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1 RECYCLINGGERECHTES BAUEN Recyclinggerechtes und ressourceneffizientes Bauen Helmut RECHBERGER Institut für Wassergüte und Ressourcenmanagement HB2 MODUL HOCHBAU: STRUKTUR KONSTRUKTION DETAIL 11-04-2019

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Recyclinggerechtes und ressourceneffizientes Bauen

Helmut RECHBERGERInstitut für Wassergüte und Ressourcenmanagement

HB2 MODUL HOCHBAU: STRUKTUR KONSTRUKTION DETAIL11-04-2019

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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger

Inhalt

Der Beitrag des Bauwesens zum anthropogenen StoffhaushaltKnappheit von RessourcenProbleme beim Recycling von BaurestmassenDfR und Produzentenverantwortung

Vorlesungsunterlagen zum Download:http://iwr.tuwien.ac.at/ressourcen/lehre.html

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Accumulation of materials in the anthroposphere

Sand and gravel 307 tLignite 158 tHard rock 130 tMineral oil 116 tNatural gas (1000 m³) 90Limestone, dolomite 72 tHard coal 67 tSteel 40 tCement 29 tRock salt 12 tGypsum 8,5 tIndustrial sand 4,7 tKaolin 4,0 tPotash (K2O) 3,4 tAluminium 1,7 tCopper 1,1 tSteel refiners 0,9 tSulphur 0,2 tAsbestos 0,16 tPhosphate 0,15 tElectricity (MWh) 290Sour

ce: B

GR

, Ger

man

y

Consumption of materials over a person‘s life-time:ca. 1000 tons

Source: Brunner & Rechberger 2004 (updated)

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Der Stoffhaushalt einer Stadt

Quelle: Daxbeck et al. 1996 (aktualisiert)

Exportgüter3

AbgasAbwasser

144

43

WasserLuft

Energieträger

Konsum und Investi-tionsg

147

2

12

36

3

144

43

Konsum und Investi-tionsgüter, Baustoffe

147

2

12-18

36

Abfälle32

Restmüll 0.30.6

Flüsse [t/E.a]Lager [t/E]

Σ O Σ I O ~ 190 t/E.a

Lager: 400

8-128-128-12

I ~ 200 t/E.a

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Kaum Kreisläufe

Quelle: Baccini, 2002 (adaptiert)

10-12 2-3

0,5-1

8-10

Lager 350-450 Deponie 50-70

1-2

Versorgung& Konsum

Entsorgung

Flüsse [t/(E.a)]Lager [t/E]

Primärressourcen Abfälle

Sekundärressourcen

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Die Zusammensetzung des anthropogenen Lagers

Quelle: Wittmer, 2007

Separate Sammlung von Kunststoffen (LVP): 18 kg/E.aAltmetall: 15 kg/E.aAltholz: 23 kg/E.aQuelle: BAWP 2011

Vergleich zwischen UL und ReservenKupfer: 300 Mio. t 580 Mio. tEisen: 14 800 Mio. t 77 000 Mio. tZink: 205 Mio. t 200 Mio. tQuelle: Rechberger, 2004; Rauch 2009, USGS 2011

ca. 400 t/E

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Preisvolatilität

Kupfer Phosphaterz

Palladium Zink

Source: www.infomine.com

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Regionale Knappheit am Bp. Kies (CH)

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Rohstoffknappheit am Beispiel PV1

Advanced International Policy Scenario von EREC:10.000TWh of electricity by 2040 (25% of total)

Quelle: Zuser & Rechberger, 2011

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Rohstoffknappheit am Beispiel PV2

Advanced International Policy Scenario von EREC:10.000TWh of electricity by 2040 (25% of total)

Quelle: Zuser & Rechberger, 2011

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Knappheit am „hinteren Ende“

Volumen [Mio. km³]

Erde 1.100.000Atmosphäre 4.200Hydrosphäre 1.400„Lithosphäre“ 500„Pedosphäre“ 0,3

nach Adam Nieman www.visions-of-science.co.uk

„Lithosphäre“: gesamte Erdoberfläche bis 1 km Tiefe

„Pedosphäre“: eisfreie Landoberfläche bis 2 m Tiefe"Pedosphäre"

0,3

Atmosphäre4.200

Hydrosphäre1.400

"Lithosphäre"500

TU Wien, AWS 2005

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Knappheit der Senken

Quelle: Beer, Baumgartner, 1995

300

200

150

350

250

020406080100120140160 20

CO

2[p

pm]

CO2

heuteJahrtausende vor heute

500

020406080100120140160 20

1.000

1.500

CH

4[p

pb]

heuteJahrtausende vor heute

CH4

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Grenzen des Recyclings

0 % 100 %

Aufw

and

Recyclingrate 0 % 100 %

Um

wel

tsch

utz

Recyclingrate

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Urban Mining: Aufgaben

Exploration des Anthropogenen Lagers

Urb

ane

Lage

r (M

asse

)

1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100

Neubau

Umbau

“Lagerforschung”

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Lagerforschung3

Drei Ansätze, die auf einzelne Abbruchprojekte angewandt werden:1. Analyse existierender Informationen/Data Mining (Baupläne, Daten der

Fernerkundung, Normen, Abfallkonzept, Schadstofferkundung,…)2. Begehung und Aufnahme des Objektes (Inventar, Beprobung, …)3. Indirekte Analyse durch selektiven Rückbau und Bilanzierung der

Baurestmassen-Recyclinganlage Analyse und “Verschmelzung” der Ansätze Prüfung inwieweit damit die Basis für Rohstoffkataster für Wien

gegeben ist

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Begehung und Aufnahme1

Beprobung von repräsentativen Einheiten Wohneinheiten, Stockwerke, etc.

Erhebung von Zentralleitungen und der Anzahl bzw. Länge von Verteilungsleitungen Abhängig von Gebäudetyp und -alter

Erhebung von Materialmengen „typischer“ Einbauten Türen, Fenster, Heizungen, Zwischenwände, etc.

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Begehung und Aufnahme2

gedankliche Schnitte Installationen entlang der Schnitte gezählt, gemessen Länge der Installationen anhand der Raumdimensionen

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Begehung und Aufnahme3

Aufnahme einzelner Bereiche zählen, messen, wiegen,…

Auf Grundlage beider Methoden werden Materialmassen aus Volumen, Fläche, oder Anzahl sowie der jeweiligen Dichte oder Gewicht des Materials errechnet.

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Typisches Ergebnis

Quelle: Kleemann et al. 2013

Bodenbelag

Kabelisolierung

Beschläge, Verkleidungen

PVC

Materialzusammensetzung eines Wohnkomplexes(Stahlbeton, 4 Gebäude mit 2-9 Stockwerken, Bruttogeschoßfläche: 18 000 m²)

22 000

860

410

210120

9050

35 31

14 137

34

11

10

100

1 000

10 000

100 000

Mas

se [t

]

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Fallstudien

CS1 CS2.1 CS2.2 CS2.3 CS3 CS4

Gebäude-nutzung Wohnen Verwaltung,

KrankenhausKrankenhaus,

Pflege Krankenhaus IndustrielleProduktion

Wohnen, Gewerbe

Baumaterial Stahlbeton Ziegel Stahlbeton, Ziegel Stahlbeton Stahl, Ziegel Ziegel

Baujahr 1970 1870 1960 2003 1930 1890

BRIBruttorauminhalt

60 000 m³ 62 000 m³ 7 200 m³ 11 000 m³ 21 000 m³ 3 700 m³

BGFBruttogeschoßfläche

18 000 m² 13 400 m² 2 200 m² 2 500 m² 3 900 m² 1 100 m²

Quelle: Kleemann et al. 2014

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Ausgewählte Fallstudien

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Allgemeine Erkenntnis

Analyse vorhandener Unterlagen:Geeignet um große Massen zu charakterisieren

(Beton, Ziegel, Mörtel, teilweise Stahl)

Begehung und selektiver Beprobung der Gebäude:Geeignet um Materialien von Installationen und

Einbauten zu quantifizieren

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Materialintensität [kg/m³ BRI]

Source: Kleemann et al. 2014

Material CS1 CS2.1 CS2.2 CS2.3 CS3 CS4 CS5 CS6 CS7

Mineral 430 420 410 320 260 450 400 300 390

Asbestos 1,5 0,04 - - 0,14 - 0,12 0,092 0,006

Steel 7,6 5,1 4,6 8,6 5,8 0,97 3,3 7,6 9,4

Aluminium 0,22 0,049 0,057 0,55 0,03 0,16 0,15 0,32 0,54

Copper 0,11 0,15 0,16 0,24 0,0019 0,062 0,034 0,099 0,15

Wood 2,3 4,3 2,2 0,62 3,6 20 4,200 0,69 1,2

PVC 0,52 0,19 0,21 0,18 0,0093 0,20 0,093 0,33 0,10

Other plastics 1,3 0,16 0,35 4,9 0,14 0,46 0,35 0,23 0,11

others 1,1 0,54 1,2 0,69 0,43 0,13 0,26 2,7 0,63

Total 440 430 420 340 270 470 400 310 410

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How many case studies…?

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Herkunft der Materialien CS1

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%Wände

Zwischenwände

Decken

Dächer

Fußbodenaufbau

Deckenabhängung

Türen

Zargen

Fenster Loggien

Heizörper

Rohre

Kabel

Andere

Quelle: Kleemann et al. 2014

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Metalle CS1 (Wohnkomplex)

73%

18%

9%

Stahlgesamt 450 [t]

Bewehrung Obergeschoße Untergeschoße

68%

22%

10%

Aluminium gesamt 13 [t]

Obergeschoße Fassade Untergeschoße

73%

20%

7%

Kupfergesamt 6.8 [t]

Untergeschoße Obergeschoße Dächer

Quelle: Kleemann et al. 2014

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Gebäudestruktur in Wien

GIS DatenFläche & Höhe aller Gebäude Wiens (MA 41 – Vermessung)Nutzung und Baualter (MA 21 – Flächenwidmungs- und

Bebauungsplan; MA 18 – Stadtentwicklung und Stadtplanung; MA 37 – Baupolizei)

Zuordnung spezifischer Materialmengen je nach Nutzung und Bauperiode Fallstudien, Literatur, Experten

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Combination of data

Area & height of buildings

Utilization & construction period of buildings

Case studies - analysis of documents- on-site investigation

Demolished buildings- analysis ofconstruction plans

Literature

New buildings- final bills- LCA Data- construction plans

Information about the building structure(GIS - geographical information system)

Information about the material composition of different building categories

Period of construction

Utilization Mineral materials

Organic materials

Metals Total

-1918 residential 380 17 3 400

commercial 360 3 3 366 industrial 270 5 7 282

1919-1945 residential 450 11 6 467

commercial 270 7 6 283 industrial 320 30 3 353

1946-1976 residential 420 5 10 435

commercial 350 6 6 362 industrial 340 - 13 353

1977-1996 residential 430 7 12 449

commercial 380 1 13 394 industrial 170 - 15 185

1997- residential 450 5 13 468

commercial 320 6 10 336 industrial - - - -

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Total material stock of Vienna

385.000.000 [t]210 [t/cap]

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Material stock per person [t/cap]

Source: Kleemann et al. 2015 (submitted)

Mineral 200 Organic 5,5 Metal 3,4

Concrete 83 Wood 4,1 Iron/Steel 3,2

Bricks 70 Various plastics 0,37 Lead 0,09

Mortar/plaster 30 Carpet 0,22 Aluminium 0,044

Mineral fill 7,7 Heraklit 0,18 Copper 0,031

Slag fill 3,5 Bitumen 0,14 Zinc 0,022

Gravel/sand 2,9 Asphalt 0,13 Brass 0,0012

Foamed clay bricks 0,76 PVC 0,11

Natural stone 0,7 Polystyrene 0,077

Plaster boards/gypsum 0,59 Paper/Cardboard 0,065

Ceramics 0,44 Laminate 0,039

(Cement) asbestos 0,37 Linoleum 0,013

Glass 0,22

Mineral wool 0,21

Mineral wool boards 0,012 Total 210

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Resource cadastre

- Resource cadastre- Gives information about the total material stock in buildings

- Combined with data about the demolition activity, current and future waste streams can be estimated

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Abbruchaktivität in Wien

Sammlung und Analyse aller angezeigten Abbrüche in Wien in Zusammenarbeit mit MA 37 (Baupolizei)

Klassierung der Abbruchgebäude nach Nutzung und Bauperiode (wenn möglich auch Konstruktionsweise)

Zuordnung spezifischer Materialmengen je nach Nutzung und Bauperiode Fallstudien, Literatur, Experten

Materialzusammensetzung unterschiedlicher

Gebäudetypen

Materialoutput aus Abbruchgebäuden in Wien

Kubatur, Bauperiode und Nutzung abgebrochener

Gebäude 3.

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Demolition activity2

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Demolition activity2

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Der globale Kupferhaushalt (GKHH)

Quelle: Graedel et al. 2002 (ergänzt)

11.000 11.500 3.800

54011.000

300.000+7.700

580.000-11.000

85.000+3.100

Systemgrenze „Kupfer global 1994”

ProdukteKathoden

Kupfer

Neuschrott680

Altschrott II

Abfall

1.700deponierte Abfälle

1.200Gangart

150SchlackeErz

Kupfer-produktion

Güter-produktion

KonsumEntsorgung

Lithosphäre DeponienHalden

Flüsse: 1.000 t/aLager: 1.000 t

1.400Altschrott I

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Bewertung des GKHH mittels Statistischer Entropie

Lebenszyklus von Kupfer

„Kupfer pur“

„Erdkruste“

Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Phase 5

1,0

0.8

0.6

0.4

0.2

0,0

Güter-produktion KonsumKupfer-

produktion

Rel

ativ

e St

atis

tisch

e En

trop

ie

Quelle: Rechberger & Graedel, 2002

Entsorgung

Kreislaufwirtschaft

Statistische Entropieanalyse

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Technologisch hoch entwickelte Abfallwirtschaft

Fotos: A. Weinert

Produktion und Errichtung: Monate

Entsorgung: Tage – Wochen?

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Nur was man kennt kann man effektiv rezyklieren

Zusammensetzung VW Golf

Stahl und Eisen

Blei

Kupfer

Sonstige Schwermetalle (Chrom,Nickel, Zink)Aluminium

Sonstige Leichtmetalle (Titan,Magnesium)Kunststoffe

Kraftstoff/Öl/Fett

Gummi

Glas

Kabel, E-Technik

Dämmstoffe

Lacke

Sonstige

Zusammensetzung VW Golf

Recycling-Ziel der EU: 95 % (2015) Recycling-Ziel von 70-80 % möglich

Tool: Materieller Gebäudepass

?

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Produktzusammensetzung wird komplexer

Intel LeiterplatteQuelle: Hagelüken 2006Quelle: Graedel 2006

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Materieller Gebäudepass

Sources: IngWare GmbH

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Was ist zu tun: Materieller Gebäudepass

2.000

1.000

3.000

4.000

5.000

0

80.000

40.000

30.000

20.000

10.000

50.000

60.000

70.000

Aluminiu

m

Kupfe

r

Holz

keram

ische

Werksto

ffeGlas

Estric

h, Pu

tz,

Spac

htelun

g

Gipska

rton

Stahl

Dämmsto

ffe

Kuns

tstoff

e

Masse [kg]MassivHolzmassiv

Computerunterstützte Planung(BIM, Integrale Planung)

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Schema einer trockenen Bauschuttsortieranlage

I: BII: F+E+A3III: G+C+A1Metalle: I+A2+D+ERest: H+K

Quelle: Brunner, Stämpli, 1989

< 80mm

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Massenbilanz einer trockenen Bauschuttsortieranlage

45 % Fraktion I < 80 mm

<1 % Rest27 % Fraktion III“Schwerfraktion”

25 % Fraktion II“Leichtfraktion”

3 % Metalle

Quelle: Brunner, Stämpli, 1989

I: BII: F+E+A3III: G+C+A1Metalle: I+A2+D+ERest: H+K

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An- und Abreicherung durch die BauschuttsortierungVe

rgle

ich

mit

dem

Inpu

tge

ringe

re

höh

ere

Konz

entra

tion

10

1

0.1

0.1

Si S AC Ca Cr Hg

Al Cd ZnACOC Pb Fe Cu

Fraktion I10

1

0.1

0.1

OC Cd TC Hg Pb S

Al Cu Ca Cr TIC Fe

Fraktion II

100

10

1

0.1

Fe Cu Zn Cr Pb Al

Metalle10

1

0.1

0.1

Si Pb Al ACCaCr S TC Fe Cd HgCu Zn OC

Fraktion III

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Einfluss der Vorsortierung an der Baustelle

ohne Vorsortierung

mit Vorsortierung (Bereich „von - bis“)

Verg

leic

h m

it de

r Erd

krus

tege

ringe

re <

->

höhe

re K

onze

ntra

tion

0.1

1

10

100

1000

0.1

1

10

100

1000

Si Ca TC Fe Al S Zn Pb Cr Cu Cd Hg

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Maßnahmen beim Neubau

Üblicherweise werden die folgenden Grundsätze aufgezählt:• Wiederverwendung von Bauteilen bzw. Einbauten• Verwendung/Einsatzmöglichkeiten von Recycling-Baustoffen• Bevorzugung abfallarmer Konstruktionen• Abfallvermeidung an der Baustelle

Darüber hinaus sind wesentlich:• Reduktion der Materialvielfalt, Auswahl einfach verwertbarer

Werkstoffe • Minimierung der Verunreinigung von Baumaterialien• Lange Nutzungsdauer• Modularer Aufbau der Bauwerke • Demontagegerechte Baustruktur und Verbindungstechnik • Kennzeichnung wertvoller bzw. schädlicher Werkstoffe • Auswahl verwertbarer Werkstoffpaarungen, z.B. Vermeidung

von Verbunden

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Auswahl von Werkstoffen am Bsp. Kunststoffe

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Beispiel für DfR: Fassade

90+% recyclebar

Gipskartonplatten (GKP) 2 Lagen 0,025

Minera lwol le 0,040

Alu - C Profi le für GKP zw. Minera lwol le

GKP 2 Lagen 0,025

Dampfsperre 0,000

Minera lwol le 0,125

Alu-C Profi le für GKP zw. Minera lwol leStahlunterkonstruktion für Fassadenplatten

zw. Minera lwol le

Zementbauplatte 0,025

Hinterlüftung 0,030

Fassadenplatten:

1. Aluminumverbundplatten

2. Zementfaserplatten

außen

Wandstärke

innen Dicke [m]

0,285

0,015

Aufbau Leichtbaufassade

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Einfache Energetische Bewertung

0

2

4

6

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12

14

Errichtung 2 3 4

Prim

ären

ergi

eauf

wan

d [T

J/FE

]LBF 0%

Zyklen

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Einfache Energetische Bewertung

0

2

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6

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10

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Errichtung 2 3 4

Prim

ären

ergi

eauf

wan

d [T

J/FE

]LBF 0%

LBF 98%

Zyklen

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Einfache Energetische Bewertung

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Errichtung 2 3 4

Prim

ären

ergi

eauf

wan

d [T

J/FE

]LBF 0%

LBF 98%

Beton 0%

Zyklen

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Einfache Energetische Bewertung

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Errichtung 2 3 4

Prim

ären

ergi

eauf

wan

d [T

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]LBF 0%

LBF 98%

LBF opt. 98%

Beton 0%

Zyklen

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Selektiver Rückbau: Demontagegruppen

• Türen• Türrahmen• Fenster• Fensterrahmen• Fensterläden• Innenverkleidungen (Holz)• Fußleisten• Tapeten• Boden-/Treppenbeläge• Bekleidungen unter Decken• Elektrische Installationen (Steckdosen, Schalter, Kabel, Verteilerkästen etc.)• Sanitäre Installationen (Rohre, WC-Schüsseln, Wasserkästen, Waschtische etc.)• Zwischenwände• Spenglerarbeiten (Dachrinnen etc.)• Wände (Mauerwerk)• Decken• Dacheindeckungen• Dachstuhl.

Quelle: UBA 2005

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Selektiver Rückbau: Demontagegruppen

In der ersten Rückbaustufe werden schonend in Handarbeit Bauteile ausgebaut, die wieder verwendet werden können (z. B. Geräte und Maschinen der technischen Gebäudeausrüstung, Heizkörper, Verteiler, Schaltschränke, Sanitärarmaturen und -objekte, demontierbare Trennwände u. Ä.).

In der zweiten Rückbaustufe sollen wieder verwendbare Bauteile demontiert werden, die einer Aufarbeitung durch Reinigung oder Reparatur bedürfen (z. B. Türen, Fenster, Oberlichter, Lüftungskanäle, Rollläden, Kabel, Kabelkanäle, Klimakanäle, Bodenbeläge, Decken- und Wandverkleidungen, Holztreppen und Geländer etc.). Von Vorteil sind dabei gut lösbare Verbindungselemente wie Schraub-, Steck- und Klemmverbindungen.

In der dritten Rückbaustufe sind Baustoffe auszubauen, die seit langem recycelt und bei den Herstellern wieder als Sekundärrohstoff in den Materialkreislauf integriert werden (z. B. Dachstuhl, Eisenmetalle aus Stahlkonstruktionen im Dach- und Fassadenbereich, von Gittern, Zäunen, Toren und Türen, Stahlkonsolen und Anker, Aluminium, Zink, Blech, Kupfer und Blei aus Dach- und Fassadenkonstruktionen, Glas aus Fenstern, Fassaden, Türfüllungen etc.).

In der vierten Rückbaustufe sollten alle noch verbliebenen Bauteile des Innenausbaues oder der Gebäudetechnik ausgebaut werden (z. B. Dämmmatten, Füllschäume, Teerpappen, Bodenbeläge etc.). Die verbleibende Baumasse soll von allen Bauteilen, Stoffen und Verunreinigungen befreit werden, die das Recycling des restlichen Rohbaues behindern.

Die fünfte und letzte Rückbaustufe ist der konventionelle Abbruch des Rohbaues. Hierbei kann eine gleichzeitige Sortierung der Abbruchmassen nach Stahlbeton, unbewehrtem Beton, verschiedenem Mauerwerk und nicht frostbeständigem Material wie Gips oder Porenbeton erfolgen.

Quelle: UBA 2005

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Zusammenfassung

Bauwesen bindet große Massen an Ressourcen Knappheiten „vorne und hinten“ im System Recyclingquoten sind derzeit gering Probleme sind: fehlende Produzentenverantwortung infolge

langer Lebensdauer der Produkteunbekannte materielle Zusammensetzung

Lösungen sind: materieller GebäudepassImplementierung von DfR und InterdisziplinaritätSelektiver RückbauOptimierte Recyclingquoten

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Vision einer Stadt,….

… die sich zu einem Großteil aus sich selbst erneuert.