Das Ziel, die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, stellt jeden Teil der Infrastruktur eines Landes vor unterschiedliche Herausforderungen.

Im Autobahnsektor, wo die Rohstoffe für Straßen, Autobahnen, Brücken und Tunnel traditionell emissionsintensiv sind, ist die Herausforderung besonders groß - sowohl bei der Neueinrichtung als auch bei der Instandhaltung bestehender Strukturen und Strecken. Es ist definitiv an der Zeit, neue und ungewohnte Ideen zu erkunden.

Angesichts des schieren Umfangs des Bestands an Straßen und Bauwerken, die von einer typischen nationalen Autobahnbehörde betrieben und instandgehalten werden müssen - in den Niederlanden sind etwa 4.000 Brücken in Betrieb - und der Menge an Ressourcen, die diese Arbeit jedes Jahr erfordert, könnten selbst kleine Eingriffe potenziell zu einem erheblichen Nutzen führen.

Hier bei Arup haben wir in Zusammenarbeit mit Heijmans und Schaffitzel die Einsatzmöglichkeiten von Massivholz in Straßenbrückenkonstruktionen untersucht, angeregt durch einen Aufruf von Rijkswaterstaat, der niederländischen Behörde für Autobahnen und Wasserstraßen, nach Innovationen für die Kreislaufwirtschaft. Die Idee war, Wege zu finden, wie man im Zusammenhang mit Straßenbrücken vom "Take-make-waste"-Modell wegkommt und die Emissionsreduktionsziele für 2030 erreicht. Unser Konzept für Brücken aus Brettschichtholz (Bridges of Laminated Timber, BoLT) bietet Eigentümern und Betreibern von Infrastrukturen eine Möglichkeit, die Ziele für die Emissionsreduzierung bis 2030 zu erreichen.

Zu Beginn gab es einige Beschränkungen. Wir wussten, dass Straßenbrücken mit großer Spannweite nach wie vor auf Stahl und Beton angewiesen sind. Aber Brücken mit Spannweiten von bis zu 25 Metern machen in der Regel etwa 50 % der Autobahnübergänge im Straßennetz eines Landes aus - und in diesem Zusammenhang wird Holz zu einer praktikablen Alternative.

Our Bridges of Laminated Timber (BoLT)
Unser Konzept für Brücken aus Brettschichtholz (Bridges of Laminated Timber, BoLT) setzt auf Langlebigkeit, Modularität und Wiederverwendung.

Stärken und Schwächen

In ganz Europa und Nordamerika müssen jedes Jahr Tausende dieser Straßenbrücken, die vielleicht vor vier, fünf oder sogar sechs Jahrzehnten gebaut wurden, in erheblichem Umfang instand gesetzt werden. Mehr als die Hälfte der Autobahnbrücken in den Niederlanden sind beispielsweise mehr als 40 Jahre alt, und laut der Infrastructure Report Card 2017 ist dies bei den Anlagen in den USA ähnlich. Diese Brücken geraten unter Druck, da sie viel stärkeren und intensiveren Verkehrsbelastungen ausgesetzt sind, als ursprünglich vorgesehen war. Gleichzeitig führen die fortschreitende Verstädterung und der wachsende Wohlstand zum Bau völlig neuer Verkehrsinfrastrukturen, und das Problem des in diese Strukturen eingebetteten Kohlenstoffs ist ein immer größer werdendes Problem. Es liegt auf der Hand, dass alternative Materialien benötigt werden, und die Verwendung von Holz beim Bau neuer Infrastrukturen wird den eingebetteten Kohlenstoff jetzt reduzieren, was der Wiederverwendung von Material in der Zukunft vorzuziehen ist.

Die Vorteile von Holz als Baumaterial sind bekannt: Es ist reichlich vorhanden, kostengünstig und kannCO2 aus der Atmosphäre absorbieren. Wenn es richtig konstruiert ist, kann es 100 Jahre lang halten und am Ende seiner Nutzungsdauer in einer Brücke ausgetauscht und in einem anderen Zusammenhang wiederverwendet werden.

Aufgrund seines geringen Gewichts kann der Überbau einer Brücke durch Holz ersetzt werden, während die Unterbauten erhalten bleiben. Eine wichtige Frage ist natürlich das Verhältnis von Holz zu Wasser - jedes Material in einer Straßenbrücke muss seine Festigkeit behalten und langfristig gegen Witterungseinflüsse resistent bleiben. Der Schutz des Holzes vor direktem Kontakt mit Wasser ist entscheidend, um Pilzbefall und die daraus resultierende Zersetzung zu vermeiden. Auch die Belüftung ist für Holz wichtig, denn es muss nach feuchten Perioden trocknen können. Es muss auch inspiziert werden können, um eventuelle Beschädigungen im Auge zu behalten. Wenn wir diese Aspekte in unseren Entwurfsprozess einbeziehen, wird deutlich, dass Holz als Konstruktionselement, das nicht den Elementen ausgesetzt ist, lebensfähig bleibt.

Der Brandschutz ist ein wichtiger Aspekt bei der Planung mit Holz. In vielen nationalen Vorschriften gibt es keine Anforderungen an die Brandlast, aber dennoch muss die Konstruktion in einer solchen Situation sicher sein und Unfälle verhindern. Im Gegensatz zu Stahl wird die Festigkeit nicht von der Temperatur beeinflusst. Die Verbrennungsgeschwindigkeit von Brettschichtholz beträgt etwa 0,7 mm/min. Das bedeutet, dass sich der Querschnitt eines großen Brückenbalkens aus Brettschichtholz (1x1,5 m) nach einer halben Stunde Branddauer nur um 4 % und nach einer Stunde um 10 % verringert. Diese Verringerung kann bei der Konstruktion für zusätzliche Sicherheit berücksichtigt werden.

Hilfreich ist auch, dass Holz nicht wie Beton und Stahl durch Tausalze beschädigt wird. Und unser Entwurf sieht eine Demontage vor, so dass die Brücken in Zukunft leicht verbreitert oder wiederverwendet werden können. Dies ist das Konzept der Kreislaufwirtschaft, bei dem die Entwicklung einer Struktur berücksichtigt wird, anstatt eine nicht anpassungsfähige, einmalige Wette auf Materialien einzugehen, bei der man sich auf das Prinzip "Benutzen - Abreißen - Abfall - Wiederholen" festlegt.

Konzeptnachweis

Unser BoLT-Design bietet eine theoretische Lebensdauer von mindestens 100 Jahren, da es vollständig vor Regen geschützt ist und den künftigen Eurocode-Normen für Holzbrücken entspricht. Während bei Brückenüberbauten zunehmend Holz-Beton-Verbundwerkstoffe eingesetzt werden, geht unsere Version noch einen Schritt weiter, indem sie den traditionellen Betonüberbau durch einen Vollmassivholzüberbau ersetzt. Dies führt dazu, dass 75 % des Gesamtgewichts des Überbaus (einschließlich des Fahrbahnbelags) aus einem erneuerbaren Material bestehen, was zu einem klimafreundlichen Überbau führt.

Durch die Verwendung von Holz wird der Überbau des ViaduktsCO2-negativ. Dies führt zu einer Senkung des Umweltkostenindikators (EKI) um 70 % und zu einer Verringerung des Einsatzes von abiotischem Primärmaterial um bis zu 90 %. Letztendlich können 95 % wiederverwendet werden.

Bart Smolders

Vorsitzender des Verwaltungsrats von Heijmans Infra

Natürlich würde ein Teil des Prototyps darin bestehen, zu testen, wie sich eine Demonstrationsbrücke unter realen Bedingungen verhält. Die Vermögensverwalter müssen überzeugt werden, und wie bei jedem anderen Material ist auch hier eine Wartung erforderlich. In Anbetracht der nahenden Fristen ist es im Moment jedoch am wichtigsten, dass wir es versuchen.

Die Ära der Holzbrücken beginnt

Heutzutage werden Brücken oft nach weniger als 50 Jahren abgerissen, um veränderten funktionalen Anforderungen gerecht zu werden. Für eine Ersatzbrücke werden dann neuer, emissionsintensiver Beton und Stahl hergestellt. Theoretisch kann dies eine Lebensdauer von 200 Jahren haben, aber es bedeutet, dass jetztCO2 in die Luft ausgestoßen wird, während wir versuchen, die Ziele des Pariser Klimaabkommens zu erreichen. Im Gegensatz dazu ist der Holzbau klimapositiv. Und in Zukunft kann es auch wiederverwendet, umgelagert und in einer neuen Form wiederverwendet werden, möglicherweise als Fußbodenbelag oder ein anderes inneres Bauelement.

Die Verwendung von Massivholz in Autobahnbrücken befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Aber mit den richtigen Partnern sind wir davon überzeugt, dass es sich um eine skalierbare Lösung handelt, die unserer Straßeninfrastruktur ein ganz neues Maß an Nachhaltigkeit verleihen könnte.