Design for disassembly as an alternative sustainable construction approach to life-cycle-design of concrete buildings

Abstract

Concrete buildings suffer from a disconcerting end-of-life scenario that is dominating by the demolition processes. The demolition not only prevents from reuse of the building elements and components but also contaminates the environment by dust, noise and solid waste. It also causes several kinds of disturbance to the site and its surroundings. This in addition to other non-preferable aspects is caused due to the ignorance of the life-cycle design of concrete buildings. While steel and timber buildings can be easily disassembled and removed, concrete buildings - especially those made from cast-in-situ concrete - have no options except demolition. To move concrete buildings to a higher level of construction sustainability and architectural adaptability the construction of concrete buildings should consider the design for disassembly (DfD). In this case concrete building elements and components can be disassembled and recovered by reuse or recycled or can be changed or replaced. Many benefits could be obtained from designing buildings for disassembly. It has been approved that DfD provides the buildings with high transformation capacity that leads to a higher sustainability; it also turns the linear life-cycle model of buildings to a more cyclic one. A review of the previous successful attempts to dismantle concrete buildings - and reuse some of its elements - has shown that despite the complexity of the work and a percentage of material loss precast concrete systems still have promising aspects. This study aims to consider DfD of concrete buildings from an architectural construction point of view. Through exploration and revision of the current issues related to the concrete technologies and their role in building, assembly and disassembly as well as DfD aspects, theories and guidelines. Based on that a comprehensive analysis of the current used architectural precast systems and elements has been carried out. The results of the analysis have been utilized to identify areas of weakness that may cause loss of time or material through the assembly and disassembly processes. The enclosure system of the concrete buildings then has been chosen for development of systems to have high disassembly potential by introducing some concepts and improvements. These developments have led to façade systems that support reuse, change, replacement, update and adaptability. The developed façade systems have been evaluated and proved to be sustainable with regard to their environmental impact by achieving high values for seventeen determining factors of eight DfD aspects. A part of the study has been didicated to the application and modeling through a case study. This case study has been explored analyzed and developed to guarantee the successful implementiation of the developed system in buildings and to provide a complete picture regarding their application. At the end, the study was able to reposition the concrete buildings in the context of cradle-to-cradle design, analyzes their elements and systems with regard to their transformation capacity and to provide concepts of development that move DfD of concrete buildings from theories to practice.

Stahlbetonkonstruktionen leiden unter einem umweltunfreundlichen Ende des Lebenszyklus, welches von Abbruchprozessen dominiert wird. Der Abbruch verhindert nicht nur die Wiederverwendung von Bauteilen und Komponenten, die in vielen Fällen noch für längere Zeit tragfähig und verwendbar wären, sondern belastet auch die Umwelt durch Staub, Lärm und feste Abfälle. Darüber hinaus verursachen Abbruchprozesse verschiedene Arten von Störungen am Standort und dessen Umgebung. Während Stahl- und Holzbauten leicht zerlegt und transloziert werden können, besteht für Stahlbetonbauten, besonders aus Ortbeton, neben dem Abbruch keine Alternative. Um Stahlbetonkonstruktionen in dieser Hinsicht auf ein besseres Niveau zu bringen, indem Bauteile und Komponenten aus Beton wiederverwendet werden können, sollten Stahlbetonkonstruktionen unter anderem für die Demontage, das so genannte Design for Dissassenbly (DfD), entworfen werden. Mithilfe von DfD können unter Aspekten der Nachhaltigkeit eine Reihe weiterer Vorteile erreicht werden. Crowther weist nach, dass sich das Lebenszyklusmodell der Gebäude von einem linearen zu einem zyklischren wandeln lässt. Eine Literaturrecherche bisheriger Versuche, Stahlbetonbauten zu demontieren und einige ihrer Elemente wiederzuverwenden, zeigt, dass Betonfertigteile trotz der Komplexität der Arbeit und eines prozentualen Materialverlustes , großes Potential im Hinblick auf DfD besitzen. Ziel dieser Studie ist, es Konzepte für die Demontage von Stahlbetongebäuden vom Standpunkt der Konstruktion aus zu erarbeiten und diese vor dem Hintergrund aktueller Fragen der Betontechnologie zu diskutieren. Darüber hinaus werden die Bedeutung für Bau,Montage und Demontage, sowie DfD Aspekte, Theorien und Richtlinien betrachtet. Darauf aufbauend wurde eine umfassende Analyse der derzeit verwendeten Fertigteilsysteme und -elemente durchgeführt. Die Ergebnisse der Analyse wurden verwendet, um Schwachstellen zu identifizieren, die einen Zeit- oder Materialverlust durch die Montage - und Demontageprozesse verursachen können. Für die Entwicklung von Systemen mit hohem Demontagepotential wurde die Hülle von Stahlbetonbauten ausgewählt, wobei einige Entwicklungen und Verbesserungen eingeführt wurden. Am Ende wurde eine Fallstudie erarbeitet, um das erfolgreiche Durchführen des entwickelten Systems an Gebäuden zu verifizieren und ein vollständiges Bild zu liefern. Die Studie war in der Lage, die Stahlbetonkonstruktionen im Rahmen von Cradle-to-Cradle-Design zu positionieren, ihre Elemente und Systeme hinsichtlich ihrer Transformationskapazität zu analysieren und Konzepte der Entwicklung zu liefern, die DfD von Betonbauten in Bezug auf ihre Elemente und Komponenten aus den theoretischen Konzepten in die Praxis bringen.