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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
2 31
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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger
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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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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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger
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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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger
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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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger
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
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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger
Auswahl von Werkstoffen am Bsp. Kunststoffe
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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger
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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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger
Einfache Energetische Bewertung
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Errichtung 2 3 4
Prim
ären
ergi
eauf
wan
d [T
J/FE
]LBF 0%
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%
Zyklen
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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger
Einfache Energetische Bewertung
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8
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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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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger
Einfache Energetische Bewertung
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Errichtung 2 3 4
Prim
ären
ergi
eauf
wan
d [T
J/FE
]LBF 0%
LBF 98%
LBF opt. 98%
Beton 0%
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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger
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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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger
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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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger
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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Recyclinggerechtes Bauen, 11-04-2019, Prof. Helmut Rechberger
Vision einer Stadt,….
… die sich zu einem Großteil aus sich selbst erneuert.