

Dipl.-Ing. Gregor Nüsse MSc Referent Bauwesen FOSTA

Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann Leiter Institut und Lehrstuhl für Stahl- und Leichtmetallbau, RWTH Aachen University

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Fachthemen Tabea Beck Matthias Fischer Heinz Friedrich Rolf Kaschner

Ulrike Kuhlmann Katrin Lenz Philippa Maier Martin Mensinger

Marjolaine Pfaffinger Klaus Sedlbauer Thomas Ummenhofer Tim Zinke

DOI: 10.1002/stab.201301646

Instandhaltungsstrategien als Basis für die ganzheitliche Bewertung von Stahl- und Verbundbrücken nach Kriterien der Nachhaltigkeit Die Berücksichtigung aller Einflüsse im gesamten Lebenszyklus einer Brücke bildet die Grundlage für Nachhaltigkeitsanalysen. Hierfür müssen Instandhaltungsszenarien auf Basis von Erneuerungszyklen für die einzelnen Bauteilgruppen – das sind Lager, Fahrbahnübergänge, Kappen etc. – definiert werden. Dieser Beitrag leitet drei Strategien für den deutschen Raum her, die für die Nachhaltigkeitsbewertung von Brückenbauwerken angewendet werden können. Die Auswertungen der in Deutschland vorhandenen empirischen Datenbasis bildet hierfür die Grundlage. Zwei Strategien werden abschließend an einer Referenzbrücke als Autobahnüberführung in Integralbauweise zur Anwendung gebracht und mit Hilfe einer Ökobilanzierung, als Teil einer Nachhaltigkeitsanalyse, aus ökologischer Sicht bewertet. Maintenance strategies as a basis for the holistic assessment of steel and composite bridges according to criteria of sustainability. The consideration of all impacts during the life cycle of a bridge is essential for sustainability analyses. For this purpose maintenance scenarios based on of renewal cycles for all components of a bridge – i. e. bearings, expansion joints, caps, etc. – have to be defined. In this article three maintenance strategies for Germany are derived from an empirical database. This database is analyzed to develop input parameters which can be used for sustainability analyses. Concluding, two strategies are applied to a reference bridge as integral crossing of a motorway and evaluated by using the method of life cycle assessment, as one part of sustainability analyses.

1 Einleitung Für die Definition von Erneuerungszyklen gibt es für den deutschen Brückenbau zwar erste Ansätze ([1] bis [4]), bisher erfolgten aber noch keine systematischen Analysen der bei der Bundesanstalt für Straßenbau existierenden empirischen Datenbasis mit dem Ziel, die Ergebnisse in Nachhaltigkeitsanalysen zu integrieren. In Deutschland wurden bereits einige Studien zur Nachhaltigkeitsbewertung von Brückenbauwerken durchgeführt, allerdings verwenden diese zumeist generische Daten und durchschnittliche Prozentsätze zur Quantifizierung der gesamten Auswirkungen im Brückenlebenszyklus ([5], [6], [7]). Das Forschungsprojekt „Ganzheitliche Bewertung von Stahl- und Verbundbrücken nach Kriterien der Nachhaltigkeit (NaBrü)“ hat hingegen zum

Ziel, auf Grundlage verschiedener empirisch hergeleiteter Instandhaltungsszenarien entstehende Auswirkungen zu vergleichen.

In dem aktuell laufenden Forschungsprojekt (Projektbeschreibung und methodisches Vorgehen s. [8]) stehen Straßenbrücken von kurzer bis mittlerer Spannweite im Vordergrund, Autobahnüberführungen sowie zwei Durchlaufträgersysteme mit Gesamtlängen von ca. 150 m und 450 m werden als Vergleichskonstruktionen untersucht. Beispiele für die analysierten Brückentypen sind in Bild 1 dargestellt, alle im Folgenden beschriebenen Auswertungen und daraus abgeleiteten Erneuerungszyklen beziehen sich jeweils auf diese Brückentypen. Eine vergleichende Analyse zweier Instandhaltungsstrategien erfolgt für die Referenzbrücke A1 im Rahmen einer Ökobilanzierung.

2 Empirische Bauwerksdaten aus SIB-Bauwerke 2.1 Datenbankabfragen Als Ergebnis komplexer Abfragen der Datenbank SIB-Bauwerke (SIB – Straßeninformationsbank) wurden 2412

Bild 1. Im Forschungsprojekt NaBrü untersuchte Brückentypen Fig. 1. In the research project NaBrü analysed bridge constructions

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Teilbauwerke identifiziert, die sich den verschiedenen Brückentypen zuordnen lassen (Tabelle 1). Die Anzahl streut dabei von vier Verbundbrücken des Typs B bis zu 1760 Massivbrücken des Typs A2. Die Daten werden tabellarisch aufbereitet, so dass aus den Zusammenstellungen Erneuerungszyklen und Kostensätze analysiert werden können. Darüber hinaus wurden Informationen zu Fahrbahnübergängen und Brückenlagern erhoben und ausgewertet. Da bei diesen Bauteilen keine Abhängigkeit von den definierten

Brückentypen besteht, kann hier der Gesamtbestand von SIB-Bauwerken als Datenbasis herangezogen werden.

2.2 Qualität der Datenbasis Die oben genannten Ergebnisse auf Grundlage der vier Brückentypen und der brückentypunabhängigen Ergebnisse zu Fahrbahnübergängen und Brückenlagern werden zuerst bezüglich ihrer Aussagekraft eingeordnet. Insgesamt liegt nur eine begrenzte Anzahl an bauwerksbezogenen Datensätzen vor, die sowohl das Baujahr,

Tabelle 1. Anzahl der identifizierten Teilbauwerke je Brückentyp Table 1. Number of identified bridges by category Brückentypen

Verbund

Massiv

A1

46

76

A2

33

1760

B

4

172

die Baukosten und Instandsetzungsmaßnahmen ausweisen. Darüber hinaus lassen sich anhand von Bild  2 weitere Schwierigkeiten identifizieren. Dort ist zu erkennen, dass für den Brückentyp A2-B die Mehrzahl der Neubaumaßnahmen in den Zeitbereich bis 1990 fallen und ab 1998 die Unterhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen deutlich zunehmen. Hierfür sind zwei Ursachen denkbar: Eine mögliche Erklärung ist die erhöhte Instandsetzungshäufigkeit als Folge der hohen Bauaktivität in den 1960er und 1970er Jahren. Demnach würde nach 20 bis 25 Jahren eine Erhöhung der Schäden und Zunahme der standardmäßigen Erneuerungsmaßnahmen einsetzen. Auf der anderen Seite könnte die Ursache der kleinen Anzahl an Instandsetzungsmaßnahmen vor 1990 in der Nichtaufnahme von Datensätzen in die Datenbank liegen, die erst Mitte der 1990er entwickelt wurde. Schlussendlich muss festgestellt werden, dass die zur Verfügung stehenden Datensätze die einzige deutsche Datenbasis darstellen. Durch die Auswertung von Datensätzen aus verschiedenen Datenbankabfragen sowie die genaue Benennung der jeweils vorliegenden Bewertungsschwierigkeiten stellen die Ergebnisse eine hervorragende Grundlage für das Ableiten von Erneuerungszyklen verschiedener Brückenkomponenten dar.

2.3 Begriffe 31

C

290

Bild 2. Auswertung der in SIB-Bauwerke genannten Anzahl an Neubau- sowie Unterhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen für den Brückentyp A2-B [KIT-VA] Fig. 2. Results of the numbers of new constructions as well as maintenance and rehabilitation measure for the analyzed bridge type A2-B [KIT-VA]

4

Zur eindeutigen Abgrenzung der verwendeten Begriffe wird hier kurz auf die in der deutschen Normung zur Anwendung kommenden Ausdrücke eingegangen. Die im nächsten Abschnitt analysierten Zeiträume werden dabei als Erhaltungszeiträume bezeichnet und dürfen nicht mit einer Nutzungsdauer oder einem Lebenszyklus verwechselt werden. Ein Lebenszyklus beschreibt die aufeinander folgenden und miteinander verbundenen Lebensphasen eines Bauwerks (Herstellung, Errichtung, Nutzung, Abriss) [9]. Die Nutzungsdauer nach E DIN EN ISO  15392 ist die „Zeitspanne nach der Errichtung eines Bauwerks, in der dieses oder seine Teile die Qualitäts anforderungen erfüllt oder übertrifft“ [10]. Diese Zeitspanne ist ex ante nicht genau bekannt und die geplante Nut-

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zungsdauer ist dabei ein Zeitraum, der im Rahmen von DIN  EN  1990 [11] als Größe zur Definition der anzusetzenden charakteristischen Einwirkungen festgelegt wird. Als geplante Nutzungsdauer wird im Rahmen des Projekts 100 Jahre für das gesamte Bauwerk angesetzt. Der Begriff Lebensdauer wird vor allem im Bereich des Umweltmanagements (DIN EN ISO 14001 ff.) verwendet und wird in der DIN  EN  15978 begrifflich mit der Nutzungsdauer gleichgesetzt [12]. Die hier analysierten Erhaltungszeiträume sind Zeitspannen, die als Basis für das Ableiten von Erneuerungszyklen sowie zur Bildung verschiedener Instandhaltungsstrategien verwendet werden. Sie dienen als Grundlage für die Durchführung von Variantenvergleichsrechnungen aus heutiger Sicht. Auf diesen Sachverhalt wird so explizit eingegangen, da die Erhaltungszyklen theoretische Werte darstellen, die in Abhängigkeit von der Nutzungsintensität, der Exposition, dem technischen Fortschritt etc. von den tatsächlichen Nutzungsdauern abweichen können.

2.4 Ergebnisse Fahrbahnübergänge Die durchgeführten Analysen der Daten aus SIB-Bauwerke werden exemplarisch an der Bauteilgruppe der Fahrbahnübergänge erläutert. Für die Auswertungen der auf den Brückentyp A2 abgestimmten Datensätze liegen 25 Ergebnisse für Fahrbahnübergänge zu Grunde, die nach verschiedenen Kostenarten der ASB Teil  D gegliedert sind [13]. Die Ergebnisaufbereitung erfolgt mit Hilfe eines Boxplots, bei dem im hellgrünen Bereich das 50 %- bis 75 %-Quantil und im dunkelgrünen Bereich das 25 %- bis 50 %-Quantil enthalten ist. Der Übergang zwischen den Bereichen kennzeichnet den Median, die Raute den Mittelwert der Ergebnisse. Die Antennen geben die Minimal- und Maximalwerte an. In Bild 3 ist zu erkennen, dass für die Maßnahme der Instandsetzung der Mittelwert und der Median bei ungefähr 25 Jahren liegen, wobei das untere Quantil bis auf 18 Jahre deutlich absinkt. Für die Maßnahme der Erneuerung ergeben sich höhere Werte mit einem Median und Mittelwert von 32,5 Jahren, die Abweichungen in den Quantilen ist sehr klein, während

Bild 3. Zeitraum zwischen Baujahr und Instandsetzungsmaßnahmen für Fahrbahnübergängen (links), Zeitraum zwischen Baujahr und Erneuerung von Fahrbahnübergängen (Mitte), mit dem Baupreisindex Brückenbau bereinigte Kosten pro laufenden Meter Fahrbahnübergang (rechts) in Werten von 2011; Auswertung Datensätze des Brückentyps A2 [KIT-VA] Fig. 3. Time span between construction year and rehabilitation for expansion joints (left), time span between construction year and renewal for expansion joints (middle), net present value (NPV) of the cost per meter expansion joint for 2011 (right); all results refer to bridge type A2 [KIT-VA]

sich der Bereich zwischen Minimalund Maximalwert über den Bereich von 17 bis 43 Jahren erstreckt. Hier wird deutlich, welche Schwierigkeiten es für die Auswertung mit sich bringt, dass der Datenbank der Anlass der jeweiligen Maßnahme nicht eindeutig zu entnehmen ist. Die Ursachen können sowohl der präventive Austausch von Fahrbahnübergängen aber auch die planmäßige Erneuerung nach Ende der tatsächlichen Nutzungsdauer sein. Allerdings können auch Schäden einen sehr frühen Erneuerungszeitpunkt bedingen, deren Ursache wiederum nicht hinterlegt ist. Diese Durchmischung an Ursachen verhindert die eindeutige Auslegung der Daten. Alle Bauteile, die seit ihrem Einbau weder instandgesetzt noch erneuert wurden, finden in der Datenbank keine Erwähnung und eine Aussage über deren Alter und mögliche längere Verwendungsdauer ist somit nicht erfassbar und kann nicht in die Ermittlung der Erhaltungszeiträume einfließen. Bei Untersuchung der entstandenen Kosten pro Meter Fahrbahnübergang ergibt sich ein Median von 644 Euro und ein Mittelwert von 1219 Euro. Die Diskrepanz der beiden Werte zeigt eine deutliche Abweichung nach oben. Da zwischen den Kosten pro Meter Fahrbahnübergang und dem Erhaltungszeitraum nur eine Korrelation von 0,26 vorliegt, kann nicht darauf geschlossen werden, dass ein längerer Erhaltungszeitraum zu höheren Kosten führt. Aufgrund der großen Ergebnisspannweite werden

diese Werte nicht für die weiteren Analysen im Forschungsprojekt NaBrü verwendet, sondern es wird auf Herstellerangaben sowie bereinigte Marktpreise zurückgegriffen. Darüber hinaus ist die Aussagekraft der Auswertungen aufgrund der geringen Anzahl an Grunddaten begrenzt. Daher wurde für die Fahrbahnübergänge in der Gesamtdatenbank von SIB-Bauwerke eine zusätzliche Abfrage durchgeführt, die Maßnahmen für alle Stahlübergänge beinhaltete. Die Ergebnisse sind in Bild 4 gefiltert nach Baujahren der Brücken dargestellt. Dort ist zu erkennen, dass für alle Zeiträume Mittelwert und Median eng zusammenliegen und letzterer bei neueren Konstruktionen von 34 Jahren auf 26 bzw. 21 Jahre Erhaltungszeitraum abnimmt. Dies ist u. a. damit zu erklären, dass Brücken und ihre Bauteilgruppen mit Baujahr 1985 oder später bei einer Verwendung von Daten mit dem Stand 2010 gar nicht älter als 25 Jahre alt sein können. Dies ist auch an der Abnahme der jeweils zu Grunde liegenden Datensätze ersichtlich. Die wesentlich höhere Grundgesamtheit an auswertbaren Datensätzen erhöht die Signifikanz der Ergebnisse deutlich. Auch hier ist allerdings eine starke Abweichung der Minimalwerte nach unten zu erkennen, die wiederum auf unplanmäßige Schäden zurückgeführt werden kann. Insgesamt unterstützen die Ergebnisse die in Tabelle 2 getroffene Festlegung eines Erneuerungszyklus von

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Bild 4. Zeiträume zwischen Baujahr und Erneuerungsmaßnahme für Fahrbahnübergänge gruppiert nach Baujahr, Datensätze aus SIB-Bauwerke für die Suchabfrage „Stahllamellenkonstruktion“ [KIT-VA] Fig. 4. Time span between construction year and renewal for expansion joints, grouped by construction periods, all results refer to all available datasets for the term “steel lamella expansion joints” in the database [KIT-VA] Tabelle 2. Erneuerungszyklen für Fahrbahnübergänge und Lager Table 2. Cycle for renewal of expansion joints and bearings Instandhaltungsstrategie Der Erneuerungszyklus von Fahrbahnübergängen und Lagern ist unabhängig von der Instandhaltungsstrategie.

Komponente

Zyklus

Lamellenübergang (> 1 Dichtprofil)

33 Jahre

Lamellenübergang (1 Dichtprofil)

50 Jahre

Dichtprofil (Lamellenübergang)

16 Jahre

Elastomerlager

33 Jahre

Kalottenlager

33 Jahren. Bei einem Instandhaltungsszenario für Nachhaltigkeitsanalysen und -bewertungen werden außerplanmäßige Einflüsse in der Regel nicht berücksichtigt. Schäden z. B. aufgrund von Ausführungsfehlern werden daher nicht mit einbezogen. Die in diesem Projekt verwendeten Strategien werden im Folgenden kurz erläutert.

3 Instandhaltungsstrategien Im Rahmen der Untersuchungen werden drei verschiedene Instandhaltungsstrategien gegenübergestellt, um Vergleiche zu ermöglichen und Auswirkungen auf das Ergebnis von

100 Jahre

Nachhaltigkeitsanalysen aufzuzeigen. Insbesondere in puncto Häufigkeit und Umfang der Erneuerungsmaßnahmen weichen diese deutlich voneinander ab und führen damit zu erheblichen Unterschieden im qualitativen Degradationsverlauf (Bild 5): – Präventivstrategie – zustandsbestimmende Strategie – gezielte Alterung. Die in Bild 5 dargestellte Zustandsnote wird im Rahmen von regelmäßigen Bauwerksprüfungen [14] ermittelt. Sie errechnet sich durch einen Algorithmus, in dem jeder Schaden nach den Kriterien Standsicherheit, Ver-

kehrssicherheit und Dauerhaftigkeit mit einer Note von 1 bis 4 bewertet wird. Definitionsgemäß wird bei einer Gesamtbewertung des Schadens kleiner als 1,8 keine Maßnahme im Sinne der Bauwerkserhaltung erforderlich, während ab einer Gesamtbewertung größer als 3,4 akuter Handlungsbedarf besteht. Das Ziel der Präventivstrategie ist es, das Brückenbauwerk über die gesamte Lebensdauer in einem möglichst guten Zustand zu erhalten. Dazu ist es erforderlich, auf jede Zustandsverschlechterung zeitnah zu reagieren, was zu einer Häufung von Erhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen führt. Für die Berechnungen im Rahmen des Forschungsprojekts NaBrü werden für die verschiedenen Komponenten (Bauteile bzw. Bauteilgruppen) unterschiedliche Erneuerungszyklen angesetzt (s. Abschnitt 4). Grob betrachtet findet etwa alle 16 Jahre bzw. fünfmal im Lebenszyklus eine Maßnahme statt. Bei der zustandsbestimmenden Strategie werden Maßnahmen gebündelt, indem die Brücke vorausschauend und/oder reaktiv instandgehalten wird. Durch die Kombination verschiedener Maßnahmen lässt sich die Anzahl der Eingriffe in den Betrieb (= Verkehr) z. B. durch Baustellen minimieren. Für die Berechnungen im Rahmen des Forschungsprojekts NaBrü wird zweimal im Lebenszyklus der Brücke von einer Maßnahmenbündelung ausgegangen – nach 33 Jahren und nach 66 Jahren. Im Falle der gezielten Alterung werden Maßnahmen nur durchgeführt, wenn diese unbedingt notwendig sind. Der Aufwand und die Häufigkeit für Erhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen erhöhen sich mit dem Alter der Bauwerke. Die Lebensdauer des

Bild 5. Instandhaltungsstrategien Fig. 5. Maintenance strategies

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Überbaus liegt deutlich niedriger als bei den anderen Strategien. Im Rahmen des NaBrü-Projekts wird mit einer Lebensdauer von 50 Jahren gerechnet, woraufhin ein Ersatz des kompletten Überbaus erfolgt.

4 Erneuerungszyklen Da für eine detaillierte Nachhaltigkeitsberechnung die Vorgabe von Erneuerungszyklen erforderlich ist, ergibt sich die Aufgabe, hierfür möglichst realistische Annahmen zu treffen. Den folgenden Angaben liegen sowohl die in Abschnitt 2.4 vorgestellten Datenbankanalysen und Erfahrungswerte des Projektteams sowie des projektbegleitenden Ausschusses zu Grunde als auch aktuelle Trends bei der Weiterentwicklung der Bauprodukte. Bei den meisten Komponenten unterscheiden sich die Erneuerungszyklen entsprechend den in Abschnitt 3 beschriebenen Instandhaltungsstrategien. Eine Ausnahme bilden Fahrbahnübergänge und Lager, die im Falle eines Defekts unverzüglich repariert oder ersetzt werden müssen, damit die Nutzung der Brücke gewährleistet bleibt. Im Rahmen des Forschungsprojekts NaBrü werden für Lamellenübergänge und Lager die Erneuerungszyklen gemäß Tabelle 2 angenommen. Zu den Komponenten, bei denen der Erneuerungszyklus von der jeweiligen Instandhaltungsstrategie ab-

hängt, zählen insbesondere der Korrosionsschutz und der Fahrbahnbelag. Bei der Erneuerung des Korrosionsschutzes lassen sich die Maßnahmen Reparatur, Teilerneuerung und Vollerneuerung unterscheiden ([16], [17]). Bei der Reparatur werden einzelne Stellen neu beschichtet, im Rahmen der Teilerneuerung erfolgt in Teilbereichen ein Austausch der Deckschicht und bei der Vollerneuerung wird der komplette Korrosionsschutz ersetzt. Im Rahmen des Forschungsprojekts NaBrü erfolgt bei der Präventivstrategie eine Kombination aller Maßnahmen, während bei der zustandsbestimmenden Strategie ausschließlich die Vollerneuerung zur Anwendung kommt. Bei der gezielten Alterung werden bis zum Ersatz des Überbaus nach 50 Jahren Korrosionsschäden hingenommen, so dass überhaupt keine Erneuerungsmaßnahmen des Korrosionsschutzes stattfinden (Tabelle 3). Bei der Erneuerung des Fahrbahnbelags werden zwei Stufen unterschieden – die Erneuerung der Deckschicht und die Erneuerung des kompletten Fahrbahnbelags (incl. Tragschicht und Abdichtung). Im Rahmen des Forschungsprojekts NaBrü erfolgt bei der Präventivstrategie eine Erneuerung der Deckschicht im Zyklus von 11 Jahren und bei der zustandsbestimmenden Strategie im Zyklus von 16 Jahren. In beiden Fällen wird der komplette Fahrbahnbelag nach 33 Jahren

Tabelle 3. Erneuerungszyklen für den Korrosionsschutz Table 3. Cycle for renewal for the corrosion protection Instandhaltungsstrategie

Komponente

Zyklus

Reparatur

16 Jahre

Teilerneuerung

33 Jahre*

Vollerneuerung

50 Jahre

zustandsbestimmende Strategie

Vollerneuerung

33 Jahre

gezielte Alterung

Ersatz des Überbaus

50 Jahre

Präventivstrategie

* die 2. Teilerneuerung erfolgt 33 Jahre nach der Vollerneuerung – also nach 88 Jahren

Tabelle 4. Erneuerungszyklen für den Fahrbahnbelag Table 4. Cycles for renewal of the asphalt layer Instandhaltungsstrategie Präventivstrategie zustandsbestimmende Strategie gezielte Alterung

Komponente

Zyklus

Deckschicht

11 Jahre

kompletter Fahrbahnbelag

33 Jahre

Deckschicht

16 Jahre

kompletter Fahrbahnbelag

33 Jahre

Deckschicht

16 Jahre

ausgetauscht. Um dem unterschiedlichen Takt mit einer Differenz von fünf Jahren Rechnung zu tragen, wird für diesen Zeitraum jeweils rechnerisch eine Geschwindigkeitsbegrenzung auf 80 km/h angesetzt. Für das Szenario der gezielten Alterung werden bis zum Ersatz des Überbaus nach 50 Jahren zwei Erneuerungen der Deckschicht im Zyklus von 16 Jahren vorgesehen – incl. einer Geschwindigkeitsbeschränkung wie bei der zustandsbestimmenden Strategie (Tabelle 4). Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass es sich bei den Erneuerungszyklen um ein Szenario zur Festlegung von Rechenwerten für einen Prognosezeitraum von 100 Jahren handelt, von denen die tatsächlich eintretenden Werte in der Praxis abweichen können.

5 Anwendungsbeispiel Ökobilanzierung Im Folgenden werden vorläufige Ergebnisse der ökobilanziellen Betrachtung am Referenzbauwerk einer integralen Autobahnüberführung des Typs A1, vgl. Bild 1, für den Vergleich der beiden Instandhaltungsstrategien zustandsbestimmende Strategie und gezielte Alterung vorgestellt. Die zustandsbestimmende Strategie bildet dabei das Grundszenario, das der heutzutage in der Praxis zur Anwendung kommenden Instandhaltungsstrategie am nächsten kommt. Die Ergebnisse spiegeln den Arbeitsstand im Juli 2012 wider; nicht enthalten sind Berechnungen zu externen Effekten und zur Betoninstandsetzung. Bild 6 zeigt für alle Wirkungskategorien den Vergleich der gesamten Umweltwirkungen der beiden Instandhaltungsstrategien, wobei die jeweils größere Wirkung die 100 %-Marke bildet. In allen Wirkungskategorien außer beim photochemischen Oxidantienbildungspotenzial zeigt die gezielte Alterung die höheren Umweltauswirkungen. Im Verhältnis dazu betragen die Auswirkungen der zustandsbestimmenden Strategie zwischen 87 % und 96 %. Beim photochemischen Oxidantienbildungspotenzial ist die Wirkung der beiden Szenarien nahezu identisch. Bild 7 zeigt die Anteile der Lebenszyklus-Module an den Umweltwirkungen. Den größten Beitrag leis-

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Bild 6. Umweltwirkungen für die Referenzbrücke des Typs A1 als prozentualer Vergleich zwischen der zustandsbestimmenden Strategie und der gezielten Alterung Fig. 6. Environmental impacts for the reference bridge of type A1 as a percental comparison of the strategies condition based maintenance and permitted deterioration Anteile der Module an den Umweltwirkungen [%] 120

100

100%

80

Modul D Möglichkeiten zur Wiederverwendung, Rückgewinnung, Recycling

60 Module C1-C4 Rückbau, Transport, Abfallbehandlung, Entsorgung

40

Module B 1-3 Nutzungsphase 20

Module A 4-5 Errichtungsphase

Eutrophierung

Ozonabbau

Oxidantienbildung

Treibhauseffekt

A1-gezielte Alterung

A1-zustandsbestimmend

A1-gezielte Alterung

A1-zustandsbestimmend

A1-gezielte Alterung

A1-zustandsbestimmend

A1-gezielte Alterung

A1-zustandsbestimmend

A1-gezielte Alterung

A1-zustandsbestimmend

Module A 1-3 Herstellungsphase 0

Versauerung

Bild 7. Aufschlüsselung der einzelnen Umweltwirkungen in ihre Anteile aus den verschiedenen Lebenszyklus-Module Fig. 7. Breakdown of impact categories and primary energy in its shares of the life cycle modules

tet in allen Wirkungskategorien die Herstellungsphase, in die die Bereitstellung der Baustoffe sowie die Werksfertigung der Fertigteile eingehen. Im Vergleich zwischen den beiden Strategien ist der Beitrag der Herstellungsphase jeweils bei der zustandsbestimmenden Strategie größer als bei der gezielten Alterung; bei der gezielten Alterung kommt dafür jeweils der Nut-

8

zungsphase eine größere Bedeutung zu. Der hohe Beitrag der Nutzungsphase zum photochemischen Oxidantienbildungspotenzial stammt bei der zustandsbestimmenden Strategie vor allem aus der Erneuerung des Korrosionsschutzes, während bei der Strategie der gezielten Alterung, in der der Korrosionsschutz nicht erneuert wird, die Wirkungen durch den Ersatz des

Überbaus sowie des Straßenbelags erzeugt werden. Die Errichtungsphase, zu der die Transporte zur Baustelle sowie die auf der Baustelle anfallenden Emissionen und Ressourcenverbräuche beitragen, zeigt in den verschiedenen Wirkungskategorien Anteile zwischen 3 % und 20 %. Die Module C1–C3, Rückbau, Transport, Abfallbehandlung und Entsorgung haben aufgrund der hier anfallenden Verbrennungsemissionen vor allem Einfluss auf die Wirkungskategorien Eutrophierung und Versauerung. Die im Modul D anfallenden Gutschriften, die den Systemen als negative Umweltwirkungen angerechnet werden, sind in der Wirkungskategorie Treibhauspotenzial am höchsten. Bild 8 zeigt die Anteile der definierten Bauteilgruppen an den Umweltwirkungen über den Lebenszyklus der Brücke. Da die Brücke A1 eine integrale Brücke ist, entstehen keine Wirkungen durch Pfeiler, Lager oder Fahrbahnübergänge. Aufgrund des kompletten Ersatzes des Überbaus bei der Strategie der gezielten Alterung ist hier im direkten Vergleich der Strategien die Bedeutung des Überbaus deutlich größer als bei der zustandsbestimmenden Strategie. Desweiteren ist der Beitrag des Überbaus bei den Wirkungskategorien Ozonabbaupotenzial und photochemisches Oxidantienbildungspotenzial insgesamt größer als in den übrigen Wirkungskategorien. Letzteres resultiert bei der zustandsbestimmenden Strategie neben der Herstellung vor allem aus der Erneuerung des Korrosionsschutzes in der Nutzungsphase, während bei der gezielten Alterung, bei der der Korrosionsschutz nicht erneuert wird, die Wirkungen durch den Bau und den Ersatz des Überbaus sowie des Straßenbelags hervorgerufen werden. Die hier definierte Gruppe Temporär, zu der vor allem die Baustelleneinrichtung zählt, spielt in allen betrachteten Wirkungskategorien eine untergeordnete Rolle. Beim regenerativen Primärenergiebedarf dominiert bei beiden Strategien die Gruppe Gründung und Widerlager aufgrund der hier in der Modellierung verwendeten Holzschalung. Bei den hier dargestellten Auswertungen handelt es sich um vorläufige Ergebnisse, die sowohl noch die oben beschriebene Ergänzung in der Nutzungsphase erfordern als auch

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Bild 8. Aufschlüsselung der einzelnen Umweltwirkungen in ihre Anteile aus den verschiedenen Bauteilgruppen Fig. 8. Breakdown of impact categories and primary energy in its shares of the bridge component groups

durch einen Vergleich mit der Präventivstrategie vervollständigt werden.

6 Fazit Für die im Forschungsprojekt NaBrü untersuchten Brückenbauwerke wurden empirische Erhaltungszeiträume bestimmt, deren Datenbasis aus der Datenbank SIB-Bauwerke (SIB – Straßeninformationsbank) stammt. Diese dienen als Grundlage für die in diesem Artikel dargestellten Erneuerungszyklen, die wiederum Eingang in die Definition von drei Instandhaltungsstrategien finden. Durch die hier verwendeten drei Strategien wird eine Bandbreite von potentiellen Instandhaltungsstrategien aufgezeigt, die bei der Nachhaltigkeitsbewertung von unterschiedlichen Brückentypen Anwendung finden können. Im Rahmen einer Ökobilanzierung können anschließend beispielsweise die damit verbunden Umweltwirkungen ermittelt und mögliche Auswirkungen von Varianten aufgezeigt werden. Die ökologischen Untersuchungen sind hierbei lediglich ein Aspekt, der im Rahmen einer Nachhaltigkeitsbewertung um direkte und indirekte Kosten (z. B. dem Nutzer anfallende Kosten durch Staubbildung an Baustellen) sowie weiterer sozialer Aspekte zu erweitern ist. Variantenvergleiche bilden dabei eine

hervorragende Möglichkeit, um den Einfluss verschiedener Instandhaltungsstrategien als auch Bauteilgruppen zu quantifizieren und im Rahmen der Entscheidungsunterstützung Anwendung zu finden.

Dank Die Autoren bedanken sich besonders bei Dr.-Ing. Alfred Krill, Ingenieurgruppe Bauen, sowie Dr.-Ing. Walter Streit und Dipl.-Ing. Gerald SchmidtThrö, beide Büchting+Streit AG, für ihre tatkräftige Unterstützung und wertvollen Diskussionsbeiträge. Das IGF-Vorhaben 353ZN „Ganzheitliche Bilanzierung von Stahl- und Verbundbrücken nach Kriterien der Nachhaltigkeit“ der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) ist ein Teilprojekt des Forschungsclusters Nachhaltigkeit von Stahl im Bauwesen (NASTA) und wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Hierfür bedanken sich die Forschungspartner. Literatur [1] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS): Richt-

linie zur Durchführung von Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen im Rahmen von Instandsetzungs-/Erneuerungsmaßnahmen bei Straßenbrücken. Ausgabe 2004. [2] Bundesrat: Verordnung zur Berechnung von Ablösungsbeträgen nach dem Eisenbahnkreuzungsgesetz, dem Bundesfernstraßengesetz und dem Bundeswasserstraßengesetz (AblösungsbeträgeBerechnungsverordnung – ABBV). Drucksache 147/10, 2010. [3] Vollrath, F., Tathoff, H. (Hg.): Handbuch der Brückeninstandhaltung. Düsseldorf: Verl. Bau + Technik, 2002. [4] Hessisches Landesamt für Straßenund Verkehrswesen Wiesbaden: Nachhaltiges Bauen – Ökobilanzierung und Lebenszykluskosten von vier Straßenbrücken. Bearbeitet von C.-A. Graubner und Achim Knauff, TU Darmstadt, 2010. [5] Kuhlmann, U., Pelke, E., Hauf, G., Hermann, T., Steiner, J., Aul, M.: Ganzheitliche Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bei Verbundbrücken unter Berücksichtigung des Bauverfahrens und der Nutzungsdauer. Stahlbau 76 (2007), H. 2, S. 105–116. [6] Graubner, C.-A., Knauf, A., Pelke, E.: Lebenszyklusbetrachtung als Grundlage für die Nachhaltigkeitsbewertung von Straßenbrücken. Stahlbau 80 (2011), H. 3, S. 193–171. [7] Zinke, T., Diel, R., Mensinger, M., Ummenhofer, T.: Nachhaltigkeitsbewertung von Brückenbauwerken. Stahlbau 79 (2010), H. 6, S. 448–455. [8] Kuhlmann, U., Beck, T., Fischer, M., Friedrich, H., Kaschner, R., Maier, P., Mensinger, M., Pfaffinger, M., Sedlbauer, K., Ummenhofer, T., Zinke, T.: Ganzheitliche Bewertung von Stahl- und Verbundbrücken nach Kriterien der Nachhaltigkeit. Stahlbau 80 (2011), H. 10, S. 703–710. [9] DIN EN 15643: Nachhaltigkeit von Bauwerken – Bewertung der Nachhaltigkeit von Gebäuden – Teil 1: Allgemeine Rahmenbedingungen, 2010. [10] E DIN EN ISO 15392: Nachhaltigkeit im Hochbau – Allgemeine Grundsätze, 2011. [11] DIN EN 1990: Eurocode: Grundlagen der Tragwerksplanung, 2010. [12] DIN EN 15978: Nachhaltigkeit von Bauwerken – Bewertung der umweltbezogenen Qualität von Gebäuden – Berechnungsmethode, 2012. [13] ASB-ING: Anweisung Straßeninformationsbank, Teilsystem Bauwerksdaten. Sammlung Brücken- und Ingenieurbau. Dortmund: Verkehrsbl.-Verlag, 2008. [14] DIN 1076: Ingenieurbauwerke im Zuge von Straßen und Wegen – Überwachung und Prüfung, 1999.

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[15] RI-ERH-KOR: Richtlinien für die Erhaltung des Korrosionsschutzes von Stahlbauten. Sammlung Brücken- und Ingenieurbau, RI-ERH-ING: Richtlinien für die Erhaltung von Ingenieurbauten, www.bast.de, 2006. [16] Schröder, M.: Instandhaltung des Korrosionsschutzes durch Teilerneuerung – Bewährung. Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Heft B  60, Wirtschaftsverlag NW, 2008.

Autoren dieses Beitrages: Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, sekretariat@ke.uni-stuttgart.de, Dipl.-Ing. Philippa Maier, Philippa.Maier@ke.uni-stuttgart.de, Universität Stuttgart,

Institut für Konstruktion und Entwurf, Pfaffenwaldring 7, 70569 Stuttgart Dipl.-Ing. Heinz Friedrich, friedrich@bast.de, Dipl.-Math. Rolf Kaschner, kaschner@bast.de, Bundesanstalt für Straßenwesen, Abteilung Brücken- und Ingenieurbau, Brüderstraße 53, 51427 Bergisch Gladbach Prof. Dr.-Ing. Martin Mensinger, m.mensinger@bv.tum.de, Dipl.-Ing. Marjolaine Pfaffinger, m.pfaffinger@bv.tum.de, Technische Universität München, Lehrstuhl für Metallbau, Arcisstraße 21, 80333 München Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Klaus Sedlbauer, bauphysik@lbp.uni-stuttgart.de,

Dipl.-Ing. Umweltschutztechnik Matthias Fischer, matthias.fischer@lbp.uni-stuttgart.de, Dipl.-Wirt.-Ing. Katrin Lenz, katrin.lenz@lbp.uni-stuttgart.de, Dipl.-Geoökol. Tabea Beck, tabea.beck@lbp.uni-stuttgart.de, Universität Stuttgart, Lehrstuhl für Bauphysik, Abteilung Ganzheitliche Bilanzierung, Wankelstraße 5, 70563 Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer, thomas.ummenhofer@kit.edu, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Tim Zinke, tim.zinke@kit.edu, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine, Otto-Ammann-Platz 1, 76131 Karlsruhe

Aktuell Innovationspreis Feuerverzinken 2012 für Herbert Brandl Maschinenbau Die Firma Herbert Brandl Maschinenbau ist der diesjährige Preisträger des Innovationspreises Feuerverzinken. Das Unternehmen stellt als global tätiger Zulieferbetrieb der Automobilbranche hochqualitative Press-, Stanz- und Ziehteile sowie Schweißbaugruppen her und verfügt darüber hinaus über eine eigene Konstruktionsabteilung und einen eige-

nen Werkzeugbau. Zur Produktpalette gehören auch spezielle Fahrwerksstreben, die beispielsweise von BMW bei den M6Modellen eingesetzt werden. Hierdurch verbessern sich die Fahreigenschaften der mehr als 300 Stundenkilometer schnellen Supersportwagen. Als Korrosionsschutz für die Fahrwerksstreben kam die Feuerverzinkung zum Einsatz. Die Härte der Feuerverzinkung liegt zwischen 260 und 340 HV und wirkt wie ein Panzer gegen mecha-

Der Preis wurde von Andrea Brandl-Luckner, Geschäftsführerin der Firma Herbert Brandl Maschinenbau entgegengenommen. (v.l.: Harald Goetz, Vorsitzender Industrieverband Feuerverzinken; Andrea Brandl-Luckner, Geschäftsführerin Herbert Brandl Maschinenbau; Gerd Deimel, Hauptgeschäftsführer Industrieverband Feuerverzinken). (Quelle: Industrieverband Feuerverzinken e.V.)

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nische Belastungen durch Steinschlag. Zudem bietet die Verzinkung einen hervorragenden Haftgrund für eine KTLBeschichtung. „Die Feuerverzinkung mit zusätzlicher Beschichtung stellt einen dauerhaften, robusten und innovativen Premiumkorrosionsschutz dar, der im Fahrzeugbau Schule machen sollte“, ergänzt Harald Goetz, Vorsitzender des Industrieverbandes Feuerverzinken. Entgegengenommen wurde der Preis von Andrea Brandl-Luckner, Geschäftsführerin der Firma Herbert Brandl Maschinenbau und Tochter des Firmengründers. Vor neun Jahren wurde die Auszeichnung zum ersten Mal verliehen. „Auch wenn das seit vielen Jahrzehnten bewährte Verfahren des Feuerverzinkens aufgrund seines Alters nicht selten als traditionell gesehen wird, schafft es unsere Branche, sich kontinuierlich neue Märkte zu erschließen“, sagt Harald Goetz. Bisherige Preisträger waren unter anderem der Trailer-Hersteller Schmitz Cargobull und das Solar-Unternehmen a+f. Weitere Informationen finden Sie unter: www.feuerverzinken.com

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Fachthemen Josef Hegger Martin Claßen Peter Schaumann Jörg Sothmann Markus Feldmann Bernd Döring

DOI: 10.1002/stab.201301645

Entwicklung einer integrierten Verbunddecke für nachhaltige Stahlbauten Integrierte und multifunktionale Deckensysteme können einen entscheidenden Beitrag zur erfolgreichen Umsetzung nachhaltiger Gebäudekonzepte in der Praxis leisten. Im vorliegenden Artikel wird die Entwicklung eines nachhaltigkeitsorientierten Deckensystems vorgestellt, welches die vollständige Integration der Gebäudetechnik in die Tragstruktur umsetzt. Durch einen vorgespannten Betongurt an der Querschnittsunterseite kombiniert das integrierte Deckensystem gute bauphysikalische Eigenschaften und Brandschutzmerkmale mit großen Spannweiten für eine hohe Flexibilität und eine variable Grundrissgestaltung. Der Artikel verdeutlicht die vielschichtigen Wechselwirkungen zwischen den Fachdisziplinen Gebäudetechnik, Bauphysik sowie Tragwerksplanung und Brandschutz und gibt einen Ausblick auf zukünftige Untersuchungen. Integrated composite floor-slab-systems for sustainable steel structures. Integrated and multifunctional floor-slab-systems have great potential to benefit the planning, construction and operation of sustainable buildings. In the present paper the development of a sustainable slab-system is presented which incorporates building services and technical installations into the structural element by means of an integrated installation floor. Due to a prestressed concrete chord at the bottom side of the cross-section, the slab-system features improved physical and fire protection characteristics and provides wide spans for increased flexibility at the same time. The paper illustrates the complex interactions between the disciplines of building services, building physics, structural engineering and fire protection and gives an outlook on future investigations.

1 Einleitung Der Großteil der bestehenden und heute im Bau befindlichen Gebäude in Deutschland und anderen westlichen Industrienationen zeichnet sich durch monofunktionale Eigenschaften und eine dadurch bedingte eindimensionale Nutzungsstruktur aus. Nachhaltigkeitsbestrebungen werden bei der Planung derartiger Bauwerke mitunter vollständig ausgeklammert oder einseitig auf die Gestaltung der thermischen Gebäudehülle reduziert. Vielfach werden diese monofunktionalen Bauten bereits lange vor dem Erreichen ihrer technischen Lebensdauer abgerissen oder aufwändig baulich umgestaltet, weil sie den dynamischen Anforderungsprofilen ihrer Nutzer (Nutzungswechsel, technische Weiterentwicklung) nicht mehr gerecht werden können. Die damit einhergehenden ökologischen und wirtschaftli-

chen Folgen monofunktionalen Bauens sind tiefgreifend. Es bedarf innovativer Lösungsansätze zur Schaffung flexibler und anpassungsfähiger Gebäude, um Nachhaltigkeit im Bauwesen zu fördern. Einen entscheidenden Beitrag hierzu leisten neuartige, integrierte Deckensysteme. Die Entwicklung integrierter und nachhaltigkeitsorientierter Deckensysteme in Stahl-Verbundbauweise ist daher Gegenstand eines aktuellen AiF-Verbundforschungsvorhabens.

2 Entwicklung des Deckensystems Zur erfolgreichen Umsetzung nachhaltiger Gebäudekonzepte in der Praxis bedarf es innovativer Deckenlösungen, die durch hohe Flexibilität und Anpassungsfähigkeit beliebige Nutzungsänderungen ohne nennenswerte Eingriffe in das Tragwerk ermöglichen. Die Wahl der Deckenkonstruktion besitzt, über statische Gesichtspunkte hinaus, Auswirkungen auf zahlreiche Bauwerkseigenschaften. Decken erfüllen im Gebäude tragende und aussteifende Funktionen, sie bilden den Raumabschluss zu angrenzenden Nutzungseinheiten und beeinflussen die Grundrissgestaltung, die Installationsführung der Gebäudetechnik sowie die bauphysikalischen Eigenschaften des Gebäudes. In [1] wurde ein Anforderungsprofil zusammengestellt, das die wesentlichen Einflussgrößen aus den Bereichen Tragwerksplanung, Architektur, Herstellprozess, Flexibilität, Brandschutz, Bauphysik, Gebäudetechnik sowie Demontage und Recycling umfasst. Die vielfältigen Anforderungen und Aufgaben einer Geschossdecke lassen sich nur durch eine multifunktionale Struktur des Deckensystems ganzheitlich umsetzen. Mit dem entwickelten Deckensystem wird eine multifunktionale Deckenlösung bereitgestellt, die ein Optimum der identifizierten Anforderungen berücksichtigt. Mit einer Spannweite von bis zu 16 m und einer berücksichtigten Nutzlast von 5 kN/m² erzielt das integrierte Deckensystem ein Höchstmaß an Nutzungsflexibilität (Bild 1). Der entworfene Verbundquerschnitt besteht aus halbierten HEA 800-Trägern, die durch einen filigranen vorgespannten Betonzuggurt an der Querschnittsunterseite ergänzt werden (Bild 1d). Die Übertragung der Schubkräfte in der Verbundfuge erfolgt über eine Verbunddübelleiste in Puzzleform, die wirtschaftlich und materialschonend unmittelbar in den Stahlprofilsteg eingebrannt ist ([2], [3]). Das Deckensystem besitzt einen innenliegenden Installationshohlraum, der die vollständige Integration gebäudetechnischer Anlagen in die Tragkonstruktion ermöglicht.

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Bild 1. Integriertes Verbunddeckensystem Fig. 1. Integrated composite floor-slab-system

Große Stegöffnungen in den Stahlprofilen erlauben eine variable und anpassungsfähige Leitungsführung, selbst für Lüftungskanäle mit großen Durchmessern (Bild 1b). Eine gute Zugänglichkeit des Installationsraumes und eine komfortable Montage und Wartung der Gebäudetechnik „von oben“ werden durch demontierbare Platten an der Elementoberseite des Deckenquerschnittes ermöglicht (Bild 1a). Zur Verbesserung des thermischen Komforts bei gleichzeitig hoher Energieeffizienz kann das Deckensystem mit integrierten Heiz- und Kühlleitungen zur thermischen Bauteilaktivierung ausgestattet werden (Bild 1c); diese können optional mit Phasenwechsel-Materialien zur Erhöhung der wirksamen Wärmekapazität des Betongurtes kombiniert werden. Der Betongurt an der Querschnittsunterseite bestimmt somit die thermische Performance des Deckenbauteils. Darüber hinaus stellt er mit einer Höhe von 10 cm die brandschutztechnischen Anforderungen für einen Brand unterhalb der Decke sicher. Durch den Einsatz lösbarer Verbindungen und Anschlüsse ermöglicht das integrierte Deckensystem am Ende des Gebäudelebenszyklus ein Bauteil- und Bauwerksrecycling anstelle des konventionellen Baustoffrecyclings. Die Tragstruktur des Gebäudes kann dabei über mehrere Nutzungszyklen hinweg verwendet werden [4]. Nachfolgend werden Forschungsergebnisse aus den Bereichen der Tragwerksplanung, des Brandschutzes und der Bauphysik vorgestellt, die in die Entwicklung des Deckensystems eingeflossen sind.

ner guten bauphysikalischen und brandschutztechnischen Eigenschaften in der Biegezugzone des Verbundquerschnittes angeordnet. Zur Sicherstellung seiner Gebrauchstauglichkeit (Verhinderung einer übermäßigen Rissbildung, Erhöhung der Steifigkeit und Durchbiegungsbegrenzung) wird der Betongurt vorgespannt ausgeführt (vgl. Bild 2a). Der Einsatz von Vorspannung mit sofortigem Verbund in Verbunddeckensystemen ist bisher unerforscht. Im Steg der Stahlträger besitzt das multifunktionale Deckensystem große Öffnungen, um die Integration gebäudetechnischer Installationen zu ermöglichen (vgl. Bild 2b). Diese Stegöffnungen beeinflussen den Querkraftabtrag sowie das Verformungsverhalten des Deckensystems signifikant. In bisherigen Forschungsprojekten zu Verbundträgern mit großen Stegöffnungen ([6], [7]) wurden als Verbundmittel lediglich Kopfbolzendübel eingesetzt. Die Verwendung von Verbunddübelleisten (Bild 2c) anstelle von Kopfbolzendübeln in Verbundträgern mit Stegöffnungen wurde bislang nicht systematisch untersucht. Die bisher unbekannten Einflüsse der beschriebenen konstruktiven Besonderheiten des Deckensystems werden eingehend erforscht. Hierzu werden experimentelle Untersuchungen zum globalen (Träger) und lokalen (Verbundmittel) Tragverhalten des Deckensystems durchgeführt und durch numerische Untersuchungen anhand nichtlinearer, dreidimensionaler Finite-Elemente-Modelle ergänzt. Nachfolgend werden erste Ergebnisse der experimentellen und numerischen Untersuchung vorgestellt. In Bild 3 sind die Biegelinien eines Versuchsträgers mit den o. g. statischen Besonderheiten für unterschiedliche Laststufen dargestellt. Darin ist deutlich der durchbiegungssteigernde Einfluss einer Stegöffnung zu erkennen. Die maximale Durchbiegung des Trägers verlagert sich mit ansteigender Last von der Trägermitte (Lasteinleitungspunkt) hin zum lastnahen Öffnungsrand. Gleichzeitig bildet sich zwischen dem linken Auflager des Trägers und dem Öffnungsrand eine Krümmung des Trägers aus, die der eines entsprechenden ungestörten Trägers (in Bild 3 für die Laststufe 316 kN gestrichelt dargestellt, in FE-Berechnung ermittelt) entgegengerichtet ist. Der Vergleich der Biegelinien des Versuchsträgers und des ungestörten Trägers verdeutlicht, dass die Stegöffnung insbesondere bei hohen Laststu-

3 Tragwerksplanung Um die angestrebte Multifunktionalität des integrierten Deckensystems sicherzustellen, muss ein ausgewogenes Verhältnis zwischen statisch-konstruktiven Gesichtspunkten und den vielfältigen weiteren Anforderungen des Deckensystems gefunden werden. In diesem iterativen Aushandlungsprozess können Zielgrößen der Tragwerksplanung hinter Konstruktionsziele aus den Bereichen der Bauphysik, der Gebäudetechnik oder des Brandschutzes zurücktreten [5]. Diese Unterordnung tragwerksplanerischer Zielgrößen führt zu einer aus statischer Sicht unkonventionellen Gestaltung der Querschnittsform. Das Deckensystem weist die im Folgenden beschriebenen charakteristischen Konstruktionsmerkmale auf: Entgegen der im Verbundbau üblichen Anwendung des Betongurtes in der Druckzone wird dieser aufgrund sei-

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Bild 2. Konstruktive Merkmale des Deckenquerschnitts; (a) vorgespannter Betongurt; (b) große Stegöffnung; (c) Puzzleleiste Fig. 2. Design features of the floor section, (a) pre-stressed concrete slab, (b) large web-opening, (c) puzzle strip

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Bild 3. Durchbiegungsverhalten des Versuchsträgers Fig. 3. Deflection behavior of the test specimen

fen eine signifikante Vergrößerung der Durchbiegungen bewirkt. Die starke Verformungszunahme im Öffnungsbereich ist auf eine Fließgelenkbildung der Restquerschnitte in den Ecken der Stegöffnung und eine gleichzeitige Ablösung des Betongurtes vom Stahlprofil zurückzuführen. Im Bereich der Öffnung ist der Steg des Stahlprofils geschwächt. Daher lagert sich ein Teil der Querkraft aus dem Stahlsteg in den Betongurt um. Die Einleitung dieses Querkraftanteils vor der Öffnung (auflagerferner Öffnungsrand) erfolgt durch eine lokale Druckkraft im Puzzlezahn (Durchstanzbeanspruchung). Am anderen Öffnungsrand wird die Kraft über die Puzzlezähne wieder in den Stahlsteg hochgehängt, was zu einer lokalen Herausziehbeanspruchung der Puzzlezähne aus dem Betongurt führt. Im Bereich der Öffnungsecke lösen sich die Puzzlezähne mit ansteigender Querkraft vom umgebenden Beton und reißen schließlich unter Ausbildung eines Ausbruchkegels aus dem Betongurt aus (Bild 4). Das Versagen des Trägers durch lokales Herausziehen einzelner Verbundmittel aus dem Betongurt konnte auch mit dem nichtlinearen Finite-ElementeModell des Verbundträgers in SIMULIA Abaqus 6.12 zutreffend abgebildet werden. Nach der sichtbaren Ausbildung der Ausbruchscholle an der Betongurtoberseite konnte die Prüfkraft im Trägerversuch weiter um ca. 10 % gesteigert werden. Das Herausziehen der Puzzlezähne kann daher als duktile Versagensform eingestuft werden. Das globale Querkraftversagen des betrachteten Versuchsträgers wird offensichtlich durch ein lokales Verbund-

Bild 4. Betonausbruch am zugbeanspruchten Öffnungsrand, Versuch (links), plastische Betondehnungen aus FE (rechts) Fig. 4. Concrete pry-out at the edge of the web-opening, experiment (left), plastic strain in FE (right)

mittelversagen im Öffnungsbereich (Betonausbruch) eingeleitet (Bild 4). Um genauere Erkenntnisse zum Herausziehwiderstand der Puzzlezähne zu erlangen, wurden daher kleinformatige Zugversuche an einbetonierten Puzzlezähnen durchgeführt. Neben verschiedenen Längsspannungszuständen in den Betonkörpern der Kleinkörperversuche, die die unterschiedliche Lage der Öffnung (Auflagernähe bzw. Trägermitte) berücksichtigen sollen, wurde darin insbesondere der Einfluss verschiedener Bewehrungsführungen und Verstärkungsmaßnahmen auf den Herausziehwiderstand der Puzzlezähne untersucht. In Bild 5 ist die Prüfkraft zweier Herausziehversuche über den zugehörigen vertikalen Schlupf zwischen Puzzlezahn und Betonkörper dargestellt. Es zeigt sich, dass eine Verstärkung mit senkrecht durch den Puzzlezahn geführten Bewehrungsstäben nahezu eine Verdoppelung der Prüfkraft bewirkt. Das Versagen beider Versuche wurde durch die Bildung von Ausbruchkegeln eingeleitet (Bild 5). In derzeit laufenden weiteren Trägerversuchen und in einer umfassenden numerischen Parameterstudie werden weitere Einflussgrößen wie die vom Lüftungskonzept abhängige Größe und Anordnung der Stegöffnung und die Beeinflussung des Tragverhaltens durch in den Betongurt integrierte Rohrsysteme (Bauteilaktivierung) untersucht. Hinsichtlich der Anschlüsse an Träger und Stützen sowie der Verbindung von benachbarten Elementen wird bisher auf konventionelle Ausführungsvarianten (stahlbaumäßige Anschlüsse, Vergussfugen) zurückgegriffen.

4 Brandschutz Neben der statischen Gestaltung des Tragwerks ist die Sicherstellung des Brandschutzes bei der Entwicklung des Deckensystems von großer Bedeutung. Der Anwendungsbereich des entwickelten Deckensystems wurde im Forschungsprojekt bis zur Gebäudeklasse 5 festgelegt. Daher muss das Deckensystem gemäß Bauordnung die Anforderung F90 beziehungsweise REI90 erfüllen. Dies bedeutet, dass die Decke die drei Kriterien Tragfähigkeit (R), Dichtigkeit gegen Durchlass von Rauch und heißen Gasen (E) und Wärmeisolierung (I) bei einem Brand nach Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) neunzig Minuten einhalten muss. Auf-

Bild 5. Vertikale Kraft-Schlupf-Beziehung für einbetonierte Puzzlezähne Fig. 5. Vertical force-slip relationship for embedded puzzle teeth

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grund des innenliegenden Installationshohlraumes ist für das integrierte Verbunddeckensystem neben einem Brand unter der Decke auch das Brandszenario „Brand im Deckenzwischenraum“ zu berücksichtigen. Der Schwerpunkt des Forschungsbereiches Brandschutz liegt auf der Sicherstellung der Tragfähigkeit des Deckensystems im Brandfall (R). Wissenschaftliche Erkenntnisse zum Tragverhalten vorgespannter Verbundbauteile bei Verwendung von Verbunddübelleisten im Brandfall sind allerdings weder national noch international vorhanden. Die Besonderheiten eines Brandes in Deckenhohlräumen werden derzeit erstmalig in einem britischen Forschungsvorhaben untersucht. Zur Bemessung und Konstruktion des Deckensystems kann daher nicht auf bestehende Ansätze oder Modelle zurückgegriffen werden. Zur Eingrenzung der komplexen Problemstellung wird daher in diesem Forschungsvorhaben der Fokus auf die Untersuchung der Biegetragfähigkeit eines Deckensystems ohne Öffnungen für die Brandszenarien „Brand im Deckenzwischenraum“ und „Brand unterhalb der Decke“ gerichtet. Bei einem Brand im Deckenzwischenraum sind die Stahlträger die gefährdetsten Bauteile. Zur Reduzierung des Arbeits- und Materialaufwandes werden diese ohne brandschutztechnische Bekleidungen ausgeführt. Somit sind sie einem Brand direkt ausgesetzt und erwärmen sich durch ihre hohe Wärmeleitfähigkeit und relativ geringe Massigkeit schnell, während der Beton durch seine große Massigkeit thermisch träge reagiert. Eine Erwärmung des Stahls ist mit einer Reduktion seiner Festigkeit und Steifigkeit verbunden, was die Tragfähigkeit des Deckensystems herabsetzt. Die Brandentwicklung im Deckenzwischenraum hängt maßgeblich von der im Installationshohlraum vorhandenen Brandlast ab. Bei den Brandlasten handelt es sich überwiegend um Kabel, die bei einer Zellenbüronutzung in der Mittelzone des Deckensystems konzentriert vorliegen (s. Bild 6). Für eine Zellenbüronutzung ergeben sich lokal hohe Brandlastkonzentrationen, daher wird diese Nutzungsform als konservatives Szenario für die Brandlasten im Deckenzwischenraum betrachtet. Die Brandlast wurde in Zusammenarbeit von Brandschutzingenieuren und Gebäudetechnikern im Rahmen des Forschungsprojektes zu 105 kWh/m bestimmt.

Die Brandentwicklung im Deckenzwischenraum sowie ihre Auswirkungen auf die Tragfähigkeit des Deckensystems werden zukünftig in experimentellen Untersuchungen mit praxisgerechten Brandlasten und Ventilationsbedingungen erforscht. Zuvor wurden bereits numerische Untersuchungen zur Ermittlung der Brandtemperatur im Installationshohlraum durchgeführt. Hierbei kamen so genannte Zonen- und Feldmodelle zur Anwendung. Die Eingangswerte für beide Modelle sind Brandlasten und Ventilationsbedingungen. Die Ventilationsbedingungen werden durch die Deckenkonstruktion vorgegeben. Umlaufend um den Brandraum wird von einem 2 cm breiten Spalt ausgegangen, der mit Glas- oder Steinwolle verschlossen ist und eine Luftzu- bzw. Luftableitung zulässt. Mit diesen Eingangswerten wurden Simulationen mit dem Ein-RaumZwei-Zonenmodell OZone [8] durchgeführt, wobei sich die Heißgas-Temperaturzeitkurve „Naturbrand im Deckenhohlraum (OZone)“ im Bild 8 ergab. Weiterhin wurden Simulationen mit dem Feldmodell FDS [9] durchgeführt. Dieses Modell lässt eine explizite Berücksichtigung des Kabelabbrandes zu. Die FDS-Simulationen ergaben weniger kritische Heißgas-Temperaturzeitkurven als die OZoneBerechnung (s. Bild 7), da die Kabel nach der Entzündung nur kurzzeitig im Installationshohlraum weiterbrannten. Bei einem Brand unter der Decke wird die ETK angesetzt (s. Bild 7). Sie entspricht der normativen Forderung. Trotz der hohen Temperaturen der ETK, die auf den filigranen Deckenquerschnitt einwirken, kann die Tragfähigkeit bei 90-minütigem Brand eingehalten werden, weil die Betonplatte an der Querschnittsunterseite thermisch isolierend wirkt. Die gewählte Querschnittsform des Deckensystems ist somit insbesondere aus brandschutztechnischer Sicht vorteilhaft. In dreidimensionalen numerischen Modellen wurde der Verbundquerschnitt mit den in Bild 7 dargestellten Brandraumtemperatur-Zeit-Verläufen der unterschiedlichen Brandszenarien (Brand unter der Decke bzw. Brand im Deckenhohlraum) beaufschlagt. In diesen thermischen Analysen wurde die Temperaturverteilung im Deckenquerschnitt für das jeweilige Brandszenario ermittelt. Jeder Faser des Querschnitts kann dadurch zu jedem Brandzeitpunkt eine spezifische Temperatur und eine zugehörige

Bild 6. Maximale Brandlast bei einer Zellenbüronutzung auf dem Deckensystem Fig. 6. Maximum fire load in the slab system with a cellular office usage on top

Bild 7. Brandraumtemperatur-Zeit-Verläufe für unterschiedliche Brandszenarien Fig. 7. Fire compartment temperature-curve for different fire scenario

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Festigkeit zugeordnet werden. Hiermit ist nun eine Bestimmung der Biegetragfähigkeit unter Brandeinwirkung möglich (vgl. [10]). Dazu wird eine iterative Ermittlung der Dehnungsebene unter Berücksichtigung der mechanischen und der thermischen Dehnung und eine Spannungsintegration über den Querschnitt durchgeführt. Dieses Vorgehen wurde in einem Programm aufbereitet, mit dem die maximale Biegetragfähigkeit des Querschnittes sowie Momenten-Krümmungsbeziehungen (inklusiv thermischer Dehnung) für verschiedene Brandzeitpunkte berechnet werden können (s. Bild 8). Es wurde bei den Berechnungen von einem starren Verbund zwischen Beton und Stahl ausgegangen. Eine mögliche Nachgiebigkeit der Verbundfuge bleibt bei diesem Vorgehen somit unberücksichtigt. Bild 8 verdeutlicht, dass bei einem Brand unter der Decke (90 min) die Krümmung aus Vorspannung durch den Temperaturgradienten aufgezehrt wird und die maximale Momententragfähigkeit des Querschnittes gegenüber der Tragfähigkeit bei Raumtemperatur um ca. 25  % absinkt. Dies ist insbesondere der Erwärmung der Bewehrung und der Spannlitzen zuzuschreiben. Beim Brand im Deckenzwischenraum entsteht eine zusätzliche negative Krümmung infolge des Temperaturgradienten. Die Momententragfähigkeit wird beim vorliegenden Brandszenario ebenfalls reduziert, was insbesondere mit der Erwärmung des Stahlsteges zu begründen ist. Zur Untersuchung des Einflusses einer nachgiebigen Verbundfuge wurden die Momenten-Krümmungsbeziehungen mit einem dreidimensionalen Finite-Elemente-Modell überprüft, in dem die Verbundmittel mit Federelementen diskretisiert wurden [11]. Die Simulationsergebnisse bestätigen die in Bild 8 dargestellten Zusammenhänge. Die Einhaltung des Isolationskriteriums (I) und die Verhinderung der Brand- und Rauchweiterleitung (E) im Deckensystem werden für die Brandszenarien „Brand unterhalb der Decke“ und „Brand im Deckenhohlraum“ durch Orientierung an den Vorgaben gemäß [12], [13] und [14] umgesetzt. Neben der Ausbildung der Fugen wird darin insbesondere die erforderliche Plattendicke des Betonuntergurtes von 10 cm bei 90 min ETK-Brand an der Deckenunterseite geregelt. In numerischen Untersuchungen am De-

Bild 8. Momenten-Krümmungs-Beziehung beim Brandbeginn und den Zeitpunkten der geringsten positiven Momententragfähigkeit Fig. 8. Moment-curvature-relationship at begin of the fire and at time of lowest positive moment capacity

ckensystem wurde dieser Wert der Plattendicke zur Einhaltung des Isolationskriteriums bestätigt. Aktuell werden Versuchskörper für eine Prüfung im Brandfall hergestellt, an denen nach ausreichender Trocknung die Brandversuche durchgeführt werden.

5 Bauphysik Die Bewertung und Optimierung der thermischen Eigenschaften von Deckensystemen (insbesondere Sommer/ Kühlfall) erfolgt im Spannungsfeld zwischen angestrebtem Komfort, den Wärmequellen (Kühllast) und dem technischen Aufwand bzw. den damit verbundenen Kosten. Aus dem Bereich der Gebäudetechnik kann die Verwendung wasserführender Rohrleitungen im Deckensystem (Thermische Bauteilaktivierung) mit ähnlichen Methoden und Zielsetzungen wie die passive Temperierung (Bauphysik) untersucht werden. In diesem Kapitel des vorliegenden Artikels werden daher bauphysikalische Fragestellungen gemeinsam mit Untersuchungen zur thermischen Bauteilaktivierung aus dem Forschungsgebiet Gebäudetechnik vorgestellt. Auf die Integration der Lüftungstechnik und Leitungen in das Deckensystem und alle weiteren Forschungsergebnisse aus dem Bereich der Gebäudetechnik wird in diesem Beitrag nicht eingegangen. Zur Optimierung des thermischen Komforts werden bei der Entwicklung des Deckensystems zwei technische Prinzipien verfolgt, die integrale Lösungen darstellen: Eine Variante ist die passive Kühlung, bei der die natürlichen Schwankungen der Außentemperatur zwischen Tag und Nacht genutzt werden, um die sommerlichen Raumtemperaturen innerhalb des angestrebten Bereichs zu halten. Dazu ist die Nutzung und Optimierung der wirksamen Wärmekapazität erforderlich. Eine zweite Variante stellt die Bauteilaktivierung dar, bei der in das Deckensystem Rohrleitungen integriert werden, um so über einen Wasserkreislauf gezielt Wärme abführen zu können.

5.1 Passive Kühlung Zunächst wird die passive Kühlung betrachtet: In der Vergangenheit wurden die tragenden Deckenplatten häufig mit abgehängten Decken versehen, um Installationen unterzubringen oder akustische Funktionen zu realisieren. Dadurch wurde die Decke, die in modernen Bürogebäuden meist die einzig relevante Wärmekapazität darstellt, vom Raumklima abgetrennt. Das integrierte Deckensystem soll dagegen eine Nutzung der Speichermassen ermöglichen. Dies wird durch den Betongurt an der Unterseite realisiert – sämtliche Installationen können so im Installationsraum oberhalb des Betongurtes untergebracht werden. Dadurch werden Abhangdecken entweder vollständig vermieden oder flächenmäßig reduziert. Die Ermittlung der wirksamen Wärmekapazität kann für eindimensionale Aufbauten z. B. nach DIN  EN  ISO 13786 ermittelt werden. Beim entwickelten Deckenquerschnitt handelt es sich jedoch um einen stark inhomogenen Aufbau, der ein zwei- bzw. dreidimensionales Objekt darstellt. Um hier die wirksame Wärmekapazität zu bestimmen, wird der Deckenaufbau in einem Finite-ElementeProgramm mit instationären Temperaturrandbedingungen beaufschlagt. Aus der Reaktion des Objektes (Wärmestrom

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Bild 9. Bestimmung der wirksamen Wärmekapazität mittels sinusförmiger Temperaturrandbedingung, Temperaturverteilung im Bauteil für ausgewählte Zeitpunkte Fig. 9. Determination of the effective thermal capacity by sinusoidal temperature boundary condition, temperature distribution in the component for selected time points

bzw. Oberflächentemperatur) kann ein eindimensionaler Ersatzaufbau bestimmt werden, der im Mittel zu gleichen Wärmeströmen und Temperaturen an der Oberfläche führt [15]. Dieses Vorgehen ist dann zielführend, wenn man ein harmonisches Verhalten von Temperatur und Wärmeströmen voraussetzt. Führt man eine Fourier-Analyse von Temperaturverläufen in Gebäuden durch, stellt man fest, dass die bei weitem dominierende Periode vom Tagesrhythmus gebildet wird. Größere und kleinere Periodendauern kommen vor, sind aber hinsichtlich ihres spektralen Anteils sehr klein, so dass die Beschränkung auf die 24-h-Periode nur zu geringen Fehlern führt und somit der harmonische Ansatz gerechtfertigt werden kann. Für den aktuellen Stand des Entwurfes wurden die zuvor erläuterten Simulationen durchgeführt. Bild 9 zeigt Schnappschüsse für die Temperaturverteilung im Bauteil aus der instationären Berechnung. Es ist zu erkennen, wie im Bereich des Stahlträgers die Temperaturschwankungen im Bauteil reduziert werden, die wirksame Wärmekapazität nimmt also zu.

Bild 10. Temperaturverteilung im Bauteil bei thermischer Aktivierung, Rohrleitung mittig im Betonuntergurt Fig. 10. Temperature distribution in the system for thermal activation, pipes in the center of the concrete slab

Bild 11. Temperaturverteilung im Bauteil bei thermischer Aktivierung, Rohrleitung auf Betonuntergurt, mit Vergussmörtel thermisch und mechanisch fixiert Fig. 11. Temperature distribution in the system for thermal activation, pipes on top of concrete slab, thermally and mechanically fixed with grout

5.2 Thermische Bauteilaktivierung Für die thermische Bauteilaktivierung wurden zwei Optionen untersucht: zum einen die Platzierung der Rohrleitung in der Betonplatte. Diese Variante bewirkt einen guten Wärmeübergang vom Rohr zum Beton und schließlich zum Raum; nachteilig ist, dass aufgrund der Spannlitzen nur ein eingeschränkter Bereich des Untergurtes mit der thermischen Aktivierung beaufschlagt werden kann. Bei der zweiten Variante werden die Rohrleitungen auf der Betonplatte verlegt und mit Vergussmörtel fixiert und dadurch auch thermisch mit der übrigen Konstruktion verbunden. So kann die gesamte Deckenfläche genutzt werden, jedoch ist der thermische Widerstand zum Raum hin vergrößert. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Lösung ist, dass die Rohrleitungen vergleichsweise einfach repariert oder auch ausgetauscht werden können. Die thermische Leistungsfähigkeit der beiden Vergleichsvarianten wird durch numerische Simulationen ermittelt. Bild 10 zeigt die Temperaturverteilung bei Rohrverlegung mittig im Untergurt. Mit den Randbedingungen Raumtemperatur 26 °C, mittlere Wassertemperatur 18 °C

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kann hier eine Leistung von 40 W/m² übertragen werden. Bei der Verlegung auf der Platte (Bild 11) steigt die Leistung auf 46 W/m² an. Diese Ergebnisse entsprechen üblichen Werten für konventionelle thermisch aktivierte Decken. In der ersten Variante wird die Leistungsminderung aufgrund der teilweisen Belegung der Fläche durch den geringeren Abstand zur Deckenunterseite sowie die Querleitung innerhalb der Platte weitgehend kompensiert, so dass auch hier ein für viele Anwendungen geeignetes Kühlpotential zur Verfügung steht. Sowohl für die passive Kühlung als auch für die Bauteilaktivierung gilt, dass der Einfluss auf die Raumakustik zu bewerten ist. Hier werden Berechnungen nach den gültigen Normen durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass bei kleineren bis mittlere Raumgrößen zufriedenstellende raumakustische Bedingungen erzielt werden können. Bei größeren Räumen und/oder besonders hohen raumakustischen Anforderungen sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, beispielsweise indem Teilbereiche der Decke mit akustisch wirksamen Elementen ausgestattet werden oder durch den Einsatz von permeablen Abhangdecken.

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6 Zusammenfassung Adaptive Tragstrukturen, die unterschiedliche Nutzungszyklen (Wohn-, Büro- sowie Mischnutzung) in zeitlich beliebiger Reihenfolge ermöglichen, sind wesentlicher Bestandteil der Umsetzung von Multifunktionalität im Bauwesen und eine Grundvoraussetzung zur nachhaltigen Gebäudenutzung. Einen wesentlichen Beitrag dazu liefern integrierte Deckensysteme, die den Anforderungen an Tragfähigkeit, Brandschutz, Bauphysik und Gebäudetechnik gleichermaßen gerecht werden. Daher wird in interdisziplinärer Zusammenarbeit ein innovatives Deckensystem als multifunktionale und integrierte Verbunddeckenlösung entwickelt. In diesem Artikel werden Aufbau und Eigenschaften des integrierten Deckensystems vorgestellt sowie Forschungsergebnisse aus den unterschiedlichen wissenschaftlichen Fachbereichen angesprochen. Das IGF-Vorhaben der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. – FOSTA wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Danksagung Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Förderung beim BMWi sowie für die organisatorische Unterstützung bei der FOSTA. Weiterer Dank gilt der Bremer AG (Paderborn) sowie der Bauunternehmung Florack GmbH (Heinsberg) für die Herstellung von Versuchskörpern, der Peiner Träger GmbH (Peine) und der ArcelorMittal AG (Luxemburg) für die Herstellung und Anarbeitung von Stahlprofilen, GOLDBECK (Bielefeld) für die Unterstützung bei der Erstellung von Stahlkonstruktionen und der Hagen Ingenieurgesellschaft für Brandschutz mbH für die Unterstützung bei Feldmodellsimulationen. Literatur [1] Hegger, J. et al.: Integrierte und nachhaltigkeitsorientierte Deckensysteme im Stahl-und Verbundbau. Stahlbau 80 (2011), H. 10, S. 728–733. [2] Feldmann, M., Hechler, O., Hegger, J., Rauscher, S.: Neue Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten von Verbundträgern aus hochfesten Werkstoffen mit Kopfbolzendübeln und Puzzleleiste. Stahlbau 76 (2007), H. 11, S. 826–844. [3] Heinemeyer, S., Gallwoszus, J., Hegger, J.: Verbundträger mit Puzzleleisten und hochfesten Werkstoffen. Stahlbau 81 (2012), H. 8, S. 595–603. [4] Hegger, J., Dreßen, T., Schießl, P. et al.: Beton – Nachhaltiges Bauen im Lebenszyklus. Bauingenieur 84 (2009), Juli/August, S. 304–312. [5] Hegger, J., Claßen, M., Gallwoszus, J., Dreßen, T.: Integrated and sustainable floor-slab-systems in composite construction. Concrete Structures for Sustainable Community – fib-Symposium 2012, June 11–14, Stockholm/Sweden. [6] Bode, H., Stengel, J.: Stahlverbundträger mit großen Stegausschnitten. BAUEN MIT STAHL – Technische Dokumentation

604 – Institut für Stahlbau der Universität Kaiserslautern, 2007. [7] Weil, T.: Zum Tragverhalten von durchlaufenden Verbundträgern mit großen Stegöffnungen. Dissertation, Kaiserslautern 2007. [8] Cadorin, J. F., Pintea, D., Franssen, J. M.: The Design Fire Tool Ozone V2.0 – Theoretical Description and Validation On Experimental Fire Tests. University of Liege, Belgium, 2001. [9] McGrattan: Fire Dynamics Simulator (FDS) (Version 5) – Technical Reference Guide – NIST Special Publication 1018 – National Institut of Standards and Technology. Stand 2010. [10] Schaumann, P.: Zur Berechnung stählerner Bauteile und Rahmentragwerke unter Brandbeanspruchung. Bochum, RuhrUniversität Bochum, Dissertation, 1984. [11] Mensinger, M., Schaumann, P., Stadler, M., Sothmann, J.: Nutzung der Membranwirkung von Verbundträger-DeckenSystemen im Brandfall. IGF-Vorhaben 16142N/Deutscher Ausschuß für Stahlbau e.V. (DASt). 2011. – Forschungsbericht. [12] EN 1992-1-2: Eurocode 2: Bemessung und Kostruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 1-2: Allgemeine Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall, Oktober 2006. [13] DIN 4102: Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen; Teil 2: Begriffe, Anforderungen und Prüfungen von Bauteilen. Ausgabe September 1977. Teil 4: Zusammenstellung und Anwendung klassifizierter Baustoffe, Bauteile und Sonderbauteile. Ausgabe März 1994. Teil 22: Anwendungsnorm zur DIN 4102-4. Ausgabe November 2004. [14] Bauministerkonferenz (Hrsg.): Muster-Richtlinie über brandschutztechnische Anforderungen an Systemböden – MusterSystembödenrichtlinie (MSysBöR), Fassung September 2005. [15] Döring, B.: Einfluss von Deckensystemen auf Raumtemperatur und Energieeffizienz im Stahlgeschossbau. Dissertation an der RWTH Aachen, Shaker-Verlag, Aachen, 2008.

Autoren dieses Beitrages: Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger, Dipl.-Ing. Martin Claßen, RWTH Aachen, Institut für Massivbau, Mies-van-der-Rohe-Straße 1, 52074 Aachen, imb@imb.rwth-aachen.de Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann, Dipl.-Ing. Jörg Sothmann, Leibniz Universität Hannover, Institut für Stahlbau, Appelstraße 9, 30167 Hannover, stahlbau@stahl.uni-hannover.de Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann, Dr.-Ing. Bernd Döring, RWTH Aachen, Institut für Stahlbau und Lehrstuhl für Stahlbau und Leichtmetallbau, Mies-van-der-Rohe-Straße 1, 52074 Aachen, stb@stb.rwth-aachen.de

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Fachthemen Tino Baudach Katharina Kokot Volker Lingnau Klaus J. Zink

DOI: 10.1002/stab.201201641

Einfluss von Nutzeranforderungen auf die ökonomische Bewertung von Stahl als Konstruktionswerkstoff für nachhaltige Bürogebäude Integrale Planung mit Lebenszyklusperspektive für Büroneubauten ist eine Voraussetzung auf der Prozessebene, um Nachhaltigkeit im Gebäudesektor umzusetzen. Dabei werden Nutzungsänderungen, die im Zuge des Gebäudelebenszyklus auftreten können, bereits im Entwurf berücksichtigt. Auf diese Weise soll eine Grundlage für den Erhalt und die Weiterentwicklung von ökologischen, ökonomischen und sozialen Ressourcen geschaffen werden. In diesem Planungsprozess ist nicht nur die Bilanz für jede einzelne Dimension zu optimieren, sondern auch die Gesamtbilanz, in der die Wechselwirkungen der Dimensionen berücksichtigt werden. Der nachfolgende Beitrag veranschaulicht am Beispiel von Bürogebäuden, wie die soziale Dimension die ökonomische Dimension beeinflussen kann, und gibt damit einen Einblick in die Forschungsarbeit des Projekts „Nachhaltige Büround Verwaltungsgebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise“ (P 881). Über den soziotechnischen Systemansatz werden Bürogebäude als technisches Teilsystem identifiziert, das signifikante Auswirkungen auf das soziale Teilsystem – die Nutzer hat. Als Ergebnis der Analyse von Zukunftsstudien wird gezeigt, dass gegenwärtige und zukünftige Nutzeranforderungen Flexibilität als relevante Eigenschaft von Bürogebäuden der Zukunft begründen. Schließlich wird eine Methode aufgezeigt, mit der Aussagen über die ökonomische Vorteilhaftigkeit von flexiblen Gebäudestrukturen mit Stahl getroffen werden können. Impact of requirements of users on the economic valuation of steel as construction material for sustainable office buildings. The concept of integral design with life cycle perspective is one precondition to implement sustainability in the building sector. Applying this method means to already include possible changes of use during the life cycle in design processes. This approach helps to safeguard, sustain and develop environmental, economic and social resources. In design processes of this kind, not only every single dimension has to be optimized but also the interdependency between all three dimensions as a whole. With reference to office buildings, the following article shows how the social dimension can influence the economic one and provides with it an insight into the research project “Sustainable office and administration buildings in steel and steel-composite construction” (P 881). Using the sociotechnical system approach, it becomes obvious that office buildings are technical subsystems which affect the social subsystem (user) – and vice versa – significantly. Studies about future work and buildings point out that flexibility is a key quality of office buildings to meet requirements of present and future users. Finally, this article presents a method which enables investors to document the profitability of flexible building structures made of steel constructions.

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Einleitung

Geht man von dem gegenwärtigen globalen, dreidimensionalen Nachhaltigkeitsleitbild aus, so sind im Allgemeinen soziale, ökonomische und ökologische Kapitalstöcke zu schützen und nachhaltig zu entwickeln. Dabei sollen unterschiedliche Anspruchsgruppen in die nachhaltige Entwicklung einbezogen werden, um sowohl

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innerhalb der gegenwärtigen als auch für zukünftige Generationen eine gerechte Verteilung von Ressourcen zu erreichen [1]. Zur Umsetzung von Nachhaltigkeitszielen im Bausektor wurde in Deutschland das DGNB-Zertifikat entwickelt. Zudem gibt es internationale Gebäudezertifikate, die auch in diese Richtung stoßen und länger etabliert sind, aber nicht durchgängig alle drei Dimensionen berücksichtigen.

Meist dominiert die ökologische Dimension, weshalb diese Zertifikate auch als Green-Labels bezeichnet werden. Aber auch bei ihnen ist eine Öffnung zur ganzheitlichen Betrachtung beobachtbar [2]. Trotz dieser Entwicklungen werden die Dimensionen überwiegend gemäß dem klassischen Drei-Säulen-Modell bei der Umsetzung separat betrachtet, sodass Interdependenzen zwischen ihnen oft unbeachtet bleiben. Die Integrale Gebäudeplanung ist ein Ansatz auf der Prozessebene, um nicht nur jede Dimension einzeln zu optimieren, sondern auch in Bezug auf die Wechselwirkungen ein optimiertes Gebäude zu entwerfen. Dieser Beitrag setzt an diesem Punkt an und veranschaulicht am Beispiel von Bürogebäuden, wie die soziale Dimension die ökonomische Dimension beeinflussen kann. Den Ausgangspunkt dieser Überlegungen bildet dabei der wirtschaftswissenschaftliche Immobilienbegriff, der eine Untersuchung des Bürogebäudes aus einer produktionstheoretischen und einer investitionstheoretischen Perspektive erlaubt. Auf dem produktionstheoretischen Begriffsverständnis aufbauend wird ein Zugang für eine soziotechnische Systembetrachtung von Bürogebäuden geschaffen, aus der sich wesentliche Anforderungen von Büronutzern ableiten lassen. Aus diesen Anforderungen werden konstruktive Implikationen für Bürogebäude erarbeitet. Da Flexibilität in diesem Zusammenhang eine der zentralen Forderungen ist, wird im Anschluss eine Methode aufgezeigt, die es erlaubt, flexible Bürogebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise gemäß dem investitionstheoretischen Begriffsverständnis von Bürogebäude auf ihre

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T. Baudach/K. Kokot/V. Lingnau/K. J. Zink · Einfluss von Nutzeranforderungen auf die ökonomische Bewertung von Stahl

ökonomische Vorteilhaftigkeit zu prüfen.

2 Der wirtschaftswissenschaftliche Immobilienbegriff In den Wirtschaftswissenschaften werden Bürogebäude entweder als investitions- oder als produktionstheoretisches Objekt aufgefasst. Bei der investitionstheoretischen Auffassung legt ein Investor Kapital in ein Bürogebäude an, indem er es erwirbt oder baut. Der Investor wird damit Eigentümer eines Bürogebäudes, das für ihn zunächst nur eine Nutzungsmöglichkeit, aber noch keinen Nutzen stiftet. Nutzen stiftet es im investitionstheoretischen Sinn erst dann, wenn der Investor als Vermieter auftritt und Miete für die Nutzungsüberlassung erhält [3]. In der produktionstheoretischen Auffassung von Bürogebäuden stehen vor allem räumliche Voraussetzungen als Produktionsfaktor im Vordergrund. Wie Produktionsflächen im industriellen Sektor nehmen Büroflächen erheblichen Einfluss auf die Herstellung von Dienstleistungen und geistigen Produkten, wie etwa Wissen oder Innovationen. Analog zu ihrem industriellen Pendant müssen Büroflächen ebenfalls für die ihnen zugedachten Produktionsprozesse geeignet sein, damit diese effektiv und effizient ablaufen. Bürogebäude bilden in diesem Sinn die räumliche Dimension des Leistungserstellungsprozesses [4]. Die Bewertung, ob Büroflächen für den Leistungserstellungsprozess geeignet sind, unterliegt einer betriebswirtschaftlichen Rationalität, auf deren Basis Unternehmen über die Anmietung von konkreten Büroflächen entscheiden. Auch aus produktionstheoretischer Sicht stiften Büroflächen als Produktionsflächen zunächst nur eine Nutzungsmöglichkeit [5]. Erst wenn das hergestellte Gut auf dem Markt in Geldeinheiten umgewandelt werden konnte, ist ein ökonomischer Nutzen der Büroflächen realisiert worden. Sowohl bei der investitionstheoretischen als auch bei der produktionstheoretischen Begriffsverwendung ergibt sich der wirtschaftliche Charakter von Bürogebäuden aus der Nutzung, nicht aus der physischen Produktion bzw. dem Vorhandensein [4]. Das Fazit dieser Begriffsanalyse zeigt zwei Erkenntnisse:

1. Unternehmen fragen nur für ihre Zwecke geeignete Büroflächen nach (produktionstheoretisches Verständnis) 2. Investoren bieten diese Fläche nur an, wenn sie damit ihre Rentabilitätsziele erreichen können (investitionstheoretisches Verständnis)

3 Einbezug des Nutzers in die Systembetrachtung Folgt man der produktionstheoretischen Sicht weiter, so können Dienstleistungen und geistige Produkte nur dann entstehen, wenn Betriebsmittel, u. a. in Form von Büroflächen, mit menschlichen Arbeitsleistungen im Rahmen des Faktorkombinationsprozesses verbunden werden [3]. Demnach sind Mitarbeiter und die Organisation als Nutzer von Büroflächen in die Systembetrachtung einzubeziehen. In Anlehnung an den soziotechnischen Systemansatz können technische Systeme nicht ohne Einbezug der Eigenschaften des dazugehörenden sozialen Systems und umgekehrt nicht ohne Berücksichtigung möglicher Auswirkungen der technischen Systeme auf das soziale System gestaltet werden [6]. In diesem Systemverständnis muss die Leistung des Gesamtsystems als Funktion des Zusammenwirkens des technischen Teilsystems und des sozialen Teilsystems verstanden werden [6]. Überträgt man diese Erkenntnisse auf Bürogebäude und definiert sie als technisches System und die Gruppe der Mitarbeiter sowie das Unternehmen als soziales System, ist es möglich, Eigenschaften des einen Teilsystems zu identifizieren, die auf das andere Teilsystem einwirken. So umfasst das technische System die Technologie, die zur Erledigung von Arbeitsaufgaben erforderlich ist. Lichtund Temperaturverhältnisse, Geräuschpegel sowie Transport- und Verkehrswege sind in diesem Zusammenhang typische Merkmale des Gebäudes als technisches System. Das soziale Teilsystem bildet einerseits die persönlichen Beziehungen zwischen Mitarbeitern der Organisation sowie Rollen und Strukturen zur Erledigung von Aufgaben (Organisationsebene) und andererseits die individuelle Empfindung von Mitarbeitern in Bezug auf Licht, Wärme, Lärm etc. (Individualebene) ab [6].

Daraus wird deutlich, dass Mitarbeiter und Organisation als Ganzes über die Arbeitsaufgabe mit dem Gebäude als technischem System in Wechselwirkung stehen. So stellen sich Kommunikations-, Konzentrations- und Regenerationsmöglichkeiten für Mitarbeiter zunächst als Ergebnis dieser Wechselwirkung ein. Der organisationsspezifische Bedarf an einem bestimmten Maß an Kommunikations-, Konzentrations- und Regenerationsangeboten führt dann zu einer arbeitsorganisatorisch optimalen Kombination von Raumkonzepten, die von Zellenbüros bis zum Business Club reichen.

4 Ermittlung von heutigen und zukünftigen Nutzungsanforderungen an Bürogebäude Um das richtige Maß an Kommunikation, Konzentration und Regeneration auf Individual- und Organisationsebene zu erreichen, ist die Kenntnis von Anforderungen der Nutzer (Mitarbeiter und Organisationen) für den Gebäudeentwurf relevant. Dieses Maß ändert sich jedoch im Laufe der Zeit – sei es durch Nutzerwechsel, Reorganisation von Ablaufprozessen oder durch gesellschaftliche Veränderungen. Aus dem Nachhaltigkeitsverständnis muss ein Bürogebäude daran anpassbar sein, um die Nutzungsdauer weitgehend zu maximieren. Mit Planungskonzepten wie der Lebenszyklusplanung oder integralen Planung wurden Instrumente zur Umsetzung dieser komplexen Anforderungen entwickelt. Voraussetzung dafür ist der Zugang zu Informationen von gegenwärtigen und zukünftigen Anforderungen an das zu errichtende Bürogebäude. Allgemein ist die Ermittlung von zukünftigen Anforderungen mit Schwierigkeiten verbunden, weil Zukunft allgemein nur eingeschränkt prognostizierbar ist. Dagegen ist Zukunft als Konsequenz von gegenwärtigem Handeln auch gestaltbar. Für Bürogebäude eignen sich Zukunftsstudien aus unterschiedlichen Themenfeldern. So sind auf Basis der obigen Herleitung von Bürogebäuden als Arbeitsstätten von Menschen und Unternehmen bspw. Studien über Veränderungen von Menschen und Büroarbeit als Datenquelle geeignet. Ebenso kann auf Studien zu zukünftigen Bürogebäuden oder allgemeinen Entwicklungen im Bau und in

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der Bauwirtschaft Bezug genommen werden.

4.1 Wandel der Büroarbeit Die grundsätzlichen Veränderungen, die allgemein für Büroarbeit erwartet werden und sich teilweise schon abzeichnen, werden durch das Bild 1 veranschaulicht. Die Grafik zeigt zunächst, dass traditionelle Büroarbeit durch Zentralität, starre Zeitstrukturen und stationäre Tätigkeit gekennzeichnet ist. Dies hat ihre Ursache in dem Ursprung von Büroarbeit, die sich einst im industriellen Sektor als eigenständige Tätigkeitsform herausgebildet hat. Hierarchisch geprägte Abteilungs- und Arbeitsstrukturen, Zeit- und Präsenzorientierung sowie die klare Trennung zwischen Arbeit und Privatheit kennzeichnen industrielle Arbeitsweisen, die auf die Verwaltungsbereiche der Betriebe übertragen worden sind. Bild 1 zeigt weiter, dass sich Eigenschaften von zukünftiger Büroarbeit verändern werden. Sie wird grundsätzlich unabhängiger von Ort, Struktur und Zeitpunkt der Arbeitsleistung werden. Flache hierarchische Strukturen, auf Projektarbeit ausgerichtete interdisziplinäre Teams, die teilweise nur temporär Bestand haben, eine höhere Selbst- und Ergebnisverantwortung von Mitarbeitern anstelle von Kontrolle und Leistungsbewertung nach Anwesenheit sowie eine fließende Grenze zwischen Arbeit und Privatheit prägen die veränderte Arbeitsweise in Büros. Die Büroarbeit ist nicht mehr nur Verwaltungstätigkeit, sondern pro-

duktive Verarbeitung von Informationen und Wissen zu wettbewerbsfähigen Leistungen. Diese spezifische Entwicklung wird von Veränderungsprozessen in Wirtschaft, Gesellschaft und Technik beeinflusst. Die gegenwärtige industrielle Gesellschaft befindet sich im Übergang zur Wissensgesellschaft mit einer Zunahme von wissensökonomischen Berufen und Aufgabenfeldern [8]. Begleitet wird diese Veränderung von einer Dienstleistungsorientierung der Wirtschaft [9]. Anwendung und Verarbeitung von Informationen wie Wissen dominieren die Arbeitswelt industrialisierter Länder. Technischer Fortschritt im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie verstärkt den Mobilisierungs- und Flexibilisierungsprozess von Büroarbeit. Mitarbeiter müssen fallweise nicht zwingend am Standort des Unternehmens anwesend sein, um auf Informationen zugreifen und diese weiterverarbeiten zu können. Dennoch wird aus Studien deutlich, dass keine technologische Entwicklung die direkte zwischenmenschliche Kommunikation ersetzen wird. Man geht in diesem Zusammenhang davon aus, dass das Büro seine Bedeutung als zentraler Ort der persönlichen Begegnung, des informellen Informationsaustausches sowie des kreativen und innovativen Zusammenarbeitens behalten wird ([7], [10]). Zukunftsprognosen sagen zudem voraus, dass Büroarbeit auch gesellschaftlichen Veränderungen, wie Fachkräftemangel oder im Durchschnitt ältere Arbeitnehmer als Konsequenz

Bild 1. Koordinatenverschiebung bei der Büroarbeit der Zukunft [7] Fig. 1. Coordinate displacement for future office work [7]

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des demografischen Wandels, Rechnung tragen muss. Gleichzeitig gewinnt an Bedeutung, dass private Anforderungen aus Partnerschaft und Familie in den beruflichen Alltag integrierbar sein müssen, da Männer und Frauen gleichermaßen berufstätig sind [8]. Mobilität und Flexibilität sind wiederum Anforderungen, die von Mitarbeitern zu erfüllen sind. Das Arbeitssystem der Bürowelt ändert sich demnach für Mitarbeiter wie Organisationen und mit ihm die Anforderungen an die Raumstrukturen.

4.2 Büros und Bürogebäude – Physische Strukturen der Büroarbeit Richtet man den Blick auf zukünftig erwartete physische Strukturen der Arbeit in Büros und Bürogebäuden, spielen im Querschnitt der Literatur, neben Kommunikation und Konzentration und Regeneration nach intensiven Arbeitsphasen, auch Flächeneffizienz, niedrige Bewirtschaftungskosten sowie Imagebildung eine Rolle. Aus dem Abschnitt zuvor wurde deutlich, dass zukünftige Büroarbeit durchaus im Wechsel zwischen stationärer (Arbeiten im Unternehmen) und mobiler Form (Arbeiten von unterwegs, von zu Hause, beim Kunden) geleistet werden kann. Fokussiert man auf die stationäre Organisationsform von Büroarbeit, stehen für zukünftige Büroraum- und Gebäudeplanungen zahlreiche Raumkonzepte zur Verfügung – von klassischen Konzepten wie dem Zellen-, Gruppen- oder Großraumbüro bis zu den modernen Konzepten wie dem Kombibüro oder dem Business Club. Seit einigen Jahren werden diese typischen Territorialkonzepte mit Sharing-Konzepten verbunden, bei denen Mitarbeiter in Kombination mit Teilzeitarbeit oder Home Office einen Schreibtisch gemeinsam nutzen. Die Weiterentwicklung des Sharing-Ansatzes führte schließlich zu einer Ausdehnung des Konzeptes über die gesamte Büroinfrastruktur – zum so genannten non-territorialen Büro, bei dem keinem Mitarbeiter ein fester Schreibtisch oder Büroraum zugewiesen ist [11]. Die Auswahl des persönlichen Arbeitsplatzes findet täglich neu nach Verfügbarkeit statt. Ohne an dieser Stelle die einzelnen Konzepte gegeneinander abzuwiegen, wird aus empirischen Studien deutlich, dass die Nutzerakzeptanz für jeweilige Raum-

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und Organisationskonzepte sowohl individuell als auch kollektiv unterschiedlich ist ([12] bis [18]). Gleichzeitig ergibt sich nach dem soziotechnischen Systemansatz, welcher ein Optimum zwischen sozialem und technischem Teilsystem anstrebt, dass es keine universelle Raumlösung gibt. Es ist deshalb anzunehmen, dass Raumkonzepte für Büros der Zukunft aus einer für die jeweilige Organisation geeigneten Kombination der genannten Territorial- und Non-Territorialkonzepten zusammengesetzt sein werden.

5 Konstruktive Implikationen – Chancen für den Stahl? Welche Kombinationen von Raumkonzepten im Zuge des Gebäudelebenszyklus tatsächlich realisierbar sind, wird von der vorhandenen Primärstruktur des Bürogebäudes determiniert. Bürogebäude gelten in diesem Kontext als zukunftsfähig und nachhaltig, wenn Änderungen des Raumkonzepts, bspw. bei Nutzerwechsel oder einer Reorganisation von Arbeitsabläufen des aktuellen Nutzers, ohne bauliche Veränderungen an der Primärstruktur möglich sind [10]. Diese hohe Reversibilität von Raumkonzepten definiert klare Anforderungen an die Gebäudestruktur: – Umsetzung hoher horizontaler Flexibilität durch Stützenkonzepte mit großen Spannweiten – Umsetzung vertikaler Flexibilität durch öffnungsbare Decken – Einsatz demontierbarer Ausbauelemente – Übernahme der Raum- und Funktionsgliederung von mobiler Büroeinrichtung – günstige Wahl der Lage von Erschließungskernen für eine spätere Umnutzung – Auslegung von Brand- und Sicherheitskonzepten auf unterschiedliche Nutzungsszenarien – Begrenzung von Gebäudetiefen auf 12 bis 15 m – separate Erschließung von Funktionsbereichen, damit Störungen durch andere Mitarbeiter und Besucher vermieden werden – statisches Vorhalten von Optionen für Balkone (für eine spätere Umnutzung) – Wahl der Raumgliederungen unabhängig von der Fassadengestaltung und umgekehrt

– Umsetzung einer Anpassungsfähigkeit von Haustechnik und Medienversorgung an Nutzungsänderungen oder technische Entwicklungen mit minimalem Aufwand ([8], [10], [19]) In der Konsequenz werden gut durchdachte, funktionale und flexible Ausbaustandards [10] als Voraussetzung für eine langfristige Nutzung gefordert, die letztendlich das Ergebnis eines Planungsprozesses mit hoher Qualität sind, der verschiedene Nutzerszenarien aus dem Lebenszyklus eines Bürogebäudes integriert. Nur so sind frühzeitig die wichtigsten Weichenstellungen für das spätere Bauwerk in Bezug auf die Flexibilität möglich, und kostspielige Fehlplanungen im Vorfeld können vermieden werden. Denn nachträgliche Eingriffe in die Primärstruktur des Gebäudes sind meistens sehr kostenintensiv und oft nur noch in Verbindung mit einschränkenden Kompromissen möglich (s. Bild 2, [20]). Unter den genannten Anforderungen ist Flexibilität der Primärstruktur eine zentrale Forderung. Bei der Planung von flexiblen Bauten steht das Tragwerk im Mittelpunkt. In der heutigen Zeit und dem Fortschritt in der Materialforschung (z. B. hochfester Beton, hochfester Stahl, korrosionsbeständiger Baustahl) können immer schlankere Tragelemente immer mehr Lasten aufnehmen [20]. Stahl- und Stahlverbundkonstruktionen haben Eigenschaften, mit denen genannte Flexibilitätsbedarfe erfüllbar sind. So kann ihr Einsatz aufgrund großer realisierbarer Spannweiten zu einer hohen Flexibilität der Bürogebäude beitragen [21].

6 Implikation der Flexibilität auf die ökonomische Bewertung Mit der Überlegung, dass ein Bürogebäude einen maximalen Flexibilitätsgrad aufweist, wenn alle gegenwärtigen sowie zukünftig geforderten Raumkonzepte für Büroarbeit innerhalb des Gebäudes realisierbar sind, ohne dass die Primärstruktur des Gebäudes verändert werden muss, werden die prospektive und interne Flexibilität angesprochen. Die interne Flexibilität ist die „interne konstruktive Flexibilität, die Anpassungen innerhalb bestehender Strukturen einfach und schnell ermöglicht“ [20]. Dagegen beschreibt die prospektive Flexibilität „die Maßnahmen, die während des Planungsprozesses in das Projekt fließen, um eine zukünftige Flexibilität […] zu gewährleisten“ [20]. Zur Typologie der Flexibilität im Gebäudebau siehe auch Bild 3. Die prospektive Flexibilität findet Eingang in den lebenszyklusorientierten Entwurfsprozess, um zukünftige Nutzungsänderungen einplanen zu können. Sie ist Voraussetzung dafür, dass interne Flexibilität überhaupt erst ökonomisch vertretbar ist. Die prospektive Flexibilität ist mit zusätzlichen Kosten während der Bauwerksherstellung verbunden. Diese Mehrkosten fallen sowohl auf der Ebene der Primär- als auch der Sekundärstruktur an, z. B. aufgrund einer überdimensionierten Statik und Gebäudetechnik oder spezieller Anschlussdetails [20]. Die interne Flexibilität beeinflusst allgemein die Umbaukosten im Rahmen von Nutzungsänderungen während des Gebäudelebenszyklus. Wurde eine pro-

Bild 2. Qualitativer Zusammenhang zwischen Umbaukosten und Veränderungspotenzial im Gebäudelebenszyklus [20] Fig. 2. Qualitative relationship between modification costs and changing capability during building life cycle [20]

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bäudes während dessen gesamter Nutzungsdauer unmittelbar am Markt anzubieten, dann spricht man i. d. R. von einer Kapitalanlage ([4], [24]). Unter einer Kapitalanlage wird wiederum eine mittel- bis langfristige Bindung von monetären Mitteln zum Zweck der Renditeerzielung und Werterhaltung verstanden [4]. Um eine ökonomische Bewertung eines Bürogebäudes mit Hilfe von Methoden der Investitionsrechnung durchzuführen, sind einige grundlegende Anforderungen durch die Investitionsrechnung zu erfüllen [25]. Bild 3. Typologie der Flexibilität nach [20] Fig. 3. Typology of flexibility according to [20]

7.1 Anforderung an eine Investitionsrechnung für flexible Bürogebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise 7.1.1 Aussagen über die absolute und relative Vorteilhaftigkeit einer Investition

spektive Flexibilität berücksichtigt, fallen bei Umbauten aufgrund von Nutzungsänderungen nur Kosten auf der Ebene der Sekundär-, nicht jedoch der Primärstruktur an. Um die ökonomischen Vorteile flexibler Bürogebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise aufzuzeigen, müssen alle Auswirkungen der Gebäudeflexibilisierung auf die Determinanten der Wirtschaftlichkeit, wie z. B. wirtschaftliche Nutzungsdauer oder Mieterlöse, erfasst und in eine umfassende Lebenszyklusbetrachtung integriert werden. Flexible Bürogebäude unterscheiden sich qualitativ von unflexiblen Lösungen, weshalb eine reine Kostenbetrachtung nicht den Wert der Gebäudeflexibilisierung abbildet. Nur anpassungsfähige Bürogebäude sind für Nutzer und Investoren von langfristigem Wert. Wird die Werterhaltung über einen längeren Zeitraum als Indikator für Flexibilität gewählt, dann ist die Rentabilität ein angemessener Maßstab für die Beurteilung flexibler Gebäudestrukturen. Hierzu eignen sich insbesondere Methoden der Investitionsrechnung, die es erlauben, die Gesamtheit eines Investitionsvorhabens auf die wirtschaftlichen Auswirkungen zu reduzieren und hierdurch Aussagen über Vorteilhaftigkeit einer Investition zu treffen.

anwenden. Die leistungswirtschaftliche Sicht führt zu einem kombinationsorientierten Investitionsbegriff, bei dem Wechselwirkungen zwischen einem Investitionsobjekt und anderen Produktionsfaktoren im Vordergrund stehen [22]. Die Finanzwirtschaft und hier insbesondere die Investitionsrechnung zielen dagegen auf die durch eine Investition ausgelöste Veränderung des Zahlungsmittelbestands ab [23], sodass es sich hierbei um einen zahlungsorientierten Investitionsbegriff handelt [22]. Diese Betrachtungsweise liegt auch dem investitionstheoretischen Verständnis von Bürogebäuden zugrunde. Verfolgt ein Investor die Zielsetzung, Raumeinheiten eines Büroge-

7 Investitionsrechnung für flexible Bürogebäude

Bild 4. Bei der relativen Vorteilshaftigkeit wird als schematisches Beispiel Variante a) flexible Gebäudestruktur (ohne Mittelstützenreihe) mit Variante b) unflexiblere Gebäudestruktur (mit Mittelstützenreihe) verglichen. Dagegen wird die absolute Vorteilshaftigkeit für eine flexible Lösung ohne Bezug auf eine Alternativlösung ermittelt. Fig. 4. Determining relative profitability, schematic model a) flexible building structure (without column) compared with model b) less flexible building structure (with column). In constrast, absolute profitability of a flexible structure is determined without regarding an alternative.

Die in der Betriebswirtschaft anzutreffende Unterscheidung zwischen einem leistungswirtschaftlichen und einem finanzwirtschaftlichen Bereich lässt sich auch auf den Begriff Investition

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Ob sich Investitionen in flexible Bürogebäudestrukturen in Stahl- und Stahlverbundbauweise für einen Investor tatsächlich rechnen, muss im Einzelfall durch eine Investitionsrechnung entschieden werden [25]. Die Auswahl einer geeigneten Methode der Investitionsrechnung ist vom jeweiligen Entscheidungsproblem abhängig. Eine Investitionsentscheidung über ein Bürogebäude ist in diesem Zusammenhang ein Problem der Vorteilhaftigkeitsbestimmung. Diese beschränkt sich auf die Ermittlung eines einzigen

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Wertes, anhand dessen eine Investitionsentscheidung herbeigeführt wird. Innerhalb der Vorteilhaftigkeitsbestimmung kann eine Investition auf ihre absolute sowie relative Vorteilhaftigkeit überprüft werden [24] [26]. Die Entscheidung, ob es sich überhaupt lohnt, in eine flexible Gebäudestruktur zu investieren, ist eine Frage nach der absoluten Vorteilhaftigkeit. Die Abwägung zwischen einer flexiblen und unflexiblen Gebäudestruktur als Investition ist dagegen eine Betrachtung der relativen Vorteilhaftigkeit (s. Bild 4). Eine Investitionsrechnung für flexible Bürogebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise muss daher sowohl Aussagen über die absolute als auch über die relative Vorteilhaftigkeit gestatten [25].

7.1.2 Reduktion des Investitionsvorhabens auf die monetäre Dimension Im Rahmen jeder Investitionsrechnung muss die Gesamtheit des Investitionsvorhabens auf seine finanziellen Auswirkungen, d. h. Einzahlungen und Auszahlungen bzw. Einnahmen und Ausgaben [22], heruntergebrochen werden [25]. Um die finanziellen Auswirkungen einer Investition in ein Bürogebäude umfassend abbilden zu können, müssen daher neben gebäudetypischen auch gebäudeindividuelle Annahmen formuliert werden, die in spezifischen wirtschaftlichen Konsequenzen resultieren [24]. Im Zusammenhang mit flexiblen Bürogebäuden sind zusätzlich Annahmen über die Auswirkungen der Gebäudeflexibilisierung auf wesentliche Determinanten der Wirtschaftlichkeit zu treffen. Hierzu gehören insbesondere die Länge der wirtschaftlichen Nutzungsdauer, die Höhe der Mieteinnahmen sowie die Umbauhäufigkeit. Die Darstellung der mit einem Bürogebäude verbundenen Zahlungen erfolgt dann anhand eines Zahlungsstroms [24], der im Allgemeinen direkte und indirekte Zahlungen umfasst (s. Bild 5). Bei der Bestimmung der absoluten und relativen Vorteilhaftigkeit von flexiblen Bürogebäuden können die indirekten Zahlungen unberücksichtigt bleiben. Zu den direkten Zahlungen werden die Investitionsausgabe, die laufenden Ausgaben und Einnahmen in den Perioden sowie die Veräußerungserlöse am Ende der Nutzungsdauer gezählt.

Bild 5. Zahlungen im Zusammenhang mit einer Investition [25] Fig. 5. Cash flows in connection with an investment [25]

Bei Büroneubauten entspricht die Anfangsauszahlung den Herstellungsausgaben. Da sich in diesem Fall ein Bürogebäude noch im Planungsprozess befindet, liegt nur ein geringer Konkretisierungsgrad der spezifischen Ausgestaltung des Bürogebäudes vor. Hierdurch ergibt sich ein erhöhter Prognosebedarf bei der Bestimmung der Anfangsauszahlung [24]. Zudem kann die Anfangsauszahlung auch noch Zinsen für eine Vor- und Zwischenfinanzierung umfassen [25]. Mit der Anfangsauszahlung verfolgt ein Investor in der Regel das Ziel, in späteren Perioden höhere Einzahlungen oder geringere Auszahlungen zu erwirtschaften [23]. Die sich für den Investor ergebenden laufenden Einzahlungen entsprechen den Miet- bzw. Renditezahlungen. Die Erzielung von Mieten bzw. Renditen setzt voraus, dass das Bürogebäude erfolgreich am Markt positioniert werden kann und eine vertraglich geregelte Nutzung des Gebäudes durch Dritte erfolgt [24]. Auch bei der Festsetzung der Miethöhe ergibt sich ein erheblicher Prognosebedarf. Eine Schätzung zukünftiger Mieteinnahmen bei Bürogebäuden kann anhand einer Extrapolation der bisherigen Mietentwicklung unter der Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften des Bürogebäudes stattfinden [25]. Die potenziellen Auswirkungen der Gebäudeflexibilisierung auf die Miethöhe können dabei anhand einer Fallunterscheidung abgebildet werden, bei der in einem Fall Flexibilität durch höhere Mieteinnahmen vom Markt belohnt wird und im anderen Fall neutral auf den Mietpreis einwirkt. Zu den laufenden Auszahlungen, die sich während des Lebenszyklus eines Bürogebäudes ergeben können, zählen üblicherweise die Ausgaben für Instandsetzung und den

Betrieb des Gebäudes. Um die spezifischen Potenziale flexibler Baukonstruktionen in Stahl- und Stahlverbundbauweise zeigen zu können, sind zusätzlich die Auszahlungen für potenzielle Umbaumaßnahmen zu ermitteln, die im direkten Zusammenhang mit der internen Flexibilität stehen. Im Fall eines flexiblen Bürogebäudes handelt es sich hierbei um die Ausgaben, die im Rahmen der Verwirklichung unterschiedlicher Raumkonzepte für Büroarbeit anfallen. Am Ende der geplanten Nutzungsdauer des Bürogebäudes sind die Ausgaben für den Abbruch und die Entsorgung des Gebäudes ebenfalls von Bedeutung. Hier können insbesondere die Vorteile der Stahl- und Stahlverbundbauweise monetär erfasst werden; sei es durch das heute bereits übliche Recycling des Baustoffes Stahl und geringere Massen beim Abtransport oder durch zukünftig angestrebte Wiederverwendungen von Bauteilen mit standardisierten Abmessungen.

7.1.3 Berücksichtigung der zeitlichen Dimension der Zahlungen Eine Investition in ein Bürogebäude führt zu einer langfristigen Kapitalbindung, sodass die aus der Vermietung resultierenden Einnahmen bzw. die durch Instandsetzung oder Umbaumaßnahmen verursachten Ausgaben erst in künftigen Perioden folgen. Aufgrund des Zeitwerts des Geldes hat ein Investor i. d. R. Interesse daran, spätere Ausgaben gegenüber früheren Ausgaben und frühere Einnahmen gegenüber späteren Einnahmen zu bevorzugen. Die Verfahren der Investitionsrechnung lassen sich danach unterscheiden, in welcher Form das zeitliche Auftreten von Einzahlungen und Auszahlungen berücksichtigt wird

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[22]. Eine Berücksichtigung des Faktors Zeit erfolgt innerhalb der dynamischen Verfahren der Investitionsrechnung, die auf der Annahme basieren, „dass Einzahlungen bzw. Auszahlungen, die den gleichen Betrag aufweisen, aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten anfallen, einen voneinander abweichenden Wert haben“ [27].

7.1.4 Übersichtliche und nachvollziehbare Dokumentation der eingehenden Daten Die übersichtliche und nachvollziehbare Darstellung der eingehenden Daten, der Rechenwege und der getroffenen Annahmen ist die letzte Anforderung an eine Investitionsrechnung [25]. Die wirtschaftlichen Konsequenzen einer Investition in ein flexibles Bürogebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise werden vom Investitionszeitpunkt aus gesehen erst in den zukünftigen Perioden bemerkbar, sodass sie immer von einer gewissen Unsicherheit begleitet werden. Schwierigkeiten ergeben sich dabei weniger bei der Investitionsrechnung selbst, sondern vielmehr bei der Beschaffung der für die Investitionsrechnung notwendigen Daten. Diese sind oftmals das Ergebnis von Annahmen und Prognosen, die für ein einzelnes Investitionsvorhaben gesondert anzustellen sind. Die Beschaffung der in die Investitionsrechnung eingehenden unsicheren Daten erfolgt daher oft durch qualitative oder quantitative Prognoseverfahren. Während qualitative Verfahren auf subjektiven Einschätzungen von Personen basieren, bedienen sich quantitative Verfahren vorhandener Vergangenheitswerte und mathematischer Operationen [23].

7.2 Kapitalwertmethode als zweckmäßiges Instrument für die Beurteilung flexibler Bürogebäude in Stahl- und Stahlverbundbauweise Die oben genannten Anforderungen können durch die Kapitalwertmethode als dynamische Investitionsrechnung erfüllt werden. Bei der Kapitalwertmethode wird die Differenz zwischen der Summe der Barwerte aller Einzahlungen und Summe der Barwerte aller Auszahlungen bestimmt. Der Barwert ist der heutige Wert künftiger Zahlungen und wird durch Abzinsung bestimmt. Die Differenz zwischen den

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abgezinsten Einzahlungen und Auszahlungen wird als Kapitalwert bezeichnet. Eine Investition in flexible Bürogebäudestrukturen in Stahl- und Stahlverbundbauweise ist dann vorteilhaft, wenn ihr Kapitalwert größer Null ist. Werden flexible und unflexible Bürogebäudestrukturen in Stahlund Stahlverbundbauweise miteinander verglichen, dann ist die Investition in flexible Bürogebäudestrukturen relativ vorteilhaft, wenn ihr Kapitalwert größer ist als der Kapitalwert der unflexiblen Alternativinvestition. Die Anwendung der Kapitalwertmethode setzt voraus, dass alle mit der Investition verbundenen Zahlungen sowie deren Zeitpunkte und Beträge hinreichend genau bestimmt werden können [22]. Hierdurch erfüllt die Kapitalwertmethode sowohl die Forderung nach der Reduktion eines Investitionsvorhabens auf seine monetäre Dimension als auch die Forderung nach einer übersichtlichen sowie nachvollziehbaren Darstellung der eingehenden Daten und Annahmen.

8 Zusammenfassung und Ausblick Ausgangspunkt des Beitrags war der Ansatz einer lebenszyklusorientierten integralen Planung, die Voraussetzung und Umsetzungsinstrument für Nachhaltigkeit bei Gebäuden ist. Über den soziotechnischen Systemansatz wurde veranschaulicht, dass Gebäude mit der Determinierung von potentiellen Raumkonzepten unmittelbar auf Konzentrations-, Kommunikations- und Regenerationsmöglichkeiten von Mitarbeitern und Organisation einwirken und damit die soziale Qualität beeinflussen. Die Analyse, wie sich Büroarbeit in der Zukunft verändern wird, führte zum Ergebnis, dass die Flexibilität von Gebäuden für unterschiedliche Raumkonzepte eine wichtige Voraussetzung ist, um einerseits Nutzungsdauer und -wert des Bürogebäudes zu maximieren und andererseits soziotechnisch optimierte Arbeitsumgebungen dauerhaft zu ermöglichen. Bürogebäude aus Stahl- und Stahlverbundbauweise haben Eigenschaften, die solche Voraussetzungen schaffen können. Mit dem Ziel, Auswirkungen der Flexibilität auf die Lebenszykluskosten zu ermitteln, wurde zwischen prospektiver und interner Flexibilität differenziert. Da sich bei einer ausschließlichen Kostenbetrachtung der

Wert einer Gebäudeflexibilisierung nicht ermitteln lässt, wurde die Lebenszykluskostenrechnung um die Mieterlöse erweitert, sodass die Rentabilität eines Bürogebäudes als Maßstab für die Beurteilung flexibler Gebäudestrukturen herangezogen werden konnte. Um schließlich Aussagen über die Vorteilhaftigkeit von flexiblen Gebäudestrukturen in Stahl- und Stahlverbundbauweise treffen zu können, wurde die Kapitalwertmethode vorgestellt. In Bezug auf das DGNB-Zertifikat konnten Weiterentwicklungspotenziale identifiziert werden. Nachhaltigkeitszertifikate sind Produkte, die Teilaspekte der Nachhaltigkeit betrachten und dabei oft allgemein bleiben (müssen). Es sollten jedoch bei der Bewertung mehr Freiheitsgrade vorhanden sein, um gebäudeindividuelle Eigenschaften für die Nachhaltigkeitsbewertung sachgerecht erfassen zu können. Für die soziale Qualität ist bspw. die Bewertung soziokultureller Gebäudeeigenschaften nicht ausreichend, um die Wechselwirkungen zwischen sozialem System (Nutzer) und technischem System (Gebäude) vollständig zu berücksichtigen. Diese soziotechnischen Systemwirkungen beeinflussen nicht nur, wie hier auszugsweise dargestellt, die soziale und ökonomische Qualität, sondern auch die ökologische. Im Hinblick auf die ökonomische Qualität zeigt sich, dass eine Bewertung, die lediglich an Lebenszykluskosten orientiert ist, keine endgültigen Aussagen zur ökonomischen Nachhaltigkeit liefern kann. Finanzwirtschaftliche Methoden zur Beurteilung der langfristigen Rentabilität von Bürogebäuden scheinen an dieser Stelle zweckmäßiger zu sein. Allerdings bleibt auch hier anzumerken, dass dadurch lediglich ökonomische Wirkungen für den Investor abgebildet werden und der Wert nachhaltiger Bürogebäude aus Sicht aller Anspruchsgruppen unberücksichtigt bleibt. Das Projekt P881 wird im Rahmen des IGF-Vorhabens 373 ZBG der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. – FOSTA, Düsseldorf über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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Autoren dieses Beitrages: Prof. Dr. Volker Lingnau, lingnau@controllinglehrstuhl.de, Dipl.-Kffr. techn. Katharina Kokot, kokot@controlling-lehrstuhl.de, Technische Universität Kaiserslautern, Lehrstuhl für Unternehmensrechnung und Controlling, Erwin-Schrödinger-Straße, 67663 Kaiserslautern Prof. Dr. Klaus J. Zink, klaus.j.zink@ita-kl.de, Dipl.-Ing. Tino Baudach, tino.baudach@ita-kl.de, Technische Universität Kaiserslautern, Institut für Technologie und Arbeit e.V., Trippstadter Straße 110, 67663 Kaiserslautern

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Fachthemen Janine Bach Matthias Brieden Florian Deininger Christian Fauth Markus Feldmann

Ramona Görner Helmut Hachul Helmut Krüger Markus Kuhnhenne Romy Morana

Susanne Rexroth Heike Rößling Thomas Ummenhofer

DOI: 10.1002/stab.201201643

Mehrdimensional energieoptimierte Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise für den Industrie- und Gewerbebau Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung sind bei Errichtung und Betrieb von Industrieund Gewerbebauten zu beachten. Im Vergleich zum Geschoss- und Wohnungsbau ist ihr Einfluss durchaus von Bedeutung, weshalb im Projekt „Mehrdimensional energieoptimierte Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise für den Industrie- und Gewerbebau“ (P 880) Potentiale und Entwicklungskorridore untersucht und erschlossen werden. Es sollen dabei nicht nur Möglichkeiten der Reduktion von Ressourcen- und Energieverbräuchen erforscht, sondern auch Chancen zur aktiven Nutzung erneuerbarer Energien auf Bauteilebene aufgezeigt werden. Die Optimierung von Gebäudehüllen wird in mehreren Dimensionen betrachtet. Im vorliegenden Beitrag werden auszugsweise einige der bisher erzielten Ergebnisse vorgestellt und erläutert. Daneben wird das weitere Vorgehen kurz umrissen und auf Problemstellungen hingewiesen. Multidimensional energy-optimized building envelopes in steel-lightweight construction for industrial and commercial buildings. In the erecting and operating of industrial and commercial constructions sustainability and conversation of resources must be considered. Compared with multi-story and residential buildings the influence is of matter. Within the research project P 880 „Mehrdimensional energieoptimierte Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise für den Industrie- und Gewerbebau“ referring to this potentials and development corridors should be investigated and made accessible. Not even the opportunities of reducing the resource and energy consumption will be explored, but also odds for the active use of regenerative energy on a building element level will be pointed out. Therefore, the way how to consider energy-saving building-skins is multidimensional, or in other words, passive and active. The following article will present and explain some of the achieved results. Moreover the next steps will be defined and further problems will be outlined.

1 Einleitung Das Prinzip der Energie- und Ressourcenschonung gilt auch für Bausysteme des Industrie- und Gewerbebaus, insbesondere für Bausysteme der Gebäudehülle aus dem Metallleichtbau, die in diese Richtung weiter zu entwickeln und zu optimieren sind. Dazu werden Aspekte der Nachhaltigkeitsbewertung aufgegriffen und untersucht. Grundsätzliche Überlegungen und Vorarbeiten sind beispielsweise in [1] und [2] zu finden. Um dieses Ziel zu erreichen, sind nicht nur die Energie- und Wärmeverluste der Gebäudehülle zu minimieren, sondern auch weitere Möglich-

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keiten der effizienten Nutzung regenerativer Energien aufzuzeigen und deren Wirkungsgrad zu maximieren. Daraus ergeben sich die beiden Ansätze, die das Forschungsprojekt P 880 verfolgt: Auf der passiven Seite werden energetische Verbesserungen der Gebäudehülle untersucht, während auf der aktiven Seite Möglichkeiten zur Integration von Solarthermie bzw. Photovoltaik-Technologie in die bestehenden Systeme erforscht und entwickelt werden. Für weitere Einzelheiten und detaillierte Informationen zu Entwicklung, Motivation und Zielsetzung des Forschungsprojekts wird an dieser Stelle auf [3] und [4] verwiesen.

2 Passivischer Ansatz: Thermische und feuchteschutztechnische Eigenschaften der Gebäudehülle 2.1 Ausgangssituation Unabhängig von der Bauweise (Massiv-, Holz- oder Stahlbau) sind die bauphysikalischen Anforderungen gleich. Neben Schall, Licht und Brand sind Wärmeschutz, Feuchteschutz und Luftdichtheit sowie deren gegenseitige Wechselwirkungen von besonderer Bedeutung. Die passivische Seite des Forschungsprojekts P 880 befasst sich deswegen mit der Untersuchung, Erforschung und Verbesserung dieser drei eng miteinander verknüpften Eigenschaften von Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise im Industrie-, Gewerbe- und Hallenbau. Eine isolierte Betrachtung von Wärme, Feuchte und Luftdichtheit reicht nicht aus, dafür sind die in Bild 1 in einem Dreieck darstellbaren gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen Wärmeschutz und Feuchteschutz, Feuchteschutz und Luftdichtheit, Luftdichtheit und Wärmeschutz zu wichtig. Der Zusammenhang zwischen Wärme- und Feuchteschutz kann exemplarisch an den in DIN V 4108-4 [5] angegebenen Materialeigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Wasserdampfdiffusionswiderstand) verdeutlicht werden, die explizit für 23 °C und 80 % relative Luftfeuchte gelten. Dies sind Eigenschaften, die sich bei anderen Randbedingungen verändern, zum Beispiel wenn Materialien durchfeuchten. Undichtigkeiten in der Gebäudehülle verdeutlichen die Verknüpfung zwischen Luftdichtheit und Wärmeschutz durch die verlorengehende Wärme. Eine zu hohe bzw. erhöhte Luftwechselrate führt dazu, dass die erwärmte Luft im Winter nicht inner-

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Bild 1. Hygrothermisches Dreieck, schematische Darstellung der Wechselwirkungen Fig. 1. Hygrothermic triangle, schematic illustration of the interdependences

halb des Gebäudes bleibt. Die notwendige erneute Erwärmung der nachströmenden kalten Luft führt zu einem zusätzlichen Verbrauch von Energie. Luftdichtheit und Feuchteschutz sind durch die Feuchtetransportmechanismen Diffusion und Konvektion gekoppelt. Diffusion tritt infolge einer grundsätzlich vorhandenen Partialdruckdifferenz immer auf, während konvektiver Feuchtetransport Fehlstellen oder Undichtigkeiten in der Gebäudehülle voraussetzt. Dabei bewegen sich die Wasserteilchen gemeinsam mit der strömenden Luft in die Konstruktion. Bertachtet man die Aspekte Wärmeschutz, Feuchteschutz und Luftdichtheit gemeinsam, so ergeben sich Überlagerungen und Verbindungen der oben genannten Effekte (Bild 1). Mangelnde Luftdichtheit führt zum Auskühlen der Konstruktion und zu vermehrtem Feuchteeintrag durch Konvektion. Einerseits verschlechtert sich die thermische Dämmwirkung, andererseits verschiebt sich der Taupunkt innerhalb der Konstruktion.

förmigen Profilen mit beidseitiger Stehfalz, in die Dämmung eingelegt und mit einem davor angeordneten Trapezblech abgeschlossen werden (Bild 2). Um die steigenden Wärmeschutzanforderungen zu erfüllen, wurden unlängst Systeme mit Aufsatzdämmung entwickelt. Auch die Fugenausbildung

2.2 Exemplarische Ergebnisse 2.2.1 Wärmeschutz – Kassettenwände Stahlkassettenwände des Industrieund Gewerbebaus bestehen aus trog-

Bild 2. Kassettenwand mit thermischem Trennstreifen Fig. 2. Cassette wall with sealant strip

trägt neben der Dichtigkeit maßgebend zum gesamten Wärmedämmverhalten bei. Da Stahlkassettenverkleidungen vielfach im Industrie- und Gewerbebau mit verschiedensten Ausbildungen eingesetzt werden, sind mehrere Varianten von Kassettenausbildungen untersucht worden. Um die wärmeschutztechnischen Eigenschaften [6] dieser Fassadenelemente effektiv beurteilen zu können, wurden zunächst einige Voruntersuchungen durchgeführt. Zunächst erfolgte die Untersuchung des Einflusses der Profilierung der Stahlbleche auf den Wärmedurchgangskoeffizienten. Hierzu sind die Berechnungsergebnisse einer vollständig profilierten Kassettenwand mit denen einer geometrisch vereinfachten Kassettenwand verglichen worden. Die entsprechenden grafischen Darstellungen sind in Bild 3 zu finden. Die Berechnungen haben gezeigt, dass die Vernachlässigung der Profilierung (Bild 3 links bzw. rechts) zu einem leichten Anstieg des Wärmedurchgangskoeffizienten gegenüber der vollständig profilierten Kassettenwand führt. Durch die dargestellte Vereinfachung ergibt sich eine Erhöhung des Wärmedurchgangskoeffizienten um etwa 1 %, was jedoch vernachlässigbar ist. Die mit dem vereinfachten Modell erzielten Ergebnisse liegen auf der sicheren Seite, sodass dieses Modell für die weiteren Untersuchungen verwendet werden kann. In Bezug auf die Ausführung der Kassettenstege wurden folgende Varianten untersucht und verglichen: – thermisch getrennte Stege (Bild 3 Mitte) – zusammengeschobene Stege (Bild 3 rechts) Die Ergebnisse der Berechnungen zeigen, dass die zusammengeschobenen Stegbleche die ungünstigere Variante darstellen. Für weitere Berechnungen wird dies als eine zulässige Vereinfachung betrachtet. Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden für die weiteren Berechnungen die entsprechenden geometrischen Abmessungen vereinfacht festgelegt (Bild 4). Bei Stahlkassettenwänden können zwei Typen unterschieden werden: – Kassettenwände mit thermischem Trennstreifen auf dem Flansch des Stehfalzes

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M. Feldmann et. al. · Mehrdimensional energieoptimierte Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise für den Industrie- und Gewerbebau 600 mm Kassettenwand; 100 mm WD035, 1,5 mm Stahblech; 3,0 x 60 mm Trennstreifen profiliert

Steg getrennt mit Dichtband

vereinfacht

U = 0,726 W/(m2K)

U = 0,732 W/(m2K)

U = 0,732 W/(m2K)

Stahl WD035 Trennstreifen_Typ7 Luft Dichband_Typ1

Bild 3. Vergleich der Temperaturverteilung eines mit Mineralwolle gedämmten Kassettenprofils mit Profilierung (links), mit thermisch getrennten Stegen (Mitte) und mit einem vereinfachten Kassettenprofil (rechts) mit FEM Fig. 3. Comparison of the temperature distribution of a cassette cladding profile with mineral wool as thermal insulation with profiling (left), with thermally separated web plate (middle) and with a simplified cassette profile (right) with FEM

– Kassettenwände mit zusätzlicher vorgehängter Wärmedämmschicht

effektiver ist als bei einer 160-mm-Kassette mit 40 mm zusätzlicher Dämmschicht. Der Wärmedurchgangskoeffizient kann so um mehr als 0,05 W/ (m²K) reduziert werden. Interessant sind die aus den Berechnungsergebnissen ableitbaren effektiven Wärmedämmschichtdicken (Bild 6) in Abhängigkeit von Aufbau und Geometrie. Daraus geht hervor, dass gegenüber der idealen, ungestörten Wärmedämmschicht deutliche Abfälle der Wärmedämmwirkung vorhanden sind, gleichwohl über Aufbau und Geometrie des Profils durchaus Optimierungspotential vorhanden ist.

2.2.2 Feuchteschutz – Kassettenwände Der klimabedingte Feuchteschutz von Gebäuden und Bauteilen ist normativ in DIN 4108-3 [7] bzw. [8] geregelt. Der Nachweis gegen Tauwasserbildung im Inneren von Bauteilen wird bisher i. A. mit Hilfe des Glaser-Verfahrens geführt. Dabei werden klimatische Randbedingungen angesetzt, die jeweils über einen bestimmten Zeitraum in der Tauperiode bzw. Verdunstungsperiode stationär sind. Das Glaser-Verfahren ermöglicht es, die in der Tauperiode (Winter) innerhalb der Konstruktion anfallende Tauwassermenge abzuschätzen und mit der Verdunstungsmenge, die aus der Konstruktion im Laufe der Verdunstungsperiode (Sommer) wieder ausdiffundieren kann, zu vergleichen. Ist die Verdunstungsmenge

Das äußere Stahltrapezdeckblech (tNe) wird für die thermischen Berechnungen auf der sicheren Seite liegend vernachlässigt. Die Wärmeleitfähigkeit der Dämmung wird zu λ = 0,035 W/(mK) gewählt. Die Dicke des raumseitigen Stahldeckblechs tNi wird zu 0,75 bzw.

1,50 mm angenommen. Die durchgehende Wärmedämmdicke der Kassette dc wird zwischen 90 und 240 mm variiert. Damit sind die Variationsbandbreiten festgelegt. Bild 5 zeigt exemplarisch zwei FEM-Modelle und die zugehörigen Berechnungsergebnisse. Die dargestellten Ergebnisse verdeutlichen beispielsweise, dass der Einsatz von 200 mm Wärmedämmung bei einer 120-mm-Kassette mit 80 mm zusätzlicher Dämmschicht thermisch

Bild 4. Schematischer Querschnitt von Kassettenwänden Fig. 4. Schematic cross section of cassette walls

Bild 5. Exemplarischer Vergleich der Temperaturverteilung bei Variation der Zusatzdämmung Fig. 5. Exemplary comparison of the temperature distribution under variation of the thickness of the additional thermal insulation

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Bild 6. Effektive Wärmedämmschichtdicken in Abhängigkeit von Aufbau und Geometrie Fig. 6. Effective thicknesses of thermal insulation as functions of construction and geometry

größer als die Tauwassermenge, d. h. kann die anfallende Feuchtigkeit das Bauteil wieder verlassen, gilt der Nachweis im Wesentlichen als erbracht. Exemplarisch sollen hier einige Ergebnisse der für Stahlkassettenwände durchgeführten numerischen Berechnungen vorgestellt werden. Modell A ist eine konventionelle 100-mmKassettenwand, Modell B hat eine zusätzliche Dämmschicht von 40 mm, während Modell C mit einem thermischen Trennstreifen ausgeführt ist. Die Modelle D, E und F entsprechen den

um ein außenliegendes Stahldeckblech ergänzten Modellen A, B und C. Bild 7 zeigt die ermittelten Wassergehalte in Abhängigkeit von der Berechnungszeit. Für die Modelle ohne äußeres Stahldeckblech ist zu erkennen, dass der anfängliche Wassergehalt von etwa 3 kg/m² selbst während der Tauperiode bereits nach wenigen Tagen absinkt und das Bauteil somit austrocknen kann. Da die Konstruktion im Winter naturgemäß kälter ist als im Sommer, kalte Luft aber weniger Feuchtigkeit

Bild 7. Wassergehalt unterschiedlicher Kassettenwände nach einem Tau-Verdunstungsperiodendurchlauf Fig. 7. Water content of different cassette walls after one thawing-evaporationperiod cycle

speichern kann als warme Luft, erklärt sich, dass der Wassergehalt nach Ablauf der Tauperiode im Bauteil ansteigt. Das Bauteil nimmt im Sommer mehr Feuchtigkeit in Form von warmer Luft auf als im Winter. Es kommt nicht zu einer Auffeuchtung, da der Wassergehalt während der gesamten Tau- bzw. Verdunstungsperiode konstant bleibt. Für die Modelle mit äußerer Stahlblechdeckschicht ist die Anfangsfeuchtigkeit zwischen den beiden Stahldeckblechen eingeschlossen und kann weder nach außen noch nach innen entweichen. Allerdings kann somit auch keine zusätzliche Feuchtigkeit in das Bauteil eindringen. Es ist darauf hinzuweisen, dass die hier getroffenen Vereinfachungen, besonders die Annahme, dass beide Stegbleche direkt aufeinanderliegen, aus feuchteschutztechnischer Sicht nicht zwingend die ungünstigste Möglichkeit sind. Die bereits im Wärmeschutzteil erwähnte Abbildung als thermisch getrennte Stege führt möglicherweise zu vermehrtem Feuchteeintrag und ist Gegenstand weiterführender Untersuchungen.

2.2.3 Luftdichtheit – Sandwichelemente Luftdichtheit stellt eine unumgängliche bauphysikalische Forderung an die Konstruktion dar. Nicht nur die offensichtlichen Wärmeverluste infolge schwer kalkulierbarer Luftströme durch ggf. vorhandene Fehlstellen sind zu berücksichtigen, sondern auch die durch Konvektion in die Konstruktion eindringende Feuchte. Das allgemeine Verfahren zur Ermittlung der Luftdichtheit von Gebäudehüllen in Sandwichbauweise ist in [9] beschrieben. Auf dieser Basis sind Untersuchungen an einem Stahlsandwichelement (d = 60 mm) mit sichtbarer Befestigung durchgeführt worden, wobei die Fugenabstände variiert worden sind (Bild 8). Die in Bild 9 dargestellten Ergebnisse der Luftdichtheitsmessungen lassen erkennen, dass das untersuchte Element bis zu einer Fugenbreite von etwa 7 mm trotz des nicht komprimierten Dichtbandes gemäß DIN 4108-2 [10], DIN 4108-7 [11] bzw. DIN 18542 [12] noch als luftdicht anzusehen ist. Die Luftdichtheit wird dabei allein durch die an der Außen- und Innenoberfläche aufeinanderliegenden Stahldeckbleche erreicht.

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Bild 8. Unterschiedliche Fugenabstände eines Sandwichelements mit sichtbarer Befestigung Fig. 8. Different joint distances of a sandwich element with visible fastener

Bild 9. Ergebnisse der Luftdichtheitsuntersuchung der unterschiedlichen Fugenabstände (0, 3, 6, 9 mm) Fig. 9. Results of the air tightness testing of the different joint distances (0, 3, 6, 9 mm)

Allerdings ist zu erwähnen, dass es sich bei dem untersuchten Element um ein Element mit einem bestimmten Fugentyp handelt. Da sich auf dem Markt mehrere unterschiedliche Fugentypen befinden, die sich sowohl in wärme- [13] und feuchteschutztechnischer Sicht also auch in der Luftdichtheit unterscheiden, ist eine Aussage ohne genaueres Untersuchen nur schwer möglich.

3 Aktivischer Ansatz: Integration von Solarthermie 3.1 Ausgangssituation Die Integration von einfachen, unverglasten solaren Systemen in die metal-

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lische Gebäudehülle zur Energiegewinnung kann einen wichtigen Beitrag zur Energieeinsparung leisten. Ziele des Forschungsvorhabens sind die energetische, funktionale, konstruktive und gestalterische Entwicklung der Integration von Solarthermie in Gebäudehüllen aus Stahlsandwichelementen und deren Energieeffizienzbestimmung.

3.2 Aktueller Stand Wesentliche Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit ist eine einfache Implementierung der neuen Technologie in den kontinuierlichen Herstellungsprozess der Sandwichelemente.

Grundsätzlich stellt sich deren Herstellung in einer Doppelbandanlage folgendermaßen dar: Nach dem Abhaspeln der Coils erfolgt die Profilierung der bandbeschichteten Außenund Innendeckschale und der Schaumauftrag sowie das Ausschäumen im Schäumportal. Hierauf folgen der Zuschnitt und das Auskühlen. Bei der vorgeschlagenen Systemvariante erfordern die beim Schäumprozess entstehenden Kräfte eine Lagefixierung der Rohrleitungen mittel aufgeklebter Laschen auf der Innenseite der Außendeckschale. In den in der kontinuierlichen Produktion entstehenden Rohling mit Kunststoff- oder Kupferrohrleitungen (Bild 10-1) wird in einem weiteren Prozess eine Verteilerbox (FluidBox) eingebaut. Diese bündelt die einzelnen Rohrleitungen zu einem Absorber und beinhaltet den Zu- und Rücklauf des fertigen Solarsandwiches. Beim Einbau der FluidBox wird zunächst die innere Deckschale werkseitig mit Hilfe der fliegenden Säge getrennt (Bild 10-2) und danach mit einer Heißdrahtsäge vom PUR-Schaum abgelöst (Bild 10-3). Die nun freiliegenden Rohrenden werden mittels Rotationszugbiegen in Richtung der Innendeckschale umgeformt (Bild 10-4). Ein auf die Längsfugengeometrie des Sandwichelementes abgestimmtes Formteil aus PUR-Schaum wird eingelegt und die FluidBox angeschlossen (Bild 10-5). Schließlich wird das zweite äußere Schaumformteil eingeklebt und der Solarabsorber mit einem profiliertem Deckblech geschlossen (Bild 10-6).

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Bild 10. Produktionsschritte zum Einbau der FluidBox Fig. 10. Production stages to integrate the FluidBox

Hintergrund dieses Aufbaus ist die Konzeptionierung eines leicht montierbaren Fassadenelementes, dessen Fugengeometrie nicht vom standardisierten Stahlsandwichelement abweicht. Dadurch bleibt die Bauteilgeometrie an den Längs- und Querstößen erhalten. Ferner fügt es sich problemlos in die Industriefassade ein, so dass ein Solarsandwich neben einem herkömmlichen Stahlsandwichelement montiert werden kann. Zur Beurteilung der Effizienz eines Solarsandwiches sind zunächst grundlegende Untersuchungen hinsichtlich der Leitungsführung und -geometrie und der Einflüsse unterschiedlicher Materialien unter Berücksichti-

gung der gegebenen energetischen Rahmenbedingungen erforderlich. Für eine umfangreiche Parameterstudie wurde ein numerisches Modell entwickelt. Im Vorfeld der Parameterstudie ist die Funktionalität des numerischen Modells mit Hilfe eines einfachen Demonstrators, bestehend aus 1 m² Stahlblech und einem darunter verlegten Kupferrohr, verifiziert worden. Zur Ermittlung des Energieflusses in der Kontaktzone von Rohrleitung und Absorber ist der Demonstrator mit vortemperiertem Wasser beschickt und der Wärmeverlust bei der kontinuierlichen Abkühlung im Leitungsverlauf durch thermografische Aufnahmen

Bild 11. Vergleich der Temperaturverteilung der Simulation (links) mit der im Realversuch ermittelten Temperaturverteilung (rechts) Fig. 11. Comparison of the temperature distribution of the simulation (left) with the temperature distribution of the experiment (right)

und stationäre Messtechnik aufgezeichnet worden. Der direkte Vergleich der Messergebnisse mit den Simulationsergebnissen zeigt eine gute Übereinstimmung (Bild 11). Aufgrund des hohen Rechenaufwandes ist das komplexe numerische Modell nur für die Simulation kleiner Bauteile anwendbar. Für das vereinfachte Modell wurde ein repräsentativer Kollektorausschnitt ausgewählt. Eine Gegenüberstellung der Simulationen ergab nur vernachlässigbare Abweichungen. Die folgende Parameterstudie soll den Einfluss der Lage der Rohre im Kern, des Abstandes der Rohre untereinander, der Leitungsgeometrie, des Leitungsmaterials und der Fügung verdeutlichen. Insbesondere der verwendete Klebstoff und dessen Schichtdicke sind als einer der sensibelsten Bereiche des Kollektors identifiziert worden. Eine Kleberschicht von 1 mm zwischen Rohr und Absorberblech führt, insofern diese nicht aus einem wärmeleitenden Klebstoff besteht, bereits zu einer Reduktion der Kollektoreffizienz um mehr als 70 %. Die Erkenntnisse der Parameterstudie sind als Grundlage für den Bau von fünf Demonstratoren der Größe 1 × 3 m verwendet worden (Bild 12). Diese Demonstratoren dienen zur Datenerfassung unter realen Bedingungen für die weitere Kalibrierung der FE-Modelle und als Grundlage für die Entwicklung konstruktiver Anschlussdetails. Die gewonnenen Erfahrungen werden als Grundlage für einen zu entwickelnden fünfseitigen Messwür-

Bild 12. Aufbau des Versuchsmessstandes mit zwei Dach- und drei Fassadenelementen (je 1 × 3 m) des KIT Fig. 12. Setting of experimental rig with two roof- and three facade-elements (each 1 × 3 m) of KIT

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fel zur abschließenden Beurteilung von solarthermisch aktivierten Gebäudefassaden genutzt. Ziel ist es, dem Anwender oder Hersteller ausreichende Daten zur Effizienzbestimmung einer Fassade mit solarthermisch aktivierten Sandwichelementen bereitzustellen.

Bild 13. Outdoormessstand für Sandwichelemente mit integrierter Photovoltaik der HTW Berlin Fig. 13. Outdoor experimental rig for sandwich elements with integrated photovoltaic of HTW Berlin

4 Aktivischer Ansatz: Integration von Photovoltaik 4.1 Technischer Ansatz Zur Untersuchung der elektrischen und mechanischen Einflüsse, die eine Integration von PV-Technik in Sandwichelemente begründen, werden Musterbauteile entwickelt und getestet. Hierfür sind wellen- bzw. trapezprofilierte Sandwichelemente jeweils mit flexiblen PV-Laminaten belegt worden. Marktbedingt wurden statt der Dünnschicht-Module flexible PV-Module mit Kugelsolarzellen ausgewählt. Dadurch ist eine Verlegung auf einem wellenförmigen Profil möglich. Sie erfolgt der Form angepasst über die gesamte Elementbreite, hierbei entsteht eine gewellte PV-Oberfläche. Bei dem trapezförmigen Profil ergibt sich durch die Belegung zwischen den Hochsicken eine plane PV-Oberfläche. Die PV-Laminate sind mit einem schnellhärtenden 2-Komponenten-Silikonklebstoff auf den Sandwichelementen befestigt worden. Für die Trapezprofilierung ist neben einer vollflächigen und streifenförmigen Verklebung auch eine streifenförmige Variante mit rundlaufender Abdichtung untersucht worden. Mit diesen Bauteilen wird auf einem für die Testreihe konzipierten Outdoormessstand eine Langzeitmessung unter realen Bedingungen durchgeführt. Hierbei werden die energetischen Erträge über einen Zeitraum von einem Jahr sowie die für die wissenschaftliche Bewertung erforderlichen meteorologischen Daten erfasst. Zusätzlich wird die Verklebung auf ihre Gebrauchstauglichkeit im Outdooreinsatz qualitativ beurteilt. Der Messstand ermöglicht eine parallel Untersuchung von bis zu drei Sandwichelementen, wobei ein Ertragsvergleich der unterschiedlichen Elemente im Vordergrund steht (Bild 13). Als Referenz wird auf dem dritten Messplatz ein kristallines Standardmodul vermessen, welches mittels eines konventionellen Befestigungssystems auf einem Sandwichelement montiert ist.

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Auf Grundlage der Ergebnisse kann dann eine Aussage über den Ertrag getroffen werden. Hohe Temperaturen und dadurch in den Hohlräumen entstehender Überdruck führten bereits kurz nach Testbeginn zu leichter Blasenbildung bei der umlaufend abgedichteten Variante. Die direkte Verklebung auf die Sandwichelemente führt möglicherweise zu einer negativen Beeinflussung der elektrischen Performance der PV-Zellen durch die thermischen und geometrischen Gegebenheiten. Erste Betrachtungen der systemeigenen Verschattung ergaben außerdem, dass die Ausrichtung der Zellen auf dem Sandwichelement deutlichen Einfluss auf die elektrische Performance hat. Eine Komplettabschattung einzelner Zellen erzeugt dabei deutlich höhere Verluste, als eine gleichmäßige Teilabschattung aller Zellen eines Strings. Bei trapezförmigen Oberflächen wird, besonders bei sehr schräg einfallender Strahlung, durch die Hochsicken ein deutlicher Schlagschatten erzeugt, während bei dem Wellenprofil sehr inhomogene Einstrahlungsverhältnisse von nahezu senkrechter Einstrahlung bis hin zur fast vollständigen Verschattung der PV-Flächen auftreten. Die Quantifizierung der Einstrahlungsverhältnisse wird sowohl rechnerisch als auch an einem speziell dafür entwickelten Verschattungstestmodell vorgenommen. Um fundierte Aussagen zum thermischen Verhalten treffen zu können, wird ein numerisches Simulationsmodell erstellt. Erste Untersuchungen zeigen, dass bei direkter Verklebung Temperaturen bis über 100 °C auftreten können, wodurch deutliche Ertragseinbußen

im Vergleich zu konventionell hinterlüftet angebrachten PV-Modulen zu erwarten sind. Die Projektergebnisse werden zeigen, inwiefern die erstmalig in solcher Weise verwendeten flexiblen PV-Module mit Kugelsolarzellen den Anforderungen aus der Bautechnik und der elektrischen Performance entsprechen. Desweiteren wird überprüft, ob sich die Ergebnisse auf Dünnschicht-PV-Module übertragen lassen, da die verwendete Technologie vergleichbaren geometrischen Einflüssen unterliegt.

4.2 Wirtschaftlicher Ansatz Die Nachfrage nach photovoltaisch integrierten Stahlleichtbauelementen hängt stark mit den aktuellen Veränderungen in der Photovoltaikbranche zusammen. Die aktuelle Entwicklung der Photovoltaikmodulbranche verbunden mit der Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG 2012) wird schon in wenigen Jahren dazu führen, dass Photovoltaikanlagen ohne politisch initiierte, finanzielle Unterstützung wirtschaftlich sein müssen. Demnach wird mit Erreichen des Gesamtausbauziels von 52 GW die Einspeisevergütung für Photovoltaikstrom gänzlich entfallen [14]. Stetig steigende Energiepreise führen dazu, dass Photovoltaik bereits jetzt im Bereich der privaten Haushalte ohne EEG durch einen hohen Eigenverbrauch wirtschaftlich ist. Auch im für das Forschungsprojekt P 880 relevanten Sektor der Industrie- und Gewerbetreibenden (insbesondere der Bereich der Gewerbetreibenden, da im Bereich der Industrie deutlich niedrigere Strombezugskosten anfallen), dessen Anteil am Gesamtstrom-

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verbrauch in Deutschland 70 % beträgt, lohnt sich in einigen Jahren die Investition in eine Photovoltaikanlage. Sobald die Einspeisevergütung bzw. die Marktprämie bei Direktvermarktung unter das Niveau der Energiebezugskosten pro Kilowattstunde sinkt bzw. gänzlich entfällt, wird insbesondere der Eigenverbrauch des erzeugten Stroms für einen Teil des für den Betrieb des Gebäudes notwendigen Energiebedarfs und darüber hinaus für die Prozessenergie des Gebäudenutzers lukrativ. Die optimale Anlagengröße richtet sich dabei neben standort- und ausrichtungsspezifischen Parametern einerseits nach dem jeweiligen Lastprofil des Nutzers, andererseits nach der Höhe des Strombedarfs sowie nach dem Strombezugspreis und ist im Planungsprozess genau zu berücksichtigen. Lastgänge mit hohem Verbrauch in der Mittagszeit sowie zeitlich durchgehend produzierende Gewerbe sind insbesondere für den photovoltaischen Eigenverbrauch geeignet. Eine mögliche Option zur optimalen Anlagenauslegung für den Eigenverbrauch besteht hierbei in der Unterdimensionierung der Anlage, da so der erzeugte Strom nahezu vollständig selbst verbraucht wird und somit die Netzeinspeisung entfällt. Je nach Ertrag, Lastprofil und Strombedarf sind dabei bis zu 23 % Eigenbedarfsdeckung bei maximaler Ausnutzung der Anlagenleistung möglich. Nach Ablauf der Betriebsdauer von 25 Jahren kann die Anlage repowered, erweitert und zusätzlich mit Speichertechnologien, die bis zu die-

sem Zeitpunkt mit hoher Wahrscheinlichkeit wirtschaftlich sind, ergänzt werden, um den Eigenverbrauch nochmals zu erhöhen. Eine weitere Möglichkeit ist die Auslegung der Anlage zur möglichst hohen Deckung des Eigenbedarfs. Bild 14 zeigt das spezifische Tageslastprofil G0 (Gewerbe allgemein) bei einem Strombedarf von 50000 kWh/a, aufgeschlüsselt nach Sommer- (SZ), Winter- (WZ) und Übergangszeit (ÜZ), exemplarisch für einen Werktag mit und ohne PV-Eigenverbrauch, wobei negative Werte einer Netzeinspeisung entsprechen. Hier kann bei einer Anlagengröße von 52,3 kWp am Standort Berlin mit Ost-West-Ausrichtung eine Deckung des Eigenbedarfs bezogen auf den Stromverbrauch in Höhe von 50 % erzielt werden; bezogen auf die Anlagengröße werden 70 % Eigenverbrauch erreicht. Diese Anlagenkonfiguration amortisiert sich bei Anschaffungskosten in Höhe von 1800 €/kWp nach ca. 14 Jahren (einfache Kalkulation ohne Berücksichtigung von Steuern und Kapitalkosten). Auch hier kann zu gegebener Zeit durch Einsatz von Speichertechnologie der Eigenverbrauch nochmals deutlich erhöht werden.

5 Zusammenfassung und Ausblick Die dargestellten Ergebnisse und Lösungsansätze verdeutlichen die Möglichkeiten der energetischen Optimierung von Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise. Im Rahmen weiterführender Untersuchungen wird auf passivischer Seite eine zunehmend integralere Be-

Bild 14. Spezifisches Tageslastprofil G0 (Gewerbe allgemein) Fig. 14. Specific daily demand set G0 (common industry)

trachtung bauphysikalischer Aspekte erfolgen. Ziel ist eine umfassende Beurteilung von Wärmeschutz, Feuchteschutz, Luftdichtheit sowie deren Wechselwirkungen. Die aktivische Seite verspricht durch die vorgestellten Ergebnisse das beschriebene Potential effizient auszunutzen. Sowohl Solarthermie- als auch PV-Elemente stellen eine Verbesserung und nachhaltige Entwicklung im Stahlleichtbau dar. Derzeit werden im Projekt P 880 die Schnittstellen zwischen aktivem und passivem Ansatz bearbeitet. Denn es ist selbstverständlich, dass integrative Bauteile zur Energiegewinnung funktionierende bauphysikalische Eigenschaften aufweisen und praxistauglich werden.

Literatur [1] Feldmann, M., Doering, B., Kuhnhenne, M., Sedlacek, G.: Zum Thema „Nachhaltigkeit“ in der Stahlbauindustrie. Stahlbau 77 (2008), H. 10, S. 713– 720. [2] Kuhnhenne, M., Doering, B., Kocker, R., Pyschny, D., Feldmann, M.: Die Ökobilanz als Baustein der Nachhaltigkeitsbewertung im Industrie- und Gewerbebau. Stahlbau 79 (2010), H. 6, S. 439– 447. [3] Bach, J., Brieden, M., Deininger, F., Feldmann, M., Hachul, H., Krueger, H., Kuhnhenne, M., Misiek, T., Rexroth, S., Roeßling, H., Ummenhofer, T.: Mehrdimensional energieoptimierte Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise für den Industrie- und Gewerbebau. Stahlbau 80 (2011), H. 10, S. 734–739. [4] Nuesse, G., Limbachiya, M., Herr, R., Wieland, H.-J.: Active management of the early innovation phase in steel application research for the construction sector. Steel Construction 4 (2011), H. 1, S. 34–40. [5] DIN V 4108-4: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden. Teil 4: Wärme- und feuchteschutztechnische Bemessungswerte. Berlin, Deutsches Institut für Normung e.V., Juni 2007. [6] Kuhnhenne, M., Feldmann, M., Doering, B.: Grundsätze und Lösungen zur Wärmebrückenreduktion im Metallleichtbau. Stahlbau 79 (2010), H. 5, S. 345–355. [7] DIN 4108-3: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden. Teil 3: Klimabedingter Feuchteschutz. Berlin, Deutsches Institut für Normung e.V., Juli 2001. [8] E DIN 4108-3: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden. Teil 3:

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Klimabedingter Feuchteschutz. Berlin, Deutsches Institut für Normung e.V., Januar 2012. [9] Kuhnhenne, M., Feldmann, M., Doering, B., Spranger, S.: Luftdichtheit im Stahlleichtbau – Gebäudehüllen in Sandwichbauweise. 2. Europäisches BlowerDoor-Symposium März 2007, „Dichte Gebäudehülle, Thermografie und Wohnungslüftung“, energie + umwelt zentrum. [10] DIN 4108-2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden. Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. Berlin, Deutsches Institut für Normung e.V., Juli 2003. [11] DIN 4108-7: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden. Teil 7: Luftdichtheit von Gebäuden. Berlin, Deutsches Institut für Normung e.V., Januar 2011. [12] DIN 18452: Abdichten von Außenwandfugen mit imprägnierten Fugendichtungsbändern aus Schaumkunststoff – Imprägnierte Fugendichtungsbänder. Berlin, Deutsches Institut für Normung e.V., Juli 2009. [13] IFBS 4.03: Wärmebrückenatlas der Metallsandwichbauweise. Februar 2010.

[14] Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz – EEG) vom 04.08.2011, BGBL. I, 2011.

Autoren dieses Beitrages:

Prof. Dr. Romy Morana, Romy.Morana@htw-berlin.de, B.Sc. Ramona Görner, Ramona.Goerner@htw-berlin.de, HTW – Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, FB 2 Umweltinformatik/Betriebliche Umweltinformatik, Wilhelminenhofstraße 75A, 12459 Berlin

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann, feldmann@stb.rwth-aachen.de, Dr.-Ing. Markus Kuhnhenne, mku@stb.rwth-aachen.de, Dipl.-Ing. Matthias Brieden, m.brieden@stb.rwth-aachen.de, RWTH Aachen, Institut und Lehrstuhl für Stahlbau und Leichtmetallbau, Mies-van-der-Rohe-Straße 1, 52074 Aachen

Prof. Dr.-Ing. Helmut Hachul, helmut.hachul@fh-dortmund.de Dipl.-Ing. (FH) Janine Bach, janine.bach@fh-dortmund.de Dipl.-Ing. (FH) Heike Rößling, heike.roessling@fh-dortmund.de Lehr- und Forschungsgebiet Architektur + Metallbau, Fachbereich Architektur, Fachhochschule Dortmund, Emil-Figge-Straße 40, 44227 Dortmund

Prof. Dr.-Ing. Susanne Rexroth, Susanne.Rexroth@htw-berlin.de, Dipl.-Ing. (FH) Florian Deininger, Florian.Deininger@htw-berlin.de, HTW – Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, FB 1 Umwelttechnik/ Regenerative Energien, Wilhelminenhofstraße 75A, 12459 Berlin

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer, ummenhofer@kit.edu, Dipl.-Ing. Helmut Krüger, helmut.krueger@kit.edu, Dipl.-Ing. Christian Fauth, christian.fauth@kit.edu, Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine, Karlsruher Institut für Technologie, Otto-Ammann-Platz 1, 76131 Karlsruhe

„Eine bedeutende Investition für die saarländische Stahlindustrie“, nannten die Technikvorstände von Dillinger Hütte und Saarstahl, Dr. Norbert Bannenberg und Martin Baues, die umfassende Sanierung der ZKS in Höhe von insgesamt rund 220 Mio. Euro. „Damit ist der neueste Stand in der Kokereiofentechnik gewährleistet und der Umweltschutz am Standort Dillingen noch einmal deutlich verbessert“, bekräftigte Bannenberg anlässlich des Abschlusses der Sanierungsarbeiten, und Baues hob die Bedeutung für die Standortsicherung der saarländischen Stahlindustrie hervor: „Die Sanie-

rung leistet einen wichtigen Beitrag zur Versorgung der Hochöfen der ROGESA Roheisengesellschaft Saar mit höchster Koksqualität.“ Im Rahmen der Sanierung der Batterien wurden modernste Technologien für den Immissionsschutz zur Anwendung gebracht. So führen zum Beispiel ein neues System zur Füllgaserfassung sowie die Installation einer Einzelkammerdruckregelung für die Koksöfen zu einer Verringerung der Emissionen. Außerdem wurde ein zweiter Löschturm gebaut, das Beheizungssystem der Koksöfen optimiert und die Gas-Entschwefelung erneuert. Die Sanierung umfasste neben den Batterien auch die Kohlenwertstoffanlage, die so genannte „Weiße Seite“ der ZKS. Dabei wurden alle Anlagen, die der Reinigung des Koksgases dienen, modernisiert und ebenfalls auf den neuesten Stand der Technik gebracht. Insgesamt flossen über 10 % der Investitionssumme in die Verbesserung des Umweltschutzes. Rund die Hälfte der Aufträge für die Sanierung der Zentralkokerei Saar wurde an Partnerfirmen aus dem Saarland und der Großregion vergeben.

Aktuell Sanierung der Zentralkokerei Saar abgeschlossen Die Optimierung der Kokserzeugung sowie eine Verringerung der Emissionen standen im Vordergrund der 2007 begonnenen Sanierung bei der Zentralkokerei Saar GmbH (ZKS), einer gemeinsamen Tochtergesellschaft der AG der Dillinger Hüttenwerke und der Saarstahl AG. Nun ist sie abgeschlossenen – nach dem Neubau der 2010 in Betrieb gegangenen Batterie 3, konnte aktuell auch die komplett sanierte Batterie 1 erfolgreich in Betrieb genommen werden.

Die Zentralkokerei Saar GmbH (ZKS) in Dillingen (Quelle: Dillinger Hütte)

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Weitere Informationen finden Sie unter: www.dillinger.de

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Fachthemen Tina Dettmer Paul Floerke Mike Gralla Christoph Herrmann Sabine Kubny

Sebastian Lübke Eva Preckwinkel Lara Stein Karsten Tichelmann Thomas Ummenhofer

Dieter Ungermann Sonja Weiß Bastian Ziegler Tim Zinke Alena Patschin

DOI: 10.1002/stab.201301649

Potenziale und Chancen der Stahl(leicht)bauweise beim Bauen im Bestand Im Rahmen einer nachhaltigen Stadt- und Raumentwicklung liegt derzeit ein Schwerpunkt auf der Verdichtung, Modernisierung und Sanierung von Bestandsgebäuden. Hier ergeben sich große Chancen für den Stahl(leicht)bau, da der Werkstoff Stahl in diesem Marktsegment deutliche Vorteile im Vergleich zu anderen Baustoffen aufweist. Die Verwendung von Stahl ermöglicht leichte Bauteile, einen hohen Vorfertigungsgrad und gute Rezyklierbarkeit der Konstruktion. Nachhaltige Bauaufgaben im Bestand erfordern dabei ganzheitliche Betrachtungen aller Fachdisziplinen unter Berücksichtigung funktionaler, wirtschaftlicher, ökologischer und sozio-kultureller Aspekte. Im Rahmen des vorgestellten Forschungsvorhabens entwickelt die interdisziplinäre Forschergruppe ganzheitliche, nachhaltige Lösungsmöglichkeiten für die Modernisierung von Bestandsobjekten mit einer optimierten Tragstruktur der Aufstockung in Stahl(leicht)bauweise. Potentials and prospects of the steel- and lightweight steel structures with existing buildings. To achieve a sustainable urban and spacial development the focus currently lies on the urban concentration, modernization and redevelopment of existing building stock. This especially opens up opportunities for (lightweight) steel construction, since steel has considerable advantages in comparison with other materials. The use of steel leads to lightweight building elements, high prefabrication, and good recyclability of the structure. Sustainable projects dealing with the building stock require a holistic view on all fields of building construction in consideration of functional, economic, ecologic and socio-cultural aspects. Within the scope of the presented research project an interdisciplinary research group develops integral, sustainable solutions for the modernisation of the building stock with optimised (lightweight) steel structures for building extensions.

1 Einleitung Der Nutzung vorhandener Gebäudestrukturen wird – heute und in Zukunft – im Rahmen der innerstädtischen Verdichtung eine wesentliche Bedeutung zukommen [1]. Das Ziel der nachhaltigen Entwicklung ist ein wesentlicher Aspekt bei der Modernisierung von Bestandsgebäuden, um u. a. den ressourcenschonenden Bau und Rückbau sowie eine effiziente Nutzungsphase des Gebäudes zu ermöglichen. Das vorgestellte Forschungsprojekt „Bauen im Bestand – Potenziale und Chancen der Stahl(leicht)bauweise“ (P845) hat das Ziel, nachhaltige Lösungen für das Bauen im Bestand mit Stahl zu entwickeln. Im Rahmen der Nachhaltigkeitsentwicklung des Gebäudebestandes und möglicher

Instandsetzungs- und Erweiterungsmaßnahmen sind funktionale, wirtschaftliche, ökologische sowie soziokulturelle Kriterien zu berücksichtigen. Hier setzt die interdisziplinäre Forschergruppe an, die aus Wissenschaftlern der Fachgebiete Architektur und Baukonstruktion, Stahlbau, Baubetrieb und Bauprozessmanagement, Bauphysik und Tragwerkslehre sowie der Nachhaltigkeitsbewertung besteht. Nachfolgend wird ein Überblick über erste Forschungsergebnisse der einzelnen Disziplinen gegeben, der als Zwischenstand des laufenden Vorhabens zu verstehen ist. Die Aufmerksamkeit der Forschungen liegt auf der Anwendung von Stahl im Bestand, da Stahl sich in besonderer Weise als Baustoff zur Verdichtung und Modernisierung von Bestandsgebäuden eignet und gegenüber

anderen Baustoffen wesentliche Vorzüge im Konstruktionsgewicht, der Vorfertigung, der Montage und der Rezyklierbarkeit des Baustoffes aufweist.

2 Auswahl und Analyse der Bestandsgebäude Im Rahmen des Forschungsprojektes erfolgte die exemplarische Analyse von Gebäuden aus der Nachkriegsmoderne, die kennzeichnend für ihre Bauzeit und ihre Bautypologie sind (s. auch [2]). Maßgebende interdisziplinäre Kriterien für die Auswahl der zu bearbeitenden Objekte sind u. a. eine innerstädtische bzw. verdichtete Lage, baubetriebliche Fragestellungen, erwartete Überdimensionierung der Tragkonstruktionen und ein daraus abzuleitendes Potenzial für mögliche Erweiterungen, typische Rasterungen/typische Bauelemente der Zeit sowie ein sanierungsbedürftiger Originalzustand des Gebäudes. Aus den analysierten Bestandsgebäuden, die anhand der genannten Kriterien ausgewählt wurden, wird nachfolgend beispielhaft der Nordflügel des Physikgebäudes auf dem Campus Nord der TU Dortmund dargestellt. Dieses Gebäude basiert auf einer Systemplanung der siebziger Jahre und weist daher eine typische Bauart auf, die an insgesamt neun Standorten in Deutschland Anwendung fand. Bei dem viergeschossigen Physikgebäude der TU Dortmund handelt es sich um einen Stahlbetonskelettbau, dessen Tragwerk in Bild 1 isometrisch dargestellt ist. Vorabuntersuchungen auf Basis der Bestandsstatik ergaben, dass das Gebäude Potenziale für eine Aufstockung bietet, da alle Bauteile des Gebäudes Tragwerksreserven aufweisen.

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der Erhalt des Gebäudes angestrebt und eine Modernisierung mit einer Gebäudeaufstockung in Betracht gezogen werden. Auf dieser Grundlage wurden Entwürfe für Aufstockungsund Sanierungskonzepte nach unterschiedlichen Prinzipien ausgearbeitet, die nachfolgend dargestellt werden.

3 Baukonstruktive Aspekte zur Sanierung und Aufstockung

Bild 1. Tragwerksisometrie, Physikgebäudes der TU Dortmund Fig. 1. Isometry of the loadbearing structure, institute building of Physics TU Dortmund

Überlegungen zur Sanierung der Bestandsfassade als auch zu einer möglichen Gebäudeaufstockung führen zu zwei wesentlichen Ansätzen, die jeweils miteinander kombiniert werden können: 1. Erhalt oder Rückbau der markanten sekundären Fassade (Wartungsbalkone/feststehender Sonnenschutz) 2. bündige Gebäudeaufstockung (Raster 7,20 m) oder eingerückte Gebäudeaufstockung (Raster 2,40 m)

Für die vertiefte statische Analyse des Bestandsgebäudes werden FiniteElemente-Berechnungen durchgeführt, in denen die gesamte Tragstruktur, einschließlich des Gebäudekerns abgebildet wird (s. Bild 2). Dabei werden die Lasten nach dem heutigen Stand der Normung und die besonderen Eigenschaften der damals verwendeten Baustoffe berücksichtigt. Diese Analyse bestätigt die Annahme, dass ausreichende Tragreserven für die Aufstockung mit mindestens einem Geschoss vorhanden sind. Aus statisch-konstruktiver Sicht kann daher

In Bild 3 wird der Fassadenschnitt zu einer dieser Entwurfsvarianten gezeigt. In dieser (architektonisch bevorzugten) Variante bleibt die gestaltprägende sekundäre Fassade, nach dem Austausch der primären Fassade, erhalten. Die Gebäudeaufstockung in Stahlleichtbauweise (1 Etage, 481 m2 BGF) nimmt sich mit ihrer Kubatur zurück und setzt sich dadurch optisch vom Bestandsgebäude ab. Die einzelnen Komponenten der primären Fassade müssen so gewählt sein, dass die Anforderungen der jeweils gültigen EnEV eingehalten werden können.

Bild 2. FE-Berechnung (Verformung) des Physikgebäudes Fig. 2. FE-analysis (deformation) of the institute building of Physics

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Die Fertigteilkonsolen sind im Bestandsbauwerk direkt in die Ortbetongeschossdecken eingearbeitet. Aus dieser Konstruktionsweise ergeben sich konstruktive Wärmebrücken, die im Zuge einer Sanierung durch eine innenliegende Wärmedämmung mit Dampfsperre (s. Bild 3) kompensiert werden können. Die Durchführbarkeit dieser baukonstruktiven Lösung kann auf Grundlage der Wärmebrückenberechnung der Konsole im Rahmen des Forschungsvorhabens bestätigt werden. Die gestaltprägenden Wartungsbalkone können weiterhin zu ihrem Zweck verwendet werden und bieten zudem den Vorteil eines feststehenden Sonnenschutzes. Im Hinblick auf die Ökobilanzierung wirkt sich dieser Entwurf, durch die Wiederverwendung der sekundären Fassadenelemente, positiv aus. Am Beispiel dieser dargestellten Entwurfsvariante kann die These verifiziert werden, dass Stahlbetonskelettbauten aus den siebziger Jahren ein architektonisches wie auch tragkonstruktives Potenzial in sich tragen. Durch angemessene und notwendige (Um-) Baumaßnahmen können diese Gebäude den aktuellen Nutzungsanforderungen gerecht werden.

4 Optimierte Aufstockung in Stahlbauweise Für Aufstockungen von Bestandsgebäuden bietet sich der Werkstoff Stahl für eine ressourcenschonende und nachhaltige Bauweise an. Neben dem geringen Eigengewicht von Stahlkonstruktionen, die einen minimalen Eintrag zusätzlicher Lasten in den Bestand hervorrufen, zeigen sich erhebliche Vorzüge im Bauablauf, da vorgefertigte modulare Bauelemente verwendet werden können, die bei der Montage einen geringen Platz- und Zeitbedarf erfordern. Diese Vorteile des Baustoffes Stahl können (neben der Tragstruktur) auch bei den raumabschließenden Elementen in Wand und Dach verwendet werden. Bild 4 stellt eine Aufstockungsvariante für das Physikgebäudes der TU Dortmund dar, das die genannten Vorzüge der Stahlbauweise optimal ausnutzt. Aus statischen Gründen schließt die Aufstockung in dieser Variante bündig mit dem Bestandsgebäude ab. Damit passt sich das Raster des Stahltragwerks an das Gebäuderaster an,

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Q

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O2

O1

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2,40 +20.00

Attika

UPE 80

IPE 180

M12, 4.6

RRO 180x10x5

1,68

+16.00

Ebene 13

+12.00

1,04

3,045

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1

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Ebene 14

+4.00

1,04

Hohlprofil 120 x 50 mm, Achsabstand 800 mm

445

1

50

Ebene 11

Ebene 10

Fassadenansicht Physik TU Dortmund © Dipl.-Ing. Lara Stein, Dipl.-Ing. Sonja Weiß Façade elevation of the Institute of Physics TU Dortmund © Dipl.-Ing. Lara Stein, Dipl.-Ing. Sonja Weiß

Fassadenschnitt Physik TU Dortmund© Dipl.-Ing. Lara Stein, Dipl.-Ing. Sonja Weiß Vertical façade section of the Institute of Physics TU Dortmund © Dipl.-Ing. Lara Stein, Dipl.-Ing. Sonja Weiß

Fassadenschnitt: Wiederverwendung Sekundäre Fassade, mit eingerückter Gebäudeaufstockung 01. Dachaufbau Gebäudeaufstockung + Begrüntes Flachdach (Leichtdachaufbau) 01.01 01.02 01.03 01.04 01.05 01.06 01.07 01.08 01.09 01.10

Pflanzebene "Sedumteppich" Systemerde "Steinrosenflur leicht" 55 l/m2 Floraset FS 75 Trenn- und Schutzmatte TSM 32 Wurzelfeste Abdichtungsbahn zweilagig Wärmedämmung 200 mm, 0,035 (W/mK) Dampfsperre, PE-Folie PCM (Kunststoffbeutel mit Paraffinfüllung) Attika aus Stahlblech verzinkt Metallverkleidung Stahlblech verzinkt

02. Gebäudeaufstockung Tragwerk 02.01 02.02 02.03 02.04 02.05 02.06 02.07

Profil Aussenstützen RRO 180 x 100 x 5 Profil Innenstützen QRO 180 x 8 Profil Hauptträger IPE 180 Profil Fassadenanschluss UPE 80 Profil Längsträger innen IPE 140 Profil Querträger innen RRO 90 x 50 x 3,2 Trapezblech Positivlage HP 85/280

03. Bodenaufbau 4. Obergeschoss 03.01 03.02 03.03 03.04 03.05 03.06

Kunstharz 10 mm, geschliffen und geölt Voranstrich Fließestrich 35 mm, schwimmend verlegt Trennlage Trittschalldämmplatte 20 mm, Mineralwolle Stahlbetonrippendecke: Bn 250 (Feld), Bn 350 (Stütze), bo/bu/d = 500/400/400 mm

03.07 Mittelbalken: Bn 250 (Feld), Bn 350 (Stütze), bo/bu/d = 800/600/850 mm 03.08 Randbalken: Bn 250 (Feld), Bn 350 (Stütze), bo/bu/d = 915/815/850 mm 03.09 Stahlbetonkonsole b/h = 355/555 mm (Abriss) 03.10 Stahlbetonstütze: Bn 350, b/h/l = 500/500/3150 mm 04. Bodenaufbau Ebene 11-13 04.01 Linoleum 2,5 mm 04.02 Gussasphaltestrich 35 mm, schwimmend verlegt 04.03 Trennlage 0,1 mm (Annahme) 04.04 Dämmmatte 28 mm (Annahme) 04.05 Rippendecke: Bn 250, Bst 50/55, dPlatte = 100 mm, Rippe bo/bu/d = 500/400/400 mm 04.06 Mittelbalken: Bn 250 (Feld), Bn 350 (Stütze), bo/bu/d = 800/600/850 mm, punktuell geschlitzt 04.07 Randbalken mit Auskragung: Bn 250 (Feld), Bn 350 (Stütze), bo/bu/d = 650/550/850 mm + b/d = 265/450 mm, punktuell geschlitzt 04.08 Innenraumdämmung, Randbalken im Deckenfeld des Konsolanschlusses Dämmplatte, d=120mm Dampfsperre 04.09 Heizkanal b/h = 265/400 mm 04.10 Schall- und Brandschutzabkofferung, d=20mm 04.11 Hohlraumdämmung Mineralwolle 04.12 Konvektorheizung

±0.00

Bestand

Rückbau

04.13 Halfenschienen Profil 40/22 mm, Länge 300 mm , Abstand zum Primärraster im Bestand 600 mm + 3000 mm + 3000 mm 04.14 Stahlbetonstütze: Bn 350, b/h/l = 500/500/3150 mm 05. Bodenaufbau Ebene 10 05.01 05.02 05.03 05.04 05.05 05.06 05.07 05.08 05.09 05.10 05.11 05.12 05.13 05.14 05.15 05.16 05.17 05.18

Stahlbetonstütze: Bn 350, b/h/l = 500/500/3165 mm Linoleum 2,5 mm Gussasphaltestrich schwimmend verlegt 40 mm Trennlage 0,1 mm [Annahme] Dämmmatte 40 mm [Annahme] Stahlbetonsohle 200 mm Heizkanal b/h = 1700/1000 mm Konvektorheizung Pfahlkopf b/h = 1700/1000 mm Pfahlschaft Durchmesser 1,40 m, Gründungstiefe 11 m Frostschürze h = 850 mm ab OKFF-Gelände, mit Isolieranstrich Perimeterdämmung EPS 30 mm= 0,04 (W/mK) PE-Folie Stahlblech Sauberkeitsschicht 50 mm Folie Grubenkies 300 mm Erdreich

Sanierung/ Neubau

Stahlbau

Hohlprofil 120 x 50 mm, Achsabstand 800 mm Vertikale Befestigung: am Fußpunkt mit L-Profil 140 verschraubt, L-Profil 140 auf Ausgleichselement Horizontale Befestigung durch: Langlochwinkel an die vorh. Halfenschienen des Randunterzugs zusätzlich Dübel an der Stirnseite des Randunterzugs Riegel, Hohlprofil 120 x 50 mm Deckprofil 50 mm (vertikal und horizontal), Tiefe 30 mm, sichtbare Verschraubung Sonnenschutzglas als 3-fach Verglasung, Ug-Wert = 0,7 W/(m2K), d = 30 mm Festverglasung Dreh-Kipp-Fenster Sandwichelement mit integrierter Schallund Brandschutzabkofferung, d=120mm Dämmung mineralisch Innenseitig Vermiculite- Platten, d=20mm Sandwichelement Brüstung, d=120mm Dämmung mineralisch 06.02 Sonnenschutz, Warema Raffstore 06.03 Blendschutz, Warema Typ TR.O. 04 Anlagenhöhe 1850 mm

06. Fassade Nutzungsbereich P1 N 06.01 Pfosten-Riegel Konstruktion, Stahl, Uf-Wert = 0,95 W/(m2K) Pfosten,

0

2m

4m

Bild 3. Fassadenschnitt Entwurfsvariante 1 Physikgebäude TU Dortmund © Dipl.-Ing. Lara Stein, Dipl.-Ing. Sonja Weiß Fig. 3. Sectional view of a potential structural design of the Institute of Physics TU Dortmund © Dipl.-Ing. Lara Stein, Dipl.-Ing. Sonja Weiß

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bäudeumfeld so wenig wie möglich beeinflusst und so auch im verdichteten, innerstädtischen Bereich vertreten werden kann.

5 Baubetriebliche Lösungsansätze für Bestandsbaumaßnahmen

Bild 4. Tragwerksstruktur der Aufstockung des Physikgebäudes Fig. 4. Structure of the extension of the institute building of Physics

so dass die Stützen in Längs- und Querrichtung im Abstand von 7,20 m angeordnet sind. Somit wird jede bestehende Betonstütze zum Abtrag der Lasten aus der Aufstockung herangezogen, um den zusätzlichen Lasteintrag gleichmäßig auf das Bestandsgebäude zu verteilen. Durch die Verwendung des höherfesten Stahls S460 für die Haupt- und Nebenträger des Daches kann eine Gewichtseinsparung bei der Dachkonstruktion erreicht werden. Entscheidend für das geringe Eigengewicht der Tragstruktur ist außerdem die Wahl der Aussteifung, die hier über Dach- und Wandverbände und den zusätzlichen Anschluss des Tragwerks an den Gebäudekern erfolgt. Vergleichsrechnungen zeigen, dass durch dieses Aussteifungssystem, gegenüber einer Aussteifung mit Rahmentragwerken, eine erhebliche Materialeinsparung und somit eine Reduzierung des Konstruktionseigengewichtes erzielt wird. Auch die Konstruktion der Gebäudehülle bietet weiteres Einsparpotenzial, indem auf Leichtbauelemente (Sandwichelemente) zurückgegriffen wird, die zusätzlich energetisch optimiert sind und durch die kleinteiligen, modularen Elemente eine schnelle Montage ermöglichen. Die dargestellte Stahlkonstruktion bietet wesentliche Vorzüge im Bauprozess. Die geringe Anzahl unterschiedlicher Bauteile ermöglicht eine wirtschaftliche Werkstattfertigung der Bauteile, die dann mit geringem Aufwand über Schraubverbindungen auf der Baustelle montiert werden. Durch die Wahl von begrenzten Abmessungen der einzelnen Bauteile kann der Aufwand der Anlieferung und Montage so gering gehalten werden, dass der Bauprozess das Ge-

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Behördliche Auflagen, beengte Platzverhältnisse und die Aufrechterhaltung bestehender Geschäftsstrukturen während der Bauphase haben einen wichtigen Einfluss auf Sanierungs-, Modernisierungs- und Erweiterungsmaßnahmen beim innerstädtischen Bauen. Zielsetzung des baubetrieblichen Teils des Forschungsvorhabens ist es, optimierte Lösungsansätze für die Durchführung von Bestandsbaumaßnahmen der Fassadensanierung und insbesondere der Aufstockung zu finden. Die durchgeführten Analysen der nach dem interdisziplinären Kriterienkatalog ausgewählten Beispielobjekte zeigen, dass keine spezifischen neuen Lösungsansätze erforderlich sind und weitestgehend auf bereits standardisierte Bauverfahren und Bauabläufe zurückgegriffen werden kann. Aus diesem Grund werden weitere Bauwerke in die Analyse einbezogen, die Besonderheiten in Entwurf und Konstruktion wie z. B. doppelte Aufstockungen aufweisen. Auf Grundlage der analysierten Objekte kann festgestellt werden, dass für die Bauabläufe, die allgemeine Baustelleneinrichtung sowie die Optimierungspotenziale der Baustelleneinrichtung keine Besonderheiten bezüglich Entwurf, Konstruktion und Randbedingungen zu erwarten sind und somit von einer plan- und beherrschbaren Kostenausprägung in Bezug auf den Baubetrieb ausgegangen werden kann. Die Analyse der zusätzlichen Bauvorhaben wird weniger detailliert durchgeführt und dient im Wesentlichen der Identifikation von Besonderheiten. Für diese Bauwerke werden ergänzend die spezielle Baustelleneinrichtung sowie spezifische Bauabläufe und damit der Einfluss auf die Kalkulierbarkeit der Kosten betrachtet. Auf Basis der bisherigen Analysen können bereits die Grundlagen der Bauverfahren und Bauabläufe erfasst werden, aus denen im Weiteren Lösungsansätze zur schnellen systematischen Bewertung von Sanierungsund Modernisierungsmaßnahmen von Bestandsbauten mit Stahl-/Stahlleicht-

bauweise abgeleitet werden. Die theoretischen Grundlagen wurden bereits auf das Beispielobjekt Nordflügel des Physikgebäudes der TU Dortmund angewendet und Materialien, Materialmassen und Verbrauchswerte der Geräte in Bezug auf die Dauer der Baustelle sowie Bauablauf und Emissionen ermittelt. In einem weiteren Schritt werden anhand der vorliegenden Daten Rückschlüsse auf die entstehenden Kosten gezogen. Die Anwendungsmöglichkeiten des hierauf basierenden Systems zur Analyse der Baustellensituation im Hinblick auf optimale Bauabläufe sowie eine geeignete Baustelleneinrichtung unter wirtschaftlichen Aspekten, werden im weiteren Verlauf der baubetrieblichen Untersuchung anhand von verschiedenen Entwürfen verfeinert. Zudem kann durch die strukturierte Ermittlung der baustellenrelevanten Daten eine definierte Schnittstelle zu der aufsetzenden Lebenszyklusanalyse (Kosten und Emissionen) hergestellt werden. Nachdem die Ermittlung dieser Daten im Beispielobjekt Nordflügel des Physikgebäudes der TU Dortmund auf Grundlage von Entwurf und Konstruktion manuell erfolgte, ist es das Ziel der baubetrieblichen Lösungsansätze, die Ermittlung zu automatisieren.

6 Optimierung der Fassade mit Sandwichelementen Sandwichelemente, wie sie im Bauwesen üblicherweise bei Fassaden eingesetzt werden, verbinden hervorragende tragkonstruktive und bauphysikalische Eigenschaften. Durch die schubsteife Verbindung der äußeren Deckbleche, die selber nur wenige zehntel Millimeter Blechdicke aufweisen, über einen hocheffizienten wärmedämmenden inneren Kern, können hohe äußere Lasten im Vergleich zum Eigengewicht der Elemente abgetragen werden. Dies macht Sandwichelemente vor allem für das Bauen im Bestand interessant. Bauphysikalisch ist die Wärmedämmung von Sandwichelementen beispielsweise mit einem Polyurethanhartschaumkern nur durch wenige Materialien zu übertreffen. Eine zukünftige Herausforderung stellt jedoch die Berücksichtigung einer zusätzlichen Wärmespeicherkapazität dar, die aufgrund fehlender Masse der gewichtsmäßig optimierten Elemente nicht gegeben ist.

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Bild 5. Fünfschichtiger Aufbau eines Sandwichelementes mit integrierten PCM Fig. 5. Five-layered structure of a sandwich panel with integrated PCM

nung und Befestigung von Sandwichelementen gegeben, die der architektonischen Formulierung der Fassadenerscheinung größere Freiräume bietet.

7 Bauphysikalische Aspekte unter besonderer Berücksichtigung des sommerlichen Wärmeschutzes Im Rahmen der bauphysikalischen Betrachtungen zur Integration von Latentwärmespeichern in Stahlwandund -deckensysteme werden numerische Untersuchungen an einem Musterbüroraum durchgeführt. Die Geometrie und Ausführung des Referenzraums entsprechen demjenigen Raum, der für die Überarbeitung des Norm-

entwurfs für den sommerlichen Wärmeschutz (DIN E 4108-2:2011-10 [4]) herangezogen wird. Im Rahmen der Untersuchungen werden verschiedene Parameter der Latentwärmespeicher variiert, beispielsweise die Schmelztemperatur und Schmelzenthalpie. Beispielhaft sollen die Ergebnisse für Materialen mit einer Schmelztemperatur von 21 °C und einem Schmelzbereich von 17 bis 25 °C (PCM A) sowie für eine Schmelztemperatur von 26 °C mit einem Schmelzbereich von 22 bis 28 °C (PCM B) dargestellt werden. In Bild 6 ist exemplarisch der Temperaturverlauf des Musterraums im Sommer für einen Zeitraum von acht Tagen für vier verschiedene Wandkonstruktionsvarianten dargestellt. Einem Referenzraum in Massivbau und Leichtbauweise werden zwei Varianten in Stahlleichtbauweise mit integrierten PCM gegenüber gestellt. In der Grafik ist zu erkennen, dass sich das thermische Verhalten der verschiedenen Varianten bei einer ansteigenden Raumtemperatur in Folge solarer Einstrahlung und Außenlufttemperaturanstieg deutlich voneinander unterscheidet. Während der Raum in Leichtbauweise von Tag zu Tag einen kontinuierlichen Temperaturanstieg bis zu einer Maximaltemperatur von etwa 28 °C aufweist, ist im Raum in Massivbauweise ein geringerer Temperaturanstieg zu beobachten, die Maximaltemperatur im betrachteten Zeitraum ist um etwa 2 °C geringer.

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Die Verbindung von herkömmlichen Sandwichelementen mit den als PCM (Phase Change Materials) bekannten Materialien, die durch Änderung ihres Aggregatzustandes Wärmeenergie aufnehmen, speichern und wieder abgegeben können, bietet einen Lösungsansatz zur Schaffung von wärmedämmenden und gleichzeitig wärmespeichernden Fassadenelementen. Das im Rahmen dieses Forschungsprojektes untersuchte PCM ist Micronal PCM von der BASF SE, das prinzipiell in ein Sandwichelement integriert werden kann. Aus bauphysikalischer Sicht ist eine möglichst konzentrierte Anordnung der PCM am innen liegenden Deckblech sinnvoll. Idealerweise wird das PCM in einer separaten Schicht ungeschäumten Polyurethan-Kompaktmaterials eingearbeitet, da dieses eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dadurch kann das PCM sehr schnell auf Temperaturschwankungen reagieren und diese ausgleichen. Unabhängig davon inwiefern die Einbindung von PCM in das Kernmaterial des Sandwichelementes in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess möglich ist, ist eine Stückfertigung denkbar. Da es sich im Rahmen vorheriger Forschungstätigkeit [3] gezeigt hat, dass ein schubund vor allem zugfester Verbund zusätzlicher Schichten mit bereits ausgehärtetem Polyurethan-Hartschaum nachträglich äußerst schwierig zu realisieren ist, bietet es sich an, ein Sandwichelement mit einem fünfschichtigen Aufbau zu bilden, innenseitig mit und außenseitig ohne PCM. Der in Bild 5 gezeigte Aufbau bietet zusätzlich die Möglichkeit, das Sandwichelement einseitig ohne Durchsteckmontage mit der Tragstruktur des Gebäudes zu verbinden. Dabei wird eine Schraube vom Gebäudeinneren aus in dem zwischen dem Schaumkern liegenden Deckblech befestigt. Der damit verbundene vereinfachte, einseitige Montagevorgang könnte gerade beim Bauen im Bestand von großem Vorteil sein. Die statische Mitwirkung der zusätzlichen PCM-gefüllten Schicht ermöglicht die Einleitung von Zugkräften in das Sandwichelement, ohne dass es zu einer vorzeitigen Delamination eines nur einseitig an den Polyurethan-Kern angeschäumten Deckbleches kommt. Dadurch sind weitere Möglichkeiten einer modularen Pla-

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Bild 6. Einfluss der Schmelztemperatur des Latentwärmespeichers auf das thermische Verhalten eines Musterraums im Zeitraum vom 2. bis 9. Juli Fig. 6. Influence of melting temperature of latent heat storage on thermal behavior from July 2nd to July 9th

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8 Nachhaltigkeitsbewertung – erste Ergebnisse der ökobilanziellen Betrachtung Die seit Jahrhunderten maßgebenden Kriterien im Bauwesen – Ästhetik, Technik und Ökonomie – sind in den letzten Jahrzehnten zunehmend um den Aspekt der Ökologie erweitert

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worden, wobei der Schutz der menschlichen Gesundheit, der Schutz der Ökosysteme und der Schutz der Ressourcen im Vordergrund stehen [5]. Anhand von Ökobilanzen kann einerseits die Entscheidungsfindung bei der Auswahl zwischen möglichen Optionen unterstützt werden und andererseits können anhand von Stoffstromanalysen Schwachstellen in Prozessen oder Prozessketten erkannt werden. Die Betriebs- und Nutzungsphase spielt auf Grund ihrer maßgebenden Umweltwirkungen bislang eine übergeordnete Rolle (das Ausmaß ist stark abhängig von der für das Gebäude angesetzten Referenz-Lebensdauer [6]), allerdings wird langfristig durch den steigenden Einsatz erneuerbarer Energien die Relevanz der Nutzungsphase abnehmen und sich die ökologischen Hot Spots von Gebäuden dadurch in die vor- und nachgelagerten Prozesse (Produktion der Baumaterialen, Bau- und Rückbauprozesse, Recycling und Entsorgung) verschieben. Dadurch erhalten Bestandsbaumaßnahmen, die wie im Fall von Modernisierungen zu einer Verlängerung der Gebäudelebensdauer beitragen, eine zunehmend wichtigere Bedeutung. Im Rahmen des Referenzgebäudes des Physikgebäudes der TU Dortmund werden aktuell die Ökobilanzen für folgende Varianten gegenübergestellt: – Komplettabriss mit anschließendem Neubau – selektiver Rückbau mit zwei Modernisierungsvarianten des Bestandsgebäudes (erste Entwurfsvariante s. Bild 3) – Aufstockung des Bestandsbauwerks Zu diesem Zweck findet eine Stoffstrommodellierung der genannten Modernisierungsvarianten mit ihren relevanten Stoff- und Energieflüssen (alle Bauprozesse und Materialien) in Form von Stoffstromnetzen mit dem Computerprogramm Umberto [7] statt. Derzeit sind die Daten zu den Stoff- und Energieströmen des Neubaus noch nicht vollständig erfasst worden, doch erste Ergebnisse am Beispiel der Wirkungskategorie Treibhauspozential (GWP 100) zeigen, dass die Auswirkungen von selektivem Rückbau, Modernisierung und Aufstockung addiert in etwa der gleichen Höhe liegen wie allein schon die Treibhausgasemissio-

nen des Komplettabrisses (Bild 7). Bei dem relativen Vergleich des Einflusses der verschiedenen Bauteilgruppen ist zu erkennen, dass in der Wirkungskategorie Treibhauspotential die Fassade die maßgebenden Auswirkungen erzeugt, gefolgt von der Stahlbaukonstruktion der Aufstockung (Bild 8). Der Innenausbau, das Dach und die Balkone sind von geringerer Bedeutung, sollten aber nicht vernachlässigt werden. Die Ausbildung einer energetisch effizienten Fassade stellt dabei 100

100

90 78

80 Treibhauspotential [%]

Zu Beginn verhält sich der Raum mit PCM-A ähnlich wie ein Massivbau, der Anstieg der operativen Raumtemperatur wird durch das Material verzögert. Gegen Ende des Betrachtungszeitraums ist jedoch das Speichervermögen des PhasenwechselMaterials aufgebraucht, da die nächtliche Entladung nicht ausreichend hoch ist. Sobald das gesamte Material aufgeschmolzen ist, verhält sich die Raumtemperatur äquivalent zur Leichtbauweise ohne Latentwärmespeicher (siehe achter Tag der Simulation). Der Raum mit integriertem PCMB weist im Betrachtungszeitraum ab einer Raumtemperatur von etwa 23,5 °C keinen weiteren Temperaturanstieg auf. Dies ist auf den bei etwa 22 °C beginnenden Schmelzbereich des Phasenwechselmaterials B zurück zu führen. Aufgrund der hohen Wärmekapazität im Temperaturbereich zwischen 22 und 26 °C wird ein weiterer Temperaturanstieg verhindert. Dass dieser Raum am achten Tag des dargestellten Zeitraum keinen ähnlichen Temperaturanstieg wie der Raum mit PCM-A aufweist, ist darauf zurückzuführen, dass im Gegensatz zu PCM-A zu Beginn des Betrachtungszeitraums beinahe die gesamte Schmelzenergie zur Verfügung steht, während PCM-A aufgrund des niedrigeren Schmelzpunktes bereits teilweise geschmolzen ist. Bei einem längeren Zeitraum mit hohen Außentemperaturen und Wärmeeinträgen ist ein ähnlicher Temperaturanstieg wie am achten Tag für PCM-A auch für PCMB vorhanden, da an jedem Tag etwas mehr Energie eingespeichert wird als in der Nacht entladen werden kann. Durch eine Erhöhung der Schichtdicke des PCM oder die Verbesserung der Nachtauskühlung kann dieser Effekt verzögert oder verhindert werden. Die Wirksamkeit von Phasenwechselmaterialien wird also neben den reinen Produkteigenschaften auch maßgeblich von den spezifischen Randbedingungen im Gebäude beeinflusst.

70

60 50

40 30

23

20 10 0

Abriss

Selektiver Rückbau

Modernisierung und Aufstockung

Bild 7. Relative Ergebnisse von drei Bauprozessen dargestellt für die Wirkungskategorie Treibhauspotenzial (GWP 100) Fig. 7. Relative results of three processes for the impact category global warming potential (GWP 100) Innenausbau 7% Balkone, Attika 9%

Stahlbau 21%

Fassade 58%

Dach 5%

Bild 8. Relative Anteile der einzelnen Bauteilgruppen an den Auswirkungen in der Wirkungskategorie Treibhauspotenzial für die Entwurfsvariante Modernisierung und Aufstockung Fig. 8. Relative percentage of the defined component groups presented for the impact category global warming potential and the design variant modernization and addition of another storey

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eine Investition dar, um den Energieverbrauch in der Nutzungsphase zu minimieren. Diese Zusammenhänge werden im nächsten Arbeitsschritt in die Analysen integriert.

9 Zusammenfassung Im Rahmen des dargestellten Forschungsvorhabens „Bauen im Bestand – Potenziale und Chancen der Stahl(leicht)bauweise“ werden interdisziplinäre Ansätze zur nachhaltigen Modernisierung und Erweiterung von bestehenden Gebäuden unter Verwendung der Stahlbauweise entwickelt. Im Rahmen des exemplarisch vorgestellten Bestandsgebäudes – dem Nordflügel des Physik-Gebäudes der TU Dortmund – wird die Vielfalt aller in die Analysen zu integrierenden Aspekte und die Verflechtung der beteiligten Disziplinen deutlich. Die verschiedenen Entwurfsvarianten für die Aufstockung des Physikgebäudes zeigen unterschiedliche architektonische als auch statische Anforderungen. In Zusammenarbeit von Architekten und Ingenieuren entstanden Entwürfe in Stahl(leicht)bauweise, die sowohl den ästhetischen und baukonstruktiven Anforderungen als auch den statischen Erfordernissen für das Bestandsgebäude und die Aufstockung gerecht werden. Auf Grundlage der Entwurfsvarianten können baubetriebliche Lösungen für die Durchführung der Aufstockung und der Fassadensanierung entwickelt werden. Durch die Anwendung der Stahlbauweise in Kombination mit Sandwichelementen können leichte, stark wärmegedämmte Gebäude geschaffen werden, die jedoch eine geringe Wärmespeicherkapazität aufweisen. Die daraus resultierende schnelle sommerliche Aufheizung und die winterliche Auskühlung kann durch die Integration von Latentwärmespeichern in das Gebäude verzögert werden. Auf diese Weise können Gebäudeerweiterungen mit geringem Energiebedarf während der Nutzungsdauer geschaffen werden. Die Ergebnisse aller vorgestellten Disziplinen gehen als wichtige Eingangsparameter in die Nachhaltigkeitsanalysen von zu modernisierenden Bestandsgebäuden ein. Die hier beispielhaft vorgestellte Ökobilanz ist eine anzuwendende Methode im Rahmen einer Nachhaltigkeitsbewertung

und untersucht Eingriffe im Lebenszyklus eines Gebäudes, die bei der Bilanzierung von Neubauten planmäßig nicht erfasst werden. Die Ergebnisse der Stoffstrommodellierung einer Gebäudemodernisierung mit Aufstockung können als Benchmarks zukünftig dazu beitragen, den Vergleich Komplettabriss und anschließendem Neubau oder Modernisierung des Bestandes unter Verwendung des Baustoffs Stahl im Rahmen der Entscheidungsfindung im Planungsprozess zu unterstützen.

Danksagung Das IGF-Vorhaben 16598 der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. FOSTA, Sohnstraße  65, 40237 Düsseldorf wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Den fördernden Einrichtungen sowie den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses sei an dieser Stelle für ihre Unterstützung herzlich gedankt. Literatur [1] Bundesumweltamt: Schutz der biologischen Vielfalt und Schonung von Ressourcen – Warum wir mit Flächen sorgsam und intelligent umgehen müssen. Bericht Juli 2008. [2] Ungermann, D. et al.: Bauen im Bestand – Potentiale und Chancen der Stahl-/Stahlleichtbauweise. Stahlbau 80 (2011), H. 10, S. 720–727. [3] Ungermann, D., Lübke, S.: Innovative einseitige Verankerung von Sandwichelementen. Stahlbau 81 (2012), H. 12, S. 912–915. [4] DIN E 4108-2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil  2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz – Entwurf. Berlin, Deutsches Institut für Normung e.V., Oktober 2011. [5] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung: Leitfaden Nachhaltiges Bauen, online verfügbar unter http://www.nachhaltigesbauen.de/ fileadmin/pdf/Leitfaden_2011/ LFNB2011.pdf, 2011 (letzter Zugriff am 25. 10. 2012). [6] König, H., Lützkendorf, T., Cristofaro, D. L. De: Sensitivity of life-cycle analysis results to the required service life of buildings. In: Strauss, A., Frangopol, D. M., Bergemeister, K. (Hrsg.): Life-Cycle

and Sustainability of Civil Infrastructure Systems. Proceedings of the Third International Symposium on Life-Cycle Civil Engineering, Vienna, Austria, 3–6 October 2012. Leiden: CRC Press/Balkema, pp. 1546–1549. [7] Schmidt, M., Häuslein, A.: Ökobilanzierung mit Computerunterstützung – Produktökobilanzen und betriebliche Bilanzen mit dem Programm Umberto. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag 1997.

Autoren dieses Beitrages: Prof. Dr.-Ing. Architekt Paul Floerke, Ryerson University, Toronto, Kanada, paul.floerke@tu-dortmund.de, Dipl.-Ing. Lara Stein, lara.stein@uni-dortmund.de, Dipl.-Ing. Sonja Weiß, sonja.weiss@tu-dortmund.de, TU Dortmund, Lehrstuhl Baukonstruktion, August-Schmidt-Straße 8, GBII, 44227 Dortmund Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Ungermann, stahlbau@tu-dortmund.de, Dipl.-Ing. Eva Preckwinkel, eva.preckwinkel@tu-dortmund.de, Dipl.-Ing. Sebastian Lübke, sebastian.luebke@tu-dortmund.de, Dipl.-Ing. Alena Patschin, alena.patschin@tu-dortmund.de TU Dortmund, Lehrstuhl Stahlbau, August-Schmidt-Straße 6, GB I, 44227 Dortmund Univ.-Prof. Dr.-Ing. Mike Gralla, baubetrieb.bauwesen@tu-dortmund.de, Dipl.-Ing. Tim Brandt, tim.brandt@tu-dortmund.de, Dipl.-Ing. Sabine Kubny, sabine.kubny@tu-dortmund.de, TU Dortmund, Lehrstuhl Baubetrieb und Bauprozessmanagement, August-Schmidt-Straße 8, GB II, 44227 Dortmund Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer, thomas.ummenhofer@kit.edu, Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Tim Zinke, tim.zinke@kit.edu, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Versuchsanstalt für Stahl, Holz & Steine, Otto-Amann-Platz 1, 5 & 7, 76131 Karlsruhe PD Dr.-Ing. Christoph Herrmann, c.herrmann@iwf.tu-braunschweig.de, Dr.-Ing. Tina Dettmer, t.dettmer@tu-braunschweig.de, TU Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, Abteilung Produkt- und Life-Cycle-Management, Langer Kamp 19b, 38106 Braunschweig Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karsten Tichelmann, info@twe.tu-darmstadt.de, Dipl.-Ing. Bastian Ziegler, b.ziegler@twe.tu-darmstadt.de, TU Darmstadt, Institut für Trocken- und Leichtbau, Annastraße 18, 64285 Darmstadt

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Fachthemen Natalie Stranghöner Jörn Berg Anna Gorbachov Peter Schaumann Anne Bechtel

Rasmus Eichstädt Hermann-Josef Wagner Christoph Baack Jessica Lohmann

DOI: 10.1002/stab.201201642

Nachhaltigkeitsbewertung stählerner Tragkonstruktionen Erneuerbarer Energien Methodenentwicklung und Anwendungsbeispiele Der Ausbau Erneuerbarer Energien in Deutschland ist politisch verankert. Insbesondere unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit spielen die zugehörigen baulichen Anlagen eine wichtige Rolle. Bewertungssysteme zur Nachhaltigkeitsquantifizierung von baulichen Anlagen existieren zwar auf dem Gebäudesektor, jedoch nicht ausreichend für die Anwendung bei Ingenieurbauwerken. Im Zuge einer nachhaltigen Energieversorgung liegt es nahe, Nachhaltigkeitsaspekte bereits während der Planung und Ausführung von Anlagen zur Gewinnung Erneuerbarer Energien zu berücksichtigen. Der Beitrag behandelt die Entwicklung einer Methodik zur Nachhaltigkeitsbewertung von tragenden Stahlkonstruktionen Erneuerbarer Energien. Die Anwendung der Methodik erfolgt exemplarisch im Rahmen einer ökologischen Nachhaltigkeitsbewertung am Beispiel eines Baustahlfermenters einer Biogasanlage. Die entwickelte Methodik erlaubt einen Vergleich unterschiedlicher Bauweisen und Ausführungsvarianten in Bezug auf nachhaltigkeitsbezogene Gesichtspunkte und dient als Entscheidungshilfe unter Berücksichtigung von Anforderungen an eine nachhaltige Bauweise. Sustainability assessment for load carrying steel constructions of renewables – Development of methods and application examples. The upcoming installation of renewables in Germany is already politically established. Especially under consideration of sustainability aspects, the structural systems of renewables are very important. Rating systems for sustainability exist only for buldings but not sufficient for application in structural engineering. For a sustainable energy supply sustainability aspects should be considered during design and execution of structures of renewables. This article addresses the development of methods for sustainability assessment of load carrying steel structures of renewables. The described method is applied exemplary for the environmental sustainabilty assessment of a steel digester of a biogas power plant. With the help of the sustainability rating system, different construction methods can be compared under consideration of sustainability aspects. Furthermore, the method can be utilized as a help for a decision in order to fulfill sustainability requirements.

1 Einleitung Die Aktualität des Themas Nachhaltigkeit hat in den vergangenen Jahren weltweit einen zunehmenden Stellenwert erfahren. Insbesondere im Bereich der Energieversorgung erfährt die Sicherstellung einer nachhaltigen Energiegewinnung eine wichtige Bedeutung. Dementsprechend wird der Einsatz und Ausbau von Erneuerbaren Energien verstärkt fokussiert. In Deutschland ist die Energiewende im Rahmen des Erneuerbaren Energien Gesetzes (EEG) politisch verankert, so dass der Anteil Erneuerbarer Energien am Stromverbrauch bis zum Jahr

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2020 auf mindestens 35 % gesteigert werden soll. Bild 1 zeigt die deutschlandweite Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien in TWh ab dem Jahr 2000 und die Prognose bis zum Jahr 2020 [1]. Insbesondere für die Energiequellen Windenergie, Bioenergie und Fotovoltaik ist ein wachsendes Potential bzgl. der Stromerzeugung erkennbar. Zu der Umsetzung der politischen Ziele und dem Ausbau der Erneuerbaren Energien ist dementsprechend ein erhebliches Potential im Baugewerbe für lasttragende Komponenten der zugehörigen Anlagen vorhanden. Der Werkstoff Stahl spielt für die lasttragenden Konstruktionen eine bedeu-

tende Rolle, da beispielsweise umgebungsbedingte Herausforderungen von Offshore-Windenergieanlagen den Einsatz von Stahlstrukturen erfordern. Biogasanlagen stellen eine wichtige Säule bei der zukünftigen Energieversorgung dar. Durch die Möglichkeit der bedarfsgerechten Stromerzeugung sind ein Beitrag zur Netzentlastung, die Glättung von Last- und Erzeugungsspitzen sowie eine Verbesserung der fluktuierenden Stromerzeugung aus Wind und Fotovoltaik möglich. Des Weiteren ermöglichen Biogasanlagen – durchaus auch kleinerer Größenordnungen, z. B. 75-kW-Anlagen, die so genannten Gülle-Anlagen – die energetische Unabhängigkeit in ländlichen Regionen durch die Gewährleistung der Eigenversorgung. Bild 2 zeigt die Anzahl der deutschlandweit vorhandenen Biogasanlagen und die zugehörige installierte elektrische Leistung sowie die Prognose für die Jahre 2012 und 2013 [2]. Derzeit besteht der Großteil der Biogasfermenter vorhandener Biogasanlagen aus Stahlbeton. Der Anteil von Stahlfermentern ist aktuell mit 5 bis 10 % zu beziffern. Potential zur Stärkung des Stahlanteils ist ausreichend vorhanden – es sollte auch genutzt werden. Für eine mittlere Anlagengröße von 500 kWel mit zwei Hauptfermentern, einem Güllevorlagerbehälter und einem Gärrestbehälter ergibt sich ein Baustahlbedarf von etwa 120 t Stahl. Dies entspricht einem Verhältnis von etwa 0,24 t Baustahl pro 1 kWel installierter elektrischer Leistung. Bedingt durch den wachsenden Anteil der Bioenergie am deutschlandweiten Strombedarf ist bis zum Jahr 2020 von einer durchschnittlichen, jährlichen Zunahme von mindestens

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neuerbare Energien, mit dem Fokus auf Windenergie- (WEA) und Biogasanlagen, ermöglicht. Betrachtungsgegenstand dieser Bewertungsmethodik sind die Gründungsstrukturen von WEA und Fermenter von Biogasanlagen, jeweils ausgeführt in Stahlbauweise.

2 Methode zur Nachhaltigkeitsbewertung 2.1 Theoretischer Hintergrund

Bild 1. Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien in Deutschland entsprechend der Energieerzeugungsart ab dem Jahr 2000 und Prognose bis zum Jahr 2020 [1] Fig. 1. Generated electricity by renewables in Germany from the year 2000 until 2012 and forecast until the year 2020 [1]

Bild 2. Anzahl der Biogasanlagen und installierte elektrische Leistung in Deutschland sowie Prognose für die Jahre 2012 und 2013 [2] Fig. 2. Number of biogas power plants and installed electricity capacity in Germany and forecast for the years 2012 and 2013 [2]

230 MWel und auf der Grundlage der positiven Entwicklung bis zum Jahr 2011 sogar bis zu 500 MWel durch Biogasanlagen auszugehen. Unter Annahme eines Anteils der Baustahlbehälter an der Summe aller Biogasfermenter von 100 %, ergibt sich demzufolge ein durchschnittlicher, jährlicher Stahlbedarf von etwa 55000 t bis 120000 t Baustahl. Dieses Zahlenbespiel verdeutlicht das große Potential, welches bei dem Bau von Stahlbehältern für Biogasanlagen und somit für den Stahlbau vorhanden ist. Zur Ausnutzung des gegebenen Potentials ist die Nachhaltigkeitsbewertung der Anlagen als ein wertvolles Hilfsmittel anzusehen, denn das Thema Nachhaltigkeit stellt beim Ausbau Er-

neuerbarer Energien einen entscheidenden Faktor dar. Im Bereich des Hochbaus ist bereits in den vergangenen Jahren das Thema Nachhaltigkeit sowohl durch die Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB) als auch durch das Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen (BNB) vorangetrieben worden. Für einen nachhaltigkeitsorientierten Ausbau Erneuerbarer Energien liegt es nahe, Nachhaltigkeitsaspekte bereits bei der Planung, Fertigung und Ausführung von zugehörigen Stahlkonstruktionen zu berücksichtigen. Aus diesem Grund beschäftigt sich dieser Beitrag mit der Entwicklung einer Bewertungsmethodik, welche die Nachhaltigkeitsbewertung von Stahlkonstruktionen für Er-

Als Grundlage für die Entwicklung einer Methodik zur Nachhaltigkeitsbewertung von Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien wurde das Handbuch der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB) gewählt [3], mit dessen Hilfe die Nachhaltigkeit von Büro- und Verwaltungsgebäuden unter Einbeziehung ökologischer, ökonomischer, soziokultureller und funktionaler, technischer sowie prozessbezogener Aspekte bewertet werden kann. Eine direkte Übertragung auf lasttragende Stahlkonstruktionen von WEA und Biogasanlagen ist jedoch nicht möglich. Gemäß den Kriterien des DGNB-Handbuchs beziehen sich beispielsweise soziokulturelle und technische Aspekte hauptsächlich auf die Bauwerksnutzung, welche im Vergleich zum Gebäudesektor bei Stahlkonstruktionen von WEA und Biogasanlagen von untergeordneter Relevanz sind. Im Rahmen einer umfassenden Literaturrecherche wurden über 200 Kriterien zur Bewertung von Nachhaltigkeitsaspekten aus weiteren Nachhaltigkeitsbewertungssystemen ausgewertet und deren Anwendbarkeit auf Stahlkonstruktionen von WEA und Biogasanlagen analysiert. Neben dem DGNB-Katalog lag der thematische Fokus auf Kriterien zur Beschreibung von Nachhaltigkeitsaspekten Erneuerbarer Energien sowie auf entsprechenden Aspekten von Stahl [4]. Darüber hinaus wurden Kriterien entwickelt, mit denen eine Nachhaltigkeitsbewertung auf Unternehmensebene möglich ist, um zusätzlich auch auf das nachhaltige Handeln der involvierten Unternehmen, insbesondere im Rahmen der Herstellung, eingehen zu können.

2.2 Entwickeltes Nachhaltigkeitsbewertungssystem Im Rahmen der Kriterienanalyse wurden letztendlich insgesamt 35 Kriterien

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N. Stranghöner et al. · Nachhaltigkeitsbewertung stählerner Tragkonstruktionen Erneuerbarer Energien – Methodenentwicklung und Anwendungsbeispiele

definiert, welche die Kategorien Ökologie, Ökonomie, Soziologie, Technik und Prozess abdecken und mit deren Hilfe die Nachhaltigkeit von tragenden Stahlkonstruktionen von WEA und Biogasanlagen bewertet werden kann. Als funktionelle Einheit wurde die lasttragende Stahlkonstruktion gewählt. In Abgrenzung zum DGNB Katalog wird kein kumulierter Nachhaltigkeitsindex berechnet, welcher die verschiedenen Nachhaltigkeitskriterien unterschiedlich wichtet. Vielmehr ermöglicht das Bewertungssystem einen unabhängigen Vergleich unterschiedlicher Ausführungsvarianten unter Einbeziehung nachhaltigkeitsbezogener Aspekte. Für die Anwendung der einzelnen Kriterien ist eine Betrachtung über den gesamten Lebenszyklus der Stahlkonstruktion – angefangen bei der Tragwerksplanung sowie der Herstellung der Vorprodukte über die Nutzung bis hin zum Rückbau der Konstruktion und deren Verwertung – erforderlich, um eine ganzheitliche Nachhaltigkeitsbilanz erstellen zu können. Zur Sicherstellung einer möglichst praxisnahen Anwendung des Bewertungskatalogs wurde ein Anwendungstool mit Hilfe der Programmoberfläche Microsoft Excel entwickelt, in welchem das Bewertungssystem samt seiner Nachhaltigkeitskriterien enthalten ist. Die Auswertung für die verschiedenen Nachhaltigkeitskategorien erfolgt schließlich mit Hilfe von Polardiagrammen (s. Bild 6).

2.3 Kategorien und Kriterien Der Kriterienkatalog, bestehend aus den 35 definierten Kriterien und entsprechenden Methoden, ermöglicht eine Bewertung der Stahlkonstruktionen hinsichtlich der Nachhaltigkeit über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg. Zusätzlich ist insbesondere für die sozialen, technischen und prozessbedingten Aspekte eine unternehmensbezogene Bewertung durchführbar. In Bild 3 sind die ausgewählten Kriterien mit Bezug zu den einzelnen Nachhaltigkeitsaspekten (Ökologie, Ökonomie, Gesellschaft/Soziologie, Technik und Prozess) dargestellt. Für jedes Kriterium wurde im Rahmen des Projektes ein Steckbrief erstellt, der eine detaillierte Beschreibung des Kriteriums sowie Informationen zum zugehörigen Indikator und der

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Nachhaltigkeitsaspekte und -kriterien

Ökologie U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U10 U11 U12 U13 U14

Gesellschaft/Soziologie

Ökonomie

Nicht erneuerbarer Primärenergiebedarf Gesamtprimärenergiebedarf und Anteil EE Abiotischer Ressourcenbedarf Wasserbedarf Treibhauspotenzial Ozonschichtabbaupotenzial Oxidantienbildungspotenzial Versauerungspotenzial Eutrophierungspotenzial Stäube Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt Lärmbelastung Recyclingpotenzial von Stahl Abfallaufkommen

S1 Arbeitsicherheit/Unfallhäufikeit S2 Anteil an Auszubildenden S3 Qualifizierungsindex S4 Weiterbildungsmaßnahmen S5 Mitarbeiterfluktuation S6 Familienfreundlichkeit S7 Soziales Engagement

Ö1 Lebenszykluskosten Ö2 Aufwendungen für FuE Ö3 Beschäftigungseffekte

Technik T1 Korrosionsschutzmaßnahmen T2 Nutzungsdauer T3 Wartungs- und Instandsetzungsfreundlichkeit T4 Nutzungsvielfalt und Mehrfachnutzung T5 Rückbau und Recyclingfreundlichkeit und Wiederverwendbarkeit

Prozess P1 Maßnahmen zur Qualitätsicherung P2 Material- und Ressourceneffizienz P3 Implementierung von Managementsystemen P4 Baustelle / Bauprozess P5 Projektrealisierungszeit P6 Transportaufkommen und Anteil der Verkehrsträger

Bild 3. Darstellung der im Katalog enthaltenen Kriterien, aufgeteilt nach den einzelnen Nachhaltigkeitsaspekten Fig. 3. List of criteria allocated to the appropriate sustainability aspects

Einheit etc. enthält. Ergänzt werden die Steckbriefe um eine Bewertungsmethodik, die für jedes Kriterium entwickelt wurde – unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen von Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien. Auf einen Teil der Kriterien und entsprechende Ergebnisse wird im folgenden Abschnitt zur Nachhaltigkeitsbewertung stählerner Biogasbehälter detaillierter eingegangenen. Untersuchungen an Offshore-Windenergieanlagen hinsichtlich ökologischer Auswirkungen wurden bereits in [4] und [5] vorgestellt.

3 Nachhaltigkeitsbewertung stählerner Biogasanlagenbehälter 3.1 Stahltragkonstruktion von Biogasanlagen Im Allgemeinen gehören zu den Bestandteilen einer Biogasanlage ein Güllevorlagerbehälter, ein oder mehrere Faulbehälter (Hauptfermenter) und ein Gärrestbehälter, welche in unterschiedlichen Bauarten bzw. Werkstoffen ausgeführt werden können. Derzeit wird der Großteil dieser Biogasbehälter in Stahlbetonbauweise ausgeführt. Eine wesentliche Anforderung an die Bauwerksnutzung des Fermenters ist die Gasdichtheit, um einen möglichst störungsfreien Prozess der Biogasgewinnung zu ermöglichen, so dass

die Stahlbauweise eine weitere Ausführungsvariante von Biogasfermentern darstellt. Hierbei können die Behälter grundsätzlich aus beschichtetem Baustahl oder nichtrostendem Stahl ausgeführt werden. Die Verbindungstechniken unterscheiden sich in geschweißte, geschraubte, gefalzte und zukünftig auch geklebte Verbindungen. Der Blechdickenbereich der zum Einsatz kommenden Grundbleche reicht je nach Anlagengröße von etwa 5 bis 12 mm für die Baustahlvariante und 1,5 bis 5 mm für die Variante aus nichtrostendem Stahl. Die Lebensdauer von Biogasanlagen wird derzeit aufgrund der relativ jungen Bauweise und fehlenden Erfahrungen sowie der derzeitigen Garantie für die Einspeisevergütung mit 20 Jahren angesetzt. Im Rahmen der vorliegenden ökologischen Nachhaltigkeitsbewertung wird als Betrachtungsgegenstand exemplarisch ein geschweißter Baustahlfermenter einer Biogasanlage untersucht. Konstruktionsdaten bzw. maßgebende Eingangswerte wie Werkstoff, Stahlmasse, Wanddicken und Leistung der gesamten Anlage sind in Bild 4 aufgeführt.

3.2 Methodische Vorgehensweise Die ökologische Nachhaltigkeitsbewertung und die zugehörigen Kriterien ge-

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N. Stranghöner et al. · Nachhaltigkeitsbewertung stählerner Tragkonstruktionen Erneuerbarer Energien – Methodenentwicklung und Anwendungsbeispiele Werkstoff:

S235 und S355J2+N

Durchmesser:

13,9 m

Höhe:

14,0 m

Volumen:

~ 2.000 m3

Wanddicke:

5 bis 6 mm

Stahlmasse:

~ 35 t Baustahl

Lebensdauer:

20 Jahre

Korrosionsschutzsystem:

Beschichtung auf EP-Basis

Bild 4. Systemparameter des betrachteten Baustahlfermenters (Foto: Schachtbau Nordhausen GmbH) Fig. 4. System parameters of the analysed biogas digester made of structural steel (photo: Schachtbau Nordhausen GmbH)

hen primär auf eine Ökobilanzierung der Konstruktion zurück. Um eine leicht anwendbare Vorgehensweise bei der Nachhaltigkeitsbetrachtung zu gewährleisten, wurde eine Methodik entwickelt, mit der eine vereinfachte Ökobilanz über den gesamten Lebenszyklus erstellt werden kann. Der Fokus liegt dabei auf einer Massenbilanz der im Herstellungsprozess eingesetzten Werkstoffe und deren Verknüpfung mit Ökobilanzdaten aus der Ökobau. dat-Datenbank bzw. aus Umweltprodukt-Deklarationen (EPD). Darüber hinaus werden weitere Angaben zu den übrigen Lebenszyklusphasen, wie Informationen zu Fertigung, Transportarten und -wegen und Recycling in die Bilanzierung einbezogen. Bild 5 stellt die in Anlehnung an DIN EN 15978 [6] festgelegten und hier betrachteten Lebenszyklusphasen dar. Gegenüber der Norm wurde im Rahmen der Gesamtnachhaltigkeitsbetrachtung zusätzlich eine Planungsphase 0 definiert, die jedoch bezüglich der Ökobilanz nicht relevant ist. Zudem wurde die auf die Herstellungsphase folgende Errichtungsphase um die Betrachtung der Fertigung erweitert. Neben den ökobilanzbasierten Kriterien (U1-U10 und U14), die über den kompletten Lebenszyklus betrachtet wer-

den, enthält die ökologische Nachhaltigkeitsbewertung weitere Kriterien, die zum Teil nur an bestimmten Lebenszyklusphasen ansetzen. Dazu zählen die Kriterien Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt (U11), Lärmbelastung (U12) und Recyclingpotenzial von Stahl (U13). In Tabelle 1 sind auf der linken Seite die ökologischen Kriterien aufgeführt und die zugehörigen Indikatoren und Einheiten angegeben.

3.3 Ökologische Nachhaltigkeitsbewertung Nachfolgend werden die Ergebnisse der ökologischen Nachhaltigkeitsbewertung für den exemplarischen Biogasfermenter vorgestellt. Hierzu wurden für die im Katalog enthaltenen ökologischen Kriterien entsprechende Indikatorwerte ermittelt. In Tabelle 1 sind auf der rechten Seite für die Kriterien U1–U14 die Ergebnisse der Nachhaltigkeitsbewertung für die betrachtete Fermenter-Variante aufgeführt. Die Gesamtbilanz wurde zum einen auf Grundlage des Baustahl-Datensatzes aus der Ökobaut.dat [7] und zum anderen mit den Daten aus der EPD für Baustahl vom bauforumstahl e.V. [8] erstellt. Die Ergebnisse sind in

Bild 6 in Form eines Polardiagramms gegenübergestellt. Hierbei ist zu beachten, dass die beiden Kriterien Stäube (U10) und Lärmbelastung (U12) aufgrund derzeit noch fehlender Angaben in den entsprechenden Datenbanken noch nicht erfasst werden können. Da die beiden Kriterien jedoch für grundsätzlich wichtig befunden wurden, sind sie der Vollständigkeit halber hier mit aufgeführt. Je nach verwendetem Datensatz liegen die Werte für den nicht regenerativen Primärenergiebedarf (U1) bei ca. 1500 GJ (Ökobau.dat) beziehungsweise ca. 1300 GJ (EPD-Datensatz). Auch für die Treibhausgasemissionen weisen die Ergebnisse auf der Grundlage des Ökobau.dat-Datensatzes mit gut 116 Tonnen gegenüber 98 Tonnen unter Berücksichtigung des EPD-Datensatzes höhere Werte auf. Bei weiterer Betrachtung der übrigen Ergebnisse wird deutlich, dass bei der Bilanzierung auf Grundlage des EPD-Datensatzes im Vergleich zur Ökobau.dat die Werte für nahezu alle Kriterien, mit Ausnahme des Ozonabbaupontenzials (OPD) und des Stahlverlusts (SV), niedriger sind. Der niedrigere Ressourcenbedarf sowie auch die geringeren Emissionen sind in erster Linie auf einen höheren Anteil an Sekundärstahl bei der Stahlherstellung zurückzuführen, woraus ein entsprechend niedriger Primärmaterialbedarf resultiert. Wie unmittelbar anhand des Kriteriums U13a erkennbar ist, beträgt der Primärstahlanteil beim EPD-Datensatz für Stahl ca. 38 %. Im Vergleich dazu liegt der Primärstahlanteil beim Ökobau.dat-Datensatz bei fast 80 %. Hohe Beiträge zum ODP (U6) gehen insbesondere auf große Stromverbräuche während des gesamten Lebenszyklus zurück. Da bei der Herstellung von Sekundärstahl viel Strom benötigt wird, ist der Wert für diesen Indikator bei der EPD-Datensatz-Variante höher. Die Bilanzierung beider betrachteter Varianten erfolgte abgesehen von

Planungsphase

Herstellungsphase

Fertigungs-/ Errichtungsphase

Nutzungsphase

Ende des Lebenszyklus

Belastungen und Vorteile außerhalb der Systemgrenzen

0

A1-A3

A4-A7

B

C

D

Lebenszyklus

Bild 5. Lebenszyklus in Anlehnung an DIN EN 15978 [6] (hier blau markiert: zusätzliche Aspekte im Vergleich zur Norm) Fig. 5. Life cycle according to DIN EN 15978 (in blue: changes compared to the standard)

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Tabelle 1. Indikatorergebnisse der ökologischen Nachhaltigkeitskriterien für den untersuchten Biogasfermenter (Baustahl) Table 1. Indicator results for the ecological sustainability criteria of the analyzed biogas fermenter (construction steel) Kriterium

Indikator

Einheit

Baustahl Ökobau.dat

Baustahl Bauforum Stahl

PEn. ern.

MJprim

1511000

1276000

PEGesamt

MJprim

1582000

1345000

U1

nicht erneuerbarer Primärenergiebedarf

U2

Gesamtprimärenergiebedarf und Anteil Erneuerbarer Primärenergiebedarf

U2a

Gesamtprimärenergiebedarf

U2b

erneuerbarer Primärenergiebedarf

PEerneuerbar

MJprim

71000

68000

U3

abiotischer Ressourcenbedarf

ADP

kg Sb-Äqv.

642

525

U4

Wasserbedarf

WB

kg

54559000

35532000

U5

Treibhauspotenzial

GWP

kg CO2-Äqv.

116000

98000

U6

Ozonschichtabbaupotenzial

ODP

kg R11-Äqv.

1,70E-03

2,20E-03

U7

photochemisches Oxidantienbildungspotenzial

POCP

kg C2H4-Äqv.

25

10

U8

Versauerungspotenzial

AP

kg SO2-Äqv.

330

212

U9

Eutrophierungspotenzial

EP

kg PO4-Äqv.

35

27

U10

Stäube

U11

Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt

U12

Lärmbelastung

RGU

kg-Äqv.

73000

56000

PSA

%

78,59

37,63

U13

Recyclingpotenzial von Stahl

U13a

Primärstahlanteil bei der Herstellung

U13b

Stahlverlust über Lebenszyklus

SV

kg

2161,66

2161,66

U14

Abfallaufkommen

AE

kg

505000

211000

U1 U14

PE n. erneuerbar

U2a

AE [kg]

[MJ]

PE Gesamt [MJ]

U13b

U2b

SV [kg]

PE erneuerbar [MJ] 1

0

U13a

U3

PSA [%]

ADP [kg SB-Äq]

0

Baustahl Ökobau.dat

0

U11

U4

RGU [kg]

WB [kg]

Baustahl - EPD Bauforum Stahl

U5

U9

GWP [kg CO2-Äq]

EP [kg PO4-Äq]

U8

U6

AP [kg SO2-Äq]

ODP [kg R11-Äq]

U7 POCP [kg C2H4-Äq]

Bild 6. Gegenüberstellung der Ergebnisse der ökologischen Bewertung für den Baustahlfermenter im Polardiagramm Fig. 6. Comparison of the results of the environmental assessment for the biogas digester made of structural steel in a polar diagram

den verwendeten Stahldatensätzen analog. Dies führt dazu, dass beim Kriterium Stahlverlust über den Lebenszyklus (U13b) ein identischer Wert ausgewiesen wird, der jedoch mit ca.

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5 % bezogen auf die eingesetzte Stahlmenge sehr gering ist. Neben der Gegenüberstellung zweier Datensatzvarianten ist in Bild 7 für die Kriterien, die über den gesamten

Lebensyzklus betracht werden, der entsprechende Anteil einzelner Lebenszyklusphasen an den Gesamtwerten aufgetragen (Ökobau.dat-Variante). Der Beitrag der Herstellungsphase wurde für jedes Kriterium zu 100 % und die Anteile der übrigen Phasen in Relation dazu gesetzt. Es ist ersichtlich, dass die Herstellungphase für fast alle Indikatoren ausschlaggebend ist. Weitere signifikante Beiträge ergeben sich in der Fertigungs-/Errichtungsphase (A4–A7). Insbesondere für die Indikatoren Wasserbedarf (WB) und erneuerbarer Primärenergiebedarf (PEerneuerbar) resultieren hohe Anteile, die zum Teil sogar über dem Anteil der Herstellungsphase liegen. Sowohl die Nutzungsphase (B) als auch die Entsorgungsphase (C) sind hingegen tendenziell von geringerer Bedeutung. Zudem wird deutlich, dass das Stahlrecycling in der Phase D deutliche Gutschriften für die Indikatoren zur Folge hat. Eine Ausnahme stellt das Ozonabbaupotential dar, für das in dieser Phase keine Gutschrift gegeben wird. Der Wert ist ca. doppelt so hoch wie der Wert der Herstellungsphase, was auf den hohen Strombedarf bei der Sekundärstahlherstellung zurückzuführen ist.

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den Anteil von Stahlfermentern bei Biogasanlagen erheblich zu steigern.

Danksagung

Bild 7. Aufteilung der Gesamtindikatorwerte auf die Lebenszyklusphasen für den betrachteten Baustahlfermenter (Ökobau.dat) Fig. 7. Break down of the indicator results for the biogas digester with regard to the life cycle phases

3.4 Gesamtbewertung In Abschnitt 3.3 wurde die Bewertungsmethodik am Beispiel der ökologischen Nachhaltigkeit eines Baustahlfermenters vorgestellt. Die Vorgehensweise für die vier übrigen Kategorien Ökonomie, Soziologie, Technik und Prozess ist analog, so dass die Bewertungsergebnisse für jede Kategorie in Form eines Polardiagramms dargestellt werden können. Die Bewertungsmethodik erlaubt einen Vergleich unterschiedlicher Bauweisen und Ausführungsvarianten in Bezug auf nachhaltigkeitsbezogene Gesichtspunkte. Schließlich dient sie als Entscheidungshilfe für oder gegen eine bestimmte Variante unter Berücksichtigung von Anforderungen an eine nachhaltige Bauweise.

4 Zusammenfassung und Ausblick Das Leitbild einer nachhaltigen Energieversorgung erfordert den Einsatz Erneuerbarer Energien. Für die bauliche Umsetzung der zugehörigen Anlagen ist der Einsatz von Stahlkonstruktionen unabdingbar. Im Bereich des Hochbaus existieren bereits Instrumente zur Nachhaltigkeitsbewertung von Gebäuden wie beispielsweise dem DGNB-Katalog. Die Übertragung und Anwendbarkeit auf Stahlkonstruktionen von Erneuerbaren Energien ist jedoch nicht ohne weiteres möglich. Im Rahmen des Forschungsvorhabens

„Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien“ (NaStafEE) wurde daher eine Bewertungsmethodik entwickelt, mit deren Hilfe Nachhaltigkeitsaspekte bereits bei der Planung, Fertigung und Ausführung von tragenden Stahlkonstruktionen Erneuerbarer Energien berücksichtigt werden können. Hierfür wurde ein Katalog mit insgesamt 35 Kriterien ausgearbeitet, welcher die drei Säulen der Nachhaltigkeit Ökologie, Ökonomie und Soziologie – erweitert um technische und prozessbezogene Aspekte – beinhaltet. Eine ökologische Nachhaltigkeitsbewertung wurde exemplarisch an einem geschweißten Baustahlfermenter einer Biogasanlage durchgeführt. Als Datengrundlage wurden Datensätze aus der EPD für Baustahl und der Ökobau.dat verwendet. Hierbei zeigt sich, dass für nahezu alle ökologischen Kriterien die Verwendung der EPD zu deutlich niedrigeren und somit günstigeren Ergebnissen führt. Weiterhin zeigte sich im Rahmen der Lebenszyklusbetrachtung des Baustahlfermenters, dass die Herstellungsphase für nahezu alle ökologischen Kriterien den größten Anteil an den Gesamtemissionen hervorruft. Mit Hilfe der im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelten Nachhaltigkeitsbewertung wird es möglich sein, dass Marktpotential von Biogasanlagen mit stählernen lasttragenden Konstruktionen besser zu nutzen und

Die vorgestellten Ergebnisse und entwickelte Bewertungsmethode wurden im Rahmen des Forschungsprojektes „Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien“ (Laufzeit: 05/2010–10/2012) als Teil des Verbundforschungsprojektes NASTA erarbeitet. Das IGF-Vorhaben (16599 N/ FOSTA Nr. P844) der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren möchten sich für die finanzielle Unterstützung beim BMWi sowie für die organisatorische Unterstützung bei der FOSTA bedanken. Weiterhin bedanken sich die Autoren bei den Firmen SCHACHTBAU Nordhausen GmbH, Erich Stallkamp ESTA GmbH und WELTEC BIOPOWER GmbH für die Bereitstellung von Informationen zu Stahlkonstruktionen von Biogasanlagen und allen projektbegleitenden Industriepartnern für ihre Unterstützung.

Literatur [1] Basisdaten Bioenergie Deutschland, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V./Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz, September 2011. [2] Branchenzahlen 2011 und Branchenentwicklung 2012/2013, Fachverband Biogas e.V., Juni 2012. [3] DGNB Handbuch – Neubau Büround Verwaltungsgebäude. Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen e.V., 2012. [4] Schaumann, P. et al.: Zur Nachhaltigkeitsbewertung von Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien. Stahlbau 80 (2011), H. 10, S. 711–719. [5] Schaumann, P. et al.: Indicators for Environmental and Social Assessment of Steel Support Structures for Offshore Wind Turbnies. Proceedings of the EWEA Offshore 2011, 29th Nov.– 1st Dec., Amsterdam, The Netherlands, 2011.

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[6] DIN EN 15978:2012-01: Nachhaltigkeit von Bauwerken – Bewertung der umweltbezogenen Qualität von Gebäuden – Berechnungsmethode. [7] Ökobau.dat: Datenbank Version 2011, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, http://www. nachhaltigesbauen.de/baustoff-und-gebaeudedaten/oekobaudat.html, Zugriff am 27. 04. 2012. [8] EPD-BFS-2010111-D: Umwelt-Produktdeklaration nach ISO 14025 – Baustähle: Offene Walzprofile und Grob-

bleche. Institut Bauen und Umwelt e. V., Oktober 2010.

Autoren dieses Beitrages: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Natalie Stranghöner, Jörn Berg M.Sc., Anna Gorbachov M.Sc., Institut für Metall- und Leichtbau, Universität Duisburg-Essen, Universitätsstraße 15, 45141 Essen, iml@uni-due.de Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann, Dipl.-Ing. Anne Bechtel,

Dipl.-Ing. Rasmus Eichstädt, Institut für Stahlbau, Leibniz Universität Hannover, Appelstraße 9A, 30167 Hannover, stahlbau@stahl.uni-hannover.de Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hermann-Josef Wagner, Dipl.-Ing. Christoph Baack, Dipl.-Ing. Jessica Lohmann, Lehrstuhl Energiesysteme und Energiewirtschaft, Ruhr-Universität Bochum, Universitätsstraße 150, 44801 Bochum, lee@lee.rub.de

Aktuell VDI und DVS bringen Rapid Manufacturing Community zusammen Der DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. und der Verein Deutscher Ingenieure e.V. (VDI) stehen seit Jahren im engen Austausch über die jeweiligen Aktivitäten auf dem Gebiet der additiven Fertigungsverfahren. Nun haben beide vereinbart, diese Verfahren gemeinsam noch intensiver zu fördern, indem sie die jeweiligen Aktivitäten koordinieren und zusammen Projekte durchführen sowie abgestimmte Forschungs- und Technologieplattformen anbieten. Die Branche steht in diesem Bereich vor neuen Herausforderungen: Sie muss als Fertigungstechnologie allgemein anerkannt, beachtet und bei der Produktplanung berücksichtigt werden. Das heißt, sie muss den Weg in die breite Anwendung finden. Für die Weiterentwicklung und die langfristige Etablierung der additiven Fertigungsverfahren erarbeiten DVS und VDI eine Roadmap. Ein gemeinsamer Auftritt ist auf der Rapid.Tech 2013, der Fachmesse und Anwendertagung für Rapid-Technologien, vom 14. bis 15. Mai in Erfurt geplant. In den Bereichen Forschung, Technik und Bildung werden Anlagenhersteller, Fertiger und Produktplaner von VDI und DVS umfassend unterstützt. Die Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS fördert die additiven Fertigungsverfahren in seinem Fachausschuss 13 „Rapidtechnolo-

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gien – Generative Fertigungsverfahren“. Die Zielsetzung ist, Forschungsbedarf im Hinblick auf die Qualifizierung für die Serienfertigung von Endprodukten zu ermitteln, den Handlungsbedarf in der Aus- und Weiterbildung abzufragen sowie die Standardisierung und Normung mit zu berücksichtigen. Im VDI-GPL Fachausschuss 105 „Rapid Prototyping/ Rapid Manufacturing“ treffen Experten aus verschiedenen Bereichen zusammen. Die Erarbeitung der Richtlinien zum Thema ist die zentrale Zielsetzung dieses Ausschusses. Mit den Richtlinien zu den additiven Fertigungsverfahren wird der Stand der Technik dieser Verfahren beschrieben. So werden in der Richtlinie VDI 3405 Blatt 1 erstmals die Ergebnisse eines Ringversuchs veröffentlicht, bei dem typische mechanische Kennwerte für additiv gefertigte Kunststoffbauteile ermittelt wurden, die in vielen Anwendungen abgefragt werden. Im Ausschuss für Bildung werden in der Fachgruppe 4.13 praxisnahe Ausbildungskonzepte für additive Fertigungsverfahren erarbeitet und weiter entwickelt. Angeboten werden zurzeit die Lehrgänge „Fachkraft Rapid Manufacturing mit generativen Fertigungsverfahren – Fachrichtung Kunststoff“ und „Fachkraft Rapid Manufacturing mit generativen Fertigungsverfahren – Fachrichtung Metall“. Alle Gremien sind eng miteinander vernetzt. Sie bieten einen intensiven Austausch zwischen Wissenschaft und Industrie, zwischen Hersteller und Kunden, zwischen Anlagenbauern und Kon-

strukteuren. Davon profitieren die ehrenamtlichen Mitglieder nicht nur persönlich, sondern besonders auch deren Unternehmen und Einrichtungen. Vor rund zwei Jahrzehnten ist die Technologie der additiven Fertigung unter dem Namen „Rapid Prototyping“ bekannt geworden. Mittlerweile erreichen die additiv gefertigten Bauteile mechanische Festigkeiten, eine Oberflächengüte und eine Reproduzierbarkeit bei der Herstellung, die den direkten Einsatz als verkaufsfähige Produkte ermöglichen. Dabei bieten additive Fertigungsverfahren gegenüber konventionellen Verfahren oftmals erhebliche Zeit- und Kostenvorteile, beispielsweise Minimierung der Lagerkosten, Verkürzung der Durchlaufzeit von der Produktidee bis zum fertigen Produkt, Wegfall von produktspezifischen Werkzeugen und Formen. Diese werkzeuglose Fertigung erfolgt direkt aus den CAD-Daten, d. h. die Erstellung eines Produkts erfolgt unmittelbar aus einem Computermodell heraus und wird schichtweise aufgebaut. Diese Art der Herstellung gibt Raum für neue gestalterische Freiheiten bei der Konstruktion der Bauteile. Extremer Leichtbau oder höchste Bauteilkomplexität sind mit additiven Fertigungsverfahren möglich. Hieraus ergeben sich vielfältige branchen übergreifende Einsatzmöglichkeiten, zumal das Fertigungsverfahren für Kunststoffe und metallische Werkstoffe genutzt werden kann. Weitere Informationen unter: www.die-verbindungs-spezialisten.de

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Fachthemen Stephan Engelsmann Stefan Peters

DOI: 10.1002/stab.201301651

Neubau von zwei flügelartigen Überdachungsbauwerken in Monocoque-Bauweise für den ZOB Schwäbisch Hall Der Neubau von zwei Überdachungsbauwerken ist Teil der Baumaßnahme ZOB (Zentraler Omnibusbahnhof) Schwäbisch Hall. Erscheinungsbild und Form der beiden sehr schlanken, flügelartigen Überdachungsbauwerke in Monocoque-Bauweise sind abgestimmt auf die städtebaulich-architektonischen Randbedingungen. Der Beitrag beschreibt den Tragwerksentwurf für die beiden Überdachungsbauwerke sowie deren Tragverhalten. Design of two wing-like roofs in monocoque building technique for central bus station Schwäbisch Hall, Germany. Two roofs are part of the project ZOB (central bus station) Schwäbisch Hall. Appearance and form of these extremely slender wing-like roofs in monocoque building technique have been adjusted to urban as well as architectural planning aspects. This article describes the structural design process for both roof structures as well as their structural behaviour.

1 Einleitung Der Neubau des ZOB Schwäbisch Hall (Bild 1) ist verkehrsplanerisch Teil eines ÖPNV-Konzeptes, das mit dem Bau einer leistungsfähigen und den Anforderungen entsprechenden Nahverkehrsdrehscheibe eine qualitative Verbesserung des ÖPNV zu erreichen sucht. Er bildet darüber hinaus im städtebaulich-architektonischen Sinne einen Beitrag zur Aufwertung und Neustrukturierung des betroffenen Stadtteils. Die neue Nahverkehrsdrehscheibe ZOB befindet sich im Übergangsbereich zwischen der historischen Kernstadt von Schwäbisch Hall mit einem in erheblichen Teilen denkmalgeschützten Gebäudebestand und der Flusslandschaft des Kocher. Die Topographie der im Hintergrund ansteigenden Stadt bildet die eindrucksvolle Kulisse der Baumaßnahme. Der ZOB bildet einen Ort des Ankommens in der Stadt und hat in diesem Sinne eine übergeordnete Bedeutung. Ein neuer öffentlicher Platz unmittelbar vor dem Kopfende des ZOB soll dem Stadtbereich einen neuen Mittelpunkt geben und gemeinsam mit dem ZOB einen urbanen Raum mit hoher Qualität entstehen lassen. Funk-

tional besteht der Busbahnhof aus einem einzigen, sehr langen Bussteig, der von beiden Seiten angefahren werden kann und für die Fahrgäste leicht und einfach zu nutzen ist. Eine verkehrsplanerisch erforderliche Grundrissaufweitung des Bussteiges am südlichen Ende gibt dem ZOB eine Richtung und einen natürlichen stadträumlichen und funktionalen Schwerpunkt. Für das Überdachungsbauwerk über dem Bussteig war es Teil der Planungs-

aufgabe, einerseits einen hinreichenden Witterungsschutz für die Nutzer sicherzustellen und andererseits mit einer hohen Gestaltqualität einen Teilbeitrag zu einer identitätsstiftenden Gestaltung der Gesamtbaumaßnahme zu leisten (Bild 2).

2 Tragwerksentwurf Die in enger Zusammenarbeit von Objektplaner und Tragwerksplaner entwickelte Bussteigüberdachung des Zentralen Omnibusbahnhofes besteht aus zwei statisch-konstruktiv voneinander unabhängigen Teilbereichen, die in Nord-Süd-Richtung unmittelbar hintereinander angeordnet sind (Bild 3). Die Teilung der Dachfläche in zwei Einzelbauwerke hat ihre Ursache in Gründen des städtebaulichen Maßstabs. Sie ermöglichte es, den kleinteiligen Maßstab der Kernstadtbebauung in angemessener Weise aufzugreifen und gleichzeitig mit einfachen, aber prägnanten Dachformen städtebauli-

Bild 1. ZOB Schwäbisch Hall von Südosten Fig. 1. ZOB Schwäbisch Hall from south-east

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St. Engelsmann/St. Peters · Neubau von zwei flügelartigen Überdachungsbauwerken in Monocoque-Bauweise für den ZOB Schwäbisch Hall

Bild 2. Überdachungsbauwerk Süd in der Ansicht von Osten Fig. 2. Southern roof elevation from east

Bild 3. ZOB Schwäbisch Hall aus der Vogelperspektive Fig. 3. ZOB Schwäbisch Hall from a bird’s eye view

che Akzente zu setzen. Die Grundrissformen der beiden Überdachungen sind funktional sinnvoll aus der Verkehrsplanung abgeleitet: Sie bilden geometrisch einen Abdruck der zu überdachenden Flächen des Bussteiges. Die Überdachungsbauwerke besitzen aus diesem Grund auch abgerundete Außenkanten in den Kopfbereichen. Die Überdachung Süd hat eine maximale Länge von etwa 53 m und eine mittlere Breite von rund 13 m. Das südliche Dachende ist im Grundriss aufgeweitet und bildet einen Sonderbereich mit einer maximalen Breite von 15 m. Die Überdachung Nord hat eine maximale Länge von 90 m und

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eine Breite von 9 m. Die Dachflächen betragen 607 m2 für das Süddach und 606 m2 für das Norddach. Die Überdachungen befinden sich wegen der unterschiedlichen Neigung von Bussteig und Überdachungsbauwerken in Längsrichtung auf einer nicht konstanten Höhe von 3,95 bis 5,25 m über Oberkante Bussteig. Eine Stellung von Stützen in den fahrbahnnahen Bereichen des Bussteiges war aus funktionalen Gründen nicht erwünscht und eine Positionierung der Stützen in den innen liegenden Bereichen des Bussteiges insofern nahe liegend. Die Fußgängerströme kreuzen sich unter der Überdachung Süd, die auch den Über-

gang zum Vorplatz bildet. Unter der Überdachung Süd befindet sich ein im Grundriss rautenförmiges Servicegebäude mit öffentlichen WC-Anlagen und Grundrissabmessungen von 5,5 m × 15,0 m, das in Holzständerbauweise gebaut und mit einer Gebäudehülle aus Aluminium verkleidet ist. Neben den funktionalen Anforderungen war für den Tragwerksentwurf vor allem auch der Umstand bedeutsam, dass sich die neuen Überdachungsbauwerke in einer stadträumlich prominenten Lage befinden. Es wurde aus diesem Grund angestrebt, für das Tragwerk der Überdachung eine zeitgemäße und elegante, aber gleichzeitig zurückhaltende Formensprache zu finden (Bild 4). Ergebnis der Situationsanalyse war aber auch, dass Filigranität und Schlankheit wesentliche Entwurfsgesichtspunkte sein sollten mit dem Ziel, die historische Stadtsilhouette nicht zu verstellen, sondern vielmehr behutsam zu ergänzen.

3 Tragwerksbestandteile und Tragverhalten Das Primärtragwerk der beiden nach dem gleichen Konstruktionsprinzip entwickelten flügelartigen Überdachungen in Monocoque-Stahlbauweise besteht aus den Elementen Stütze, Hauptträger in Längsrichtung und Nebenträger in Querrichtung sowie einer statisch mitwirkenden Dachhaut (Bild 5). Der Begriff Monocoque bezeichnet im Flugzeug- und Automobilbau eine Bauweise, bei der Versteifungselemente und Außenhaut kraft-

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St. Engelsmann/St. Peters · Neubau von zwei flügelartigen Überdachungsbauwerken in Monocoque-Bauweise für den ZOB Schwäbisch Hall

Bild 4. ZOB Schwäbisch Hall von Nordwesten Fig. 4. ZOB Schwäbisch Hall from north-west

schlüssig miteinander verbunden sind und eine statische Mitwirkung der Außenhaut planmäßig vorgesehen ist (stressed skin). Form und Konstruktion bilden bei dieser in statisch-konstruktiver und fertigungstechnischer Hinsicht sehr anspruchsvollen Bauweise eine nicht auflösbare, sehr leistungsfähige Einheit. Das Süddach besitzt in Längsrichtung von beiden Seiten eine Neigung von ca. 0,7 % in Richtung der mittleren Stütze. Das Norddach hingegen hat ein konstantes Gefälle von ca. 2 % in Richtung Norden. Die Überdachung Süd hat drei Stützen und die Überdachung Nord vier Stützen (Bild 6). Die Positionierung der Stützen in einem Abstand von 19,00 m

Bild 5. Isometrische Darstellung der beiden Überdachungen Fig. 5. Isometry of both roofs

Bild 6. Grundriss und Längsschnitt Überdachungsbauwerke Fig. 6. Plan and longitudinal section of roofs

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St. Engelsmann/St. Peters · Neubau von zwei flügelartigen Überdachungsbauwerken in Monocoque-Bauweise für den ZOB Schwäbisch Hall

beim Süddach und einem Abstand von 17,25 m beim Norddach ist abgestimmt auf die Nutzung der Flächen unter der Überdachung und bietet eine optimale funktionale Flexibilität. Die Stützen haben von OK Fundament bis UK Dach Höhen zwischen 4,20 m und 5,80 m. Die sechseckigen, in der Form Rauten ähnlichen Stützenquerschnitte bestehen aus geschweißten Hohlprofilen. Die Stützen sind in Längsrichtung sehr schlank ausgebildet. Die Stützenabmessungen betragen 150 mm × 1000 mm bis 360 mm × 1000 mm. Die Fußpunkte der Stützen sind in Längsund in Querrichtung eingespannt. Die Stützen sind über Fußplatten und Gewindestangen mit den Pfahlkopfplatten verbunden, deren Oberkante sich 30 bis 60 cm unter Oberkante Bussteig befindet. Die rückgratartig mittig in Bahnsteiglängsrichtung angeordneten Hauptträger bestehen aus mehrzelligen, geschweißten Stahlhohlprofilen aus S355 J2G3 und besitzen eine ausreichende Torsionssteifigkeit, um Torsionsbeanspruchungen aus halbseitigen veränderlichen Einwirkungen zu den Stützen tragen zu können. Der Hauptträger der Überdachung Nord ist über den größten Teil mit konstanter Querschnittshöhe h = 450 mm ausgebildet und verjüngt sich nur in den auskragenden Kopfbereichen, um den Dachrand auch in dieser Richtung schlank erscheinen zu lassen. Die Konstruktionshöhe des Hauptträgers der Überdachung Süd beträgt im Bereich des nördlichen Überdachungsendes ebenfalls h = 450 mm, in den Sonderbereichen mit großer Auskragung wird er aber mit veränderlicher Querschnittshöhe ausgebildet. Die maximale Konstruktionshöhe über der südlichen Stütze beträgt h = 1100 mm. Hauptträger und Stützen sind biegesteif verbunden, so dass in Bahnsteiglängsrichtung mehrfeldrige Rahmentragwerke entstehen. Die Tragwerksaussteifung für horizontale Einwirkungen erfolgt über Rahmentragwirkung in Längsrichtung und über eine Einspannung der Stützen in Querrichtung. Temperaturbewegungen in Längsrichtung können über die Nachgiebigkeit der in dieser Richtung biegeweichen Stützen aufgenommen werden. Die Nebenträger in Querrichtung in einem Abstand von 1188 mm beim Süddach und 1150 mm beim Norddach bestehen aus stehenden, in den

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Regelbereichen maximal 4,0 m, im Sonderbereich maximal 7,1 m auskragenden Stahlblechen mit konstanter Dicke t = 10 mm, die mit dem Hauptträger verschweißt werden. In die Hauptträger werden an diesen Stellen Querschotte eingesetzt, die immer zwei gegenüberliegende Nebenträger verbinden. Die Nebenträger haben an den Einspannstellen die Querschnittshöhe des Hauptträgers und verjüngen sich entsprechend den Momentenbeanspruchungen in Richtung der Dachränder (Bild 7). In den Endbereichen der Überdachungsbauwerke werden die Nebenträger nach einem einfachen und klaren geometrischen Konzept radial angeordnet, um die komplexe Geometrie fertigungstechnisch beherrschbar zu machen. Die Trägerenden der Nebenträger werden unmittelbar vor den umlaufend angeordneten Entwässerungsrinnen durch einen Randträger mit den Abmessungen 110 mm × 145 mm bis 110 mm × 155 mm umlaufend gefasst. Randträger mit trapezförmigem Hohlprofilquerschnitt mit den Abmessungen 395 mm × 80 mm bis 395 mm × 117 mm bilden außenseitig einen optisch sehr schlank wirkenden Dachrand. Die statisch mitwirkenden Deckbleche mit Dicken von 6 bis 8 mm werden unten und oben mit den Nebenträgern verschweißt. Es entstehen glatte, fugenlose Dachflächen, die zu

Reinigungs- und Wartungszwecken betreten werden können. Die beiden Dachflächen werden fugenlos ausgeführt, um eine dauerhafte und unterhaltungsarme Tragstruktur zu gewährleisten. Die Oberseiten besitzen infolge der radialen Anordnung und der veränderlichen Bauhöhe der Nebenträger eine Neigung in Richtung der Dachränder und führen das Niederschlagswasser zu den in das Tragwerk integrierten Entwässerungsrinnen. Das durchgängige und sehr effektive Konstruktionsprinzip gewährleistet eine hohe Wirtschaftlichkeit. Die Gründung der Stützen erfolgt wegen der nicht tragfähigen oberflächennahen und bis 6,8 m Tiefe reichenden Auffüllungen als Tiefgründung. Dabei befinden sich Pfahlkopfplatten der Betongüte C35/45 mit den Regelabmessungen 2,5 × 5,0 × 1,0 m unter den sechs Stützen Pos. S02 bis Pos. S07. Unter der Stütze Pos. S08 am südlichen Dachende ist die Pfahlkopfplatte direkt mit der Bodenplatte des Servicegebäudes verbunden und dessen rautenförmiger Grundrissgeometrie angepasst. Die Pfähle unter S08 mussten in Querrichtung nach außen geschoben und die Pfahlkopfplatte entsprechend verlängert ausgebildet werden, um eine tiefer liegende Rohrleitung zu überbrücken. Die Tiefgründung besteht aus acht VSB-Pfählen (Verdrängungs-Schraub-

Querschnitt Dachstruktur

Bild 7. Querschnitt Überdachung Fig. 7. Transverse section roof

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Steel Construction Design and Research Volume 5, 2012. 4 issues per year. Editor-in-chief: Dr.-Ing. Karl-Eugen Kurrer Journal for ECCS members – European Convention for Constructional Steelwork Annual subscription print ISSN 1867-0520 for companies € 161,– * for libraries € 544,– *

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Annual subscribtion print + online ISSN 1867-0539 for companies € 187,– * for libraries € 625,– *. ■ Steel Construction unites in one journal the holistic approach to steel construction. In the interests of “construction without depletion”, it skilfully combines steel with other forms of construction employing concrete, glass, cables and membranes to form integrated steelwork systems. The scientific and technical papers in Steel Construction are primary publications. This journal is aimed at all structural engineers, whether active in research or practice.

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■ In diesem Buch werden die Grundlagen und Regeln für die Planung, Konstruktion, Bemessung und JOHANNES HÜBL Errichtung von Schutzbauwerken der WildbachverFLORIAN RUDOLF-MIKLAU bauung zusammengefasst. Es enthält eine funktionale und konstruktive Systematik der wichtigsten Schutzbauwerke gegen Bautypen und ausgeführte Beispiele. Wildbachgefahren Die Wildbachverbauung umfasst die Gesamt heit Grundlagen, Entwurf und aller Maßnahmen, die in oder an einem Wildbach Bemessung, Beispiele oder in seinem Einzugsgebiet ausgeführt werden, 2009. IX, 211 Seiten, 193 Abbildungen, um insbesondere das Bachbett und die angrenzenden Hänge zu sichern, Hochwasser und Feststoffe 50 Tabellen, Hardcover. schadlos abzuführen und die Wirkung von Hoch 57,90 * wasserereignissen auf ein zumutbares Ausmaß ISBN 978-3-433-02945-9 zu senken. Dazu gehören die Unterbindung der Geschiebebildung und der Rückhalt von Verwitterungsprodukten, die Verbesserung des Wasserhaushalts und die unschädliche Ableitung von Wasser und Geschiebe in Wildbacheinzugsgebieten, die Beruhigung und Begrünung von Bruch- und Rutschungsflächen, Maßnahmen, die der drohenden Entstehung von Runsen und Rutschungen entgegenwirken sowie die Betreuung und Instandhaltung der Wildbacheinzugsgebiete. Die Konzeption und Bemessung von Schutzbauwerken stellt besondere Anforderungen an den Planer und erfordert umfassende Kenntnisse der in den Einzugs- und Risikogebieten ablaufenden Prozesse. Technische Standards für die Planung und Ausführung sind nur lückenhaft vorhanden. Außerdem finden die einschlägigen Normen der Hydrologie, des Wasserbaus, des konstruktiven Betonbaus und der Geotechnik Anwendung. In diesem Buch werden die wichtigsten Grundlagen und Regeln für die Planung, Konstruktion, Bemessung und Errichtung von Schutzbauwerken der Wildbachverbauung zusammengefasst. Es gibt einen Überblick über die grundlegenden Wildbachprozesse und die davon ausgehenden Einwirkungen, enthält eine funktionale und konstruktive Systematik der Schutzbauwerke, stellt die hydrologischen, hydraulischen und statischen Grundlagen des Entwurfs und der Bemessung dar, fasst die wichtigsten Bautypen, ihre Bauteile und Funktionsorgane zusammen und enthält ausgeführte Beispiele. KONRAD BERGMEISTER JÜRGEN SUDA

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■ Die weiteren Autoren: - Dr. Karl Gabl, Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik ZAMG, Innsbruck - Peter Gauer PhD., Norwegisches Geotechnisches Institut NGI, Oslo - DI. Matthias Granig, Stabstelle Schnee und Lawinen, Forsttechnischer Dienst für Wildbach- und Lawinenverbauung, Schwaz - Dr. Robert Hofmann, Ingenieurkonsulent für Bauwesen, Perchtholdsdorf - Dr. Karl Kleemayr, Bundesforschung- und Ausbildungszentrum für Wald, Naturgefahren und Landschaft BFW, Innsbruck - Dr. Stefan Margreth, WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF, Davos - Mag. Michael Mölk, Stabstelle Geologie, Forsttechnischer Dienst für Wildbachund Lawinenverbauung, Innsbruck - DI. Patrick Nairz, Lawinenwarndienst des Landes Tirol, Innsbruck - DI. Wolfgang Schilcher, Forsttechnischer Dienst für Wildbach- und Lawinenverbauung, Bludenz - DI. Christoph Skolaut, Forsttechnischer Dienst für Wildbach- und Lawinenverbauung, Salzburg - DDI. Dr. Jürgen Suda, Universität für Bodenkultur, Institut für konstruktiven Ingenieur bau, Wien - Dr. Markus Stoffel, Universität Bern, Institut für Geowissenschaften/Dendrolabor - DI. Gebhard Walter, Forsttechnischer Dienst für Wildbach- und Lawinenverbauung, Innsbruck - Dr. Lukas Stoffel, WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF, Davos Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG

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Bohrpfählen) Durchmesser d = 55 cm bei S02 bis S07 und d = 75 cm bei S08, die maximal 7 m in die tragfähigen Bodenschichten einbinden und die Einwirkungen über Mantelreibung abtragen. Die Pfähle sind teilweise geneigt, um insbesondere die Horizontalkraftbeanspruchungen besser aufnehmen zu können. Der normale Grundwasserspiegel befindet sich unter den Fundamenten. Im Hochwasserfall kann das Grundwasser bis über die Gründungstiefe ansteigen.

4 Berechnung und Montage Die Nachweise der Tragsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit wurden entsprechend DIN 18800 beziehungsweise DIN 1045 geführt. Die beiden Überdachungen sind bemessen für die in den einschlägigen DIN-Normen angegebenen Einwirkungen. Neben Eigengewicht wurden Schnee- und Windlasten sowie Temperatureinwirkungen angesetzt. Die Temperaturschwankungen wurden in Anlehnung an DINFachbericht 101 mit +41 K (Erwärmung) beziehungsweise –36 K (Abkühlung) und der Temperaturunterschied mit 18 K angenommen. Fahrzeuganprall auf die Stützen wurde mit Horizontalkräften von 100 kN in 1 m Höhe in beiden Richtungen berücksichtigt. Für die relativen Setzungsdifferenzen zwischen zwei Stützen wurde von ma-

ximal 20 mm ausgegangen. Die Überdachungen sind für Reinigungs- und Wartungszwecke betretbar und für die entsprechenden Einwirkungen bemessen. Das Tragverhalten der Überdachungsbauwerke ist dem von Flugzeugflügeln vergleichbar. Es ist gelungen, durch die Mitwirkung der Deckbleche eine für biegebeanspruchte und auskragende Tragwerke bemerkenswerte Schlankheit von ca. 1 : 42 im Regelbereich beziehungsweise 1 : 9 in den auskragenden Bereichen zu erreichen. Die maximalen Beanspruchungen der Überdachungen ergaben sich in den Knotenpunkten am Übergang Hauptträger–Stütze sowie in den Sonderbereichen mit Aussparungen in den Stützen. Eine biegesteife Verbindung in den Rahmenecken wurde erreicht durch das Einsetzen von Steifen (Bild 8). Einflüsse Theorie II. Ordnung wurden durch geometrisch nichtlineare Ermittlung der Schnittkräfte berücksichtigt. Querschnittsabmessungen und Blechdicken sind den statischen Beanspruchungen angepasst. Eine Besonderheit bei der Bemessung bilden die Deckblechbeanspruchungen, die aus der statischen Mitwirkung der Deckbleche resultieren. Für die Deckbleche wurden in den relevanten Teilbereichen, also in den Stützbereichen in den unteren Deckblechen und in den Feldbereichen in den obe-

ren Deckblechen, umfangreiche Beuluntersuchungen an herausgelösten Teilbereichen unter Berücksichtigung der Steifen durchgeführt. In gleicher Weise wurden auch die Übergangsbereiche Hauptträger–Stütze sowie die Sonderbereiche in den Stützen mit Aussparungen und Steifen über räumliche FiniteElemente-Modelle abgebildet. Für die Bemessung der Pfahlkopfplatten wurden für alle auftretenden Beanspruchungen Stabwerkmodelle entwickelt. Die Ableitung der Horizontalkräfte kann mit ausschließlich ebenen Stabwerken erfolgen, da sich der Schnittpunkt der Pfähle bei Oberkante Fundament befindet und damit die Horizontalkräfte unmittelbar in die Fundamente eingeleitet werden können. Für die Ableitung der Vertikalkraft und der Momente wurden räumliche Stabwerke verwendet, um zusätzliche Querzugbeanspruchungen berücksichtigen zu können. Die Ergebnisse aus den einzelnen Stabwerkmodellen wurden abschließend superponiert. Die Fertigung der Stahlkonstruktion erfolgte abschnittweise im Werk. Nach dem Transport der Einzelteile auf die Baustelle wurden in einem ersten Schritt Stützen und Hauptträger montiert und zu einer tragfähigen Teilstruktur verschweißt. Die Montagestöße wurden bewusst außerhalb der hochbeanspruchten Knotenpunkte angeordnet. In einem zweiten Schritt wurden die Teilabschnitte der Flügel angesetzt und verschweißt.

5 Technische Ausrüstung

Bild 8. Isometrische Darstellung des Knotenpunktes Hauptträger–Stütze Fig. 8. Isometry of node main girder-column

Für den Korrosionsschutz gelangte ein mehrschichtiges Anstrichsystem nach DIN EN ISO 12944 beziehungsweise DIN 18807-1 Korrosionsschutzklasse C III lang zur Ausführung. Die mehrzelligen Strukturen der Überdachungen sind aus Korrosionsschutzgründen luftdicht geschweißt. Die Deckbeschichtung erfolgte vor Ort nach Fertigstellung der Montage- und Schweißarbeiten. Für die Entwässerung der Dachflächen sorgen Kastenrinnen, die entlang der Überdachungsränder verlaufen. Über innen liegende Entwässerungsleitungen wird das Niederschlagswasser von den Dachrändern zu den in den Stützen angeordneten Fallrohren geleitet. Revisionsöffnungen in den Stützen ermöglichen eine Inspektion und Reinigung der Fallrohre. In sta-

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tisch-konstruktiver Hinsicht anspruchsvoll war insbesondere die Durchdringung der Entwässerung mit der Konstruktion in den hochbeanspruchten Knotenbereichen sowie die Perforierung der Stützen durch die Revisionsöffnungen. In die Dachhaut ist eine an den Dachrändern umlaufende LED-Beleuchtung integriert, die abschnittweise die Dachhaut unterbricht. Sie ist dauerhaft und wartungsarm und gewähr-

leistet eine hinreichende Belichtung der Warte- und Aufenthaltsbereiche. Bei Nacht betonen die umlaufenden Lichtbänder wirkungsvoll die geometrischen Konturen der beiden Überdachungen (Bild 9).

6 Schlussbemerkung Die Überdachungsbauwerke für den neuen ZOB Schwäbisch Hall bilden eine moderne Ergänzung der histori-

schen Kernstadt von Schwäbisch Hall in einer zurückhaltenden Formensprache ohne überflüssige Applikationen. Die von den entwerfenden Ingenieuren entwickelten flügelartigen Tragstrukturen, bei denen die Dachhaut im Unterschied zu konventionellen Überdachungen statisch mitwirkend ausgebildet ist, sind materialsparend und haben eine leichte Anmutung. Sie bilden Beispiele für die Eleganz und Leistungsfähigkeit von werkstoffgerecht konstruierten Tragwerken aus dem Werkstoff Stahl (Bild 10). Am Bau Beteiligte: Bauherr: Stadt Schwäbisch Hall, vertreten durch Hochbauamt Schwäbisch Hall Objektplanung: Marquardt Architekten, Stuttgart Mitarbeiter: Jürgen Marquardt, Isabell Lorenz, Konstantin Burkhardt, Ulrich Frohnmayer, Emilio Perapane

Bild 9. ZOB Schwäbisch Hall bei Nacht Fig. 9. ZOB Schwäbisch Hall at night

Tragwerksplanung: Engelsmann Peters Beratende Ingenieure GmbH, Stuttgart Mitarbeiter: Stephan Engelsmann, Stefan Peters, Christoph Dengler, Melanie Groß, Andreas Witt, Martin Beyer, Helmut Kööp Prüfingenieur: Klaus Wittemann, Karlsruhe Bauausführung: Winterhalter GmbH, Freiburg Bildnachweis: Bilder 1, 2, 3, 4, 9 und 10 = Roland Halbe, Bilder 5, 6, 7 und 8 = Engelsmann Peters Beratende Ingenieure GmbH Autoren dieses Beitrages:

Bild 10. ZOB Schwäbisch Hall Überdachung Süd mit Servicegebäude bei Nacht Fig. 10. ZOB Schwäbisch Hall southern roof and service building at night

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Prof. Dr.-Ing. Stephan Engelsmann, stephan.engelsmann@engelsmannpeters.de Prof. Dr.-Ing. Stefan Peters, stefan.peters@engelsmannpeters.de, Engelsmann Peters Beratende Ingenieure GmbH, Tübinger Straße 83a, 70178 Stuttgart

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Fachthemen Marc Voßbeck Thomas Löhning Martin Kelm

DOI: 10.1002/stab.201301652

Tragverhalten von Groutverbindungen bei Monopilegründungen von Offshore-Windenergieanlagen Groutverbindungen stellen ein zentrales Element von OffshoreMonopilegründungen dar. Die sichere Vermeidung von Schäden in der Betriebsphase ist über die Gefahrenabwehr hinaus auch von großem wirtschaftlichem Interesse. In diesem Beitrag wird auf wesentliche Aspekte des Lastabtrags eingegangen, deren numerische Analyse Entscheidungshilfen bei Entwurf und Auslegung entsprechender Konstruktionen liefern kann. Dabei wird auf Erfahrungen aus der Ausführungsplanung mehrerer in der Realisierungsphase befindlicher Projekte zurückgegriffen. Bei Konstruktionsformen ohne Schubrippen erfolgt die Momentenübertragung zwischen Transition Piece und Monopile über eine großräumige Schalentragwirkung, die mit vergleichsweise großen Relativverdrehungen der beteiligten Rohre einhergeht. Dabei treten jedoch kleinräumige Spannungskonzentrationen auf, die sich erst durch eine detaillierte Modellierung genauer erfassen lassen. Die unter gleichzeitiger Vertikal- und Biegebeanspruchung auch im Modell anzutreffenden Setzungen können durch die Ausbildung einer konischen Geometrie begrenzt werden. Bei der Einbeziehung von Schubrippen treten als Folge der Interaktion globaler und lokaler Effekte erhöhte Belastungen an den äußeren Schubrippen auf. Structural behaviour of grouted connections for monopile foundations of offshore wind turbines. Grouted connections are a central element of offshore monopile foundations. Reliable avoidance of damages during the operation stage is not only important for the prevention of hazards but also of strong economic interest. This article discusses the primary load bearing mechanisms. The numerical analysis of these mechanisms can provide decision guidance for the design and dimensioning of respective structures. This article draws on the experience with the detailed designs of several projects in the realisation phase. Connections without shear keys apply large-scale shell actions for the transfer of the bending moment between the transition piece and monopile. This goes along with comparatively large relative rotation between the two involved tubes. Only a very detailed model detects distinctive stress concentrations. The settlement observed under coexisting vertical force and bending moment can be limited by a conical geometry of the connection. By introducing shear keys, increased loads are observed for the outward positions due to the interaction of global and local effects.

den Seeboden eingetriebenen Monopile (MP) fungiert dabei das so genannte Transition Piece (TP) (Bild 1). Der Anschluss zwischen TP und MP erfolgt üblicherweise durch eine so genannte Groutverbindung. Dafür wird das Transition Piece über den Monopile gestülpt und der Ringspalt zwischen den beiden Bauteilen mit einem Vergussmaterial (Grout) verfüllt. Ähnliche Verbindungen sind in der Ölund Gasindustrie als so genannte Pile-Sleeve-Verbindung zwar sehr gebräuchlich ([1], [2]), mit der überwiegenden Momentenbeanspruchung der Monopile-Verbindung liegt jedoch ein wichtiger Unterschied vor. Der Verbindungstyp besitzt neben der Möglichkeit, die Schrägstellung des gerammten Monopiles in gewissen Grenzen auszugleichen, noch weitere Vorteile. So kann auf eine große Passgenauigkeit der anzuschließenden Stahlbauteile verzichtet werden und die Montage erfolgt vergleichsweise einfach durch Einfädeln und Absetzen. Zudem liegen umfangreiche Erfahrungen mit dem Vergrouten unter Wasser vor, so dass das TP mit sämtlichen Anbauteilen in das Wasser hineinragen kann. Aus tragwerksplanerischer Sicht wird im Bereich der Groutverbindung die Balkentragwirkung zweier Stahlrohre unterbrochen und durch eine komplizierte Schalentragwirkung ersetzt. Das Auftreten geometrischer Unstetigkeiten

1 Allgemeines Die Monopilegründung hat für Offshore-Windenergieanlagen weite Verbreitung gefunden. Als Verbindung zwischen dem Turm der eigentlichen Windenergieanlage und dem in

Bild 1. Transition Pieces und Monopiles für den OWP London Array Fig. 1. Transition pieces and monopiles for the London Array Offshore wind farm

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und der stark zyklische Charakter der Einwirkungen erschweren dabei lokale Festigkeitsnachweise für das Groutmaterial. Indessen bringt es das großzügige Überlappen der beiden Stahlrohre mit sich, dass zumindest das vollständige Abknicken des Tragwerks keine unmittelbare Folge einer Festigkeitsüberschreitung beim Groutmaterial sein kann. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage nach geeigneten statischen Modellen und Versagenskriterien für Nachweise der Tragwerkssicherheit einerseits sowie der Gebrauchstauglichkeit andererseits. Das bestehende Sicherheitsniveau ist dabei aus bauaufsichtlicher und aus wirtschaftlicher Sicht möglicherweise unterschiedlich zu bewerten. Die Begrenztheit der für diesen Verbindungstyp bislang vorliegenden praktischen Erfahrungen legt insbesondere unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten eine eher konservative Bemessung nahe. Die entsprechenden Nachweise erfolgen üblicherweise unter Zuhilfenahme von FE-Modellen. Auf ausgewählte Aspekte insbesondere im Zusammenhang mit einer für die Praxis geeigneten Modellierung wird im Folgenden eingegangen. Dabei wird auf Erfahrungen zurückgegriffen, die im Zuge mehrerer Ausführungsplanungen und unterschiedlicher Genehmigungsverfahren gesammelt werden konnten.

Vertikalkräfte sind die Zug- und Druckkraft des als Balken betrachteten Gesamttragwerks (Bild 2). Infolge der Bogenkraft wird der Rohrquerschnitt des MP an seiner Oberkante in Umfangsrichtung gestaucht und strebt an den Seiten nach außen. Im TP stellt sich die gleiche Tragwirkung mit umgekehrtem Vorzeichen ein. Infolge der Dehnung in Umfangsrichtung entsteht auf der lastabgewandten Seite ein Spalt zwischen MP und TP. Die raumgreifende Mitwirkung der Stahlbleche führt zu einer vergleichsweise großen Relativverdrehung der beiden Rohre, die sich in einer vertikalen Relativverschiebung der Rohrwandungen im Bereich von einigen Millimetern ausdrückt.

2.2 Beanspruchung der Groutkanten

Das umfassendste Prinzip der Momentenübertragung bei der behandelten Verbindung besteht in der gegenseitigen Verdrehungsbehinderung der beiden ineinandergesteckten Rohre. Zur Herstellung des Gleichgewichts reicht bei dieser Tragwirkung bereits die Berücksichtigung von Kontaktpressungen senkrecht zu den Rohrwandungen aus. Die Einleitung des Moments in den MP erfolgt dabei in Form eines horizontalen Kräftepaars (Bild 2). Wird Reibung vernachlässigt, erfolgt die Kraftübertragung oben und unten jeweils in Form einer Streckenlast, die über den Rohrumfang senkrecht auf die Wand des MP einwirkt. Infolge der Bogenwirkung stellen sich im Monopileblech auf Höhe beider einwirkender Kräfte Umfangsdruckspannungen ein, die sich über eine diagonale Druckstrebe an der Seite des MP gegenseitig ins Gleichgewicht setzen. Die zugleich wirkenden

In der Nähe der Oberkante des Groutkörpers ergeben sich auf der globalen Druckseite Umfangsdruckspannungen, die den Umfangsdruckspannungen des dort endenden Monopiles folgen. Entsprechend stellen sich an der Unterkante eines ungerissenen Groutkörpers auf der globalen Druckseite Umfangszugspannungen ein, die den Umfangszugspannungen des dort endenden Transition Pieces folgen und die Zugfestigkeit des Materials in der Regel deutlich übertreffen. Die Verwendung zu stark vereinfachender teilplastischer Materialmodelle kann in diesem Fall zu irreleitenden Ergebnissen führen, da das durch die Umfangsspannungen ausgelöste Plastifizieren der Groutkante eine unrealistisch günstige Lastumlagerungen auch in radialer Richtung erlaubt. Auch die Festlegung eines geeigneten Versagenskriteriums wird erschwert. Der Interpretation zugänglicher ist ein Modellierungsansatz, bei dem vertikal verlaufende, vorab diskret modellierte Risse so eingebaut werden, dass die Umfangszugspannungen verschwinden. Als Ergebnis einer entsprechenden Modellierung zeigen sich in Bild 3 an der oberen und unteren Groutkante Bereiche erhöhter Druckspannungen (vgl. [3]). Während sich an der oberen Groutkante radiale und Umfangsdruckspannungen in einem breiteren Streifen überlagern, werden für die untere Groutkante erhebliche Konzentrationen radialer Druckspannungen an der äußersten Groutkante berechnet, die bei ausreichend feiner Elementierung jedoch

Bild 2. Einleitung des Biegemoments in den Monopile Fig. 2. Application of the bending moment to the monopile

Bild 3. Verformter Groutkörper mit diskret modellierten Rissen, Hauptdruckspannungen Fig. 3. Principle stresses in deformed grout body modelled with discrete cracks

2 Verbindung unter Momentenbeanspruchung ohne Reibung 2.1 Interaktion der Rohre über Kontakt

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Bild 4. Verformungen von MP (links mit von Mises-Spannungen und angedeuteter Groutkante) und TP mit Flansch (rechts mit vertikalen Spannungen) im Bereich der unteren Groutkante Fig. 4. Deformation of the MP (left with von Mises stresses and indicated grout edge) and TP with flange (right with vertical stresses) at the lower grout edge

auch in vertikaler Richtung über mehrere Elemente hinweg in Erscheinung treten (Bild 3). Oberhalb des wenige Zentimeter hohen Kontaktbereichs tritt ein Streifen fehlenden Kontakts auf. Die konzentrierten Spannungen folgen aus dem mitmodellierten Überstand des TP über die untere Groutkante. Die große Umfangsdehnung des TP auf Höhe der Groutkante tritt weiter unten mangels radialer Beanspruchung nicht mehr auf. Folglich biegt das TP-Blech in vertikaler Richtung um die Groutkante herum (Bild 4). An der Unterkante des Kontaktstreifens werden im Modell Druckspannungen erreicht, die den Bemessungswert der Groutdruckfestigkeit übersteigen können. Dem steht ein großes Potenzial zur Lastumlagerung gegenüber. Diese kann durch konstruktive Maßnahmen unterstützt werden.

3 Interaktion mit Reibung und Axiallasten 3.1 Berücksichtigung der Reibung Wird Coulombsche Reibung in die Betrachtungen einbezogen, so besteht bei Vernachlässigung der Adhäsion für den Fall des Gleitens eine proportionale Abhängigkeit zwischen senkrecht und parallel zur Kontaktfläche wirksamen Spannungen. Aus letzteren resultieren zusätzliche innere Schnittgrößen, die dem äußeren Moment entgegenstehen ([3] bis [5]). Zwar erfolgt die Kraftübertragung zwischen TP und MP über Reibung weitaus kleinräumiger. Da sie jedoch erst sekundär in der Folge der Aktivierung radialer Spannungen auftritt, wird bei üblichen Reibkoeffizienten der oben beschriebene raumgreifende Mechanismus nicht vollständig ersetzt und es kommt weiterhin zu Relativverschiebungen zwischen den Stahlblechen von TP und MP im Bereich einiger Millimeter.

alleiniger Vertikalbelastung ergibt sich dann eine Relativverschiebung zwischen TP und MP, die von Reibbeiwert und Neigung abhängt und im Bereich von mehreren Zentimetern liegen kann. In Bild 5 sind für ein FE-Modell mit entsprechender Vorbelastung die auf der globalen Druck- und Zugseite auftretenden Relativverschiebungen zwischen TP und MP in der Nähe der unteren Groutkante beim sukzessiven Aufbringen und Entfernen eines zusätzlichen Biegemoments dargestellt. Wie zu erkennen ist, bewegt sich das TP im Verlauf des modellierten Lastzyklus um etwa 3 mm nach unten. Das im Modell beobachtete Verhalten erklärt sich aus der hier etwa 4,5 mm großen Differenz der beiderseitigen Relativverschiebungen, die erforderlich ist, um die Momentenübertragung zu realisieren. Der Erhalt des vertikalen Gleichgewichts über den Lastzyklus hinweg wird erreicht, indem auf der Seite des nach unten bewegten TP vollständiges Gleiten auftritt, während auf der Seite des nach oben bewegten TP gebietsweise Haftreibung wirkt, die bei gleicher Kontaktpressung geringere Werte annehmen kann. Somit gleitet stets jene Seite des TP, deren Bewegung gerade abwärts gerichtet ist. Größere Reibkoeffizienten verringern zwar die Setzungen pro Lastzyklus, verhindern jedoch nicht die generelle Bewegung in Richtung der konstant einwirkenden Vertikallast. Die Abwärtsbewegung wird verlangsamt, wenn die Kontaktpressung aus Setzung größer wird, so dass die Haftreibung in einem mittleren Bereich der Verbindung mit geringen Relativverschiebungen zunehmend ausreicht, um die Vertikallast alleine ins Gleichgewicht zu setzen. Bei einer nicht konischen Geometrie der Groutverbindung setzt sich die beschriebene Abwärtsbewegung im Modell bei jedem weiteren Lastzyklus fort. Hierin besteht ein mögliches Erklärungsmodell für die in der Praxis beobachten Setzungen. Auch bei konischen Verbindungen ist danach mit Setzungen zu rechnen, die über das Maß der oben beschriebenen Anfangssetzung hinausgehen. Die hierdurch aufgeprägten Kontaktpressungen haben unter anderem Einfluss auf die Aufteilung der inneren Momente sowie auf die an den Groutkanten auftretenden Grout- und Stahlspannungen.

3.2 Setzungen bei konischer Geometrie Um unter den gegebenen Voraussetzungen und bei einer zusätzlich zum Moment wirkenden Vertikallast Gleichgewicht zu erzielen, müssen die Kontaktflächen von idealen Zylindern abweichen [3]. Dies kann durch eine konische Ausbildung von MP und TP realisiert werden. Bereits unter

Bild 5. Relativverschiebungen zwischen TP und MP bei in 6 Schritten aufgebrachtem (durchgezogen) und wieder entferntem (gestrichelt) Biegemoment für die globale Zug- (rot) und Druckseite (blau) Fig. 5. Relative displacement between TP and MP for varying bending moment

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4 Momentenübertragung durch Schubrippen 4.1 Allgemeines Eine wesentliche Erweiterung der beschriebenen Tragwirkung folgt aus der Einführung von Schubrippen, die in der Regel alternierend an der Außenseite des MP und an der Innenseite des TP angeordnet werden ([1], [2]) und über die Ausbildung diagonaler Druckstreben, die sich an den umgebenden Stahlrohren abstützen, einen unmittelbaren vertikalen Kraftfluss zwischen MP und TP ermöglichen ([3] bis [8]). Das entsprechende Nachweiskonzept nach [9] sieht vor, in der Mitte der Verbindung angeordnete Schubrippen rechnerisch lediglich zur Aufnahme von Vertikallasten, nicht jedoch zum Momentenabtrag heranzuziehen. Das Konzept nach [3] berechnet auf analytischem Weg an den Schubrippen wirkende, gemittelte Streckenlasten, die aus beiden Belastungen folgen. Um die individuelle Beanspruchung jeder einzelnen Druckstrebe weiter anzunähern, bietet sich die Verwendung eines FE-Modells an, das das komplexe Zusammenwirken der globalen Tragwirkung nach Abschnitt 3.1 und der Wirkung der Druckstreben möglichst weitreichend abbildet. Hiermit können außerdem die über die Höhe veränderlichen Stahldicken berücksichtigt und lokale Stahlspannungen ermittelt werden.

Bild 6. Groutblöcke und Schubrippen mit farblicher Darstellung der vertikalen Groutspannungen auf der Zugseite, unten Fig. 6. Grout blocks and shear keys with vertical grout stresses close to the bottom of the tension side

4.2 Modellierung Ein wichtiger Einflussfaktor für die Beanspruchung der Druckstreben ist das Maß, in dem es diesen gelingt, sich der Übertragung der globalen Momentenbeanspruchung zu entziehen. Hiermit ist insbesondere das Zulassen einer vertikalen Relativverschiebung einander zugeordneter Schubrippen angesprochen. Vertikale und horizontale Relativverschiebungen zwischen durch Druckstreben miteinander verbundenen Schubrippen interagieren miteinander zunächst über die elastische Verformung des Groutmaterials. Ein weiterer Zusammenhang besteht über die Verdrehung der Druckstrebe. Weitere Effekte, die ähnliche Beziehungen etablieren, können mit der teilweisen oder kompletten Zerstörung der Druckstrebe oder mit der Ausbildung von Gleitfugen an den Schubrippen in Zusammenhang stehen. Das elastische Materialverhalten sowie die Verdrehung der Druckstreben werden in der hier vorgestellten Modellierung berücksichtigt. Eine Überschreitung der Grenze des elastischen Bereichs wird erst in einer bestimmten Modellvariante abgebildet. In anderem Zusammenhang wird eine Relativerschiebung zwischen Grout und Stahl unmittelbar an einer Schubrippe in den hier vorgestellten Modellen jedoch nicht zugelassen. In den betrachteten räumlichen FE-Modellen sind die Abstände zwischen den Schubrippen so groß gewählt, dass ein Ausbilden von Druckstreben über mehrere Schubrippen hinweg nicht zu erwarten ist und sich außerdem Druckstreben auf der globalen Zug- und Druckseite der Verbindung nicht zwischen den gleichen Schubrippenpaaren ausbilden (Bilder 6 und 7). Auf diese Weise wird ein Kreuzen von Druckstreben infolge von Wechsellasten vermieden. Wegen der vertikalen Dehnung von TP und MP bei gleichzeitiger Stauchung der Druckstreben ist auf der glo-

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Bild 7. Anordnung von Schubrippen, Groutblöcken und Druckstreben Fig. 7. Arrangement of shear keys, grout blocks, and compression struts

balen Zugseite mit dem Ausbilden von Rissen zu rechnen, die zwischen den Wandungen von TP und MP verlaufen. Entsprechendes ist auch bereits als Folge autogener Schwinderscheinungen nicht auszuschließen [10]. Das Auftreten solcher Risse ermöglicht zudem erst ein Verdrehen der Druckstreben. Die Anordnung der Risse erfolgt im Modell als Näherung horizontal auf Höhe sämtlicher Schubrippen (Bild 6).

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4.3 Ergebnisse der FE-Analyse Die Interaktion zwischen der in Abschnitt 2 beschriebenen globalen Momentenübertragung und der direkteren Kraftübertragung über die Schubrippen wird durch den stark überhöhten Verformungsplot in Bild 8 veranschaulicht. Auf der globalen Zugseite bewirkt die vertikale Verlängerung der Stahlbleche ein Öffnen der Risse, wodurch die Verdrehung der Groutblöcke zwischen den Schubrippen und damit die Aufweitung des Groutspalts begünstigt wird. Auf der globalen Druckseite werden die Risse dagegen überdrückt. Das Groutmaterial wird hierdurch unmittelbar am Abtrag des globalen Biegemoments beteiligt. Da sich die Groutblöcke hier gegenseitig an einer Verdrehung behindern, ist die Aufweitung des Groutspalts weniger ausgeprägt. Die unterschiedlichen Verhältnisse auf der globalen Zug- und Druckseite werden durch die Hauptspannungsplotts in Bild 9 verdeutlicht. Der mit über 75 % weitaus größte Anteil des äußeren Moments wird in dem beschriebenen Modell durch vertikal auf die Schubrippen einwirkende Kräfte ins Gleichgewicht gesetzt. Dabei treten vertikale Relativverschiebungen im Bereich um einen Millimeter auf, also deutlich unterhalb der im Zusammenhang mit einer rippenlosen Momentenübertragung angetroffenen Werte. Die zueinander ins Verhältnis gesetzten Belastungen der einzelnen, wie in Bild 7 nummerierten Schubrippen sind in Bild 10 für drei Modellvarianten zusammengestellt. In der Modellvariante 1 treten ausschließlich elastische Verformungen auf. Für Modellvariante 3 werden ab dem Erreichen einer bestimmten vertikalen Schubrippenlast vertikale Relativverschiebungen an den Schubrippen ohne erhebliche Steigerung der übertragenen Vertikalkraft zugelassen. Modellvariante 2 entspricht der ersten Variante, die modellier-

Bild 9. Hauptspannungen in den Groutblöcken Z_05 bis Z_15 (links) und D_0 bis D_1 (rechts) für Modellvariante 1 Fig. 9. Principle stresses in Grout Blocks Z_05 to Z_15 (left) and D_0 to D_1 (right) for FE-Model 1

ten Risse besitzen jedoch eine initiale Spaltbreite von einem Promille des vertikalen Abstands diagonal benachbarter Schubrippen. Die für die Modellvarianten 1 und 2 in Bild 10 erkennbaren deutlich erhöhten Belastungen der äußeren Schubrippen lassen sich als Folge der zu den Rändern des Übergreifungsbereichs hin anwachsenden Differenzen zwischen den vertikalen Dehnungen in TP und MP interpretieren. Auf der Druckseite kommt für Modellvariante 1 die beschriebene Durchleitung eines Teils der globalen Druckkraft hinzu, was zu erhöhten Belastungen der äußeren Schubrippen führt (vgl. Bild 9, rechts). Durch die Abbildung der vergrößerten Spaltbreite in Modellvariante 2 wird die über Schubrippe 0 eingeleitete Kraft zwar reduziert, dafür steigt jedoch die über Druckstrebe D_0 an Schubrippe 1 übertragene Kraft erheblich an. Hier überlagern sich die Auswirkungen verschiedener Momentenübertragungsmechanismen besonders ungünstig. Dem Auftreten erhöhter Beanspruchungen im Bereich der äußeren Schubrippen kann bis zu einem gewissen Grad durch das Vorsehen größerer Schubrippenhöhen begegnet werden (Bild 7, schwarze Symbole).

4.4 Nachweis der Druckstreben

Bild 8. Verformungen von Stahlschalen und Groutkörper im FE-Modell Fig. 8. Deformation of steel shells and grout body in finite element model

Eine Möglichkeit für den Tragfähigkeitsnachweis der Druckstreben ist die Anwendung des Verfahrens nach [11] unter Verwendung von Schubrippenlasten, die dem Ergebnis einer FE-Analyse entnommenen werden [8]. Die so berechneten Spannungen sind mit gutachterlich festzulegenden Groutfestigkeiten zu vergleichen. Der Ansatz einer entlastenden

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rungsvermögen auf globale Tragmechanismen. In vielen Fällen ist allerdings der Ermüdungsnachweis maßgebend, bei dem eine Überschreitung des elastischen Bereichs in der Regel nicht zugelassen wird. Literatur

Bild 10. Verhältnis der vertikalen Schubrippenbelastungen auf der globalen Druck- und Zugseite (D bzw. Z) für die Modellvarianten 1 bis 3 (Schubrippennummern nach Bild 7) Fig. 10. Proportional vertical loading of the shear keys on global pressure and tension side (D and Z respectively) for FE-Models 1 to 3 (denotation of shear keys corresponding to Fig. 7)

Wirkung durch von den Stahlblechen seitlich auf die Druckstreben einwirkende Druckkräfte erscheint angesichts im FE-Modell festzustellender Spaltbildung bis über einen Millimeter Breite und unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus [12] nicht ohne weiteres möglich.

4.5 Möglichkeiten der Lastumlagerung An den Ergebnissen für die Modellvariante 3 mit plastischen Verschiebungen an den Schubrippen wird in Bild 10 deutlich, dass die resultierenden Lastumlagerungen überwiegend hin zu den innenliegenden Schubrippen und nur zu einem geringeren Anteil hin zu anderen Mechanismen des Momentenabtrags erfolgen. Dafür werden in dem betrachteten Beispiel maximale plastische Verschiebungswege an den Schubrippen im Bereich eines halben Millimeters benötigt. Aus [12] geht hervor, dass Verformungen in dieser Größenordnung beim Einsatz faserbewehrten Groutmaterials im Laborversuch ohne Kraftabfall erreicht werden können. Erhebliche weitere Traglastreserven bestehen beim Zulassen lokalen Druckstrebenversagens durch das Umlage-

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[1] DIN EN ISO 19902: Erdöl- und Erdgasindustrie – Gegründete Stahlplattformen. 2008. [2] Det Norske Veritas: DNV-OS-J101, Design of Offshore Wind Turbine Structures. 2011. [3] Lotsberg, I., Serednicki, A., Lervik, A.: Design of grouted connections for monopile offshore structures. Stahlbau 81 (2012), H. 9, S. 695–704. [4] Schaumann, P., Lochte-Holtgreven, S., Lohaus, L., Lindschulte, N.: Durchrutschende Grout-Verbindungen in OWEA – Tragverhalten, Instandsetzung und Optimierung. Stahlbau 79 (2010), H. 9, S. 637–647. [5] Scharff, R., Siems, M.: Entwurf und Nachweisführung von Grout-Verbindungen unter Berücksichtigung der Beanspruchungssituation in Tragstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen. Stahlbau 80 (2011), H. 9, S. 687–692. [6] Schaumann, P., Lochte-Holtgreven, S.: Schädigungsmodell für hybride Verbindungen in Offshore-Windenergieanlagen. Stahlbau 80 (2011), H. 4, S. 226–232. [7] Schaumann, P., Bechtel, A., Lochte-Holtgreven, S.: Nachweisverfahren zur Tragfähigkeit überwiegend axial beanspruchter Grouted Joints in Offshore-Tragstrukturen. Stahlbau 81 (2012), H. 9, S. 679–688. [8] Fehling, E., Leutbecher, T.: Werkstoffmodelle und Bemessungsansätze für Grouted Joints. Seminar Grouted Joints bei Windkraftanlagen. Kassel, 2011. [9] Germanischer Lloyd: Rules for Classification and Construction. IV Industrial Services, part 2: Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines. 2005. [10] Schmidt, M., Braun, T.: Hochleistungs-Vergussbetone – Herstellung, Eigenschaften und Qualitätssicherung. Seminar Grouted Joints bei Windkraftanlagen. Kassel, 2011. [11] Schlaich, J., Schäfer, K.: Konstruieren im Stahlbetonbau. Beton-Kalender 2001, BK2, S. 311–492. [12] Leutbecher, T., Fehling, E.: Zur Tragfähigkeit von Ultrahochleistungs-Faserbeton in flaschenförmigen Druckfeldern, DAfStb-Forschungskolloquium – Beiträge zum 53. Forschungskolloquium am 9. und 10. Oktober am Institut für konstruktiven Ingenieurbau der Universität Kassel, Kassel (2012), S. 47–57.

Autoren dieses Beitrages: Dr.-Ing. Marc Voßbeck, m.vossbeck@ims-ing.de, Dr.-Ing. Martin Kelm, m.kelm@ims-ing.de, IMS Ingenieurgesellschaft mbH, Stadtdeich 7, 20097 Hamburg Dr.-Ing. Thomas Löhning, COWI A/S, Parallelvej 2, 2800 Kongens Lyngby, Dänemark, thlg@cowi.com

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Berichte DOI: 10.1002/stab.201301657

Museum der Bayerischen Könige, Hohenschwangau Torsten Zimmermann

Das Museum der Bayerischen Könige findet im ehemaligen Hotel Alpenrose am Alpsee umgeben von Bergen sein neues Zuhause. Die Lage ist geprägt durch die Nachbarschaft der beiden bekannten Schlösser Neuschwanstein und Hohenschwangau. Zum Bestandsbau des Hotel Alpenrose gehören drei Teile: das Jägerhaus, das Hotel Alpenrose, sowie ein eingeschossiger Verbindungsbau, in dem der ehemalige Speisesaal des Hotels mit Palmenhaus beheimatet war. Über diesem eingeschossigen Verbindungsbau sollte eine neue Dachkonstruktion entstehen, um zusätzliche Ausstellungsflächen für das Museum zu schaffen. Der Bestand ist denkmalgeschützt. Deswegen wurde die neue Dachkonstruktion so konzipiert, dass sie als unabhängig vom Bestand funktionierende und gegründete Tragstruktur ausführbar ist und möglichst wenig in den Bestand eingreift. Dadurch war es möglich, den Entwurf der neuen Dachkonstruktion möglichst unabhängig von der Lage der Bestandswände und der denkmalgeschützten Bestandsdecke im Erdgeschoss zu gestalten (Bild 1). Der Baustoff Stahl bietet zahlreiche Vorteile, um all diese Anforderungen zu erfüllen. Er ermöglicht es, im Vergleich zu anderen Baustoffen sehr filigrane Bauteile und weit spannende Tragwerke auszubilden. Ebenso wird durch die Verwendung von Stahl enorm an Gewicht eingespart. Durch die vorgenannten Punkte sind nur minimale Eingriffe notwendig, eine negative Beeinträchtigung des Bestandes kann ausgeschlossen werden. Durch den materialgerechten Einsatz des Stahls konnte nun eine leichte und effiziente Tragstruktur entwickelt wer-

den. Den Architekten und Tragwerksplanern ist es hierbei in genialer Weise gelungen, die Rauten der bayerischen Fahne in eine selbsttragende Gitterschale zu transformieren. Die Gitterschale besteht aus zwei unterschiedlich großen Vierteltonnen und einer Halbtonne als Stahlkonstruktion. Das Schalentragwerk überspannt 20 m freitragend und ist punktgestützt. Die verschiedenen Elemente der Tragstruktur der Tonnen sind ausgelaserte Flachstähle als Gitterschale und I-Profile als Pfetten. Die Flachstähle folgen der Tonnenschale, bilden dabei die Rauten und werden nach dem „Zollinger-Prinzip“ verschweißt. Die längsgerichteten Stahlpfetten dienen der räumlichen Stabilisierung des „Zollinger-Fachwerks“ und liegen oberhalb der Flachstähle. Dadurch wird gewährleistet, dass die im Innenraum sichtbaren Rauten gestalterisch nicht durch die Längsträger beeinträchtigt werden. Der Werkstoff Stahl ermöglicht es, ein sehr filigranes Schalentragwerk auszubilden. Die von ihm gebildeten Rauten erfüllen alle gestalterischen Ansprüche und sind auch von innen sicht- und erlebbar. Trotz der Dimensionen des Daches wirkt das Schalentragwerk durch die feinsinnige Detaillierung leicht und nicht bedrückend. Auf den Pfetten werden, dem Verlauf der Dachtonnen folgend, Flachstähle aufgeschweißt, die die Unterkonstruktion für die Trapezblechdeckung bilden, die wiederum als Basis für den restlichen Dachaufbau dient. Durch den im Stahlbau hohen Grad der Vorfertigung ist es möglich, den Aufwand der Montage auf der Baustelle auf ein Minimum zu reduzieren. Die verschiedenen Segmente des Tragwerks können durch das geringe Gewicht im

Bild 1. Ansicht des Gebäudeensembles mit neuer Dachkonstruktion

Bild 2. Einheben einer vorgefertigten Vierteltonne

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Bild 3. Aufbau der Halbtonne aus fünf vorgefertigten Teilen

Bild 5. Montage der Vierteltonne

Bild 4. Ankunft der zweiten vorgefertigten Vierteltonne

Bild 6. Zentraler Ausstellungsraum unter dem fertiggestellten Halbtonnengewölbe

Verhältnis zur Tragfähigkeit des Stahls einfach, schnell und in für den Transport geeigneten Größen zur Baustelle gebracht werden. Nach Ankunft der vorgefertigten Segmente werden nur kurze Kranstandzeiten für die Montage benötigt, da die vorgefertigten Teile sehr schnell zusammengefügt werden können und damit ihre volle Tragfähigkeit erhalten. Beim Museum der Bayerischen Könige wurden die Gitterschalen der Halbtonne in fünf vorgefertigten Teilen angeliefert und anschließend auf einem Montagegerüst zusammengebaut. Die Vierteltonnen konnten sogar in einem Stück auf die Baustelle gebracht und anschließend mit den anderen Bauteilen zusammengefügt werden (Bilder 2 bis 5). Nach der Fertigstellung des Museums ist somit im Neubaubereich eine dreischiffige Raumanlage entstanden, die aus zwei unterschiedlich großen Stahlvierteltonnen- und einem Stahlhalbtonnengewölbe gebildet wird. Von den äußeren Vierteltonnengewölben aus hat der Besucher einen atemberaubenden Ausblick auf die umgebende Landschaft, wobei auch der starke Bezug des Museums zum Ort erlebund spürbar wird. Der mittlere große Raum lenkt die Aufmerksamkeit eher auf das Innere und die außergewöhnlichen Exponate der Bayerischen Könige. Hier entfaltet sich besonders die beeindrucke Raumwirkung des filigranen Stahlfachwerks durch die Halbtonne (Bild 6). Wegen der Lage im bergigen Gelände wurde auch die Ansicht von oben, die sogenannte fünfte Fassade, bewusst

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gestaltet. Die Tonnengewölbe sind mit metallischen Schindeln gedeckt, die sich durch ihre unterschiedlichen Farbnuancen auf die Ziegeldächer der umgebenden Bebauung beziehen (Bild 7). Der Neubau wird im Bestand zwar erkennbar, tritt aber nicht in den Vordergrund, sondern ergänzt die Bestandsgebäude und gibt dem gesamten Ensemble eine neue zukunftsweisende Identität und Qualität. Auch in Belangen der Nachhaltigkeit hat das neue Gebäude viel zu bieten. Durch die minimierte Tragstruktur ist es problemlos im Laufe der Zeit möglich, die Ausstellungsgestaltung neuen Bedürfnissen anzupassen. Durch den leichten und kompakten Baustoff Stahl wird für den Transport nur ein Minimum an CO2 ausgestoßen. Falls die Ausstellungsräume nicht mehr gebraucht werden, kann das komplette Stahltragwerk demontiert und an einem neuen Ort wieder aufgebaut werden. Steht kein neuer Einsatz bevor, kann das Stahltragwerk in Teilen für andere Zwecke wieder verwendet oder recycelt werden. Aufgrund der zahlreichen Qualitäten des Gebäudes in allen Belangen wurde das Museum der Bayerischen Könige in Hohenschwangau mit dem Preis des Deutschen Stahlbaues 2012 ausgezeichnet. Laudatio der Jury „Das neue Museum über die Geschichte des Wittelsbacher Königshauses unterhalb der Schlösser Neuschwanstein

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Bild 7. Dachdeckung mit farbigen Metallschindeln

Bild 8. Panoramafenster von der Ausstellung zum Alpsee

und Hohenschwangau ist eine vollendete Synthese aus deutender Formsetzung und ingenieuser Formfindung. Seine Architektur ergibt sich wie selbstverständlich aus dem Dialog mit dem ‚genius loci‘. Die stählernen Rautengewölbe der leichten, neuen Dachkonstruktion über einem ehemaligen Speisesaal zwischen bestehendem Hotel und Jägerhaus transformieren hintersinnig das Rautenmuster der bayerischen Landesflagge in eine raumbildende Stahlstruktur, überwölben stützenfrei den introvertierten Ausstellungssaal mit den Kronjuwelen und öffnen sich seitlich zur Alpenlandschaft. Die konstruktiven Vorzüge der in großen Elementen vormontierten stählernen Gewölbeschalen verbinden sich räumlich und bis ins Detail der äußeren Dachdeckung und der inneren Lichtdecke zu einer architektonischen Formensprache, die souverän mit der Historie und heraldischen Mustern spielt.“

Beteiligte Museum der Bayerischen Könige, Hohenschwangau Architektur: Staab Architekten, Berlin Tragwerk: ifb frohloff staffa kühl ecker, Berlin Stahlbau: Prebeck Stahlbau GmbH, Bogen Bauherr: Wittelsbacher Ausgleichsfonds, vertreten durch die Schlosshotel Lisl GmbH & Co. KG, Hohenschwangau

Aktuell Schülerwettbewerb BRÜCKENschlag 2012/2013 Die Ingenieurkammern der Länder Baden-Württemberg, Hessen, RheinlandPfalz, Saarland und Sachsen-Anhalt wollen technische Kreativität an Schulen fördern, auf die Attraktivität des Ingenieurberufs hinweisen und dem aktuellen Fachkräftemangel früh entgegenwirken. Daher sollen die Schülerinnen und Schüler wie richtige Ingenieure Fußgängerbrücken entwerfen und konstruieren; das ist Aufgabe des kreativ-technischen Schülerwettbewerbs „BRÜCKENschlag“. Über zwei Drittel aller teilnehmenden Schülerinnen und Schüler des in fünf Bundesländern ausgelobten Wettbewerbs kommen aus Baden-Württemberg. Landesweit beteiligen sich über 4.500 Schülerinnen und Schüler aus 193 Schulen mit über 1.500 geplanten Modellen an dem Wettbewerb – überwiegend aus den Klassenstufen acht, neun und zehn.

Bildnachweis: alle Bilder von Marcus Ebener. Autor dieses Beitrages: Dipl.-Ing. Arch. Torsten Zimmermann bauforumstahl e.V. Sohnstraße 65 40237 Düsseldorf

Noch bis 25. Januar 2013 bleibt ihnen nun Zeit, ihre selbst geplanten, innovativen Miniaturbauwerke bei der Jury der Ingenieurkammer einzureichen. Die Fußgängerbrücken müssen voll funktionsfähig sein, ein möglichst geringes Eigengewicht aufweisen und einem Belastungstest standhalten. Nur einfachste Baumaterialien, wie Papier, Holz- und Kunststoffstäbchen sowie Schnur, Kleber oder Stecknadeln dürfen dabei Verwendung finden. „Wir freuen uns, dass auch unser achter Wettbewerb ein überwältigendes Interesse weckt und wir einer Rekordbeteiligung entgegenstreben“, sagt Professor Dr.-Ing. Stephan Engelsmann, Vizepräsident der Ingenieurkammer Baden-Württemberg. „Dies zeigt uns, dass wir mit unserem Bestreben, den ingenieurwissenschaftlichen Nachwuchs bereits an allgemeinbildenden Schulen zu fördern, den Nerv von jungen Menschen treffen.“ Brücken zu planen und zu konstruieren ist die Königsdisziplin der Ingenieurbaukunst. Die hohe Beteiligung am diesjährigen Wettbewerb lässt sich darauf

zurückführen, dass das Thema Brücken Bestandteil des Lehrplans an baden-württembergischen Schulen ist. Anfang Februar 2013 trifft sich eine namhafte Jury, bestehend aus Professoren, Beratenden Ingenieuren, Prüfingenieuren und einem Vertreter des Kultusministeriums Baden-Württemberg in Stuttgart, um die Siegermodelle heraus zu finden. Dabei wird eine Reihe von zuvor festgelegten Auswahlkriterien zur Beurteilung herangezogen. Den Abschluss des Landeswettbewerbs bildet eine große Preisverleihung mit Rahmenprogramm am 27. Februar 2013, 13.30 Uhr in der Stuttgarter CarlBenz-Arena. Zur Preisverleihung, bei der die Schülerinnen und Schüler Ihre Platzierungen in zwei Alterskategorien erfahren, werden auch diesmal über 1.000 Personen erwartet. Die Jugendlichen reisen in Begleitung Ihrer Lehrer und Eltern dafür eigens aus allen Landesteilen Baden-Württembergs in die Landeshauptstadt. Weitere Informationen unter: www.ingbw.de

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Persönliches / Aktuell

Persönliches ICARO Award an Holger Svensson verliehen

Sie zeichneten sich durch Verlässlichkeit und verantwortliches Handeln aus. Dr. Schroeters Engagement im Bereich Nachwuchsförderung und seinen Einsatz gegen den Fachkräftemangel lobte Zeil besonders. Auch sein Wirken über die Grenzen Bayerns hinaus, u. a. durch Tätigkeiten in der Bundesingenieurkammer sowie internationalen Organisationen, hob Zeil hervor.  „Ich freue mich sehr über diese hohe Auszeichnung und werde mich auch weiter nachdrücklich für die Belange der Ingenieure im Bauwesen einsetzen“, versicherte Kammerpräsident Dr. Schroeter. Weitere Informationen finden Sie unter: www.bayika.de

Michael Szczesny mit Paton-Preis ausgezeichnet Prof. Dipl.-Ing. Holger Svensson erhält den ICARO Award 2012

Am 29. November 2012 wurde der ICARO Award 2012 der Universität von La Coruña in Spanien an Prof. Dipl.-Ing. Holger Svensson verliehen. Zur Begründung heißt es in der Verleihungsurkunde: „als Forscher und Ingenieur international anerkannt für hervorragende akademische Leistungen, der wichtige Fortschritte auf dem Gebiet des konstruktiven Ingenieurbaus erzielt hat“. Der Preis wurde 2006 gestiftet und wird jedes Jahr verliehen. Die letzten beiden Preisträger waren Michel Virlogeux und Jirˆí Stráský.

Dr.-Ing. Heinrich Schroeter mit der Staatsmedaille für besondere Verdienste geehrt Dr.-Ing. Heinrich Schroeter, der Präsident der Bayerischen Ingenieurekammer-Bau, wurde vom bayerischen Wirtschaftsminister Martin Zeil mit der Staatsmedaille für besondere Verdienste um die bayerische Wirtschaft ausgezeichnet. Die Staatsmedaille ist die höchste Auszeichnung, die das Bayerische Wirtschaftsministerium vergibt. Sie wird an Personen verliehen, die sich in herausragender Weise um die Wirtschaft Bayerns verdient gemacht haben. „Es ist mir eine Freude, Ihnen für Ihre bedeutsamen Leistungen als Präsident der Bayerischen Ingenieurekammer-Bau die Staatsmedaille für besondere Verdienste um die Bayerische Wirtschaft zu verleihen“, sagte Martin Zeil beim Festakt in München. Die Träger der Staatsmedaille seien erfolgreiche Vorbilder und hätten Außergewöhnliches und Großartiges geleistet, sagte Martin Zeil.

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Michael Szczesny, Mitglied der Geschäftsführung von EWM Hightec Welding, ist in Denver/Colorado mit dem Evgeny Paton-Preis ausgezeichnet worden. Dieser renommierte Preis der internationalen Schweißtechnik wird jährlich vom International Institute of Welding (IIW) verliehen. Szczesny erhielt den Paton-Preis als Würdigung seines Beitrages zur Wissenschaft und angewandter Forschung auf dem Gebiet der Schweißtechnologie. „Die Verleihung des Paton-Preises ist eine große Ehre für EWM, für alle Mitarbeiter und für mich persönlich und wird uns Motivation und Verpflichtung für unsere zukünftige Arbeit sein“, erklärte er anlässlich der Preisverleihung im Rahmen der IIW-Jahrestagung in Denver. In ihrer Begründung hebt die Jury seine zahlreichen technologischen Entwicklungen und die 46 Patente hervor, die er in seiner 35-jährigen Berufstätigkeit gemeinsam mit dem EWM-Entwicklungsteam erarbeitet hat. Zu den effizienten schweißtechnischen Lösungen des Unternehmens zäh-

len beispielsweise die Entwicklung von energie- und emissionsreduzierten Lichtbogen-Schweißverfahren wie „forceArc“ und „coldArc“, die beim Anwender zu einer erheblichen Kosteneinsparung, nachhaltigen Energie- und Ressourcenschonung und zur CO2-Einsparung führten. Da die Anwendung dieser innovativen Schweißverfahren einhergehe mit einer erheblichen Reduzierung der Emission von Schweißrauchpartikeln, werde damit auch ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Schweißarbeitsplätze geleistet. Im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren erlauben „forceArc“ und „coldArc“ EWM zufolge Kosteneinsparungen von über 50 Prozent. „Besseres und schnelleres Schweißen bei verringerter Nacharbeit sowie signifikante Einsparungen beim Verbrauch von Schweißdraht, Schutzgas und Stromverbrauch steigern so die Wettbewerbsfähigkeit unserer Kunden“, betont Szczesny. Weitere Informationen erhalten Sie unter: www.ewm-group.com

Aktuell Messe BAU 2013 vom 14. 1.–19. 1. 2013 in München Unter dem Leitthema „Stahl – Bauen im Wertstoffkreislauf“ präsentieren sich Hersteller, Handel und Verarbeiter des Baustoffes Stahl zum zweiten Mal gemeinsam unter dem Dach von bauforumstahl, dem Forum für Beratung und Wissenstransfer. Gegenüber 2011 wurde der Gemeinschaftsstand flächenmäßig vergrößert und weitere Mitaussteller sind hinzugekommen. Das Angebot richtet sich an Architekten, Planer, Ingenieure, bauausführende Firmen und das verarbeitende

Michael Szczesny (rechts) bei der Verleihung des Paton-Preises in Denver/Colorado (Quelle: EWM Hightec Welding)

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Aktuell / Rezensionen Handwerk ebenso wie an Bauherren und den Nachwuchs in der Branche. „Nachdem sich das Messekonzept dieser Gemeinschaftsplattform beim letzten Mal gut bewährt hat, haben wir es weiter ausgebaut“, so Dr. Bernhard Hauke, Sprecher der Geschäftsführung des Veranstalters. „Noch zielführender folgen wir damit den Paradigmen nachhaltigen Bauens, das eine ganzheitliche Betrachtung von Bauwerken im Lebenszyklus und im Bauprozess erfordert. Kurz: Wir führen zusammen, was zusammengehört, auch als gutes Beispiel für eine integrale Planung, die für die Performance von Bauwerken immer entscheidender wird. Diese ganzheitliche Präsentation kommt bei den Kunden sehr gut an.“ Entsprechend kann sich das Fachpublikum bei den mitausstellenden Firmen und Organisationen über Stahlherstellung und neueste Bauprodukte, die Leistungspalette des Stahlhandels, Stahlbau und Montage, den Korrosionsschutz bis hin zum Brandschutz informieren. Besonders den Besuchern mit engem Zeitbudget sollen die kompakt dargebotenen Informationen der Hersteller entgegenkommen. Das Motto des Standes „Stahl – Bauen im Wertstoffkreislauf“ ist abgeleitet aus den Leitthemen der BAU 2013: Nachhaltigkeit, Energie 2.0, Stadtentwicklung im 21. Jahrhundert, Generationengerechtes Bauen. „Damit wollen wir den ganzheitlichen Ansatz für Ressourcen effizientes, Generationen übergreifendes Bauen zum Ausdruck bringen“, erläutert Dr. Hauke. „Stahl als Baustoff 3R – was für reduzieren, reaktivieren, recyceln steht – bietet alle Voraussetzungen für das Bauen der Zukunft. Stahl ist leicht und flächeneffizient, er ist wiederverwendbar, verleiht Bauwerken eine hohe Nutzungsflexibilität im gesamten Lebenszyklus und er ist unendlich oft recycelbar, also regenerativ. Der Grundstoff liegt zudem in Form des hochwertigen Sekundärrohstoffes Stahlschrott vor der Haustür. Den Dreiklang in dieser Vielfältigkeit leistet kein anderer Baustoff.“ Fachbesucher erwartet auf dem Stand ein breites Angebot an EPD-zertifizierten Bauprodukten, ressourceneffizienten Hochleistungsbaustählen, Verfahren und Bausystemen für den Büro- und Verwaltungsbau, Parkhäuser, das Bauen im Bestand bis hin zu energieeffizienten Dach- und Fassadensystemen, Deckensystemen, nachhaltigem Korrosionsschutz mit Feuerverzinken sowie Dämmschichtbildnern bis zu einer Feuerwiderstandsklasse von R180. Planer und Bauherren können sich zudem zur Ausführung ihrer Bauobjekte über das umfangreiche Netzwerk der Stahlbaufirmen und des Stahlhandels informieren. Auch Fragen zur Nachhaltigkeitszertifizierung von Gebäuden können mit Fachplanern vor

Ort besprochen werden. Die UmweltProduktdeklaration EPD-BFS-2010111 „Baustähle: Offene Walzprofile und Grobbleche“ liefert Informationen über die funktionale und ökologische Qualität von Bauteilen und Baustoffen; sie ist auch im DGNB-Navigator integriert. Ein Highlight des Messestandes bildet wieder der große Vortrags-Campus. Architekten und Tragwerksplaner, Fachexperten sowie Bauausführende berichten täglich über aktuelle Themen aus den Bereichen Nachhaltigkeit, Industrie- und Gewerbebau, Büro- und Verwaltungsbau. Das Campus-Programm wird je nach Thema mit Kooperationspartnern durchgeführt, z. B. mit der Bayerischen Architektenkammer und der Ingenieurkammer-Bau, der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB) oder dem Institut Bauen und Umwelt (IBU). Am Dienstagnachmittag, 15. 01. 2013 wird auf dem Gemeinschaftsstand von bauforumstahl der erstmals ausgelobte Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues verliehen. Ausstellende Unternehmen: – AG der Dillinger Hüttenwerke – ArcelorMittal Gruppe mit den Firmen: ArcelorMittal Commercial Long Deutschland GmbH ArcelorMittal Construction Deutschland GmbH – Salzgitter AG mit den Firmen: Peiner Träger GmbH (PTG) Salzgitter Bauelemente GmbH (SZBE) – Stahlwerk Thüringen GmbH – CSN Group – Tata Steel International  Ausstellende Organisationen und ihre Unternehmen: – Deutscher Stahlbau-Verband DSTV – Institut Feuerverzinken GmbH – Interessengemeinschaft Stahl-Brandschutzbeschichtung (IGSB) – Interessengemeinschaft Stahlhandel im bauforumstahl (IGS) Weitere Informationen finden Sie unter: www.bauforumstahl.de

Auslobung Verzinkerpreis 2013 Architekten, Bauingenieure, Stahl- und Metallbauer, Designer und Metallgestalter sind aufgerufen sich am Wettbewerb um den 13. Deutschen Verzinkerpreis für Architektur und Metallgestaltung zu beteiligen. Der Einsendeschluss für den mit 15.000 € dotierten Preis ist der 29. März 2013. In seiner rund 25-jährigen Geschichte hat sich der Verzinkerpreis zu einem in der Fachwelt beachteten Podium für innovative Architektur und Metallgestaltung mit Stahl entwickelt. Neben etab-

Reiser und Partner Architekten erhielten beim Wettbewerb um den Verzinkerpreis 2011 einen der beiden ersten Preise für die feuerverzinkte Fassade der Werner-vonSiemens-Schule in Bochum. (Quelle: Industrieverband Feuerverzinken)

lierten Architekten und Designern dient der Verzinkerpreis auch talentierten, weniger bekannten Architekten und Metallgestaltern als Sprungbrett, da er die Möglichkeit bietet, herausragende Projekte einer großen Öffentlichkeit zu präsentieren. Der Deutsche Verzinkerpreis prämiert innovative Bauwerke, Objekte und Produkte, die im wesentlichen Umfang feuerverzinkt sind oder interessante feuerverzinkte Details enthalten. Die unabhängige Jury aus Architekten, Metallgestaltern und Fachpressevertretern entscheidet über die Vergabe des Preises, der in getrennten Kategorien die Bereiche Architektur und Metallgestaltung prämiert. Bewerbungsformulare für den Deutschen Verzinkerpreis 2013 und die Auslobung mit den Teilnahmebedingungen sind erhältlich beim Industrieverband Feuerverzinken e.V., telefonisch und im Internet. Weitere Informationen unter: www.feuerverzinken.com

Rezensionen Kahlmeyer, E., Hebestreit, K., Vogt, W.: Stahlbau nach EC 3. Bemessung und Konstruktion. Träger – Stützen – Verbindungen. 6. Auflage. Neuwied: Werner-Verlag 2012. 332 S., zahlr. Abb. u. Tab., Kart., 17 × 24 cm. ISBN 978-3-8041-5211-3; 39,– € Zum 1. Juli 2012 wurde das erste Paket der DIN EN Eurocodes in den meisten Bundesländern bauaufsichtlich eingeführt. Hierzu gehört auch der Eurocode 3, der mit seinen 20 Teilen und den zugehörigen nationalen Anhängen einen Regelungsumfang von rund 1700 Seiten einnimmt.

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Rezensionen / Tagungsberichte Das praxisorientierte Buch von Kahlmeyer/Hebestreit/Vogt widmet sich der Anwendung der Bemessungsregeln aus den für den Stahlbau elementaren Teilen DIN EN 1993-1-1 „Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau“ und DIN EN 1993-1-8 „Bemessung von Anschlüssen“. Struktur, inhaltliche Konzeption und Beispiele wurden von den vorangegangenen Auflagen übernommen und auf die Bemessung nach Eurocode 3 umgestellt. Der Leser hat damit die Möglichkeit eines direkten Quervergleichs zu den Bemessungsregeln der DIN 18800 und deren Umsetzung. Das Buch ist in die fünf Hauptteile I. Grundlagen, II. Träger, III. Stützen, IV. Verbindungen und V. Beispiele zur Konstruktion und Berechnung von Verbindungen gegliedert. Der Teil Grundlagen behandelt auf wenigen Seiten grundsätzliche Regelungen zu den Einwirkungen und Nachweisen in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit. Der zweite Hauptteil widmet sich auf 69 Seiten der Gestaltung von Trägern im Allgemeinen und dem Nachweis von Vollwandträgern im Speziellen. Es werden Bemessungsregeln für Querschnitte der Klassen 1 bis 3 vorgestellt, die plastische Berechnung von Durchlaufträgern, Bauteilnachweise für einachsige Biegung und Gebrauchstauglichkeitsnachweise beschrieben. Dabei werden Formeln zur Berechnung der Wölbkrafttorsion, der idealen Biegedrillknickmomente und der drehelastischen Bettung von Trägern (Gegenstand von DIN EN 1993-1-3 und zugehehörigem NA) zusammengestellt. Zum Nachweis von Querschnitten der Klasse 4 werden allgemeine Hinweise gegeben. Bei der Methode der reduzierten Spannungen ist analoges Vorgehen zur DIN 18800-3 nur eingeschränkt auf die alleinige Wirkung von Längs- oder Schubspannungen möglich. Im dritten Hauptteil werden auf einem Umfang von 34 Seiten konstruktive Gestaltung und Stabilitätsnachweise von Stützen behandelt. Betrachtet werden hauptsächlich einteilige Stützen, deren Bemessung mit Schnittgrößen nach Theorie II. Ordnung und Ersatzstabnachweise hierfür. Den Schwerpunkt des Buches bilden die geschweißten und geschraubten Verbindungen von offenen Profilen, zu denen in den Hauptteilen IV und V auf insgesamt 206 Seiten normative Regelungen, Bemessungshilfen und zahlreiche Beispiele sowie Tabellen im Anhang zusammengestellt sind. Behandelt werden gelenkige und biegesteife Anschlüsse, Trägerauflager, Füße von gelenkigen und biegesteifen Stützen, Rahmenecken und Nachweise für Aussteifungsrippen. Die Regelungen zu nachgiebigen Ver-

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bindungen, auf die im Unterschied zu DIN 18800-1 in DIN EN 1993-1-8 ausführlich eingegangen wird, sind nicht Gegenstand dieser umfangreichen Kapitel. Kahlmeyer, Hebestreit und Vogt wenden sich mit ihrem Buch zum Stahlbau nach Eurocode 3 an Studierende und Praktiker des Bauingenieurwesens. Durch die knappe Darstellung der Vorschriften und die Vielzahl von Beispielen ermöglicht es einen schnellen Einstieg in die Bemessung nach den Teilen 1-1 und 1-8. Auf viele Fragen zur Anwendung der Bemessungsregeln werden schlüssige Antworten gegeben. Für die tiefergehende Auseinandersetzung mit der Materie stehen inzwischen eine Reihe weiterer Schriftbeiträge zur Verfügung, die ergänzend herangezogen werden können. Wie auch bei vergleichbaren Büchern festzustellen ist, werden Umstellung des Sprachgebrauches und konsequente Verwendung der Formelzeichen aus den Eurocodes nicht innerhalb einer Neuauflage vollständig erreicht. Darunter leidet jedoch die Verständlichkeit des Buches nicht. Prof. Dr.-Ing. Richard Stroetmann, Technische Universität Dresden

Bargmann, H.: Historische Bautabellen. Normen und Konstruktionshinweise 1870–1960. Köln: Wolters Kluwer/ Werner Verlag, 5. Aufl. 2013. 770 S., Festeinband, 15,5 × 21,5 cm. ISBN 978-3-8041-4518-4; 89,– € Seit nunmehr 20 Jahren hat sich der „Bargmann“ zu einem wichtigen Arbeitsmittel des Tragwerksplaners bei der Sanierung, Modernisierung und Umbau von Altbauten entwickelt. Dies betrifft insbesondere den statischen Nachweis historischer Baukonstruktionen. Dem 102 Seiten umfassenden Kapitel über Lastannahmen folgen die Kapitel über Holzbau (107 S.), Stahlbau (147 S.), Mauerwerkbau (139 S.), Stahlbeton (166 S.) und Grundbau (52 S.). Neu hinzugekommen ist das Kapitel „Wärmedämmung der Wohnhäuser“ mit 24 Seiten. Im Kapitel „Stahlbau“ sind nicht nur Querschnittswerte historischer Profile dokumentiert, sondern beispielsweise tabellarisch zusammengefasste Formeln zur Bemessung einteiliger Druckstäbe (S. 319/320) oder Stützenfußplatten mit Rippen (S. 329). Für die Sanierung von Hochbauten, die im Zeitraum von 1870 bis 1960 entstanden sind ist das vorliegende Buch nach wie vor ein Standardwerk. Von Fall zu Fall sind jedoch Ergänzungen notwendig. So finden sich im Literaturverzeichnis weder Hinweise auf

die Dissertationen von Michael Fischer [1] und Friedmar Voormann [2] über Steineisendecken noch auf das von Frank Fingerloos herausgegebene Buch über Historische technische Regelwerke für den Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbau [3]; auch die wichtigen Arbeiten von Rudolf Käpplein über die Bemessung gusseiserner Biegeträger und Stützen finden keine Erwähnung (z. B. [4]). Trotz dieser Kritik sollte der „Bargmann“ zur Handbibliothek jedes Tragwerksplaners gehören. Literatur [1] Fischer, M.: Steineisendecken im Deutschen Reich 1892-1925. Cottbus: BTU Cottbus 2009 (http://opus.kobv.de/btu/ volltexte/2009/781/). [2] Voormann, F.: Historische Hohlsteindecken. Tönning: Der Andere Verlag 2009. [3] Fingerloos, F.: Historische technische Regelwerke für den Beton-, Stahlbetonund Spannbetonbau. Berlin: Ernst & Sohn 2008. [4] Käpplein, R.: Untersuchung und Beurteilung alter Gusskonstruktionen. Stahlbau 66 (1997), H. 6, S. 318–332.

Karl-Eugen Kurrer, Berlin

Tagungsberichte 18. DASt-Kolloquium Stahlbau Am 16. und 17. Oktober 2012 veranstaltete der Deutsche Ausschuß für Stahlbau DASt bereits zum 18. Mal sein renommiertes Forschungskolloquium. Wie letztes Mal in Weimar fand es im Vorfeld des Deutschen Stahlbautages statt. Diesjähriger Veranstaltungsort waren die Räumlichkeiten im modernen SuperC der RWTH Aachen University, von wo aus sich ein schöner Blick auf den historischen Stadtkern der Kaiserstadt Aachen ergab. Ausrichter des DASt-Kolloquiums war das Institut für Stahlbau und Lehrstuhl für Stahlbau und Leichtmetallbau der RWTH unter der Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann. Mit dem Forschungskolloquium wird Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftlern die Möglichkeit gegeben, ihre Forschungsarbeiten, die auch im Hinblick auf eine Promotion durchgeführt wurden, einem breiten und interessierten Fachpublikum zu präsentieren. Nicht nur innerhalb der im Anschluss an den Vortrag gewährten Diskussionszeit gab es die Gelegenheit für

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Tagungsberichte

Bild 1. v. l. n. r.: Dr.-Ing. Gerhard Scheuermann, Volker Hüller (Geschäftsführer des DASt) mit den sechs Preisträgern – Frank Kemper (RWTH Aachen University), Sebastian Lübke (TU Dortmund), Joanna Gajda (TU Kaiserslautern), Anne Bechtel (Leibniz Universität Hannover), Jörg Uhlemann (Universität Duisburg-Essen), Gloria Wetzel (SLV Halle GmbH)

fachliche Gespräche. Auch die Mittagsund Kaffeepausen, in denen für das leibliche Wohl reichlich gesorgt war, und die gesellschaftliche Abendveranstaltung im historischen Tonnengewölbe des Ratskellers zu Aachen boten ein ideales Forum zum angeregten fachlichen Austausch mit Kolleginnen und Kollegen anderer Hochschulen und Vertretern aus der Praxis. Diese konnten sich im Gegenzug ein eigenes Bild über aktuelle Forschungsaktivitäten machen. Die 28 Beiträge aus 16 verschiedenen Forschungseinrichtungen konnten in vier Kategorien eingeordnet werden: Modell und Realität, Experiment und Simulation, Forschung und Normen, Neue Werkstoffe und Konstruktionen. Die neuen Trends und Entwicklungen im Stahlbau lassen sich auch anhand der Schwerpunktthemen ablesen. Neben den klassischen Themen wie bspw. Stabilität, Schweißen, Ermüdung, Verbundbau etc. wurden u. a. Forschungsarbeiten aus den Bereichen Windingenieurwesen und erstmals auch aus dem Gebiet der Nachhaltigkeit vorgestellt. Ein weiterer Aspekt, den Herr Dr. Gerhard Scheuermann, Vorsitzender des DASt, neben der angenehmen Atmosphäre in seinem Schlusswort hervorhob, war der hohe Anteil an weiblichen Vortragenden im Vergleich zu den letzten Forschungskolloquien. Die einzelnen Beiträge sind auch in schriftlicher Form in einem umfassenden Vortragsband, der weiterhin erhältlich ist, veröffentlicht. Darüber hinaus wurden an beiden Tagen jeweils drei sich besonders hervorgetane Beiträge gewürdigt (Bild 1). Die Preisträger bekommen die Möglichkeit ihre weitergeführte Forschungsarbeit

in einem Schwerpunktheft, das für den Herbst nächsten Jahres geplant ist, in dieser Zeitschrift zu veröffentlichen. Carl Richter, Aachen

Jahrestagung STAHL 2012 Über 3000 Teilnehmer haben sich zum Stahltag 2012 am 8. und 9. November 2012 angemeldet. Sie kommen aus 29 Ländern, vor allem, um 40 Vorträge zu hören. Das diesjährige Motto lautet „Zukunft beginnt mit Stahl“ und nimmt damit das Thema der im letzten Jahr begonnenen Kommunikationsinitiative auf. Gerade die Energiewende zeigt deutlich, wie notwendig es ist, technisch an der Spitze zu stehen und mit Innovationen einen Vorsprung zu erlangen. Bei drei Anwendungen ist es der Stahlindustrie in diesem Jahr besonders gut gelungen, mit technischen Neuerungen zu punkten: – Der gerade ausgelieferte Golf VII ist rund 100 Kilo leichter als sein Vorgängermodell, was unter anderem auf die eingesetzten höherfesten Stahlsorten zurückzuführen ist, die andere Materialien ersetzen. – Bei den künftigen IC X Zügen der Deutschen Bahn werden die Wagenkästen aus Stahl und nicht mehr aus Aluminium bestehen. – Der New Beetle von Volkswagen hat wieder Kotflügel aus Stahl und nicht mehr aus Kunststoff. Der Dialog von Produzenten, Verarbeitern und Wissenschaftlern ist wieder ein Charakteristikum auch des diesjährigen

Stahltags. Schwerpunktmäßig befassten sich die einzelnen Stahldialoge mit folgenden Themen: Energiewende, Technische Weiterentwicklungen in der Anlagen- und Umformtechnik, Zukunft gestalten mit nichtrostendem Stahl, Grundlagen für effiziente stahlmetallurgische Prozesse, Fachkräftesicherung, Ressourceneffizienz und Lebenszyklusanalyse. Werkstoffindustrien wie die Stahlindustrie bilden die Basis für eng verzahnte Wertschöpfungsketten, ohne die die Erfolge der deutschen Industrie undenkbar sind. So wie die Industrie Motor der Konjunktur nach der Krise war, ist sie nun ein stabiler Ankerpunkt in Zeiten wachsender gesamtwirtschaftlicher Verunsicherung. Umso wichtiger ist es, die internationale Wettbewerbsfähigkeit deutscher und europäischer Unternehmen zu erhalten. Vor diesem Hintergrund wurde am zweiten Kongresstag die industrielle Zukunft in Deutschland und Europa aus der Perspektive von Wirtschaft, Wissenschaft und Politik diskutiert. Es sprachen Hans Jürgen Kerkhoff, Präsident der Wirtschaftsvereinigung Stahl und Vorsitzender des Stahlinstituts VDEh, Bundesumweltminister Peter Altmaier, Prof. Dr.-Ing. Raimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung, und Dr. Thomas Lindner, Präsident des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA). Zudem wird die Carl-Lueg-Denkmünze an Giovanni Arvedi, Vorsitzender der italienischen Finarvedi-Gruppe, verliehen. Weitere Informationen unter www.stahl-online.de.

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Termine

Praktiken und Potentiale von Bautechnikgeschichte

– Plattenbeulen nach Eurocode EN 1993-1-5 und Vergleich mit den (alten) nationalen Normen DIN bzw. ÖNORM – Heißbemessung von Stahl- und Verbundtragwerken nach Eurocodes

Ort: Berlin, Deutsches Technikmuseum Trebbiner Str. 9

Auskünfte und Anmeldung: www.akademie-biberach.de

Veranstalter: VDI-Arbeitskreise Technikgeschichte und Bautechnik, Lehrstuhl für Bautechnikgeschichte und Tragwerkserhaltung der BTU Cottbus

Haus der Technik Essen

Thema: „Infrastruktur für unsere Zukunft – Gesellschaftlich tragfähige Lösungen gemeinsam entwickeln“

Ort und Termin: Essen, 6. und 7. März 2013

Auskünfte und Anmeldung: www.vdi.de/politik

Themen und Termine (Auswahl): – Entwicklung der internen und externen Vorspannung bei Schrägkabelbrücken, 17. Januar 2013 – „Räder müssen rollen für den Sieg“. Albert Ganzenmüller, des Teufels Staatssekretär im Reichsverkehrsministerium, 31. Januar 2013 – Entwicklungslinien des Spannbetonbrückenbau 1935 bis 1970, 14. Februar 2013 – Sportboote und die Mobilitätsrevolution um 1900, 28. Februar 2013 – Entwicklung der fédération internationale du béton (fib) von 1952 bis heute, 14. März 2013 – Zur Entwicklung der Spannbetonvorschriften in der DDR, 25. April 2013 – Die Entwicklung des Spannbetonbaus bei Leonhardt, Andrä und Partner, 16. Mai 2013 – Die Berliner Kongreßhalle (1957) – Konzept, Realisierung, Einsturz, Wiederaufbau, 6. Juni 2013

Themen: Türme und Gründungen bei Windenergieanlagen – Towers and Foundations for Wind Energy Converters (mit Informationen zur Aktualisierung der DIBt-Richtlinie für WEA)

Termine

Beginn jeweils um 17 Uhr 30 Teilnahme kostenfrei Auskünfte: Arbeitskreis Technikgeschichte im VDIBezirksverein Berlin-Brandenburg e.V. Dr.-Ing. Karl-Eugen Kurrer Karl-Eugen.Kurrer@wiley.com

35. Stahlbauseminar Orte und Termine: Neu-Ulm, 15. und 16. Februar 2013 Wien, Österreich, 22. und 23. Februar 2013 Themen: – Anmerkung zur linearen und nichtlinearen Torsionstheorie im Stahlbau – Anschlüsse nach DIN EN 1993-1-8 – Software für Stahlbauer – Bewegliche Stahlbauten – Anwendung der Eurocodes im internationalen Umfeld

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Auskünfte und Anmeldung: Haus der Technik Hollestraße 1 45127 Essen Tel.: 0201/18031 Fax: 0201/1803269 hdt@hdt-essen.de www.hdt-essen.de

2. Darmstädter Ingenieurkongress Bau und Umwelt Ort und Termin: Darmstadt, 12. und 13. März 2013 Themen: – Betriebsfestigkeit im Bauwesen – Building Information Modeling (BIM) – Energetische Ertüchtigung im denkmalgeschützten Gebäudebestand – Entfernung von Mikroverunreinigungen aus Abwasser – Relevanz auch für Hessen? – Entwicklung ländlicher Räume – Glas und Kunststoffe im Bauwesen – Großbaustellen – Integrierte Optimierung von Bauverfahren, Logistik und Verkehr – Ingenieurmethoden im Brandschutz – Klima- und ressourcenschonendes Bauen mit Beton – Neue geodätische Verfahren zum Strukturmonitoring – Sanierung und Optimierung in der Wasserversorgung – Simulation – Smart Energy Cities – Urban mining – Vom Energiehaus+ zur Plusenergiesiedlung – Wasserbau – Wasserressourcenmanagement

Auskünfte und Anmeldung: www.bauingenieurkongress.de

VDI Symposium Ort und Termin: Berlin, 12. März 2013

Dresdner Stahlbaufachtagung 2013 Ort und Termin: Dresden, 20. März 2013 Thema: Planung, Bemessung und Ausführung nach den Eurocodes 3 und 4, der DIN EN 1090-2 und der DIN EN ISO 12944 Auskünfte und Anmeldung: www.bauakademie-sachsen.de

International IABSE Spring Conference Ort und Termin: Rotterdam, Niederlande, 6. bis 8. Mai 2013 Themen: – Load carrying capacity and remaining lifetime – Assessment of structural condition – Modernisation and refurbishment – Materials and products – Structural verification Auskünfte und Anmeldung: www.iabse2013rotterdam.nl

TechnoBond – Fachtagung industrielle Klebetechnik Ort und Termin: Memmingen, 13. und 14. Mai 2013 Themenschwerpunkte: – Adhäsion und Oberflächenbehandlung – Neue Klebstoffe und Verfahren – Klebtechnische Anwendungen in Optik und Mikrotechnik – Klebtechnik im Fahrzeugbau und Luftfahrt (Verkehrstechnik) – Berechnung und Simulation – Verarbeitung und Applikation – Prozessbeherrschung und Prozessintegration Auskünfte und Anmeldung: www.otti.de

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Arbeiten in … Süd-Korea „In allen Fällen sehr respektvoller Umgang miteinander“ Fünf Fragen an Dr.-Ing. Daniel Pfanner, Partner bei Bollinger + Grohmann in Frankfurt, Leiter internationale Projekte und Leiter der Fassadenplanung

Dr.-Ing. Daniel Pfanner, Partner bei Bollinger + Grohmann in Frankfurt, Leiter internationale Projekte und Leiter der Fassadenplanung

Alte Innenstadt Seoul (Foto: Bollinger + Grohmann)

1. Können Sie unseren Lesern verraten, wie Sie in die südkoreanischen Projekte reingekommen sind? Von Projekt zu Projekt waren die Gegebenheiten naturgemäß verschieden. An unser erstes Großprojekt in Busan sind wir über einen internationalen Architektur-Wettbewerb gekommen, in welchem wir als Fachplaner für Tragwerksplanung die Architekten beraten hatten. Inzwischen werden wir auch direkt angesprochen und sogar von einem unserer lokalen Partnerbüros in Südkorea weiterempfohlen. Die Bauherrenschaft spielt natürlich auch eine große Rolle, öffentliche und institutionelle Bauherren gehen anders vor, als Firmen oder Investorengruppen. Alle Projekte weisen aber einige für uns wichtige Parallelen auf: In sämtlichen Projekten arbeiten wir mit international tätigen Architekten gemeinsam in einem internationalen Planungsteam. Der Erstkontakt nach Korea erfolgte dabei meistens durch die Architekturbüros. Und in allen Projekten folgt dem sehr positiven Erstkontakt ein zäher Verhandlungsmarathon, bis man sich über eine definitive Beauftragung freuen kann. 2. Wie fällt für Sie ein Vergleich zwischen der Qualität von Bauteilen (etc.) in Süd-Korea und Deutschland aus? Der augenscheinliche Vergleich fällt sehr gut für Südkorea aus. Die Ausführungsqualität sowohl im Beton- als auch im Stahlbau ist ausgesprochen hoch. Beim Busan Cinema Center hatten wir bei den meisten oberirdischen Betonbauteilen Sichtbetonqualität, obwohl diese gar nicht gefordert war. Leider wurden die meisten Betonoberflächen anschließend noch weiß gestrichen … Und Baustellenschweißnähte sahen oft aus wie vom Schweißroboter hergestellt. Allerdings muss man insbesondere im Stahlbau ergänzend erwähnen, dass die Frage nach Prüfprotokollen beispielsweise der Ultraschallprüfung von Schweißnähten oft unbeantwortet bleibt, so dass trotz der guten visuellen Qualität eine gewisse Restunsicherheit bleibt. Im Fassadenbau liegt die Ausführungsqualität hingegen weit hinter europäischen Standards und auch die Bereitschaft, auf importierte Materialien zurückzugreifen, ist sehr gering. Dies gilt sowohl für den Bau transparenter Ganzglasfassaden, als auch für opake Blechfassaden, was uns in der Fassadenplanung immer wieder vor die Herausforderung stellt, den lokalen koreanischen Markt in Hinsicht auf ein ganz bestimmtes Produkt sondieren zu müssen. 3. Projektplanung und Kommunikation – was sind für Sie die auffälligsten Unterschiede zu Deutschland? Das grundlegende Planungsmodell, d.h. die Festlegung der Planungsphasen und Leistungsbilder, aber auch die Normung des Korean Building Code folgt den amerikanischen Standards. Wir waren in der Regel ab dem Concept Design im Projekt involviert. In allen Projekten wurde für die darauf folgenden Leistungsphasen von der Entwurfs- bis zur Ausführungsplanung (Schematic Design, Design Development und Construction Documentation) ein Service Split zwischen unserem Büro und dem jeweiligen lokalen Partnerbüro vereinbart. Unsere Intention ist immer, bis zur letzten Phase im Projekt involviert zu bleiben, spätestens bei Ausschreibung und Vergabe übernehmen aber die lokalen Partner in der Regel unsere Planung.

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© Duccio Malagamba

WISSENSWERTES ZUM SÜDKOREANISCHEN BAU-ARBEITSMARKT IM ÜBERBLICK: – erforderliche Papiere Einreise ohne Visum. Deutsche Staatsangehörige benötigen für einen Aufenthalt in Süd-Korea bis maximal 3 Monate kein Visum. Für längere Aufenthalte siehe 1. u. 2. Link – offene Stellen in welchen Bereichen: Der Anteil ausländischer Fachkräfte in Korea ist sehr gering. Alle ausländischen Ingenieure, die wir trafen, waren auf Projektbasis im Land. Selbst die sehr großen, international operierenden Ingenieurfirmen haben keine Niederlassungen in Korea. Die koreanischen Planungsbüros haben eine völlig andere Struktur als in Deutschland. Die meisten Projekte werden von großen GeneralplanerUnternehmen abgewickelt, die Architektur- und sämtliche Fachplanungsabteilungen unter einem Dach vereinigen und oft mehrere tausend Mitarbeiter haben. – Gehälter 25.000 – 34. 000 € (Brutto) pro Jahr für Berufsanfänger, 39.000 – 43. 000 € (Brutto) pro Jahr für 5–7Jahren Berufserfahrung.

Privatfoto: Kulinarische Highlights (Foto: Bollinger + Grohmann)

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Arbeiten in … Süd-Korea Die Kommunikation gestaltet sich oft schwierig: Englisch wird meist nur von einigen Führungskräften beherrscht, trotzdem sieht man sich oft 50 oder mehr Meetingteilnehmern gegenüber. Es wird sehr großer Wert auf Präsentationen, regelmäßige Reports, Video- und Telefonkonferenzen, etc. gelegt, darauf sollte man sich – auch zeitlich – einstellen.

Abendliches Beisammensein (Foto: Bollinger + Grohmann)

Baustelle Busan (Foto: Michael Volk)

Flip Chart Diskussionen (Foto: Bollinger + Grohmann)

4. Wie wird der deutsche Bauingenieur in Südkorea gesehen und begegnet ihm sein südkoreanischer Kollege auf der berühmten Augenhöhe? Ich habe in allen Fällen einen sehr respektvollen Umgang miteinander erlebt, der stark von der berühmten asiatischen Höflichkeit geprägt ist. Jedoch sind die koreanischen Partner durchaus selbstbewusst genug, auch einmal eine ablehnende Haltung zu verbalisieren, das asiatische Klischee des ständig nickenden Gegenübers trifft hier definitiv nicht zu. Allerdings sollte man Zeit und Aufenthalte vor Ort investieren, damit sich ein solch offener Umgang auch mit der Zeit einstellen kann. In Hinsicht auf die inhaltliche Zusammenarbeit unter Ingenieuren gilt in Korea das Gleiche wie überall auf der Welt: die Qualität der Planung hängt stark von den jeweiligen verantwortlichen und planenden Akteuren ab. Wir haben in Südkorea gute und weniger erfreuliche Erfahrungen in technischen Diskussionen gemacht. Beispielsweise ist in Südkorea das unbedingte Vertrauen in die Ergebnisse von Finiten Element Berechnungen sehr ausgeprägt, was wir durchaus immer wieder hinterfragen. Auf der anderen Seite akzeptieren wir, dass einige Dinge anders aber deshalb nicht schlechter gemacht werden. So mussten wir als deutsche Ingenieure beispielsweise lernen, dass neben unseren Stahlbetonwannen jeglicher Couleur durchaus weitere interessante Bauweisen für unterirdische Bauten im Grundwasser existieren … 5. Was würden Sie jedem deutschen Planer für sein erstes Projekt in Süd-Korea raten? Ratschläge zu erteilen steht mir sicherlich nicht zu, da ich die Motivlage deutscher Planer in Korea nicht insgesamt beurteilen kann. Wir machen dies aus dem gleichen Antrieb heraus, der uns in allen Projekten antreibt: Architektur im jeweiligen regionalen, kulturellen, normativen und technischem Kontext umzusetzen. Ein offenes Ohr und ein bisschen Abenteuerlust helfen dabei sicherlich auch in Korea. Und um an die vorige Frage anzuknüpfen: Ingenieurverständnis darf zwar niemals interkultureller Kommunikation geopfert werden, doch ab und an lohnt sich die Bereitschaft zum Zuhören und Lernen auch für deutsche Planer. In jedem Falle kann ich die Zusammenarbeit mit koreanischen Kollegen im eigenen Büro wärmstens empfehlen, viele kommunikative und auch technische Verständnisprobleme treten so gar nicht erst auf – schöne Grüße an dieser Stelle an meinen Kollegen Sungyong Kim!

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6-geschossiges Basement in Seoul (Foto: Bollinger + Grohmann)

Baustelle Busan (Foto: Bollinger + Grohmann)

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AUF EIN WORT Wir sind in jeder Hinsicht froh über die Projekte, die wir bislang in Korea planen und realisieren durften. Zum einen sind die Projekte selbst hochinteressant. Sei es das Busan Cinema Center mit riesigen Herausforderungen an die Planer, wie der längsten Dachauskragung der Welt, einem Doppelhochhaus für einen der größten koreanischen Konzerne in der historischen Innenstadt von Seoul, einem Ausstellungs- und Servicecenter des größten koreanischen Automobilherstellers oder mehrere über 300 m hohe Türme in einem komplett neu geplanten Stadtviertel: die Dynamik und die Kraft in der Umsetzung solcher Projekte in Korea ist sehr beeindruckend. Sicherlich liegen auf dem Weg zum erfolgreichen Projektabschluss einige Fallstricke. Diese sind zum einen kommunikativer Natur, zum anderen in der unterschiedlichen Ingenieurskultur begründet. Hier befindet man sich regelmäßig im Drahtseilakt zwischen höflichem, interkulturellem Miteinander und dem konsequenten Eintreten für eine innovative ingenieurmäßige Denkweise, die mitunter den lokalen Gepflogenheiten nicht entspricht. Das kann u.a. dazu führen, einen –spontanen – theoretischen Grundlagenvortrag vor einem koreanischen Expertengremium über ein ausgewähltes Thema des konstruktiven Ingenieurbaus halten zu müssen, zum anderen aber auch zu sehr intensiven Konversationen mit den koreanischen Partnern während lokaler Restaurantbesuche. Letztere sind übrigens immer wieder ein Highlight – kaum eine Küche ist so frisch und vielseitig wie die koreanische!

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Stellenangebote & Weiterbildung

hohem

Karriere im Bauingenieurwesen

Ernst & Sohn Stellenmarkt · Oktober 2012

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Die Hochschule Ruhr West (HRW) ist eine junge, staatliche Hochschule mit hohen Qualitätsstandards. Sie hat ihre Standorte in den attraktiven Ruhrgebietsstädten Mülheim an der Ruhr und Bottrop. Unsere Schwerpunkte liegen in den Bereichen Informatik, Ingenieurwissenschaften, Mathematik, Naturwissenschaften und Wirtschaft. Die HRW, die im September 2009 ihren Lehrbetrieb aufgenommen hat, setzt auf Chancengleichheit und Familienfreundlichkeit. Am neu gegründeten Institut für Bauingenieurwesen (Fachbereich 3) der HRW sind zum nächstmöglichen Zeitpunkt folgende

W2-Professuren zu besetzen: Siedlungswasserwirtschaft, Hydrologie und Wasserbau (Kennziffer 55-2012)

Baubetrieb und Bauwirtschaft (Kennziffer 56-2012)

Geotechnik (Geologie, Grundbau und Bodenmechanik) (Kennziffer 57-2012)

Die HRW befindet sich in der Aufbauphase und bietet Ihnen die Gelegenheit, diese aktiv mitzugestalten. Wir wünschen uns eine Persönlichkeit, die Freude daran hat, sich neben den üblichen Aufgaben in Lehre, Forschung und Weiterbildung auch in den Selbstverwaltungsgremien zu engagieren und die Chance ergreift, mit eigenen Ideen die Hochschule zu bereichern und das Studienprogramm inhaltlich weiter zu entwickeln. Wenn Sie Interesse daran haben, Ihre planerischen, organisatorischen und kommunikativen Fähigkeiten hierzu einzusetzen, sind Sie bei uns richtig. Die Hochschule Ruhr West arbeitet eng mit der regionalen und überregionalen Wirtschaft zusammen. Dies bietet Ihnen die Möglichkeit zur Zusammenarbeit mit den Firmen auf dem Gebiet der Lehre wie auch in anwendungsbezogenen Forschungs- und Entwicklungsprojekten. Eine hohe Forschungs- und Entwicklungsaffinität und die regelmäßige Einwerbung von Drittmitteln werden ausdrücklich unterstützt. Die Einstellungsvoraussetzungen für Professorinnen und Professoren richten sich nach § 36 HG NRW. Bewerberinnen und Bewerber müssen eine mindestens 36 Monate dauernde berufspraktische Tätigkeit auf einem Gebiet, das der ausgeschriebenen Stelle entspricht, außerhalb des Hochschulbereichs nachweisen. Nähere Informationen zu den ausgeschriebenen Stellen finden Sie unter: www.hochschule-ruhr-west.de/service/stellenauschreibungen.html Bitte senden Sie uns als Bewerbungsunterlagen ausschließlich Fotokopien und verzichten Sie auf aufwändige Bewerbungsmappen, da diese nicht zurückgeschickt werden können. Bewerbungen auf elektronischem Weg werden nicht berücksichtigt. Bitte legen Sie den Unterlagen alle relevanten Zeugnisse und – soweit vorhanden – Evaluationsergebnisse bei. Wenn Sie der Prozess der Neugründung einer Hochschule reizt und Sie uns bei dieser spannenden Aufgabe unterstützen möchten, richten Sie Ihre Bewerbung mit den üblichen Unterlagen sowie dem Verzeichnis der wissenschaftlichen Arbeiten, Veröffentlichungen, Patente und vollständigem Schriftenverzeichnis bitte bis zum 08.02.2013 unter Angabe der o. g. Kennziffer an den: Präsidenten der Hochschule Ruhr West Mellinghofer Str. 55, Gebäude 35, 45473 Mülheim an der Ruhr Zusätzlich wird darum gebeten, einen Bewerbungsbogen sowie ein Motivationsschreiben (Formblätter unter: http://www.hochschuleruhr-west.de/service/stellenauschreibungen.html) auszufüllen und den Bewerbungsunterlagen beizufügen. Die Berufungsgespräche sind wie folgt terminiert: Kennziffer 55-2012 – 30.04.13 Kennziffer 56-2012 – 05.03.13 Kennziffer 57-2012 – 07.05.13

Professur für Baustatik und Konstruktion Am Departement Bau, Umwelt und Geomatik (www.baug.ethz.ch) der ETH Zürich ist eine Professur für Baustatik und Konstruktion zu besetzen. Der Schwerpunkt der Professur in Lehre und Forschung liegt im Bereich des Massivbaus, insbesondere dem Verhalten von Tragwerken aus Stahlbeton und Spannbeton.

Kandidatinnen und Kandidaten verfügen über eine solide wissenschaftliche Grundlage im Massivbau und in der Konstruktion sowie über eine universitäre Hochschulausbildung mit Doktorat im Bauingenieurwesen. Ein besonderes Interesse an der grossmassstäblichen experimentellen Forschung und der numerischen Simulation wird begrüsst und durch die hervorragenden Einrichtungen der ETH Zürich unterstützt. Es wird erwartet, dass der Kandidat / die Kandidatin über eine fundierte praktische Erfahrung in Entwurf und Konstruktion von Stahlbetonbauten verfügt. Als anerkannte Führungspersönlichkeit in den Bereichen Baustatik und Massivbau ist er / sie bereit, Industrie und Behörden als Experte / Expertin zu beraten und zu unterstützen.

Bewerbungen mit Lebenslauf, Publikationsliste und einem Verzeichnis der bearbeiteten Projekte sind bis zum 15. März 2013 beim Präsidenten der ETH Zürich, Prof. Dr. Ralph Eichler, einzureichen. Um den Frauenanteil in führenden Positionen in Lehre und Forschung zu erhöhen, fordert die ETH Zürich qualifizierte Wissenschaftlerinnen ausdrücklich zur Bewerbung auf. Die ETH Zürich ist eine verantwortungsbewusste Arbeitgeberin mit fortschrittlichen Arbeitsbedingungen. Sie setzt sich für Chancengleichheit, für die Bedürfnisse von Dual Career Paaren und für die Vereinbarkeit von Familie und Beruf für Frauen und Männer ein. Bitte bewerben Sie sich online auf: www.facultyaffairs.ethz.ch

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Ernst & Sohn Stellenmarkt · Januar 2013 Ingenieurbüro für Tragwerksplanung mit dem Tätigkeitsschwerpunkt „bautechnische Prüfung“ sucht einen

Diplomingenieur (TU, TH) An der Georg-Simon-Ohm-Hochschule für angewandte Wissenschaften – Fachhochschule Nürnberg ist an der Fakultät Bauingenieurwesen zum 1. 10. 2013 oder später eine

Fachrichtung konstruktiver Ingenieurbau mit Vertiefungsrichtung Stahlbau Wir erwarten Erfahrung im Erstellen statischer Berechnungen und Kenntnisse der eingeführten Normen.

Professur der BesGr. W 2 für das Lehrgebiet

Wir bieten eine abwechslungsreiche Tätigkeit mit vielfältigen Aufgaben aus dem Hoch-, Industrie- und Gewerbebau.

Konstruktiver Ingenieurbau

Ihre schriftliche Bewerbung mit aussagekräftigen Unterlagen erbitten wir an:

Ingenieurbüro Schmitt Gartenstr. 53–55, 40479 Düsseldorf, E-Mail: ibschmitt@web.de

Inhaltliche Schwerpunkte in Lehre und angewandter Forschung sind: •  Grundlagenvermittlung im Konstruktiven Ingenieurbau  •   Lehrveranstaltungen in den Fachgebieten Stahlbetonbau, Stahlbau, Holzbau, Baukonstruktion und Tragwerke •   Lehrveranstaltungen im Vertiefungsbereich „Konstruktiver Ingenieurbau“ unter Einschluss von Studienarbeiten •   Lehrveranstaltungen in den Masterstudiengängen der Fakultät •   Konzeption und Durchführung lehrunterstützender  Übungen •   Initiierung und Durchführung eigener Forschungs­ gebiete •  Mitarbeit in der Lehre von Grundlagenfächern •  Mitarbeit in der Selbstverwaltung Wir suchen eine Persönlichkeit, die die genannten Aufgabengebiete engagiert betreut und Freude am Umgang mit interessierten Studierenden des Bauingenieurwesens mitbringt. Voraussetzung hierfür ist eine  mehrjährige einschlägige Berufserfahrung außerhalb der Hochschule in Wirtschaft, Verwaltung oder Forschung. Wir legen weiterhin großen Wert auf Engagement in der angewandten Forschung und Entwicklung sowie die Vernetzung mit der konstruktiven Praxis.

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Geotechnik QDas komplexe und technisch hoch spezialisierte Gebiet der Geotechnik bildet ein Fundament des Bauingenieurwesens, dessen Herausforderungen heute u. a. im innerstädtischen Infrastrukturbau, im Bauen im Bestand oder in der Gestaltung tiefer, in das Grundwasser hineinreichender Baugruben liegen. Das vorliegende Buch befähigt Bauingenieure, grundbauspezifische Probleme zu erkennen und zu lösen. Prägnant und übersichtlich führt es insbesondere in alle wichtigen Methoden der Gründung und der Geländesprungsicherung ein. Auch Themen wie Frost im Baugrund, Baugrundverbesserung und Wasserhaltung werden behandelt. Dem Leser werden bewährte Lösungen für viele Fälle sowie eine große Zahl von Hinweisen auf weiterführende Literatur an die Hand gegeben. Alle Darstellungen basieren auf dem GERD MÖLLER aktuellen technischen Regelwerk. Geotechnik Die Darstellung der Berechnung Grundbau und Bemessung anhand zahlreicher 2., vollständig überarbeitete Beispiele ist eine unverzichtbare Aufl age - April 2012 Orientierungshilfe in der täglichen 546 S., 431 Abb., 44 Tab., Br. Planungs- und Gutachterpraxis. € 55,–*

Wir bieten Ihnen persönliche Entfaltungsmöglichkeiten bei weitgehend selbstbestimmtem Arbeiten. Neben der anregenden Tätigkeit mit Studierenden haben Sie die Möglichkeit, Projekte in der angewandten Forschung und  Entwicklung zu bearbeiten. Sie können die vielfältigen Möglichkeiten an einer der größten Hochschulen Bayerns  mit hervor ragend aus gestatteten Laboren nutzen, und all  dies im Herzen der Metropolregion Nürnberg.

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QDas Buch vermittelt alle wichtigen Aspekte über den Aufbau und die Eigenschaften des Bodens, die bei der Planung und Berechnung sowie bei der Begutachtung von Schäden des Systems Bauwerk-Baugrund zu berücksichtigen sind. Schwerpunkte sind die Baugrunderkundung, die Ermittlung von Bodenkennwerten im Labor, sowie die Behandlung von Setzungs- und Tragfähigkeitsnachweisen einschließlich des Erddrucks. Der Unterstützung des Verständnisses dienen zahlreiche Beispiele, die nachGERD MÖLLER vollziehbar erläutert werden. Alle Geotechnik Darstellungen basieren auf dem Bodenmechanik aktuellen technischen Regelwerk. 2., aktualis. u. erw. Auflage Das Buch ist eine unverzichtbare 2012. ca. 450 S., ca. 300 Orientierungshilfe in der täglichen Abb., Br. ca. € 55,–* Planungs- und Gutachterpraxis.

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Bewerbungen sind mit den üblichen Unterlagen (Lebenslauf, Zeugnisse, Nachweise über den beruflichen Werdegang und die wissenschaftlichen Arbeiten) bis 8. Februar 2013 bei Herrn Prof. Dr. Niels Oberbeck, Fakultät Bauingenieurwesen der Georg-Simon-OhmHochschule für angewandte Wissenschaften – Fachhochschule Nürnberg, Keßlerplatz 12, 90489 Nürnberg, einzureichen. Rückfragen unter Tel. 0911 5880-1143, www.ohm-hochschule.de.

ISBN: 978-3-433-02976-3

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Ingenieurbaustoffe

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â&#x2013;  Baustoffe erfĂźllen ihren Zweck, wenn sie richtig aus gewählt, hergestellt und verarbeitet sind. Dieses Buch behandelt die wichtigsten Werkstoffe des Konstruktiven Ingenieurbaus. Es fĂźhrt zunächst grundlegend in das mechanische Werkstoffverhalten, die rheologischen Modelle, die Bruchmechanik und die Transportmechanismen porĂśser Stoffe ein. Systematisch werden dann die Baustoffe jeweils mit ihrer Zusammensetzung und ihrem mechanischem Verhalten als Funktion von Belastungsart und -geschwindigkeit, Temperatur und Feuchte beschrieben. GroĂ&#x;er Wert wird dabei auf eine vergleichende Betrachtung gelegt. Somit schlägt das Buch die BrĂźcke zwischen Grundlagenwissen und Baupraxis, Ăźber welche konstruktive Ingenieure gehen kĂśnnen, denn sie sind verantwortlich fĂźr die richtige und optimale Auswahl und Verarbeitung der Werkstoffe, manchmal auch fĂźr deren Herstellung HANS-WOLF REINHARDT (z.B. Beton). Eine grĂźndliche Kenntnis des mechanischen, Ingenieurbaustoffe physikalischen und chemischen Verhaltens ist hierfĂźr 2., Ăźberarbeitete Auflage, Voraussetzung. 2010. 34 Seiten, 3 Abb., ÂŹ4AB ÂŹGb. % 9,â&#x20AC;&#x201C;

ISBN 978-3-433-02920-6 ÂŹ

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Erhaltung von Bauwerken 22. und 23. Januar 2013 Ziel der Veranstaltung ist der Austausch von Wissen auf dem Gebiet der Erhaltung von Bauwerken. Dabei sollen sowohl die Erfahrungen bei der Umsetzung von InstandsetzungsmaĂ&#x;nahmen als auch der Kenntnisstand bei der Entwicklung neuer Materialien und Untersuchungsmethoden kommuniziert werden. Basis hierfĂźr sind die relevanten Baustoffe fĂźr Bauwerke (im Wesentlichen Stahlbeton und Mauerwerk). Leitung: Prof. Dr.-Ing. M. Raupach, Dr.-Ing. L. Wolff, Dr.-Ing. B. Schwamborn

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Konzepte zur effizienten Energienutzung Vermeidbare Baumängel – Teil I Vermeidbare Baumängel – Teil II Nachtragsforderung im Bauwesen – Teil I Leistungsumfang Nachtragsforderung im Bauwesen – Teil II Bauzeitverzögerung Beläge, Abdichtungen, Korrosionsschutz von Brückenbauwerken und Parkhäusern Betoninstandsetzung Planung und Ausführung hochwertig genutzter „Weißer Wannen“ LEED® Green Associate (GA) Aktuelle Entwicklungen im Asphaltstraßenbau Fugenabdichtung im Ingenieurbau Betonrohrvortrieb in der Ver- und Entsorgungstechnik Vermeidbare Baumängel – Teil III Vermeidbare Baumängel – Teil IV

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Planung und Ausführung hochwertig genutzter „Weißer Wannen“ Anforderungen – Baukonstruktion – Bemessung – Abdichtung – Bauphysik – Instandsetzung – Schadensfälle – Haftungsfragen – Qualitätssicherung – Anwendungsbeispiele Leitung und Moderation Prof. Dr.-Ing. Rainer Hohmann FH Dortmund Termin 27. - 28. Februar 2013 Ort Hotel Park Inn, Bochum Mehr Informationen über diese Veranstaltung finden Sie auf unserer Hompage www.taw.de unter Kongresse / Fachtagungen Haben Sie noch Fragen? Dann freuen wir uns auf Ihren Anruf oder Ihre E-Mail. Ihr Ansprechpartner für TAW-Symposien ist:

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Impressum Die Zeitschrift „Stahlbau“ veröffentlicht Beiträge über Stahlbau-, Verbundbau- und Leichtmetallkonstruktionen im gesamten Bauwesen. Die Beiträge beschäftigen sich mit der Planung und Ausführung von Bauten, Berechnungs- und Bemessungsverfahren, der Verbindungstechnik, dem Versuchswesen sowie Forschungsvorhaben und -ergebnissen. Mit der Annahme eines Manuskriptes erwirbt der Verlag Ernst & Sohn das ausschließliche Verlagsrecht. Grundsätzlich werden nur Arbeiten zur Veröffentlichung angenommen, deren Inhalt weder im Innoch im Ausland zuvor erschienen ist. Das Veröffentlichungsrecht für die zur Verfügung gestellten Bilder und Zeichnungen ist vom Verfasser einzuholen. Der Verfasser verpflichtet sich, seinen Aufsatz nicht ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages Ernst & Sohn nachdrucken zu lassen. Aufsätze, die ganz oder teilweise an anderer Stelle bereits veröffentlicht worden sind, oder Referate über solche Aufsätze können mit Quellenangabe für den Abschnitt Berichte angenommen werden. Für das Verhältnis zwischen Verfasser und Redaktion oder Verlag und für die Abfassung von Aufsätzen sind die „Hinweise für Autoren“ maßgebend. Diese können beim Verlag angefordert oder im Internet unter www.ernst-und-sohn.de abgerufen werden. Die in der Zeitschrift veröffentlichten Beiträge sind urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Fotokopie, Mikrofilm oder andere Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsanlagen, verwendbare Sprache übertragen werden. Auch die Rechte der Wiedergabe durch Vortrag, Funk oder Fernsehsendung, im Magnettonverfahren oder auf ähnlichem Wege bleiben vorbehalten. Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder Gebrauchsnamen, die in der Zeitschrift veröffentlicht werden, sind nicht als frei im Sinne der Markenschutz- und Warenzeichen-Gesetze zu betrachten, auch wenn sie nicht eigens als geschützte Bezeichnungen gekennzeichnet sind. Manuskripte sind an die Redaktion zu senden. Ankündigungen von Veranstaltungen sollten 12 Wochen vor dem Tagungstermin eingereicht werden. Redaktionsschluss ist jeweils 10 Wochen vor dem Erscheinungstermin. Auf Wunsch können von einzelnen Beiträgen Sonderdrucke hergestellt werden. Die Mindestauflage beträgt 100 Exemplare. Anfragen sind an den Verlag zu richten. Aktuelle Bezugspreise Die Zeitschrift „Stahlbau“ erscheint mit 12 Ausgaben pro Jahr. Neben „Stahlbau print“ steht „Stahlbau online“ im PDF-Format über den Online-Dienst Wiley Online Library im Abonnement zur Verfügung. Bezugsprint print + Testabo EinzelKombiabo print preise online (3 Hefte) heft Stahlbau/ Bautechnik Inland 454 € 523 € 75 € 43 € 817 € Studenten 129 € – 24 € – – Schweiz 747 sFr 858 sFr 120 sFr 71,59 sFr 1343 sFr Studenten 214 sFr – 138 sFr – – Studentenpreise gegen Vorlage der Studienbescheinigung. Preise exkl. MwSt. und inkl. Versand. Irrtum und Änderungen vorbehalten. Persönliche Abonnements dürfen nicht an Bibliotheken verkauft oder als Bibliotheks-Exemplare benutzt werden. Das Abonnement gilt zunächst für ein Jahr. Es kann jederzeit mit einer Frist von drei Monaten zum Ablauf des Bezugsjahres schriftlich gekündigt werden. Ohne schriftliche Mitteilung verlängert sich das Abonnement um ein weiteres Jahr. Im Testabonnement werden drei Hefte zum Preis für zwei geliefert. Ohne schriftliche Mitteilung innerhalb 10 Tage nach Erhalt des dritten Heftes wird das Abonnement um ein Jahr verlängert. Nach Verlängerung kann jederzeit mit einer Frist von drei Monaten zum Ablauf des Bezugsjahres schriftlich gekündigt werden. Ohne schriftliche Mitteilung verlängert sich das Abonnement um ein weiteres Jahr. Die Preise sind gültig vom 1. September 2012 bis 31. August 2013. Bankverbindung: Commerzbank AG Mannhem, Kto 7 511 188 00, BLZ 670 800 50 SWIFT: COBA DE FF XXX Bei Änderung der Anschrift eines Abonnenten sendet die Post die Lieferung nach und informiert den Verlag über die neue Anschrift. Wir weisen auf das dagegen bestehende Widerspruchsrecht hin. Wenn der Bezieher nicht innerhalb von 2 Monaten widersprochen hat, wird Einverständnis mit dieser Vorgehensweise vorausgesetzt. Periodical postage paid at Jamaica NY 11431. Air freight and mailing in the USA by Publications Expediting Services Inc., 200 Meacham Ave., Elmont NY 11003. USA POSTMASTER: Send address changes to Stahlbau c/o Wiley-VCH, 111 River Street, Hoboken, NJ 07030.

Verantwortlich für den redaktionellen Teil: Chefredakteur: Dr.-Ing. Karl-Eugen Kurrer Rotherstraße 21, D-10245 Berlin Tel.: 0 30/4 70 31-2 48, Fax: 0 30/4 70 31-2 70 E-Mail: Karl-Eugen.Kurrer@wiley.com Für Manuskripte: Dr.-Ing. Geraldine Buchenau Bergstraße 140, D-73733 Esslingen Tel.: 049 (0)7 11/5 05 58 95, Fax: 049 (0)7 11/5 05 58 21 E-Mail: g.buchenau@t-online.de Redaktionsbeirat: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Graße GMG – Ingenieurgesellschaft mbH George-Bähr-Straße 10, D-01069 Dresden Tel.: 03 51/87 65 70 Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Martin Mensinger Technische Universität München Arcisstraße 21, D-80333 München Tel.: 089/28922521, Fax: 089/28922522 Prof. Dr.-Ing. Richard Stroetmann Technische Universität Dresden Lehrstuhl für Stahlbau, D-01062 Dresden Tel.: 03 51/46 33 48 41, Fax: 03 51/46 33 49 80 Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 7, D-70569 Stuttgart Tel.: 07 11/68 56 62 45, Fax: 07 11/68 56 62 36 Prof. Dipl.-Ing. Jean-Baptiste Schleich rue M. Weistroffer 3, L-1898 Kockelscheuer, Luxemburg Tel.: 0 03 52/6 21 54 32 55, Fax: 0 03 52/26 36 11 66 Prof. dr hab. inz. Zbigniew Cywin´ski ul. Szalupowa 6D PL-80-299 Gdan´sk, Polen E-Mail: zcywin@pg.gda.pl Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer Karlsruher Institut für Technologie Otto-Ammann-Platz 1, D-76131 Karlsruhe Tel.: 07 21/60 84 22 15, Fax: 07 21/60 84 40 78 Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann RWTH Aachen Mies-van-der-Rohe Str. 1, D-52074 Aachen Tel.: 02 41/80-25 17 7, Fax: 02 41/80-22 14 0 Verantwortlich für Produkte & Objekte: Dr. Burkhard Talebitari Tel.: 0 30/4 70 31-2 73, Fax: 0 30/4 70 31-2 29 E-Mail: btalebitar@wiley.com Gesamtanzeigenleitung Verlag Ernst & Sohn: Fred Doischer Tel.: 0 30/4 70 31-2 34 Anzeigenleiter: Norbert Schippel Tel.: 0 30/4 70 31-2 52, Fax: 0 30/4 70 31-2 30 E-Mail: Norbert.Schippel@wiley.com Kunden-/Leserservice: Wiley-VCH Kundenservice für Ernst & Sohn Boschstraße 12, D-69469 Weinheim Tel.: +49 (0)800 1800 536 (innerhalb Deutschlands) Tel.: +44 (0)1865476721 (außerhalb Deutschlands) Fax: +49 (0)6201 606184 cs-germany@wiley.com Schnelleinstieg: www.wileycustomerhelp.com Gesamtherstellung: NEUNPLUS1 GmbH – Berlin Satz: LVDI BlackArt, Berlin Gedruckt auf säurefreiem Papier. © 2013 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin

Stahlbau 82 (2013), Heft 1

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Vorschau

Themen Heft 2/2013 Ulrike Kuhlmann, Konrad Kudla, Mathias Euler Der Lamellenstoß im Stahl- und Verbundbrückenbau: Stand der Forschung und Normung Hartmut Freystein, Karsten Geißler Interaktion Gleis/Brücke bei Stahlbrücken mit Beispielen

Markus Hamme, Adele Prenting, Winfried Neumann Ersatzneubau für die Schnettkerbrücke in Dortmund – Teil 1: Bauwerksentwurf Eberhard Pelke, Alwin Dieter Die neue Rheinbrücke Wiesbaden–Schierstein – Wettbewerb und Entwurf

„Unter dem rollendem Rad“ wird die Dammtorbrücke in Hamburg erneuert, die neben dem Durchgangsbahnhof „Dammtor“ an einem belebten Straßenknotenpunkt gelegen ist. Das Bild zeigt den Transport von Überbau 4 im April 2012. Berichte Robert Hällmark, Peter Collin, Martin Nilsson Large scale tests of a composite bridge with a prefabricated concrete deck with dry deck joints

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Peter Starke Neue Eisenbahnbrücke am Bahnhof Hamburg-Dammtor (Änderungen vorbehalten)

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Dima Al Shamaa, Karsten Geißler Verallgemeinerte Berücksichtigung der Dauerfestigkeit im Ermüdungsfestigkeitsnachweis mittels Lebensdauerlinien

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…und aktuell an anderer Stelle 34. Jahrgang Dezember 2012 ISSN 0171-5445 A 1879

Bauphysik Wärme | Feuchte | Schall | Brand | Licht | Energie

Heft 6/2012 Trittschallschutz in Sonderfällen, Teil 2: Sanierung von Treppen, Trittschallschutz von Balkonen und von StandardDoppel- und Hohlböden Erhöhter Schallschutz – Zur Neufassung von VDI 4100, Ausgabe 2012

– Sonderfälle des Trittschallschutzes, Teil 2 – Energieeffiziente Kühlung und thermischer Raumkomfort: acht europäische Nichtwohngebäude im Vergleich, Teil 1 – Neufassung Arbeitsstättenregel ASR A3.5 Raumtemperatur – Reaktive Brandschutzsysteme auf Stahlzuggliedern – Energieausweis nach deutschen und österreichischen Algorithmen – Klimaentlastung durch Massivholzbauarten, Teil 2 – Erhöhter Schallschutz – zur Neufassung VDI 4100:2012 – Planung des Schallschutzes im Geschosswohnungsbau

Schallschutz im Geschosswohnungsbau – mehr Planungssicherheit durch neue Prognoseinstrumente

Vergleichsrechnung für Bedarfsenergieausweise für ein Krankenhaus in Deutschland und Österreich Zur Anwendung reaktiver Brandschutzsysteme auf Stahlzuggliedern Klimaentlastung durch Massivholzbauarten. Möglichkeiten der Berücksichtigung der CO2-Senkenleistung von Außenbauteilen aus Massivholz im Rahmen der gesetzlichen Anforderungen an die Energieeffizienz von Gebäuden, Teil 2

Heft 2/2013 Erneuerung der Talbrücke Einsiedelstein Experimentelle Untersuchungen zur mitwirkenden Breite für Querkraft von einfeldrigen Fahrbahnplatten Umsetzung des Kathodischen Korrosionsschutzes an den Spannbetonüberbauten der Schleusenbrücke Iffezheim

Beurteilung der Wirkungsweise von adaptiven Seildämpfern im Brückenbau durch Kopplung von numerischer Simulation und Experiment Bericht Vergessene Ingenieure. Die Schalenbaupioniere der Russischen Avantgarde

Heft 6/2012 Geologische und logistische Herausforderungen beim TMB-Vortrieb des Pinglu Tunnels in China Bahnprojekt Stuttgart 21 – eine Herausforderung Erfahrungen in Skandinavien am Beispiel des Södermalmstunnels Tunnelprojekte brauchen Kooperation Tunnelbau auf der Bahnstrecke VDE 8.1 Ebensfeld – Erfurt am Beispiel Tunnel Eierberge

16. Jahrgang Oktober 2012 ISSN 1432-3427 A 43283

Mauerwerk Zeitschrift für Technik und Architektur

Anreiz für Projektoptimierung Stellungnahme zum Vergabemodell für Infrastrukturprojekte (VIP) aus Sicht des Auftragnehmers VIP – Vergabemodell für Infrastrukturprojekte Das neue Vergabemodell für Infrastrukturprojekte (VIP) aus der Sicht des Planer Herausforderung aktueller Großbaustellen Das Vergabemodell für Infrastrukturprojekte aus Sicht des Auftraggebers ASFINAG

Heft 1/2013 Erläuterungen zur Haftscherfestigkeit Untersuchungen zum Verbund von Bewehrung in Fugen und Aussparungen

Einfluss der Carbonatisierung auf Festigkeit und Struktur von Porenbeton Ansätze zur Ermittlung der horizontalen Einwirkungen auf Schubwände

– Energie- und Ressourceneffizienz von Gebäuden aus Kalksandstein – Energieeffizienz und Nachhaltigkeit im Wohnungsbau – Umwelt-Produktdeklarationen für Mauersteine und Elemente aus Leichtbeton

– Nachhaltigkeitsanalyse für das Mauerwerksrecycling – Integrale Gebäudeplanung eines Ziegel-Geschossbaus – Beyond Platin – Nachhaltigkeitstrends in der Bau- und Immobilienwirtschaft – Qualitätssiegel Nachhaltiger Wohnungsbau

Heft 2/2013 Kunstbauten-Ingenieurkunst Aktive Schwingungskontrolle einer Spannbandbrücke mit pneumatischen Aktuatoren

Strukturfindungsprozesse der Spätrenaissance – Planung und Bau der Fleischbrücke Nürnberg (1596–98) Essay: Konstruktionskritik im Brückenbau

Technische Möglichkeiten der Probebelastung von Massivbrücken

Historisches Wahrzeichen der Ingenieurbaukunst in Deutschland

Keynotes on bridges in Spain since the mid-1980’s

Neue Verankerung für Fahrbahnübergangskonstruktionen

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