Baukonstruktion - vom Prinzip zum Detail: Band 1 Grundlagen

Baukonstruktion vom Prinzip zum Detail

José Luis Moro

Baukonstruktion vom Prinzip zum Detail

Band 1

Grundlagen

mit Matthias Rottner Bernes Alihodzic Matthias Weißbach

Vorwort von Jörg Schlaich

Prof. Dipl.-Ing. José Luis Moro mit Dipl.-Ing. Matthias Rottner Dr.-Ing. Bernes Alihodzic Dr.-Ing. Matthias Weißbach Universität Stuttgart Institut für Entwerfen und Konstruieren Keplerstraße 11 70174 Stuttgart Germany [email protected]

ISBN: 978-3-540-40613-6

e-ISBN: 978-3-540-27917-4

DOI 10.1007/978-3-540-27917-4 Library of Congress Control Number: 2008935895 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2009 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandgestaltung: WMX Design GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier 9 8 7 6 5 4 3 2 1 springer.com

V

meiner Ehefrau Maria Julia meinen Kindern Diana, Julia und Luis

VI

Vorwort

Das Planen, Entwerfen und Konstruieren, die eng miteinander verknüpften Themen dieser drei Bücher (oder dieses ersten von drei Bänden), sind im Prinzip äußerst komplexe Vorgänge, weil sie nicht linear sondern zyklisch / konzentrisch ablaufen. Sie verlaufen auf schrumpfenden Kreisen oder Schleifen, an deren Umfang bei jedem Umlauf erneut die Randbedingungen abgefragt werden, die es zu erfüllen gilt: Funktion, Standfestigkeit, Gestalt und Einfügung in das Umfeld, Wärme-, Schall- und Brandschutz, Dauerhaftigkeit, Fertigung, Montage, Wirtschaftlichkeit etc. So kommen sie schließlich auf „den Punkt“, also zu einer der vielen möglichen subjektiv befriedigenden Lösungen, aus denen dann in weiteren Iterationsschritten, vor und zurück, „die Lösung“ hervorgeht. Daraus folgt auch, dass es niemals die objektiv richtige oder gar die einzig beste Lösung gibt, sondern unzählige subjektive, weil man insbesondere das Entwerfen auch als gemischt deduktiven und induktiven Vorgang definieren kann, also einen logisch wissenschaftlichen „aus dem Kopf heraus“ und intuitiv / kreativen „aus dem Bauch heraus“. Sonst bräuchte es ja, um ein offensichtliches Beispiel zu nennen, für einen Wettbewerbsentscheid keine Jury sondern nur eine schlaue Excel-Tabelle. Daraus folgt, dass dieser komplexe Ablauf buchstäblich seines Charakters beraubt wird, wenn er in einem „seitenweisen“ Buch notwendigerweise linearisiert wird. So addieren in der Tat die meisten Autoren, die sich mit diesem Thema beschäftigen – und das sind in letzter Zeit wirklich so viele, dass sich die Begeisterung über noch ein solches Buch zunächst sehr in Grenzen hält – Titel an Titel oder Bauteil an Bauteil, also beispielsweise Deckenplatten, Unterzüge, Stützen, Fundamente. Danach überlassen sie es dem Leser, dies alles zu einem Ganzen zu fügen und zeigen bestenfalls noch Ausführungsbeispiele ohne zu erklären, warum die so sind oder wie sie sonst noch hätten sein können. Peinlich wird es, wenn diese Aneinanderreihung der typischen Bauteile auch noch fein säuberlich nach Werkstoffen sortiert dargeboten wird, als wolle ein Bauherr einen Beton-, Stahl- oder Holzbau. Nein, er will einen guten Bau und da bietet sich oft und heute zunehmend die Werkstoffmischung an, Misch-, Verbundoder Schichtbauweisen. Diese leider häufige Verkürzung eines zwar schwierigen aber gerade deshalb kreativen und einfach schönen Vorgangs auf eine Addition ist gerade für ein Lehrbuch und da besonders für Ingenieure fatal, weil die so zum Statiker oder bestenfalls zum Konstrukteur erzogen und so des schönsten Teils ihres Berufs beraubt werden, eben des kreativen subjektiven Entwerfens, in dem sie mit Begeisterung ihr erlerntes Wissen und ihre angeborene Phantasie einbringen können und sollen.

VII

Klar worauf dies hinaus will! Die frohe Botschaft lautet, dass mit diesen Büchern, die der Leser dieser Zeilen in der Hand hat, der ausdrücklich bewusste und äußerst nachdrücklich verfolgte Versuch unternommen wurde, das Planen, Entwerfen und Konstruieren von Bauwerken in seiner Ganzheitlichkeit darzustellen, indem die einzelnen Kapitel nicht einfach addiert sondern durch ihre notwendigen Querverbindungen vielfältig und sachgerecht verknüpft werden, selbstverständlich werkstoffübergreifend und in ganzer Bandbreite. Man erfährt, warum was so ist und wie sich die verschiedenen Lösungsprinzipien aus den charakteristischen physikalischen Wirkprinzipien entwickeln. Andererseits wird nicht verschwiegen, dass die zunehmende Aufteilung des Planens auf Spezialisten konfliktträchtig und nicht unbedingt qualitätsfördernd ist, so dass ein wesentliches Ziel dieser Bücher der Blick über den Zaun ist. Eine Gruppe von Individualisten, die wir ja alle sein wollen, kann nur gemeinsam Qualität schaffen, wenn jeder auf das Wissen des anderen neugierig ist und es nicht um die Frage geht, was von wem kommt, sondern nur dass das Ganze gut ist. Möge die wohlformulierte, intensiv argumentierende und sehr anschaulich bebilderte Botschaft dieser Bücher nicht nur bei den jungen Architekten sondern ebenso bei den Ingenieuren gehört und beherzigt werden. Sie werden belohnt mit der beglückenden Erfahrung, dass wir Bauenden noch Generalisten sind. Wir können und dürfen ein Bauwerk vom ersten Bleistiftstrich bis zum letzten Nagel begleiten und sind für seine Qualität selbst verantwortlich. Dabei wollen wir uns nicht auf unseren Lorbeeren ausruhen, sondern das Erreichte, mit unserem nächsten Entwurf vor Augen, selbstkritisch prüfen. Jörg Schlaich

VIII

Einführung

Dieses Buch geht der Frage nach, weshalb Baukonstruktionen so sind wie sie sind. In einer hochkomplexen, fragmentierten und schwer überschaubaren Bauwelt verdient es der Bauschaffende, und hier insbesondere der junge Lernende, wieder an die Ursprünge des baukonstruktiven Umgangs mit Material heran-, man möchte sagen zurückgeführt zu werden, ohne deren Kenntnis jede Beschäftigung mit Bauen sinn- und ziellos, in letzter Konsequenz zur Erfolglosigkeit verurteilt ist. Gleichzeitig soll unser bilderversessener Berufsstand, die Architektenschaft, daran erinnert werden, dass unsere Arbeit ihre vielschichtigen geistigen Dimensionen nur deshalb entfalten kann, weil sie eine materielle Basis besitzt, nämlich die Baukonstruktion, welche – gleichgültig ob wir es anerkennen oder nicht – zu einem wesentlichen Teil von der Geometrie, der Schwerkraft und anderen physikalischen Phänomenen bestimmt ist. Es ist letzen Endes die Baustruktur, die wir wahrnehmen und auf unsere Sinne wirkt, welche Ausgangspunkt und Vehikel des künstlerischen Ausdrucks, in letzter Konsequenz der Baukunst, ist. Die gleichen Prinzipien der Baukonstruktion, die dieses Werk im Titel trägt, liegen unserer Arbeit wie auch derjenigen unserer Vorgänger und Vorfahren zugrunde, weil sie auf Gesetzen der Materie, auf physikalischen Wirkungen und auf geometrischen Beziehungen beruhen, die gestern wie heute gültig sind. Sie sind dem wachen Verstand ganz unmittelbar zugänglich, wenn man sich, von Neugier getrieben, bereitwillig auf das Thema einlässt. Sie müssen nur unter dem Schutt eines ausufernden Spezialwissens befreit werden, das unsere (nur in ausgesuchten Teilbereichen) hoch entwickelte Bauwelt angesammelt hat, das einige Hohepriester des Spezialistentums eifersüchtig pflegen, das jedoch ohne Einbettung in einen Sinnzusammenhang unseren Verstand nur blendet und fehlleitet. Diesem Ziel habe ich mich mit diesem Werk verpflichtet. Mit dieser Zielsetzung galt es, für die einzelnen Teilgebiete des Konstruierens zunächst Funktionen oder Aufgaben herauszuarbeiten, dann verschiedene Lösungsprinzipien darzustellen, die zumeist auf charakteristischen physikalischen Wirkprinzipien und geometrischen Ordnungen beruhen, dann in einem letzten Schritt zur Materialisierung der Konstruktion überzugehen. Dieser Sequenz folgt im Wesentlichen auch die Struktur des dreibändigen Werks. Wenn es bereits innerhalb einer bestimmten Fachsparte eine Herausforderung darstellt, fundamentale Lösungsprinzipien zu abstrahieren, so ist es eine bedeutend größere, Bezüge und gegenseitige Abhängigkeiten zwischen den Disziplinen, die in der Baukonstruktion zusammentreffen, aufzuzeigen und in eine verständliche und fassbare Form zu bringen. Ich habe hierfür den Versuch unternommen, Sachverhalte aus den verschiedenen Fachbereichen in eine möglichst konsistente und durchgängige logische Struktur zu integrieren. Dafür waren einige Termini einzuführen, um Konzepte zu benennen, für die es meines Wissens bislang keine Fachbegriffe gab. Für diese Anmaßung bitte ich die Fachwelt bereits jetzt um wohlwollendes Verständnis. Einen sehr hohen Stellenwert hat der durchgängige, argumen-

IX

tierende Textfluss sowie die beigeordneten Querverweise, womit die vielfältigen Verknüpfungen und gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Teilbereichen und -disziplinen deutlich werden sollen. Auch wurde eine größtmögliche Anschaulichkeit der Abbildungen angestrebt, um ein unmittelbares Verstehen der Aussage zu erleichtern. Ich habe hierfür manchmal gegen (orthodoxe) Konventionen bewusst (oder auch ahnungslos), aber wie ich glaube stets mit gutem Grund verstoßen. Um die enorme Bandbreite der Thematik mit Konsistenz und einer adäquaten Durchdringungstiefe abzudecken, war es unumgänglich, in fremden Gefilden zu wildern. Für Ungenauigkeiten und Unschärfen bitte ich deshalb die Fachwelt bereits jetzt um Nachsicht. Mit ihrer Hilfe werde ich etwaige Unzulänglichkeiten hoffentlich nach und nach aus der Welt schaffen.



Ich wäre zufrieden, wenn andere an der Lektüre dieses Buchs die gleiche Freude fänden wie ich an seiner Ausarbeitung. Publikationen des Umfangs und der Bandbreite des vorliegenden Werks sind immer das Resultat einer Zusammenarbeit. Der Ursprung des Projekts liegt in unserem Vorlesungsmanuskript, das im Laufe mehrerer Jahre von Grund auf neu erarbeitet wurde. Neben den Mitautoren des vorliegenden Werks Matthias Rottner und Dr. Bernes Alihodzic, zu denen etwas später auch Dr. Matthias Weißbach stieß, ohne deren Beitrag an Geduld, Konstanz und Engagement dieses ehrgeizige Projekt nicht realisierbar gewesen wäre, sind weitere, zum Teil ehemalige Mitarbeiter zu nennen: unter ihnen insbesondere Dr. Peter Bonfig, der während der konzeptionellen Entstehungsphase unseres Vorlesungsmanuskripts wesentliche Ideen beigetragen hat, aber auch Christian Büchsenschütz, Christoph Echteler, Melanie Göggerle, Karin Jentner, Magdalene Jung, Stephanie Krüger, Lukas Kohler, Christopher Kuhn, Julian Lienhard, Manuela Langenegger, Gunnar Otto, Tilman Raff, Alexandra Schieker, Ying Shen, Brigitta Stöckl, Xu Wu, sowie nicht zuletzt Ole Teucher, auf den zahlreiche Zeichenarbeiten zurückgehen. Besonderer Dank gilt auch den Kollegen, die es auf sich genommen haben, zum Teil sehr umfangreiche Manuskriptabschnitte gegenzulesen wie Prof. K. Gertis, Prof. H. W. Reinhard und Prof. S. R. Mehra sowie auch Prof. Jörg Schlaich für sein freundliches Vorwort. Verpflichtet bin ich auch Kollegen und Freunden wie Dr. Jenö Horváth für die geduldige Beantwortung meiner Fragen, Karl Humpf für seine sorgfältige Manuskriptkorrektur sowie auch Dr. Ch. Dehlinger. Großzügig haben uns umfangreiches Bildmaterial zur Verfügung gestellt Prof. K. Ackermann, Prof. P. C. v. Seidlein, Prof. Th. Herzog, Prof. F. Haller, Prof. U. Nürnberger, Prof. P. Cheret und Prof. D. Herrmann. Herrn Lehnert vom Springer-Verlag danken wir für seine bedingungslose Unterstützung und für seine Geduld. Auch allen Freunden und Kollegen, die uns während der Ausarbeitung stets unterstützt und Mut zugesprochen haben, sei hiermit im Namen aller Autoren herzlich gedankt.

Danksagung

Stuttgart, im Juni 2008 J. L. Moro

X

INHALTSÜBERSICHT

Die einzelnen Kapitel wurden von Prof. José Luis Moro und den in Klammern aufgeführten Mitautoren erarbeitet. Die Gesamtredaktion wurde von Dr. Bernes Alihodzic durchgeführt.

BAND 1

GRUNDLAGEN

I

Konstruieren

II II-1 II-2 II-3

Struktur Ordnung und Gliederung Industrielles Bauen Maßordnung

III III-1 III-2 III-3 III-4 III-5 III-6 III-7 III-8 III-9

Stoffe Materie Werkstoff Stein Beton Holz Stahl Bewehrter Beton (mit Matthias Rottner) Kunststoff Glas

IV IV-1 IV-2 IV-3 IV-4 IV-5

Bauprodukte (mit Matthias Rottner) Künstliche Steine Holzprodukte Stahlprodukte Glasprodukte Kunststoffprodukte

V V-1 V-2 V-3 V-4 V-5 V-6

Funktionen Spektrum Kraft leiten (mit Dr. Matthias Weißbach) Thermohygrische Funktionen Schallschutz Brandschutz Dauerhaftigkeit (mit Matthias Rottner)

XI

VI

Herstellung von Flächen

VII

Aufbau von Hüllen

VIII VIII-1 VIII-2 VIII-3 VIII-4

Primärtragwerke (mit Dr. Matthias Weißbach) Grundlagen Typen Verformungen Gründung

IX IX-1 IX-2 IX-3 IX-4 IX-5

Bauweisen (mit Matthias Rottner) Mauerwerksbau Holzbau Stahlbau Fertigteilbau Ortbetonbau

X

Flächenstöße

XI XI-1 XI-2 XI-3 XI-4 XI-5 XI-6 XI-7 XI-8

Verbindungen (mit Dr. Matthias Weißbach) Grundlagen des Fügen Kraftübertragung Fügeverfahren Zusammensetzen An- und Einpressen Fügen durch Urformen Fügen durch Umformen Fügen durch Stoffvereinigen

XII XII-1 XII-2 XII-3 XII-4 XII-5 XII-6 XII-7 XII-8 XII-9

Äußere Hüllen (mit Matthias Rottner) Grundsätzliches Erdberührte Hüllen Schalensysteme Mehrschichtverbundsysteme Rippensysteme Punktgehaltene Hüllen Addierte Funktionselemente Membransysteme Öffnungen

XIII XIII-1 XIII-2 XIII-3 XIII-4

Innere Hüllen Grundsätzliches Horizontale Raumabtrennungen Vertikale Raumabtrennungen Öffnungen

BAND 2

KONZEPTION

BAND 3

UMSETZUNG

XII

I

Inhaltsverzeichnis

KONSTRUIEREN

II

STRUKTUR

II-1

Ordnung und Gliederung

1. Der Begriff der Konstruktion 1.1 Herstellung von Gebäuden 1.2 Definition des Begriffs Konstruieren 2. Der Prozess des Konstruierens 2.1 Planen, Entwerfen, Konstruieren 2.2 Phasen des Konstruktionsprozesses 2.3 Methodik des Konstruierens

2 2 2 4 4 6 8

3. Entwerfen und Konstruieren 3.1 Einfluss der Konstruktion auf den Entwurf 3.1.1 Der Begriff der Bauweise 3.1.2 Historische und traditionelle Bauweisen 3.1.3 Moderne Bauweisen 3.1.4 Kategorien von Bauweisen 3.1.5 Bedeutung von Bauweisen für den Planer 3.2 Einfluss des Entwurfs auf die Konstruktion 3.3 Harmonisierung von Entwurf und Konstruktion 3.4 Heutige Verhältnisse

10 10 11 11 12 13 13 13 14 14

4. Prinzipien des Konstruierens 4.1 Grundsätzliches 4.2 Historische und moderne Prinzipien d. Konstruierens 4.3 Der Weg vom Prinzip zum Detail und umgekehrt

15 15 16 16

Anmerkungen

17

1. Ordnung einer Baustruktur 1.1 Ordnung nach formalen Gesichtspunkten 1.2 Ordnung nach funktionalen Gesichtspunkten 1.3 Ordnung nach konstruktiven Gesichtspunkten

20 20 21 22

2. Gliederung einer Baustruktur 2.1 Gliederung nach formalen Gesichtspunkten 2.2 Gliederung nach funktionalen Gesichtspunkten 2.2.1 nach Hauptfunktionen 2.2.2 nach baulicher Einzelfunktion 2.2.3 nach Grad und Qualität der Anforderung 2.3 Gliederung nach konstruktiven Gesichtspunkten 2.3.1 aus Einschränkungen des Werkstoffs 2.3.2 aus dem Bauprinzip 2.3.3 aus der industriellen Herstellung 2.3.4 aus der Organisation des Bauvorgangs 2.4 Klassifizierung von Bauteilen nach ihrer konstruktiven Komplexität

24 24 24 24 25 26 27 27 27 30 30

Anmerkungen

34

31

Band 1

XIII

1. Technisch-kulturelle Entwicklungsstufen

36

2. Handwerkliche Produktion

36

3. Industrielle Produktion 3.1 Industrielle Revolution 3.2 Merkmale industrieller Produktion

40 40 40

4. Industrielles Bauen 4.1 Grundsätze industriellen Bauens 4.2 Einsatz neuer digitaler Planungs- und digital gesteuerter Fertigungstechniken im Bauwesen 4.3 Transport 4.4 Montage

42 42 45 46 46

5. Die Montagefuge im industriellen Bauen

47

Anmerkungen

48

1. Modulare Ordnung einer Gebäudestruktur 1.1 Maß- und Modulordnungen im Bauwesen 1.2 Grundmaße und Baumaße

50 50 52

2. Maßsysteme 2.1 Das oktametrische Maßsystem 2.2 Mauerschichten und -verbände 2.3 Mauerverbände - Beispiele 2.4 Modulordnung nach DIN 18000 2.4.1 Grundmodul 2.4.2 Horizontale Koordination 2.4.3 Vertikale Koordination - Ergänzungsmaße

53 53 54 54 58 58 58 58

3. Der Raster 3.1 Bauteilbezug zum Raster 3.2 Rasterüberlagerungen

60 60 64

4. Maßtoleranzen - maßliche Koordination an Bauteilstößen 4.1 Toleranzarten 4.2 Maßtoleranzen, Begriffe; Beispiel: Einbau Fenster

68 68 70

Anmerkungen

75

II-2

Industrielles Bauen

II-3

Maßordnung



1. Stoffe im Bauwesen

78

2. Energetische Wirkungen

78

III

STOFFE

III-1

Materie

XIV

Inhaltsverzeichnis

3. Elementarteile

80

4. Chemische Bindungskräfte

80

5. Grundpartikel der Materie

82

6. Aggregatzustände

82

7. Die stofflichen Bindungsarten 7.1 Atombindung 7.2 Ionenbindung 7.3 Metallbindung 7.4 Nebenvalenzbindungen

82 83 84 84 86

8. Die molekulare Stoffstruktur 8.1 Kristalle 8.2 Amorphe Stoffe 8.3 Organische Molekülketten

86 88 90 90

9. Das Stoffgefüge 9.1 Mineralische Stoffe 9.1.1 Natürliches Gestein 9.1.2 Künstliches Gestein 9.2 Metallische Stoffe 9.3 Organische Stoffe 9.3.1 Holz 9.3.2 Kunststoffe

92 92 92 94 104 104 106 106

10. Grenzflächen

110

11. Verformungen 11.1 Temperaturdehnung 11.2 Elastische Verformung 11.2.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm 11.3 Plastische Verformung 11.3.1 Lastunabhängige plastische Verformungen 11.3.2 Lastabhängige plastische Verformungen 11.3.3 Bedeutung plastischer Verformungen

112 114 114 114 116 116 116 120

12. Bruch

122

13. Zersetzungsprozesse

124

14. Brandeinwirkung

128

Anmerkungen

129

Band 1

XV

1. Werkstoffe im Bauwesen

132

2. Werkstoffe für Primärtragwerke

133

3. Materialgerechtigkeit

133

4. Klassifikation der Werkstoffe für Primärtragwerke

136

1. Geschichtliche Entwicklungsstufen

138

2. Technische Entwicklungsstufen von Mauerwerk

138

3. Zusammensetzung des Mörtels

143

4. Klassifikation der Steine 4.1 Natursteine 4.2 Künstliche Steine

143 143 144

5. Mechanische Eigenschaften

145

6. Verformungsverhalten 6.1 Lastunabhängige Verformungen 6.2 Lastabhängige Verformungen 6.2.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm

148 148 148 148

7. Konstruktive Folgerungen

149

8. Zusammenfassung Mauerwerk

150

9. Kennwerte

152

Anmerkungen

152

1. Geschichtliche Entwicklungsstufen

154

2. Zusammensetzung

154

3. Materialstruktur

155

4. Mechanische Eigenschaften

155

5. Verformungsverhalten 5.1 Lastunabhängige Verformungen 5.2 Lastabhängige Verformungen 5.2.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm

156 156 156 156

6. Konstruktive Folgerungen

157

III-2

Werkstoff

III-3

Stein

III-4

Beton

XVI

III-5

III-6

Inhaltsverzeichnis

Holz

Stahl

7. Zusammenfassung

158

8. Kennwerte

160

Anmerkungen

160

1. Geschichtliche Entwicklungsstufen

162

2. Materialstruktur 2.1 Makroskopischer Aufbau 2.2 Mikroskopischer und submiskroskopischer Aufbau

162 162 164

3. Allgemeine Eigenschaften

164

4. Mechanische Eigenschaften

166

5. Verformungsverhalten 5.1 Lastunabhängige Verformung 5.2 Lastabhängige Verformung

168 168 169

6. Konstruktive Folgerungen

170

7. Zusammenfassung

171

8. Kennwerte

172

Anmerkungen

172

1. Geschichtliche Entwicklungsstufen

174

2. Zusammensetzung

174

3. Materialstruktur

174

4. Klassifikation der Stähle

176

5. Allgemeine Eigenschaften

177

6. Fertigungsverfahren 6.1 Warmverformung 6.2 Kaltverformung 6.3 Gießen

179 179 180 182

7. Mechanische Eigenschaften

182

8. Verformungsverhalten 8.1 Lastunabhängige Verformung 8.2 Lastabhängige Verformung

183 183 183

Band 1

XVII

9. Konstruktive Folgerungen

184

10. Zusammenfassung

189

11. Kennwerte

189

Anmerkungen

190

1. Geschichtliche Entwicklungsstufen

192

2. Mechanische Eigenschaften

192

3. Verformungsverhalten 3.1 Lastunabhängige Verformung 3.2 Lastabhängige Verformung

194 194 194

4. Brandschutz

195

5. Dauerhaftigkeit

195

6. Konstruktive Folgerungen zum Stahlbeton

196

7. Neue Entwicklungstendenzen im Betonbau 7.1 Hochleistungsbeton (HLB) 7.1.1 Allgemeines 7.1.2 Bestandteile von HLB 7.2 Faserbetone 7.2.1 Allgemeines 7.2.2 Glasfasermodifizierter Beton (FMB) 7.2.3 Glasfaserbeton (GFB) 7.2.4 Textilbewehrter Beton 7.2.5 Stahlfaserbeton (SFB) 7.2.6 Kunststofffasermodifizierter Beton 7.3 Selbstverdichteter Beton (SVB) 7.3.1 Allgemeines 7.3.2 Zusammensetzung 7.3.3 Anforderungen an die Verarbeitbarkeit 7.3.4 Fließfähigkeit 7.3.5 Viskosität 7.3.6 Gefügestabilität 7.3.7 Blockierneigung 7.3.8 Selbstentlüftungsfähigkeit 7.3.9 Selbstnivellierungsfähigkeit 7.3.10 Sichtbetoneignung 7.3.11 Fertigteilbau mit SVB

198 198 198 199 200 200 200 201 201 202 204 205 206 206 206 207 207 207 207 207 208 208 208

8. Zusammenfassung

208

9. Kennwerte

210

III-7

Bewehrter Beton

XVIII

III-8

III-9

Inhaltsverzeichnis

Kunststoff

Glas

1. Geschichtliche Entwicklungsstufen

212

2. Materialstruktur

212

3. Allgemeine Eigenschaften

214

4. Mechanische Eigenschaften

215

5. Einige baurelevante Kunststoffe 5.1 Polyethylen (PE) 5.2 Polypropylen (PP) 5.3 Polyvinylchlorid (PVC) 5.4 Polystyrol (PS) 5.5 Polymethylmethacrylat (PMMA) 5.6 Polytetrafluorethhylen (PTFE) 5.7 Polyamid (PA) 5.8 Polyurethan (PU) 5.9 Polycarbonat (PC) 5.10 Polyisobutylen (PIB) 5.11 Ungesätigte Polyesterharze (UP) 5.12 Silikon (SI)

216 216 217 218 219 220 221 222 223 223 223 224 224

Anmerkungen

225

1. Geschichtliche Entwicklungsstufen

228

2. Zusammensetzung

228

3. Materialstruktur

228

4. Klassifikation der Gläser

228

5. Allgemeine Eigenschaften

230

6. Mechanische Eigenschaften

232

7. Bruchverhalten

233

8. Verformungsverhalten

233

9. Konstruktive Folgerungen

234

10. Kennwerte

236

Anmerkungen

237

Band 1

XIX

1. Geschichte der künstlichen Steine

240

2. Gebrannte Ziegel 2.1 Ausgangsstoffe 2.2 Herstellung 2.3 Färbung 2.4 Auswahlkriterien 2.5 Nennmaße und Kenngrößen 2.6 Ziegelformen 2.7 Sonderziegel

242 242 242 242 242 243 244 247

3. Ungebrannte Mauersteine 3.1 Kalksandsteine 3.1.1 Kurzbezeichnungen 3.1.2 Steinformate 3.1.3 Kennwerte 3.2 Porenbetonsteine 3.2.1 Kurzbezeichnungen 3.2.2 Kennwerte 3.2.3 Porenbeton als Baumaterial 3.3 Beton- und Leichtbetonsteine 3.3.1 Kurzbezeichnungen 3.3.2 Kennwerte 3.3.3 Bauen mit Steinen und Platten 3.4 Hüttensteine 3.4.1 Kurzbezeichnungen 3.4.2 Kennwerte 3.5 Mantelbausteine

248 248 248 248 249 250 250 250 250 252 252 252 253 254 254 254 254

4. Mauermörtel 4.1 Normalmörtel (NM) 4.2 Leichtmörtel (LM) 4.3 Dünnbettmörtel (DM) 4.3.1 Vermauern von porosiertem Ziegelmauerwerk 4.4 Mittelbettmörtel (MM) 4.5 Vormauermörtel (VM) 4.6 Sonstige spezielle Mörtel

255 256 256 256 258 258 258 258

5. Mineralputze, Kunstharzputze und Wärmedämmverbundsysteme 5.1 Außenputze 5.2 Innenputze 5.3 Ausgangsstoffe 5.4 Putzmörtelgruppen 5.5 Lieferung und Anwendung 5.6 Putzaufbau 5.7 Anwendung verschiedener Putzarten 5.7.1 Wärmedämmverbundsystem (WDVS)

260 260 260 260 260 262 262 264 264

IV

BAUPRODUKTE

IV-1

Künstliche Steine

XX

IV-2 Holzprodukte

IV-3 Stahlprodukte

Inhaltsverzeichnis

Anmerkungen

266

1. Charakteristische Eigenschaften von Holz 1.1 Übersicht der Holzprodukte

268 268

2. Vollhölzer 2.1 Baurundholz 2.2 Schnittholz 2.2.1 Sortierklassen 2.2.2 Sortiermerkmale 2.2.3 Querschnittsformen 2.3 Brettschichtholz

270 270 270 270 271 272 272

3. Holzwerkstoffplatten 3.1 Lagenholzwerkstoffe 3.1.1 Furniersperrholz (FU) 3.1.2 Schichtholz (SCH) 3.1.3 Mehrlagen-Massivholz 3.2 Spanplatten 3.2.1 Spanstreifenhölzer 3.2.2 Langspanplatten (OSB) 3.2.3 Flachpressplatten (FPY) 3.3 Holzfaserplatten 3.3.1 Poröse Holzfaserplatten (SB) Holzfaserdämmplatten (HFD) 3.3.2 Harte und mittelharte Holzfaserplatten 3.3.3 Mitteldichte Holzfaserplatten (MDF) 3.4 Holzwolle-Leichtbauplatten (HLW)

274 274 274 274 276 276 276 276 278 278 278 278 280 280

4. Zusammengesetzte Querschnitte 4.1 Geleimte Profilträger 4.1.1 Trigonit-Holzleimbauträger 4.1.2 Wellstegträger 4.1.3 Träger mit Plattenstegen 4.2 Fachwerkträger-Sonderbauweisen 4.2.1 Nagelplattenbinder 4.2.2 Greimbinder

282 282 282 282 282 282 282 282

Anmerkungen

284

1. Geschichte der Herstellung bon Eisen- und Stahlprodukten 1.1 Vorteile des Stahlbaus 1.2 Baustähle 1.2.1 Warmgewalzter unlegierter Baustahl 1.2.2 Schweißgeeignete Feinkornstähle 1.2.3 Wetterfeste Baustähle 1.2.4 Nichtrostende Stähle

286 287 288 289 289 289 289

Band 1

XXI

2. Warmgewalzte Baustahlerzeugnisse 2.1 Flacherzeugnisse 2.2 Profilerzeugnisse 2.2.1 Stabstahl 2.2.2 Formstahl 2.2.3 Breitflanschstahl 2.3 Hohlprofilerzeugnisse (Rohre) 2.4 Trägertypen im Stahlbau 2.4.1 I-Träger (Schmaler I-Träger) 2.4.2 IPE - Profil (Mittelbreiter I-Träger) 2.4.3 IPB - Profil (Breitflanschträger) oder HE-Reihe

290 290 292 292 292 292 292 292 292 292 292

3. Kaltprofile 3.1 Kaltumgeformte Hohlprofile 3.2 Kaltgewalzte Trapezbleche 3.3 Kaltgeformte Stahlprofile 3.3.1 Technische Entwicklungsstufen von Trapezblech 3.3.2 Tragfähigkeit unterschiedl. Trapezbleche 3.3.3 Verbunddeckenprofile 3.3.4 Kassettenaußenwand / Stahlkassetten 3.3.5 PUR-Sandwichelemente / -Paneele

293 293 293 294 294 294 294 294 296

4. Metallische Gusswerkstoffe 4.1 Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) 4.2 Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) 4.3 Temperguss (GJM) 4.4 Stahlguss

296 298 298 298 300

5. Stranggepresste Metallprofile

300

6. Weitere Stahlprodukte

300

7. Betonstahl 7.1 Betonstahl nach DIN 488 7.2 Betonstahlfasern 7.3 Spannstähle im Spannbetonbau 7.4 Seile, Bündel und Kabel

300 300 302 302 304

Anmerkungen

306

1. Geschichtliche Entwicklung des transparenten Raumabschlusses 1.1 Heutige Verfahren zur Glasherstellung 1.1.1 Gussglasverfahren 1.1.2 Float-Verfahren

308 309 310 310

2. Wichtige Kennwerte 2.1 g - Wert

311 311

IV-4 Glasprodukte

XXII

Inhaltsverzeichnis

2.2 U - Wert

IV-5 Kunststoffprodukte

311

3. Funktionsgläser 3.1 Isoliergläser 3.1.1 Wärmeschutzgläser 3.1.2 Sonnenschutzgläser 3.1.3 Schallschutzgläser 3.1.4 Isolierverglasung mit Lichtumlenkung 3.1.5 Sichtschutzgläser 3.2 Sicherheitsgläser 3.2.1 Einscheibensicherheitsglas (ESG) 3.2.2 Verbundsicherheitsglas (VSG) 3.2.3 Teilvorgespanntes Glas (TVG) 3.2.4 Drahtglas 3.3 Lamellenfenster 3.4 U-Glas 3.5 Glassteine 3.6 Betongläser

312 312 313 314 314 315 316 316 318 318 318 318 320 320 322 322

4. Transluzente Wärmedämmung (TWD) 4.1 Wirkprinzip 4.2 Aerogele

324 324 326

5. Anpassungsfähige Systeme

326

Anmerkungen

328

1. Einsatz im Bauwesen

330

2. Einige baurelevante Kunststoffprodukte 2.1 Polyethylen (PE) 2.2 Polypropylen (PP) 2.3 Polyvinylchlorid (PVC) 2.4 Polystyrol (PS) 2.5 Polymethylmethacrylat (PMMA) 2.6 Polytetrafluorethylen (PTFE) 2.7 Polyamid (PA) 2.8 Polyurethan (PU) 2.9 Polycarbonat (PC) 2.10 Polyisobutylen (PIB) 2.11 Ungesättigte Polyesterharze (UP) 2.12 Silikon (SI)

330 330 330 331 332 333 333 334 334 335 336 336 336

Anmerkungen

337

Band 1

XXIII

1. Hierarchie der Funktionen 1.1 Die Nutzung von Gebäuden 1.2 Bauliche Grundfunktionen 1.3 Bauliche Hauptfunktionen

340 340 340 342

2. Die Hauptfunktionen im Einzelnen 2.1 Tragen 2.2 Einhüllen 2.3 Ver- und Entsorgung

344 344 344 346

3. Zuweisen von Teilfunktionen an Bauteile

349

4. Die elementaren Teilfunktionen von Hüllbauteilen im Gebäudezusammenhang 4.1 Kraft leiten 4.2 Schutz vor Feuchte 4.3 Windschutz 4.4 Wärmeschutz 4.5 Schutz vor unkontrolliertem Dampfeintritt 4.6 Ausdiffundieren von Dampf 4.7 Akustik 4.8 Brandschutz

350 350 354 356 356 358 358 360 360

Anmerkungen

362

1. Vorbemerkung 1.1 Kategorien von Tragwerken 1.2 Zuweisung von Kraftleitungsfunktionen an Bauteile 1.3 Primärtragwerk und Morphologie des Gebäudes

364 364 364 365

2. Grundlegende Begriffe 2.1 Prämisse 2.2 Äußere Belastung 2.3 Lagerung 2.4 Form 2.5 Arten von Schnittkräften im System aus Belastung, Form und Lagerung des Bauteils 2.6 Spannungen

366 366 367 370 374 378 378

3. Vergleichende Betrachtung von Biegemomenten/ Querkräften und axialen Beanspruchungen bzw. Membranspannungen

379

4. Materielle Ausführung von Hüllbauteilen 4.1 Biegesteife Systeme 4.2 Bewegliche Systeme

379 379 380

V

FUNKTIONEN

V-1

Spektrum





V-2

Kraft leiten

XXIV

Inhaltsverzeichnis

5. Form und Kraftleitung

382

6. Schnittkräfte im Bauteil 6.1 Schnittkräfte im stabförmigen Bauteil 6.2 Schnittkräfte im ebenen Bauteil 6.3 Schnittkräfte in einem Kontinuum

383 384 386 388

7. Elementare Bauteile und exemplarische Lastfälle Verformungen, Beanspruchungen im Bauteil 390 7.1 Einfache stabförmige Bauteile 394 7.1.1 Einfeldträger unter Streckenlast 394 7.1.2 Einfeldträger mit einem Kragarm unter Streckenlast 394 7.1.3 Einfeldträger mit zwei Kragarmen unter Streckenlast 396 7.1.4 Kragträger unter Streckenlast 400 7.1.5 Zweifeldträger unter Streckenlast 400 7.1.6 Dreifeldträger unter Streckenlast 402 7.1.7 Druckstab 406 7.1.8 Zugstab 407 7.1.9 Bogen unter Streckenlast 408 7.1.10 Seil 410 7.2 Zusammengesetzte stabförmige Bauteile 7.2.1 Zweigelenkrahmen unter Streckenlast 412 7.2.2 Dreigelenkrahmen unter Streckenlast 416 7.3 Flächige ebene Bauteile 420 7.3.1 Einseitig linear eingespanntes Element (Scheibe) unter Streckenlast rechtwinklig zum Lager 420 7.3.2 Einseitig linear eingespanntes Element (Scheibe) unter Eigenlast rechtwinklig zum Lager 421 7.3.3 Einseitig linear eingespanntes Element (Scheibe) unter Streckenlast parallel zum Lager 422 7.3.4 Einseitig linear eingespanntes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast 424 7.3.5 Mittig linear eingespanntes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast 426 7.3.6 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast 428 7.3.7 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen 430 7.3.8 Vierseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast 432 7.3.9 Vierseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen 432 7.3.10 Vierseitig gelenkig punktuell gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast 433

Band 1

XXV

7.3.11 Vierseitig gelenkig punktuell gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen 434 7.3.12 Mittig punktuell eingespanntes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast 435 8. Kritische Versagenmechanismen

446

9. Bauliche Umsetzung der Kraftleitungsfunktion im Element - Strukturprinzip des Bauteils 448 9.1 Vollwandiges Element 450 9.1.1 Vierseitig linear gelagerte Platte 452 9.1.2 Punktuell gelagerte Platte 453 9.2 Element aus gemäß y/z aneinander gelegten Stäbe 458 9.3 Element aus Bausteinen 462 9.3.1 Kreuzfugengeometrie 462 9.3.2 Verband - druckkraftwirksame Übergreifung 462 9.3.3 Verband - haftungswirksame Übergreifung 470 9.4 Element aus einachsig gespannten Rippen 472 9.5 Element aus zwei- oder mehrachsig gespannten Ripp. 488 9.6 Element aus beplanktem Rahmen 498 9.7 Sandwichelement 499 9.8 Pneumatisch vorgespannte Membrane 500 9.9 Machanisch vorgespannte Membrane 502 Anmerkungen

506

1. Die thermohygrischen Schutzfunktionen 1.1 Schutz vor Feuchte 1.2 Windschutz 1.3 Wärmeschutz 1.4 Schutz vor unkontrolliertem Dampfeintritt

508 508 512 514 515

2. Das Zusammenwirken der Funktionsschichten in der Hüllkonstruktion 2.1 Prinzipielle Kombinationsmöglichkeiten von feuchterelevanten Funktionsschichten

516 518

3. Konstruktive Aufbauten hinsichtlich ihrer thermo hygrischen Funktionsweisen 522 3.1 Sandwichpaneel 522 3.2 Isolierglasscheibe 522 3.3 Holzfensterprofil 524 3.4 Aluminiumfensterprofil 524 3.5 Nicht belüftetes Flachdach 526 3.6 Umkehrdach 528 3.7 Einschalige Außenwand aus porosiertem Mauerwerk 528 3.8 Einschalige Außenwand aus Mauerwerk mit Wärmedämmverbundsystem 530

V-3

Thermohygrische Funktionen

XXVI

Inhaltsverzeichnis

3.9 Einschalige Außenwand aus Mauerwerk mit Außendämmung und vorgehängter Wetterhaut 3.10 Zweischalige Außenwand aus Mauerwerk mit Kerndämmung 3.11 Leichte Außenwand in Holzrippenbauweise 3.12 Nicht durchlüftetes geneigtes Dach 3.13 Durchlüftetes geneigtes Dach 3.14 Kelleraußenwand 3.15 Kellersohle (Dämmung unterseitig) 3.16 Kellersohle (Dämmung oberseitig)

V-4

Schallschutz

V-5 Brandschutz

532 532 536 538 540 540 544 544

4. Kontinuität der Funktionen

546

Anmerkungen

548

1. Akustik

550

2. Schall 2.1 Physikalische Grundlagen

550 550

3. Schallschutz 3.1 Bauakustische Grundfunktionen von Hüllbauteilen 3.2 Subjektives Hörempfinden 3.3 Luftschallschutz 3.3.1 Schalldämmmaß 3.3.2 Luftschalltechnisches Verhalten von Bauteilen 3.3.3 Bauliche Varianten zweischaliger Hüllbauteile 3.4 Trittschallschutz 3.4.1 Trittschalldämmmaß 3.4.2 Trittschalltechnisches Verhalten von Decken 3.4.3 Verbesserung des Trittschallschutzes durch Bodenbeläge 3.4.4 Verbesserung des Trittschallschutzes durch schwimmende Estriche 3.4.5 Verbesserung des Trittschallschutzes durch Unterdecken 3.5 Besonderheiten des Schallschutzes von Fenstern

552 552 553 554 554 554 564 566 566 569

Anmerkungen

578

1. Allgemeine Ziele des Brandschutzes

580

570 570 572 574

2. Grundsätze des vorbeugenden baulichen Brandschutzes 580 3. Baurecht

581

4. Konstruktionsrelevante brandschutztechnische Maßnahmen

581

Band 1

XXVII

5. Brandverhalten von Werkstoffen aus baurechtlicher Perspektive 5.1 Nichtbrennbare Baustoffe 5.2 Brennbare Baustoffe 5.3 Die Werkstoffe für Primärtragwerke 5.3.1 Mauerwerk 5.3.2 Beton/Stahlbeton 5.3.3 Holz 5.3.4 Stahl 5.3.5 Glas 5.3.6 Kunststoffe

582 582 582 583 583 583 583 584 584 584

6. Brandverhalten von Bauteilen 6.1 Feuerwiderstandsklassen

584 585

7. Zusammenhang zwischen Baustoffklasse und Feuerwiderstandsklasse

586

8. Bautechnische Brandschutzmaßnahmen

586

9. Einflussfaktoren auf den Feuerwiderstand 9.1 Konstruktive Maßnahmen zur Erhöhung des Feuerwiderstands

587 588

10. Konstruktive Brandschutzmaßnahmen am baulichen Regeldetail 10.1 Bauteile aus Mauerwerk 10.2 Bauteile aus Stahlbeton 10.2.1 Balkenförmige Bauteile 10.2.2 Decken 10.2.3 Fertigteildecken 10.2.4 Stützen 10.2.5 Wände 10.3 Bauteile aus Holz 10.3.1 Balkenförmige Bauteile 10.3.2 Stützen 10.3.3 Holztafelwände 10.3.4 Holzdecken 10.3.5 Dächer 10.4 Bauteile aus Stahl 10.4.1 Verhältniswert U/A 10.4.2 Konstruktionsgrundsätze 10.4.3 Balkenförmige Bauteile 10.4.4 Stützen 10.5 Unterdecken 10.6 Verbundkonstruktionen 10.7 Verglasungen

590 590 590 592 592 593 593 594 596 596 598 598 600 602 604 604 604 606 608 608 612 612

Anmerkungen

618

XXVIII

Inhaltsverzeichnis

V-6

Dauerhaftigkeit

ANHANG

1. Dauerhaftigkeit der Bauwerke

620

2. Korrosion von metallischen Werkstoffen 2.1 Typische Korrosionsarten 2.1.1 Korrosion in Mulden 2.1.2 Kontaktkorrosion 2.1.3 Korrosion im Wassertropfen 2.1.4 Spaltkorrosion 2.1.5 Lochkorrosion 2.2 Korrosionsschutzmaßnahmen 2.2.1 Planungsaspekte zum Korrosionsschutz 2.2.2 Konstruktive Maßnahmen 2.2.3 Bauphysikalische Maßnahmen 2.3 Korrosionsschutzverfahren 2.3.1 Schutzanstriche 2.3.2 Metallische Überzüge 2.3.3 Passivierung 2.3.4 Nicht rostende Stähle 2.3.5 Kathodischer Schutz

622 622 622 622 624 624 625 626 626 626 626 628 628 628 630 630 630

3. Korrosion im Stahlbeton 3.1 Carbonatisierung 3.2 Chlorideinwirkung 3.3 Rissbildung 3.4 Instandsetzung von Beton

632 632 634 634 634

4. Holzschutzmaßnahmen 4.1 Vorbeugende Schutzmaßnahmen 4.1.1 Materialgerechte Holz- und Verbidungsmittelverwendung 4.1.2 Organisatorischer Holzschutz 4.1.3 Baulich-konstruktiver Holzschutz 4.1.4 Chemischer Holzschutz 4.1.5 Biologischer Holzschutz

636 636 636 637 638 640 642

Anmerkungen

642

Index

644



Literaturverzeichnis

654

Bildnachweis

661

Sponsoren

665

I KONSTRUIEREN

1. Der Begriff der Konstruktion 1.1 Herstellung von Gebäuden 1.2 Definition des Begriffs Konstruieren 2. Der Prozess des Konstruierens 2.1 Planen, Entwerfen, Konstruieren 2.2 Phasen des Konstruktionsprozesses 2.3 Methodik des Konstruierens 3. Entwerfen und Konstruieren 3.1 Einfluss der Konstruktion auf den Entwurf 3.1.1 Der Begriff der Bauweise 3.1.2 Historische und traditionelle Bauweisen 3.1.3 Moderne Bauweisen 3.1.4 Kategorien von Bauweisen 3.1.5 Bedeutung von Bauweisen für den Planer 3.2 Einfluss des Entwurfs auf die Konstruktion 3.3 Harmonisierung von Entwurf und Konstruktion 3.4 Heutige Verhältnisse 4. Prinzipien des Konstruierens 4.1 Grundsätzliches 4.2 Historische und moderne Prinzipien des Konstruierens 4.3 Der Weg vom Prinzip zum Detail und umgekehrt Anmerkungen

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MAß0RDNUNG

III STOFFE III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

2

I Konstruieren

1.

Der Begriff der Konstruktion

1.1

Herstellung von Gebäuden

Für menschliche Bedürfnisse gebrauchstaugliche Behausungen wurden selbst in vorgeschichtlichen Zeiten nur sehr selten in der natürlichen Umgebung vorgefunden, sondern mussten zumeist in einem mehr oder weniger komplexen technischen Herstellungsprozess gefertigt werden. Heutige Bauwerke werden – insbesondere angesichts der hohen Anforderungen, die gegenwärtig mit der Gebrauchstauglichkeit verknüpft werden – ohne Ausnahmen technisch hergestellt. Eine Besonderheit des Bauwesens ist die deutliche Unterscheidung zwischen der Werksfertigung und den Arbeiten auf der Baustelle. Unter dem Oberbegriff der Herstellung von Bauwerken werden deshalb in der Fachsprache zumeist die drei Phasen • der Fertigung im stationären Werk • des Transports vom stationären Werk zur Baustelle • der Montage auf der Baustelle & DIN 8580

☞ Band 2, Kap. VIII, Abschn. 5 Fügungen für Primärtragwerke

1.2

Definition des Begriffs Konstruieren

subsummiert. Aus diesem Grunde muss die Klassifikation der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 ( 1) auf die Verhältnisse im Bauwesen angepasst werden. Dies bedeutet zunächst, dass wir im eigentlichen Sinne von Herstellungsverfahren sprechen müssen und diese einzelnen Vorgänge deutlich zu unterscheiden sind hinsichtlich des Orts, an dem sie stattfinden: also im Werk oder auf der Baustelle ( ☞). Bei einer Ortbetonbauweise erfolgt beispielsweise das Urformen (Hauptgruppe 1), also das Gießen des Betons, bereits auf der Baustelle. Bei den meisten Montagebauweisen geschieht ein Teil des Fügens (Hauptgruppe 4) im Werk (Werksverbindungen), der Rest auf der Baustelle (Montageverbindungen). Aus der Klassifikation der Vorgänge des Herstellungsprozesses wird deutlich, dass dieser mit einer • Umwandlung ausgesuchter geeigneter Werkstoffe: ihrer Formung, ggf. einer Veränderung ihrer Stoffeigenschaften sowie in den meisten Fällen einer • Fügung von Einzelteilen aus diesen Werkstoffen zu einem kompletten Bauwerk verbunden ist. Wir sprechen dabei von der Konstruktion eines Bauwerks:

& Duden „Das Herkunftswörterbuch“ 1989

Konstruktion: aus lat. constructio "Zusammenschichtung"

wobei dieser Begriff im Bauwesen in der Regel auf spezifische Weise aufgefasst wird: er meint nicht den eigentlichen Vorgang des Zusammenbauens einer Baustruktur, den Bauvorgang, sondern

3

• sowohl das zusammengebaute Endprodukt, also das Gefüge aus einzelnen Teilen; man spricht dann von der Konstruktion • als auch die Planung und Vorbereitung •• der Formung von Einzelteilen aus einem bestimmten ausgewählten Werkstoff, also die Festlegung ihrer Geometrie, sowie erforderlichenfalls •• der technischen Beeinflussung ihrer Stoffeigenschaften •• der Lage von Einzelteilen zueinander im Gesamtgefüge des Bauwerks, also die Festlegung der Geometrie der Gesamtstruktur •• der Art der Fügung einzelner Teile miteinander. Man spricht dann vornehmlich vom Vorgang des Konstruierens.

Hauptgruppen 1 Urformen

2 Umformen

3 Trennen Fertigungsverfahren 4 Fügen

5 Beschichten

6 Stoffeigenschaft ändern

1 Klassifikation der Fertigungsverfahren gemäß DIN 8580. Das Fertigungsverfahren 4 Fügen ist Gegenstand des Kapitels XI im Band 3 dieses Werks.

4

2.

I Konstruieren

Der Prozess des Konstruierens

& Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI)

☞ Abschn. 2.3 Methodik des Konstruierens, S. 8

2.1

Planen, Entwerfen, Konstruieren

Der Prozess des Konstruierens ist im übergreifenden Planungsprozess des Gebäudes integriert. Er stellt im Sinne der HOAI eine Leistungsphase dar, die im Wesentlichen mit dem Abschnitt 5 Ausführungsplanung zusammenfällt. Das Schaubild auf  2 zeigt den Planungsablauf nach HOAI §15 und zeigt anhand der Feldgröße und mittels Prozentzahlen die jeweiligen Anteile der Phasen an der Gesamtleistung. Gleichzeitig wird grafisch deutlich gemacht, dass Überlegungen zur Konstruktion Einfluss auf andere Planungsphasen ausüben. Dies kann entweder dadurch geschehen, dass in frühen Planungsphasen konstruktive Entscheidungen bereits vorweggenommen werden – dies erfolgt gewissermaßen innerhalb des Hauptplanungsstrangs – oder durch Iterationsschritte, also Schleifen, bei denen man zu einer früheren Planungsphase zurückkehrt (man ist dann allerdings klüger). Zu diesem außerordentlich wichtigen Gesichtspunkt wird später mehr zu sagen sein ( ☞). Bevor man den Konstruktionsprozess näher untersucht, empfiehlt es sich, eine Abgrenzung zwischen den Begriffen Planen, Entwerfen und Konstruieren zumindest versuchsweise vorzunehmen. Die Fachsprache im Bauwesen ist hier nicht eindeutig. Aus dem üblichen Sprachgebrauch lässt sich Folgendes entnehmen: • Planen umschreibt den allgemeinen Vorgang und ist nicht notwendigerweise auf die Definition einer Baustruktur beschränkt. Planung umfasst alle Bereiche des menschlichen Lebens, bei denen sich Vorgänge durch systematisches Vorausdenken steuern lassen.

✏ Entwerfen: „Das Entwerfen umfasst das Gestalten sowie das Planen, Steuern und Überwachen des Gestaltungsprozesses (VDI 2223, Glossar)

• Entwerfen ist demgegenüber im Sprachgebrauch des Bauwesens stärker auf die eindeutige und vollständige Festlegung einer Bauform beschränkt. Anders als in verwandten Techniksparten bezieht sich im Bauwesen der Begriff Entwerfen zumeist auf die Festlegung des übergeordneten Gebäudeentwurfs. Man kann zwar auch über den Entwurf eines konstruktiven Details oder einer Konstruktion reden, doch ist dies in diesem Fall explizit auszusprechen, sonst bezieht man den Begriff eher auf den Gesamtentwurf. Es schwingt zumeist auch eine künstlerische Komponente mit, die oftmals als das entscheidende Abgrenzungskriterium des Entwerfens gegenüber dem Planen empfunden wird.

✏ Konstruieren: „Gesamtheit aller Tätigkeiten, mit denen – ausgehend von einer Aufgabenstellung – die zur Herstellung und Nutzung eines Produkts notwendigen Informationen erarbeitet werden und der Festlegung der Produktdokumentation enden. Diese Tätigkeiten schließen die vormaterielle Zusammensetzung der einzelnen Funktionen und Teile eines Produkts, den Aufbau zu einem Ganzen und das Festlegen aller Einzelheiten ein:“ (VDI 2221, 6. Begriffe)

• Konstruieren bezieht sich – wie eingangs ausgeführt – auf die vollständige und detaillierte technische und geometrische Definition einer Baustruktur im Hinblick auf Werkstoff, Fügung und Herstellung. Man kann vereinfachend feststellen, dass Planen der übergeordnete Begriff ist, der Entwerfen und Konstruieren umfasst. Letztere Begriffe wiederum beschreiben zwei Planungsphasen mit spezifischem Charakter, stehen indessen in enger Wechselbeziehung zueinander.

5

1 Grundlagenermittlung

3%

2 Vorplanung (Projekt- und Planungsvorbereitung) 7% 3 Entwurfsplanung (System- und Integrationsplanung)

11% 4 Genehmigungsplanung 6%

25%

Iteration

5 Ausführungsplanung

6 Vorbereitung der Vergabe

10% 7 Mitwirkung bei der Vergabe

4%

8 Objektüberwachung (Bauüberwachung)

31% 9 Objektbetreuung und Dokumentation

3%

2 Leistungsphasen nach HOAI §15. Darstellung des Planungsablaufs bei der Gebäude- oder Objektplanung. Kernphase und Einflussbereich der Konstruktionsplanung in Grautönen dargestellt.

6

2.2

I Konstruieren

Phasen des Konstruktionsprozesses

Ähnlich wie die HOAI den gesamten Planungsprozess in einzelne Phasen untergliedert, lässt sich auch der Prozess des Konstruierens in Abschnitte unterteilen. Es darf nicht aus dem Blickfeld geraten, dass es sich bei diesen Gliederungen lediglich um vergleichsweise grobe Modelle handelt, die einen Beitrag zu einer stärkeren Strukturierung, Systematisierung und Bewusstwerdung der Vorgänge leisten. Sie sollen ein Hilfsmittel für ein rationelleres und effizienteres Arbeiten darstellen, sie dürfen aber niemals den freien Fluss der individuellen konzentrierten Reflexion und des schöpferischen Denkens behindern, welche (nach wie vor) die Grundlage jedes erfolgreichen Planungs-, und damit auch Konstruktionsprozesses ausmachen. In Anlehnung an konstruktionswissenschaftliche Arbeiten1 können vier Hauptphasen unterschieden werden: • Klären der Aufgabe: Die Aufgabe besteht im Wesentlichen darin, aus den bereits existierenden planerischen Vorgaben aus dem Gebäudeentwurf die Rahmenbedingungen und Anforderungen der Umsetzung in detaillierte Konstruktion zu definieren. • Konzipieren: Diese Phase stellt einen wichtigen Abstraktionsprozess des Konstruierens dar, durch welchen: •• die wesentlichen Probleme formuliert werden, die es zu lösen gilt

✏ Wirkprinzip: „Grundsatz, nach dem eine Wirkung erfolgt.“ (VDI 2223, Glossar)

•• nach geeigneten physikalischen und mechanischen Wirkprinzipien gesucht wird, die eine mögliche Antwort auf die Probleme geben. Wirkprinzipien beschreiben den physikalischen Effekt sowie die wesentlichen physikalischen und stofflichen Merkmale, die für die Erfüllung einer Funktion als geeignet erscheinen

✏ Prinzip: „Anfang, der alles aus ihm Folgende bestimmt, der Ursprung, der Grundsatz (VDI 2221, 6. Begriffe)

•• ein Lösungsprinzip oder -konzept ausgewählt wird, das einen weiteren Konkretisierungsschritt hin zur Materialisierung der Konstruktion vollzieht •• Lösungsvarianten festgelegt werden, welche die konkretere technische Umsetzung des Lösungsprinzips (s. o.) formulieren.

☞ Abschn. 4. Prinzipien des Konstruierens, S. 15

Die Arbeitsphase des Konzipierens stellt einen methodisch außerordentlich wichtigen Vorgang dar, da er bereits im Vorfeld verhindert, dass der Schritt vom Problem und dem Anforderungsprofil zur konkreten konstruktiven Lösung zu schnell vollzogen wird, gewissermaßen aus einem Gewohnheitsreflex, auf konventionelle Ansätze zurückgreifend, ohne die ganze Bandbreite der denkbaren Lösungsprinzipien auszuloten ( ☞). Der wichtige Abstraktionsvorgang, der mit dem Konzipieren verknüpft ist, zentriert sich in der Untersuchung von alternativen Lösungs-

7

Klären der Aufgabe

Vorgaben aus dem Gebäudeentwurf

Klären der Aufgabe Erarbeiten der Anforderungsliste

Konzipieren

Entwickeln der prinzipiellen Lösung Erkennen der wesentlichen Probleme Ermitteln der Funktionen Suchen von Wirkprinzipien und Wirkstrukturen Konkretisieren zu prinzipiellen Lösungsvarianten Bewerten nach technischen und wirtschaftlichen Kriterien

Optimieren des Prinzips

Festlegen der Anforderungsliste Freigabe zum Konzipieren

Festlegen der prinzipiellen Lösung Freigabe zum Entwerfen der Konstruktion

Beseitigen von Schwachstellen Kontrollieren auf Fehler Fertigungs- und Montageanweisungen

Festlegen des endgültigen Entwurfs Freigabe zum Ausarbeiten

Optimieren der Herstellung

Endgültiges Gestalten der Baustruktur

Optimieren der Gestaltung

Festlegen des vorläufigen Entwurfs Freigabe zum abschließenden Gestalten

Entwerfen der Konstruktion

Grobgestalten: Form geben, Werkstoff wählen, Berechnen Auswählen geeigneter Grobentwürfe Feingestalten des vorläufigen Entwurfs Konkretisieren zu prinzipiellen Lösungsvarianten Bewerten nach technischen und wirtschaftlichen Kriterien

Iteration

Entwickeln der Baustruktur

Ausarbeiten der Fertigungs-, Transport- und Montageunterlagen Prüfen der Ausführungsunterlagen

Festlegen der Herstellungsdokumentation Freigabe zum Herstellen

Fertige Konstruktion

Ausarbeiten

Entwickeln der Ausführungsunterlagen

3 Schematische Darstellung des Konstruktionsprozesses als Flussdiagramm mit Angabe der wesentlichen Arbeitsphasen [Pahl, Beitz, 1997]. Die Phase Entwickeln der prinzipiellen Lösung wird beim Entwerfen und Konstruieren oft übersprungen. Gerade zur fundierten Ausarbeitung dieser Phase beabsichtigt das vorliegende Werk einen Beitrag zu leisten.

8

I Konstruieren

✏ „Eine dauerhafte und erfolgreiche konstruktive Lösung entsteht durch die Wahl des zweckmäßigsten Prinzips und nicht durch die Überbetonung konstruktiver Feinheiten“ 2

☞ Abschn. 2.1 Planen, Entwerfen, Konstruieren, S. 4

prinzipien, die ihrerseits wiederum eine breite Auswahl an konstruktiven Lösungen eröffnen. Die dadurch aufgespannte Bandbreite des Lösungsfelds schärft den Blick des Konstrukteurs und erweitert seine Erfolgsmöglichkeiten beträchtlich ( ✏). Besonders zu dieser zentralen konzeptionellen Arbeitsphase versucht das vorliegende Werk einen Beitrag zu leisten, indem für konstruktive Problemformulierungen jeweils alternative abstrakte Lösungsprinzipien aufgezeigt und diskutiert werden, bevor auf die definitive Ausführung eingegangen wird. • Entwerfen der Konstruktion: Mit allen bereits oben formulierten Vorbehalten hinsichtlich des Sprachgebrauchs ( ☞) kann dieser Begriff angewandt werden auf die definitive gestaltliche Festlegung der Konstruktion in ihren wesentlichen technischen und geometrischen Merkmalen. Es erfolgt hier die Festlegung der definitiven konstruktiven Lösung. • Ausarbeiten: In dieser letzten Phase werden die endgültigen und detaillierten Vorgaben bezüglich Geometrie, Werkstoff, Oberflächenbeschaffenheit, Fügung, Fertigung, Montage etc. erarbeitet und verbindlich festgelegt.

2.3

Methodik des Konstruierens

Das Diagramm auf  3 stellt den Prozess des Konstruierens schematisch als eine Sequenz einzelner Arbeitsphasen (rechts) sowie in Form eines Flussdiagramms (links) als eine Abfolge von Arbeits- und Entscheidungsschritten dar. An jeder Weiche ist zu entscheiden, ob • auf der Grundlage der erarbeiteten Information weitergearbeitet werden soll,

✏ Iteration: „Rücksprung im Entwicklungsprozess auf die gleiche Problemebene.“ (VDI 2223, Glossar)

• oder stattdessen über einen Iterationsschritt wieder zu einer früheren Arbeitsphase zurückzukehren ist. Dies bedeutet nur scheinbar, dass Arbeitszeit nutzlos verbraucht wurde, da man im Planungsprozess zwar vordergründig einen Rückschritt vollzieht, aber in Wirklichkeit auf einem höheren Informationsniveau wieder einsteigt und folglich für den weiteren Fortschritt eine fundiertere Entscheidungsgrundlage hat. Es ist hingegen unbestreitbar, dass jede Iterationsschleife einen Ressourcenverbrauch darstellt uns möglichst umgangen werden sollte. Dieser scheinbar sprunghafte, für den Laien manchmal irritierende iterative Prozess ist kennzeichnend für jede Art von Planungsarbeit und muss vom Konstrukteur souverän beherrscht werden. Das Diagramm auf  4 stellt eine grobe Vereinfachung eines exemplarischen Iterationsschritts mit den zugehörigen Fragestellungen und Entscheidungsschritten dar. In der Praxis stellt sich die Frage nach Weiterverfolgen einer Idee oder Verwerfen und Neubeginn während des Arbeitsprozesses kontinuierlich. Es existieren für den Planungsvorgang vielfältige unterstützende

9

oder Ansatz an einem früheren Arbeitsschritt

Iterationsschleife Vorhergehender Arbeitsschritt

Arbeitsschritt auf höherer Informationsstufe wiederholen

ja Ergebnisse hinsichtlich Zielsetzung befriedigend?

nein

Wiederholen des Arbeitsschritts bei vertretbarem Aufwand aussichtsreich?

ja Nächster planmäßiger Arbeitsschritt

nein Entwicklung einstellen

Hauptarbeitsstrang

4 Schematische Darstellung eines Iterationsschritts im Planungs- oder Konstruktions-

prozess als Flussdiagramm [Pahl, Beitz (1997)]

systematische Methoden, die in diesem Rahmen nicht umfassend dargestellt werden können. Es soll lediglich auf den grundsätzlichen Nutzen eines systematischen Vorgehens hingewiesen werden, bei dem • zunächst Varianz erzeugt wird, wobei die Palette der denkbaren Lösungsansätze zunächst möglichst erweitert wird (Brainstorming, Morphologien, Kataloge) • und anschließend diese Varianz mittels überlegter und fundierter Bewertungs- und Auswahlmethoden reduziert und auf eine optimierte Lösung eingegrenzt wird (Bewertungsverfahren). Auf die zentrale Bedeutung der Identifizierung und Handhabung abstrahierter konstruktiver Lösungsprinzipien wird weiter unten erneut und etwas detaillierter eingegangen.

10

I Konstruieren

3.

Entwerfen und Konstruieren

Aus der bisherigen Betrachtung wurde deutlich, dass der Gebäudeentwurf – wir sprechen im Folgenden aus Zweckmäßigkeitsgründen vom Entwurf – zwar inhaltlich und hinsichtlich des Planungsablaufs auch zeitlich vom Konstruieren getrennt werden kann, mit diesem dennoch engstens verflochten ist. Diese Wechselbezüge sollen wegen ihrer großen Bedeutung im Folgenden näher untersucht werden.

3.1

Einfluss der Konstruktion auf den Entwurf

Technisch in einem spezifischen Kontext verfügbare konstruktive Lösungen, die stets • materialabhängig • technologieabhängig • kostenabhängig sind, müssen bereits im Entwurfsprozess vorweggenommen werden, damit die Planung später während der Realisierungsphase reibungslos, gemäß Konzept, ästhetisch befriedigend, im Zeit- und Kostenrahmen ausgeführt werden kann. Der Entwerfende muss bereits in frühen Planungsphasen beispielsweise eine deutliche Vorstellung haben von • in einem bestimmten Werkstoff und einer bestimmten Konstruktion sinnvoll realisierbaren Spannweiten, die zumeist auch die maximalen Dimensionen von Räumen vorgeben. Hier gibt es klare Grenzen, wie beispielsweise die maximalen Spannweiten von Holzbalken- oder Massivdecken. Grundsätzlich muss der Entwerfende wissen, dass Baustrukturen mit einer spezifischen Tragwerksform (Balken, Rahmen, Bogen, Hängewerk) maßstäblich nicht endlos proportional skalierbar sind. Sie stoßen – in einem bestimmten Werkstoff ausgeführt – zuerst an ökonomische, dann auch an materielle Grenzen: ab einer bestimmten Dimension kollabiert ein Tragwerk unter der eigenen Last. Auch wenn dieses Kriterium sich nur bei extremen Bauaufgaben in dieser Schärfe stellt, so gilt dennoch, dass spezifische Tragwerksformen in einem bestimmten Material ökonomisch nur innerhalb gewisser Dimensionsgrenzen einsetzbar sind. • der Abtragung horizontaler Kräfte im Tragwerk. Während realisierbare Spannweiten im Wesentlichen mit der Abtragung senkrechter Lasten im Zusammenhang stehen, gilt es bei der Planung auch frühzeitig die erforderlichen baulichen Maßnahmen der Gebäudeaussteifung zu definieren (z. B. Kerne, Wand- und Deckenscheiben). • den Abmessungen, in denen die wesentlichen Bauteile ausge-

11

führt werden können. Diese leiten sich von vergleichsweise früh erfassbaren Parametern wie der Belastung, der Geometrie, dem statischen System ab, so dass in frühen Planungsstadien bereits grobe Dimensionierungen vorgenommen werden können, sei es mithilfe von ersten statischen Modellen und Überschlagsrechnungen (Vorstatik), sei es an Hand von Erfahrungswerten. Zum Teil ergeben sich ungefähre Dimensionen aus dem Material oder der Herstellung (Mindestdicken von Betonwänden), oder auch aus Kriterien wie dem Brand- oder Schallschutz (Dicke von Wohnungstrennwänden). • in einem bestimmten Werkstoff sinnvoll einsetzbaren Konstruktionsprinzipien, die entscheidende Merkmale eines Bauteils beeinflussen. Dies gilt nicht nur für tragende, sondern für sämtliche Teile einer Baustruktur. Die Bauart bestimmt auch wesentlich das Erscheinungsbild des Bau- oder Gebäudeteils. • den Einschränkungen und Randbedingungen, die ggf. ein Herstellungsverfahren auferlegt, das aus bestimmten Gründen frühzeitig in der Planung festliegt. Dies betrifft beispielsweise Transportdimensionen und -gewichte von Bauteilen bzw. Fügetechniken und Konstruktionsprinzip. Ein gutes Beispiel ist Betonfertigteilbau, bei dem die Konstruktion und Ausführung bereits in frühen Planungsstadien zu berücksichtigen ist. Diese Kenntnisse sind ein Teil des Wissensfundus des Entwerfenden und erlauben ihm, auf die jeweilige Aufgabe zugeschnittene Lösungen zu finden. Ferner existieren so genannte Bauweisen. Sie bestehen aus einem Satz von aufeinander abgestimmten Regeln und Handlungsanweisungen, die dem Planer und Konstrukteur zur Verfügung stehen und seine Arbeit erleichtern. Sie sollen wegen ihrer Bedeutung im Bauwesen im Folgenden etwas näher kommentiert werden ( ☞).

3.1.1 Der Begriff der Bauweise ☞ vgl. die Anmerkungen zum Begriff der Bauweise in Kap. II-1, Abschn. 2.3 Gliederung nach konstruktiven Gesichtspunkten > 2.3.2 aus dem Bauprinzip, S. 27

Der Begriff der Bauweise beschreibt ausgewählte Eigenschaften des Produkts, um sie gegenüber den übrigen Objekteigenschaften hervorzuheben. Bauweisen stellen anerkannte Optima für bestimmte Produktarten dar und repräsentieren den Stand der Technik in bestimmten Branchen. [H.v.A.] (VDI 2223, Glossar)

Bauweisen, insbesondere die so genannten historischen oder traditionellen, haben sich über sehr lange Zeiträume hinweg entwickelt. Man kann behaupten, dass sie einen langen Optimierungsprozess durchlaufen haben und folglich im technischen, funktionalen und auch ästhetischen Sinne hervorragend auf – historisch vorhandene – Gegebenheiten und Randbedingungen zugeschnitten waren: also auf • verfügbare Bautechniken

3.1.2 Historische und traditionelle Bauweisen

12

I Konstruieren

• verfügbare Produktionsmethoden • verfügbare Materialien (oft lokal sehr verschieden) • vorhandene theoretische Kenntnisse (wie beispielsweise statische Modelle und Berechnungsmethoden) • lokale Witterungseinflüsse • kulturelle und gesellschaftliche Gegebenheiten, die Nutzung und Ausdruck des Bauwerks beeinflussten

☞ Band 2, Kap. IX-1 Mauerwerksbau

3.1.3 Moderne Bauweisen ☞ Kap. II-2 Industrielles Bauen, S. 42

Zumeist sind diese Bauweisen auch mit einem sehr spezifischen, leicht wiedererkennbaren ästhetischen Gestaltungskodex verknüpft, der sich seinerseits zum großen Teil aus den konstruktiven Regeln der Bauweise herleitet. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Schachtelbauweise aus Mauerwerk ( ☞), welche die formale Gestaltung und Wahrnehmung von Architektur nachhaltig geprägt hat. Traditionelle und historische Bauweisen haben sich über viele Jahrhunderte hinweg im Bewusstsein und der Wahrnehmung der Menschen festgesetzt. Sie werden zumeist als ausgewogen, harmonisch, schön empfunden und werden in ihrer Ausdruckskraft und ihrem Symbolgehalt vielfach den modernen Bauweisen vorgezogen. Daneben haben sich mit dem Aufkommen des industriellen Bauens ( ☞) auch neue zeitgemäße Bauweisen entwickelt, die zumindest in technischer Hinsicht – wenn auch nicht immer in formalästhetischer – das heutige Baugeschehen bestimmen. Die in den letzten 150 Jahren sprunghaft erweiterten technischen Möglichkeiten im Bauen haben auch zu einem explosionsartigen Anstieg der Anforderungen an Bauwerke geführt. Davon betroffen sind insbesondere die Anforderungen an den Nutzungskomfort heutiger Gebäude. Diese hochgeschraubten Leistungswerte heutiger Baustrukturen haben, gemessen an traditionellen Konstruktionen, zu deutlich höheren technischen Komplexitätsgraden geführt – und lassen sich ihrerseits auch nur deshalb erklären, weil die dafür nötigen technischen Möglichkeiten im Zuge der industriellen Entwicklung verfügbar wurden. Die technischen Entwicklungszyklen, die moderne Bauweisen bislang durchlebt haben, sind verglichen mit denen traditioneller Bauweisen, die teilweise auf mehrere Jahrtausende Entwicklungsgeschichte zurückblicken, verhältnismäßig kurz. Die Komplexität der zu lösenden technischen Probleme sowie die zu erfüllenden Anforderungen sind ungleich höher. Als Konsequenz davon erscheint es verständlich, dass moderne Bauweisen noch längst nicht am Ende ihrer Entwicklungsgeschichte angelangt sind, und dass noch ein beträchtlicher technischer, aber auch formalästhetischer Entwicklungsbedarf – und auch ein entsprechendes Entwicklungspotenzial – besteht.

13

Bauweisen werden nach verschiedenen Merkmalen kategorisiert, darunter beispielsweise im Hochbau oft nach dem eingesetzten Material sowie nach dem zugrundeliegenden Konstruktionsprinzip. So beispielsweise:

3.1.4 Kategorien von Bauweisen

• Holzrippenbauweise • Stahlskelettbauweise • Mauerwerks-Schachtelbauweise • Beton-Schottenbauweise etc. oder aber nach anderen differenzierenden Eigenschaften, wie dem Gewicht bei der Unterscheidung zwischen Massiv- und Leichtbauweise, oder der Art der Herstellung beim Begriffspaar der Nass- oder Trockenbauweise. Sie sind mit einem Satz von Regeln verknüpft, die sich ableiten aus • den Eigenschaften des verwendeten Materials • dem Prinzip der Lastabtragung, also dem Tragwerksprinzip • der Fertigung und Montage • geeigneten Gebäudekonfigurationen und -typologien sowie Nutzungsarten. So ist beispielsweise die Holzrippenbauweise in der Regel eher für kleinere Wohngebäude mit räumlicher Zellenstruktur und verhältnismäßig kleinen Lasten sinnvoll anwendbar. Die Betonbauweise mit punktgestützten Flachdecken wird fast ausschließlich für Verwaltungs- und öffentliche Gebäude eingesetzt. Bauweisen stellen einen gewissen Konsens dar und stehen teilweise auch stellvertretend für den jeweiligen – und damit auch heutigen – Stand der Technik. Sie etablieren gewissermaßen konstruktive Typologien. Dennoch darf nie vergessen werden, dass ihre Grenzen nicht scharf gezogen sind und dass sie eine Hilfe für den Entwerfenden sein sollten, niemals ein einengendes Korsett. Sie dürfen die Experimentierfreude und den Handlungsspielraum des Planers und Konstrukteurs nicht unnötig einschränken.

3.1.5 Bedeutung von Bauweisen für den Planer

Einerseits beeinflusst also die Konstruktion die frühen Planungsstadien eines Bauwerks, d. h. im Wesentlichen die Konzeptfindung sowie die Festlegung des grundlegenden Gebäudeentwurfs. Andererseits muss die Konstruktion stets im Dienst der Entwurfsidee oder der primären Zweckbestimmung eines Bauwerks stehen, das ja primär errichtet wird, um menschliche Aktivitäten zu ermöglichen, aber auch um unsere Umwelt nach unseren Bedürf-

3.2 Einfluss des Entwurfs auf die Konstruktion

☞ Band 2, Kap. IX Bauweisen

14

I Konstruieren

nissen zu gestalten. Es gilt folglich auch die Aussage, dass Baukonstruktion nicht mehr – aber auch nicht weniger – ist als ein technisches Mittel, um fundamentale Bedürfnisse des Menschen zu befriedigen. In diesem Sinne müssen konstruktive Einzellösungen gewählt werden, die neben den grundlegenden Anforderungen wie Standfestigkeit, Dauerhaftigkeit, Ökonomie und Umweltgerechtigkeit auch • die sachgerechte Funktion eines Gebäudes ermöglichen

☞ Abschn. 3.1 Einfluss der Konstruktion auf den Entwurf, S. 10

• sowie auch das formalästhetische Gestaltkonzept unterstützen und visuell überzeugend verdeutlichen. Sofern keine groben Fehlentscheidungen in frühen Planungsstadien getroffen wurden ( ☞), stehen bei der Detailplanung noch genügend technische Optionen zur Auswahl, die letztlich darüber entscheiden, ob ein Entwurfskonzept von der konstruktiven Detaillierung gestärkt oder im Gegenteil von dieser untergraben wird.

3.3

Harmonisierung von Entwurf und Konstruktion

Da übergeordnet-konzeptionelle planerische Aspekte – wie wir gesehen haben – so eng mit Fragen der konstruktiven Ausführung verwoben sind, stellt sich die Frage, wie inhaltlich weit voneinander entfernte Wissensgebiete und Qualifikationen beim Planungsprozess eines Bauwerks möglichst harmonisch zusammengeführt werden können. Man sollte nicht aus Naivität glauben, dass Forderungen aus derart weitläufigen Bereichen des menschlichen Lebens sowie der Naturphänomene und der Technik gänzlich ohne Reibungsverluste im Planungsprozess integriert werden könnten. Zielkonflikte sind unvermeidbar. Sie lassen sich aber bei qualifizierter Planung mit geringstmöglichen Abstrichen entflechten. Hierzu ist die abwägende Urteilsfähigkeit des Planers und Konstrukteurs gefordert.

3.4

Heutige Verhältnisse

Diese Frage nach adäquater Integration vielfältiger Fachbereiche stellt sich heute umso gravierender, da sich das für die Planung und Realisierung moderner Bauten notwendige Wissen nicht mehr in einer einzigen Person vereinigen lässt (ehedem der Baumeister), sondern sich auf zahlreiche Spezialisten (zumeist die Fachingenieure) und einige wenige Generalisten (meistens Architekten) verteilt. Zahlreiche bauliche Mängel und planerische Unzulänglichkeiten lassen sich auf ein Defizit an Zusammenhang und Wissenstransfer zwischen frühen und späten Planungsstadien zurückführen und sind ursächlich für das gegenwärtige allgemeine Unbehagen der Öffentlichkeit an weiten Bereichen des zeitgenössischen Architekturschaffens verantwortlich. Es muss also bei Spezialisten zum einen das Verständnis für fremde Fachgebiete vorhanden sein sowie ein Respekt für die Gültigkeit der Anforderungen und Randbedingungen aus fachfremden Bereichen geweckt werden. Zum anderen müssen reibungslose Kommunikationskanäle zwischen den Planungsbeteiligten eröffnet sowie geeignete Teamstrukturen gebildet werden. Ferner

15

sind für eine erfolgreiche Zusammenarbeit auch notwendigerweise die jeweiligen Verantwortlichkeiten und Kompetenzen klar zu formulieren. Für ein erfolgreiches Management und eine effiziente Koordination ist ein steuernder Generalist erforderlich, der für fundierte Entscheidungsfindung, Konfliktbewältigung und notwendige Informationsflüsse sorgt. In letzter Konsequenz ist ein gutes Gelingen der Planung aber stets vom Willen und der Einsicht der Beteiligten abhängig. Neben den angesprochenen Bauweisen, die eher die grundlegende entwurfliche Lösung und damit zuvorderst das Gesamtbauwerk bestimmen, lassen sich auch bei der Lösung von Einzelaufgaben des Konstruierens gewisse Lösungsstrategien oder Lösungsmuster erkennen. Man kann von bestimmten Grundsätzen oder Prinzipien sprechen, die eine gewisse Allgemeingültigkeit besitzen und, unter Wahrung ihrer wesentlichen Merkmale, in verschiedenen Lösungsvarianten umgesetzt werden können. Konstruktive Prinzipien sind zumeist nicht an besondere Werkstoffe gebunden, sondern bieten grundlegende Lösungsmöglichkeiten für Anforderungen, die an das Bauwerk, das Einzelbauteil bzw. an Fügungen zwischen diesen gestellt werden. Sie stellen mögliche Antworten auf eine funktions- oder aufgabenorientierte Fragestellung dar, die von bestimmten allgemeinen Funktionen oder baulich-technischen Teilfunktionen ausgeht, die mit baulichen Mitteln zu erfüllen sind. Konstruktive Prinzipien beruhen auf • physikalischen Prinzipien des Austausches von Medien und Energie • mechanischen Prinzipien der Kraftleitung und ggf. der Bewegung • methodischen Prinzipien der Erfüllung baulicher Funktionen • geometrischen Prinzipien oder Mustern der strukturellen Ordnung von Teilen • sowie auch auf formalästhetischen Gestaltungsprinzipien und vereinen diese in sich in Form einer übergeordneten baulichen Grundsatzlösung.4 Konstruktive Prinzipien erscheinen ihrerseits in verschiedenen Komplexitäts- und Hierarchiestufen: beispielsweise von der konstruktiven Detaillösung einer Fügung auf einer niedrigen Hierarchie über den prinzipiellen Aufbau eines Bauteils bis zur Tragwerkslösung auf einer höheren hierarchischen Stufe. Auf das Gesamtgebäude bezogen könnte man die Bauweise als ein baulich-konstruktives Prinzip auf der höchsten Hierarchiestufe bezeichnen.

4.

Prinzipien des Konstruierens

4.1

Grundsätzliches

& zu Regelwerken vgl.: DIN-Normen, VDI-Richtlinien, Empfehlungen der Industrieverbände, Richtlinien unabhängiger Institute (z. B. Institut für Fenstertechnik e. V. Rosenheim) ☞ Die Bestimmungen der LBO ✏ Technikbezogene Definition des Begriffs „Prinzip“: „In seiner technischen Anwendung beschreibt der Begriff‘prinzipielle Lösung‘ eine grundsätzliche Lösung für eine abgegrenzte Konstruktionsaufgabe, die lediglich bestimmte grundlegende Festlegungen zur physikalischen [...] Wirkungsweise und zu Art und Anordnung von festen Körpern, Fluiden und Feldern [...] trifft, ohne diese besreits im Detail zu definieren. Ist keine unmittelbare Bindung an eine ganz bestimmte Konstruktionsaufgabe mit spezifischen Anforderungen gegeben, wird auch von ‚Lösungsprinzipien‘ gesprochen. ‚Prinzipielle Lösungen‘ können sowohl für einzelne Teilfuntionen als auch für eine gesamte Funktionsstruktur angegeben werden.“ (VDI 2222, Bl. 1, 2.2) ✏ Abgrenzung Funktion/Lösungsprinzip: „Funktionen beschreiben das Verhalten von Produkten, oder Teilen des Produktes, vorzugsweise in form eines Zusammenhangs zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen; häufig erst nur gewollt oder gewünscht.“ „‚Prinzipielle Lösungen‘ beschreiben unscharfe bzw. grobe aber funktionsbestimmende Vorstellungen zur Realisierung von Produkten und sind durch die Einbeziehung von Effekten gekennzeichnet.“ (Beide Definitionen aus VDI 2222, Bl. 1, 2.1.1)

16

4.2

I Konstruieren

Historische und moderne Prinzipien des Konstruierens

☞ Kap. V-1 Spektrum, Abschn. 1. Hierarchie der Funktionen, S. 340 ff

4.3

Der Weg vom Prinzip zum Detail und umgekehrt

Einige Prinzipien des Konstruierens sind historisch überliefert. Sie vereinen manchmal – ähnlich wie die Bauweisen – einen Fundus an langjähriger tradierter Bauerfahrung in sich. Auf diese kann und sollte der Planer und Konstrukteur im eigenen Interesse zurückgreifen. Sie haben sich oftmals in ähnlicher Form in vielen verschiedenen Weltregionen über historische Zeiträume entwickelt. Etwaige kulturelle Austauschwege oder Formen des Technologietransfers, die eine solche weltweite Verbreitung erklären könnten, sind kaum rekonstruierbar, geschweige denn nachweisbar, und verlieren sich zumeist im Dunkel der Geschichte. Die Frage, ob sich diese Prinzipien über kulturellen Austausch verbreitet oder stattdessen infolge ihrer Allgemeingültigkeit an verschiedenen Orten parallel entwickelt haben, ist zwar entwicklungsgeschichtlich interessant, aber in unserem Kontext müßig. Wenngleich viele historisch überlieferte Prinzipien des Konstruierens zum Teil auch heute noch ihre Anwendbarkeit bewahrt haben, hat sich dennoch der bautechnische Kontext, in dem sie heute ihre Brauchbarkeit unter Beweis zu stellen haben, insbesondere im Zuge der fortschreitenden Industrialisierung des Bauwesens grundlegend gewandelt. Zahlreiche ehedem bewährte Grundsätze sind heute deshalb nicht mehr anwendbar, weil sie unseren Anforderfungen nicht mehr genügen. Ein gutes Beispiel sind die konstruktiven Prinzipien einschaliger massiver Außenwände aus Ziegelmauerwerk, die heute als überholt zu gelten haben, weil diese Bauweise mit industrieller Herstellung praktisch unvereinbar ist und unsere heutigen Wärmedämmstandards nicht gewähleisten kann. Dessen ungeachtet haben sich in den letzten Jahren zahlreiche moderne Lösungsmuster entwickelt, die breite Anwendung finden. Als Beispiel sei auf der Ebene des Primärtragwerks die punktgestützte Flachdecke genannt, die heute im Verwaltungsbau einen deutlich erkennbaren Standard darstellt. Das schärfste Regulativ für das Herauskristallisieren derartiger, gleichsam zur Nachahmung anempfohlener Lösungsmuster ist selbstverständlich ihre Bewährung in der Baupraxis. Der Weg zum allgemeingültigen Prinzip führt im Bauwesen oftmals (bestenfalls) von der Praxis zur Theorie. Das bedeutet, dass für einen bestimmten Anwendungsfall bewährte Lösungsvarianten, sobald sie in der Fachwelt als solche anerkannt werden, später oft genug von Planern nicht auf ihr Funktionsprinzip abgefragt werden – der nötige Schritt von der Praxis zur Theorie –, sondern ohne wirkliches Hinterfragen ihrer Eignung im Einzelfall gleichsam als konstruktive Rezepte übernommen werden. Methodisch äußert sich diese Vorgehensweise im berüchtigten Blättern in Detail-Beispielsammlungen auf der Suche nach einer geeigneten, irgendwie auf den eigenen Kontext anpassbaren Konstruktionslösung. Gegenüber dieser eher unambitionierten Vorgehenspraxis empfiehlt sich das Extrahieren abstrakter Grundsätze aus bewährten konkreten baulichen Lösungen, weil dieser Weg die Möglichkeiten und die Erfolgsaussichten eines Konstrukteurs deutlich verbessert.

17

Denn wir haben festgestellt (☞), dass der Abstraktionsvorgang, der mit dem Arbeiten anhand von Prinziplösungen oder Konzepten verbunden ist, einerseits die Varianz der daraus ableitbaren konkreten Lösungen erhöht, andererseits den Konstrukteur dazu befähigt, unterschiedliche bauliche Erscheinungsformen eines gleichen Prinzips auf ihre wesentlichen Merkmale zu reduzieren, diese leichter abrufbar einzuordnen und sie in eine konsistente gedankliche Systematik einzubetten.3 Dass diese methodische Vorgehensweise gegenüber dem Zufallsprinzip des unverbindlichen Umschauens zu einer deutlich zielgerichteteren Strategie führt und bedeutende Vorteile bietet, liegt auf der Hand. An diesem Punkt setzt das vorliegende Werk an, indem es versucht, zu diesem Fundus an feststellbaren Prinzipien des Konstruierens einen Beitrag zu leisten.

☞ Abschn. 2.2 Phasen des Konstruktionsprozesses, S. 6

Auch bei der Behandlung der Prinzipien des Konstruierens ist – wie bei den Bauweisen auch – indessen stets zu berücksichtigen, dass es sich um Empfehlungen und vorgeschlagene Lösungswege handelt, nicht um starre Handlungsanweisungen oder Gesetze. Sie geben gewissermaßen ein Kondensat der geltenden Regeln der Baukunst oder auch neuartiger zukunftsweisender Technologien wieder, können diese aber im Einzelnen nicht erschöpfend definieren und beanspruchen dies auch nicht. Das Arbeiten mit Prinzipien soll zu einer Erleichterung des Konstruktionsprozesses und zu einer Schärfung der Urteilsfähigkeit des Konstrukteurs führen. Wiederum ist einschränkend festzuhalten, dass seiner Experimentierfreude und Erfindungsgabe keine Zwangsjacke auferlegt werden darf, denn sie sind Dreh- und Angelpunkt jeder qualifizierten Konstruktionsarbeit.

1 2 3 4





Pahl, (1997) Konstruktionslehre, S. 85 Pahl, (1997) Konstruktionslehre, S. 88 Pahl, (1997) Konstruktionslehre, S. 74 „Sie rufen spezifische physikalische, chemische, biologische oder auch ggf. kognitive, wahrnehmungsrelevante Effekte hervor.“ Aus VDI 2222, Bl. 1, 3.5 „ Die Effekte sind an körperliche Effektträger gebunden (mit wenigen Ausnahmen).“ Aus VDI 2222, Bl. 1, 3.5.1

Anmerkungen

II STRUKTUR

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR 1. Ordnung einer Baustruktur 1.1 Ordnung nach formalen Gesichtspunkten 1.2 Ordnung nach funktionalen Gesichtspunkten 1.3 Ordnung nach konstruktiven Gesichtspunkten 2. Gliederung einer Baustruktur 2.1 Gliederung nach formalen Gesichtspunkten 2.2 Gliederung nach funktionalen Gesichtspunkten 2.2.1 nach Hauptfunktionen 2.2.2 nach baulicher Einzelfunktion 2.2.3 nach Grad und Qualität der Anforderung 2.3 Gliederung nach konstruktiven Gesichtspunkten 2.3.1 aus Einschränkungen des Werkstoffs 2.3.2 aus dem Bauprinzip 2.3.3 aus der industriellen Herstellung 2.3.4 aus der Organisation des Bauvorgangs 2.4 Klassifizierung von Bauteilen nach ihrer konstruktiven Komplexität Anmerkungen

II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

20

1.

II Struktur

Ordnung einer Baustruktur

☞ Kap. I, Abschn. 3.2 Einfluss des Entwurfs auf die Konstruktion, S. 13

Bevor auf die Ordnung einer Konstruktion eingegangen werden kann, muss sich der Blick zunächst auf die Gesamtordnung des Bauwerks richten, von welchem die Konstruktion die technischmaterielle Komponente darstellt. Da auch die Konstruktionsarbeit, also die Planung der Konstruktion, im gesamten Planungsprozess des Bauwerks eingebettet ist ( ☞), steht diese in Abhängigkeit der übergeordneten planerischen oder entwurflichen Festsetzungen. Diese betreffen das allgemeine Gebäudekonzept, insbesondere das strukturelle Ordnungsprinzip, das diesem zugrunde liegt. Dieses ist seinerseits wiederum in einem spezifischen Zusammenhang integriert, der sich sowohl aus grundsätzlichen entwurfsphilosophischen Leitprinzipien als auch aus dem räumlichen Kontext ableiten kann, in welchem das Bauwerk eingebettet ist. Begrenzt man die Perspektive zum Zweck unserer Betrachtung auf das Bauwerk selbst, so lassen sich die Kriterien, die der Ordnung desselben zugrundeliegen, den drei fundamentalen Dimensionen oder Kategorien der • Form • Funktion • Konstruktion

1.1

✏ Sie entsprechen den drei Vitruvschen Kategorien der venustas (Form), utilitas (Funktion) und vetustas (Dauerhaftigkeit, zu gewährleisten durch die Konstruktion) 1

zuordnen (✏). Sie erleichtern – wie alle analytischen Kategorienbildungen – zum Teil das Verständnis der komplexen Sachverhalte, die es zu durchleuchten gilt. Andererseits darf nicht aus dem Auge verloren werden, dass alle drei in engsten gegenseitigen Wechselbeziehungen und Abhängigkeiten stehen. Wegen ihrer fundamentalen Bedeutung sollen sie im Folgenden einer etwas näheren Betrachtung unterzogen werden:

Ordnung nach formalen Gesichtspunkten

Der Begriff Form bezeichnet die visuelle Wahrnehmung des Bauwerks und seiner Teile – auch des Raums, welcher durch die gebaute Umgrenzung definiert wird – durch den Betrachter. Sie ruft in seinem Bewusstsein ein ästhetisches Empfinden hervor, das sich durch ein explizites ästhetisches Urteil manifestieren kann, weckt Assoziationen, knüpft symbolische Bezüge, wirkt auf ihn durch die Ausdruckskraft des Gebauten. Es leuchtet ein, dass die architektonische Form in enger Abhängigkeit zur Ordnung des Gebäudeentwurfs steht. Diese bestimmt nicht nur die wahrgenommene äußere Gesamtgestalt oder Volumetrie des Bauwerks, sondern auch seine innere Gliederung, die Raumkonfiguration sowie auch den Rhythmus der Teile, die insgesamt die Baustruktur ausmachen, und die durch ihre wechselseitigen Bezüge den formalästhetischen Ausdruck eines Bauwerks wesentlich mitbeeinflussen. Eine Fassadengestaltung aus Elementen wie Fensteröffnungen, Simsen, Wandflächen etc. ist ein Beispiel für das ästhetisch wirksame rhythmische Zusammenspiel von Gestaltelementen, die in ihrer räumlich-geometrischen Anordnung durch das

1. Ordnung und Gliederung

übergeordnete architektonische Ordnungsprinzip bestimmt sind. Diese innere Ordnung eines Bauwerks – wir können sie auch als seine Rhythmik bezeichnen – wird häufig als Vergleichsmoment zwischen Architektur und Musik als verwandte Kunstgattungen herangezogen.2 Ordnung bestimmt folglich die Bezüge zwischen den Teilen eines Bauwerks. Sie kann die Ausprägung einer bewusst gestalteten Komposition oder zumindest – wie gegenwärtig immer häufiger zu vernehmen – eines aus verschiedenen Wirkungen hervortretenden Felds der wechselseitigen Zuordnungen annehmen. Stets wirkt die aus formalästhetischen Kriterien hervorgehende Ordnung auch auf die anderen beiden Dimensionen der Funktion und der Konstruktion. Man kann behaupten, dass letztere, die hier im Mittelpunkt der Betrachtung steht, in formalästhetischer Sicht eine unterstützende und dienende Aufgabe erfüllt. Die Konstruktion ist aus dieser Perspektive das tragende materielle Gerüst, durch welches sich die architektonische Idee überhaupt mitteilen kann. Aus dieser Überlegung leitet sich die Aussage ab, dass Konstruktion eine bestimmte architektonische Idee entweder unterstützen, sogar stärken, oder umgekehrt auch verunstalten oder schwächen kann (☞). Neben der wechselseitigen Beeinflussung der architektonischen Gesamtform und der Konstruktion ist auch auf kleinerem Maßstab eine deutlich erkennbare formalästhetische Wirkung des konstruktiven Details feststellbar, also eine spezifische formale Ausdruckskraft desselben. Ähnlich wie die Philosophie des baulichen Gesamtkonzepts vermittelt auch die Detailgestaltung eine spezifische Aussage: Sie kann beispielsweise den anschaulichen Ausdruck der Fügungsart, der Kraftleitung oder der Materialität zum Ziel haben, oder im Gegenteil diese eher im Dienste einer übergeordneten formalästhetischen Konzeption zu verschleiern trachten. Sie kann der Einfachheit verpflichtet sein, oder im Gegenteil der gezielten Übersteigerung der Komplexität. Der Begriff der Funktion beschreibt die Zweckbestimmung der Baustruktur, die sich aus den verschiedenen Aktivitäten herleitet, welche im Gebäude ermöglicht werden sollen: Wohnen, Arbeiten, Produzieren, etc. Die funktionsbezogene Ordnung eines Gebäudes bestimmt in erster Linie die Raumorganisation, also Lage, Zuschnitt und gegenseitige Beziehung der Räume. In weiterer Konsequenz und auf hierarchisch niedrigerer Ordnung sind weitere Funktionen identifizierbar – wir nennen sie Teilfunktionen – die eine Voraussetzung für die Erfüllung der angesprochenen Hauptfunktionen sind. Teilfunktionen können beispielsweise physikalischer Art sein wie Temperierung, Lüftung, Belichtung etc. Sie werden in Kap. V-1 Spektrum aufgelistet und in den darauf folgenden Kapiteln einzeln näher untersucht. Die funktionale Organisation einer Baustruktur trifft Festlegungen oder formuliert zumindest Vorgaben hinsichtlich der möglichen Orte für Bauteile mit raumbildender Wirkung, also für alle raumumschließenden Flächenbauteile und im weiteren Sinne auch für

21

1 Francesco Giorgi: De Harmonia Mundi totius, Diagramm der harmonischen Konsonanzen: Die platonische Vorstellung der sieben Zahlen (im Lambda), welche die Grundlage der Harmonie des Weltalls darstellen und sowohl die Baukunst wie auch die Musik maßgeblich bestimmen3.

☞ Kap. I, Abschn. 3.2 Einfluss des Entwurfs auf die Konstruktion, S. 13

1.2

Ordnung nach funktionalen Gesichtspunkten

☞ Kap. V-I Spektrum

22

II Struktur

☞ Abschn. 2.2 Gliederung nach funktionalen Gesichtspunkten > 2.2.1 nach Hauptfunktionen, S. 24

1.3

Ordnung nach konstruktiven Gesichtspunkten ☞ Kap. I, Abschn. 1. Der Begriff der Konstruktion, S. 2

☞ Kap. II-2, Abschn. 4.2 Einsatz neuer digitaler Planungs- und digital gesteuerter Fertigungstechniken im Bauwesen, S. 45

☞ zum Begriff der ‚Überdeckung‘: Band 2, Kap. VIII-1, Abschn. 1.6.2 Die Überdeckung, S.152

raumwirksame Elemente wie Stützen, Pfeiler etc. Sie bestimmt folglich maßgeblich auch ihre räumlich-geometrischen Beziehungsmuster. Dadurch wirkt die funktionale Ordnung auf direktem Wege auch auf die konstruktive: Raumabmessungen beispielsweise setzen Randbedingungen für Deckenspannweiten, die wiederum mit geeigneten konstruktiven Mitteln zu bewältigen sind. Weitere nutzungsspezifische Anforderungen wie beispielsweise aus der Flexibilität oder der Recyclingfähigkeit beeinflussen durch Vorgaben für die Organisation, Konfiguration und Anschlussbedingungen von Bauteilen wiederum ihre konstruktive Ausbildung. Eine Ordnung nach funktionalen Gesichtspunkten muss auch ein Koordinationsmuster für das Zusammenführen vielfältiger, funktional unterschiedlich belegter Teile der Baustruktur in deren komplexem Gesamtgefüge bereitstellen. Dies beginnt bereits auf hoher Hierarchieebene bei der Definition der Beziehung zwischen den funktionalen Hauptgruppen (☞) des Tragwerks, der Hülle und des Ver- und Entsorgungssystems und setzt sich bis in tiefere Hierarchien fort, wo es gilt, funktional extrem spezialisierte Bauteile zu einem funktionierenden Bauelement zusammenzufügen. Unter dem Begriff Konstruktion versteht man – wie oben besprochen – im weitesten Sinne die technisch-materielle Ausführung eines architektonischen oder allgemein baulichen Plans oder Konzepts (☞). Aus dem Gesichtspunkt der Herstellung der Baustruktur leitet sich das Erfordernis ab, diese arbeitstechnisch sinnvoll und rationell zu ordnen, also zu organisieren und zumeist auch entsprechend in Segmente zu gliedern. Dies geschieht zum Zweck der Aufteilung in handhabbare, technisch innerhalb eines akzeptablen Kostenrahmens herstellbare, adäquat transportable Einzelteile. Diese sind dann beim endgültigen Zusammenbau bzw. bei der definitiven Fertigung gemäß einer festgelegten Ordnung zu einer Gesamtkonstruktion zusammenzufügen. Die Ordnung, nach der sich dieser Zusammenbau richtet, erleichtert die Orientierung und die Rationalisierung der Arbeitsvorgänge der Herstellung umso mehr, je einfacher und übersichtlicher sie ist. Insbesondere modulare Ordnungen, also solche, die auf der Wiederholung eines stets gleichen Grundelements basieren, sind in dieser Hinsicht außerordentlich effizient, wenngleich nicht unerlässlich. Insbesondere bei der klassischen industriellen Serienfertigung besaßen Modulordnungen eine außerordentlich große Bedeutung. Hingegen treten sie aufgrund der Flexibilität der modernen automatisierten Fertigung stärker in den Hintergrund (☞). Aber nicht nur die Herstellung einer Baustruktur setzt eine geeignete Ordnung voraus, auch statisch-konstruktive Gesichtspunkte der Lastabtragung führen zwangsläufig zu einer Segmentierung der Konstruktion in maßlich begrenzte Abschnitte und damit zu einer Ordnung aus deutlich voneinander getrennten Bausteinen. Dies leitet sich aus der mit dem Hochbau notwendigerweise verknüpften Überdeckung von Räumen ab (☞). Dabei wird Material

1. Ordnung und Gliederung

in festgelegten Dimensionen gemäß einem gewählten statischen System über eine freie Spannweite gelegt. Diese steht nicht allein in direkter Abhängigkeit von der Dimensionierung eines tragenden Querschnitts, denn sie stößt an Grenzen des Maßstabs. Oder anders formuliert: eine Konstruktion lässt sich nicht einfach endlos im Maßstab vergrößern, denn ihre Spannweite ist auch von solchen Parametern wie Werkstoff und konstruktivem Gefüge abhängig. Dies bedeutet, dass eine bestimmte Art der Überdeckung aus einem bestimmten Werkstoff in einer bestimmten Konstruktionsart in ihrer Spannweite irgendwann an eine Obergrenze stößt: dies gilt für Holzbalken in gleicher Weise wie für Hängebrücken aus Stahl, deren Spannweiten in letzter Konsequenz ihrerseits an maßliche Grenzen stoßen.4 Die Anpassung des geometrischen Ordnungsmusters, das die Spannweiten einer Konstruktion vorgibt, auf die mögliche Materialbeanspruchung ist ein fundamentales konstruktives Prinzip, das auf allen Maßstabsebenen einer Konstruktion seine Gültigkeit bewahrt (☞). Es lässt sich folgendermaßen formulieren: Geometrien, und damit Spannweiten, können derart festgelegt werden, dass sie unter einer bestimmten Lastannahme eine optimale Materialausnutzung der Konstruktion erlauben. Durchgängige Bauteilstärken oder allgemein durchgängige konstruktive Bauteilgestaltung – ein Gebot der Rationalität, der Ökonomie und der Logik des Zusammenbaus von Einzelteilen – führt unter idealen Voraussetzungen folgerichtig auch zu immer gleichen Spannweiten oder Achsmaßen. Im Umkehrschluss gilt: wechselnde Spannweiten oder Achsmaße führen zwangsläufig entweder zu wechselnden Bauteilstärken bzw. sich verändernder Bauteilausbildung, oder alternativ – bei gleichbleibenden Bauteildimensionen – zu einer zumindest teilweisen Überdimensionierung bei den kürzeren Spannweiten und damit zu schlechter Materialausnutzung. Dieser Grundsatz gilt wie angedeutet auf allen Hierarchieebenen: sowohl für die Ausbildung einer Deckenkonstruktion wie auch beispielsweise für die Beplankung eines Rippenelements mit Plattenmaterial. Diese elementare Überlegung ist zweifellos eine vordergründig technisch-ökonomische Ursache des auch formalästhetisch außerordentlich bedeutsamen additiven Ordnungsprinzips aus immer gleichen geometrischen Grundmoduln. Ferner weist dieses modulare, additive Organisationsprinzip bei Gebäuden auch funktionale Vorteile, beispielsweise der leichteren Orientierung und Erfassung von Raumarrangements und -bezügen, auf.

23

☞ Band 2, Kap. VIII-1, Abschn. 1.6 Die Elemente der baulichen Zelle, S. 144

24

II Struktur

2.

Gliederung einer Baustruktur

Die bislang zu Ordnungen angestellten Überlegungen formulieren zwar Kriterien, nach denen eine Baustruktur zu organisieren ist, sagen indessen zunächst nichts darüber aus, ob und ggf. wie eine Baustruktur materiell in einzelne Teile zu untergliedern ist. Ordnungsprinzipien sind grundsätzlich auch für Bauwerke aus einem einzigen Guss gültig. Dennoch trifft der Grundsatz zu, dass die überwiegende Mehrzahl der heute errichteten Baustrukturen in der Tat aus einem vergleichsweise komplexen Gefüge aus Einzelteilen bestehen. Hierfür können Ursachen aufgeführt werden, die in Bezug auf die drei Grundkategorien des Bauens, nämlich Form, Funktion und Konstruktion, näher beleuchtet werden sollten:

2.1

Gliederung nach formalen Gesichtspunkten

Aus der Sicht der Form lassen sich zwar keine allgemeingültigen Kriterien ableiten, die eine Untergliederung einer Baustruktur voraussetzen. Es sind im Laufe der Architekturgeschichte Tendenzen feststellbar, die das Bauwerk als ein bruch- und fugenloses Kontinuum, gleichsam als formales Fluidum auffassen. Das Bauwerk aus einem einzigen Material kann als eine archaische formalästhetische Sehnsucht verstanden werden, die diesem Gestaltungsgrundsatz folgt. Andererseits existieren auch solche Strömungen, welche die Thematik des Gefüges aus konträren Teilen bewusst ausspielen und formalästhetisches Potential aus komplexen Kontrasten und Gegenüberstellungen beziehen.

2.2

Gliederung nach funktionalen Gesichtspunkten

Aus einer funktionalen Perspektive sind zunächst verschiedene Funktionshierarchien zu unterscheiden: • auf übergeordneter Ebene die Zweckbestimmung des Gesamtgebäudes: man bezeichnet sie als Gebäudenutzung (also Wohnen, Verwaltung, industrielle Fertigung etc.) Diese hat zuvorderst planerische Auswirkungen und steht hier nicht im Betrachtungsfeld.

☞ Kap V-1, Abschn. 1.3 Bauliche Hauptfunktionen, S. 342

• ferner die Hauptfunktionen der Baustruktur (Tragen, Einhüllen, Ver- und Entsorgen) ( ☞) sowie

☞ Kap. V-2 bis V-6

• bauliche Einzelfunktionen der Baustruktur, die den Hauptfunktionen untergeordnet sind und einen maßgeblichen Einfluss auf die konstruktive Ausbildung ausüben ( ☞) Die beiden letzten Hierarchiestufen sollen im Folgenden wegen ihrer konstruktiven Relevanz etwas näher betrachtet werden:

2.2.1 nach Hauptfunktionen

Die Differenzierung der Hauptfunktionen führt zu einer Untergliederung der Baustruktur in funktionale Hauptgruppen: insgesamt drei verschiedene Teil- oder Subsysteme: • Primärsystem: das Tragwerk

1. Ordnung und Gliederung

25

• Sekundärsystem: die Hülle, der Raum bildende Ausbau • Tertiärsystem: das Ver- und Entsorgungssystem oder die technische Gebäudeausrüstung. Die Trennung der Subsysteme stellt eine grundlegende Voraussetzung für das industrielle Bauen dar. Moderne Baustrukturen, insbesondere komplexere, kennzeichnen sich in der Regel durch eine meist strikt eingehaltene Differenzierung der Bestandteile, die auch mit einer deutlichen Spezialisierung und Aufgabenteilung der Einzelglieder einhergeht. Dies gilt auf der Hierarchieebene der Subsysteme wie auch auf derjenigen der baulichen Einzelfunktionen (siehe unten). Einfache Gebäudetypen charakterisieren sich durch Zuweisung der drei Hauptfunktionen Tragen, Einhüllen, Ver- und Entsorgen an ein weitgehend undifferenziertes Bauelement (siehe Hütte  2). Beim gezeigten Beispiel übernimmt die Lehmschale gleichzeitig die Tragfunktion (Ableiten von Lasten), die Hüllfunktion (Dichten gegen Wasser, Wind, Dämmen gegen Kälte) sowie auch die Ver- und Entsorgung (Entrauchung der Feuertstelle infolge der Kaminwirkung im Innenraum). Moderne industrialisierte Bauweisen ( 3) sind hingegen durch eine strikte Trennung der Teilsysteme und damit durch eine sehr differenzierte Funktionszuweisung an klar voneinander getrennte Bauelemente gekennzeichnet. Das gezeigte Beispiel veranschaulicht die Trennung von Tragwerk (Fachwerküberbau), Hülle (eingestellte Box) sowie Gebäudetechnik (geführt in den Zwischenräumen des Tragwerks).

2 Einfaches Bauwerk ohne Differenzierung der funktionalen Teilsysteme 3 Industriell hergestelltes Bauwerk mit deutlicher Differenzierung der funktionalen Teilsysteme

Auch die Subsysteme selbst – hier insbesondere das Hüllsystem – zeigen eine klare Tendenz zur funktionalen Differenzierung gemäß Einzel- oder Teilfunktionen, wie beispielsweise Ableiten von Kräften, Dichten gegen Wasser und Wind, Dämmen von Wärme und Schall, etc ( ☞). Diese funktionale Differenzierung auf Bauteilebene kann zu einer

2.2.2 nach baulicher Einzelfunktion

☞ Kap. V-1 Spektrum, S. 340

26

II Struktur

• Differenzierung von Bauteilen oder Bauteilbereichen gegeneinander führen, wie beispielsweise zwischen einer opaken Wand – mit den zugehörigen Schutzfunktionen gegen Regen, Wind, Wärme/Kälte, etc. – und einem Fenster – mit zusätzlichen Aufgaben der Belichtung und der Lüftung –, • sowie auch zu einer internen oder strukturellen Aufgliederung eines Bauteils, wie beispielsweise zur Unterteilung eines Hüllbauteils in funktional unterschiedlich belegte Schichten oder Schalen. Deutlich erkennbar ist dieses Prinzip an den beispielhaft unten gezeigten Außenwandkonstruktionen ( 4, 5). Gegenüber der vergleichsweise einfachen einschaligen Wandkonstruktion links, die als eine moderne Variante der traditionellen einschaligen Mauer gelten kann, weist die rechte Außenwand verschiedene Schichten auf, die jeweils klar erkennbare Aufgaben zu erfüllen haben. Diese sind eigens für einen definierten Zweck optimiert: so beispielsweise die Wärmedämmschicht, die keinerlei Tragfunktion übernehmen kann, oder die Hintermauerung, die Lasten aufzunehmen, aber keine Dämmfunktion zu erfüllen hat.

4 Einschalige Außenwand mit niedrigem funktionalen Spezialisierungsgrad der konstruktiven Bestandteile 5 Mehrschalige und -schichtige Außenwand mit hohem funktionalen Spezialisierungsgrad der konstruktiven Bestandteile

2.2.3 nach Grad und Qualität der Anforderung ☞ Kap. V-1, Abschn. 4. Die elementaren Teilfunktionen von Hüllbauteilen im Gebäudezusammenhang, S.350

Innerhalb einer gleichartigen Teilfunktion können sich ebenfalls Ausdifferenzierungen ergeben hinsichtlich des Grads der Anforderung. Das Kapitel V-1 ( ☞) beschreibt unterschiedliche Anforderungsgrade an Bauteile je nach ihren spezifischen Voraussetzungen, also beispielsweise je nach ihrer Lage an der Gebäudehülle – dies kann Auswirkungen auf die Schutzfunktionen gegen Niederschlag, Wind etc. haben – oder auch je nach ihrer statischen Beanspruchung innerhalb des Gesamttragwerks (Teilfunktion Kraft leiten). Die Unterschiede können in diesem Fall innerhalb der gleichen Teilfunktion sowohl graduell sein, wie zwischen einer senkrechten Wand und einem geneigten oder flachen Dach: Bauteile, die aus ebendiesem Grunde traditionellerweise konstruktiv voneinander differenziert wurden: verschiedenen Witterungsbeanspruchungen aus unterschiedlichen Lagen in einer Gebäudehülle – hier horizontal

1. Ordnung und Gliederung

und vertikal oder schräg geneigt – konnte zumeist nur mit unterschiedlichen Materialien und konstruktiven Aufbauten begegnet werden. Auch eine Aufgliederung eines Tragbauteils in verschiedene Einzelteile mit unterschiedlichen, gezielt gewählten Festigkeiten, vielleicht sogar aus unterschiedlichen Werkstoffen (☞) folgt dem gleichen Prinzip funktionaler Ausdifferenzierung, diesmal bezüglich der Teilfunktion Kraft leiten ( 6). Funktionale Unterschiede innerhalb einer gleichen Teilfunktion können aber auch qualitativer Art sein, wie bei der Differenzierung zwischen einer im Wesentlichen druckbeanspruchten Wand und einer biegebeanspruchten Decke. Oft verlangen qualitativ verschiedene statische Beanspruchungen nach verschiedenen Werkstoffen, die funktional verschieden belegt und an einer Schnittstelle zusammenzufügen sind. Insbesondere dort, wo Zugspannungen in nennenswertem Umfang im Material aufzunehmen sind, scheiden die mineralischen Werkstoffe von vornherein aus. Diese sind hingegen dann gut geeignet und ökonomisch, wenn Druckspannungen zu übertragen sind. Beispiel: Wände aus Mauerwerk (Druckbeanspruchung) und Decken aus Holz (Biegebeanspruchung).

27

☞ Verbundprinzip im Abschn. 2.3.2

6 Differenzierte Zuteilung verschiedener Kraftleitungsfunktionen an unterschiedliche Einzelteile: Druckaufnahme an Beton, Zugaufnahme an Stahl (qualitative Differenzierung). Dies ist aber auch ein gutes Beispiel für eine quantitative Differenzierung, da in den Stahleinlagen ein Vielfaches der im Betonquerschnitt auftretenden Druckspannung aufgenommen wird

Zuletzt gelten in konstruktiver Hinsicht, zu der in diesem Zusammenhang auch die Herstellung des Bauwerks gezählt werden soll, die nachfolgenden Kriterien für die Unterteilung einer Baustruktur:

2.3

Bestimmte Werkstoffe oder Bauprodukte sind dimensionalen Einschränkungen unterworfen, so dass bereits aus diesem Grund größere Baustrukturen zumeist nur durch Zusammenfügen von kleineren Einzelteilen entstehen können. Holz ist beispielsweise nur in Stäben begrenzter Abmessungen erhältlich, da es maximal nur bis zur durchschnittlichen Baumstammgröße und -länge verfügbar ist. Gussstahl wird in einem spezifischen Herstellungsprozess produziert, welcher maßlichen Grenzen unterworfen ist. Ein Ziegelstein ist in seinen Abmessungen auf nur wenige, aus Einschränkungen des Tonmaterials und des Brennvorgangs maßlich begrenzte Standardformate festgelegt.

2.3.1 aus Einschränkungen des Werkstoffs

Eine wesentliche Anforderung an die Planung einer Baustruktur ist die Berücksichtigung der Möglichkeiten der zur Verfügung stehenden technischen Herstellungsverfahren bzw. der Kosten, die sich aus ihrer Anwendung ergeben können. Eine wichtige Zielsetzung aus diesen Überlegungen ist die herstellungsgerechte Gliederung einer Baustruktur. Man unterscheidet diesbezüglich drei verschiedene Bauprinzipien oder Konstruktionsweisen (✏):

2.3.2 aus dem Bauprinzip

• Integralprinzip: Herstellen einer Baustruktur oder eines besonderen Bauteils aus einem fugenlosen Materialkontinuum, also aus einem Stück und folglich einem einzigen Werkstoff. Oftmals werden dem kompletten Bauteil mehrere Funktionen zugeordnet.



Gliederung nach konstruktiven Gesichtspunkten

• Definition

✏ Diese werden in anderen Gewerbe- und Industriesparten (wie dem Maschinenbau oder der Luft- und Raumfahrttechnik) als Bauweisen bezeichnet. Wie bei vielen anderen Fachbegriffen auch, wird der Begriff Bauweise im Bauwesen hingegen mit einer anderen Bedeutung verwendet (vgl. hierzu Kap. I, Abschn. 3.1.1 Der Begriff der Bauweise, S. 11), weshalb hier stattdessen die Termini Bauprinzip oder

28

II Struktur

Konstruktionsweise 5 vorgeschlagen werden, um Missverständnisse zu vermeiden.

• integrierendes Prinzip: Herstellung einer quasi-integralen Baustruktur unter Einsatz von Ersatz-Fügetechnologien, die Verhältnisse des Materialkontinuums zwar nicht vollständig reproduzieren können, aber einige seiner wesentlichen Vorteile bewahren – insbesondere die gleichmäßige Verteilung der verbindenden Kraftwirkung und die dadurch ermöglichte Vermeidung von Spannungsspitzen und Kerbstellen. • Differenzialprinzip: die Baustruktur besteht aus einzelnen kleineren Teilen, die zumeist punktuell miteinander verbunden werden. Infolge der Verringerung des Kraft leitenden Querschnitts zwischen zwei Teilen erhöht sich die Beanspruchung an den Fügestellen bezüglich der Verhältnisse im Stoffkontinuum des Werkstücks. Es können folglich verhältnismäßig große Spannungskonzentrationen an diesen Verbindungspunkten auftreten. Da verschiedenartige Teile gefügt werden, ist das Differenzialprinzip für eine jeweils eindeutige Zuweisung einer spezifischen Funktion an ein Einzel- oder Bauteil gut geeignet. Ferner wird auch ein Verbundprinzip unterschieden (man spricht dann von dazu gehörigen Verbundbauweisen), bei dem mehrere Werkstoffe unter besonders guter Ausnutzung ihrer spezifischen Eigenschaften zu einem Bauteil gefügt werden (z. B. Stahlbeton).

7 Integralprinzip auf Bauwerksebene



• Bauprinzip und Konstruktionsarbeit

Es leuchtet ein, dass sehr sorgfältig die Hierarchieebene zu unterscheiden ist, auf welche der jeweilige Bauprinzipbegriff angewandt wird. Die Fachliteratur ist hierbei nicht eindeutig, so dass es dem Anwender des Begriffs überlassen bleibt, durch Präzisierung des Kontexts Klarheit zu schaffen: ein Bauteil kann aus einer entsprechenden Perspektive gemäß dem Integralprinzip gefertigt sein (Beispiel: I-Walzprofil aus Stahl, wobei der integrale Charakter auf das Materialkontinuum zwischen Steg und Flanschen bezogen ist), seinerseits aber anschließend nach dem Differenzialprinzip (im Stahltragwerk) mit anderen Teilen beispielsweise durch Verschraubung gefügt werden. Auf der Hierarchiestufe des Gesamtbauwerks ist das Integralprinzip in Reinform allenfalls bei monolithischen Ortbetontragwerken anzutreffen ( 7). Die bei einer bestimmten Bauaufgabe eingesetzten Bauprinzipien stehen mit der Konstruktionsarbeit, die dem Planer abverlangt wird, in einem engen Zusammenhang. Es leuchtet ein, dass bei Überwiegen des Differenzialprinzips die Aufgabe des Konstruierens von besonders großer Bedeutung ist (Beispiel: Holzbau, Stahlbau), da die Baustruktur aus Einzelteilen gefügt werden muss. Hingegen tritt diese Aufgabe bei Bauwerken, die im Wesentlichen nach dem Integralprinzip gebaut werden, eher in den Hintergrund (Beispiel: Ortbetonbau). Dennoch müssen auch dann die Geometrie, die Tragfunktion und die Herstellung vor Ort sorgfältig geplant werden, Planungsaufgaben, die zum Teil auch zur Kategorie des Konstruierens zu zählen sind. Auch das integrierende Prinzip erfordert eine

1. Ordnung und Gliederung

29

sorgfältige planende Vorbereitung der Konstruktion. Die angesprochenen Bauprinzipien sind zwar eine planerische Festlegung, stehen aber auch zumindest teilweise mit den Merkmalen der gewählten Werkstoffe im Zusammenhang, und sind somit auch vom oben angesprochenen Kriterium der werkstoffbedingten Einschränkungen abhängig ( ☞). Selbst beim Arbeiten mit dem gleichen Material stehen dennoch oft nur bestimmte Bauprinzipien zur Verfügung. Beispielsweise:



• Bauprinzip und Werkstoff

☞ Abschn. 2.3.1 aus Einschränkungen des Werkstoffs, S. 27

• Holz kann im Wesentlichen fast nur nach dem Differenzialprinzip gefügt werden (Bolzen, Nagel, Dübel). Eine Ausnahme stellt die Leimung dar, also eine Verbindung nach dem integrierenden Prinzip, die jedoch nur werkseitig herzustellen ist und eine detaillierte Planung der Leimfugen und Einzelteile voraussetzt. • Stahl wird zumeist ebenfalls differenzial gefügt (Schrauben, Niete). Die Schweißung folgt hingegen dem integrierenden Prinzip. Auch hier ist eine sorgfältige Detaillierung der Schweißverbindungen nötig. Reine Integralverfahren kommen bei der Fertigung von Stahlerzeugnissen zwar häufig zum Einsatz (Walzen, Schmieden, spanabhebend Bearbeiten), lassen jedoch nur die Herstellung von Halbzeug zu (z. B. Profilstähle, Trapezbleche), sind also für das Erstellen kompletter Baustrukturen im Allgemeinen nicht geeignet. • Mauerwerk kann als eine Variante des integrierenden Prinzips gelten. Es ist insbesondere eine modulare Planung des Mauergefüges und des Steinverbands auf der Grundlage der gewählten Maßordnung erforderlich ( ☞). Oft wird diese Planungsarbeit, das Merkmal eines sauber detaillierten Mauerwerksbaus, in der Praxis allerdings leider vernachlässigt. • Beton ist zunächst der prädestinierte Werkstoff für das reine Integralprinzip. Zumindest theoretisch lassen sich komplette Baustrukturen monolithisch gießen. Man könnte annehmen, die erforderliche Konstruktionsarbeit wäre dann verhältnismäßig begrenzt, weil Fügungen praktisch nicht nötig sind. Die Bauausführung straft diese Annahme jedoch Lügen: •• Beton benötigt eine Schalung. Diese monofunktionale, lediglich temporäre bauliche Maßnahme ist zwar nicht so hohen Anforderungen ausgesetzt wie eine permanente Baustruktur, ist aber dennoch mit entsprechender Planungs- und Konstruktionsarbeit verbunden. Sie wird meistens vom ausführenden Unternehmen geleistet. •• Beton kann nur in maßlich und zeitlich begrenzten Betonierabschnitten gegossen werden. Dies führt zu einem System von Arbeitsfugen, die nach baubetrieblichen Kriterien und

☞ Kap. II-3, Abschn. 2.1 Das oktametrische Maßsystem , S. 53

30

II Struktur

ggf. auch nach formalästhetischen Gesichtspunkten – da diese an der Betonoberfläche erkennbar sind – geplant werden müssen. Diese Arbeitsfugen können bereits als ein Bruch des Integralprinzips gelten, da sie das Stoffgefüge des Betons trennen. Diese Tatsache bleibt konstruktiv nur deshalb folgenlos, weil der Beton funktional nur zur Druckkraftübertragung vorgesehen ist. Dies geschieht an der Arbeitsfuge durch vollflächigen Kontakt. •• Beton wird fast ausschließlich bewehrt eingesetzt. Stahlbeton kann als eine Sonderform des Integralprinzips betrachtet werden, nämlich als ein Verbundwerkstoff aus Stahl und Beton. Die sachgemäße Verlegung der Bewehrung erfordert eine sorgfältige und qualifizierte Planungsarbeit, insbesondere dort, wo beengte Platzverhältnisse herrschen und hohe Bewehrungskonzentrationen anfallen (z. B. Knotenpunkte, Rahmenecken). Diese planerische Tätigkeit stellt durchaus eine Form der Konstruktionsarbeit dar. Verbindungen zwischen verschiedenen Werkstoffen sind nach dem Integralprinzip nicht zu realisieren und erfordern jedefalls eine detaillierte und sorgfältige vorbereitende Konstruktionsarbeit. 2.3.3 aus der industriellen Herstellung ☞ II-2 Industrielles Bauen, S. 42

2.3.4 aus der Organisation des Bauvorgangs

Die industrielle Herstellung beruht wesentlich auf einer Trennung zwischen Baustelle und Fertigungsstätte ( ☞). Die logistischen Erfordernisse sowie die maximalen Transportmaße von vorgefertigten Bauteilen zwingen dazu, eine Baustruktur in Teile bis zu einer maximalen Abmessung zu untergliedern. Die industriellen Fertigungsmethoden ihrerseits sind zwar nicht allein verantwortlich für die starke Differenzierung in weitgehend monofunktionale und hoch spezialisierte Einzelteile wie im Abschnitt 2.2 angesprochen, begünstigen diese aber deutlich durch den hohen Grad an Arbeitsteilung bei der Fertigung. Der heute herrschende hohe Anforderungsstandard wäre ohne die Entwicklung industrieller Herstellungsmethoden nicht denkbar. In dieser Hinsicht sind funktionale Aspekte wie unter 2.2 diskutiert eng mit herstellungstechnischen verwoben. Eine stark spezialisierte industriell geprägte Baustruktur setzt einen entsprechend komplex organisierten und strukturierten Bauvorgang voraus. Dies soll nachfolgend diskutiert werden: Moderne Bauvorhaben sind durch eine Differenzierung des Bauvorgangs in vielfältige Gewerke gekennzeichnet, für die verschiedene Hersteller verantwortlich zeichnen. Bereits diese bauorganisatorische Gegebenheit zwingt in der Regel zu einer Segmentierung der Baustruktur. Die Gliederung in Einzelgewerke ergibt sich aus der überlieferten Organisationsform des Baugewerbes in einzelnen Handwerkssparten, denen bestimmte Gewerke zugeordnet sind. Trotz stark industriell geprägter Züge hat die moderne Bauwirtschaft dieses Organisationsmuster bis heute

1. Ordnung und Gliederung

31

beibehalten. Auch wenn die Gewerkegliederung nicht immer mit der Aufteilung der Bauleistungen nach Einzelfirmen übereinstimmt, ist sie dennoch auch heute gültig und brauchbar. Bei der Organisation des Bauablaufs spielen die damit verbundenen haftungsrechtlichen Verhältnisse eine bedeutende Rolle. Dies betrifft grundsätzlich zunächst die vertragliche Bindung zwischen Bauherrn und ausführenden Firmen (geregelt in der VOB) sowie die Bauleitung. Bereits aus diesem Grund ist es notwendig zu verhindern, daß Verantwortlichkeiten hin- und hergeschoben werden. Die Voraussetzung dafür ist, daß Bau- und Konstruktionsplanung eine geeignete Grundlage für die deutliche Trennung von Leistungen und Verantwortlichkeiten schafft. Dies heißt insbesondere, daß Bauleistungen eines Herstellers und die durch diese hergestellten Bauteile auch konstruktiv von denen anderer zu trennen sind. Man spricht von der Trennung der Gewerke bei der Konstruktionsplanung. Neben haftungsrechtlichen Zwecken soll diese Maßnahme auch dazu dienen, Toleranzen zwischen verschiedenen Gewerken oder sogar zwischen Bauweisen (Trocken-, Nassbauweisen) aufzunehmen (☞). Oft sind die Größenordnungen der Maßabweichungen bei verschiedenen Gewerken sehr unterschiedlich. Auch aus diesem Grund ist eine deutliche konstruktive Trennung der Gewerke erforderlich.



Was aus den genannten Gründen für die Gewerke gilt, ist auch auf die funktionalen Hauptgruppen, also auf die Subsysteme, anzuwenden. Dies wurde bereits im Abschnitt 2.2.1 angesprochen.



• Trennung der Subsysteme

Wenn wir die bisher diskutierten Gliederungsformen einer Baustruktur als Beispiele für eine horizontale Gliederung betrachten, ist eine Klassifikation der Teile einer Baustruktur hinsichtlich ihrer konstruktiven Komplexität als eine vertikale zu interpretieren. Folgende Elemente können mit steigendem konstruktiven Komplexitätsgrad unterschieden werden:

2.4

Klassifizierung von Bauteilen nach ihrer konstruktiven Komplexität

• Rohstoff • Bauhalbzeug • Einzelteil • Teilegruppe • Bauteil • Bau(teile)gruppe • Teil- oder Substruktur

• Trennung der Gewerke

☞ siehe Näheres hierzu in Kap. II-3, Abschn. 4. Maßtoleranzen - maßliche Koordination an Bauteilstößen, S. 68

32

II Struktur

Allgemeine Darstellung der Konstruktionsteilhierarchie und ihre fertigungstechnische Einordnung

Darstellung der Konstruktionsteilhierarchie und ihre fertigungstechnische Einordnung am Beispiel einer Stahlkonstruktion

Konstruktionsteil

Fertigungsvorgang

Fertigungsvorgang Werkstoff

Urformen (Strangpressen, Gießen ...) Umformen (Walzen, Abkanten, Ziehen ...) Fügen (Schweißen, Kleben ...)

Halbzeug - Halbfabrikat Trennen (Brennschneiden, Sägen, Stanzen, Bohren, Hobeln ...) Umformen (Abkanten, Biegen, Ziehen ...)

Einzelteil Fügen (Schweißen, Kleben, Nieten, Nageln, Schrauben, Klemmen...)

Teilegruppe Fügen (Schweißen, Kleben, Nieten, Nageln, Schrauben, Klemmen...)

Bauteil Fügen (Schweißen, Kleben, Nieten, Nageln, Schrauben, Klemmen...)

Baugruppe Fügen (Schweißen, Kleben, Nieten, Nageln, Schrauben, Klemmen...)

Substruktur Fügen (Schweißen, Kleben, Nieten, Nageln, Schrauben, Klemmen...)

Hauptstruktur - Teilsystem Fügen (Schweißen, Kleben, Nieten, Nageln, Schrauben, Klemmen...)

Stahlbramme

Walzen

Blechtafel Brennschneiden von Grundform und Sweißschrägen, Bohren

Auflagerplatte Verschweißen mit zwei weiteren Einzelteilen (Knotenbleche)

Auflagerkonsole Verschweißen mit zwei weiteren Einzelteilen (Knotenbleche)

Stütze Verschweißen bzw. Verschrauben von Einzelteilen und Teilegruppen zum kompletten Bauteil

Rahmen Verschrauben mit weiteren Einzelteilen, Teilegruppen, Bauteilen und Baugruppen

Stahlskelett Verschrauben mit weiteren Substrukturen zur kompletten Tragstruktur

Tragstruktur Montieren der Sekundär- und Tertiärsystems (Hülle, Ver- und Entsorgung)

Gebäude

8 Hierarchie der Konstruktionsteile nach Weller6

Konstruktionsteil

1. Ordnung und Gliederung

33

9 Urformen einer Stahlbramme im Stahlwerk.

10 Auswalzen des Stahls zu dünnem Blech im Warmwalzprozess.

11 Lagerung der Bleche in Form von Coils.

12 Umformen der Bleche zu Trapezblech durch einen Kaltwalzprozess (Rollen).

13 Trapezblech als halbfertiges Produkt (Halbzeug).

14 Für die Weiterverarbeitung gelagerte Trapezbleche.

15 Das mit Bohrungen und Anschlußteilen versehene Trapezblech bei der Montage (Einzelteil/Teilegruppe)

16 Das Trapezblech als Bestandteil der fertigen Fassade (Bauteil).

17 Die Gebäudehülle (Subsystem)

34

II Struktur

• Teil- oder Subsystem (gleich Hauptstruktur) • Gebäude Traditionellerweise oblag der Zusammenbau von Bauelementen zu komplexeren Baustrukturen und letztlich zum fertigen Bauwerk einer einzigen Hand. Dies erfolgte auf den Einzelfall maßgeschneidert oder projektspezifisch. Mit zunehmender Industrialisierung der Bauwirtschaft wurden immer komplexere Bauelemente projektunspezifisch auf Vorrat vorgefertigt und vom Hersteller für verschiedene Bauvorhaben angeboten. Ab der Ebene des Bauhalbzeugs, das grundsätzlich projektunspezifisch ist, tritt in der Regel eine auf das Einzelprojekt zugeschnittene Weiterverarbeitung bzw. ein Zusammenbau der Teile ein. Es gibt aber auch komplexere, in sich abgeschlossene und als Fertigprodukt einzubauende Baukomponenten (z. B. Fenster, Tür), die ebenfalls projektunspezifisch sind. Auf noch höherer Komplexitätsstufe sind fertige Bausysteme oder Baukastensysteme zu nennen, die für mehr als eine Einsatzsituation konzipiert sind. Die Hierarchie nach funktionaler und organisatorischer Komplexität ist eng mit dem Herstellungs- und Umformprozess des Bauelements verbunden. In  8 ist dies exemplarisch anhand einer Stahlkonstruktion sowie der Blechverkleidung einer Gebäudefassade dargestellt.



Anmerkungen

1 2

3 4

5 6

Siehe Vitruv: De architectura libri decem, Buch I, Kap. III, 2. Zur vergleichenden Betrachtung von Architektur und Musik siehe beispielsweise in Wittkower (1983): 4. Musikalische Harmonien und die bildenden Künste, S. 95; oder 6. Die Proportionen bei Palladio und die Entwicklung der Musiktheorie im 16. Jahrhundert, S. 107 Wittkower (1983), S. 85 und  107 Die größte Spannweite von Hängebrücken liegt derzeit bei 1991 m, realisiert an der Akashi Kaikyo -Brücke zwischen Kobe und Awaji (Japan). vgl. hierzu auch Pahl (1997), S. 38 sowie VDI-Richtlinie 2223 Methodisches Entwerfen technischer Produkte, 5.5 Aus Weller (1985), S. 84. Abweichend von dieser Quelle wird der Begriff Teil- oder Subsystem nur auf der Ebene des Tragwerks, der Hülle oder der Ver- und Entsorgungstechnik angewendet, derjenige der Teil- oder Substruktur auf der Ebene des Stahlskeletts, Betondecke, Fundierung etc. Die Hauptstruktur ist entsprechend in unserer Begriffsbestimmung gleichzusetzen mit dem Teilsystem.

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR

1. Technisch-kulturelle Entwicklungsstufen 2. Handwerkliche Produktion 3. Industrielle Produktion 3.1 Industrielle Revolution 3.2 Merkmale industrieller Produktion 4. Industrielles Bauen 4.1 Grundsätze industriellen Bauens 4.2 Einsatz neuer digitaler Planungs- und digital gesteuerter Fertigungstechniken im Bauwesen 4.3 Transport 4.4 Montage 5. Die Montagefuge im industriellen Bauen Anmerkungen

II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

36

1.

II Struktur

Technisch-kulturelle Entwicklungsstufen

Bautätigkeit steht naturgemäß in engem Zusammenhang mit den technischen Möglichkeiten und dem kulturellen Entwicklungsstand der Epoche, in der sie erfolgt. Die wichtigsten Meilensteine in der Entwicklung der menschlichen Kultur, die auch einem bestimmten Stand der Bautätigkeit oder Bauwirtschaft entsprechen, können wie folgt definiert werden:1 • Urzeit: Ernährung durch Jagen und Sammeln. Nomadentum, Familienwirtschaft, Fertigung für den Eigenbedarf. • Landwirtschaft: Übergang vom Nomadentum zur Sesshaftigkeit. Entstehung des gewerblichen Handwerks. • 1. Industrielle Revolution um 1800 Erfindung der Kraftmaschine (Dampfmaschine), Mechanisierung der Produktion • 2. Industrielle Revolution: Erfindung der Computertechnik (1950) • 3. Industriell-wissenschaftliche Revolution: Informationstechnologie, Automatisierung der Produktion, Kybernetik, Biotechnik, Gentechnologie Die Entwicklungsstufen sind in der Regel bestimmten Technologien zugeordnet, die zur jeweiligen Zeit verfügbar waren und auf der bevorzugten Verwendung spezifischer Materialien basieren ( 1). Die Lebenszeit einer bestimmten Technologie ist begrenzt, ihre Entwicklung kann durch die sogenannte S-Kurve ( 2) charakterisiert werden. 2 Nach der Einführung und dem vergleichsweise schleppenden Start einer Technik ist eine sprunghafte Entwicklung festzustellen, die zu gegebener Zeit zu einer Sättigung und zu einem Stillstand kommt. Noch vor Erreichen dieses Sättigungspunkts erfolgt ein Ausweichen auf eine neu aufkommende Ersatztechnologie.

2.

Handwerkliche Produktion

Das Handwerk geht in allen Kulturen aus der geschlossenen Hauswirtschaft hervor. Erst wenn über den Familienbedarf hinaus Güter mit dem Ziel des Erwerbs und Gewinns hergestellt werden, kann man von einem selbstständigen, für einen Markt produzierenden Handwerk sprechen.4 Die handwerkliche Produktion stellt gegenüber älteren Organisationsformen der produzierenden Tätigkeiten eine Entwicklungsstufe dar, bei der bestimmte Spezialisierungen erkennbar sind (wie beispielsweise Berufe) und ein gewisser Grad an Arbeitsteilung verwirklicht wird. Sie ist gekennzeichnet durch: • die Entwicklung entsprechender Bearbeitungswerkzeuge (insbesondere in der Metalltechnik) • Spezifische Organisationsformen (wie die Zünfte, Innungen,

2. Industrielles Bauen

37

Relative Bedeutung Gold

Kupfer Bronze Eisen

Metalle Gusseisen Stahl

Holz Häute Fasern

legierter Stahl Klebstoffe

Polymere Elastomere

Leichte Legierungen Gummi Stroh

Stein

Hochleistungs-Legierungen

Papier

Ziegel

Feuerstein

Bakelit

Töpferkeramik Glas

Nylon

0

1000

1500

PMMA PC

Portlandzement 5000 v. Chr.

Hitzefeste Polymere Hochfeste Polymere

Polyester

Zement Klinker

10000 v. Chr.

Titan Zirkonium Legierungen etc.

1800

Quarzglas 1900

PS

Metallkeramik 1940

Epoxidharze Acrylate PP CFRP GFRP

Keramische VerbundMetall-Matrix- werkstoffe Verbundwerkstoffe

Keramik Glas

Hochfeste technische Keramik (Al2O3, Si3N4, PSZ, etc.)

Feuerfeste keramik

1960

AFRP

Verbundwerkstoffe

1980

1990

2000

2010

2020

Jahr

Entwicklung Verbreitung Konsolidierung VorgängerTechnologie

NachfolgeTechnologie

Niedergang

1 Anteile verschiedener Werkstoffkategorien am gesamten Werkstoffverbrauch während verschiedener technischer Entwicklungsstufen der Menschheit. 3

2 S-Kurve nach Ashby.

3 Schiffszimmermann (15. Jh.). 4 Heutiger Wanderziegler. Handwerkliche Ziegelfertigung nach überlieferter Technik.

38

II Struktur

Handwerkskammern), die Fertigungs- und Qualitätsstandards vorgeben und die Ausbildung der Handwerker regeln (Gesellen-, Meisterprüfungen). • einen gewissen Vorfertigungs- und Rationalisierungsgrad sowie erste Ansätze zur Einführung einer Modularität und Normung. Im handwerklich geprägten Bauen ist trotz der Existenz hochqualifiziert ausgebildeter Handwerker die Spezialisierung und Differenzierung der Bautätigkeit noch nicht so weit fortgeschritten, dass Bauarbeiten nicht auch von halbausgebildeten Laien verrichtet werden könnten ( 3, 4). Die Grenze zwischen handwerklichem und industriellem Bauen ist schwer zu ziehen; die Überänge sind eher graduell. Schon sehr früh sind Ansätze einer Vorfertigung sowie einer Modularisierung erkennbar ( 5, 6).

5 Der mittelalterliche gotische Kathedralenbau wies ebenfalls deutliche Züge einer Rationalisierung und Vorfertigung auf. Ausgeklügelte Fugenschnitte erlaubten, den Abfall beim Steinbehau auf ein Minimum zu reduzieren.7 Beim mittelalterlichen Kirchenbau ist auch ein ausgeprägter modularer Aufbau erkennbar. 6 (rechts) Mithilfe ausgeklügelter Steinschnitte suchte man beim mittelalterlichen Kirchenbau den Steinverbrauch zu minimieren. Alternative Ausbildungen einer Steinsäule.

☞ Band 3, Kap. XI-1, Abschn. 3.3.10 Prinzip der Kraftübertragung an der Berührfläche

Bereits der griechische Tempelbau zeigt als eine besondere Facette seiner strengen geometrischen Ordnung unverkennbare Anzeichen einer Rationalisierung des Herstellungs- und Bauprozesses. Die Steinarbeiten wurden zu einem großen Teil in Werkstätten verrichtet, die Endbearbeitung erfolgte vor Ort. Der modulare Aufbau des griechischen Tempelbaus nimmt spätere industriell geprägte Gebäudekonzepte vorweg ( 7).5 Bauprodukte (insbesondere Ziegelerzeugnisse) wurden im römischen Reich nach streng eingehaltenen Standards gefertigt, so dass in der gesamten damals bekannten Welt einheitliche Maß- und Baunormen galten. Es wurden stark durchrationalisierte Baumethoden eingesetzt, die sich insbesondere die Vorteile des opus caementitium zunutze machten ( 8, 9).6 Spezifische Baumethoden und Bauformen zogen einen hohen Anteil an Handarbeit nach sich: Stein- und Ziegelbau waren stets mit hohem Arbeitsaufkommen auf der Baustelle verbunden ( 10- 12). Der Ziegelbau entzieht sich heute noch einer durchgängigen industriellen Rationalisierung. Aus heutiger Sicht gilt auch der traditionelle ZimmermannsHolzbau als gutes Beispiel für eine ausgeprägt handwerkliche Art des Umgangs mit dem Holz. Die mit hohem Anteil an Handarbeit gefertigten, teilweise passgenau zu verarbeitenden formschlüssigen Verbindungen sind charakteristisch für die handwerkliche Arbeitsweise (☞).

2. Industrielles Bauen

39

7 Der griechische Tempel ist einer strengen Modulordnung unterworfen, welche die (zumindest teilweise) Vorfertigung begünstigte.

9 Standardisierte römische Ziegelprodukte.

8 Erkennungsstempel einer römischen Legion auf einem Ziegel.

10 Römische Legionäre hatten neben dem Kriegshandwerk auch Bauarbeiten zu verrichten.

11 Darstellung einer Werkstatt eines römischen Schmiedes und Schlossers - typische Baunebenberufe, die heute noch ähnliche Werkzeuge benützen wie zu römischen Zeiten.

12 Mönche beim Verrichten handwerklicher Arbeit.

40

II Struktur

3.

Industrielle Produktion

3.1

Industrielle Revolution

13 Dampfbetriebene Schmiedepresse

3.2

Merkmale industrieller Produktion

Die Verfügbarkeit von motorgetriebenen Kraftmaschinen zur Werkstoffbearbeitung sowie die Entwicklung neuer leistungsfähiger Materialien – wie Stahl und Beton – führte im 18. Jh. zu einer enormen Steigerung der Produktivität und zu einer Revolutionierung der betrieblichen Organisationsformen ( 13, 14). Bereits früh setzte die Tendenz zu einer zunehmenden Verlagerung der Herstellungsprozesse in das stationäre Werk ein (Vorfertigung). Die Auswirkungen auf das Bauen waren groß: es entstanden nicht nur neue Baumethoden, sondern auch neue Materialien wie der Stahl, der Beton und der Stahlbeton. Mit dem Stahl, der sich aus dem Eisen entwickelte, stand im Bauwesen zum erstenmal in der Geschichte ein extrem zugfester Baustoff zur Verfügung. Erst von diesem Zeitpunkt an konnte das Potenzial zugbeanspruchter Konstruktionen im Bauwesen aktiviert und genutzt werden. Ferner waren die sozialen Auswirkungen verheerend: Sie äußerten sich in gewaltigen Migrationsströmen zu den Großstädten und in einer deutlichen Degradierung der Lebensumstände der Arbeiter in den Ballungsräumen. Es entstanden völlig neuartige Probleme, auf die auch mit neuen Bauformen reagiert werden musste. Auch über diesen Weg wirkte die Industrielle Revolution auf das Bauen. Als erstes Bauwerk, das strikt nach industriellen Maßstäben geplant und gebaut wurde, gilt der Kristallpalast der Londoner Weltausstellung von 1851 ( 15-20). Er war seiner Zeit in dieser Hinsicht weit voraus. Sein Erbauer, Joseph Paxton, hatte als Gärtner Erfahrungen beim Bau von Gewächshäusern gesammelt. Beim Errichten des (auch nach heutigen Maßstäben) reinen Montagebaus aus Eisen und Glas wurden modernste Methoden der Baurationalisierung eingesetzt. Wegen der äußerst kurzen Bauzeit und den extrem niedrigen Baukosten konnte sich das Projekt gegenüber den konkurrierenden herkömmlichen Entwürfen durchsetzen. Im Einzelnen können die charakteristischen Merkmale wie folgt beschrieben werden: • zunehmende Arbeitsteilung und Spezialisierung • neue kapitalintensive Techniken • Massenproduktion • Rationalisierung (zunächst Mechanisierung, heute Automatisierung) • Anwendung neuer Energiequellen (Kohle, Erdöl, Elektrizität). Auch vergangene Entwicklungsphasen waren mit spezifischen Energieträgern verbunden. • neue Unternehmensformen (Kapitalgesellschaften) und -zusammenschlüsse (Kartelle, Konzentration)

14 Frühe Dampfmaschine

2. Industrielles Bauen

41

15 Der Kristallpalast in einer zeitgenössischen Darstellung.

16 Zeitgenössisches Foto des fertigen Bauwerks.

20 Montage der Fertigelemente beim Bau des Kristallpalasts.

17 Aufnahme des Bauzustands.

19 Tragwerkselemente des Kristallpalasts.

18 Einbau der Verglasung mithilfe eines Montagewagens.

42

II Struktur

Die Befriedigung der heute allgemein als Standard geltenden Bedürfnisse der breiten Bevölkerung ist nur durch den Einsatz großtechnischer industrieller Produktionsverfahren möglich (Massenwohlstand, Konsum- und Leistungsgesellschaft). Die Entstehung industrieller Produktionsverfahren hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die natürliche Umwelt, die Sozialstrukturen, Arbeits- und Lebensbedingungen, Normen- und Wertesysteme der Gesellschaft ausgeübt. 4.

Industrielles Bauen

Industrielles Bauen lässt sich definieren als ein Bauen (also Fertigung + Transport + Montage) nach einer gemeinsamen industriellen Methodik, die sich kennzeichnet durch Arbeitsteilung, Spezialisierung, Mechanisierung und Rationalisierung der Produktion. Kennzeichnend ist die Anwendung industrieller Arbeitsmethoden, Verfahren und Organisationsformen nicht nur auf Herstellung, sondern in gleicher Weise auf Planung und Entwicklung des Produkts. Sie findet also Anwendung auf folgende Bereiche der Bautätigkeit:10 • Planung von Gebäuden • Entwicklung, Erprobung, Anwendung von Baukomponenten und Bausystemen • Fertigung, Transport und Montage von Baukomponenten, Bausystemen, Gebäuden • Nutzung und Betrieb von Gebäuden • Reparatur, Instandhaltung, Umnutzung von Gebäuden • Abbruch, Rückführung und Wiederverwendung von Baustoffen, Bauteilen, Gebäuden. Industrielle Herstellung unterscheidet sich insbesondere von der handwerklichen durch die stärkere Trennung von Leitung und Produktion, größere Betriebsstätten, den höheren Aufwand in Form von Anfangsinvestitionen sowie die stärkere Spezialisierung und Differenzierung der Produktionsprozesse.

4.1

Grundsätze industriellen Bauens

Ein fundamentales Prinzip des industriellen Bauens wie auch anderer Industriesparten ist die Senkung der Lohnkosten durch erhöhte Produktivität. Dies geschieht nach den klassischen Leitlinien der Industrieproduktion durch Serienfertigung immer gleicher Teile in hohen Stückzahlen gegenüber Einzelanfertigung individueller Produkte bei handwerklicher Herstellung ( 21-24). Ein Hauptziel der klassischen industriellen Produktion ist demnach das kostengünstige Fertigen bei Serien, die • einerseits groß genug sind, um rentabel zu sein,

2. Industrielles Bauen

43

100 % 90

Arbeitsaufwand En bzw. Dn pro Element

80 70 60

Durchschnittswerte Dn

50 40

Einzelwerte En 30 20 10 0 1

3

2

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Zahl n der produzierten Elemente

21 Qualitative Lernkurven bei handwerklicher Produktion.8

200

Gesamtkosten 100 %

handwerkliche Produktion

100

Stückkosten in %

automatisierte Produktion

Stückkosten

mechanisierte Produktion

Gemeinkosten

10 %

Lohnkosten

69 %

Materialkosten 21 % 10

100 Stück

0 10

100

1000

10 000

100 000

Stückzahl

Gesamtkosten

70 %

Gemeinkosten

21 %

Lohnkosten

32 %

Stückkosten

22 Abnahme der Stückkosten bei zunehmenden Stückzahlen in verschiedenen Produktionsarten in schematischer Darstellung.9

240 220

Materialkosten 17 %

Vollmechanische Stahlschalung

200

100

Stahlschalung mit Schalungswagen

180

1000 Stück

Stahlschalung mit Grundplatte aus Stahl oder Beton

160

Batterieschalung aus Stahl

140

Holzschalung

Gesamtkosten

120

30 %

100

Gemeinkosten 12 % Lohnkosten 4% Materialkosten 14 %

Stückkosten

DM/Element

80 60 40 20 0 1

5

10

50

100

500

1000

100

1000

10 000 Stück

Seriengröße

23 Einfluss der Seriengröße auf den Schalungskostenanteil bei verschiedenartigen Schalungen für Betonfertigteile.11

24 Stückkosten und Kostenanteile bei verschiedenen Seriengrößen.12

44

II Struktur

• andererseits klein genug, um das nötige Maß an Varianz zu erlauben, da ja nur diese die wünschenswerte Vielfalt und Anpassungsfähigkeit der Produkte an wechselnde Anwendungen garantiert. Dieser Gesichtspunkt ist insbesondere in der Bauindustrie von Bedeutung, da trotz intensiver Bemühungen der Rationalisierung – insbesondere während der 1960er und 70er Jahre – Bauwerke heute nach wie vor als Prototypen entstehen, die für die jeweilige Planungssituation gleichsam maßgeschneidert werden. Ein wichtiger Grund für diese aus der industriellen Logik heraus kaum erklärbare Entwicklung ist die fehlende Anpassungsfähigkeit der klassischen Serienfertigung an die außerordentlich komplexen und vielschichtigen Anforderungen, denen Bauwerke zu begegnen haben. Während bei früheren Produktionsmethoden die Herstellung, die Bearbeitung und der Einbau von Bauteilen weitgehend am Bauplatz stattfand, ist die industrielle Herstellung gekennzeichnet durch eine klare Differenzierung zwischen 25 Typische industriell hergestellte Bauteile: Fertigteilstützen.

• Fertigung im stationären Werk, • Transport und • Montage auf der Baustelle, die sich aus der räumlichen Trennung von Werksvorfertigung und Verarbeitung vor Ort auf der Baustelle ergibt ( 25-27). Man versteht deshalb unter dem Begriff der Fertigung in diesem Zusammenhang das Vorfertigen mit industriellen Methoden. Dies hat für den Planungsprozess erhebliche Auswirkungen, da die grundlegend unterschiedlichen Randbedingungen der einzelnen Herstellungsphasen zu berücksichtigen sind.

26 Fachwerkknoten aus Stahlguss.

Aus der Strategie des Einsatzes von Hilfsmitteln und Geräten mit dem Ziel größtmöglicher Rationalisierung und Automatisierung des Herstellungsprozesses folgt der Grundsatz, keine oder nur minimale Nacharbeit auf der Baustelle zu dulden, bzw. einen größtmöglichen Anteil der Produktionsprozesse in das Werk zu verlagern, weil dort • grundsätzlich eine viel höhere Produktivität erzielt wird, • die Lohnkosten drastisch gesenkt werden können, • gleichbleibende (hohe) Qualität garantiert werden kann (spezialisierte Fertigungseinrichtungen, günstigere Arbeitsbedingungen, Witterungsunabhängigkeit),

27 Plattenbalken als Betonfertigteil.

• bzw. eine Komplexität des Produkts zur Erfüllung gesteiger-

2. Industrielles Bauen

45

ter Anforderungen erreicht werden kann, die ansonsten nicht möglich wäre. Hier spielt die Kopplung von digitalisierten Planungs- und Fertigungsmethoden (CAD/CAM) eine immer wichtigere Rolle Der fundamentale Grundsatz der industriellen Fertigung, nach dem eine möglichst große Produktionsserie die Grundlage für Produktivität darstellt, verliert an ihrer Bedeutung durch die Einführung und Weiterentwicklung von digitalen Techniken in der Planung und Herstellung von Bauprodukten und Gebäuden. Planerische Daten entstehen heute grundsätzlich digital mithilfe von CAD-Software und werden zunehmend auch auf digitalem Wege in die automatisierten Fertigungsanlagen übertragen. Diese lassen sich ohne aufwendige Umrüstungen auf wechselnde Bauteilformen, -abmessungen und -querschnitte einstellen. Dies erlaubt die Fertigung kleiner Serien bei kaum veränderten Produktionskosten, ein Phänomen, das in der klassischen Serienfertigung undenkbar war. Man spricht von der Kopplung CAD/CAM (Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing) bzw. von CNC (Computer Numerical Control) Ferner erlaubt die Möglichkeit, exakte Angaben zur Geometrie eines Bauteils aus der CAD-Software zu generieren und digital an die Fertigungsmaschine zu übertragen, auch die Herstellung von komplexen Formen, die bislang nur in aufwendiger und kostspieliger Handarbeit gefertigt werden konnten. Es sind tiefgreifende Auswirkungen auf Konzeption und Entwurf von Bauwerken zu erwarten, die zum Teil bereits an singulären ausgeführten Bauten zu beobachten sind. Geometrische Einschränkungen, die jahrhundertelang für das Bauen galten, und auch entsprechende Gebäudeformen und -konzepte hervorgebracht haben, sind dabei, ihre Gültigkeit zu verlieren.13 Besonders in mittleren und großen Unternehmen sind CAD/CAMSysteme heute ein alltägliches Mittel in Entwicklung, Konstruktion und Arbeitsvorbereitung. Sie ermöglichen eine genaue und vollständige Erfassung des Produkts, dessen Lebenszyklen durch Simulation und Berechnung bereits im Voraus geprüft werden können. Die Tendenz beim Software-Einsatz solcher CAD/CAM-Systeme geht heute in Richtung von 3D-Systemen, wobei hier mit Flächenmodellierung, Volumenmodellierung und Hybridsystemen gearbeitet wird. Das Spektrum des Einsatzes dieser CAD/CAM-Systeme ist heute sehr weit angelegt: Es reicht vom Maschinenbau (mit dem Schwerpunkt des Automobil- und Flugzeugbaus) über den Anlagenbau, die Elektrotechnik und Elektronik zur Architektur und dem Bauingenieurwesen. Bearbeitet werden alle Konstruktionsarten, bevorzugt aber die sog. Anpassungskonstruktionen, wie die Nachkonstruktion (Re-Engineering) und die Wiederverwendung (Re-Use) von Produkten. Die Grundlage des CAD/CAM-Einsatzes ist der Aufbau eines mög-

4.2

Einsatz neuer digitaler Planungs- und digital gesteuerter Fertigungstechniken im Bauwesen

46

II Struktur

lichst wirklichkeitsgetreuen 3D-Modells des geplanten Produktes. Die Rechnerunterstützung ermöglicht heute völlig neue Vorgehensweisen bei der Gestaltung und Modellierung. Erst in Ansätzen stehen hier in allen Bereichen auch geeignete automatisierte Fertigungsmethoden zur Verfügung. Diesbezüglich besteht insbesondere im Bauwesen noch erheblicher Forschungsbedarf. Der Einsatz von CAD/CAM-Systemen bietet auch die Vorteile einer vernetzten Modellierung über das Internet oder das Intranet eines Unternehmens. Auf diesem Wege können Konstrukteure durch die Schaffung von Entwicklungsverbänden in einem Internet-basierten koordinierten Informationsverbund gemeinsam an einem Produkt arbeiten. Auch die Verbindung zum Kunden oder Zulieferer ist denkbar. Der Zugriff auf vorhandene und zugelassene Norm- oder Zukaufteile, Verfahren des Projektmanagements sowie Informationen über Arbeitstechniken können über diese Schnittstellen auf den Entwicklungs- und Visualisierungsprozess direkt einwirken. Insbesondere im Bauwesen ist die Erstellung eines Digital Mock Up (DMU) und die Möglichkeit der Erzeugung eines virtuellen Prototyps von besonderer Bedeutung, die in erster Linie durch die dramatisch gesteigerte Rechenleistung bei gleichzeitigem Verfall der Hardwarepreise möglich wird. 4.3

Transport

Neben den Vorgaben, die sich aus den speziellen Bedingungen der Werksvorfertigung ergeben, sind insbesondere die maßlichen Einschränkungen aus der Beförderung vorgefertigter Teile bis zur Baustelle zu nennen. Der Transport gibt Maximalabmessungen eines zu befördernden Bauteils vor, die sich bei üblichem Straßentransport aus der verfügbaren Ladefläche auf einem LKW und den festgelegten lichten Durchfahrtshöhen der Transportstrecke ableiten. Dadurch sind grundsätzlich längliche, eher ungefähr stabförmige Einzelbauteile transportierbar, die vor Ort zur endgültigen Baustruktur zusammengefügt werden müssen. Die Maximalabmessungen sind • Breite 2,50 m • Höhe 4,0 m (+ 0,5 m Tieflader-Aufbau) • Länge 32 m

4.4

Montage

Ferner ist zu berücksichtigen, daß die auf die Baustelle transportierten Einzelteile zum Gesamtbauwerk zusammengefügt, also montiert werden müssen. Die hierfür notwendigen Vorkehrungen müssen baubetrieblich vorgenommen werden, bereits bei der Planung müssen entsprechende Vorbereitungen getroffen worden sein: Die Einzelteile sind montagegerecht zu gestalten. Insbesondere ist zu berücksichtigen, daß gegebenenfalls: • bestimmte bevorzugte Montagepositionen einzuhalten sind (Beispiel: vertikaler Einbau von Glasscheiben)

2. Industrielles Bauen

47

• ein entsprechender Lastfall für den Montagezustand nachgewiesen sein muss • spezielles Hebezeug, besondere Rüstungen oder Befestigungsmittel am Element erforderlich sind. • bestimmte Fügeverfahren auf der Baustelle nur bedingt einsetzbar sind (Beispiel: Schweißen) • in der Konstruktion bestimmte Bewegungsräume für Monteure freizuhalten sind, etc. Auch Bauweisen, die auf weitgehender Baustellenfertigung beruhen, wie beispielsweise der monolithische Betonbau, und für eine industrielle Werksvorfertigung nicht geeignet sind, haben dennoch eine Industrialisierung der eingesetzten Baumethoden erfahren. Man unterscheidet neben der • industriellen Werksvorfertigung (stationär), auch die • industrielle Baustellenfertigung. Beispiele: Tunnelschalungen, Gleitschalungen, Hubdeckenverfahren, Hubblockverfahren Aus der industriellen Werksvorfertigung und der Notwendigkeit, eine Gebäudestruktur aus einzelnen, maßlich beschränkten Einzelelementen vor Ort zusammenzufügen ergibt sich die Montagefuge, die beim nicht industriell vor Ort hergestellten Bau auch existieren kann (wie bei handwerklichen Montagebauweisen), aber anders als bei industrieller Herstellung nicht zwingend ist. Einfache monolithisch vor Ort geformte Bauwerke kommen gänzlich ohne Fugen aus. Dies kann ein wesentlicher Vorteil sein, wenn es um kontinuierliche Kraftleitung und um Dichten gegen die Witterung geht ( ☞). Hierfür sind besonders die mineralischen Baustoffe geeignet. Auch aus Einzelsteinen gefügte Massivbauten kommen trotz des dichten Fugennetzes dem Spezialfall des monolithischen Bauwerks sehr nahe. Aber auch einige handwerkliche Holzbauweisen, die wesentliche Merkmale industriellen Bauens bereits vorwegnehmen, sind auf ein Kraft leitendes Fügen fester Einzelbauteile angewiesen und zeigen bereits frühe konstruktive Lösungen für den Umgang mit der Fuge. Einige haben es in dieser Hinsicht zu einer sehr weit entwickelten Technik gebracht (Fachwerkbau). Die Vorteile der monolithischen Bauweisen gehen dadurch verloren; andererseits sind diese Bauweisen in der Regel leicht und demontabel. Die Fuge hat zunächst Kraft leitende Funktionen, aber bei der Gebäudehülle auch dichtungstechnische (☞). Die Dichtigkeits- und sonstigen Anforderungen, die beispielsweise an eine geschlossene kontinuierliche Wandfläche gestellt werden, sind auch von der Fugenkonstruktion zu erfüllen. Darüberhinaus muß die Fuge weiteren

5.

Die Montagefuge im industriellen Bauen

☞ Band 2, Kap. VI Herstellung von Flächen

☞ Band 3, Kap. XI-1 Grundlagen des Fügens

48

II Struktur

☞ Kap. II-1, Abschn. 2.2 Gliederung nach funktionalen Gesichtspunkten > 2.2.2 nach baulicher Einzelfunktion, S. 25

☞ Kap. II-1, Abschn. 2.3 Gliederung nach konstruktiven Gesichtspunkten > 2.3.4 aus der Organisation des Bauvorgangs, S. 30

☞ Kap. II-1, Abschn. 2.4 Klassifizierung von Bauteilen nach ihrer konstruktiven Komplexität, S. 31



Anmerkungen

Funktionen aus dem Zusammenbau und den Verformungen (Toleranzaufnahme) gerecht werden. Die zunehmende Spezialisierung industriell geprägter Bauweisen, die sich in der immer differenzierteren Zuweisung von Einzelfunktionen an einzelne Bauteile äußert (☞), führt zu einer deutlichen Vergrößerung des Fugenanteils an der Gesamtkonstruktion. Diese Fügungen anforderungsgerecht zu konstruieren, stellt die größte Herausforderung – und auch gleichzeitig die gefährlichste Fehlerquelle – bei der Planung moderner Montagebauten dar. Da die sorgfältige Abstimmung der Einzelbestandteile eines Gebäudes für dessen Funktionstüchtigkeit und Qualität ein entscheidendes Kriterium darstellt, ist bei der Planung industriell hergestellter Bauwerke von besonderer Bedeutung, welche und wieviele Einzelhersteller an der Fertigung, dem Transport und der Montage eines bestimmten Gebäude- oder Bauteils beteiligt sind (☞). Kritisch für den Planer sind meistens nicht die Leistungsmerkmale der einzelnen Bauprodukte – für die der Hersteller haftet –, sondern die Schnittstellen zwischen diesen, für die jener in erster Linie verantwortlich ist. Die Hierarchie von Bauprodukten nach funktionaler und organisatorischer Komplexität (☞) ist eng mit dem industriellen Herstellungs- und Umformprozess des Bauelements verbunden. 1 2 3 4 5 6 7



8 9 10 11 12 13



Weller K (1985) Industrielles Bauen 1 Ashby MF (1992) Materials Selection in Mechanical Design Diagramm nach: Beukers A, van Hinte E (2001) Lightness, S. 14f Brockhaus Enz., Stw. Handwerk Müller-Wiener W (1988) Griechisches Bauwesen in der Antike Choisy A (1873) L‘art de bâtir chez les Romains Kimpel u. Suckale (1995) Die gotische Architektur in Frankreich, S. 220 nach Kotulla B, Urlau-Clever B P, Kotulla P (1984) Industrielles Bauen – Grundlagen, S. 47; dort Verweis auf IABSE Journal J-9/79 Weller K (1985) Industrielles Bauen 1, S. 29 Weller K (1985) Industrielles Bauen 1, S. 11 Diagramm nach Koncz T (1976) Bauen industrialisiert Weller K (1985) Industrielles Bauen 1, S. 30 vgl. hierzu Moro JL Die Urbilder moderner Architekturformen in: Moro JL (2003) Antoni Gaudí 1852-1926

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR

1. Modulare Ordnung einer Gebäudestruktur 1.1 Maß- und Modulordnungen im Bauwesen 1.2 Grundmaße und Baumaße 2. Maßsysteme 2.1 Das oktametrische Maßsystem 2.2 Mauerschichten und -verbände 2.3 Mauerverbände - Beispiele 2.4 Modulordnung nach DIN 18000 2.4.1 Grundmodul 2.4.2 Horizontale Koordination 2.4.3 Vertikale Koordination - Ergänzungsmaße 3. Der Raster 3.1 Bauteilbezug zum Raster 3.2 Rasterüberlagerungen 4. Maßtoleranzen - maßliche Koordination an Bauteilstößen 4.1 Toleranzarten 4.2 Maßtoleranzen, Begriffe Beispiel: Einbau Fenster Anmerkungen

II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

50

1.

II Struktur

Modulare Ordnung einer Gebäudestruktur ☞ Kap. II-1, Abschn. 2. Gliederung einer Baustruktur, S. 24 ff

Elementare Überlegungen zur materiellen Ausführung eines Gebäudes wie bereits angestellt (☞) führen in logischer Konsequenz zum Grundsatz des modularen Aufbaus einer Gebäudestruktur: d. h. ihrer Untergliederung gemäß einem virtuellen geometrischen Ordnungssystem, das auf einem Grundmodul aufbaut. Eine modulare Maßordnung kann entscheidende Vorteile bei der Planung und dem Bau eines Gebäudes bieten. • Sie erlaubt den Aufbau komplexer und ausgedehnter Baustrukturen auf der Basis eines optimierten Grundelements (Beispiel: mehrfeldriges Tragwerk aus Holzbalkendecken) • Sie erlaubt die projektunspezifische Vorfertigung (und Lagerung auf Halde) von Bauprodukten, die später in verschiedenen, aber gemäß einem einheitlichen Ordnungssystem gegliederten Projekten verarbeitet werden können. • Sie bietet die Grundlage für eine Normung oder Standardisierung von Bauprodukten unterschiedlicher Hersteller, die beim Zusammenbau maßlich koordiniert sein müssen (Beispiel: Einbau eines Fensters in die Öffnung einer Ziegelsteinmauer). • Sie bietet die Voraussetzung für eine konsistente räumliche Koordination verschiedener Bauteile mit unterschiedlichen Funktionen (Beispiel: Koordination von Tragwerk, Gebäudehülle und Innenwänden sowie der Haustechnik). • Sie erlaubt eine große Flexibilität bei der Planung und der nachträglichen Veränderung von Gebäuden (Beispiel: Umsetzen von Innenwänden gemäß einem Raster möglicher Lagen). • Sie verleiht dem Gebäude eine geometrische und maßliche Ordnung, die seine formalästhetische Wirkung maßgeblich beeinflusst.

1.1

Maß- und Modulordnungen im Bauwesen

Eine Maß- und Modulordnung ist Grundlage einer Entwurfs- und Konstruktionssystematik und ist somit ein wesentliches Hilfsmittel für die Planung und Herstellung von Bauwerken. Viele im Bauwesen vorkommende Maße und Größen waren (und sind zum Teil heute noch) von der Anatomie des menschlichen Körpers abgeleitet. Dies vereinfacht die Vorstellung von der Größe eines Gegenstandes oder der Dauer einer Arbeitsleistung (vgl. noch heute die Verwendung der Mannwoche). Ferner galten die Proportionen des menschlichen Körpers vielen Baumeistern und Architekten als ein Vorbild für die Gestaltung von Bauwerken. Einige Beispiele dafür sind:

& Murray P (1989) „Weltgeschichte der Architektur - Renaissance“

• Kanon der Proportion, Leonardo da Vinci (1452-1519) (&). Er versuchte, die menschlichen Proportionen in eine geordnete Beziehung zum Kreis und zum Quadrat zu bringen ( 1).

3. Maßordnung

51

1 Kanon der Proportion von Leonardo da Vinci

3 Altägyptische Werkzeichnung für ein Relief, der Rastermodul ist eine Elle

2 Modulor von Le Corbusier

4 Proportionsstudie von Fracesco di Giorgio

52

II Struktur

& Le Corbusier (1985) „Der Modulor, Darstellung eines in Architektur und Technik allgemein anwendbaren harmonischen Maßes im menschlichen Maßstab“

• Proportionslehre des Bauens, Modulor, Le Corbusier (1887-1965) (&). ���������������������������������������������������� Er legte 1946 die Körpergröße des Menschen im Durchschnitt auf 182,88 cm (6 englische Fuß) fest ( 2). Dieses Maß unterteilte er nach dem Goldenen Schnitt und entwickelte daraus den Modulor, die sogenannte blaue Reihe mit den Teilmaßen 226, 183, 140, 119, 86, 70, 43, 27 cm. Insbesondere in den angelsächsischen Ländern sind noch heute Maße gebräuchlich, die sich direkt von den menschlichen Gliedmaßen ableiten (Fuß, Elle). Als ein Bruch mit dieser Praxis hat die Einführung des Meters zu gelten, der als 40.000.000ster Teil des Erdumfangs definiert ist.

1.2

Grundmaße und Baumaße

Mit der interdisziplinären Abstimmung der Maße wurde in Deutschland nach dem ersten Weltkrieg ausgehend von der Fachrichtung Maschinenbau begonnen. Das Ziel war die Anpassung und Vereinheitlichung von Maschinen, Werkzeugen und Verbindungen. Der Ausgang der sogenannten Normzahlen (NZ) war der Meter, entsprechend den Bedürfnissen der Technik erfolgte die Unterteilung und das Gefüge der Normzahlen. Aus der Halbierung bzw. der Verdoppelung wurde die Normzahlenreihe entwickelt: 1, 2, 4, 8, 16, 315, 63, 125, 250, 500,1000

& DIN 4172 Maßordnung im Hochbau

Im Gegensatz zum Maschinenbau besteht im Bauwesen aber kaum die Notwendigkeit nach geometrischer Stufung. Es treten vornehmlich Reihungen gleicher Bauteile auf, wie Steine, Balken, Sparren etc. Regelmaße für Bauwerke müssen zunächst diesen Anforderungen entsprechen, sollten aber auch mit den Normzahlen übereinstimmen. Die DIN 4172 legt die Normzahlen fest und ist Grundnorm einer Reihe weiterer Baunormen und Maßgrundlage für die Bauplanung und Bauausführung. Die Baunormzahlen sind Zahlen für Baurichtmaße, aus denen Einzel-, Rohbau- und Ausbaumaße abgeleitet werden. Die Definitionen dieser Begriffe sind die folgenden: • Baurichtmaß (RR): Theoretisches Maß und Grundlage zur planmäßigen Verbindung von Bauteilen. Sie sind die Grundlage für die in der Praxis vorkommenden Baumaße. Es entsteht beim Aneinanderreihen der Bauteile als Maß von Mitte Fuge bis Mitte Fuge an beiden Enden eines Bauteils. • Einzelmaß: Meist Kleinmaße für Einzelheiten des Roh- oder Ausbaus. • Rohbaumaß: Maße des Rohbaus, wie Mauerwerksmaße, Stärke der Rohdecke etc.

3. Maßordnung

• Ausbaumaß: Maße des fertigen Baus, wie lichte Öffnungsmaße, Durchgangsmaße etc.

53

☞ auch DIN 18101, DIN 18111

• Nennmaß (NM): Nennmaße sind diejenigen Maße, die ein Bauteil entsprechend seiner Planung haben soll (Sollmaß). Bei Bauarten ohne Fugen gleich den Richtmaßen, sonst abzüglich der Fugen. Bei der Planung und der Ausführung von Bauwerken ist das Zusammenwirken einer großen Zahl zum Teil hoch spezialisierter Unternehmen erforderlich. Die verschiedensten Bauteile und Bauteilgruppen müssen hierbei in einem baulichen Gesamtgefüge kombinierbar sein. Die Festlegung und Koordinierung von Maßen mit Hilfe von Maßsystemen ist – wie bereits erwähnt – deshalb unabdingbar. Darüber hinaus sind aufgrund der unvermeidbaren produktionsund ausführungsbedingten Maßabweichungen auch Festlegungen hinsichtlich der noch zulässigen Toleranzen an den Schnittstellen verschiedener Gewerke notwendig ( 5)(☞). Zwei verschiedene Maßordnungen stehen sich in Deutschland gegenüber: Die DIN 4172 Maßordnung im Hochbau, und die DIN 18000 Modulordnung im Hochbau. Sie sollen im Folgenden näher betrachtet werden:

2.

Die Abmessungen von Ziegelsteinen schufen bereits frühzeitig die Grundlage für eine Vereinheitlichung von Baumaßen. Der Ziegelstein ist vermutlich das älteste präfabrizierte Bauelement (☞) . In Anpassung an das Greifmaß betrug seine Breite in allen Kulturen immer etwa 11 bis 15 cm. Mit der Einführung des metrischen Systems im Bauwesen (Ende des 19. Jahrhunderts in Deutschland) erfuhr der Achtelmeter (1 am = 12,5 cm, deshalb die Bezeichnung oktametrisches Maßsystem) rasche Verbreitung und führte zu einer der frühen Normen, der DIN 4172. Um die Passung des Mauerziegels mit den Baunormzahlen zu gewährleisten, wurde das ursprüngliche Normformat von 250 x 120 mm (mit Fugenanteil: 260 x 130) in das NZ-Format von 250 x 125 mm (mit Fugen) umgewandelt ( 6).

2.1

Ausgehend vom Grundmodul 100/8 = 1am = 12,5 cm ergeben sich die Baurichtmaße im Mauerwerksbau, die als theoretische Maße (also Referenz- oder eben Richtmaße) anzusehen sind und Vielfache des Grundmoduls sind. Unter Berücksichtigung der erforderlichen Mörtelfuge beim Vermauern idealerweise ungeteilter Steine ergeben sich bestimmte Maßabstufungen für die Abmessungen von Wanddicken, Pfeilerbreiten, Maueröffnungen etc. Die Nennmaße, die das letztlich eingesetzte effektive Maß im Rohbau darstellen, setzen sich als Vielfache von Stein- und Fugenanzahl zusammen und können wie folgt ermittelt werden ( 7):

Maßsysteme

☞ Abschn. 4. Maßtoleranzen - maßliche Koordination an Bauteilstößen

Das oktametrische Maßsystem

☞ Kap. IV-1 Künstliche Steine, Abschn. 2.5 Nennmaße und Kenngrößen, S. 243

5 Ohne Einhaltung von Maßtoleranzen ist ein Zusammenbau von Teilen nicht möglich.

54

II Struktur

• Öffnungsmaße (Fenster, Türen, Rohbaumaße von Räumen, lichte Raumbreiten und -tiefen). (12,5 · n) + 1 cm • Außenmaße (Außenkanten von Mauerwerksbauten) (12,5 · n) - 1 cm • Vorsprungsmaße (Vorspringende Wände, die an eine weitere, senkrechte Wand angeschlossen sind) (12,5 · n) Neben dieser horizontalen maßlichen Koordination erfolgt im Mauerwerksbau auch eine Koordination der Höhenmaße ( 8). So ergeben sich für den Mauerwerksbau typische Höhenmaße, wie z. B. die Geschosshöhe von 2,75 m = 22 x 12,5 cm. Neue Entwicklungen im Mauerwerksbau, wie z. B. die Einführung der so genannten Plansteine führten nicht zu einem Abweichen vom oktametrischen Maßsystem, sondern zu neuen Steinformaten (z. B. Verlängerung von Zahnsteinen von 24 cm auf 24,7 cm; Erhöhung von Plansteinen von 23,8 auf max. 24,9 cm durch die Einführung von Dünnbettmörtel). 2.2

Mauerschichten und -verbände ☞ zur Art der Kraftleitung in Mauerverbänden siehe Kap. III-3, Abschn. 5. Mechanische Eigenschaften, S. 145, und Kap. V-2, Abschn. 9.3.2 Verband – druckkraftwirksame Übergreifung, S. 462-470

2.3

Mauerverbände – Beispiele

Unter Mauerverband versteht man das geometrische Ordnungsmuster, nach welchem die Steine im Mauergefüge schichtenweise zusammengefügt und miteinander verzahnt werden, damit die auf dem Mauwerwerk wirkenden Lasten zuverlässig in die Fundierung abgeleitet werden können (☞). Die Stoßfugen unmittelbar aufeinander folgender Schichten dürfen sich nicht decken: Das Überbindemaß, also das Maß der Übergreifung jeweils übereinander liegender Steine, beträgt horizontal und vertikal mindestens 4,5 cm ( 9). Mit dem starken Rückgang von Sichtmauerwerk und tragender Mauerwerkskonstruktionen haben auch viele herkömmliche Mauerverbände ihre einstige Bedeutung verloren. Die traditionellen Verbände spielen heute allenfalls noch bei der Instandhaltung oder Sanierung von historischen Altbauten eine Rolle, sollen aber anhand einiger Beispiele dennoch zumindest in Grundzügen dargestellt werden:1 • Läuferverband: Hier bestehen alle Schichten aus Läufern, die von Schicht zu Schicht um 1/2 (= mittiger Verband) oder um 1/4 (= schleppender Verband) versetzt sind. Anwendung bei Innenwänden oder als Verblendschale, auch bei Mauerwerk aus Blocksteinen ( 14 und 18).

3. Maßordnung

55

24

24

Vo r

sp

ru

ng

24

24

sm

aß

32

24

24

Öff

,5

24

24

nu

,5

11

ng Au s ße maß nm aß 30

6 Die oktametrische Maßordnung beruht auf dem Grundmodul von 12,5 cm, dem Achtelmeter (am). Es entspricht dem Greifmaß des Maurers. Die Formate leiten sich in ihren Achsmaßen aus der Achtelteilung eines Meters, abzüglich 10 mm für Stoßfugen und 12 mm für Lagerfugen, ab. Dies ergibt ein Steinmaß von 240 x 115 x 71 mm für das Normalformat NF:

7 Öffnungs-, Außen- und Vorsprungsmaße im Mauerwerksbau

2500 2437,5 2375 2312,5 2250 2187,5 2125 2062,5 2000 1937,5 1875 1812,5 687,5 625 562,5 500 437,5 375 312,5 250 187,5 125 62,5 0

2500 2416,6 2333,3 2250 2166,6 2083,3 2000 1916,6 1833,3 666,6 583,3 500 416,6 333,3 250 166,6 83,3

2500

2500

2375

2250 2125

2000

24

• Länge 24 cm + 1 cm Fuge =25 cm (= 2 x 12,5 cm) • Breite 11,5 cm + 1 cm Fuge = 12,5 cm • Höhe 3 x (7,1 cm + 1,2 cm Fuge) = 25 cm Neben den Normalformaten NF existieren auch die Dünnformate DF, deren Höhe (statt 7,1 cm) gleich 5,2 cm ist. • Höhe 4 x ( 5,2 cm + 1 cm Fuge) = 25 cm.

2000

1875

625

500

500

375

h

250 125

Überbindemaß ü

-

-

ü > 0,4 h > 4,5 cm

8 Anwendung des oktametrischen Maßsystems auf Höhenmaße

9 Überbindemaß

56

II Struktur

• Binder- oder Kopfverband: alle Schichten bestehen aus Bindern, die in jeder Schicht um eine 1/2-Kopfbreite versetzt sind. Nur für 1-Stein dicke Wände geeignet, auch für Blocksteine geeignet ( 15 und 19). 10 Läuferschicht

• Blockverband: Hier wechseln Läufer- und Binderschichten regelmäßig ab. Die Stoßfugen der jeweiligen Binder- bzw. Läuferschichten liegen senkrecht übereinander, Anwendung für Wanddicken ≥ 24 cm ( 16 und 20). • Kreuzverband: Auch hier wechseln Läufer- und Binderschichten regelmäßig ab. Die Stoßfugen jeder zweiten Läuferschicht sind um 1/2-Steinlängen versetzt, Anwendung für Wanddicken ≥ 36,5 cm üblich ( 17 und 21). Weiterhin werden unterschieden:

11 Binderschicht

• Endverbände • Eckverbände • Stoßverbände • Kreuzungsverbände sowie traditionelle Zierverbände, z. B. 12 Rollschicht

• holländischer Verband • gotischer Verband • schlesischer Verband

13 Grenadierschicht

22 Verband aus großformatigen Steinen

3. Maßordnung

57

,5 11

14 Läuferverband

18 Läuferverband

24

15 Binderverband

19 Binderverband

L B L B L

24

16 Blockverband (L Läufer-, B Binderschicht)

B L B L B

20 Blockverband

L B L B L

,5

36

17 Kreuzverband (L Läufer-, B Binderschicht)

21 Kreuzverband

58

2.4

II Struktur

Modulordnung nach DIN 18000

Für Bauwerke, bei denen handwerkliche Bauweisen (dazu zählen Maurerarbeiten) von untergeordneter Bedeutung sind, ist eine Maßkoordination auf der Basis des Dezimalsystems sinnvoll. In der Modulordnung im Bauwesen, DIN 18 000, werden als Hilfsmittel zur Abstimmung von Maßen als Koordinationssysteme rechtwinklig im Raum aufeinanderstehende Bezugsebenen festgelegt. Die Einheiten der Modulordnung sind das Grundmodul und die Multimodule ( 23).

2.4.1 Grundmodul

Grundmodul M = 100 mm Die Multimodule sind entsprechend Vielfache von M: 3 M = 300 mm 6 M = 600 mm 12 M = 1200 mm ☞ Abschn. 3. Der Raster, S. 60

2.4.2 Horizontale Koordination

Die Planung erfolgt auf der Basis von Rastern ( ☞). Mit Hilfe des räumlichen Achsensystems eines Rasters wird jedes Bauteil in seiner Lage definiert und mit anderen Bauteilen koordiniert. Als Vorzugsmultimodule der horizontalen Koordination wurden dabei festgelegt: • Grundmodul

1 M = 100 mm

• Multimodul

3 M = 300 mm 6 M = 600 mm 12 M = 1200 mm

• Vorzugsmaße

n x 12 M

Als Vorzugsmaße für die Koordination sollen zuerst Vielfache von 12 M, 6 M oder 3 M verwendet werden. 2.4.3 Vertikale Koordination - Ergänzungsmaße

Für die vertikale Koordination können ausnahmsweise auch andere Vielfache zwischen 1 M und 30 M festgelegt werden. Die Bezugsfläche für die vertikale Koordination ist die Oberfläche des fertigen Fußbodens. Als notwendige Maße, die kleiner sind als M, sind ferner festgelegt: 25, 50, 75 mm



Koordinationsräume

Damit wird auf volle M-Werte ergänzt.

In Weiterführung der beim Planen vielfach üblichen zweidimensionalen Grundriss-Koordinationsraster werden durch die Regelungen der DIN 18000 dreidimensionale Koordinationsräume gebildet ( 26). Dabei können das ganze Bauwerk, Bauteile oder Räume maßlich in verschiedener Weise auf die Koordinationsebenen bezogen sein.

3. Maßordnung

59

Vielfache des Grundmoduls

Vielfache der Multimoduln 12 M

6M

3M

3M

6M

6M

9M

12 M

12 M

12 M

15 M

18 M

18 M

21 M

24 M

24 M

24 M

27 M

30 M 36 M

36 M 42 M

48 M

48 M 54 M

60 M 72 M 84 M 96 M 108 M 120 M 132 M 144 M 156 M 168 M 180 M usw.

60 M 66 M 72 M 78 M 84 M 90 M 96 M 102 M 108 M 114 M 120 M

30 M 33 M 36 M 39 M 42 M 45 M 48 M 51 M 54 M 57 M 60 M

M 1M 2M 3M 4M 5M 6M 7M 8M 9M 10 M 11 M 12 M 13 M 14 M 15 M 16 M 17 M 18 M 19 M 20 M 21 M 22 M 23 M 24 M 25 M 26 M 27 M 28 M 29 M 30 M

23 Anlage zu den Vorzugszahlen der Modulordnung nach DIN 18 000

60

3.

II Struktur

Der Raster

Zur Bestimmung der möglichen Lage von Bauteilen wird ein 3-dimensionaler Raumraster oder ein 2-dimensionaler Flächenraster eingesetzt. Raster bestehen aus einem System von Referenzebenen, -achsen und/oder -punkten, zu denen die Bauteile in einem definierten Bezug stehen. Der Abstand aufeinander folgender Ebenen bzw. Geraden oder Punkten des Rasters entspricht dem Grundmodul, bzw. seinem Vielfachen, einem Multimodul, bzw. auch dessen Vielfachen. Dabei kann der Bauplanung nicht nur ein Raster zugrunde liegen, sondern verschiedene, funktional differenzierte, maßlich aufeinander abgestimmte Raster: • Planungsraster: Übergeordneter Raster, der unter Einschluss der Raster der Subsysteme den Gesamtentwurf bestimmt. • Nutzungsraster: Geometrisches Ordnungssystem, entsprechend der Nutzung gegliedert • Konstruktionsraster: Bestimmt die Lage aller tragenden Bauteile. • Ausbauraster: Raster, der die Elemente des Ausbaus (Trennwände, abgehängte Decken, Schränke) koordiniert und in ihrer Lage bestimmt. • Installationsraster: Bestimmt die Anordnung der Installation

☞ Abschn. 3.1 Bauteilbezug zum Raster, S. 6064

3.1

Bauteilbezug zum Raster

Raster sind gedachte, also virtuelle Achs- und Referenzsysteme, die materielle Bauelemente ordnen sollen. Verwechslungen zwischen diesen beiden Kategorien führen zu Schwierigkeiten, die an einem Beispiel weiter unten besprochen werden sollen (☞). Es wird unterschieden zwischen ( 24 und 27): • Grenzbezug: Koordinationsebenen bilden die Begrenzungen von Bauwerken oder Bauteilen ( 24-1).Die Bauteile liegen zwischen zwei Koordinationsebenen, so dass sie das Koordinationsmaß abzüglich Fugenanteil ausfüllen. • Achsbezug: Die Koordinationsebenen liegen mittig in einem Bauteil ( 24-2). Sie nehmen Bezug auf eine eindeutig identifizierbare Systemachse des Bauteils, zumeist eine Symmetrieachse wie beispielsweise bei einem Stab (Träger, Stütze). Der Achsbezug ist infolgedessen (anders als der Grenzbezug) form- und dimensionsneutral und wird in der Bauplanung am häufigsten eingesetzt. • Randlage: Eine Koordinationsebene bildet eine seitliche Begrenzung ( 24-3). Es wird die Lage nur einer Randfläche des Bauteils fixiert.

3. Maßordnung

61

Achsenbezug

1 Grenzbezug

2 Achsenbezug. Die Systemachse des Bauteils deckt sich mit einer Rasterachse

Grenzbezug

3 Randlage

Mittellage

4 Mittellage

x

Randlage

x

5 Achsenbezug und Randlage

6 Nicht modularer Bereich (x)

24 Bezugsarten zwischen Bauteil und Koordinationssystem nach DIN 18 000

62

II Struktur

1

2

3

25 Varianten der Knotenausführung bei Trennwänden

• Mittellage: Die Bauteil- oder Bauwerksachse liegt in der Mitte zwischen zwei Koordinationsebenen ( 24-4). Es erfolgt zwar eine Fixierung der Bauteillage durch Bezugnahme auf zwei flankierende Koordinationsebenen, es wird aber (anders als beim Grenzbezug) zur Lage der Randflächen des Bauteils selbst keine Aussage getroffen. Bei der Belegung der (gedachten) Achsen eines Rasters mit (materiellen) Bauteilen, die bestimmte Dimensionen besitzen, können sich – wie angesprochen – spezifische Probleme ergeben. Eines davon soll hier exemplarisch dargestellt werden: Beim Innenausbau sind grundsätzlich verschiedene Knotenausbildungen zwischen anstoßenden leichten Trennwänden denkbar ( 25). Je nach Knotenausbildung ergeben sich entsprechende Konsequenzen für die Wandelementgrößen. Es leuchtet ein, daß bei einem regelmäßigen Ausbauraster das Beispiel 2 zu unterschiedlichen Wandelementlängen führt. Hingegen können bei den Beispielen 2 und 3 stets gleiche Elemente eingesetzt werden ( 35 und 37). In der Baupraxis haben sich für die Knotenausbildung nach Prinzip 2 und 3 (1 hat wegen der schwierigeren Fugenausbildung kaum eine Bedeutung) die etwas irreführenden Bezeichnungen Achsraster und Bandraster eingebürgert. Sie sind deshalb nicht ganz korrekt, weil die Knotenmaterialisierung nichts mit dem Bauteilbezug zu tun hat. Trotzdem wird das Prinzip 2 oft mit Achsbezug, das Prinzip 3 mit Grenzbezug in Verbindung gebracht: • Achsraster: Der Achsraster stellt den axialen Bezug zum Bauteil her, die Dimension der Bauteile bleibt jedoch vom Raster unberührt. Ein Nachteil ist, daß an T- oder kreuzförmigen Innenwandanschlüssen Überschneidungen infolge der Bauteilstärke auftreten, die durch Sonderlösungen (Sonderelemente, Ausbildung der Bauteilränder auf Gehrung, siehe Beispiel 1) auszugleichen sind. • Bandraster: Beim Bandraster liegen die Bauteile zwischen den Rasterachsen in einem Band, gewissermaßen in einem eigenen Koordinationsraum. Der Raster stellt einen Grenzbezug zum Bauteil her, wobei die Breite des Bandes vom gerasterten Element bestimmt wird. Bei Trennwänden können so beispielsweise immer gleiche modulare Wandelemente eingesetzt werden, die über pfostenähnliche Anschlußelemente gefügt werden (Siehe Beispiel). Die Verdoppelung der vertikalen Anschlüsse stellt einen gewissen Mehraufwand dar.

3. Maßordnung

63

G

M

n2* M n1*

n3*

M

n4*

M

n5*

M

A

A

A

27 Grenzbezug (G) und Achsbezug (A) bei verschiedenartigen Bauteilen

n

M

6

it el a

ge

* n

M

ge an dl a A ch sb e

zu

G

g

re nz

be zu g

R

M

ug

26 Bezugsarten im Koordinationssystem nach DIN 18 000

*

M

n

7

z be

*

nz

n

M

re

G

1

*

2

64

3.2

II Struktur

Rasterüberlagerungen

☞ Kap. II-1, Abschn. 2.2 Gliederung nach funktionalen Gesichtspunkten > 2.2.1 nach Hauptfunktionen, S. 24

Kombinationen der verschiedenen Bezugsarten in einem Rastersystem sind möglich ( 29-33). Durch die Überlagerung von mehreren Rastern entsteht ferner eine hierarchische Rasterstruktur (meistens Primär- und Sekundär-, evtl. Tertiärraster). Häufig bestimmt das Tragsystem das Hauptraster, der Ausbau das Nebenraster. Wie wir gesehen haben, werden bei Hochbauten grundsätzlich folgende funktionale Teilsysteme unterschieden (☞): • Primärsystem (Tragwerk) • Sekundärsystem (Hülle) • Tertiärsystem (Ver- und Entsorgung)

☞ wie oben Kap. II-1, Abschn. 2.2.1, S. 24 ☞ Abschn. 3. Der Raster, S. 60

Modular aufgebaute, elementierte Bauwerke mit hohem Vorfertigungsgrad zeigen eine deutliche Differenzierung und konstruktive Trennung der Teilsysteme ( ☞), die auch eine Zuweisung zugehöriger Ordnungs- oder Rastersysteme nahelegt. Diese funktionale Unterscheidung von Rastern ist bereits angesprochen worden ( ☞). Ferner leitet sich aus der materiellen Unterscheidung von Bauteilen mit spezifischen Hauptfunktionen (Tragen, Einhüllen, etc.) je nach Situation eine • Übereinstimmung zwischen funktionalen Rasteraschsen (Beispiel: Trennwände werden an Stützen angeschlossen, daraus folgt, dass eine Tragwerksachse mit einer Ausbauachse übereinstimmt) • oder auch oftmals eine Entflechtung der zugehörigen Rastersysteme ab (Beispiel: Es soll ein Anschluss der Trennwand an die Stütze vermieden werden, deshalb: Verlagerung der Ausbauachse gegenüber der Tragwerksachse). Von entscheidender Bedeutung ist insbesondere die Koordination der beiden Teilsysteme Primärtragwerk und Hüllsystem. Bei Wandbauweisen sind sie im gleichen Bauteil integriert (tragende Wand ), bei Skelettbauweisen getrennt (Stütze, nicht tragende Wand). Gerade bei letzteren ist eine sorgfältige Planung und Abstimmung der jeweiligen Rastersysteme von großer Bedeutung und beeinflusst die konstruktive Ausbildung der Baustruktur wesentlich. Besonders bei hochinstallierten Gebäuden ist ferner die Festlegung des Rastersystems für das Ver- und Entsorgungssystem erforderlich, das in den meisten Fällen (Ausnahme beispielsweise: Installationswand) eine getrennte Rasterung und Trassierung voraussetzt.

3. Maßordnung

65

29 Haupt- und Nebenraster als Achsraster, deckungsgleich 30 Haupt- und Nebenraster als Achsraster versetzt

31 Kombination, Versetzen von Achs- und Bandraster 32 Haupt- und Nebenraster als Bandraster, versetzt

33 Haupt- und Nebenraster als Bandraster, deckungsgleich

66

II Struktur



Beispiel: Kombination von Konstruktions- und Ausbauraster

Ein Beispiel soll die räumliche Koordination des Tragwerks und der leichten Trennwandelemente eines Bürogebäudes veranschaulichen ( 34): Das Koordinationsmaß der Tragstruktur beträgt das sechs- bzw. neunfache des Ausbaumaßes: • Konstruktions- und Ausbauraster sind versetzt • für den Konstruktionsraster wurde ein Achsraster mit axialem Bezug zur Tragkonstruktion gewählt. • für den Ausbauraster wurde ein Bandraster gewählt. • Das Wandsystem besteht aus Elementen gleicher Dimensionen, die an jedem Bandkreuz mit einem Kernstück verbunden wurden. Nachteil ist die Verdoppelung des Fugenanteils der Trennwände. Die Wandanschlüsse nach dem Achs- und dem Bandraster sind den  35-38 zu entnehmen.

B

C

2

34 Beispiel für die Koordination von Tragwerk und Trennwänden durch Entflechten beider Ordnungsraster

Koordinationsmaß der Tragkonstruktion

Koordinationsmaß der Elementwand

1

3. Maßordnung

67

A

B

1

B

b A b

A B

A

A

B

A

b A b

A

2 a

a

a

B

a

A

35 Beispiel für einen Achsraster

A

A

A

A

36 Wandanschlüsse nach dem Achsraster: Die Bauteilstärke wird in der modularen Zuordnung nicht berücksichtigt. Dadurch sind Sonderelemente (B) erforderlich, welche die Längenabweichungen kompensieren.

A

B

a c

1

A

A

a c

A

a

A

A

A

A

c a

A

A

c

A

a

2 a

b

a

b

a

b

a

b

A

a

A K

37 Beispiel für einen Bandraster

A K

A

A

A

K

38 Wandanschlüsse nach dem Bandraster: Die Bauteilstärke wird durch ein bandförmiges Raster berücksichtigt. Dadurch sind keine Sonderlängen erforderlich, jedoch Knotenelemente K. Alle Bauelemente haben dieselbe Länge A

68

4.

II Struktur

Maßtoleranzen - maßliche Koordination an Bauteilstößen

☞ Kap. II-2, Abschn. 4.1 Grundsätze industriellen Bauens, S. 42

☞ Kap. II-1, Abschn. 2.3 Gliederung nach konstruktiven Gesichtspunkten > 2.3.2 aus dem Bauprinzip, S. 27 f

4.1

Toleranzarten

Toleranzen sind geplante Mindermaße von Bauteilen, bzw. die Maße der dadurch am Stoß entstehenden Fugenräume, zum Zweck des Ausgleichs von Ungenauigkeiten oder Verformungen. Dadurch wird das effektive Bauteilmaß gegenüber dem ihm zugeordneten Koordinationsraum geringfügig verkleinert. Es entsteht somit eine Element- oder Bauteilfuge mit einer bestimmten Breite. Diese Breite wird als Toleranz bezeichnet. Manchmal wird der Begriff auch auf die effektiven Maßabweichungen eines Bauteils oder einer Konstruktion vom Sollmaß angewendet. Toleranzen mussten beim Fügen von Einzelbauteilen einleuchtenderweise schon immer berücksichtigt werden, auch bei traditionellen handwerklichen Baumethoden. Die sorgfältige Planung der Toleranzen hat jedoch besondere Bedeutung, seit die industrielle stationäre Werksvorfertigung in verschiedenen Fertigungsstätten in das Bauwesen eingeführt wurde. Dies ergibt sich aus Folgendem: Ein Bauteil kann nicht eingebaut werden, wenn es ein Übermaß hat, d. h. wenn es über den ihm zugewiesenen Koordinationsraum ragt, und folglich mit dem benachbarten Bauteil anstößt oder mit diesem sogar überlappt. Es ist in solchen Fällen eine Nacharbeit erforderlich, um das Teil auf das richtige Maß zu bringen. Dies war beim handwerklichen Bauen üblich; beim heutigen, industriell geprägten Bauen ist das Nacharbeiten eines Bauprodukts oft nicht möglich, in jedem Fall grundsätzlich unerwünscht, weil es in jedem Fall hohe Lohnkosten verursacht. Lohnkosten sind indessen ein gewichtiger Kostenfaktor im industriellen Bauen (☞). Dieser Aspekt wird um so wichtiger, je mehr Bauteile unterschiedlicher Firmen beteiligt sind. Deren Produkte müssen einer strengen Toleranzplanung entsprechen, wenn sie bei der Montage problemlos zusammengesetzt werden sollen. Toleranzen können geplant werden in Abhängigkeit von den Kosten ( 39). Erhöhte Anforderungen an die Maßgenauigkeiten sind in der Regel mit höherem technischen Aufwand und mit höheren Kosten verbunden. Richtwerte für Toleranzen bei verschiedenen Bauweisen geben die Normen DIN 18202 und 18203-1 bis -3.2 Es leuchtet ein, daß im Ortbeton- oder Mauerwerksbau keine größere Toleranzplanung erforderlich ist. Diese stark handwerklich geprägten Bauweisen erlauben eine lokale Maßkontrolle und kommen mit nur geringer Toleranzplanung aus. Erst bei der stationärer Vorfertigung in verschiedenen Fertigungsstätten wird die gezielte Planung von zulässigen Toleranzen erforderlich. Man kann behaupten, dass Bauarten nach dem integralen oder integrierenden Bauprinzip im Hinblick auf Toleranzen verhältnismäßig unempfindlich sind, wogegen Toleranzplanung eine wesentlich größere Bedeutung bei Anwendung des differenzialen Bauprinzips (☞) gewinnt. Es gibt verschiedene Ursachen für Maßabweichungen und daraus sich ableitende maßliche Festlegungen beim Bauen. Man unterscheidet verschiedene Toleranzarten:

69

Aufwand

3. Maßordnung

Gesamter Aufwand

Aufwand für Herstellung

Aufwand für Anpassung

Optimale Genauigkeit

Genauigkeit

39 Wirtschaftlichkeitsüberlegung zur Festlegung der optimalen Genauigkeit. Mit zunehmender Genauigkeit wächst der Aufwand für Herstellung und Montage, Abstecken und Einmessen. Hingegen nimmt der Aufwand für Anpassungs- und Justiermaßnahmen, Fugenausbildung, Nacharbeiten und Ausschuss ab.3

• Maßtoleranzen der Fertigung: Aus dem Fertigungsprozeß im Werk ergeben sich Maßabweichungen innerhalb einer Produktionsserie. • Maßtoleranzen der Montage: Auch der Montageprozeß selbst erfordert Mindesttoleranzen, die den Fertigungstoleranzen hinzuaddiert werden müssen. Bei einer theoretischen absoluten Passgenauigkeit des Teils (d. h. Null Montagetoleranzen) könnte dieses bei den üblichen Bauteilabmessungen und den verfügbaren Hilfsmitteln unmöglich montiert werden. • Maßtoleranzen des Einmessens und des Aufmaßes am Bau • Maßtoleranzen durch Formänderung von Bauteilen – Temperaturdehnung, Schwindvorgänge o. ä., so genannte last- und zeitabhängige Verformungen nach Begriffsbestimmung der DIN 18201.

& Vorzugsmaße für Wandöffnungen vgl. DIN 18100 & Allgemeines vgl. DIN 4172 Maßordnung im Hochbau (Oktameterordnung)

70

4.2

II Struktur

Maßtoleranzen, Begriffe Beispiel: Einbau Fenster

Folgende Begriffe sind nach DIN 18201 zu unterscheiden ( 40-42): • Größtmaß: größtes zulässiges Maß • Kleinstmaß: kleinstes zulässiges Maß • Grenzabmaß: Differenz zwischen Größtmaß bzw. Kleinstmaß und Nennmaß • Nennmaß: Maß für die Größe, Gestalt und Lage eines Bauteils in der Zeichnung • Istmaß: Maß, das durch Messung festgestellt wird • Istabmaß: Differenz zwischen Ist- und Nennmaß • Ebenheitstoleranz: zulässiger Bereich für die Abweichung einer Fläche von der Ebene ( 43-45) • Winkeltoleranz: zulässiger Bereich für die Abweichung eines Winkels vom Nennwinkel ( 46-48). Sie wird einem Stichmaß ermittelt • Stichmaß: Hilfsmaß zur Ermittlung der Istabweichungen von der Ebenheit und der Winkligkeit. Das Stichmaß ist der Abstand eines Punktes von einer Bezugslinie ( 42)

Koordinationsachse Nennmaß

Nennmaß

Istmaß

Istmaß

GrenzGrenzabmaß (-) abmaß (+)

GrenzGrenzabmaß (+) abmaß (-)

Kleinstmaß

Kleinstmaß Maßtoleranz

Maßtoleranz

Größtmaß

Größtmaß Montagetoleranz

40 Maßtoleranzen: Begriffe, erläutert anhand zweier an einer Fuge anstoßender Teile.

3. Maßordnung

71

Mauerwerks-Größtmaß 1620 + 12 = 1632 mm Nennmaß 1620 mm

41 Ein vorgefertiger Fensterrahmen soll in einer Mauerwerksöffnung von 1,62 m Breite eingefügt werden. Es sind Sollmaße für Öffnung und Rahmen zu wählen, damit Nacharbeiten vermieden werden.4

Kleinstmaß 1620 - 12 = 1608 mm

Nach DIN 18 202 Tabelle 1 ist das Grenzabmaß für Öffnungen, z. B. für Fenster, Türen, Einbauelemente, ±12 mm (bis 3 m). Die Toleranz der Rahmenbreite wird angenommen mit ±4 mm.4

Fenster-Höchtsmaß 1608 - 20 = 1588 mm

10 mm

Gewählte Fugenbreite 10 mm Kleinstmaß 1584 - 4 = 1580 mm Höchtsmaß 1584 + 4 = 1588 mm Fensterrahmen Nennmaß 1588 mm

Messpunktabstand

Stichmaß zur Ermittlung der Istabweichung von der Ebenheit

z

z

y

P

±12 mm (DIN 18 202) 24 mm

Fensterrahmen: Grenzabmaße Maßtoleranz

±4 mm 8 mm

42 Stichmaß zur Erfassung von Unebenheiten einer Fläche Nach DIN 18 201

z

y

P x

Fensteröffnung: Grenzabmaße Maßtoleranz

y

43 Maßtoleranz in Richtung x

P

x

x

44 Maßtoleranz in Richtung y 45 Maßtoleranz in Richtung z

z

y

z

y

P

P x

x

z

y P

x

46 Winkeltoleranz in Ebene xy 47 Winkeltoleranz in Ebene xz 48 Winkeltoleranz in Ebene yz

72

II Struktur

49 Kantonschule in Baden (Arch.: Fritz Haller)

51 Elementierter Innenausbau.

52 Montage von Trennwänden.

OG

50 Kantonschule in Baden, Grundriss OG. Der Raster ordnet das gesamte Baugrundstück

ohne Wandelemente

UG mit Wandelementen 53 Wohnhaus (Arch.: Fritz Haller)

54 Mehrfamilienhaus mit variablen Wohnungsgrundrissen (Arch.: Fritz Haller)

3. Maßordnung

73

55 Koordination von Versorgungstrassen und Tragwerk (SBB Ausbildungszentrum Löwenberg) (Arch. Fritz Haller)

56 Trassenplan (nach Haller).

57 Planungsrster für die Installation (nach Haller).

74

II Struktur

Achsraster Skeletttragwerk

58 Prinzipschema

59 Bürogebäude in Gundelfingen (Arch.: Ackermann und Partner)

60 Grundriss EG

Achsraster Scheibentragwerk

61 Prinzipschema

62 Kunstmuseum in Basel (Arch.: Renzo Piano)

63 Grundriss EG

3. Maßordnung

1 2 3 4

Belz et al. (1991) Mauerwerk-Atlas, S. 179 vgl. DIN 18 201; DIN 18 202, Tabelle 1 Grenzabmaße; DIN 18 203, Tabelle 3.2 Grenzabmaße Diagramm nach Kotulla et al. (1984) Industrielles Bauen, S. 38; Weller (1985) Industrielles Bauen I, S. 29 nach DIN 18 201, 5. Anwendung

75

Anmerkungen

III STOFFE

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Stoffe im Bauwesen Energetische Wirkungen Elementarteile Chemische Bindungskräfte Grundpartikel der Stoffe Aggregatzustände Die stofflichen Bindungsarten 7.1 Atombindung 7.2 Ionenbindung 7.3 Metallbindung 7.4 Nebenvalenzbindungen 8. Die molekulare Stoffstruktur 8.1 Kristalle 8.2 Amorphe Stoffe 8.3 Organische Molekülketten 9. Das Stoffgefüge 9.1 Mineralische Stoffe 9.1.1 Natürliches Gestein 9.1.2 Künstliches Gestein 9.2 Metallische Stoffe 9.3 Organische Stoffe 9.3.1 Holz 9.3.2 Kunststoffe 10. Grenzflächen 11. Verformungen 11.1 Temperaturdehnung 11.2 Elastische Verformung 11.3 Plastische Verformung 11.3.1 Lastunabhängig 11.3.2 Lastabhängig 11.3.3 Bedeutung plastischer Verformungen 12. Bruch 13. Zersetzungsprozesse 14. Brandeinwirkung Anmerkungen

III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

78

1.

III Stoffe

Stoffe im Bauwesen

Bauwerke werden aus Stoffen hergestellt, die in der Regel einem mehr oder weniger langen und aufwendigen technischen Umwandlungsprozess unterworfen werden, um die erwünschten Stoffeigenschaften oder die nötige Verarbeitbarkeit bzw. Formgebung zu erzielen, die einen baulichen Einsatz erlauben ( 1, 2). Neben diesen Stoffen, aus denen das Bauwerk besteht, und die wir infolge ihres zweckorientierten Charakters als Werkstoffe bezeichnen, spielen im Laufe der Lebensdauer des Bauwerks auch andere Stoffe eine wichtige Rolle, die im Zusammenhang des Konstruierens ebenfalls eine nähere Betrachtung erfordern. Dazu zählen: • Wasser in seinen verschiedenen Aggregatzuständen flüssig, fest und gasförmig. • Luft, meist mit Schwebstoffen (z. B. aggressive Chemikalien) • Böden, auf denen das Bauwerk gegründet ist. Diese können sowohl durch ihr mechanisches Verhalten auf das Bauwerk wirken als auch in ihrer Qualität als Trägerstoff für Wasser und andere Substanzen. Im Zusammenspiel der am Bauwerk beteiligten Werkstoffe mit anderen Stoffen aus der näheren Umwelt vollziehen sich verschiedene physikalische und chemische Prozesse ( 3, 4), die für die Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit des Gebauten über seine geplante Lebensdauer hinweg von entscheidender Bedeutung sind. Sie sind entweder für die Erfüllung der Funktionen, die den Teilen des Gebäudes zugedacht sind, notwendig oder können in Ermangelung geeigneter Gegenmaßnahmen dazu führen, dass diese nicht mehr zuverlässig erfüllt werden. Dabei bestimmt der chemische Aufbau der Stoffe weitgehend ihr physikalisches Verhalten, das wiederum entsprechende technische Maßnahmen nach sich zieht. Aus diesem Grunde soll im Folgenden eine nähere, wenn auch für bauliche Zwecke vereinfachte Betrachtung des grundsätzlichen atomaren oder molekularen Aufbaus von Materie sowie der chemischen Struktur der für Bauwerke relevantesten Stoffgruppen erfolgen.

2.

Energetische Wirkungen

Neben den Werkstoffen im engeren Sinne und den Stoffen, die als atmosphärische Wirkstoffe auf das Bauwerk Einflüsse ausüben, gilt es auch, energetische Einflüsse aus der Umwelt zu berücksichtigen. Dazu zählen

☞ Kap. V-3 Thermohygrische Funktionen

• Wärmestrahlung im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich,

☞ Kap. V-3 Thermohygrische Funktionen

• Temperaturgefälle zwischen Innenraum eines Bauwerks und dem Außenraum,

1. Materie

79

1 Gießen des Rohstahls

2 Verarbeitung des Stahls zum Bauprodukt

3 Betonabplatzungen durch Korrosion der Bewehrungsstähle

4 Holzschwamm

80

III Stoffe

☞ Kap. V-3 Thermohygrische Funktionen

• Gasdruckgefälle zwischen Innen- und Außenraum; dieses Kriterium hat insbesondere im Zusammenhang mit dem Wasserdampfhaushalt der Konstruktion eine große Bedeutung,

☞ Kap. V-4 Schallschutz

• Schallenergie, die insbesondere im Zusammenhang mit der Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken eine wichtige Rolle spielt, sowie nicht zuletzt

☞ Kap. V-2 Kraft leiten

3.

Elementarteile

• Lasten, die infolge der Erdanziehungskraft auf alle Bauteile wirken und einen fundamentalen Einfluss auf die Gestaltung und Konstruktion von Bauwerken haben. Die Grundstoffe für die im Bauwesen zur Verwendung kommenden Werktoffe sind die im Periodensystem erfassten chemischen Elemente – etwas mehr als 100. Ihre kleinsten, chemisch nicht mehr reduzierbaren Elementarteilchen sind die Atome. Die positive Ladung eines Atomkerns wird von den negativ geladenen Elektronen der Atomhülle neutralisiert, so dass das Atom nach außen hin elektrisch neutral wirkt ( 5). Unabhängig vom Aggregatzustand des Stoffs sind in jedem Mol NA = 6,022 · 1023 Atome (Avogadro-Zahl) enthalten. Allerdings ist die Verteilung und Dichte der Packung sehr unterschiedlich: ein cm3 Kupfer enthält 8,46 · 1022 Atome ein cm3 Luft enthält 5,38 · 1019 Atome, also mehr als 1000mal weniger pro Volumeneinheit als bei Kupfer. Dies erklärt die Unterschiede in der Rohdichte, der spezifischen Wärmespeicherfähigkeit – bei Luft sehr klein – sowie in der Diffusionsdurchlässigkeit für andere Stoffe. Atome haben einen Durchmesser zwischen 0,03 und 0,3 nm (1 Nanometer = 10-9 m) und liegen damit selbstverständlich jenseits der baulich relevanten makroskopischen Abmessungen. Dennoch sind mit bloßem Auge auch einmolekulare Schichten erkennbar wie z. B. Ölfilme auf Flüssigkeiten, Seifenhäute etc.1

4.

Chemische Bindungskräfte

Charakteristisch für das jeweilige Element ist die Art, wie die Elektronen entweder zu stabilen Paaren gekoppelt sind (paarige Elektronen) oder sich als (unpaarige) Valenzelektronen ohne Kopplungspartner auf bestimmten Orbitalen befinden. Diese mit Valenzelektronen einfach besetzten Orbitale sind zu einer chemischen Bindung mit anderen Atomen befähigt.2

1. Materie

81

Stellt sich eine Überlappung der Atomhüllen bzw. der Aufenthaltsräume der Valenzelektronen ein, so entsteht eine kovalente Bindung oder Atombindung ( 6). Sie stellt die einfachste Art der chemischen Bindungskraft dar. Zwei oder mehrere aneinander gekoppelte Atome ergeben ein Molekül, die kleinste Einheit einer chemischen Verbindung.3 Abgesehen von einigen Metallen, die als reine chemische Elemente technisch eingesetzt werden, sind die meisten im Bauwesen vorkommenden Stoffe mehr oder weniger komplexe chemische Verbindungen von Elementen. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Stoffe sind wesentlich durch die Reaktionsfähigkeit und folglich durch die Struktur der Elektronenhüllen der beteiligten Atome vorbestimmt. Die chemischen Bindungskräfte sind die Grundlage für den stofflichen Zusammenhalt und die Stabilität des Stoffgefüges, von dem wiederum die Standfestigkeit und Gebrauchstauglichkeit eines Bauwerks abhängt. Werden sie beispielsweise bei Feststoffen durch unerwünschte Einflüsse aufgehoben, kommt es zum Bruch oder dem Zerfall des Stoffs, bzw. zur chemischen Umwandlung in einen anderen Stoff, der nicht mehr die erwünschten Eigenschaften des Ausgangsstoffs besitzt. Mögliche Einwirkungen sind:

☞ Abschn. 7. Die stofflichen Bindungsarten, S. 82

• Kraft

☞ Abschn. 12. Bruch, S. 122

• Zersetzungsprozesse

☞ Abschn. 13. Zersetzungsprozesse, S. 124

• Brand

☞ Abschn. 14. Brandeinwirkung, S. 128

5 Atommodell (O) mit zwei Kugelschalen aus Elektronen unterschiedlicher Energiestufen. 6 Überlappung - kovalente Bindung (vereinfacht). Symmetrische Konfiguration, nach außen hin nicht polar (vgl. demgegenüber  10-12).

82

III Stoffe

5.

Grundpartikel der Materie

Atome können unter äußerem Einfluss – z. B. beim Zusammenstoß mit energiereichen Teilchen – einzelne Elektronen abstoßen oder fremde Elektronen in die Atomhülle aufnehmen. Sie werden dann zu jeweils positiv oder negativ geladenen Ionen oder Atomrümpfen ( 7, 8). Diese sind elektrisch nach außen nicht mehr neutral, sie zeigen aufgrund ihrer deutlich ausgeprägten Polarität oder elektrischen Ladung stattdessen eine erhöhte Reaktionsfähigkeit mit anderen Ionen. Sie bilden molekulare Verbindungen mit Ionen desselben Elements oder auch eines oder mehrerer fremder Elemente.

6.

Aggregatzustände

Stoffe können abhängig vom herrschenden Druck und der Temperatur verschiedene Aggregatzustände annehmen, und zwar fest, flüssig, oder gasförmig.4 Druck und Temperatur wirken auf die zwischenatomaren oder -molekularen Bindekräfte ( ☞) und lockern diese je nach Stoffgruppe ab einem spezifischen Schwellenwert oder in einem breiteren Übergangsbereich ( ☞). Als Folge davon geht ein Feststoff, bei dem starke stoffliche Bindekräfte wirken, in flüssigen Zustand über (Schmelzen), bei dem diese deutlich an Kohäsionswirkung verlieren, so dass die Atome oder Moleküle frei aneinandergleiten können ( ☞). Dennoch besteht ein stofflicher Zusammenhalt und es bildet sich eine deutlich erkennbare Grenzfläche. In der Folge tritt die Flüssigkeit in gasförmigen Zustand über (Verdampfung), so dass die stoffliche Bindung sich weitestgehend löst und das Gas sich ohne äußere Druckeinwirkung frei ausdehnt. Geht der Stoff vom festen direkt in den gasförmigen Zustand über, spricht man von Sublimation. Die Umkehrung des Schmelzens wird als Erstarren, die der Verdampfung als Kondensation bezeichnet. Diese so genannten Phasenübergange zwischen Aggregatzuständen

☞ Abschn. 11.1 Temperaturdehnung, S. 114 ☞ z. B. amorphe Stoffe, siehe Abschn. 8.2 Amorphe Stoffe, S. 90

☞ Abschn. 14 Brandeinwirkung, S. 128

• verbrauchen Wärme, wie beim Schmelzen, dem Verdampfen und der Sublimation, oder • setzen Wärme frei, wie bei Kondensation und Erstarren 7.

Die stofflichen Bindungsarten ✏ die sogenannte Edelgasschale oder Achterschale ✏ nach der sogenannten Oktett-Theorie

Alle Atome – außer denen der Edelgase – haben die Tendenz, ihre Elektronenschale in die stabilere Edelgaskonfiguration (✏) mit acht abgesättigten Elektronen desjenigen Edelgases zu überführen, das im Periodensystem dem Element vorangeht oder folgt (✏). Dies erfolgt durch Abgabe oder Aufnahme eines oder mehrerer Elektronen bzw. durch gemeinsame Nutzung von Elektronenpaaren. Diese Neigung ist die Grundlage für das Entstehen von chemischen Bindungen. Je nach den vorliegenden Verhältnissen stellen sich verschiedene Bindungsarten ein, bzw. Kombinationen derselben; 4 zunächst die sogenannten Hauptvalenzbindungen: • Atombindung • Ionenbindung

1. Materie

83

• Metallbindung sowie die mit wesentlich schwächeren Bindungskräften wirkenden Nebenvalenzbindungen: • Molekularbindung • Wasserstoffbrückenbindung. Da diese Bindungsarten zahlreiche spezifische Eigenschaften von Stoffen, die für das Bauwesen relevant sind, erklären, sollen sie im Folgenden näher betrachtet werden: Die Atombindung – auch kovalente oder homöopolare Bindung, Kovalenzbindung, Elektronenpaarbindung genannt – entsteht aus der kovalenten Bindung zweier Valenzelektronen und basiert auf der gemeinsamen Anlagerung zweier Elektronen durch zwei Atome. Ein Elektronenpaar gehört folglich gemeinsam zwei Atomen an, die dadurch den abgesättigten Zustand der Edelgaskonfiguration erreichen. Die Quantenmechanik erklärt dies durch das Überlappen zweier Atomorbitale ( 6). Die Bindungskraft ist zwischen beiden Atomkernen gerichtet (so genannte s-Bindung). Die einfachste Atombindung entsteht zwischen Atomen des gleichen Elements. Beide Atome weisen dann die gleiche Elektronegativität ( 10) auf, also die gleiche Stärke im Bestreben, Elektronen kovalent zu binden. Die s-Bindung schafft eine ausgewogene Polarität, das Molekül ist nach außen hin elektrisch neutral. Sind mehr als ein gemeinsames Elektronenpaar für die Erlangung der Edelgaskonfiguration erforderlich, können sich auch Mehrfachbindungen einstellen. Da durch die Anlagerung der Valenzelektronen in einer den Atomkernen gemeinsamen Wolke die Edelgaskonfiguration erreicht wird, ist das so gebildete Molekül nach außen hin weitgehend stabil und zeigt nur sehr schwache Bindungstendenz. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Elektronegativität beider Atome ausgeglichen ist, also zwei Atome des gleichen Elements beteiligt sind. Sind Atome verschiedener (nichtmetallischer) Elemente beteiligt, besteht zumeist ein Unterschied in der jeweiligen Elektronegativität ( 11), so dass der Ladungsschwerpunkt nicht symmetrisch im Molekül angeordnet ist, sondern zu einem der beiden Atome – dem mit der größeren Elektronegativität – verlagert ist. Auf diese Weise entsteht ein nach außen hin polares, elektrisch nicht mehr neutrales Molekül, das einen positiven und einen negativen Ladungsschwerpunkt aufweist. Man nennt es einen Dipol. Ein für das Bauwesen fundamentales Beispiel stellt das Wasser (H2O) dar ( 12). Atombindungen können auch zur Bildung größerer Moleküle führen, bei denen die Atome in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind, dem Atomgitter ( 13). Aufgrund der Stärke der Atombindung entstehen dann außerordentlich harte und chemisch stabile Ver-

7.1

Atombindung

+

–

7, 8, 9 Schematische Darstellung des Elektronenübergangs zwischen zwei Atomen (Na und Cl). Es entstehen jeweils ein positiv geladenes Natriumion Na+ und ein negativ geladenes Chloridion Cl-.

84

III Stoffe

bindungen wie beispielsweise Diamant (C) und Quarz (SiO2). 7.2

Ionenbindung

☞ Abschn. 5. Grundpartikel der Materie, S. 82

S: Ladungsschwerpunkt positiv und negativ

S

Cl

Cl

10 Symmetrischer Aufbau der Bindung aus gleichen Atomen: Ladungsschwerpunkte fallen zusammen.

✏ Gitterenergie durchschnittlich 1600 kJ/mol im Vergleich zu 400 kJ/mol bei der Atombindung 7 ☞ Abschn. 12. Bruch, S. 122

7.3

Metallbindung

Das Ziel, die stabile Edelgaskonfiguration zu erreichen, wird bei der Ionenbindung nicht durch gemeinsames Nutzen eines Elektronenpaars durch zwei Atome erzielt, sondern durch vollständiges Abgeben eigener Elektronen bzw. Anlagern fremder Elektronen in der Atomhülle. Es entstehen dadurch elektrisch geladene Teilchen, da die Anzahl der Elektronen der Hülle nicht mehr mit derjenigen der Protonen im Kern übereinstimmt. Es entstehen die so genannten Ionen ( ☞), also positiv geladene Kationen (+) und negativ geladene Anionen (-). Sie sind zwar nach Erreichen der Edelgaskonfiguration reaktionsträge, aber elektrisch geladen und infolgedessen zur Bildung größerer Strukturen befähigt. Also ist die elektrische Ladung – nicht mehr die Tendenz zur Absättigung durch Valenzbindung – die eigentliche Antriebskraft der Ionenbindung (die sogenannte Coulombsche Kraft). In der Tat ziehen sich die Ionen infolge ihrer Polarität gegenseitig an, und erzeugen aufgrund der Ausrichtung ihrer Ladung geometrisch regelmäßige Kristallgitter. Positiv geladene Ionen sind dann in einem strengen, immer wiederkehrenden geometrischen Muster – dem Raumgitter – von einer bestimmten Anzahl negativ geladener Ionen umgeben und umgekehrt ( 14). Hierbei kann nicht mehr von einzelnen isolierten Molekülen die Rede sein wie bei der Atombindung. Vielmehr entsteht eine Art Riesenmolekül aus einem räumlich ausgedehnten Gerüst, das die Teilchen, also in diesem Fall die Ionen, in eine Fernordnung zwingt. Diese aus einem regelmäßigen Raumgitter bestehenden Einkristalle – solche mit einer durchgehenden Kristallordnung – können makroskopische Abmessungen von bis zu mehreren Zentimetern erreichen.6 Ionenbindungen sind die Grundlage des Materialgefüges mineralischer Werkstoffe wie sie im Bauwesen Verwendung finden, es handelt sich dabei vorwiegend um Oxide und Salze. Die spezifische Bindungskraft (Gitterenergie) zwischen exakt lokalisierten positiven und negativen Ladungsträgern (Kationen und Anionen) ist vergleichsweise groß (✏),und bindet diese unverschieblich starr aneinander. Dies erklärt spezifische Eigenschaften der Minerale wie ihre Härte und Sprödigkeit. Ähnlich wie bei der Atombindung, bei der sich die Valenzelektronen im Zeitmittel in einer gemeinsamen Ladungswolke zwischen den gebundenen Atomen befinden, lösen sich die beweglichen Elektronen bei Metallatomen von den Rümpfen und begeben sich in eine allen zusammen gepackten Atomen gemeinsame Elektronenwolke, das so genannte Elektronengas ( 15). Im Gegensatz zur Atombindung entsteht keine gerichtete Bindung (s-Bindung), sondern ein negativ geladenes Medium aus allseits frei beweglichen Elektronen, die eine Art Kitt oder Matrix bilden, in welche die Metallatomrümpfe eingebettet sind. Eine echte Absättigung zur Edelgaskonfiguration findet nicht statt. Es wirken keine Kräfte

1. Materie

85

S +: positiver Ladungsschwerpunkt S –: negativer Ladungsschwerpunkt

δ–

S–

S+

δ+

δ–

H

Cl

11 Elektronegativität polar (unausgewogen) mit +/– Teilladungen. Es entsteht ein Dipol.

δ+

δ+

12 Die Elektronegativität des Wassermoleküls ist in seinem asymmetrischen Aufbau begründet (Kalottenmodell). Es ist ein Dipol.

13 Atomgitter schmatisch

+

-

-

14 Kugelmodell einer Ionenbindung. Die positiv und negativ geladenen Ionen des Raumgitters sind jeweils hell- und dunkelgrau dargestellt.

15 Vereinfachtes Schaubild von Atomkern und Elektronenwolke mit zugehöriger Ladung.

aus unterschiedlicher Polarität wie bei der Ionenbindung, da alle Atomrümpfe positiv geladen sind. Diese werden stattdessen durch das negativ geladene Elektronengas zu außerordentlich dichten Packungen zusammengefügt; maßgeblich ist dabei nur der Durchmesser der Atome. Wiederum formen sich analog zur Ionenbindung regelmäßige Raumgitter, also kristalline Strukturen mit Fernordnung ( 16), die allerdings im Gegensatz zur Ionenbindung keine ausgeprägte Ausrichtung aufweisen, sondern hoch symmetrisch sind. Obgleich auch bei der Metallbindung starke Gitterkräfte wirken (rund 400 kJ/mol),8 ist die Bindung zwischen den Atomen nachgiebiger für Verschiebungen einzelner Atompakete gegeneinander als bei der Ionenbindung ( ☞). Dieser spezifische molekulare Aufbau erklärt die elektrische Leitfähigkeit

16 Kugelmodell einer Metallbindung. Zwischen den Gitterbausteinen ist das Elektronengas behelfsmäßig in Form einer halbdurchsichtigen Matrix dargestellt.

86

III Stoffe

☞ Abschn. 11. Verformung, S. 112

7.4

Nebenvalenzbindungen

und hohe Wärmeleitfähigkeit der Metalle – die freie Beweglichkeit der Elektronen im Elektronengas – sowie ihre große Dichte, ihren Glanz und ihre Zähigkeit bei Verformungen, also das Merkmal, vor dem Bruch starke Verformungen zu vollziehen ( ☞). Unter Nebenvalenzbindungen versteht man solche, die auf vergleichsweise schwachen elektrostatischen Anziehungskräften zwischen bereits abgesättigten Molekülen beruhen. Sie erreichen Stärken im Bereich von 8 bis 20 kJ/mol. 9 Man unterscheidet die • van-der-Waals-Bindung infolge zwischenmolekularer elektrostatischer Anziehungskräfte ( 17). Die Atome/Moleküle – induzierte Dipole mit unsymmetrischem Ladungsschwerpunkt – sind im Verband frei beweglich, die Ladungsverteilung im lockeren Gefüge wechselt infolgedessen beständig. Diese Bindungsart kommt im Bauwesen bei weichen und leicht schmelzbaren Kunststoffen (Thermoplaste) vor 10 sowie auch bei Flüssigkeiten (Benzol) und Gasen (H2, O2 ).11

✏ deshalb der Begriff ‚Wasserstoffbrücke‘

☞ Abschn. 10. Grenzflächen, S. 110

☞ Abschn. 9.1.2 Künstliches Gestein - hydraulische Bindemittel, S. 100 ☞ Abschn. 9.3.2 Kunststoffe, S. 106

8.

Die molekulare Stoffstruktur

• Wasserstoffbrückenbindung infolge der elektrostatischen Anziehung zwischen permanenten Dipolen (wie Wasser) ( 18). Sie beruht auf der Fähigkeit des Wasserstoffatoms, eine Bindung mit mehr als einem weiteren Atom einzugehen ( ✏). Diese Art Bindung erklärt auch wesentliche Eigenschaften des Wassers, die für das Bauwesen eine fundamentale Bedeutung haben: so beispielsweise die Haftung von Wassermolekülen an Oberflächen von Festkörpern ( ☞) sowie einige bei näherem Hinsehen bemerkenswerte physikalische Eigenarten von Wasser wie der vergleichsweise hohe Schmelz- und Siedepunkt. Auch bei der kristallinen Struktur von Eis sind Wasserstoffbrücken beteiligt. Ferner erklären sich baulich äußerst relevante Prozesse wie die Hydratation des Zements ( ☞) sowie auch wichtige Eigenschaften von Kunststoffen ( ☞ ) aus den Eigenarten dieses Bindungstyps.12 Auf molekularer Ebene, was die Ausbildung komplexerer Verbindungen aus einzelnen Atomen von chemischen Elementen angeht, können sich chemische Strukturen mit strenger regelmäßiger Ordnung bilden, also kristalline Raumgitter ( 19) oder unregelmäßige Gefüge aus Atomen oder Molekülen, die amorphen Gefüge ( 20), bei denen keinerlei Fernordnung wie bei den Kristallen erkennbar ist. Kristallines Gefüge weisen Stoffe wie Metalle, Mineralien, Eis auf, als amorphe Stoffe gelten beispielsweise Glas und Kunst-

1. Materie

87

stoffe. Die Eigenheiten des molekularen Aufbaus von Kristallen und amorphen Stoffen sind fundamental für das Verständnis des spezifischen Verhaltens für das Bauen wesentlicher Stoffe und sollen im Folgenden näher beleuchtet werden.

δ–

-

-

-

δ+

- +

+

δ+

δ–

δ–

17 Schaubild einer van-der-Waals-Bindung. δ+

δ+

δ+

δ+

18 Wasserstoffbrückenbindung zwischen Wassermolekülen.

19 Kristalgitter: regelmäßige Ordnung. 20 Amorphes Gefüge: keine Ordnung.

88

Kristalle ✏ letztere wird in der Literatur manchmal als Spezialfall der Ionenbindung betrachtet

Kristalle bilden sich sowohl als Folge der Ionen- wie auch der Metallbindung (✏), man kann also festhalten, dass mineralische und metallische Stoffe auf diesem Aufbau basieren. Wie ausgeführt, kann man einen Kristall folgendermaßen definieren: Ein Kristall ist ein fester Stoff, dessen kleinste Bausteine nach bestimmten Symmetrieverhältnissen periodisch angeordnet sind.13

21 Quarzkristall

Temperatur

8.1

III Stoffe

Abkühlung

Erwärmung

flüssig (Schmelze)

flüssig (Schmelze)

Haltepunkt fest (Kristall)

fest (Kristall) Zeit

22 Haltepunkt beim Schmelzen oder Verfestigen.

23 Gefüge aus Einkristallen mit jeweils in sich geordneten Kristallgittern (s. auch  58).

Viele Feststoffe zeigen ihren kristallinen Aufbau bereits bei Betrachtung mit bloßem Auge. Sie bestehen aus großen Kristallen mit regelmäßigen ebenen Begrenzungsflächen in spezifischen polyedrischen Anordnungen ( 21). Sofern sie spaltbar sind, zerfallen sie entlang deutlich erkennbarer Trennebenen. Im mikroskopischen Maßstab leiten sich Kristallgitter im Wesentlichen von sechs verschiedenen Grundmustern ab, denen spezifische Koordinatensysteme zugrundeliegen. Diese regeln die exakte Winkellage der Gitterelemente zueinander und die Abstände zwischen ihnen. Im Raumgitter, das sich zunächst theoretisch unendlich erstreckt, praktisch aber infolge verschiedener Störeinflüsse im Rahmen des so genannten Einkristalls begrenzt bleibt, sind die Gitterelemente Schwingungen unterworfen, die mit ansteigender Temperatur zunehmen. Bei Erreichen der Schmelztemperatur wird die zusätzlich zugeführte Wärme (mengenmäßig gleich der bindenden Gitterenergie) zunächst zum Lösen der Gitterstruktur aufgebraucht, so dass zunächst trotz ansteigender Temperatur ein charakteristischer Stillstand (Haltepunkt) ( 22) eintritt, bevor die Gitterstruktur auseinanderbricht und der Feststoff in eine viskose bis flüssige Schmelze übergeht. Dann gehen die Teilchen in eine ungeordnete, also amorphe Struktur über. Im Wesentlichen befinden sich amorphe Stoffe in diesem einer Schmelze vergleichbaren Zustand. Bei ihnen kommt es als Folge spezifischer Verhältnisse nie zu einer Kristallisation. Die Schmelze erstarrt zwar zum Feststoff, doch ohne die Fernordnung des Kristalls zu generieren. Es existiert auch kein ausgeprägter Schmelz- oder Erstarrungspunkt; diese Wechsel im Aggregatzustand erfolgen bei amorphen Stoffen kontinuierlich. Das Ausbilden des Kristalls bei Erstarren der amorphen Schmelze wird als Kristallwachstum bezeichnet und stellt das Einrasten oder Einrenken der Gitterbausteine in die strenge Kristallordnung als Folge der aktivierten Ionen- oder Metallbindungskräfte dar. Kristallwachstum kann auch beim Kristallisieren von Lösungen auftreten. Dieser Prozess ist von komplexen Einflüssen abhängig und findet gleichzeitig an zahlreichen Orten statt. Es bilden sich verschiedene räumlich getrennte Einkristalle ( 23) aus, die im Verlauf des Kristallwachstums an ihren Grenzen aneinanderstoßen und sich in ihrem Wachstum gegenseitig behindern oder blockieren, so dass der Prozess zum Stillstand kommt. Als Folge davon findet man nur in den seltensten Fällen reine Kristallstrukturen mit durchgängiger störungsloser Fernordnung gemäß Theorie vor, sondern mehr oder weniger körnige Gefüge einzelner – ihrerseits

1. Materie

89

mit Wachstumsfehlern behafteter – Einkristalle, die als Kristallite bezeichnet werden. Deswegen werden etwaige Ausrichtungen des Raumgitters, also Anisotropien, die für den einzelnen Kristallit gelten, oftmals durch die wahllose Ausrichtung der Einzelkörner im Gesamtgefüge wieder aufgehoben, so dass auf makroskopischer Betrachtungsebene wieder ein isotroper Stoff entsteht – wie z. B. bei Metallen der Fall. Die regelmäßige Grundstruktur des kristallinen Raumgitters ist in Wirklichkeit mit zahlreichen Gitterbaufehlern durchsetzt. Dies können unbesetzte Fehlstellen im Gitter sein ( 24), Substitutions- ( 25) oder auch Zwischenbausteine ( 26) im Raum zwischen den Gitterknoten. Es gibt ferner Versetzungen des Gitters, bei denen das Ordnungsraster eines bestimmten Gitterabschnitts um einen oder mehrere Gittermodulmaße, um ein Vielfaches der so genannten Elementarzelle, verspringt ( 27, 28). Diese lokalen Strukturfehler sind oftmals Ausgangspunkte für Gleitprozesse oder Risse im Gefüge. Man spricht unter Berücksichtigung dieser Abweichungen gegenüber dem Idealkristall vom Realkristall oder von der Realstruktur.

24 Fehlstellen im Raumgitter. Einzelne Orte für Gitterbausteine sind nicht besetzt. 25 Substitutionsmischkristall (SMK). Größere Atome der Zweitkomponente können sich nicht in Zwischengitterlücken einordnen. Es erfolgt stattdessen die Substitution eines regulären Gitterbausteins. Beispiel: Cr, Ni im Fe-Gitter des Stahls.14

26 Einlagerungsmischkristall (EMK). Kleinere Atome der eingelagerten Komponente lagern sich in Zwischengitterlücken ein regelloser Ordnung ein. Beispiel: Kohlenstoff C in einem Fe-Raumgitter wie bei Stahl.15

27 Gitterbaufehler. Schraubenversetzung.16

28 Gitterbaufehler. Stufenversetzung.17

90

III Stoffe

8.2

Amorphe Stoffe

Wie erwähnt, weisen amorphe Stoffe keinerlei erkennbare regelmäßig-periodische Fernordnung auf, sondern bestehen aus einem ungeordneten Gefüge. Sie entstehen aus der Erstarrung einer Schmelze, die durch Erwärmung wieder kontinuierlich, ohne klar definierten Schmelzpunkt wieder in viskosen Zustand versetzt wird. Man kann bei amorphen Stoffen also von einer festen Lösung sprechen.18

8.3

Organische Molekülketten

Im Gegensatz zu den spezifischen Eigenschaften der Metallatome und des Siliciumatoms, die Grundbausteine für die kristallinen und einige amorphe Stoffe sind, die im Bauwesen vorkommen, weist das Kohlenstoffatom C die Tendenz auf, kovalente oder Atombindungen einzugehen. Die kovalente Bindung mit sich selbst (z. B. im Diamant) bzw. mit dem Wasserstoffatom H (✏) ist außerordentlich stabil. CH-Verbindungen werden als Kohlenwasserstoffe bezeichnet und stellen die stoffliche Grundlage für alle lebenden Organismen wie auch für alle Kunststoffe dar ( 29-31). Im baulichen Einsatz finden sich zahlreiche organische Substanzen aus Kohlenwasserstoffen. Dazu zählen:

✏ dessen Elektronegativität 2,1 nahe bei der des Kohlenstoffs 2,4 liegt

• Holz (Grundbaustoff Cellulose) • Kunststoffe • bituminöse Bindemittel. Allen diesen Stoffen ist eine charakteristische Struktur aus langen Molekülketten oder Makromolekülen gemeinsam. Diese können ähnlich wie die Kristalle als Riesenmoleküle ( 32) bezeichnet werden, deren Abmessungen bis in makroskopische Größenordnung reichen können. Sie weisen gegenüber Kristallen aber stark abweichende Charakteristika auf. Ihnen fehlt in den meisten Fällen – Holz teilweise ausgenommen – die Festigkeit und Beständigkeit von kristallinen Feststoffen. Makromolekulare Stoffe, deren Bausteine in ihrem Aufbau einer erkennbaren periodischen Ordnung entsprechen, bezeichnet man als Polymere. Der Vorgang, bei dem Molekülketten entsteht, die Polymerisation, ist teilweise mit dem Prozess des Kristallwachstums vergleichbar: unter externer Energiezufuhr – beispielsweise aus der Sonneneinstrahlung – werden Atomrümpfe (Radikale), Ionen oder ungesättigte Monomere (einfachere molekulare Bausteine) zu längeren Strängen oder netzartigen Strukturen synthetisiert. Dies erfolgt in Form einer Kettenreaktion. Die Photosynthese, bei der unter der Einwirkung von Licht und dem Initiator Chlorophyll Grundbaustoffe der Pflanzen – und damit des Holzes – wie Cellulose und Lignin erzeugt werden, ist ein Beispiel für einen natürlichen Polymerisationsprozess. Auf künstlichem Wege erfolgt beispielsweise die Synthetisierung von Kunststoffen.19 Allen Polymeren gemeinsam sind folgende wesentliche Eigenschaften: 20

1. Materie

29 Verbindung eines Kohlenstoffatoms mit vier Wasserstoffatomen zu CH4 (Methan).

91

30 Verbinden sich zwei Kohlenstoffatome mit einer Doppelbindung, werden jeweils zwei HAtome angelagert. Es entsteht Ethen, auch als Ethylen bezeichnet.

31 Aus zwei CH 4 -Tetraedern entsteht ein Ethan-Molekül.

• gute Beständigkeit gegen den Angriff anorganischer Säuren, Basen und Salzen. Gute Dauerhaftigkeit gegenüber Witterungseinflüssen. • Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff, hohen Temperaturen und UV-Strahlung. Übermäßige Wärme spaltet die Atombindung der Makromoleküle aus C und H. Dies gilt auch für die UV-Strahlung, wenngleich sich bei ihr der Zersetzungsprozess über einen längeren Zeiträum erstreckt. Sowohl Kunststoffe als auch bituminöse Substanzen und Holz reagieren aus diesem Grunde empfindlich gegen übermäßige Sonneneinstrahlung. Es sind deshalb spezifische planerische und konstruktive Maßnahmen erforderlich, um diesem Umstand Rechnung zu tragen. Diese Charakteristik erklärt auch die vergleichsweise hohe Empfindlichkeit organischer Stoffe gegen Feuer. • geringe Steifigkeiten (E-Module) haben bislang organischen Baustoffen – mit Ausnahme von Holz –, die Verwendung in Primärtragwerken weitgehend verwehrt. Es gibt Bestrebungen, insbesondere Kunststoffe – wegen ihrer guten Beständigkeit und guten Wärmedämmfähigkeit, s. u. – für diesen Zweck tauglich zu machen. Hohe Plastizität und Elastizität erweisen sich bei bituminösen Substanzen für spezifische Funktionen wie Abdichten hingegen als deutlicher Vorzug. • gutes Wärmedämmvermögen infolge der Atombindung im Vergleich zu anorganischen Stoffen. Dies ist insbesondere unter dem aktuellen Gebot der Energieeinsparung ein großer Vorzug von Holz und Kunststoffen insbesondere im Einsatz an Gebäudehüllen.

CH2

CH2

CH2

CH2

32 Eine Polymerkette aus Ethylenmolekülen entsteht durch Aufbrechen der C-Doppelbindung (vgl.  30) und Einregeln der C- und H-Atome in die Tetraeder-Grundstruktur (wie auf  31). Das Resultat ist Polyethylen.

92

III Stoffe

9.

Das Stoffgefüge

Atom- oder Molekularstrukturen wie sie in vorangegangenen Abschnitten besprochen wurden, geben den submikroskopischen Aufbau eines Stoffs wieder, erstrecken sich zumeist aber nicht kontinuierlich regelmäßig über einen Festkörper mit bautypischen Abmessungen. Sie sind hingegen in einem für den jeweiligen Stoff typischen makroskopischen Material- oder Stoffgefüge geordnet, das dem Prinzip des molekularen Aufbaus gewissermaßen übergestülpt oder überlagert ist ( 33-35). Das makroskopische Stoffgefüge ist für den technischen Einsatz, beispielsweise im Bauwesen, von entscheidender Bedeutung. Es soll im Folgenden in seinen übergeordneten Hauptkategorien näher betrachtet werden:

9.1

Mineralische Stoffe

Mineralische Stoffe weisen fast ausschließlich einen kristallinen Grundaufbau auf. Alle natürlichen Gesteine sind entweder magmatischen Ursprungs, d. h. sind direkt aus dem Erstarren von glühender Magma entstanden (✏), oder leiten sich indirekt von Erosionsprodukten von Magmagestein ab, die im Rahmen geologischer Formungsprozesse unter Einwirkung von Wärme und Druck erneut zu festem Gestein gefügt wurden (✏). Auch künstliche Steine basieren auf den gleichen magmatischen Grundgesteinen ( ☞).21 Der chemische Grundbaustein mineralischer Stoffe ist Siliciumdioxid (SiO2), in der Erscheinungsform als Quarz, sowie Aluminiumoxid (Al2O3) und andere Oxide. Das Siliciumdioxid kristallisiert in Kristallkeimen zu Riesenmolekülen mit Raumgitterstruktur. Dabei ist das Siliciumatom tetraedrisch von vier Sauerstoffatomen umgeben ( 36). Diese dreidimensionale Elementarzelle ist dank der bindungsfähigen Sauerstoffatome an den Ecken in der Lage, ausgedehnte räumliche Gitterstrukturen zu generieren ( 37) und bildet eine außerordentlich stabile und widerstandsfähige Verbindung, welche in Gesteinsform erdgeschichtliche Zeiträume von vielen Jahrmillionen überdauert hat und sich in baurelevanten Zeitspannen durch eine außerordentlich gute Dauerhaftigkeit auszeichnet. Dies gilt im Wesentlichen für die meisten Natursteine und technischen Derivate wie Beton oder künstliche Bausteine.22 Siliciumdioxid kann ferner auch in anderer Form kristallisieren:23 kettenförmig ( 38), bandförmig wie bei Asbestfasern ( 39) sowie auch schichtförmig wie bei Tonmineralien ( 40). Es sind dann statt wie beim Raumgitter keine 4, sondern nur 3 (Schicht), 2 (Band) oder 1 (Kette) Sauerstoffatom des SiO2-Tetraeders gebunden, an die restlichen lagern sich Ionen an.

✏ Urgestein, 95% der Erdkruste

✏ Sedimentgesteine, metamorphe Gesteine, 5% der Erdkruste ☞ Abschn. 9.1.2 Künstliches Gestein, S. 94

9.1.1 Natürliches Gestein

✏ wie bei Sandstein ✏ wie bei Kalkstein

Das Kristallwachstum erfolgt beim Erstarren flüssiger Magma in Form isolierter Kristallite, die an ihre Korngrenzen stoßen und sich dadurch gegenseitig in ihrem Wachstum behindern – es entsteht eine Körnung ( 41). Oder das Gestein bildet sich aus Erosionsprodukten von magmatischem Gestein (✏) bzw. aus Skelettresten von Lebewesen ( ✏) bereits aus festen Einzelpartikeln (Sedimentpartikel), die aufgrund des äußeren Einflusses der Diagenese – des Pressens und Sinterns von Kristallpulver oder anderen Partikeln

1. Materie

93

33 Starke Abweichungen im Materialgefüge von Gesteinen.

34 Materialgefüge von Stein.

35 Materialgefüge von Holz.

O

O

O Si

36 Kugelmodell des Moleküls von Siliciumdioxid SiO2 mit tetraederförmiger Geometrie.

O

37 Kugelmodell des Ionengitters von Siliciumdioxid SiO2 (Quarz) aus tetraederförmigen Molekülen.

38 SiO2-Molekül in Kettenstruktur mit Darstellung des Tetraedergitters. Das vierte O-Atom befindet sich bei dieser Darstellung hinter dem Si-Atom.

39 SiO2-Molekül in Bandstruktur.

40 SiO2-Molekül in Schichtstruktur.

94

III Stoffe

unter Druck und hohen Temperaturen – zu festem Gesteinsgefüge verschweißt werden ( 42). Dabei kann es auch zu Um- oder Neukristallisationen kommen oder es können Bindemittel eingelagert werden, die das Korngemenge zusammenschweißen. Es können sich vielfältige Spalten, Porenräume und Kavernen bilden. Dies führt jeweils zu einem spezifischen Korngefüge, das charakteristisch für das Gestein ist. Typisch für Sedimentgesteine ist das Einregeln der Körner in Ablagerungsschichten. Sie geben eine deutliche Anisotropie des Materials vor, die auch baulich zu berücksichtigen ist. Auch metamorphe Gesteine zeigen zumeist typische Formen der Einregelung von Körnern. Sie können zu einer Schieferung oder einem schlierigen bzw. lagig-streifigen Korngefüge führen. Diesem Korngefüge ist ein übergeordnetes Großgefüge aus tektonischen Umformungen wie Faltung, Klüftung oder Schieferung überlagert.24 9.1.2 Künstliches Gestein ☞ Kap. III-3 Stein und III-4 Beton

Künstliches Gestein wird zur Erlangung spezifischer Eigenschaften hergestellt, die mit natürlichem Gestein nicht, oder nicht in der notwendigen Kombination, realisierbar sind (☞). Es ermöglicht des weiteren, Werkstoffe mit spezifischen Charakteristika dort herzustellen, wo geeignete Natursteine nicht zur Verfügung stehen oder nur mit hohen Kosten herantransportiert und bearbeitet werden können. Künstliches Gestein lässt sich beispielsweise mit hoher Porosität fertigen, eine Eigenschaft, die für ein gutes Wärmedämmvermögen unerlässlich ist. Bereits der älteste künstliche Stein, der Ziegelstein, hatte dem Konkurrenzprodukt Naturstein diesen spezifischen Vorteil voraus. Ferner eröffnet die Herstellung künstlicher mineralischer Stoffe die baulich sehr wichtige Möglichkeit, ohne nennenswerten Zusatzaufwand freie Formen zu realisieren. Bei natürlichem Gestein ist hierfür arbeits- und energieaufwendiges Brechen, Spalten, Schneiden und Bearbeiten des festen Minerals notwendig ( 43). Bei künstlichem Gestein wie beispielsweise dem Beton genügt es, den noch nicht erhärteten plastischen Brei aus Wasser, Zuschlag und Bindemittel in die gewünschte Form zu bringen und aushärten zu lassen ( 44). Der Aushärtungsvorgang ist je nach Art des künstlichen Gesteins von spezifischen chemischen Reaktionen oder physikalischen Einwirkungen abhängig, aufgrund deren Partikel von Zuschlag und Bindemittel zu einem festen Stoffgefüge zusammengeschweißt werden. Dennoch ist für die Herstellung künstlichen Gesteins, und insbesondere der dafür notwendigen Bindemittel, ein nicht zu vernachlässigender Energieverbrauch erforderlich, da bei ihr gezielt entweder spezifische physikalische Wirkungen oder endotherme chemische Prozesse hervorgerufen werden. Es handelt sich dabei vor allem um Brennvorgänge wie das Brennen von Kalk, Gips oder Zement. Diese Energie wird beim Aushärten zum Teil wieder in Form von Wärme freigesetzt (exotherme Reaktion). Die Verfestigung des Gemisches aus mineralischen Partikeln und Wasser sowie ggf. auch atmosphärischen Gasen zu einer baulich

1. Materie

95

41 Gesteins-Grobgefüge: Natürlich entstandene Basaltsäulen an der nordirischen Küste (Giant‘s Causeway).

42 Lagige Struktur eines Sedimentgesteins (Travertin).

43 Ägyptische Steinmetzen

44 Handstreichen eines Ziegels durch Formen in der Kastenform

verwertbaren festen Gesteinsmasse erfolgt im Wesentlichen nach drei fundamental unterschiedlichen Prinzipien: • Trocknen oder Brennen von Lehmmassen. • Anmischen und Erhärtenlassen von nicht-hydraulischen Bindemitteln, so genannten Luftmörteln • Anmischen und Erhärtenlassen von hydraulischen Bindemitteln. Wegen ihrer großen baulichen Bedeutung sollen diese drei Prozesse sowie die daraus hervorgehenden Stoffgefüge im Folgenden in ihren Grundzügen dargestellt werden.

96



III Stoffe

• künstliches Gestein - Grundmine- ralien



Alle künstlichen Gesteinsprodukte leiten sich von Grundmineralien ab, die als Erosionsprodukte von magmatischem Gestein wie Granit hervorgehen. Es sind dies • Quarz (SiO2) in Form seines Verwitterungsprodukts Sand. • Feldspat (Al2O3 2SiO2 CaO) in Form seiner chemischen Spaltprodukte Ton (Al2O3 2SiO2) und Calciumoxid (CaO). • Glimmer (K Mg Fe (OHF)2 AlSi3O10)



☞ Übersicht in  57, S. 103



• künstliches Gestein - Lehmprodukte



☞ Abschn. 11.3 Plastische Verformung - Gleiten, S. 117 ☞ siehe den Begriff der Adsorption im Abschn. 10. Grenzflächen, S. 110

Diese werden entweder in reiner Form – wie beim Quarz – oder in Form ihrer chemischen Spaltprodukte – wie beim Feldspat – in einem technischen Prozess verarbeitet und erzeugen in verschiedenen Kombinationen neuartige gesteinsähnliche Feststoffe ( ☞). Mischungen aus Tonmineralien (Aluminiumsilicaten), Sand (Quarz) und Glimmer ergeben Lehm, das den Grundstoff nicht nur getrockneter Lehmsteine oder kompletter monolithisch gegossener Stampflehmkonstruktionen darstellt, sondern auch sämtlicher keramischer, gebrannter Lehmprodukte wie Ziegel. Tonmineralien bestehen aus flachen, plättchenartigen Kristallen, die aufgrund ihrer sehr kleinen Größe (Ø ~ 0,2 bis 1 mm, d ~ 0,01 mm eine große Oberfläche aufweisen, an der sich Wasser anlagern kann ( 45).25 Glimmer zeigt eine ähnliche kristalline Plättchenstruktur. In feuchten Zustand sind die außerordentlich feinen Bestandteile Ton und Glimmer mit dem Sand zu einer weichplastischen Masse verbunden, deren vergleichsweise hoher Wassergehalt ein freies Aneinandergleiten der flachen Partikel erlaubt, und die sich mit der bloßen Hand kneten lässt ( 46) (☞). Entweicht dieses Wasser weitgehend durch Trocknung, stellt sich eine Wasserbindung zwischen den Tonplättchen infolge des stark haftenden, nur wenige Molekülschichten dicken Adsorptionswassers ein (☞). Die Mineralplättchen verkeilen sich gegenseitig ( 47). Die Masse verfestigt sich zu einem porösen, mit feinsten Hohlräumen durchzogenen Feststoff. Baupraktisch kommt dieser als luftgetrockneter Lehmziegel oder Stampflehm ( 48) zum Einsatz. Die Struktur ist nicht sehr witterungsbeständig, hat eine geringe Festigkeit und löst sich unter Einwirkung von Wasser verhältnismäßig rasch wieder auf. Wesentlich bessere mechanische Eigenschaften und bedeutend größere Dauerhaftigkeit erzielt man durch das Brennen von Lehm, also durch die Erzeugung von keramischen Stoffen. Der Brennvorgang beseitigt bis zu einer Temperatur von rund 400 bis 500° C zunächst das Adsorptionswasser und das gebundene Kristallwasser, so dass das Material wasserfest wird. Bei erhöhter Temperatur von rund 800° C bis 1000° C verbacken die Tonpartikel infolge chemischer Reaktionen zu einer festeren Struktur. Ab 1200° C erfolgt ein Sintern des Materials, also ein Verschmelzen der Bestandteile zu einer glasigen, sehr festen und dauerhaften Klinkerstruktur mit

1. Materie

97

SiO2-Tetraeder

SiO2

O-Al-OH Oktaeder Al

46 Tonmineralplättchen mit hohem Wassergehalt. Die Plättchen gleiten infolge des zwischen ihnen eingeschlossenen freien Wassers ungehindert aneinander vorbei. Feuchtplastische Konsistenz.

SiO2

SiO2-Tetraeder

45 Molekularer Aufbau des Tonminerals Montmorillonit. Zwei Lagen SiO2- und eine Zwischenlage O-Al-OH-Moleküle bilden ein flaches Plättchen mit einer Dicke von wenigen 1/1000 mm.

47 Tonmineralplättchen mit niedrigem Wassergehalt. Die Plättchen haften infolge des adsorptiv an ihren Flächen haftenden, nur wenige Molekülschichten dicken Wasserfilms aneinander fest. Es bilden sich zwischen ihnen kapillare Hohlräume.

48 Stampflehmbau in Nordafrika. 49 Klinkermauerwerk

98

III Stoffe

☞ Kap III-4 Beton sowie Kap IV-1, Abschn. 4. Mauermörtel, S. 255





• künstliches Gestein - nicht-hydrau- lische Bindemittel Luftkalke

neugeformtem Kristallgefüge ( 49). Die im Folgenden beschriebenen hydraulischen und nichthydraulischen Abbindeprozesse gehen aus Reaktionen zwischen chemischen Spaltprodukten von Feldspat hervor, also im Wesentlichen von Aluminiumsilicaten und Calciumoxid. Sie beruhen auf der Wirkung so genannter Bindemittel, die inerte, also reaktiv nicht tätige Zuschlagspartikel unter Mitwirkung von Anmachwasser in Form einer Matrix zu einem festen Gefüge zusammenbinden (50). Neben den Eigenschaften der Bindemittel selbst kann die Wahl der Zuschläge einen großen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften des künstlichen mineralischen Werkstoffs ausüben (☞). Luftkalke: Calciumoxid CaO reagiert im natürlichen Entstehungsprozess von Gestein mit CO2 zu Calciumcarbonat (CaCO3). Es bildet sich der natürliche Kalkstein. Dieser wird zur Herstellung von Bindemitteln für das Bauwesen im Tagebau gebrochen, zerkleinert und anschließend bei 900 bis 1300° C gebrannt.26 Dabei entweicht das Kohlendioxid CO2 und es entsteht Branntkalk, also im Wesentlichen Calciumoxid CaO ( 51, 52). CaCO3 → CaO + CO2 Diese Reaktion ist endotherm, verbraucht also Wärmeenergie. Durch Löschen mit Wasser wird dieser Branntkalk in Kalkhydrat (Ca(OH)2) überführt. Bei dieser exothermen Reaktion wird Wärme wieder freigesetzt. CaO + H2O → Ca(OH)2 In diesem Zustand des Kalkhydrats ist der gelöschte Kalk in pulvriger Form vorbereitet für den letzten Schritt hin zur künstlichen Reproduktion von Calciumcarbonat CaCO3, also von Kalkstein, unter technisch steuerbaren Bedingungen zum Einsatzzweck als Mörtel: durch Hinzugabe von Anmachwasser und Zuschlägen wird das Kalkhydrat angemischt und verarbeitet. Das beigemengte Wasser reagiert mit dem Kohlendioxid CO2 der Luft (deshalb die Bezeichnung Luftkalke) zu Kohlensäure, diese verbindet sich im Vorgang der Carbonatisierung zuletzt mit Calciumoxid zu Calciumcarbonat CaCO3. Dabei wird Wasser chemisch abgespalten: Ca(OH)2 + H2O + CO2 → CaCO3 + 2 H2O Die charakteristischen Merkmale dieses Prozesses sind: • Auch wenn bei der chemischen Reaktion von Kalkhydrat und Kohlensäure Wasser chemisch abgespalten wird, ist Anmachwasser erforderlich, um eine anfängliche Bindung zwischen den Bestandteilen zu ermöglichen. Der geringe Anteil von CO2 an der Luft (0,03%) ermöglicht nur eine langsame Aushärtung, so dass in der Anfangsphase eine Bindung zwischen den Partikeln

1. Materie

50 Betonmatrix mit eingebettetem Zuschlag.

99

51 Brechen des Kalksteins.

52 Kalksteinsortierung vor dem Brennen.

des Mörtels nur durch die Adsorptionswirkung von Wasser möglich ist. Diese Wasserbindung wird dann sukzessive durch die chemische Carbonatisierung (s. o.) ersetzt. • Zusätzlich zum Anmachwasser, das durch Trocknung ausdiffundieren muss, fällt chemisch freigesetztes Wasser an, das ebenfalls entweichen muss und die Austrocknungsphase nach Baufertigstellung spürbar verlängert. • Da die Carbonatisierung nur durch die Mitwirkung von CO 2 stattfinden kann, erhärten die Mörtelschichten infolge des Eindiffundierens von CO2 langsam von außen nach innen. Dieser Prozess ist langwierig und erfordert eine ständige Mindestfeuchte (s. o.). In dicken Mauerkernen verarbeitete Luftkalke können noch nach vielen Jahren in plastisch-feuchtem Zustand verharren. Übermäßige Trockenheit, z. B. bei direkter Sonneneinstrahlung, kann die Carbonatisierung verhindern und die Festigkeit des Mörtels deutlich beeinträchtigen. • Grundsätzlich ergeben Luftkalke eine außerordentlich lockere und feinporige Materialstruktur, die eine vergleichsweise große Dampfdiffusionsfähigkeit aufweist: eine Eigenschaft, die insbesondere bei Verputzen höchst willkommen ist ( ☞). Ferner reagieren diese Mörtel auf mechanische Beanspruchung ausgesprochen elastisch, wodurch kleinere Risse im Putzgrund ohne Beeinträchtigung der Regendichtigkeit des Verputzes aufgenommen werden können ( ☞).

☞ Kap. IV-1, Abschn. 5.1 Außenputze, S. 260 ☞ GoreTex® -Prinzip im Kap. V-3, Abschn. 1.1 Schutz vor Feuchte, S. 511, 520

100



III Stoffe

Gips



☞ Künstliches Gestein - hydraulische Bindmittel, weiter unten

☞ Band 3, Kap. XIII Innere Hüllen

Gips ist eine Verbindung aus Kalk, Schwefel und Wasser, ein Calciumsulfathydrat (CaSO4 2H2O). Er wird entweder als Naturgips aus natürlichen Vorkommen, insbesondere aus Meeressedimenten gewonnen, oder alternativ als Chemiegips künstlich hergestellt. Er fällt auch in Form eines Abfallprodukts aus der industriellen Rauchgasentschwefelung an. Sein Einsatz als Baugips eröffnet eine umweltschonende Möglichkeit der Verwertung des Gipsabfalls. Wird dem Gips durch hohe Temperaturen das Kristallwasser entzogen, entsteht Anhydrit (CaSO4). Dieser Prozess kann im technischen Brennverfahren ablaufen (synthetischer Anhydrit) oder auch durch die Einwirkung von Hitze und Druck auf natürlichem Wege erfolgt sein (Naturanhydrit). Gipsstein wird in einem technischen Brennprozess in ein erhärtungsfähiges Bindemittel umgewandelt, wobei dem Gipsstein kontrolliert das Wasser entzogen wird. Der Erhärtungsvorgang nach dem Anmachen mit Wasser läuft in Form einer Hydratation ab, wobei Wassermoleküle in das Kristallgitter eingelagert werden. Ähnlich wie bei den hydraulischen Bindemitteln beschrieben (☞) wächst ein Geflecht von dünnen Kristallnadeln aus Calciumsulfathydrat heran, das sukzessive verfilzt und in ein festes Stoffgefüge übergeht.27 Charakteristische Eigenschaften der Baugipse sind: • Baugipse sind wasserlöslich. Sie sind folglich weder für den Außeneinsatz (keine Außenputze aus Gips) noch für die Verwendung in Nassräumen geeignet. Eine Ausnahme bilden entsprechend imprägnierte Gipskartonplatten für Feuchträume ( ☞). • Baugipse schwinden nicht wie alle sonstigen Bindemittel, sie quellen stattdessen bei Erhärtung infolge der Einlagerung von Kristallwasser im Laufe der Hydratation. Gipsputze sind folglich weniger rissempfindlich als andere. • Gips darf nicht mir hydraulischen Bindemitteln vermischt werden. Es ist pH-neutral, schützt Stahleinlagen nicht vor Korrosion.



• künstliches Gestein - hydraulische Bindemittel



Zusätzlich zu den reinen Kalken (CaO), die bei der Erzeugung nicht-hydraulischer Bindemittel verarbeitet werden, enthalten hydraulische Bindemittel Zusatzstoffe, die eine Stoffbindung durch chemische Mitwirkung von Wasser, und zwar ohne Beteiligung von Kohlendioxid CO2 aus der Luft, herstellen. Dies sind die so genannten Hydraulefaktoren, im Wesentlichen:28 • Siliciumoxid SiO2 • Aluminiumoxid Al2O3 • Eisenoxid Fe2O3 Sie sind in den Tonbestandteilen des Mergels enthalten, der die Grundlage für die Erzeugung hydraulischer Bindemittel darstellt. Mergel seinerseits ist ein Gemenge aus Kalk und Ton. An Calciumoxid CaO gebunden ergeben die Hydraulefaktoren folgende

1. Materie

101

Substanzen: • Dicalciumsilicat 2CaO SiO2 • Tricalciumaluminat 3CaO Al2O3 • Tetracalciumaluminatferrit 4CaO Al2O3 FeO3 In chemischer Reaktion mit Wasser bilden diese Substanzen im Prozess der Hydratation ein festes und dichtes Materialgefüge mit gesteinsähnlichen mechanischen Eigenschaften und guter Dauerhaftigkeit. Werden diese Ausgangsstoffe weitgehend ohne reine Kalke verarbeitet, spricht man von Zementen; sind hingegen teilweise auch reine Kalke enthalten, stellt sich eine Kombination von Hydratation (wie bei Zementen) und Carbonatisierung (wie bei Luftkalken) ein, und man spricht von hydraulischen Kalken. Diese erfordern also Wasser und Kohlendioxid für die Erhärtung und zeigen mechanische Eigenschaften, die zwischen der Härte und Dichte von Zementstein, also des erhärteten Zements, und der Elastizität und Porosität der Luftkalke liegen. Moderne Zemente sind die Grundlage der Betontechnologie und besitzen im heutigen Baugeschehen eine fundamentale Bedeutung. Bei ihrer Herstellung wird den Hydraulefaktoren gerade so viel Kalk beigemischt wie diese vollständig binden können. Es verbleibt also kein reiner Kalk. Höhere Brenntemperaturen als bei hydraulischem Kalk führen zur Bildung leistungsfähigerer Verbindungen wie Trical-

53 Hydratationsprozess. Die Zementkörner schweben im Anmachwasser. 54 Rasch bildet sich um die Zementkörner die Gelhaut. Der Zementkorn wird angelöst und es beginnt das Wachstum der Kristallnadeln des Zementsteins.

55 Die Hydratation setzt sich kontinuierlich fort und löst die Zementkörner konstant an. Das Geflecht aus Kristallnadeln verdichtet sich, das Gefüge erstarrt. 56 Bis zum Schluss des Hydratationsprozesses ist das Zementkorn vollständig aufgelöst und das Geflecht hat sich verdichtet. Es tritt die Erhärtung ein, das Gefüge ist stabil.

102

III Stoffe

☞ Kap V-6 Dauerhaftigkeit

☞ Kap III-4 , Abschn. 2. Zusammensetzung, S. 154



• künstliches Gestein - technisches Grundprinzip

& nachzulesen bei Hackelsberger Ch (1988) „Beton - Stein der Weisen? - Nachdenken über einen Baustoff“

ciumsilicat (3CaO SiO2), die ein rasches Abbinden erlauben. Tricalciumsilicate erzeugen bei Reaktion mit Wasser reichlich Kalkhydrate, welche für das korrosionshemmende alkalische Milieu im Beton verantwortlich sind (☞). Diese dürfen nicht durch Einwirkung von Kohlendioxid aus der Luft carbonatisieren, da ansonsten diese Schutzwirkung erlischt.29 Beim Verarbeiten des Zements lagert sich das Anmachwasser um die Zementkörner an und setzt – nach einer induzierten Verzögerungsphase, die eine vollständige Verarbeitung im feuchtplastischen Zustand erlauben soll – die Hydratation in Gang ( 53). Dabei wachsen zunächst während der Phase der Erstarrung lange, dünne Kristallnadeln aus Calciumsilicathydrat, die sukzessive ein filzartiges Geflecht um die Körner des Zuschlags, also eine zusammenbindende Matrix erzeugen ( 54). Diese Phase der Erstarrung hält etwa 24 Stunden an, anschließend setzt der Prozess der Erhärtung ein. Dabei lagern sich in die Hohlräume des Kristallgeflechts die Hydrate weiterer Zementbestandteile ein, die den jungen Zementstein aus den vergleichsweise bruchempfindlichen Kristallnadeln verfestigen ( 55). Dieser Hydratationsprozess setzt sich über einen längeren Zeitraum fort – bis zu mehreren Jahren – und klingt dann langsam ab. Die Dichte des Kristallgefüges ( 56) ist entscheidend für die mechanischen und bauphysikalischen Eigenschaften des Zementsteins sowie des daraus hergestellten Werkstoffs (Mörtel oder Beton). Sie ist von zahlreichen Faktoren abhängig und kann technisch durch entsprechende Zusatzmittel sowie durch einen gezielt eingestellten Wasserzementwert – das Verhältnis von Wasser- zu Zementmenge – feingesteuert werden (☞). Der feste Kalkstein, den man wie bei Luftkalken zunächst zerkleinert, wird nach Zugabe von tönernen Zusätzen, den Hydraulefaktoren, die ihn zum Abbinden ohne Luftkontakt befähigen, gebrannt (endotherme Reaktion) und anschließend zu feinem Pulver zermahlen. Dieser Prozess verbraucht naturgemäß Energie. Sie ist gewissermaßen latent im Zementpulver gebunden und wird freigesetzt, wenn es mit Anmachwasser in Kontakt kommt und die Hydratation einsetzt. Wiederum wird wie bei Luftkalken in einer exothermen Reaktion Wärme freigesetzt (Abbindewärme). Die im Zement gespeicherte Energie stellt im Prozess der Hydratation, nach anfänglicher Zerkleinerung des festen Ausgangsprodukts des Kalksteins, den zunächst aufgehobenen Stoffzusammenhalt des Kristallgefüges unter technisch kontrollierbaren Bedingungen – zum Zweck der Erlangung einer definierten Bauteilform oder bestimmter mechanischer Eigenschaften – durch erneutes Kristallwachstum wieder her. Anders als bei nicht hydraulischen Bindemitteln lassen sich Festigkeiten erzielen, die vergleichbar mit denen natürlicher Gesteine sind, oder sogar wesentlich größer. Diese Abfolge aus einem Zerstörungs- und einem anschließenden gezielten Wiederherstellungsprozess zur Schaffung eines neuartigen Materialgefüges stellt die technische Grundlegung des unerhörten Erfolgs künstlicher Gesteine wie des Betons dar.

1. Materie

103

Magmatite

Quarz SiO2

Glimmer

Feldspat Al2O3 2SiO2 CaO

+ CO2 Ton Al2O3 2SiO2

Sand SiO2

Kalkstein CaCO3

+ SO4H2O Gipsstein CaSO4 2H2O

Mergel

Lehm

Trocknen

Brennen

Tonerzeugnisse

Luftbindemittel

Hydraulische Bindemittel Hydraulischer Kalk

Branntkalk

Löschen Zement

Hydraulisches Kalkhydrat

Kalkhydrat

Gips Anhydrit

Zuschläge + Wasser Härten Luftgetrocknete Ziegel Stampflehm

Keramischer Ziegel

Beton Betonsteine

57 Schematische Übersicht über die Herstellung von künstlichem Gestein für baulichen Einsatz.30

Porenbeton Kalksandsteine

Mörtel

104

9.2

III Stoffe

Metallische Stoffe

☞ Kap. III-6, Abschn. 2. Materialstruktur, S. 175

Trotz zugrundeliegender geordneter Raumgitterstruktur des Einkristalls der Metalle setzen sich diese aus einem regellosen Haufwerk von beliebig ausgerichteten Kristalliten zusammen, die an den Korngrenzflächen zu einem homogenen Feststoff zusammengeschweißt sind ( ☞). An diesen Kontaktflächen zwischen Kristalliten bilden sich teilweise Zusammenschlüsse zwischen den anstoßenden Kristallgittern, die den stofflichen Zusammenhang, die Kohäsion garantieren. Die periodische Gitterstruktur der Einkristalle wird zumeist aber nur bruchstückhaft fortgesetzt (teil- oder semikohärente Korngrenzen) ( 58).31 Korngrenzen stellen stets eine Schwachstelle des Stoffgefüges von Metallen dar und bilden bevorzugte Ansatzpunkte für Korrosion und Mikrorisse. Wenngleich die Einzelkristalle in ihrer Struktur für sich betrachtet – von Gitterbaufehlern abgesehen – regelmäßig und gerichtet, also anisotrop sind, ist das vielkristalline Haufwerk in seiner Gesamtheit als Grobgefüge dennoch als richtungslos oder isotrop zu bezeichnen. Die Korngrößen bewegen sich im Bereich zwischen 10 und 100 mm. Man unterscheidet in der Metallurgie verschiedene Kristallgefüge aus folgenden Kristallformen: 32 • Globulite oder etwa kugelig geformte Polyeder ( 59). • Dendrite, die in mehrere ausgeprägte Richtungen wachsen oder Stengelkristalle in einer vorherrschenden Richtung (Gussgefüge) ( 60, 61) • Sphärolite oder fast vollständig kugelige Kristalle.

☞ Abschn. 11. Verformung, S. 112

9.3

Organische Stoffe

Das zunächst neutrale kristalline Haufwerksgefüge, das im Wesentlichen bei Erstarren der Schmelze durch gegenseitige Wachstumsbehinderung der Einkristalle entsteht, kann durch äußere Einwirkungen eine mehr oder weniger deutliche Ausrichtung erfahren, wie beispielsweise beim Warmwalzen oder Strecken von Stahl.33 Dies führt zu einer gewissen Anisotropie des Materials. Die Kombination von gerichteter Kristallstruktur und regellosem Haufwerk ist wesentlich für das Verständnis spezifischer Eigenschaften metallischer Werkstoffe, insbesondere des Stahls, so z. B. das Gleiten unter Belastung im 45°-Winkel zur Kraftachse (☞). Zu den organischen Stoffen zählen sowohl das Holz als auch die Kunststoffe. Auch wenn diese Stoffe zunächst keine besonders enge Verwandtschaft vermuten lassen, ist beiden wie bereits erwähnt sowohl die Kohlenwasserstoffverbindung als Grundbaustein sowie auch der molekulare Aufbau aus langen Kettenmolekülen gemeinsam. Dabei geht der Kohlenstoff C, anders als das Silicium Si, keine räumliche (kristalline) Struktur, sondern eine lineare Kettenstruktur ein. Es verbinden sich C-Atome längs miteinander und besetzen die freien Valenzen mit H-, O-Atomen oder auch Atomen anderer Elemente wie auch Verbindungen aus

1. Materie

105

diesen. Der organische Stoff ist folglich im Wesentlichen aus mehr oder weniger stark quer miteinander verknüpften Fadenmolekülen ( 62) aufgebaut. Diese Charakteristik bestimmt seine technischen Eigenschaften tiefgreifend.

59 Globulite

58 Vereinfachte modellhafte Darstellung eines kristallinen Haufwerks aus einzelnen Kristalliten, die an den Korngrenzen miteinander verschweißt sind.34 Obgleich hier zweidimensional dargestellt, sind die Kristallite regellos in drei Dimensionen orientiert.

60 Dendrite (Tannenbaumkristalle).

62 Schematische Darstellung von örtlich verknüpften Fadenmolekülen.

61 Dendrite (Stengelkristalle).

106

III Stoffe

9.3.1 Holz

Holz setzt sich zu einem wesentlichen Teil (ca. 50%) aus Cellulose ( 63) zusammen, einer Kohlenwasserstoffverbindung, die sich aus der linearen Addition mehrerer Tausend Glucosemoleküle (Monosaccharide) zu einem langen Strangmolekül ergibt. Cellulose wird als ein Polysaccharid bezeichnet. Auch das Lignin, das hauptverantwortlich für die Festigkeit der Holzstruktur ist, stellt ein organisches Kettenmolekül dar. Das molekulare Stoffgefüge von Holz baut auf einem Festigungsgewebe auf, das als verholztes, zähes und widerstandsfähiges Stützgewebe auch in vielen krautigen Pflanzen auftaucht: dem Sklerenchym (✏). Es weist eine hohe Festigkeit und Elastizität auf, die sich von ihrem submikroskopischen Aufbau ableitet:35 Zelluloseketten sind – in einer Matrix aus Lignin eingebettet – in Form paralleler Bündel zu Micellen gruppiert, die schraubenlinienförmig, teilweise in gegenläufigen Scharen, die Sklerenchymfaser durchziehen. Benachbarte Ketten 36 sind zusätzlich in bestimmten Abschnitten, den kristallinen Bereichen, durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft ( 64-66),37 was zu einer starken Vernetzung und zu hoher chemischer Beständigkeit des molekularen Gerüsts führt. Im Baumstamm finden sich Sklerenchymfasern vorwiegend im Spätholz (☞), das im Gegensatz zum Frühholz, das dem Safttransport dient, aus stark verdickten und verholzten Zellwänden besteht und eine wichtige Stütz- und Festigungsfunktion ausübt. Das hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften spezialisierte Spätholz weist gegenüber dem Frühholz auch unterschiedliche Verformungstendenz auf, was beispielsweise die charakteristische Neigung von Holz zum Verwerfen erklärt. Insgesamt ist Holz in seinem Gefüge, in ausgeprägtem Gegensatz zu anderen Werkstoffen, ein stark ausdifferenzierter, aus hierarchisch gestuften, stark auf spezifische Funktionen spezialiserten Bestandteilen aufgebauter Organismus. Seine Struktur ist komplex und zeigt deutlich erkennbare, jeweils spezifische Strukturmerkmale auf allen Skalen zwischen dem submikroskopischen und dem makroskopischen Maßstab. Sie hat tiefgreifenden Einfluss auf das Trag- und Verformungsverhalten des Werkstoffs, das infolgedessen deutlich komplexer als das einiger konkurrierender Werkstoffe ist. Näher hierzu wird im Kap. III-5 Holz eingegangen.

✏ skleros: gr. hart, enchym gr. Gewebe

☞ Kap. III-5 Holz, S. 163 H

OH

OH

H

CH2OH O

O H

H

H O

H

O OH

H

H

OH

H

O CH2OH

Cellulose (C6H10O5)n

63 Chemische Struktur der Cellulose: Ausschnitt aus einem Kettenstrang mit zwei Glucosemolekülen.

9.3.2 Kunststoffe ☞ Kap. III-8 Kunststoffe, S. 212

Es ist kein Zufall, dass der erste synthetisch erzeugte Kunststoff aus der natürlichen makromolekularen Substanz Cellulose entstand (Celluloid, 1860, ☞). Wie auch das Holz, bzw. sein Stützgewebe Sklerenchym, aus parallel gebündelten, lokal miteinander verknüpften langgestreckten Polymermolekülen besteht, so bauen sich Kunststoffe aus ähnlichen polymeren Makromolekülen auf, die entweder weitgehend parallel zueinander verlaufen, fallweise stärker oder schwächer quer miteinander verknüpft, oder in verschiedenen Graden ineinander verschlungen, verzwirbelt oder sogar watteähnlich verfilzt sind, bzw. auch kristallähnliche räumliche Strukturen bilden. Je nach Art des molekularen Gefüges findet sich auch ein spezifisches mechanisches und thermisches Verhalten, das sich

1. Materie

107

CellulosePolymerketten

gelenkiger Bereich

HemicelluloseGeflecht

kristalliner Bereich

Lignin-Mantel (Matrix)

64 Das molekulare Stoffgefüge von Holz - isometrische Darstellung einer aufgeschnittenen Micelle.

Wasserstoffbrücken kovalente Bindungen

65 Das molekulare Stoffgefüge von Holz - schematischer Längsschnitt durch die Micelle in  64.

CellulosePolymerketten

HemicelluloseGeflecht

Lignin-Mantel (Matrix)

Wasserstoffbrücken kovalente Bindungen

5 nm

66 Das molekulare Stoffgefüge von Holz - schematischer Querschnitt durch die Micelle in  64.

108

III Stoffe

weitgehend aus der Weise erklären lässt, wie die Makromoleküle einander anziehen, quer verknüpft oder ineinander verschränkt sind ( 67-69). Polymere, also aus verschiedenartigen Monomeren aufgebaute Kettenmoleküle, können hinsichtlich ihres Aufbaus in verschiedene Kategorien gegliedert werden.38 Neben regelmäßig linearen Ketten existieren auch verzweigte Makromoleküle oder auch Kettenmoleküle mit lokalen Seitensträngen aus angelagerten Monomeren, die wie Pfropfen seitlich quer abstehen (Pfropfpolymerisation) und gleichsam wie Dorne oder Noppen die Fähigkeit haben, sich mit benachbarten Makromolekülen zu verhaken. Ferner besitzen einige Monomere freie, reaktionsbereite Stellen im Molekül, die den Kettenstrang dazu befähigen, auch dreidimensional vernetzte Riesenmoleküle zu bilden. Dies führt zu einem kristallähnlichen Aufbau, einer engen molekularen Vernetzung und zu vergleichsweise guter Härte und Festigkeit, z. B. bei Melamin-FormaldehydHarzen MF. 39 Je nach Art der molekularen Verknüpfung der Polymere unterscheidet man drei große Gruppen von Kunststoffen, die diese auch hinsichtlich ihres Werkstoffverhaltens bezeichnen:

☞ Kap. III-8 Kunststoffe, S. 213

☞ Abschn. 7.4 Nebenvalenzbindungen, S. 86

• Plastomere oder Thermoplaste bestehen aus fadenförmigen, linear aneinander gelegten oder auch verknäuelten, aber nicht vernetzten Kettenmolekülen, die als lineare, unverzweigte Stränge aus der reinen Polymerisation hervorgehen ( ☞). Die Stoffkohäsion ergibt sich aus Anziehungskräften, die zwischen diesen Fäden wirken; dies sind van-der-Waals-Kräfte, die von der gegensätzlichen Polarität randständiger H-Atome hervorgerufen werden ( 69). Diese vergleichsweise schwache Anziehungskraft ( ☞) wirkt in lokalen Abschnitten – den kristallinen Bereichen –, dazwischen verlaufen die Ketten frei ohne Kontakt – in den gelenkigen Bereichen ( 70). Diese Struktur führt je nach Dichte der Verfilzung der Fadenstränge miteinander entweder zu weichplastischen Stoffen bei vorwiegend langgestreckten und glatten Makromolekülen, oder zu weichelastischen wenn die gegenseitige Verhakung stärker ist.40 Allen Plastomeren ist die Eigenschaft gemeinsam, bei ansteigender Temperatur weich, dann plastisch formbar und schweißbar zu werden. Der Übergang ist gleitend, es ist kein definierter Schmelzpunkt erkennbar. Ab rund 250° C erfolgt die Zersetzung des Materials, die nicht reversibel ist. • Duromere oder Duroplaste zeigen ein Stoffgefüge aus seitlich miteinander gekoppelten, eng vernetzten Fäden. Die Brücken entstehen durch Polyaddition indem Wasserstoffatome die Kopplung zum benachbarten Polymer herstellen. Es entstehen auf diese Weise dreidimensional vernetzte Riesenmoleküle. Mechanisch gesehen äußert sich dies in der vergleichsweise großen Festigkeit und Elastizität des Materials im thermischen Gebrauchsbereich. Duromere verharren bei ansteigender Tem-

1. Materie

109

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2 CH2

CO

CH2 CH2 NH

67 Kettenmolekül von Polyethylen.

68 Kettenmolekül eines Polyamids (Perlon).

69 Seitliche Verknüpfung von Kettenmolekülsträngen infolge polarer Anziehung (van-der-Waals-Kräfte).

110

III Stoffe

peratur in einem hornartig-zähen Zustand 41 bis die Zersetzungstemperatur erreicht wird, bei welcher der Materialzusammenhang unwiederbringlich zerstört wird ( 71). • Elastomere setzen sich wie Duromere auch aus lokal miteinander verknüpften Fadenmolekülen zusammen, allerdings ist der Zusammenhalt wesentlich lockerer und das Netzwerk weitmaschiger. Als Resultat sind Elastomere im Temperaturgefälle zunächst bei niedriger Temperatur glashart und spröde, später im Gebrauchszustand elastisch und dehnbar bis die Zersetzungstemperatur erreicht ist ( 72). Wenn weichelastische Eigenschaften bei den eher zähelastischen Plastomeren erwünscht sind, lässt sich dies durch Einbettung von Weichmachern in das Molekulargewebe erzielen. Dies kann durch Einbau (Einpolymerisieren) von spezifischen Verbindungen in die Molekülkette erfolgen (innere Weichmachung) oder durch Vermischung des heißplastischen Kunststoffs mit Substanzen, die sich in die gelenkigen Bereiche zwischen die Makromoleküle schieben und das Gefüge auf diese Weise auflockern und den Werkstoff aufweichen (äußere Weichmachung). Im Gegensatz zur inneren kann die äußere Weichmachung durch Ausdiffundieren der weichmachenden Substanzen mit der Zeit abklingen, so dass das Material schrittweise versprödet. Wahrnehmbar ist dieser Effekt am charakteristischen Kunststoffgeruch, beispielsweise im Innern von Fahrzeugen. 10.

Grenzflächen

☞ Abschn. 7.1 Atombindung, S. 83

Grenzflächen von Feststoffen und Flüssigkeiten nehmen eine besondere Stellung ein, da die chemischen Bindekräfte, welche die Partikel des Stoffs in seinem Gefüge zusammenhalten, an der Grenzfläche zum freien Raum hin keine Bindungspartner besitzen ( 73, 74). Die Valenzen oder elektrostatischen Anziehungskräfte der Atome oder Moleküle der Grenzschicht sind folglich nicht abgesättigt und bleiben nach außen hin aktiv ( 75). Dies hat Konsequenzen: Bei Flüssigkeiten führt die nach innen gerichtete Kraftresultierende zu einem Zusammenhalt des flüssigen Stoffs, was sich an der Oberfläche in Form einer Oberflächenspannung äußert ( 76, 77). Kleine, im Raum schwebende Tropfen nehmen Kugelgestalt an ( 78). Besonders bedeutsam für bauliche Fragen ist die Interaktion zwischen Feststoffoberflächen und Wasser. Die Benetzung einer Oberfläche sowie die Kapillarität sind eine Folge der Oberflächenspannung der Flüssigkeit sowie der Eigenart oder Polarität der Grenzfläche des beteiligten Feststoffes. Wassermoleküle, die ja einen ausgeprägten Dipolcharakter haben (☞), werden von den elektrostatisch aktiven Grenzpartikeln des Feststoffs angezogen ( 79, 80). Es erfolgt eine Benetzung der Fläche und eine Anlagerung von Wassermolekülen (sogenannte Adsorption) ( 81), zunächst in nur wenigen Molekülschichten (Adsorptionswasser) an die Oberfläche des Feststoffs. Dieses Adsorptionswasser ist infolge der elektro-

1. Materie

111

teilkristalline Bereiche

70 Molekulargefüge eines Plastomers (schematisch). Verfilzte Abschnitte wechseln sich mit teilkristallinen ab.

71 Modell des Molekulargefüges eines Duromers. Die Polymerketten sind durch Brückenstränge eng miteinander vernetzt.

gelenkige Bereiche

teilkristalline Bereiche

72 Fadenstruktur eines Elastomers. Weitmaschiges Netz aus Polymerketten mit frei beweglichen (gelenkigen) und verknüpften (teilkristallinen) Bereichen.

112

III Stoffe

☞ Abschn. 11.3 Plastische Verformung > 11.3.2 lastabhängige plastische Verformungen > wassergebundene Granulate, S. 117

✏ Beispiel: Nanotechnik, selbstreinigender Lotos-Effekt etc.

11.

Verformung

statischen Anziehung fest an die Oberfläche gebunden und verliert durch diese Bindung die charakteristische freie Beweglichkeit der Flüssigkeit. Geraten zwei mit Adsorptionswasser behaftete Flächen in engeren Kontakt, so werden diese durch Wirkung des Adsorptionswassers zusammengezogen und haften aneinander. Dies äußert sich in der so genannten Wasserbindung, ein Phänomen, das insbesondere für die Bodenmechanik von grundlegender Bedeutung ist (☞). Wasserschichten, die von der Oberfläche weiter entfernt sind (bis zu 1/2 mm) sind wesentlich beweglicher (Solvatwasser) und nur locker an den Feststoff gebunden. Wasser, das jenseits dieser Grenze liegt, ist frei beweglich und nicht mehr an die Oberfläche gebunden (freies Wasser) 42 ( 82 - 84). Die nicht abgesättigten Valenzen der Grenzflächenpartikel erzeugen lokale elektrostatische Felder, die ferner dazu führen, dass verschiedene chemische Reaktionen mit Stoffen des umgebenden Gasraums, also im baulichen Anwendungsfall der Atmosphäre, stattfinden. Es kann zur Anlagerung von Atomen und Molekülen wie Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf und zur Bildung dünner, nur wenige Nanometer starker Oxid-, Carbonat- oder Hydroxidschichten kommen. Die gezielte technische Beeinflussung der Grenzflächen zur Verbesserung ihrer Dauerhaftigkeit oder ihres Stehvermögens waren bereits traditionell üblich (Ankohlen von Holzoberflächen, Imprägnieren, Anstreichen, Beschichten, Tränken). Moderne technische Verfahren der Oberflächentechnik zielen auf die Erzeugung spezifischer Eigenschaften bei Werkstoffoberflächen ab (✏). Im Gegensatz zu Gasen, die aus einem völlig regellosen Verband frei im Raum sich bewegender Atome oder Moleküle bestehen und unter Pressung starke Volumenveränderungen vollziehen, erlauben Flüssigkeiten und insbesondere Feststoffe auch unter starker Belastung nur vergleichsweise kleine Volumenveränderungen. Während Flüssigkeiten trotz weitgehend gleich bleibenden Volumens unter der kleinsten Krafteinwirkung Formänderungen unterworfen sind, setzen Feststoffe dieser einen mehr oder weniger großen Widerstand entgegen. Es ist naturgemäß dieser Widerstand, der Feststoffe für den baulichen Einsatz prädestiniert. Trotz der scheinbaren Offensichtlichkeit dieser Aussage gibt es zahlreiche Beispiele, bei denen spezifische Eigenschaften auch von Flüssigkeiten und Gasen für bauliche Zwecke gezielt eingesetzt werden – wie z. B. Gasdruck bei pneumatischen Konstruktionen oder das Gewicht von Wasser als Ballast. Auf Feststoffe einwirkende äußere Kräfte erzeugen interne Kräfte, welche wiederum Beanspruchungen im Material hervorrufen. Diese werden durch die Bindungskräfte des Stoffs, die jenen einen Widerstand entgegensetzen, neutralisiert. In Richtung der Kraftwirkung werden die Partikel, beispielsweise die Gitterelemente in einem kristallinen Raumgitter, in ihrer Lage und ihren Abständen verändert, also zusammengepresst oder auseinandergezogen, wobei so genannte elastische Gitterschwingungen auftreten, die sich im Stoff

1. Materie

113

A B

C D

73 Grenzfläche eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit. Die zum Raum hin gerichtete elektrostatische Komponente hat keinen Bindungspartner und bleibt infolgedessen aktiv.

74 In Flüssigkeiten wie auch in Feststoffen hat die Kraftkomponente A keinen Bindungspartner. B, C und D werden hingegen durch die Bindekraft der benachbarten Teilchen neutralisiert.

75 Resultierende elektrostatische Kraft an der Grenzfläche nach Neutralisierung der restlichen Bindungskräfte im Atom- oder Molekulargefüge.

76 Die resultierende elektrostatische Kraft ist zum Innern der Flüssigkeit gerichtet und erzeugt (scheinbar) eine Oberflächenspannung.

77 Die resultierende elektrostatische Kraft ist auch bei gekrümmter Flüssigkeitsoberfläche (wie bei einem Tropfen) jeweils rechtwinklig zur Oberfläche der Flüssigkeit gerichtet.

78 Wassertropfen auf hydrophober Oberfläche.

80 Wassermoleküle lagern sich als Adsorptionswasser an der Feststoffoberfläche an.

81 Durchfeuchtetes Steinmauerwerk.

δ−

δ−

δ− δ+

δ+

δ+

δ+

δ+

δ+

79 Polare Wassermoleküle (Dipole) werden von der elektrostatisch geladenen Feststoffoberfläche angezogen.

114

III Stoffe

☞ Kap. V-4 Schallschutz, S. 550

11.1

Temperaturdehnung

☞ Kap. V-5, Abschn. 5.3.2 Beton/Stahlbeton, S. 583

fortpflanzen. Es treten sowohl Längs- oder Longitudinalwellen auf, die das Material in Kraftrichtung verformen, als auch Quer- oder Transversalwellen, die eine Querdehnung zur Folge haben (quantifiziert anhand der Querdehnungs- oder Poisson-Zahl n). Diese elastischen Schwingungen der molekularen Partikel treten auch bei der Anregung eines Festkörpers durch Schallwellen auf (☞).43 Auch eine Erhöhung der Temperatur regt die Partikel zur Schwingung an und verursacht eine Temperaturdehnung des Materials. Sofern bestimmte materialspezifische Temperaturen nicht überschritten werden, gehen diese Dehnungen bei Abkühlung wieder zurück. Amorphe Stoffe wie Glas oder thermoplastische Kunststoffe verlieren bei stetiger Erwärmung sukzessive ihre Festigkeit und gehen in einen plastisch-weichen Zustand über. Dabei lockert sich der Zusammenhalt der Moleküle allmählich bis diese frei aneinander vorbeigleiten können. Hingegen bewirkt die stetige Erwärmung kristalliner Feststoffe wie Metalle oder Mineralien zunächst nur eine Erhöhung der Schwingungsfrequenz der Gitterbausteine, also keinen Verlust der Festigkeit, so lange bis der Schmelzpunkt erreicht ist, der bei diesen Stoffen – im Gegensatz zu amorphen – klar feststellbar ausgeprägt ist. Weitere Wärmezufuhr ab diesem Temperaturniveau wird aufgebraucht, um die Bindekräfte zwischen den Bestandteilen des Raumgitters aufzulösen. Anschließend plastifiziert das Material, bei anhaltender Erwärmung wird es flüssig. Wesentlich für den baulichen Einsatz von Werkstoffen ist unter Berücksichtigung des Brandfalls naturgemäß die Temperatur des Schmelzpunktes. Diese liegt bei Stahl in einem für einen Brandfall durchaus kritischen Bereich (600-700° C), während mineralische Werkstoffe, wie sie für Bauzwecke verarbeitet werden, erst bei rund 1700° C schmelzen. Dies erklärt ihr außerordentlich vorteilhaftes Brandverhalten (☞).

11.2 Elastische Verformung

Charakteristisch für die elastische Verformung, die sich unter Krafteinwirkung einstellt, ist dass im molekularen Materialgefüge Rückstellkräfte wirken, welche die Dehnung nach Entlastung wieder vollständig rückgängig machen. Die atomaren oder molekularen Bausteine kehren wieder in ihre Ausgangslage oder Gleichgewichtslage zurück.

11.2.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Das Verhältnis von im Material wirkender Spannung (s) und der daraus folgenden Dehnung (e) ist charakteristisch für das lastabhängige Verformungsverhalten eines Stoffs und wird im Spannungs-Dehnungs-Diagramm grafisch dargestellt ( 85). Eine Linearität der Kurve steht für elastisches Verhalten, d. h. für eine Proportionalität zwischen Spannung und der daraus resultierenden Dehnung des Materials (vgl. das Hookesche Gesetz). Die Neigung einer elastisch geprägten, also geraden SpannungsDehnungs-Linie ist definiert als der Elastizitätsmodul oder E- Modul des Werkstoffs (in N/mm2 ), bzw. als sein Gleitmodul G

1. Materie

115

Sorptionswasser

Solvatwasser

freies Wasser

S ~ 0,5 m

82 Sorptions-, Solvat- und freies Wasser mit unterschiedlicher Haftspannung an die Feststoffoberfläche.

83 Zwischen zwei Grenzflächen bildet sich ein Meniskus aus. Steighöhe S.

s in N/mm2

S sP

P

E = sP / eP = tan α

e (-)

O

α eP

e in %

s (-) 84 Große Haftspannung zwischen dicht aneinander liegenden Grenzflächen. Je enger der Abstand, desto größer die Steighöhe S.

85 Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Stoffs mit Definition seines Elastizitätsmoduls E.

116

III Stoffe

☞ Abschn. 11.3 Plastische Verformung, weiter unten

11.3 Plastische Verformung

✏ Ausnahme: Shape-Memory-Effekt bei Holz 44

11.3.1 Lastunabhängige plastische Verformungen ☞ Kap. III-4 Beton, S. 156, sowie III-3 Stein, S. 148

☞ Kap. III-5 Holz, S. 168

und ist ein wichtiger Kennwert, der für dessen Steifigkeit steht. Je steiler die Linie, desto steifer der Werkstoff. Hingegen weist eine Krümmung der Kurve auf ein plastisches Verhalten hin, d. h. auf eine nicht-Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung ( ☞). Die Steifigkeit eines Materials erreicht besonders große Werte bei kristallinen Stoffen im Vergleich zu amorphen und hochmolekularen (polymeren). Zwischen den Kristallbausteinen wirken im Raumgitter starke gerichtete Bindungskräfte, die sich in Form großer Elastizität des Materials bemerkbar machen. Anders als bei der elastischen Verformung, bei der die Ursprungslage der Partikel im Material gewissermaßen gespeichert ist und nach Entlastung wieder zurückerlangt wird, sind plastische Verformungen irreversibel, d. h. es finden nicht mehr rückgängig zu machende Verschiebungen, Verzerrungen oder Versetzungen im Materialgefüge statt, die dieses nachhaltig verändern (✏). Während elastische Verformungen auf eine Krafteinwirkung zurückgehen – es gibt zwar auch kraftunabhängige reversible Verformungen wie hygroskopische Volumenveränderungen, diese werden aber nicht als elastische Verformung bezeichnet –, können plastische Verformungen neben Krafteinwirkung auch zahlreiche andere Ursachen haben: • irreversible Schwindprozesse infolge chemischer Veränderungen im Materialgefüge wie bei Beton oder keramischen Werkstoffen ( ☞). • irreversible Formänderungen bei Holz und Holzwerkstoffen, Verziehen, Schüsseln, Reißen etc., die mit dem kontinuierlichen Austrocknungsprozess von Bauholz zusammenhängen und auch durch nachträgliche Erhöhung des Feuchtegehalts nicht rückgängig zu machen sind ( ☞). • interne Spannungen in warmgewalzten Stahlbauteilen (parasitäre Spannungen), die während des Walzprozesses entstehen und zum plötzlichen Reißen eines Bauteils führen können. • Verziehen eines Stahlprofils durch lokales Erwärmen – wie bei Schweißarbeiten –, das auch nach Abkühlen bleibende Verformungen hinterlässt. sowie weitere Ursachen, die jeweils im Zusammenhang mit dem betroffenen Werkstoff später untersucht werden.

11.3.2 Lastabhängige plastische Verformungen

Innerhalb der lastabhängigen plastischen Verformungen sind mechanische Phänomene wie das Kriechen und das Gleiten bei Werkstoffen im baulichen Einsatz besonders bedeutsam:

1. Materie

117

Das Kriechen von Betonbauteilen ist eine bleibende Verformung unter Belastung, die sich insbesondere beim jungen Beton bemerkbar macht und kontinuierlich im Laufe mehrerer Jahre abklingt ( ☞). Das Kriechen lässt sich dadurch erklären, dass der Kristallisationsprozess im Zementstein infolge kontinuierlicher Hydratation mit dem Aushärten des Betons nicht abgeschlossen ist, sondern sich über einen längeren Zeitraum fortsetzt, während welchem neue Zementminerale gebildet werden. In den unter Druck befindlichen Bereichen wird zusätzlich gebundenes Wasser herausgepresst. Die unter lang andauernder Last gegenüber dem Anfangszustand verformte Geometrie des Bauteils bzw. des Materialgefüges wird auf diese Weise durch die kontinuierliche Kristallbildung – wortwörtlich – fest zementiert. Auch nach Entlastung kann diese bereits festgefügte Form nicht mehr in die Ursprungsgeometrie versetzt werden. Auch Holz ist unter ständiger Last einem Kriechvorgang unterworfen.



Gleitverformungen, die stets irreversibel sind, finden sich im Bauwesen bei Schüttgütern, wassergebundenen Granulaten, sowie auch bei kristallinen Stoffen wie Eis und insbesondere Metallen mit zäher Werkstoffcharakteristik ( 86). Dabei bewegen sich Elementarpartikel des Stoffs – dies können Bausteine auf molekularer Ebene sein wie bei den Metallen oder auch Teilchen in Korngröße wie bei Böden – in Gleitebenen aneinander vorbei bis entweder eine Gleichgewichtslage bei nur kleiner Verformung gefunden wird oder der Stoff reißt bzw. vollständig zerfällt. Maßgeblich für das Gleitverhalten ist die Art des Zusammenhalts zwischen den gleitfähigen Teilchen:



• bei trockenen Schüttgütern, wie beispielsweise trockenem Sand, ist die Beschaffenheit der Korngrenzen, also die Reibung (innere Reibung) oder mechanische Verzahnung der Körner untereinander entscheidend sowie insbesondere der Winkel des Schüttkegels, der für die im Gemenge infolge Schwerkraft wirkenden Schubkräfte maßgeblich ist. • bei wassergebundenen Granulaten wie Böden oder auch Werkstoffen im feuchtplastischen Zustand wie Tonen ist für den Stoffzusammenhalt oder die Kohäsion die Bindekraft des adsorbierten Wassers verantwortlich (Wasserbindung, Kapillarkräfte)( ☞). Maßgeblich für die Bindung ist die Gesamtoberfläche der Körner sowie auch die zwischen den Körnern gebundene Wassermenge. Je größer die Oberfläche der Körner, d. h. je kleiner ihr Durchmesser ist, desto größer ist die wirksame Adsorptionsfläche und folglich auch der Zusammenhalt bei einem gegebenen Feuchtegehalt. Je größer bei konstanter Kornflächengröße die gebundene Wassermenge ist, desto mehr Solvat- bzw. freies Wasser befindet sich zwischen den Körnern, desto lockerer ist das Gefüge und desto größer ist infolgedessen

• Kriechen

☞ Kap. III-4 Beton, S. 155

• Gleiten

86 Lamellengleitung von Sand

☞ Abschn. 10. Grenzflächen, S. 110

118

III Stoffe

87 Molekularstruktur von Eis.

auch die Tendenz zum Gleiten. Gleitfähige Teilchen können auch molekulare Abmessung haben wie beispielsweise bei Tonmineralien. Diese setzen sich aus Kristallen in Blättchenform zusammen, die aus AluminiumSilicat-Verbindungen hervorgehen (Kaolinit, Montmorillonit) ( 45-47). Anders als bei den meisten mineralischen Stoffen kann das flache Kristall des Tonminerals keine räumliche Gitterstruktur schaffen, es stapelt sich stattdessen zu flachen Paketen. Wassermoleküle lagern sich an den Zwischenräumen zwischen diesen gestapelten Kristallplättchen. Je nach Wassergehalt können diese bei geringer Sättigung infolge Adsorptionswirkung fest aneinander haften – wie bei luftgetrockneten Lehmziegeln – und dadurch große Festigkeit sowie sprödes Bruchverhalten zeigen; oder sie können bei hohem Sättigungsgehalt wie beim formbaren feuchten Ton eine feuchtplastische Masse ergeben. Letztere kann unter Krafteinwirkung durch Aneinandergleiten der Kristallplättchen plastisch verformt werden. • Eis weist eine räumliche Kristallstruktur auf, die gleitfähig ist. Das Raumgitter des Eises ist vergleichsweise locker mit Hilfe von Wasserstoffbrücken zusammengeknüpft ( 87). Die starken Kohäsionskräfte der Ionenbindung sind in diesem Fall nicht über die Fernordnung des Einkristalls durchgängig wie bei den meisten kristallinen Feststoffen, so dass die Gitterstruktur an den Schwachstellen der Wasserstoffbrücken leicht aufbrechen kann. Gleitvorgänge, wie bei Gletschern zu beobachten ( 88), sind dann die Folge. Das Gleiten von Eis hat keine besondere bauliche Bedeutung und soll hier zu Analogiezwecken erwähnt werden.

88 Gletscher - Lamellengleitung von Eis.

☞ Kap. III-6 Stahl, S. 177, 182

☞ Abschnitt 12. Bruch, S. 122

☞ Abschnitt 12. Bruch, S. 122

Wesentlich bedeutsamer für den baulichen Einsatz sind hingegen Gleitungen in festen Werkstoffen. Sie sind bei zähen kristallinen Werkstoffen zu beobachten, im Wesentlichen bei Metallen wie Stahl, insbesondere in seinen duktilen – also gleitfähigen – Varianten wie Baustahl ( ☞). Wenngleich spröde Metalle wie z. B. Guss keine nennenswerten und spröde mineralische Werkstoffe wie Stein oder Beton keinerlei Tendenz zum Gleiten zeigen, kann trotzdem der Bruch dieser Materialien unter bestimmten Voraussetzungen durch Gleitung entlang spezifischer Gleitebenen stattfinden ( ☞). Die Ursache für das Gleitvermögen von Metallen liegt in der speziellen Metallbindung des Raumgitters dieser kristallinen Stoffe. Während mineralische Stoffe ihren Zusammenhalt aus der äußerst spröden Ionenbindung (☞) beziehen, die bei kleinsten Verschiebungen in der Struktur des Raumgitters auseinanderbricht, stehen die Gitterbausteine der Metalle durch die Bindekraft des Elektronengases in zwar festem, aber zähplastischem Zusammenhang. Während die Ionenbindung auf einem abwechselnden Gegenüber positiver und negativer Ionen-Teilladungen basiert, erlaubt die durchgängig negativ geladene Wolke aus frei beweg-

1. Materie

lichen Ionen bei Metallen unter externem Krafteinfluss ab einer definierten, materialspezifischen Elastizitätsgrenze, ab welcher Verformungen unumkehrbar sind und das Material beginnt zu fließen, Parallelbewegungen oder Gleitungen ganzer Gitterpakete aneinander entlang. Diese Translationsbewegung kann aufgrund der strengen Gitterstruktur nur in Ebenen, den so genannten Translations- oder Gleitebenen stattfinden ( 89, 90). Bevorzugt für diese Gleitprozesse sind die dichtest besetzten Netzebenen, wie der Ausdruck aus der Metallurgie lautet. Der Vorgang kommt nach einer bestimmten Verlagerungsstrecke, bei einem Minimum des periodischen Gitterpotenzials 45 zum Stillstand. Dabei nehmen die Gitterbausteine wieder eine Soll-Stellung im Raumgitter ein, allerdings um ein Vielfaches des Elementarzelle in Gleitrichtung versetzt. Dabei bewegt sich im Regelfall nicht eine einzelne Netzebene in der Stärke eines Gitterbausteins, sondern ganze Pakete oder Gleitlamellen aus mehreren Schichten ( 91). Dieses Phänomen ist in ähnlicher Weise auch beim Gleiten von Schüttgütern oder Eis zu beobachten, selbst bei Metallen lassen sich die Grenzen zwischen Gleitlamellen manchmal mit bloßen Auge an der Oberfläche erkennen – man spricht von Gleitlinien oder Translationsstreifung. Teile des Metalls, die ein Gleiten oder Fließen vollzogen haben, erscheinen deshalb auch matter und stumpfer als die unverformte Metalloberfläche. Bevorzugte Orte für die Gleitung sind Fehlstellen oder Baufehler im kristallinen Gitter, die in der Fachsprache als Versetzungen bezeichnet werden ( 92). Diese Verzerrungen des regelmäßigen Gitters generieren interne Spannungen, die dazu führen, dass die kritische Schubspannung, ab der eine Gleitung stattfindet, an der Versetzung um Zehnerpotenzen niedriger liegt als beim ungestörten Gitter.46 Von großer Bedeutung ist ferner, dass rechtwinklig zu den Gleitebenen die Gitterkräfte – Elementarbindung zwischen den Atomen – wesentlich, nämlich um mehrere Zehnerpotenzen, größer sind als entlang der Gleitebenen. Das heißt, die Schubfestigkeit des Materials ist wesentlich niedriger als die Normalfestigkeit, bzw. als die Zug- und Druckfestigkeit axial zur Kraftrichtung.47 Ein Gleiten oder Fließen tritt folglich stets vor dem Bruch des Werkstoffs ein, weshalb das Metall als zäh bezeichnet wird: es verformt sich deutlich und irreversibel bevor es bricht und zerreißt. Da axiale Druck- und Zugkräfte gleichsetzbar sind mit diagonalen Schubkräften (☞), gleitet das Material dann entlang Ebenen unter 45° zur Kraftrichtung ( 93). In das kristalline Raumgitter eingebaute Fremdbausteine, beispielsweise in Eisen eingelagerte Kohlenstoffatome, führen zu einem Verkrallen der möglichen Gleitebenen und somit zu einer starken Behinderung der Gleitung im Metall ( 94). Man spricht von einer so genannten Versetzungsblockierung – wobei in diesem Fall mit Versetzung nicht der Gitterbaufehler, sondern die Gleitung gemeint ist. Mit steigender Dichte dieser Atome erhöht sich auch die kritische Schubspannung und folglich der Gleitwiderstand. Im

119

☞ Kap. V-2 Kraft leiten, Abschn. 2.6 Spannungen, S. 378

120

III Stoffe

☞ Abschn. 9.2 Metallische Stoffe, S. 104

11.3.3 Bedeutung plastischer Verformungen im Bauwesen

Extremfall tritt zuerst statt plastischer Verformung ein spröder Trennbruch ein. Aus diesem Grunde sind Eisenwerkstoffe mit hohem Kohlenstoffgehalt – so genannte intermetallische Phasen wie Zementit Fe3C – im Gegensatz zum zähen Baustahl (mit niedrigem C-Gehalt) hart und spröde.48 Mit fortschreitendem Gleitweg und anhaltender Krafteinwirkung findet eine erneute graduelle Verfestigung des Materials statt, da die Gleitprozesse an den Korngrenzen der Kristallite, aus denen das Materialgefüge des Metalls aufgebaut ist, zu einem Stillstand kommen. Wie bereits erläutert (☞ ) sind die Kristallite im Stoffgefüge beliebig orientiert, so dass sich die Geometrie ihres Raumgitters nicht im Nachbarkristallit fortsetzt. Es kommt dabei zuletzt zu einem Aufstau der Gleitungen in den Kristalliten, die sich gegenseitig blockieren, und folglich zu einer Verhinderungen weiterer Gleitvorgänge führen. Das Material verfestigt sich, versprödet und bricht bei weiter anhaltender Kraftwirkung auseinander. Bei einer sehr großen Zahl von Belastungszyklen können sich an den Blockadestellen zwischen Kristalliten Mikrorisse bilden, die sich entlang der empfindlicheren Korngrenzen fortpflanzen und zuletzt ohne Ankündigung in einen Makroriss übergehen können. Das Material wird zerrüttet und es kommt zum Bruch. Man spricht bei diesem Phänomen von der Ermüdung des Materials.49 Plastische Verformungen an Bauteilen sind vordergründig betrachtet – außer bei der gezielten Umformung zu Fertigungszwecken– naturgemäß unerwünscht, da sie nicht umkehrbar sind und die technische Form eines Elements unkontrollierbar verändern. Dennoch zeigen plastische Verformungen, wie sie beispielsweise infolge Gleitvorgängen entstehen, unter bestimmten Voraussetzungen große Vorteile im Bauwesen: • da sie über einen längeren Zeitraum vor dem Bruch des Materials stattfinden, und zumeist mit bloßen Auge erkennbar sind, kündigen sie ein mögliches Versagen des Werkstoffs frühzeitig an und erlauben dadurch ggf. vorsorgende Maßnahmen.

☞ Schema in  30 in Kap. III-6, Abschn. 9. Konstruktive Folgerungen, S. 187

☞ Kap. III-4 Beton, S. 155

• sie können zu selbsttätigen Last- oder Spannungsumlagerungen im Werkstoff führen. Lokal stark beanspruchte Bereiche werden plastischen Verformungen unterworfen, so dass der Kraftfluss andere Wege nehmen kann und die lokalen Spannungsspitzen abgebaut werden ( ☞). Dies kann aufgrund der Gleit- oder Fließcharakteristik von Stählen geschehen oder auch infolge der komplexen, während eines langen Zeitraums anhaltenden hydratationsbedingten Kristallisations- und Rekristallisationsprozesse im – allerdings nur druckbeanspruchten – Beton ( ☞ ). Beide Faktoren sind Anzeichen einer gewissen Gutmütigkeit eines Werkstoffs im Vergleich beispielsweise zum unangekündigten plötzlichen Versagen spröder Materialien unter Zugbelastung.

1. Materie

121

89 Translations- oder Gleitebenen, an denen das Kristallgitter jeweils um ein Vielfaches der Elementarzelle gleitet, hier um eine Gitterstelle.

90 wie links, Gleitung um zwei Gitterstellen.

92 Baufehler im Kristallgitter (vgl. auch  28).

93 Gleitung des Werkstoffs unter 45°, hier bei Druckbelastung.

91 Gleitlamellen

Fe

C

94 Versetzungsblockierung des Stahl-Kristallgitters infolge Verkrallens durch eingelagerte C-Atome (vgl. auch  26).

122

12.

III Stoffe

Bruch

95 Spröder Zugbruch von Beton.

☞ Abschn. 11.3.2, > Gleiten, S. 119

☞ Abschn 11.3.2, > Gleiten, S. 120

Bruchvorgänge, also das Versagen des Materials unter Kraftwirkung, stellen den größten anzunehmenden Unfall im Bauwesen dar, da insbesondere bei Versagen von Primärtragwerken zumeist Menschenleben auf dem Spiel stehen und stets hohe Sachschäden zu erwarten sind. Gerade aus diesem Grunde ist die Kenntnis der Bruchmechanismen und -ursachen bei den verschiedenen baurelevanten Stoffen von großer Bedeutung für den Konstrukteur, da diese Kenntnis ihm erlaubt, geeignete Vorkehrungen zu treffen, damit während der Lebensdauer eines Bauwerks ein Versagen des Werkstoffs ausgeschlossen ist. Gleichzeitig ist es von immer größerer Bedeutung, die Rückführung einer Baustruktur nach Beendigung ihrer Lebensdauer bereits während des Konzeptionsprozesses zu berücksichtigen. Auch aus diesem Grunde kann es von großer Bedeutung sein, eine klare Vorstellung davon zu haben, wie ggf. ein Bruch mit möglichst geringem Energieaufwand gezielt herbeizuführen ist. Bei einem Materialbruch versagen die molekularen Bindekräfte des Materials in der Regel an einer bestimmten Schwachstelle, zumeist an einem bereits existierenden Mikroriss, der sich unter der Belastung zu einem größeren Makroriss ausweitet und schließlich dazu führt, dass das Material bricht und zerreißt, d. h. dass die Bruchfläche sich über den gesamten Querschnitt des Bauteils erstreckt. Neben dem durch starke Verformungen plastischer Art sich ankündigenden Verformungsbruch zäher Werkstoffe wie Stahl existiert der unangekündigte Spröd- oder Trennbruch der brüchigen Materialien wie Stein oder Beton ( 95), der auch bei Holz zu beobachten ist. Wird der Gleitprozess bei einem zähen Werkstoff wie dem Baustahl über das Stadium der Verfestigung, bei dem die Kristallite sich gegenseitig blockieren, hinweg fortgesetzt, kommt es schließlich zum Bruch und zum Zerreißen des Werkstoffs. Es ist bemerkenswert, dass der Bruch im Allgemeinen als Scher- oder Schubbruch im Winkel von 45° zur Kraftrichtung stattfindet 50 und nicht – wie zunächst zu erwarten wäre – im Winkel von 90°. Der Grund für dieses Phänomen liegt in der vergleichsweise geringen Schubfestigkeit des Metalls verglichen mit seiner Zug- und Druckfestigkeit, also seiner Festigkeit gegenüber Normalspannungen. Jene liegt – wie bereits erwähnt (☞) – um mehrere Zehnerpotenzen unter dieser. Als Folge davon findet vor dem Trennbruch ein Gleitvorgang entlang einer um 45° geneigten Scherfläche statt, die sich ihren Weg trotz (oder wegen) der zunächst völlig regellosen Orientierung der einzelnen Kristallite im Haufwerk sucht und zum Bruch des Materials führt. Besonders gefährlich bei metallischen Werkstoffen, die ja im Regelfall unter übermäßiger Belastung zunächst zähplastisch reagieren, ist der Ermüdungsbruch, der spröde erfolgt und sich aus einer sehr hohen Anzahl von Be- und Entlastungszyklen ergeben kann (☞). Der spröde Trennbruch der mineralischen Materialien, der so charakteristisch für diese Werkstoffgruppe ist, erklärt sich aus der typischen Ionengitterstruktur ( 97) der Silicatverbindungen, aus denen diese Stoffe im Wesentlichen bestehen. Die klar definierte Polarität der Ionen, die für die chemische Bindekraft des Kristall-

1. Materie

gitters des Minerals verantwortlich ist, erlaubt im Gegensatz zum Elektronengas der Metalle (☞) kein zähplastisches Verschmieren der Bindungen, sondern löst sich durch Zusammentreffen jeweils gleich geladener, sich gegenseitig abstoßender Ionen bei der kleinsten Versetzung des Ionengitters unter Krafteinwirkung ( 97-102). Die Bruchfläche verläuft als Folge der regelmäßigen Ordnung des Kristallgitters bei den Einkristallen entlang klar erkennbarer Ebenen. Abhängig vom Verhältnis der Schub- zur Druck-/Zugfestigkeit kann es wiederum zu einem Gleitbruch kommen, bei dem die Bruchfläche im Winkel von 45° zur Kraftrichtung verläuft. Dieser Bruchmechanismus ist analog zum Gleitbruch bei Metallen wie oben beschrieben. Auch amorphe Stoffe aus Silicaten wie beispielsweise Glas können eine extreme Neigung zum spröden Trennbruch zeigen ( 96). Andere amorphe Stoffe wie gewisse Kunststoffe reagieren (im entsprechenden Temperaturbereich) hingegen zäh. Trotz der generellen Gefährlichkeit von Rissen im Material muss einschränkend festgestellt werden, dass nicht jeder Riss auch gleich die Standfestigkeit eines Bauteils gefährdet. Insbesondere künstliche mineralische Werkstoffe wie Ziegel oder Beton zeigen eine starke Tendenz zum Reißen, die insbesondere auf lastunabhängige Schwindprozesse, nicht unbedingt auf Krafteinwirkung zurückzuführen sind. Ferner neigt Stahlbeton (wie Beton ganz allgemein) zum Reißen unter Zugbeanspruchung, also beispielsweise in Zugzonen von Biegebalken ( 102). Diese feinen Risse sind notwendig und folgerichtig, damit die Zugkraft auf die Bewehrung übertragen werden kann, die ja verantwortlich für die Aufnahme derselben ist. Sie beeinträchtigen die Tragfähigkeit des Werkstoffs nicht. Dennoch ist dieser Risstendenz besondere Aufmerksamkeit zu schenken, da gewisse Rissbreiten nicht überschritten werden sollten. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das Bauteil der Witterung ausgesetzt ist. Auch die bei Holz häufig zu beobachtenden Risse entlang der Faser, die sich infolge Trocknungsprozessen von selbst bilden, sind im Regelfall für die Tragfähigkeit des Bauteils nicht kritisch. Es liegt auf der Hand, dass Anisotropien im Material eine bestimmte Beanspruchungsrichtung besonders zum Bruch prädestinieren. Bereits eine deutlich geringere Schubfestigkeit als Druck- und Zugfestigkeit eines Stoffes begünstigt – wie wir gesehen haben – eine spezifische Bruchrichtung im Material und äußert sich in Form einer gewissen Anisotropie. Ein deutlich anisotropes Verhalten zeigt insbesondere Holz im Hinblick auf Spaltkräfte parallel zur Faser (nicht umsonst wird Brennholz mit der Axt stets in Faserrichtung gespalten) sowie auch beispielsweise Sedimentgestein, das die Tendenz zeigt, sich entlang der Ablagerungsschichten zu spalten. Entscheidend für das mechanische Verhalten ist in diesen Fällen das Grobgefüge des Materials (☞)

123

☞ Abschn 11.3.2, > Gleiten, S. 118

96 Spröder Trennbruch eines ESG-Glases.

☞ Abschn. 9. Das Stoffgefüge, S. 92

124

13.

III Stoffe

Zersetzungsprozesse

☞ Kap. V-6 Dauerhaftigkeit, S. 622

Ebenfalls kritisch für die Trag- oder auch Gebrauchsfähigkeit eines Bauteils können Zersetzungsprozesse des Materials infolge atmosphärischer oder sonstiger Einwirkungen sein. Die allmähliche Auflösung des Werkstoffs an seinen Grenzflächen kann rasch zu einer Verkleinerung des zur Aufnahme von Lasten verfügbaren Bauteilquerschnitts führen. Als Folge davon erhöhen sich bei gleich bleibender Kraft die Spannungen im Material und führen nach Erlangen der Bruchspannung zum Versagen. Es können auch als Folge des Zersetzens oder Absprengens schützender Oberflächenschichten (wie bei Stahlbeton) kritische Bestandteile der Konstruktion (wie Bewehrungsstähle) ihren Schutz verlieren und infolge spezifischer Prozesse (Korrosion) ( ☞) ihrerseits zersetzt werden und so zum Versagen des Bauteils führen. Wenngleich es im Bauwesen zahlreiche Zersetzungsprozesse gibt, die ein Bauteil an der Erfüllung der ihm zugedachten Funktion hindern können, lassen sich im Folgenden lediglich die Wichtigsten in Grundzügen beschreiben: • Mechanisches Zerstören poröser Stoffe infolge Frosteinwirkung: Dieser Zersetzungsmechanismus beruht auf der Sprengwirkung von gefrierendem Wasser in den Poren eines Materials ( 104). Dieses Wasser lagert sich aufgrund der Bewitterung in den Außenschichten ein und vergrößert sein Volumen um rund 9% beim Gefrieren,51 wovon ja gerade die Außenschichten des Werkstoffs besonders betroffen sind. Kann diese Ausdehnung im Material nicht durch die Festigkeit desselben, also durch seine molekularen Bindekräfte aufgenommen werden, bzw. kann es sich nicht in Hohlräumen frei ausdehnen, kommt es zu einem Abplatzen äußerer Schichten. Die nackten Bruchflächen sind dann dem gleichen Zersetzungsprozess ausgesetzt und dieser schreitet weiter voran. Als Folge davon können nur solche Werkstoffe als frostsicher bezeichnet werden, die entweder

✏ Beispiel: Stahl, wobei ungeschützter Stahl andersartigen Zersetzungsprozessen unterliegt, s. u.

•• eine sehr dichte Struktur haben und kein Wasser an ihrer Oberfläche aufnehmen ( ✏). •• starke Bindungskräfte, also hohe Festigkeiten aufweisen, wie beispielsweise magmatische Gesteine (Granit, Gneise etc.)

& vgl. hierzu auch DIN 52104, 52106

•• größere Entlastungsporen oder -hohlräume haben, die ein freies Ausdehnen des gefrierenden Wassers ermöglichen. Dies gilt beispielsweise für Kiespackungen bei Fundierungen. • Chemische Korrosionsprozesse: Diese führen zu einer Auflösung der Bindekräfte zwischen den molekularen Bausteinen des Materials als Folge von chemischen Verbindungen zwischen diesen, oder Bestandteilen derselben, mit Substanzen aus der Umgebung. Besondere Bedeutung für das Bauwesen haben:

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97 Modellhafte Darstellung eines Ionengitters. Die Ionen der zwei beteiligten Elemente sind in verschiedenen Grautönen dargestellt. 98 Schema Gitter

99 Belastung des Ionengitters durch eine Scherkraft. Aufgrund einer anfänglichen Schubverformung benachbarter Gitterpakete an der Scherebene geraten gleichpolare Ionen in den Bereich ihrer elektrostatischen Felder. 100 Schema Bruch 1

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101 Infolge der Abstoßung zwischen gleichgepolten Gitterbausteinen spaltet sich das Ionengitter an der Scherebene. 102 Schema Bruch 2

126

III Stoffe

•• Korrosion von Metallen an der Atmosphäre ( 105). Dies erfolgt durch Oxidbildung aus Metallionen und Sauerstoff aus der Atmosphäre, wobei Wasser als Elektrolyt wirkt. Auf diese Weise wird die Kristallstruktur des Metalls und somit die Bindekräfte, die den Werkstoff zusammenhalten, allmählich aufgebrochen. Dies betrifft insbesondere die im Bauwesen üblichen konventionellen Stähle – ausgenommen nicht rostende Stähle. Dieser Prozess kann bei besonderen Legierungen (wetterfeste Stähle) zu einem weitgehenden Stillstand kommen, so dass nur die äußeren Schichten betroffen sind, nicht aber die Tragfähigkeit des Bauteils; oder er setzt sich ungehindert fort und zerstört am Ende das Bauteil, wie bei normalen ungeschützten Baustählen der Fall. Es können folglich geeignete Legierungen gewählt werden, um diesen Korrosionsprozess zu verhindern oder zumindest rechtzeitig zum Stillstand zu bringen, oder – was in den meisten baupraktischen Fällen geschieht – die Stahloberfläche wird durch geeignete Beschichtungen (z. B. Zinkschichten) oder Anstriche vor atmosphärischem Angriff geschützt. ☞ Kap. V-6, Abschn. 2.1.2 Kontaktkorrosion, S. 622

☞ Kap. V-6 , Abschn. 3.1 Carbonatisierung, S. 632

☞ Abschn. 9.3.1 Organische Stoffe - Holz, S. 106

•• Kontaktkorrosion zwischen Metallen verschiedener Edle ( ☞). Der Kristallverband des unedleren Metalls wird durch Einwirkung von Ionen des edleren Metalls im Wasser als Elektrolyten langsam aufgelöst. •• Carbonatisierung von Beton • Zerstörung des Materialgefüges durch UV-Strahlung ( 106). Energiereiche ultraviolette Strahlung aus dem direkten Sonnenlicht bricht bei lang andauernder Wirkung die molekularen Bindekräfte des Materials auf. Dieses Phänomen betrifft beispielsweise Holz, dessen Stützgewebe aufgrund der kontinuierlichen Zersetzung der verfestigenden Substanz Lignin ( ☞) durch ständige UV-Bestrahlung allmählich zerfällt. Auch polymere Werkstoffe wie bituminierte Abdichtungsbahnen sind gegen UV-Strahlung empfindlich, verspröden unter direktem Sonnenlicht und brechen am Ende auf. • Biologische Zersetzungsprozesse: Diese betreffen organische Werkstoffe wie Holz ( 107). Lignin, die für den stofflichen Zusammenhalt des Holzes hauptverantwortliche Substanz, ist zwar verhältnismäßig resistent gegen den Angriff chemischer Wirkstoffe (z. B. Basen und Säuren),52 kann aber von gewissen – vergleichsweise wenigen – Arten von Mikroorganismen wie Weißfäulepilze zerstört werden. Voraussetzungen für die zersetzende Wirkung der Mikroorganismen ist das geeignete Feuchtemilieu. Unter zu niedriger Feuchte wie bei normal trockenem Bauholz sind die Pilze nicht lebensfähig. Im Wasser können diese Lebewesen ebensowenig existieren, weshalb bei Einsatz im wassergesättigten Milieu – beispielsweise als Fundierungspfähle

1. Materie

127

im Erdreich – Holzteile dauerhaft beständig sind. Dieser Umstand ist die Grundlage des konstruktiven Holzschutzes, der das Ziel verfolgt, für Pilze zuträgliche Feuchtegehalte im Holz zu verhindern oder nur über einen kurzen, ungefährlichen Zeitraum zu ermöglichen. Die Voraussetzung dafür ist das rasche Ableiten von Niederschlagswasser von Holzoberflächen sowie die gute Belüftung derselben, um dem bereits eingedrungenen Wasser das rasche Ausdiffundieren zu ermöglichen.

103 Risse im Holz. 104 Betonschaden, vermutlich Abplatzung wegen Frosts.

105 Korrosion von Stahl. 106 UV-Schädigung (Ausbleichen, Verspröden) nebst organicher Zersetzung von Holz.

128

14.

III Stoffe

Brandeinwirkung

☞ Kap. V-5 Brandschutz, S. 580

☞ Kap. V-5, Abschn. 5.3 Die Werkstoffe für Primärtragwerke > 5.3.4 Stahl, S. 584

Brand stellt für Baustrukturen seit jeher eine gefährliche Bedrohung dar, die in den meisten Fällen zur vollständigen Zerstörung eines Bauwerks führen, erhebliche Sachschäden wie beispielsweise beim Brand von Lagerhäusern zur Folge haben sowie oftmals auch darüber hinaus Menschenleben fordern kann (☞). Neben der Brennbarkeit des Baumaterials selbst – wie bei Holz oder Kunststoffen –, die durch Flammenschlag oder auch Brandgase und sonstige emittierte giftige Gase eine Bedrohung von Menschen darstellt, birgt insbesondere das statische Versagen des Primärtragwerks oder von Teilen desselben ein großes Gefährdungspotenzial. Unter Brandeinwirkung verliert dabei der Werkstoff ab einer bestimmten kritischen Temperatur seine Festigkeit (wie bei Stahl), oder das Material verkohlt durch Abbrand, also durch langsame Oxidation der Oberflächenschichten, (wie bei Holz) und verliert durch diese chemische Umwandlung allmählich die atomare oder molekulare Bindekraft. Bauwerke konnten, und können auch heute noch, in den seltensten Fällen vollständig aus nichtbrennbaren und brandresistenten Materialien hergestellt werden. Selbst traditionelle Steinbauten konnten zumeist auf Holzbalkendecken und hölzerne Ausbauteile oder zumindest brennbare Einrichtungsgegenstände nicht verzichten, so dass stets eine ausreichende Brandlast, oder Gesamtmenge an brennbarem Material, vorhanden war – und heute noch ist –, die einem Brand ausreichende Nahrung liefert, um großen Schaden anzurichten. Als besonders kritisch unter Brandbedingungen erweisen sich metallische Werkstoffe, und hier naturgemäß insbesondere Stahl, das bei verhältnismäßig niedrigen Brandtemperaturen von 600° C seine Festigkeit bereits weitgehend verliert und in den plastischen Zustand gerät. Die kristallinen Gitterkräfte werden ab der Schmelztemperatur aufgebrochen, das Material geht in einen nichtkristallinen, also amorphen Zustand über und verliert seine großen Bindekräfte. An dieser Tatsache ändert nichts, dass Stahl nicht brennt. Auch Stoffe mit amorpher Molekularstruktur versagen rasch unter Brandeinwirkung. Glas zerspringt entweder augenblicklich unter lokaler Erwärmung oder es plastifiziert und schmilzt bei gleichmäßiger Wärmeverteilung verhältnismäßig frühzeitig unter hohen Temperaturen. Glas ist wie auch Stahl unbrennbar. Auch die meisten Kunststoffe verlieren ihre Festigkeit rasch und schmelzen. Da sie als brennbar einzustufen sind, stellen sie ihrerseits eine Brandlast dar. Besonders gefährlich ist bei einigen Kunststoffen die Emission giftiger Gase sowie auch das brennende Abtropfen des schmelzenden Materials bei Einbau über Kopf. Etwas günstigeres Brandverhalten zeigt Holz, da die Kohleschicht, die sich unter Brandeinwirkung an der Oberflächen exponierter Holzbauteile bildet, eine vorteilhafte dämmende Wirkung auf den Brandfortschritt hat, diesen also bremst ( 108). Dies wird durch die öffentliche Wahrnehmung oftmals verkannt, vor allem unter dem – zunächst trügerischen – Aspekt, dass Holz selbst ja ein brennbares Material ist.

1. Materie

129

Am günstigsten verhalten sich unter Brandeinwirkung die meisten mineralischen Werkstoffe wie Beton oder keramische Materialien. Der Schmelzpunkt dieser kristallinen Stoffe aus dem chemisch sehr stabilen Grundbaustein Siliciumdioxid (SiO2) liegt im Regelfall bei rund 1700° C. Es ist folglich eine wesentlich längere Brandzeit und auch bedeutend mehr Brandlast erforderlich, um die Hitzeeinwirkung so lange aufrechtzuerhalten, bis es zu einem Schmelzen dieser Werkstoffe kommt. Dies geschieht auch unter ungünstigen Brandbedingungen nur selten, so dass im Regelfall sowohl eine rechtzeitige Rettung von Menschen möglich ist als auch die mineralischen Werkstoffe den Brand oftmals in ihrer Grundsubstanz weitgehend unbeschadet überstehen können. Kritisch bei mineralischen Werkstoffen wie Beton (in bewehrter Form) ist allerdings das Abplatzen von Oberflächenschichten ( 109), die einer starken Ausdehnung infolge hoher Temperaturen ausgesetzt sind. Die Innenbereiche massiver Bauteile erwärmen sich nicht so rasch, da die große Masse und hohe Wärmespeicherkapazität dies verhindern. Ähnlich wie bei Korrosionsvorgängen ( ☞) können dann die gegen hohe Temperaturen besonders empfindlichen Bewehrungsstähle ohne die schützende Betonschicht plastifizieren und zum Versagen des gesamten Bauteils oder Tragwerks führen.

107 Holzfäule

1 2 3 4 5 6 7 8

☞ Abschn. 13. Zersetzungsprozesse chemische Korrosionsprozesse, S. 124

108 Brandschäden an Holz

Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Atom Cuny (1967) Einführung in die Chemie, S. 170 f Die Physik unterscheidet zusätzlich auch den plasmaförmigen Zustand, der indessen keine unmittelbare bauliche Bedeutung hat. Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Atom Brockhaus Enzyklopädie, Stw. chem. Bindung; auch Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 16 Wie beispielsweise bei Holz oder Kunststoffen, vgl. Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 16-22 Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 24 Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 24

109 Brandschäden an Beton



Anmerkungen

130

III Stoffe

9 10 11 12

Brockhaus Enzyklopädie, Stw. chem. Bindung Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 24; Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens Bd. 1, S. 58 Cuny (1967) Einführung in die Chemie, S. 184 Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 18-21, 24; Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens Bd. 1, S. 58, 13 Cuny (1967) Einführung in die Chemie, S. 99 14 Petersen (1994) Stahlbau, S. 34 15 Petersen (1994) Stahlbau, S. 34 16 Petersen (1994) Stahlbau, S. 42 17 Petersen (1994) Stahlbau, S. 42 18 Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 28 19 Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Makromoleküle, Polymere 20 Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 173 21 Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens Bd. 1, S. 82 22 Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens Bd. 1, S. 104, 105 23 Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens Bd. 1, S. 106 24 Brockhaus Enzyklopädie, 19. Aufl., Stw. Gefüge 2 25 Volland (1999) Einblicke in die Baustoffkunde, S. 74 26 Volland (1999) Einblicke in die Baustoffkunde, S. 36 27 Volland (1999) Einblicke in die Baustoffkunde, S. 45 f; Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 117 f 28 Volland (1999) Einblicke in die Baustoffkunde, S. 38 29 Volland (1999) Einblicke in die Baustoffkunde, S. 39-40 30 Modifiziertes Diagramm nach Volland (1999), S. 33 31 Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Korngrenzen 32 Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Gefüge (3) 33 Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens Bd. 1, Graphik auf S. 430 34 Petersen (1994) Strahlbau, S. 34; Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Korngrenzen 35 Mägdefrau (1951) Botanik, S. 25 36 Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 177 37 Schaubilder nach Navi/Heger (2004) Vol. 29, No. 5 38 Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 177f 39 Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 179 40 Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 180 41 Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 181 42 Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens Bd. 1, S. 76f 43 Brockhaus Enzyklopädie, Stw. elastische Schwingungen 44 Navi P, Heger F (2004) Combined Densification... 45 Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Gleiten 46 Petersen (1994) Stahlbau, S. 42 47 Petersen (1994) Stahlbau, S. 40 48 Petersen (1994) Stahlbau, S. 41 49 Petersen (1994) Stahlbau, S. 42 50 Petersen (1994) Stahlbau, S. 49 51 Volland (1999) Einblicke in die Baustoffkunde, S. 28 52 Brockhaus Enzyklopädie, Holz - chemische Eigenschaften

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE

1. 2. 3. 4.

Werkstoffe im Bauwesen Werkstoffe für Primärtragwerke Materialgerechtigkeit Klassifikation der Werkstoffe für Primärtragwerke

III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

132

1.

III Stoffe

Werkstoffe im Bauwesen

☞ Kap. IV Bauprodukte

☞ Kap. V-1, Abschn. 3. Zuweisen von Teilfunktionen an Bauteile, S. 349 f

Die Werkstoffe oder Materialien – beide Begriffe sollen im Folgenden gleichwertig verwendet werden – , die im Bauwesen verarbeitet werden, sind sehr zahlreich und im Rahmen dieses Werks nicht in ihrer Vollständigkeit zu behandeln. Dennoch können die meisten von ihnen auf einige wesentliche Grundwerkstoffe oder zumindest grundlegende Werkstoffgruppen zurückgeführt werden, denn zumeist handelt es sich bei den baurelevanten Werkstoffen um Derivate dieser Grundmaterialien, die einen spezifischen – zumeist industriellen – Umwandlungsprozess erfahren haben. Einen Überblick hierüber gibt das Kapitel IV. Der baurelevante Nutzwert der Werkstoffe beruht auf spezifischen physikalischen und chemischen Eigenschaften oder auf Kombinationen derselben, die sie zur Erfüllung einer bestimmten Teilfunktion eines Bauteils in die Lage versetzen (☞). Neben der fundamentalen Anforderung, eine spezifische, für den jeweiligen Zweck des betrachteten Bauteils typische Teilfunktion zu erfüllen, spielen bei der Auswahl eines Werkstoffs auch andere Aspekte eine Rolle, wie • die Verarbeitbarkeit • die Dauerhaftigkeit. • die Verfügbarkeit oder der Preis • das Erscheinungsbild Bis auf den Preis basieren diese Eignungskriterien eines Werkstoffs wiederum auf seinen individuellen physikalischen und chemischen Eigenschaften; so beispielsweise inwieweit das Material • Kräfte leiten kann, bzw. einem Kraftangriff unter spezifischen Bedingungen ohne Bruch oder übermäßige Verformung widerstehen kann - dies hängt wesentlich mit der Festigkeit bzw. Steifigkeit des Werkstoffs zusammen ( 1). • gegenüber bestimmten Medien, insbesondere aus Witterungseinflüssen wie Wasser oder Wind, durchlässig ist - dies ist von der Dichtigkeit seiner Struktur bzw. der Wasser anziehenden oder abstoßenden Charakteristik des Materials abhängig. • der Brandeinwirkung über einen längeren Zeitraum widerstehen kann, ohne eine kritische Mindestfestigkeit zu verlieren - dies hängt mit der Veränderung des inneren Zusammenhalts der Materialstruktur unter hohen Temperaturen zusammen.

1 Kraftleitung, durch Bauform sinnfällig gemacht (Basilika Paestum).

und viele weitere zu erfüllende Teilfunktionen. Diese werden im Kapitel V Funktionen näher behandelt.

2. Werkstoff

Traditionell wurden unter den Werkstoffen diejenigen gesondert behandelt, die für den Einsatz als Tragbauteile in Primärtragwerken geeignet sind. Dies sind gemäß herkömmlicher Klassifizierung und nach einer (zumindest partiell) entwicklungschronologischen Reihenfolge

133

2.

Werkstoffe für Primärtragwerke

☞ zum Begriff „Primärtragwerk“ vgl. Kap. V-2, Abschn. 1.1 Kategorien von Tragwerken, S. 364

• Stein • Holz • Beton • Stahl Sowie als längst etablierter Verbundwerkstoff aus Beton und Stahl der • Stahlbeton. Es kommen heute auch andere Verbundwerkstoffe in verschiedenen Materialkombinationen – wie beispielsweise Kunststofffasern und Beton – im Bauwesen zum Einsatz. Diese sind jedoch technisch noch nicht in der gleichen Weise ausgereift wie der Stahlbeton. Ferner haben weitere Werkstoffe einen Platz in der Gruppe der für Primärtragwerke grundsätzlich geeigneten Materialien erobert; dazu gehören • Glas • Kunststoffe, die mittlerweile eine gewisse, wenn auch beschränkte Bedeutung für den tragenden Einsatz haben. Die angesprochene Auswahl soll im Folgenden näher betrachtet werden. Der Begriff Materialgerechtigkeit drückt die Überzeugung aus, dass spezifische Werkstoffe einer Konstruktion und im weiteren Sinne der Gestalt und dem strukturellen Konzept eines gesamten Bauwerks auch gewisse, nur dem betreffenden Material eigene Regeln und Gesetze auferlegen. So könne eine Konstruktion oder ein Entwurf diesen charakteristischen Gesetzen entsprechen, also materialgerecht gestaltet sein, oder im Gegensatz diesen zuwiderlaufen oder diese nicht in ausreichendem Maß berücksichtigen. Oftmals werden diese beiden Optionen als Gradmesser für die technische oder auch formale Qualität eines Bauwerks angesetzt. Es ist unstrittig, dass Werkstoffe deutlich divergierende Eigenschaften aufweisen. Dies kann den Inhalten der folgenden Abschnitte ausführlicher entnommen werden. Die Unterschiede betreffen in erster Linie

3.

Materialgerechtigkeit

134

III Stoffe

• die maximal aufnehmbaren Spannungen infolge Krafteinwirkung, ausgedrückt durch die jeweiligen charakteristischen Bruch- (sB) oder zulässigen Spannungen (szul). • das Verformungsverhalten infolge lastabhängiger oder auch lastunabhängiger Einwirkungen. • das Verhalten unter extremer Belastung, also die Sprödigkeit oder Duktilität eines Werkstoffs 2 Frühstück im Pelz (Meret Oppenheim, 1936)

• die Iso- oder Anisotropie des Materials, also der Grad der Ausrichtung des Materialgefüges • den Verarbeitungsprozess sowie die üblichen Einsatzformen des Werkstoffs, also im Wesentlichen formlos, platten-, staboder bausteinförmig. • die Dauerhaftigkeit gegenüber Umwelteinflüssen

3 Nachahmung oder Mimese eines ursprünglichen Holzbaus (links) im Steinbau (rechts) des antiken griechischen Tempels (nach Choisy).

☞ Kap I Konstruieren

4 Holztypische Verzapfungen mit Keilsicherung als Beispiel unsicheren Umgangs mit einem neuartigen Werkstoff (Eisenkonstruktion der Coalbrookdale-Bridge in Großbritannien, 1775)

☞ Band 2, Kap. IX Bauweisen

• die Rohdichte sowie insbesondere die Relation zwischen dieser und der aufnehmbaren Spannung (s. o.) sowie auch andere, weniger bedeutende Aspekte. Es liegt auf der Hand, dass diese Tatsache einen außerordentlich starken Einfluss auf den Planungs- und Konstruktionsprozess ausübt. Eine Relation zwischen Material und Bauform anzuerkennen oder zu leugnen ist dennoch eine weitgehend ideologische Frage, die jeder Bauschaffende individuell beantwortet und die jenseits rein technischer Erwägungen liegt. Es gibt ausreichend Beispiele aus der Baugeschichte und auch aus dem zeitgenössischen Bauen, bei denen man – manchmal aus ironischer Grundhaltung mit Vorsatz, manchmal auch ohne es ausdrücklich zu bezwecken – gegen das Material gearbeitet hat (vgl. stellvertretend für Ironie die Pelztasse in  2). Es besteht aber wenig Zweifel daran, dass bewusste oder unbewusste Missachtung dieser Gesetzmäßigkeiten fast ausnahmlos zu schwer lösbaren technischen Problemen führt sowie mit Sicherheit zu erhöhtem – planerischem und technischem – Aufwand, höheren Kosten, für aufmerksame Augen zumeist unbefriedigenden formalen Lösungen und in extremen Fällen zur schieren Unmöglichkeit, eine Entwurfsidee baulich zu realisieren. Die materialspezifischen Entwurfs- und Konstruktionsregeln haben insbesondere in den herkömmlichen Bauweisen ihren Niederschlag gefunden. Es ist zweifellos angebracht, den Begriff der Materialgerechtigkeit sehr differenziert zu gebrauchen. Ein Blick zurück in die Baugeschichte zeigt, dass Bauschaffende oftmals kulturell unbestritten hochrangige Bauwerke schufen, die sich gemessen an den skizzierten Kriterien der Materialgerechtigkeit hart am Rande des Orthodoxen bewegen. Hier sollen nur einige wenige Beispiele für kaum materialgerechte Tendenzen genügen:

2. Werkstoff

• Mimesis oder Nachahmung: oftmals wurden Bauformen, die sich zunächst aus den charakteristischen technischen Gesetzmäßigkeiten eines spezifischen Materials entwickelten, in ein anderes Material mit ganz anderer Charakteristik übertragen. Ein prominentes Beispiel ist der griechische Tempel, eine Replik von Holzbauformen in Stein ( 3).

135

& Schriften von A. Choisy und Viollet-le-Duc

• Mangelnde Kenntnis der Gesetzmäßigkeiten eines noch in Entwicklung begriffenen neuen Werkstoffs. Ein gutes Beispiel sind die als typische Holzbaudetails erkennbaren konstruktiven Lösungen an der Coalbrookdale-Brücke, der ersten Eisenbrücke aus den Jahren 1775-79 ( 4). • Fehlende technische oder finanzielle Möglichkeiten, die durchaus wahrgenommenen und erkannten Gesetzmäßigkeiten eines innovativen Werkstoffs baulich umzusetzen. Beispiel: die nicht in Stahlbeton ausgeführte, wenn auch gemäß den Regeln des Stahlbetonbaus konzipierte und gestaltete Dachdecke des Barcelona-Pavillons von Mies van der Rohe, oder auch der Einstein-Turm von Mendelsohn ( 5).

5 Obgleich im Entwurf die betontypische Formenfreiheit vorwegnehmend, wurde der Einsteinturm von Mendelsohn zuletzt aus Kostengründen in Mauerwerk ausgeführt.

• Bewusstes Ausschöpfen der Tragfähigkeit und Verarbeitbarkeit eines Werkstoffs bis zu seinen äußersten Grenzen. Als Beispiel kann die gotische Architektur gelten, bei der im Dienste einer leitenden, alles bestimmenden formalen Entwurfsidee extremer technischer Aufwand in Kauf genommen und der Werkstoff Naturstein buchstäblich bis hart an die Grenzen des objektiv technisch Realisierbaren getrieben wurde ( 6). • Ironie im Umgang mit Material: Eine selbstreflektierende, aus kunsttheoretischer Sicht manieristische Haltung, welche aus der Kenntnis der Regeln des technischen Materialeinsatzes heraus diese persifliert und bewusst konterkariert ( 7). Diese Nuancierung und teilweise Einschränkung des Begriffs der Materialgerechtigkeit, die sich aus jeder kritischeren und aufmerksameren Berücksichtigung der vielschichtigen – selbstredend nicht allein technischen – Dimensionen des Bauschaffens zwangsläufig ableitet, ändert nichts an der Tatsache, dass Material ein gewichtiger Faktor im Entwurfs- und Konstruktionsprozess ist. Eine Missachtung der Materialeigenschaften zieht stets gravierende Konsequenzen nach sich, gleichgültig ob man bereit ist, diese in Kauf zu nehmen. Wenngleich Anforderungen aus Material und Entwurfsidee nicht immer konfliktfrei harmonieren, belegen doch auch zahlreiche gebaute Beispiele, die als technische und künstlerische Höchstleistungen des Bauschaffens aller Epochen gelten können, dass ein beinahe bruchloses Verschmelzen von Materialgesetzmäßigkeit, Konstruktion und Form möglich ist und diese ganz besondere Qualität Sinne und Intellekt gleichermaßen anregt.

6 Extremer Leichtbau mit dem für diesen Einsatzzweck von sich aus wenig geeigneten Material Naturstein. Sainte Chapelle, Paris, 1248.

7 Postmoderne Persiflage antiker Bauformen.

136

4.

III Stoffe

Klassifikation der Werkstoffe für Primärtragwerke

Innerhalb der verhältnismäßig kleinen Gruppe der für Primärtragwerke geeigneten Werkstoffe lassen sich einige Gruppierungen herstellen, die das Verständnis der Eigenschaften eines Materials sowie dessen planerischen und konstruktiven Einsatz erleichtern. Man kann diese Werkstoffe unterteilen • hinsichtlich des entwicklungsgeschichtlichen Einsatzes in •• ältere Werkstoffe wie Holz und Stein sowie in •• moderne Werkstoffe wie Stahl, Beton auch Stahlbeton • hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften in •• spröde Werkstoffe wie Stein oder Beton. Sie reißen unvermittelt unter übermäßiger Belastung. Es handelt sich um mineralische Materialien. Sie sind fast ausschließlich auf Druck belastbar. Zug können sie nur in sehr engen Grenzen tolerieren. Ferner gibt es auch •• zähfeste Werkstoffe wie Stahl; Holz kann nur mit großem Vorbehalt zu dieser Gruppe gezählt werden, da es unter extremer Last zwar große Verformungen vollzieht, aber im Wesentlichen spröde bricht. Zähfeste Werkstoffe weisen ein gutmütigeres duktiles Verhalten auf, d. h. sie zeigen noch vor dem Bruch deutlich erkennbare Verformungen bzw. sind fähig, lokale Lastkonzentrationen durch Verformung abzubauen – dies gilt aber auch für Beton. Sie sind in der Lage, sowohl Druck als auch Zug aufzunehmen, und zwar annähernd in gleicher Größenordnung ( 8).

☞ Kap III-8, Abschn. 4. Mechanische Eigenschaften, S. 215, sowie ebd.. Abschn. 5.7 Polyamid (PA), S. 222

Auch wenn sich neuere Werkstoffe in der Entwicklung befinden, die wie beispielsweise Aramidfasern ( ☞) Aussichten haben, mit ihren extrem hohen Leistungsfähigkeiten Eingang in das Bauwesen zu finden, so besteht heute noch kein Anlass, von dieser skizzierten Werkstoffklassifikation wesentlich abzuweichen. Spröde Werkstoffe • Stein

Zähfeste Werkstoffe • Holz

• Beton

• Stahl

← alte Werkstoffe ← neue Werkstoffe

• Stahlbeton Plötzlicher Bruch Bleibende (sichtbare) ohne bleibende Verformung bereits vor einem (sichtbare) Verformung Bruch. 8 Klassifikation der wichtigsten Werkstoffe für Primärtragwerke.

Trennbruch ⊥ zu Hauptzugspannungen

Elastisch / plastisches Verhalten

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE

1. 2. 3. 4.

Geschichtliche Entwicklungsstufen Technische Entwicklungsstufen von Mauerwerk Zusammensetzung des Mörtels K lassifikation der Steine 4.1 Natursteine 4.2 Künstliche Steine 5. Mechanische Eigenschaften 6. Verformungsverhalten 6.1 Lastunabhängige Verformungen 6.2 Lastabhängige Verformungen 6.2.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm 7. Konstruktive Folgerungen 8. Zusammenfassung Mauerwerk 9. Kennwerte Anmerkungen

III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

138

III Stoffe

1.

Geschichtliche Entwicklungsstufen

Die Verarbeitung von Steinen in Form von großen Blöcken oder Mauerwerk zu Bauwerken geht bis auf vorgeschichtliche Zeiten zurück. Die Ursprünge liegen in ferner Vorzeit und lassen sich nicht mehr rekonstruieren. Unstrittig ist, dass das einfache Schichten vorgefundener Feldsteine eine der ältesten Formen der Schaffung menschlicher Behausungen ist.1 Daneben entstanden um ca. 4.000 bis 3.000 v. Chr. auch Megalith-Bauten aus großformatigen Steinblöcken ( 1). Der hohe Aufwand, der zur Errichtung dieser Bauwerke erforderlich war, erklärt sich wegen ihres kultischen Charakters. Für Zweckbauten oder Behausungen war diese Bautechnik ungeeignet.

2.

Technische Entwicklungsstufen von Mauerwerk

Das Schichten und Fügen einzelner maßlich begrenzter, mit bloßen Händen handhabbarer Bausteine diverser Machart zu einem tragfähigen Flächenelement wie einer Mauer oder einem Gewölbe hat als dominierende Art der Verarbeitung von Steinmaterial bis heute Bestand. Das tragende Steingefüge oder Mauerwerk hat in seiner Entwicklung verschiedene Stadien der technischen Reife durchlaufen, die teilweise auch heute noch nebeneinander existieren: • 1. Stufe: einfaches Schichten von vorgefundenen, also nicht bearbeiteten Feldsteinen ( 2). Die einzige gezielte Beeinflussung des Grundmaterials kann die Auswahl besonders flacher oder ansonsten günstig geformter Steine gewesen sein. Die Steine werden trocken, d. h. ohne plastisches Füllmaterial in den Fugen, aufeinander gestapelt, und zwar so, dass die vorzugsweise flachen Formate jeweils immer liegend verarbeitet werden. Es versteht sich von selbst, dass die Fuge zwischen Steinen jeweils immer den Schwachpunkt eines Mauergefüges ausmacht. Dies gilt im Übrigen auch für alle weiteren Mauerwerksvarianten, die weiter unten besprochen werden. Es entsteht auf diese Weise zwangsläufig ein lockeres Steingefüge mit weitgehend offenen Fugen, bei denen zumeist nur punktueller Kontakt zwischen aufeinander liegenden Steinen besteht ( 3). Als Konsequenz erfolgt die Lastübertragung vertikal über eine vergleichsweise kleine Fläche (dies führt zu erhöhten Spannungen) und wenn ein flacher Stein frei zwischen zwei entfernten Auflagerpunkten spannt, kann es – infolge der Biegezugspannungen – leicht zum Bruch kommen. Auch die Reibung zwischen aufeinander liegenden Steinen ist infolgedessen nur gering, was die Aufnahme von Horizontalkräften erschwert – wobei andererseits die Verzahnung in den unregelmäßigen Fugen sich günstig auswirkt. Eine weitere Variante ist das Bruchsteinmauerwerk, bei dem Steine so wie sie gebrochen werden, d. h. ohne steinmetzmäßige Weiterbearbeitung, verbaut werden ( 4-6). Durch gezielte Auswahl der Steine und ihrer Lage für einen spezifischen Ort im Mauergefüge lässt sich die Verzahnung, und damit die Tragfähigkeit der Konstruktion verbessern.

3. Stein

139

Bei diesen Varianten handelt es sich um Lösungen mit beschränkter Tragfähigkeit, was vornehmlich an der sehr ungleichmäßigen Kraftübertragung über die Fuge hinweg liegt. Man hat manchmal versucht, diesen Mangel dadurch zu beheben, dass man nachträglich kleine Steine in größere Spalte drückte ( 6). Die mangelnde Festigkeit des Gefüges musste stets durch große Eigen- oder Auflast kompensiert werden. 1 Stonehenge ist in drei Bauphasen in der Zeit von etwa 3000 bis 1500 v. Chr. entstanden.

+ Auflast

2 Schichten von Mauerwerk aus flachen, unbehauenen Steinen.

3 Punktuelle Auflagerung eines Steins mit daraus folgender erhöhter Druckspannung sowie Biegebeanspruchung.

4 Mauerwerk aus geschichteten, unvermörtelten, kaum nachbearbeiteten Bruchsteinen. Die nur lokalen Kontaktflächen zwischen den Steinen führen zu einem nur lockeren Mauergefüge. Es wurden vorwiegend flache Formate gewählt, die liegend verlegt wurden.

5 Riss im Bruchsteinmauerwerk. 6 Bruchsteinmauerwerk. Ausfüllung der Fugen mit kleinen Steinen zur Verbesserung der Tragfähigkeit.

7 Mauerwerk aus passend behauenen Steinblöcken mit unregelmäßigen Formen. 8 Präzise, aber unregelmäßig gefügtes Zyklopenmauerwerk (Palast des 6. Inkas, Cuzco, Peru).

140

III Stoffe

• 2. Stufe: In einer weiteren Entwicklungsstufe wurde das Rohmaterial (z. B. mit Keilen) gezielt zu mehr oder weniger regelmäßigen Formen gespalten oder im weiteren Schritt steinmetzmäßig bearbeitet. Wichtigstes Ziel der Formgebung war zunächst, die Kontaktfläche an der Fuge zu vergrößern, im Idealfall einen weitgehend vollflächigen Kontakt zu erzielen, oder die Fuge komplett zu schließen. Gleichmäßiges Bearbeiten der Steinfläche führt zu einer Verteilung der Last auf eine größere Lagerfläche. Daraus folgt •• eine Verringerung der Druckspannung (Spannungsspitzen) •• ein Verhindern der Biegezugspannung, weil durch den vollflächigen Kontakt im Idealfall keinerlei Biegung mehr auftritt ☞ Kap. V-2, Abschn. 9. Bauliche Umsetzung der Kraftleitungsfunktion im Element – Strukturprinzip des Bauteils > 9.3 Element aus Bausteinen, S. 464

•• eine Aktivierung der Reibung in der Kontaktfläche (der Lagerfuge) unter Mitwirkung der senkrecht auf sie wirkenden Last und damit eine größere Tragfähigkeit gegenüber horizontalen Lasten ( ☞). Werden die Stoßflächen eines weitgehend unregelmäßigen Bruchsteins jeweils mit geringstmöglichen Aufwand zu Ebenen gemeißelt, entsteht ein polyedrischer Baustein, dessen Eckwinkel auf die Geometrie der anstoßenden bereits vermauerten Steine angepasst ist. Man spricht dann von einem Zyklopenmauerwerk ( 7, 8). In einem weiteren Entwicklungsschritt werden die Lagerfugen horizontal gerade ausgeführt, die Steine also zu Quadern gemeißelt ( 9). Zur besseren Ausnutzung unregelmäßigen Rohmaterials wurden die einzelnen Steinschichten manchmal mit wechselnden Dicken ausgeführt. Am Ende dieser Entwicklungslinie steht das regelmäßige Werksteinmauerwerk aus weitgehend identischen Quadersteinen ( 10). • 3. Stufe: Alle Varianten von Mauerwerk aus behauenen Steinen sind mit hohem handwerklichen Arbeitsaufwand verbunden, waren stets entsprechend teuer und lange paradigmatisch für eine qualitativ besonders wertvolle wie auch dauerhafte Konstruktion. Man hat die mechanischen Unzulänglichkeiten einfachen Trockenmauerwerks (s.o.) aber nicht nur durch Behauen, also gezielte aufwändige Formgebung, zu kompensieren versucht, sondern auch durch Einsatz von Mörtelmasse ( 11, 12). Dies ist eine im Verarbeitungszustand plastische Füllmasse für die Fugen, die sich durch Aufziehen auf eine bereits vermauerte Steinreihe und Aufsetzen eines Steins selbsttätig durch dessen Gewicht oder durch zusätzliches Klopfen an seine unregelmäßige Oberfläche anpasst, anschließend aushärtet und eine gute gleichmäßige Kraftübertragung zwischen Steinen ermöglicht ( 13, 14). Die Mörtelschicht reproduziert in gewisser Weise die Verhältnisse an einer sauber gearbeiteten Trockenfuge. Wie diese auch, ist jene nicht in der Lage, nennenswerte Zugkräfte an

3. Stein

141

9 Quaderförmig behauene Werksteine in Steinreihen mit wechselnden Höhen. 10 Aufwändig behauenes, dekorativ bossiertes Quadermauerwerk des Palastes Kaiser Karls des V. auf der Alhambra in Granada.

11 Dick vermörteltes, grobes Mauerwerk aus flachen Sedimentsteinen und Granitblöcken (Scheune in Corippo, Tessin). 12 Vermörteltes Werksteinmauerwerk.

13 Mörtelfuge zum Ausgleich ungleichmäßiger Steinflächen beim Natursteinmauerwerk. 14 Der Mörtel gleicht die starken Unebeneheiten des groben Ziegelsteins in der Fuge aus.

142

III Stoffe

der Grenzfläche zum Stein rechtwinklig zu dieser aufzunehmen. Als Folge davon reißt oder klafft sie augenblicklich aufgrund der verhältnismäßig geringen Adhäsion. Ferner weist die Mörtelfuge gegenüber der Kontaktfuge des Werksteinmauerwerks folgende Nachteile auf: •• mit ihren beidseitigen Kontaktflächen an den anstoßenden Steinen verdoppelt sie insgesamt die Fugenfläche des Mauergefüges und damit dessen Schwachstellen.

15 Risse in der Mörtelfuge.

•• neben der Unfähigkeit, Zugkräfte an der Grenzfläche zum Stein aufzunehmen, ist der Mörtel auch sehr empfindlich gegen Zugbeanspruchung seines eigenen Materialgefüges, hat also selbst eine nur begrenzte Zugfestigkeit, und zwar zumeist eine kleinere als der Stein selbst. Zugkräfte (gleichgültig welcher Ausrichtung) können rasch zum Reißen der Mörtelschicht führen. Gleiches gilt für die Schubfestigkeit der Mörtelschicht. Grundsätzlich sollte wegen der verglichen mit dem Stein schlechteren mechanischen Eigenschaften des Mörtels die Fugendicken und damit der Mörtelanteil am Mauergefüge beschränkt werden. •• Mörtel weist gegenüber dem Stein ein unterschiedliches Verformungsverhalten auf. Seine Tendenz zum Schwinden ist größer als die des Steinmaterials. Die dadurch entstehenden Zugspannungen können zum Reißen des Mörtels führen ( 15). Dies behindert neben seinen mechanischen Aufgaben unter anderem eine wichtige Funktion des Mörtels, nämlich das Herstellen der Dichtigkeit eines Mauergefüges. Trotz einiger Unzulänglichkeiten vermörtelten Mauerwerks eröffnete dieser technische Entwicklungsschritt weit reichende bauliche Möglichkeiten. Erst die Mörteltechnik erlaubte die Verwendung zunächst gebrannter, später auch nach anderen Verfahren hergestellter künstlicher Steine, die aufgrund des Fertigungsprozesses niemals die ausreichende Präzision erlangen können, die für ein halbwegs tragfähiges Trockenmauerwerk unerlässlich ist ( 14). Während Werksteinmauerwerk heute aufgrund der unausweichlichen hohen Lohnkosten weitgehend aus der Baupraxis verschwunden ist, hat sich das vermörtelte Mauerwerk aus künstlichen Steinen dank seiner Einfachheit und niedrigen Kosten in bestimmten Sektoren (wie dem Wohnungsbau) bis heute erhalten.

3. Stein

Mörtel ist ein im feuchten Zustand plastischer Brei aus:

143

3.

Zusammensetzung des Mörtels

• Zement oder Kalk als Bindemittel • Wasser • Zuschlag < 4 mm • evtl. Zusatzstoffe (Gesteinsmehl, Puzzolane, Verzögerer) Das Materialgefüge ähnelt dem des Betons. Näheres zur Mikrostruktur ist in den Kap. III-1 Materie und III-4 Beton zu finden. Bautechnisch und entwicklungsgeschichtlich wichtig ist die Unterscheidung zwischen • Luftmörteln, also solchen, die nur durch Kontakt mit der Luft aushärten, und • hydraulischen Mörteln, also solchen, die aufgrund eines chemischen Prozesses aushärten, der nicht auf Luftkontakt angewiesen ist ( ☞). Entscheidend für das Abbindeverhalten ist das eingesetzte Bindemittel. Man verfügte lange Zeit nur über Luftmörtel, was dazu zwang, extreme Mauerdicken zu vermeiden oder trocken auszuführen, da ansonsten die inneren Mörtelschichten wegen mangelnden Luftkontakts niemals aushärteten. Hydraulische Bindemittel wurden für den großtechnischen Einsatz erst in der römischen Antike entwickelt ( ☞). Sie gerieten anschließend in Vergessenheit. Erst vor ca. 200 Jahren kamen moderne hydraulische Bindemittel in Form von Portland-Zementen auf. Man unterscheidet die folgenden Steinarten: Natursteine sind in einer Vielzahl von Sorten sowie entsprechenden Festigkeiten und Härtegraden, d. h. Verarbeitbarkeit, vorhanden. Man unterteilt die Natursteine in drei große Hauptgruppen: • magmatische Gesteine oder Erstarrungsgesteine entstanden durch Erstarrung von Magma. Sie weisen verschiedenartige Gefüge auf, darunter richtungslose (weitgehend isotrope), aber auch in einem Fließgefüge ausgerichtete oder sphärolithisch radialstrahlige anisotrope Strukturen. Zu ihnen gehören beispielsweise Granite, Basalte, Bimssteine. • Sedimentgesteine entstanden durch schichtweise Ablagerung und anschließende Verfestigung (Diagenese) von Sedimenten unter hohem Belastungsdruck durch darüber liegende Sedimentschichten und erhöhter Temperatur (infolge geothermischer Tie-

☞ Kap III-1, Abschn. 9.1.2 Künstliches Gestein, S. 95

☞ Kap. III-4, Abschn. 1. Geschichtliche Entwicklungsstufen, S. 154

4.

Klassifikation der Steine

4.1

Natursteine

144

III Stoffe

fenstufe der Schichten). Das daraus folgende lagige Gefüge führt zu einer deutlichen Anisotropie, weshalb diese Gesteine auch Schichtgesteine genannt werden. Sie neigen unter übermäßiger Belastung dazu, zunächst entlang der Schichtgrenzflächen aufzureißen. Zu ihnen rechnet man Kalksteine, Sandsteine, Schiefer. • metamorphe Gesteine entstehen aus magmatischen oder Sedimentgesteinen durch Metamorphose, also Umwandlung infolge Veränderung der Druck- und Temperaturbedingungen. Es finden neben mechanischen und Gefügeveränderungen auch chemische Veränderungen statt. Aus Sandsteinen entstehen beispielsweise Quarzite, aus Kalksteinen Marmor, aus Tongesteinen bestimmte Schiefersorten.2 Natursteine besitzen heute lediglich als Verkleidungsmaterial bauliche Bedeutung. 4.2

Künstliche Steine & DIN 105

☞ Kap. III-1, Abschn. 9.1.2 Künstliches Gestein – technisches Grundprinzip, S. 102

☞ Kap. IV-1 Künstliche Steine, S. 242 ff

☞ Band 2, Kap. IX-1 Mauerwerksbau

Künstliche Steine entstehen aus einer plastischen Ausgangsmasse, die entweder durch Trocknung (Lehm), Brennen (Ziegel), Druck- und Dampfbehandlung (Kalksandstein) oder durch chemisches Abbinden (Betonstein) feste Konsistenz annimmt. Dieser Prozess ist in gewisser Weise eine technische Reproduktion des natürlichen Verfestigungsprozesses der Diagenese, wie er bei Natursteinen über sehr lange Zeiträume hinweg stattfindet ( ☞). Sie werden nicht nachgearbeitet, allenfalls werden einzelne Steine geschnitten, wo es aus Notwendigkeiten des Verbands unerlässlich ist. Um diesen Vorgang weitestgehend zu vermeiden, richten sich die Steine in ihren Abmessungen nach einem festgelegten Modularsystem, das erlaubt, sie grundsätzlich verschnittfrei in geregelten Verbänden zu vermauern. Künstliche Steine weisen sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Sie bieten bei hohen Rohdichten große Druckfestigkeiten – wie gesinterte Klinker –, können aber gleichfalls mit poröser Struktur gefertigt werden und bieten dann hohe Wärmedämmwerte. Druckfestigkeit und Dämmfähigkeit schließen sich dabei allerdings gegenseitig aus (☞). Wenngleich das Grundmaterial künstlicher Steine isotrope Materialstruktur aufweist, sind moderne Steine zumeist durch ihre spezielle Formgebung auf eine spezielle Lage im Mauergefüge hin festgelegt (vgl. Lochziegel). Ferner kann der Herstellungsprozess zu einer gewissen Anisotropie im Material führen, die allerdings nie so deutlich ausgeprägt ist wie bei anderen Werkstoffen, insbesondere Holz. Dies gilt beispielsweise für die gebrannten, also keramischen Ziegelsteine. Aufgrund der üblichen Schichtung der Normalsteine im Brennofen sind zumeist die kleinen Seitenflächen stärker der Glut ausgesetzt als die größere Ober- und Unterseite. Diese weist folglich eine porösere Struktur auf als die dichter gebrannten Seitenflächen, die aus diesem Grunde witterungsbeständiger sind. Auch eine Schnittfläche ist poröser als die unverletzten Seitenflächen. Diesem Umstand wurde im traditionellen Mauerwerksbau durch geeignete Verbände Rechnung getragen ( 16-18).

3. Stein

145

16 Rollschicht auf einer Mauerkrone.

17 Rollschicht auf einer schrägen Mauerkrone. Bei flacher Neigung können an den waagrechten Ziegelschichten spitzwinklige Anschnitte entstehen.

Wesentlich für das Verständnis der mechanischen Wirkungsweise eines Mauergefüges ist der Umstand, dass die Steinfuge, gleichgültig ob trocken oder vermörtelt, den Schwachpunkt der Konstruktion darstellt. Wie bereits erwähnt, kann die Fuge im Gegensatz zum Stein – ohne Berücksichtigung der Last –

5.

18 Orthogonal zur Neigung verlaufende Grenadierschicht auf einer schrägen Mauerkrone. Vermeidung spitzer Schnittwinkel wie in  17.

Mechanische Eigenschaften

• keine nennenswerte Zugkraft rechtwinklig zu ihrer Ebene • keine nennenswerte Schubkraft in ihrer Ebene aufnehmen ( 19).

Druck Riss an der Grenzfläche

Riss in der Mörtelschicht Zug

Schub

19 Lastaufnahme und Versagen an der Mörtelfuge: Druck, Zug und Schub.

146

III Stoffe

☞ Kap. V-2 Kraft leiten, Abschn. 9.3.2 Verband – druckkraftwirksame Übergreifung, S. 462

Allein für die Aufnahme von Druckkräften rechtwinklig zu ihrer Ebene ist die Fuge ohne weitere Zusatzmaßnahmen gut geeignet ( ☞). Es erfolgt eine gleichmäßige Verteilung der Druckkraft in der horizontal liegenden Lagerfuge, die im Regelfall die größten Druckkräfte zu übertragen hat, da rechtwinklig zu ihrer Ebene die Schwerkraft wirkt ( 20). In der Tat sind Eigenlasten und Auflasten aus aufliegenden Bauteilen stets die maßgeblichen Belastungen von Steinmauern, die in den meisten Fällen als Massivkonstruktionen zu gelten haben. Die senkrechte Stoßfuge wirkt – zumindest unter Idealbedingen – dabei nicht mit. Eventuell in der Fuge auftretende Zugkräfte oder auch Schubkräfte werden nicht durch Adhäsion an den Grenzflächen oder Kohäsion im Füllmaterial aufgenommen ( 19), deren Größenordnung für diesen Zweck nicht ausreicht, sondern grundsätzlich nur durch lotrechte Lasteinwirkung.

20 Lastverteilung im Verband des Mauerwerks

Last Zugkraft

Zugreaktion Druckreaktion

21 Überdrücken von Zugkräften senkrecht zur Lagerfuge durch Last

Last Zugkraft

Zugkraft

Druckreaktion

22 Überdrücken von Zugkräften senkrecht zur Stoßfuge durch Last

☞ zum Begriff des Reibschlusses: Band 3, Kap. XI-1, Grundlagen des Fügens

Dies ist ein fundamentales Gesetz von massiven Mauerkonstruktionen. Im Einzelnen: • Zugkräfte rechtwinklig zur Lagerfuge ( 21) können durch verschiedene Einwirkungen oder äußere Belastungen entstehen. Typische Fälle sind Biegezugspannungen infolge Horizontalkraft rechtwinklig zur Mauerebene oder abhebende Kräfte – beispielsweise bei aufbiegenden Ecken einer aufliegenden Platte. Diese Zugkräfte werden im Wesentlichen durch gegensinnig – also lotrecht – ausgerichtete Last kompensiert oder überdrückt. • Zugkräfte rechtwinklig zur Stoßfuge ( 22) entstehen beispielsweise bei Temperaturdehnungen einer aufliegenden Platte. Die (vertikale) Stoßfuge ist wegen fehlender Last rechtwinklig zu ihrer Ebene – sie verläuft parallel zur Hauptlastrichtung – nicht imstande, dieser Belastung zu widerstehen. Hier wirkt stattdessen die Schubfestigkeit der horizontalen Lagerfuge, die sich ebenfalls aus der rechtwinklig auf ihr wirkenden Last ergibt (siehe nächsten Punkt). Voraussetzung für diesen Mechanismus ist der schichtenweise Versatz der Stoßfuge oder die Verzahnung der Steine in vertikaler Richtung ( 23). Liefe die Stoßfuge vertikal durch, könnte auch eine schubfeste Lagerfuge ihr Aufreißen unter Zug nicht verhindern. Aus diesem Grunde ist der Versatz, der mit dem Überbindemaß ü ( 24) der Steine quantitativ erfasst wird, eine Grundvoraussetzung für einen tragfähigen Verband aus Mauersteinen ( 25, 26). • Querkräfte oder Schubbeanspruchung in der Ebene der Lagerfuge ( 27) entstehen vorrangig durch horizontale Lasten auf das Mauerwerk. Auch sie werden unter Mitwirkung der lotrechten Last (Eigen- oder Auflast) neutralisiert oder überdrückt. Es kommt dabei ein Reibschluss zur Wirkung ( ☞). Die Schubfestigkeit einer Fuge ergibt sich zu

3. Stein

147

h

Überbindemaß ü

ü

23 Versetzte Stoßfugen - typisches Merkmal tragenden Mauerwerks.

25 Stehende Formate führen zu einem ungünstigen Verhältnis von Höhe h zu Überbindemaß ü.

24 Überbindemaß ü.

26 Römisches opus reticulatum, eine Verblendschale beiderseits eines Mauerkerns aus opus caementitium. Bereits der Name reticulatum (gerastert) weist auf die Besonderheit dieses Verbands hin, der keine Überbindung, sondern Kreuzfugen aufweist. Darüber hinaus verlaufen die Fugen geneigt (vgl. hierzu Schrägverbände in Abschn. „7. Konstruktive Folgerungen“ sowie  31). Es liegt auf der Hand, dass es sich um keinen tragenden Mauerverband handelt, sondern um eine dekorativ gestaltete verlorene Schalung.

Last Querkraft Querkraft

Druckreaktion

Querkraft

27 Überdrücken von Querkräften in der Lagerfuge durch Reibschluss. 28 Aufnahme von Querkräften rechtwinklig zur Lagerfuge durch die Scherfestigkeit des Steins dank der Verzahnung im Verband.

148

III Stoffe

βa = βHS + μ⋅σD

βa βHS μ σD

= Scherfestigkeit = Haftscherfestigkeit = Reibbeiwert = Druckspannung ⊥ Lagerfuge

Da βHS und μ materialspezifische Konstanten und damit nur in sehr engen Grenzen variabel sind, kann βa im Wesentlichen nur durch Erhöhen von σD, also durch Erhöhen der Last vergrößert werden. • Querkräfte oder Schubbeanspruchung quer zur Lagerfuge ( 28). Diese Art der Beanspruchung entsteht häufig durch eine unzureichende Fundierung, die ungleichmäßigen Setzungen unterworfen ist. Der Schub wird in diesem Fall durch die Verzahnung der Steine oder den Verband aufgenommen. Maßgeblich ist dann die Schubfestigkeit des Steinmaterials, das deutlich größer als die der Stoßfuge ist, die kaum unter Drucklast steht und folglich keinen nennenswerten Reibschluss aktivieren kann. 6.

Verformungsverhalten

6.1

Lastunabhängige Verformung ☞ Kap.III-4, Abschn. 5. Verformungsverhalten, S. 156

Ähnlich wie bei Beton (☞) ist beim Mauerwerk ein kontinuierlicher, mit der Zeit abklingender Schwindprozess infolge chemischer Vorgänge im Materialgefüge feststellbar. Er ist im Mörtel wesentlich größer als im Stein, bei dem er keine technisch relevanten Ausmaße annimmt. Da wegen der üblicherweise liegenden Steinformate der Lagerfugen- größer als der Stoßfugenanteil ist, macht sich diese Verformung vornehmlich an der Mauerhöhe bemerkbar. Ferner existiert ein hygroskopisches Quell- und Schwindphänomen abhängig von atmosphärischen Bedingungen, also von der Luftfeuchte. Derlei Verformungen bewegen sich indessen (anders als bei Holz) innerhalb eines sehr engen Rahmens.

Lastabhängige Verformung

Da die lotrechten Drucklasten die maßgebende Belastung bei Mauerwerk sind, steht die vertikale Stauchung der Mauer im Vordergrund. Biegeverformungen sind dann gefährlich, wenn die lotrechte Last nicht ausreicht, um die auftretenden Biegezugspannungen zu überdrücken. Maßgebend für die Druckfestigkeit eines normalen Mauerwerks ist die Zugfestigkeit des Steines, da der Mörtel dazu neigt, nach erreichen seiner Druckfestigkeit, unter äußerer Beanspruchung in Querrichtung sich zu verformen, durch den Verbund mit dem Stein aber dehnbehindert ist – Zug im Stein und Druck im Mörtel.

6.2.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Die Spannungs-Dehnungs-Kurve für Steinmaterial zeigt zunächst einen annähernd linearen Charakter mit einer gewissen erkennbaren Krümmung bei höherer Spannungsbelastung. Steinmaterial weist ein Verformungsverhalten auf, das zwischen rein elastischer und rein plastischer Charakteristik liegt ( 29). Da eine leicht gekrümmte Spannungs-Dehnungs-Linie wie beim Stein zunächst kaum eine präzise Festlegung eines E-Moduls erlaubt,

6.2

3. Stein

149

wird ein Ersatzwert eingeführt, der sich ergibt, wenn man eine Gerade (Sekante) zwischen Koordinatenursprung und dem Dehnungswert legt, der einem Drittel der Bruchspannung sB zugeordnet ist. Man spricht vom so genannten Sekantenmodul. Der Verlauf der Spannungs-Dehnungslinie des Steinmaterials zeigt zunächst eine leichtere Krümmung, die sich mit ansteigender Spannung verstärkt, bis am Scheitel bei Erreichen der Bruchspannung sB der Bruch des Materials eintritt. Von diesem Punkt an können keine höheren Spannungen aufgenommen werden. Im Gegenteil: es entstehen immer größere Verformungen bei sinkenden Spannungen bis das Material vollständig zerreißt. Dieser Diagrammverlauf kennzeichnet das Verhalten des Werkstoffs unter Druckbelastung (Vorzeichen -). Unter Zug (Vorzeichen +) tritt sehr rasch der Bruch ein. Alle mineralischen Werkstoffe zeigen einen ähnlichen Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Linie.

σ (-) in N/mm2 B

σB

Z

σ0 = 1/3 σB

ε (+)

O

α ε0

ε (-) in %

σ (+)

Aus den diskutierten Eigenschaften des Werkstoffs Stein lassen sich die folgenden generellen Konstruktionsregeln ableiten: • Durchgehende Stoßfugen sind zu vermeiden. Das Fehlen durchgehender vertikaler Fugen ist ein Hauptcharakteristikum tragenden Mauerwerks und Grundlage jedes Mauerverbands. Allein die Lagerfuge ist durchgehend ausführbar, weil sie der orthogonal angreifenden Hauptbelastung aus der Schwerkraft ausgesetzt ist ( 30). • Zur Sicherung einer ausreichenden Verzahnung wie oben ange-

29 Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Mauerwerk

7.

Konstruktive Folgerungen

150

III Stoffe

sprochen ist ein minimales Überbindemaß erforderlich, das im Bereich ü ≥ 0,4 h ≥ 4,5 cm (nach DIN 1053, Teil 1) liegen sollte. • Schräg verlaufende Mauerverbände sind zu vermeiden. Der Lastanteil orthogonal zur Lagerfuge wird ansonsten reduziert, d. h. eine wichtige Voraussetzung für die Tragfähigkeit des Mauerwerks, die wesentlich von der Aktivierung von Reibschluss in der Lagerfuge abhängt, ist dann ab einer bestimmten Neigung nicht mehr gewährleistet. Ferner erzeugt die dann in Richtung Lagerfuge (planmäßig) auftretende Lastkomponente Querkräfte, d. h. eine Tendenz zum Gleiten ( 31-33). • Stehende Steinformate sind zu vermeiden: Liegende Formate ergeben ein vorteilhaftes Verhältnis von Stoßfuge zu Überbindemaß hs/ü ≈ 2,5 ( 25). • Die Druckfestigkeit im Stein muss kleiner oder gleich sein als die im Mörtel, da sonst, bei Nachgeben des Mörtels aufgrund Auflast, Zugspannungen im Stein auftreten würden. → EMörtel < EStein

☞ Kap. II-3, Abschn. 2.1 Das oktametrische Maßsystem, S. 53

8.

Zusammenfassung Mauerwerk

• Eine freie Verarbeitbarkeit der Steine in einem Verband ist nur dann gewährleistet, wenn die Steinformate einer genormten Maßordnung entsprechen. Muss der Stein in mehr als einer Hauptrichtung ➝  x, ➝  y oder ➝  z vermauert werden, haben die betroffenen Abmessungen des Steins notwendigerweise auf einem gemeinsamen Grundmodul aufzubauen. Auch für die verschnittfreie Lösung von besonderen Punkten (Mauerkanten, Ecken, Öffnungen etc.) ist dies eine Voraussetzung ( ☞). Folgende wesentliche Merkmale von Mauerwerk können festgehalten werden: • Steinmaterial gilt grundsätzlich als spröder Werkstoff. Es kann •• Druck gut •• Zug hingegen nur in sehr engen Grenzen aufnehmen. • Es handelt sich um ein – besonders im Vergleich mit Beton – nur eingeschränkt druckfestes Material. Druckkonzentrationen und dadurch entstehende lokale Spannungsspitzen sind grundsätzlich zu vermeiden. Es ist daher seinem Charakter nach eine reine Wandbauweise und ist für Skelette nur sehr eingeschränkt geeignet.

3. Stein

151

• Ausreichende Eigen- oder Auflast ist unerlässlich zum Überdrücken der Zug- und Schubspannungen in der Lagerfuge sowie auch der Zugspannungen in der Stoßfuge. • Die hohe Empfindlichkeit gegenüber Biegebeanspruchung, sei es aus quergerichtetem Lastangriff oder aus hohen axialen Druckkräften (Knickgefahr!), die sich durch die weitgehende Unfähigkeit Biegezugspannungen aufzunehmen ergibt, setzt eine günstige Lagerung von Mauerwerk voraus: fast ausnahmslos vierseitige lineare Halterung oder anders formuliert: möglichst keine freien Mauerränder ( ☞) ( 30).

☞ Kap. V-2, Abschn. 9.3.2 Verband – druckkraftwirksame Übergreifung, S. 462

F1 F2

L

z x

32 Das Mauerwerk der Chinesischen Mauer muss sich verschiedenen, teils starken Neigungen anpassen.

30 An der Ecke miteinander verzahnte, sich gegenseitig versteifende Mauerverbände (keine freien Ränder) sind ein charakteristisches Merkmal tragenden Mauerwerks. 31 Schubbeanspruchung (infolge F 1 ) und verringerte Pressung (F2) in der Lagerfuge bei Schrägstellung des Verbands.

33 Chinesische Mauer: Trotz der Neigung der Topografie ist der Hauptverband waagrecht gemauert. Nur der Verband leichter Brüstungsaufbauten verläuft schräg.

152

9.

III Stoffe

Kennwerte

Wie andere Werkstoffe auch, weist Steinmaterial eine breite Auswahl von Festigkeiten auf. Natursteine sollen hier ausgeblendet werden, da sie als Werkstoff für Primärtragwerke heute keine bauliche Bedeutung besitzen. Repräsentativ für künstliche Steine und zur ungefähren Einordnung ihrer typischen Materialeigenschaften wurde ein Ziegelstein der Druckfestigkeitsklasse 20 gewählt: Steifigkeit



Anmerkungen

E-Modul:

7000 N/mm2

Druckfestigkeit σD:

20 N/mm2 (gilt für den Stein)

Rohdichte

ρ:

18 kN/m3

Wärmeleitzahl

λ:

± 0,8 W/mK

Wärmedehnzahl α:

± 6 · 10 -6 K-1

1 2 3 4

Otto F (1994) Alte Baumeister - Ancient Architects Brockhaus Enzyklopädie, 19. Aufl. 1991 Schumacher F (1920): Das Wesen des neuzeitlichen Backsteinbaues Pfeifer et al. (2000) Mauerwerkatlas

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE

1. 2. 3. 4. 5.

Geschichtliche Entwicklungsstufen Zusammensetzung Materialstruktur Mechanische Eigenschaften Verformungsverhalten 5.1 Lastunabhängige Verformungen 5.2 Lastabhängige Verformungen 5.2.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm 6. Konstruktive Folgerungen 7. Zusammenfassung 8. Kennwerte Normalbeton Anmerkungen

III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

154

1.

III Stoffe

Geschichtliche Entwicklungsstufen

1 Die römische Baukunst erreichte im Pantheon, (100-125 n. Chr.) mit einer Kuppel von 43 m Spannweite ihren Höhepunkt.

2 Frühe Zementfabrik Aspdin & Ord bei Newcastle-on Tyne (1851).

☞ Kap. III-7 Bewehrter Beton, S. 192

2.

Zusammensetzung

Die ersten belegbaren Anwendungen von künstlichem Steinmaterial in Form von Beton sind schwer datierbar. Eine Quelle1 gibt dafür ca. 7.000 v. Chr. an. Die gleiche Quelle nennt frühe Anwendungen eines betonähnlichen Gemenges in Uruk aus dem 5. Jahrtausend v. Chr 2 sowie im phönizischen Kulturkreis3 (ca. 1.000 v. Chr.). Die erste umfassende großtechnische Anwendung von Beton erfolgt jedoch erst in der römischen Antike mit dem Einsatz des opus caementitium ( 1), einem Gemenge aus Steinbrocken, Splitt und einem hydraulischen Bindemittel aus Wasser und Puzzolanerden. Es handelte sich bei diesen um Vulkanerden aus dem Umkreis der Ortschaft Pozzuoli nahe dem Vesuv. Die Festigkeit des damals verwendeten Betons entsprach weitgehend denen unserer Normalbetone. Er wurde oftmals als Füllmaterial zwischen Mauerschalen aus Steinen oder Ziegeln eingesetzt, seltener auch mit sichtbarer Schaloberfläche. Seiner Materialcharakteristik als spröder Werkstoff entsprechend kam der römische Beton ausschließlich in druckbeanspruchten Konstruktionen zum Einsatz, also insbesondere Mauern und Gewölben. Er wurde unbewehrt verarbeitet. Mit dem Untergang des Römischen Reiches geriet auch diese Bautechnik in Vergessenheit. Es dauerte rund eineinhalb Jahrtausende bis Anfang des 19. Jh. die Betontechnik wiederentdeckt wurde ( 2). Grundlage dafür war die Entwicklung neuer hydraulischer Bindemittel, aus denen die aktuellen Portland-Zemente hervorgingen. Der wesentliche neue Beitrag dieser Neuentdeckung war aber die bis dahin unbekannte Bewehrung aus Eisen- oder Stahlstäben, wodurch man den Beton in Form des Stahlbetons ertüchtigte, neben Druck- auch Zugkräfte aufzunehmen (☞). Beton ist ein im feuchten Zustand plastischer Brei aus (Anteile angenähert, nur zur groben Orientierung): • Zement (Bindemittel)

~10%

• Wasser

~15%

• Zuschlag

~75%

• evtl. Zusatzmittel (Frostschutz, Verzögerer, Beschleuniger) • evtl. Zusatzstoffe (Silikastaub, Hochofenschlacke etc.)

3 Makroskopisches Materialgefüge von Beton. Man erkennt den Zuschlag, der in der Matrix des Zementsteins eingebettet ist.

Das Gemenge entsteht durch Vermischen der Zuschlagstoffe (Sand, Kies) mit einem Bindemittel aus Zement und Anmachwasser. Nach Erhärtung durch Hydratation des Zements mit dem Anmachwasser wird es zu einem natursteinähnlichen Gefüge (mineralisch, kristallin) ( 3). Wesentlich für die mechanischen Eigenschaften des Betons ist der Wasserzementwert (w/z-Wert). Er drückt das Verhältnis zwischen der Menge Anmachwasser (w) und dem Zement (z) aus.

4. Beton

Für das Verständnis des mechanischen Verhaltens von Beton ist die Kenntnis der Mikrostruktur ( 4) des ausgehärteten Werkstoffs entscheidend. Diese setzt sich im Wesentlichen zusammen aus

155

3.

Materialstruktur

• dem in einer Matrix eingebetteten Zuschlag, einem toten Material ohne nenneswerte materialeigene Verformung sowie • dem so genannten Zementstein, der aus dem abgebundenen Zementleim (aus Zement und Anmachwasser) hervorgeht. Dieser bildet die Matrix, welche den Zuschlag allseitig einschließt und in ein festes und zusammenhängendes, weitestgehend isotropes Materialgefüge verwandelt. Anders als der Zuschlag ist der Zementstein komplexen chemischen und hygroskopischen Veränderungsprozessen unterworfen, die das mechanische Verhalten des Betons maßgeblich beeinflussen. Der feste Zementstein geht aus dem Prozess der Hydratation des Zements durch Einwirkung des Anmachwassers ( ☞) hervor, einer chemischen Reaktion, bei der Wärme freigesetzt wird (Hydratationswärme). Dieser Prozess führt zur Bildung eines festen Gittergefüges aus Strukturkristallen mit einer Vielzahl eingeschlossener Mikroporen sowie auch Makroporen, die durch Hohlraumbildung in der Matrix entstehen. Da zunächst nur ein Teil des Anmachwassers für den ersten Hydratationsschub aufgebraucht wird, sind diese Mikro- und Makroporen jeweils beständig mit Wasser getränkt. Aus diesem eingeschlossenen Wasserreservoir speist sich der weiter voranschreitende Hydratationsprozess, durch welchen kontinuierlich neue Kristalle in der Matrix erzeugt werden. Dieser klingt allmählich ab und kommt erst nach Jahren zum Stillstand. Wie andere mineralische Werkstoffe auch, kann Beton verhältnismäßig hohe Drucklasten aufnehmen, Zug hingegen nur in sehr begrenztem Ausmaß. Zugbeanspruchter Beton reißt sehr rasch, er zeigt ein ausgesprochenen sprödes Verhalten. Folglich ist Beton (unbewehrt), wie auch natürliches oder künstliches Steinmaterial, zur Aufnahme von Biegung ungeeignet. Ohne Zusatzmaßnahmen wie eine Bewehrung wird Beton nur in rein druckbeanspruchten, zumeist eher untergeordneten Bauteilen wie einfachere Fundamente oder Estrichüberzüge eingesetzt. Beton ist durch eine Kombination viskoser und elastischer Eigenschaften gekennzeichnet – daher sein so genannter viskoelastischer Charakter (☞). Trotz gefährlicher Neigung zu Spontanrissen unter Zug zeigt der Werkstoff unter Drucklast ein vergleichsweise gutmütiges Verhalten, da die plastischen Verformungen, die bei lokalen Spannungsspitzen einsetzen, zu einer Umlagerung der Spannungen und folglich zu einem Abbau der kritischen Spitzen führen. Einmal entstandene kleinere Risse können beim erneuten Schließen unter Druck infolge des kontinuierlich fortschreitenden Hydratationsprozesses wiederverschweißt werden – sogenannte

4 Mikroskopisches Bild des Materialgefüges von Beton.

☞ Kap. III-1, Abschn. 9.1.2 Künstliches Gestein, S. 94

4.

Mechanische Eigenschaften

☞ vgl. Verformungsverhalten weiter unten

156

III Stoffe

Rehydratation). Die sehr komplexen, für einen starren, festen Körper eigentlich untypischen Eigenschaften sind der Anlass, dass der Beton oftmals als ein pseudofester Körper mit viskoelastischen Merkmalen bezeichnet wird. Die Realität steht in scharfem Gegensatz zur weit verbreiteten volkstümlichen Auffassung, Beton sei ein unveränderliches, totes Material. 5.

Verformungsverhalten

5.1

Lastunabhängige Verformungen

Folgende lastunabhängige Verformungen sind zu berücksichtigen: • Verformungen infolge Temperaturänderung. Hier ist ggf. auch die Abbindewärme während des Erhärtungsvorgangs zu berücksichtigen. • Verformungen infolge hygroskopischen Verhaltens. Es ergibt sich als Reaktion auf die Veränderung der relativen Umgebungsfeuchte (atmosphärische Feuchte) und führt zu einem zyklischen Schwinden und Quellen. Dieses Phänomen ist im Vergleich mit anderen Verformungsfaktoren jedoch nur marginal. Bedeutender ist ein kontinuierlicher hygroskopischer Schwindprozess ab dem Vergießen des Frischbetons, der aus einem stetigen Verdunsten des in den Mikro- und Makroporen gebundenen Anmachwassers folgt. Dieser Prozess ist unabhängig vom chemischen Prozess der Hydratation (s. nächsten Punkt) und überlagert sich mit diesem. • Schwinden infolge chemischer Bindung (Hydratation) des Anmachwassers im Zementstein. Der stetige Verbrauch von Feuchte im Beton führt zu einer spürbaren Volumenverringerung des Werkstoffs, die langsam abklingt, aber erst nach Jahren zum Stillstand kommt. Das Schwinden des Betons ist ein Phänomen, das von seiten des Planers und Konstrukteurs eine große Aufmerksamkeit verlangt und spezifische planmäßige Maßnahmen mit sich zieht. Insbesondere die Rissbildung infolge Schwindens ist – beispielsweise durch geeignete Bewehrung – unter Kontrolle zu halten.

5.2

Lastabhängige Verformungen

5.2.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Die wesentliche lastabhängige Verformung des Betons ist das Kriechen. Es ist eine viskose, d. h. nicht wieder rückgängig zu machende Verformung unter lang einwirkender Belastung. Wasser in den Mikroporen des Zementsteingefüges wird durch Druckbelastung in die größeren Makroporen gepresst, von wo es verdunstet. Hieraus entsteht ein deutliches Schrumpfen des Zementsteins. Diese Verformung ist größer als die lastunabhängige Schwindverformung. Auch dies ist ein lang anhaltender Prozess, der u. U. erst nach 15-20 Jahren abklingt. Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm ( 5) des Betons ähnelt dem des Steinmaterials. Es zeigt den für mineralische Werkstoffe

4. Beton

157

typischen leicht gekrümmten, also viskoelastischen Verlauf, der sich mit ansteigender Spannung kontinuierlich stärker krümmt und abflacht, bis die Bruchspannung sB erreicht wird. Auch hier wird nach dem gleichen Verfahren wie bei Steinmaterial ein Sekantenmodul definiert. Die bautechnisch brauchbare Festigkeit liegt wie angesprochen im Druckbereich (Vorzeichen -).

s (-) in N/mm2 B

sB

Z

s0 = 1/3 sB

ε (+)

O

α ε0

ε (-) in %

s (+) 5 Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Beton.

Entscheidend für die Herstellung eines tragfähigen und dauerhaften Betons ist die Schaffung eines möglichst dichten und homogenen Gefüges, wofür in letzter Konsequenz die Konsistenz des Zementsteins maßgeblich ist. Voraussetzung dafür ist eine gute Durchmischung der Bestandteile vor und nach dem Vergießen (beispielsweise durch Rütteln,  6) mit dem Zweck, Lufteinschlüsse zu minimieren und eine gute Benetzung der Zementkörner mit Anmachwasser zu gewährleisten. Zu kurze Hydratationszeiten, wie sie beispielsweise an einer der Sonneneinstrahlung ausgesetzten, noch jungen, im Abbindeprozess begriffenen Betonoberfläche auftreten können, führen zu einem unregelmäßigen Schwinden und zu deutlicher Rissbildung. Dies kann durch Feuchthalten im Rahmen geeigneter Nachbehandlung verhindert werden ( 7). Ferner ist sicherzustellen, dass sich der Frischbeton in der Schalung wie vorgesehen gut verteilen kann, ohne unerwünschte

6.

Konstruktive Folgerungen

158

III Stoffe

☞ Kap. V-6, Abschn. 3.1 Carbonatisierung, S. 632 vgl. auch Carbonatisierung im Kap. II-1, 1.9.1 Mineralische Stoffe, Künstliches Gestein, nichthydraulische Bindemittel, Luftkalke, S. 98

7.

Zusammenfassung

Hohlstellen (Lunker) zu bilden ( 8). Dies kann insbesondere in verschlungenen Hohlräumen oder bei dicht verlegter Bewehrung geschehen, wo man mit Rüttelvorrichtungen keinen Zugang findet. Aber auch einfache orthogonale Ecken sind gegen Ausfransen gefährdet ( 9), weshalb man im herkömmlichen Betonbau diese entsprechend abfast ( 10). Auch der Oberfläche des ausgeschalten Betons ist angemessene Aufmerksamkeit zu widmen, vor allem wenn diese sichtbar bleiben soll (Sichtbeton). Eine dichte, kontinuierliche äußere Deckschicht aus Zementstein, wie sie sich an einer glatten Schalfläche bildet, ist auch für eine gute Dauerhaftigkeit des Werkstoffs von entscheidender Bedeutung (☞). Sehr wichtig in diesem Zusammenhang ist die Beschaffenheit – insbesondere die Saugfähigkeit – der Schalfläche. Trotz vergleichsweise dichter Struktur guter Betone sind exponierte horizontale Flächen dennoch durch geeignete Maßnahmen (zumindest abschrägen wie auf  11, besser abdecken oder verwahren) gegen stehendes Wasser zu schützen. Gefährlich für den Beton sind insbesondere Verwitterungsprozesse, bei denen die (kaum vollständig zu vermeidende) Rissbildung infolge Gefrierens eingeschlossenen Wassers und entsprechender Volumenvergrößerung desselben zu Abplatzungen führen kann. Auch die vermeintlich unverwüstliche, allen Unbilden widerstehende Natur des Betons, wie sie landläufig wahrgenommen wird, ist nur ein Mythos. Beton ist ein künstlicher Stein und reiht sich infolgedessen in die Gruppe der mineralischen, spröden Werkstoffe ein. Er ist in der Lage, • Druck sehr gut • Zug hingegen nur sehr begrenzt aufzunehmen. Er weist gegenüber herkömmlichem Stein den kaum zu überschätzenden Vorteil auf, im Verarbeitungszustand gießbar zu sein. Er kann sich folglich jeder beliebigen Form anpassen und erlaubt insbesondere auch die Schaffung fugenloser monolithischer Strukturen in größeren Maßstäben bis hin zum kompletten Bauwerk. Komplexe Fragen der Kraftleitung über Stöße hinweg oder der Dichtigkeit gegenüber verschiedenen Umwelteinflüssen, wie sie die Fugenbildung bei anderen Werkstoffen aufwirft, stellen sich bei Beton bei monolithischer Verarbeitung nicht einmal. Dies lässt sich mit anderen Werkstoffen auch nicht annähernd verwirklichen und erklärt zum großen Teil den unerhörten Erfolg dieses Werkstoffs im Laufe den letzten 150 Jahre. Entgegen landläufiger Meinung ist Beton ein weitestgehend natürlicher Werkstoff, wenn man einmal von der großtechnischen Herstellung der modernen Portland-Zemente absieht. Die Grundstoffe sind überall verfügbar. Ein moderater Energieaufwand ist für das Brennen des Zements erforderlich. Nicht vollständig gelöst ist

4. Beton

159

6 Rütteln von Frischbeton. 7 Abdecken von jungem Beton durch Planen, um frühzeitiges Austrocknen zu verhindern.

8 Lunker auf einer Betonoberfläche. 9 Abgeplatzte Kanten am Betonbauteil.

10 Gefaste Kanten im Betonbau. 11 Abgeschrägte Mauerkrone mit Tropfkante zur Entwässerung.

160

III Stoffe

hingegen das Recycling des Werkstoffs, insbesondere in bewehrter Form. 8.

Kennwerte

Stellvertretend für einen Normalbeton werden die Kennwerte eines C 20/25 aufgeführt: Steifigkeit

E-Modul:

Druckfestigkeit σD:

25 N/mm2

Rohdichte

ρ:



23 kN/m3

Wärmeleitzahl

λ:



± 2,1 W/mK

Wärmedehnzahl α:



Anmerkungen

25000 N/mm2

1 2 3

± 10 · 10 -6 K-1

Sinn (1994) Und machten Staub zu Stein, S. 40 Sinn (1994) Und machten Staub zu Stein, S. 80 Sinn (1994) Und machten Staub zu Stein, S. 94f

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE

1. Geschichtliche Entwicklungsstufen 2. Materialstruktur 2.1 Makroskopischer Aufbau 2.2 Mikroskopischer und submiskroskopischer Aufbau 3. Allgemeine Eigenschaften 4. Mechanische Eigenschaften 5. Verformungsverhalten 5.1 Lastunabhängige Verformung 5.2 Lastabhängige Verformung 6. Konstruktive Folgerungen 7. Zusammenfassung 8. Kennwerte Anmerkungen

III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

162

1.

III Stoffe

Geschichtliche Entwicklungsstufen

1 Speicherbau in Norwegen.

2 Der Baumstamm entwickelt sich durch jährliches Anlegen eines neuen konischen Zellmantels.

2.

Materialstruktur

2.1

Makroskopischer Aufbau

Ähnlich wie bei Steinmaterial verlieren sich die Ursprünge der baulichen Verwendung des Holzes im Dunkeln der Geschichte. Die breite Verfügbarkeit, leichte Bearbeitbarkeit und das gute Verhältnis von Gewicht und Festigkeit machten Holz vermutlich bereits in frühesten menschlichen Entwicklungsetappen, die bis in die nomadischen Ursprünge der Menschheit zurückreichen, zum geeignetsten Werkstoff für Behausungen wie auch für zahlreiche Gebrauchsgegenstände und diverse Geräte. Als einziger bereits in frühen Zeiten verfügbarer verhältnismäßig zähfester Werkstoff mit der Fähigkeit, nicht nur Drucklasten wie Stein, sondern auch Zugbeanspruchung aufzunehmen, war er überall dort unverzichtbar, wo es galt, Biegung, d. h. also Biegezugspannungen, aufzunehmen. Auch in ariden Weltregionen mit extrem knappem Holzbestand und steinerner Bautradition war – und ist teilweise heute noch – der Werkstoff beispielsweise für flache Decken und Dächer oder für provisorische Gerüste durch keinen anderen Werkstoff zu ersetzen. Die Holzverarbeitung hat in vielen Kulturkreisen hohes handwerkliches Niveau erreicht ( 1), obgleich viele herausragende Bauwerke den Lauf der Zeit als Zeugnisse dieser Kunst nicht überdauert haben. Die Brennbarkeit und die mangelnde Dauerhaftigkeit von Holz im Vergleich insbesondere mit seinem historischen Konkurrenten, dem Stein, ist der gravierendste Nachteil dieses Werkstoffs, der ihn entwicklungsgeschichtlich zum Teil in den Bereich des HäuslichProvisorischen relegiert hat. Die Holzbautechnik, traditionell eine Domäne des Handwerks, hat in den letzten Jahren große bautechnische Fortschritte durch das Aufkommen des ingenieurmäßigen Holzbaus vollzogen, der auf industriellen Fertigungsmethoden basiert. Neue Füge- und Verarbeitungstechniken, seine Kombination mit anderen Werkstoffen in Verbundkonstruktionen und neuartige Holzschutztechniken haben zur Eröffnung vielseitiger Anwendungen des Werkstoffs Holz geführt. Wesentlich für das Verständnis der makroskopischen Materialstruktur ist die Betrachtung des Wachstumsprozesses des Baumstamms, aus dem das Bauholz geschnitten wird. Der Stammkörper entwickelt sich durch jährliches Wachstum eines neuen, annähernd konisch geformten Zellkleids oder -mantels, der sich ausgehend vom Kambium, der eigentlichen Wachstumsschicht, an ältere Schichten alljährlich außenseitig anlegt ( 2). Diese einzelnen Schichten sind im Querschnitt des Stamms als so genannte Jahresringe erkennbar. Die konische Form entspricht der Geometrie des sich stetig nach oben verjüngenden Baumstamms. Die dicht gepackten konischen Zellmäntel werden im Stammquerschnitt in Form der Jahresringe sichtbar ( 3). Die Mantelschichten im Stammkörper gliedern sich bei vielen Baumarten (allerdings nicht bei allen) in zwei Bereiche ( 4): • Kernholz im Innenbereich nahe der Stammachse. Dieses Holz

5. Holz

163

ist weitgehend abgestorben und üblicherweise mit besonderen Gerbstoffen getränkt. Es weist eine erhöhte Resistenz gegen Schädlingsbefall auf sowie zumeist auch größere Festigkeit. • Splintholz im Außenbereich ringsum. Es besteht folglich aus den jüngeren Zellbereichen, in denen der Safttransport stattfindet, durch den der Baum mit Nährstoffen versorgt wird. Alle Mantelschichten bestehen aus pakettierten, längs in Stammrichtung aneinander gelegten Fasern. Dies sind rohrförmig aufgebaute Zellen mit einem Hohlraum, dem Lumen, und mit Wandungen aus Cellulose, deren Festigkeit hauptsächlich auf der Matrixsubstanz Lignin beruht, in welche die Cellulose-Polymerketten eingebettet sind ( ☞). Abhängig von der Jahreszeit, in der die jeweiligen Fasern entstehen, weisen die Zellen eine lockerere (Frühjahr) oder stärker verdichtete und verholzte Struktur (Sommer) auf. Man spricht deshalb vom helleren und weicheren Frühholz und vom festeren Spätholz. Jeder Zellmantel ist aufgrund dieser Dichte- und Färbungsunterschiede mit bloßem Auge im Schnitt erkennbar. Man unterscheidet beim Aufsägen des Baumstamms drei Schnittebenen ( 5, 6): • Querschnitt: Schnitt senkrecht zur Stammachse. Die Mantelschichten des Stamms bilden sich als konzentrische Kreise ab. Aus der Schnittführung ergibt sich, dass auch sämtliche Stammfasern quer aufgeschnitten und folglich mit ihrem Lumen zur Schnittfläche hin offen sind. Man spricht auch vom Hirn- oder Stirnholz. Dies ist ein konstruktiv bedeutsamer Umstand, da aufgrund der starken kapillaren Saugfähigkeit der offenen Fasern – auf ihr beruht zum Teil der Safttransport im lebenden Baum 1 – diese Holzfläche gegen Feuchtebildung, und infolgedessen Fäule, besonders empfindlich ist. Der Schutz von Querschnitten, oder nach überlieferter Bezeichnung Hirnholz, vor Feuchte ist eine der wichtigsten Aufgaben des konstruktiven Holzschutzes ( ☞). • Radialschnitt: Schnitt entlang einer Ebene, die durch die Stammachse verläuft. Die Mantelschichten zeichnen sich im Wesentlichen als parallele Streifen oder Maserung ab.

3 Jahresringe

☞ Abschn. 2.2 mikroskopischer und submikroskopischer Aufbau, S. 164

4 Splint- und Kernholz

☞ Kap. V-6, Abschn. 4. Holzzschutzmaßnahmen, S. 636

• Tangentialschnitt: Schnitt entlang einer beliebigen Ebene parallel zur Stammachse. Diese verläuft also – in jedem gedachten Querschnitt betrachtet – jeweils stets tangential zu einem Jahresring – daher die Bezeichnung. Die parallel zur Achse angeschnittenen Mantelkegel zeigen sich im Tangentialschnitt grob als Hyperbellinien. Sie erzeugen die charakteristische Fladerung im Holz. Der jeweils charakteristische Verlauf der Maserung in jedem Schnitt lässt erkennen, um welche Schnittebene es sich handelt.

164

III Stoffe

Der Stammkörper ist außenseitig mit der eigentlichen Wachstumsschicht, dem Kambium, von welcher aus jährlich ein neuer Zellmantel, also eine neue Ringschicht außenseitig an den Stammkörper angelegt wird, sowie der schützenden Borke umgeben ( 7). 2.2

Mikroskopischer und submikroskopischer Aufbau

Die Zellwände sind für die Festigkeit von Holz von entscheidender Bedeutung. Sie weisen einen differenzierten Aufbau aus einzelnen Schichten auf ( 8), die sich ihrerseits aus parallel zur Stammachse ausgerichteten Fasern zusammensetzen: • zunächst spiralförmig um die Längsachse gewundene Fibrillenbündel ( 9), ihrerseits bestehend aus: • Micellsträngen ( 10), in denen in einer Lignin-Matrix eingelagert die

☞ Kap. III-1, 9.3.1 Holz, S. 106

3.

Allgemeine Eigenschaften

• Cellulose-Kettenmoleküle eingebettet sind ( 11). Diese sind in Abschnitten (den kristallinen Bereichen) durch Wasserstoffbindungen quer miteinander verknüpft, so dass sie eine widerstandsfähige, quasi-kristalline Struktur bilden. ( ☞) Folgende Merkmale kennzeichnen den Werkstoff Holz: • Holz ist ein regenerierbarer Werkstoff, und zwar der einzige. Bei entsprechender Waldbewirtschaftung kann er ohne Einschränkung kontinuierlich im Umfang des Bedarfs nachwachsen. Dies ist ein ökologisch außerordentlich wichtiger Aspekt. Querschnitt Kernholz

Querschnitt

Splintholz Jahresringe Ausschnitt in � 7 Borke Bast

Rinde

Kambium

Markstrahl

Fladerung

5 Radial aufgeschnittener Baumstamm und seine Strukturmerkmale. Radialschnitt

6 Tangential aufgeschnittener Baumstamm.

Tangentialschnitt

5. Holz

165

rs ue

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rzg an

g

Tangentialschnitt

Radialschnitt K Sie ollab bfa iert ser e Tät n ige Sie Kam b fas biu ern m

hl tra rks ang a g M rz a it H

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Frü h

hol

hl tra rks Ma

~1/10 mm

hl tra rks en Ma hnitt sc fge

Spä

tho

au

7 Ausschnitt aus dem Bast und dem jüngsten Jahresring eines Nadelholzes.2

1 2 3

9 Fibrillenbündel aus der Sekundärschicht.4

8 Schichtenaufbau der Zellwand.3

11 Vereinfachtes, seitlich aufgeschnittenes Modell einer Micelle.5

10 Micellenstrang mit einzelnen Micellen.6

1 2 3 4 5

Pektinschicht Primärschicht äußere Sekundärschicht mittlere Sekundärschicht innere Sekundärschicht

4 5

lz

z

166

III Stoffe

☞ Kap. III-1, Abschn. 13 Zersetzungsprozesse, S. 126

☞ Kap. V-5, 5.3.3 Holz, S. 583

☞ Abschn. 4. mechanische Eigenschaften, S. 166

☞ Abschn. 5.1 lastunabhängige Verformungen, S. 168

• Holz besitzt eine vergleichsweise geringe Dauerhaftigkeit ( ☞). Es ist stark durch Fäule und Schädlingsbefall gefährdet, ist aber unter geeigneten Bedingungen auch sehr lange haltbar. Voraussetzung für die Verrottung von Holz, die auf Pilzbefall zurückgeht, ist das kontinuierliche Vorhandensein von Feuchte. Befindet sich Holz hingegen in Wasser getaucht unter Luftausschluss, ist es wiederum fäulegeschützt. Erste und wesentliche Aufgabe eines wirksamen Holzschutzes ist folglich die Vermeidung ständiger Feuchte unter Luftkontakt. Andererseits ist Holz restlos kompostierbar und hinterlässt – ohne giftige Zusätze – keinerlei Altlasten. Auch dies ist ein ökologisch wesentlicher Aspekt. • Holz ist brennbar (Baustoffklasse B 2 normal entflammbar gemäß DIN 4102) ( ☞). Sein Brandverhalten ist jedoch trotzdem gutmütig. Andererseits kann Holz fast restlos durch Verheizen entsorgt werden, ein ökologisch wichtiger Vorteil. • Holz ist leicht bearbeitbar. Leichtes Handwerkzeug genügt für diesen Zweck. Seine Weichheit ist hingegen auch ein Nachteil, wenn es darum geht, konzentrierte Lasten aufzunehmen ( ☞). • Holz ist im Gegensatz zu anderen Werkstoffen ein organisches Material, das oft auch als lebendig bezeichnet wird. Obgleich diesem letzten Begriff viel Mystik anhaftet und er streng betrachtet unzutreffend ist, steht dennoch fest, dass auch nach Zuschneiden des Bauholzes zahlreiche Verformungsprozesse stattfinden ( ☞), die mit der Trocknung zwar abnehmen, aber nie komplett abklingen. Man spricht oft davon, dass das Holz beständig arbeitet. • Holz kann im Wesentlichen nur stabförmig bereitgestellt werden, da es aus dem seinerseits stabförmigen Baumstamm geschnitten wird. Größere flächige Bauteile sind in Vollholz ohne Fugen nicht realisierbar.

4.

Mechanische Eigenschaften ☞ Abschn. 2. Materialstruktur, S. 162

Die mechanischen Eigenschaften von Holz sind stark durch dessen Anisotropie geprägt, die bereits in seinem mikro- und makroskopischen Aufbau strukturell angelegt ist. Wie beschrieben ( ☞) besteht der Werkstoff im Wesentlichen aus differenziert organiserten Faserbündeln, die entlang der Stammachse ausgerichtet sind. Man muss folglich deutlich unterschieden zwischen dem mechanischen Verhalten von Holz unter Beanspruchung • parallel oder • quer zur Faser ( 12).

☞ Abschn. 5. Verformungsverhalten, S. 168

Dies gilt in gleicher Weise für sein Verformungsverhalten ( ☞). Die größte Festigkeit weist Holz in Faserrichtung auf. Druck oder Zug quer zur Faser neigen dazu,

5. Holz

167

• die Fasern auseinanderzuziehen (Zug). Dieser Beanspruchung kann nur die Adhäsion zwischen benachbarten Fasern entgegengesetzt werden. Diese beruht auf der Bindekraft von Harzen und Zellgeweben und ist grundsätzlich kleiner als die axiale Festigkeit der Faser selbst. • die Fasern zu quetschen (Druck) ( 12). Dies führt zu starken bleibenden, also plastischen Verformungen. Die Faserzelle wird zusammengedrückt, so dass der Hohlraum des Lumens kollabiert und die Zellwände in einen dicht pakettierten Zustand übergehen ( 13, ✏) In Faserrichtung kann Holz Zug und Druck annähernd gleich gut aufnehmen ( ☞), was seiner Charakteristik als – zumindest in Teilaspekten – zähfester Werkstoff entspricht. Hierbei wird der molekulare Zusammenhalt der langen Fadenmoleküle wirksam. Diese Eigenschaft prädestiniert Holz für biegebeanspruchte Bauteile, da diese gleichzeitig Biegezug- und Biegedruckspannungen aufzunehmen haben. Biegung entspricht ja auch einem maßgeblichen Belastungszustand des lebenden Baumstamms, auf den die Pflanze biologisch-entwicklungsgeschichtlich gleichsam optimiert ist. Ferner liegen die äußeren Mantelschichten des Stamms enger aneinander, was eine dichtere Materialstruktur an den Rändern ergibt. Dies kann durch entsprechende Schnittführung zwecks größerer Biegesteifigkeit ausgenutzt werden. Aber auch axiale Zug- und Druckbeanspruchung, also in Faserrichtung, kann Holz gut aufnehmen. Trotz seiner Weichheit weist gewöhnliches Bauholz (Nadelholz) eine Druckfestigkeit entlang der Faser auf, die mit der eines Normalbetons vergleichbar ist (☞  a). Darüber hinaus ist bei Holz das Verhältnis zwischen Festigkeit und Eigengewicht oder Rohdichte so günstig wie bei kaum einem anderen gebräuchlichen Werkstoff. Indessen ist diese gute Zug- und Druckfestigkeit in der Gesamtkonstruktion nur teilweise nutzbar, da an den Anschlusspunkten Querschnittsschwächungen ( 14), welche die Tragfähigkeit des Bauteils mindern, nahezu unvermeidlich sind (☞ b). Querkräften quer zur Faser setzen diese einen starken Widerstand entgegen. Es sind große Querkräfte erforderlich, um einen Holzstab quer zu seiner Achse abzuscheren. Hingegen zeigt Holz bei Querkräften parallel zur Faser Schwächen. Die nur mäßigen Adhäsionskräfte zwischen anliegenden Fasern begrenzen nicht nur

12 (links) Deutliche Anisotropie des Holzes hinsichtlich der Beanspruchbarkeit. 14 (rechts) Die Kraftübertragung von Holz an Stahl erfolgt an den – kleinen – Kontaktflächen an den Bolzenschäften. Dies kommt einer Querschnittsschwächung gleich.

✏ Aufgrund der annähernd kristallinen Struktur der gebündelten Celluloseketten existiert jedoch eine Art Formgedächtniseffekt, der so genannte ShapeMemory-Effekt, der unter bestimmten Voraussetzungen wieder dazu führt, dass die ursprüngliche Form wiedererlangt wird 7

D

D 13 Pressung quer zur Stammachse führt zum Kollabieren des Zelllumens oder -hohlraums. Modellhafte Darstellung.7

☞ a Abschn. 8. Kennwerte, S. 172

☞ b Band 3, Kap. XI Verbindungen

168

III Stoffe

die aufnehmbaren Zugkräfte (s. o.), sondern auch den Widerstand gegen Gleiten. Holz zeigt auch unter starker Belastung zunächst ein gutmütiges Verhalten, da es vor dem Versagen großen, deutlich erkennbaren Verformungen ausgesetzt ist, die gleichsam einen willkommenen Warneffekt ausüben. Andererseits ist sein Versagen zuletzt durch schlagartigen Sprödbruch gekennzeichnet, was zu diesem Verhalten konträr ist. 5.

Verformungsverhalten

5.1

Lastunabhängige Verformung

Mit folgenden lastunabhängigen Verformungen ist beim baulichen Einsatz von Holz zu rechnen:

☞ Abschn. 8. Kennwerte, S. 172

a

a b

b

a Schwind-/Quellmaß quer zur Faser b Schwind-/Quellmaß längs zur Faser

✏ erkennbar beispielsweise am Schüsseln von Brettern im Tangentialschnitt

• Dehnungen infolge Temperaturänderungen, analog zu allen anderen Werkstoffen, wobei festzustellen ist, dass Holz hier im Vergleich nur kleine Verformungen zeigt ( ☞). • Verformungen infolge hygroskopischen Schwindens und Quellens. Holz nimmt Feuchte aus der Umgebung auf und ändert je nach Feuchtegehalt sein Volumen, vergrößert es bei feuchter und verringert es bei trockener Umgebung. Im verbauten Zustand ist insbesondere die relative Luftfeuchte für dieses Phänomen verantwortlich. Es ist ferner zu berücksichtigen, dass Holz frisch geschlagen über 100% Feuchte enthält und auch nach Trocknung gewöhnlich noch mit einem verhältnismäßig hohen Feuchtegehalt ( 15) auf die Baustelle kommt (um die 20%). In beheizten Räumen trocknet es anschließend über einen längeren Zeitraum aus (Gleichgewichtsfeuchte minimal bis rund 7%). Dies ist mit einem kontinuierlichen Schwindprozess verbunden, der in seiner Intensität zwar von der relativen Luftfeuchte beeinflusst wird, aber dennoch bis zur Trocknung das Verformungsverhalten des Holzes dominiert. Nach der Trocknung erfolgt das zyklische Schwinden und Quellen. Je rascher diese Trocknung erfolgt, desto stärker sind die Verwerfungen und die Risstendenzen des Holzes. Eine langsame kontinuierliche Trocknung begünstigt sein Stehvermögen. Auch bei hygroskopischen Verformungen macht sich die Anisotropie des Werkstoffs bemerkbar. Der Schwind- und Quellprozess ist quer zur Faserrichtung um das 10-fache größer als längs. • Ferner ist Holz nach dem Aufschneiden zu Bauholz komplexen Formänderungen ( 16-18) unterworfen (Verwerfungen, Verziehen, Reißen), die teilweise zusammenhängen •• mit der Lage des geschnittenen Holzprofils im Stamm. Das festere Spätholz neigt dazu, sich stärker zusammenzuziehen als das Frühholz, weshalb die Tendenz überwiegt, dass Jahresringe sich ausrichten ( ✏). Kernholz schwindet weniger als Splintholz, was sich bei Brettern aus Radialschnitten (Kernbrett) deutlich bemerkbar macht.

5. Holz

169

15 Trockenstapel 16 Verziehen von geschnittenem Holz. Hier: Kernbrett.

17 Unterschiedliche Lagen des geschnittenen Profils im Stamm führen zu charakteristischen Verformungen. 18 Der Baum ist ein lebender Organismus und richtet sich in seinem Wuchs oft nicht nach den technischen Bedürfnissen des Menschen.

•• mit der besonderen Wuchscharakteristik des Baums. Hier spielen Faktoren wie Ästigkeit, Drehwuchs, krummer Wuchs und sonstige Besonderheiten des Baums eine entscheidende Rolle. •• mit dem Vorgang der Fällung. Traditionell wurde Holz im Januar bei Neumond – deshalb Mondholz genannt – geschlagen, der Zeit des niedrigsten Saftgehalts, und so am Hang gelagert, dass der restliche Saft so weit wie möglich vor dem Besäumen des Stamms in die Äste abfließen konnte (&). Derart geschlagenes Holz besaß ein großes Stehvermögen und war darüber hinaus besonders resistent gegen Schädlingsbefall. Diese Vorkehrungen sind indessen heute nicht mehr allgemein gebräuchlich. Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Holz ( 19) zeigt einen weitgehend linearen Verlauf, der die grundsätzlich elastische Charakteristik des Werkstoffs wiedergibt. Erst unter starker Belastung setzt eine plastische Verformung ein. Auch unter ständiger oder lang anhaltender Belastung sind neben den elastischen auch

& nachzulesen beispielweise in Thoma E (2004) „... dich sah ich wachsen“

5.2

Lastabhängige Verformung

170

III Stoffe

gewisse plastische Verformungen zu erwarten. Wirken neben Kraft auch hohe Temperaturen und hohe Feuchtigkeit auf das Holz ein, sind plastische Verformungen auch technisch gezielt herstellbar. Dampfbehandelte Holzstäbe lassen sich beispielsweise für den Möbelbau (Bugholzmöbel,  20) mit fast beliebigen Krümmungen verformen. Holz weist in diesem Sinne ein ähnliches Verhalten wie thermoplastische Kunststoffe auf, was wiederum einen Hinweis auf die molekular stark verwandte Grundstruktur beider Werkstoffe darstellt. 6.

Konstruktive Folgerungen

☞ Kap. IV-2, Abschn. 3 Holzwerkstoffplatten, S. 274

☞ Kap. IV-2, Abschn 3 Holzwerkstoffplatten ☞ Band 2, Kap.VII, Abschn. 5 Rippensysteme

Aus den besprochenen Eigenschaften des Werkstoffs lassen sich folgende konstruktive Grundsätze ableiten: • Primärtragwerke aus Holz sind herkömmlich stets Gefüge aus Stäben, also Stabwerke. Erst in jüngster Zeit wurden mit industriellen Fertigungsmethoden auch flächige Bauteile aus Holz, zumeist Holzderivate, entwickelt, die zu Tragzwecken als Scheiben oder Platten eingesetzt werden können (☞). Die Stabcharakteristik erlaubt, den Werkstoff vorteilhaft in Stab-, insbesondere Skeletttragwerken einzusetzen. Wandbauweisen setzen voraus, dass flächige Bauteile entweder aus geeigneten plattenartigen Holzwerkstoffen ( ☞) oder alternativ als Rippenelemente ausgeführt werden ( ☞). • Bauholz ist an verhältnismäßig enge maßliche Grenzen gebunden, sowohl was die Abmessungen der Holzbauteile angeht – und zwar Querschnitt und Länge – als auch die überbrückbaren Spannweiten. Ein Vollholzbalken kann rund 4 bis 5 m überspannen, aber auch weit gespannte Holzkonstruktionen können nicht mit solchen aus anderen Werkstoffen konkurrieren.

☞ Band 3, Kap. XI Verbindungen

• Hohe Lastkonzentrationen im Holz sind zu vermeiden, insbesondere wenn sie quer zur Faser ausgerichtet sind. Dies hat vor allem Auswirkungen auf die Gestaltung der Verbindungen, (  21) bei denen der sorgfältigen Verteilung der Spannungen im Material besondere Aufmerksamkeit zu schenken ist ( ☞). • Noch sorgfältiger als bei anderen Werkstoffen sind bei Holz die Verformungen konstruktiv zu berücksichtigen ( 22). Insbesondere die Neigung zur Formänderung quer zur Faser erfordert an den Anschlüssen ausreichend Toleranzraum.

20 Schaukelstuhl aus Bugholz (Herst.: Thonet)

• Der Witterung ausgesetztes Holz setzt einen wirksamen Holzschutz voraus. Es stehen zahlreiche konstruktive Maßnahmen zur Verfügung ( 23), um diesen Zweck zu erfüllen, ohne auf die Behandlung mit Giftstoffen zurückgreifen zu müssen, die (nicht nur planmäßig für Ungeziefer, sondern auch gewissermaßen als lästiger Nebeneffekt auch) für Menschen gesundheitlich bedenklich sind. Dabei werden Vorkehrungen getroffen, um das Holz möglichst rasch von Feuchte zu befreien, womit Schädlingen

5. Holz

171

σ (+)

ε (–)

ε (+) quer zur Faser

längs zur Faser

21 Verteilung der einzuleitenden Kräfte durch zahlreiche einzelne Verbindungsmittel (Stabdübel).

σ (–)

19 Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Holz

die Lebensgrundlage entzogen wird. Insbesondere ist das stark saugende Hirnholz vor ständiger Feuchte zu schützen. • Auch starke UV-Strahlung, wie sie bei direkter Besonnung auftrifft, kann das Lignin in der Holzstruktur zerstören und damit die Dauerhaftigkeit des Holzes herabsetzen. Aus diesem Grunde, wie auch zum Schutz gegen Niederschlag, werden Holzbauteile traditionell durch Anstriche oder beim Einsatz an Fassaden zumindest durch weit ausladende Dachüberstände geschützt. Holz ist im Gegensatz zu seinen Konkurrenten ein organischer Werkstoff, der zwar streng genommen bereits nach dem Einschlagen als biologisch tot zu bezeichnen ist, aber während seiner technischen Nutzung dennoch vielfältige und komplexe Formänderungen erfährt, die zum Trugschluss führen, er sei lebendig. Dies unterscheidet Holz grundsätzlich von allen anderen Materialien für Primärtragwerke. Holz gilt, was seine Fähigkeit angeht, wechselnde Beanspruchungen aufzunehmen, im Wesentlichen als ein zähfester Werkstoff, denn es kann

7.

Zusammenfassung

• Druck gut und • Zug ebenso gut aufnehmen. Es weist fast durchweg verhältnismäßig gute Trageigenschaften auf, wenngleich es in absoluten Größen mit den Konkurrenten, insbesondere wenn es sich um Spezialwerkstoffe wie hochfeste Betone oder Stähle handelt, nicht gleichziehen kann.

22 Spundschalung: jedes Brett kann seitlich frei quellen und schwinden.

172

III Stoffe

23 Schutz der Holzfassade vor Feuchte durch massiven Sockel und Dränung durch Kies

8.

Kennwerte

Diese relative Schwäche wird aber andererseits durch das exzellente Verhältnis zwischen aufnehmbaren Spannungen und Eigengewicht teilweise wettgemacht. Holz ist ein verhältnismäßig weiches Material, was zwar starke Belastungen verbietet, aber andererseits eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit, auch handwerklich, erlaubt. Ökologisch betrachtet bietet Holz als organisches Material entscheidende Vorteile: es ist regenerierbar, kann bei Bedarf rückstandslos beseitigt werden oder erlaubt ggf. eine gute Weiterverarbeitung für Recyclingzwecke. Holz ist zwar im Gegensatz zu den anderen betrachteten Werkstoffen brennbar, was insbesondere die Anzahl der im Hochbau in Holzbauweise realisierbaren Geschosse begrenzt, kann aber durch geeignete leichte Überdimensionierung gut gegen Brand geschützt werden. Es gibt eine sehr breite Auswahl unterschiedlicher Holzsorten mit stark divergierenden Materialkennwerten. Insbesondere Tropenhölzer können wesentlich höhere Festigkeiten erreichen als heimische Nadelhölzer wie sie für Bauzwecke in unseren Regionen herkömmlich verarbeitet werden. Hier sollen die Kennwerte eines solchen Nadelholzes (Kiefer der Güteklasse II) exemplarisch zur Orientierung genügen: Steifigkeit E-Modul:

längs: tangential:

10000 N/mm2 500 N/mm2

Druckfestigkeit σD:

II Faser ⊥ Faser

20 N/mm2 5 N/mm2

Zugfestigkeit σZ:

II Faser ⊥ Faser

20 N/mm2 0 N/mm2

Rohdichte

ρ:

Wärmeleitzahl

λ:

Wärmedehnzahl α:

Anmerkungen

1 2 3 4 5 6 7 8





II Faser

55 kN/m3 0,15 W/mK 4 · 10 -6 K-1

Mägdefrau (1951) Botanik, S. 66 f nach Mägdefrau (1951) Botanik nach Mägdefrau (1951) Botanik nach Mägdefrau (1951) Botanik nach Navi/Heger (2004) Combined Densification... nach Mägdefrau (1951) Botanik Navi/Heger (2004) Combined Densification... nach Navi/Heger (2004) Combined Densification...

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE

1. Geschichtliche Entwicklungsstufen 2. Zusammensetzung 3. Materialstruktur 4. Klassifikation der Stähle 5. Allgemeine Eigenschaften 6. Fertigungsverfahren 6.1 Warmverformung 6.2 Kaltverformung 6.3 Gießen 7. Mechanische Eigenschaften 8. Verformungsverhalten 8.1 Lastunabhängige Verformung 8.2 Lastabhängige Verformung 9. Konstruktive Folgerungen 10.Zusammenfassung 11.Kennwerte Anmerkungen

III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

174

1.

III Stoffe

Geschichtliche Entwicklungsstufen

1 Rennbetrieb in Ägypten.

2 Luppe

☞ siehe auch Kap. IV-3, 1. Geschichte der Herstellung von Eisen- und Stahlprodukten, S. 286

Eisen ist als Vorgänger und Grundmetall des Stahls etwa im 2. Jahrtausend v. Chr. entstanden und löste das wesentlich weichere Metall Bronze ab. Das schmiedbare Eisen wurde aus Roheisen gewonnen, das im Rennofen unter Einwirkung eines Holzkohlefeuers und eines Luftstroms reduziert wurde ( 1). Es entstand ein fester bis teigiger, stark verunreinigter Eisenklumpen, in der Fachsprache die Luppe ( 2), die anschließend durch Schmieden von anhaftenden Schlacken befreit und weiterverarbeitet oder ausgeschmiedet wurde (direktes Verfahren). Es waren nur verhältnismäßig kleine Teile realisierbar. Dieses frühe Eisen enthielt einen relativ hohen Anteil an Kohlenstoff und war entsprechend spröde und schwer schmiedbar. Der Herstellungsprozess war arbeitsaufwendig und mit hohem Energieverbrauch (Verbrennen von Holzkohle) verbunden. Eisenteile wurden deshalb lange Zeit nur in Form hochwertiger und teurer Gebrauchsgegenstände oder Waffen verwendet und waren im Bauwesen, abgesehen von kleineren Beschlags- oder Fügeteilen, kaum in Gebrauch. Um 1300 n. Chr. gelang zum erstenmal die Erzeugung von Schmiedeeisen im indirekten Verfahren durch Schmelzen von Roheisen im Hochofen – auf rund 7 m erhöhte Schachtöfen – und anschließendem Befreien von unerwünschten Begleitstoffen im Frischherd. Seit 1500 war auch die Herstellung größerer Teile wie Glocken möglich. Im 18. und 19. Jh. vollzog sich eine rasche technische Weiterentwicklung der Hüttentechnik, die es erlaubte, immer effizientere Verfahren des Frischens, also der Steuerung des Gehalts an Zusatzstoffen wie Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Phosphor im Stahl unter Sauerstoffzufuhr, anzuwenden. Moderne großtechnische Verhüttung erlaubte seit dem 19. Jh. die Herstellung immer größerer Werkstücke sowie die gezielte Steuerung von Materialeigenschaften durch spezielle Legierungen oder geeignete Nachbehandlung (Sekundärmetallurgie). Stahl hielt etwa in der zweiten Hälfte des 19. Jh. durch Übernahme der zunächst für Eisenbahnschienen entwickelten Walzprofile Einzug in das Bauwesen. Es erlaubte zum erstenmal in der Baugeschichte, Zugkräfte in bautypischer Größenordnung aufzunehmen ( ☞).

2.

Zusammensetzung

 Stahl ist ein metallischer Werkstoff aus einer Legierung von Eisen (Fe) als Grundmetall und Kohlenstoff (C) mit einem Anteil unter 2%. Eisen mit höherem Kohlenstoffgehalt gilt als Roheisen (3 bis 4% C) oder wird zu Gusseisen (2,5% C) verarbeitet. Reine Legierungen von Eisen und Kohlenstoff werden als unlegierte Stähle bezeichnet. Um spezifische Eigenschaften zu steuern, können auch Zusätze wie Silizium, Chrom, Nickel, Molybdän, Kupfer hinzukommen; man spricht dann von legierten Stählen.1

3.

Materialstruktur

Wie bei allen metallischen Stoffen beruht der Stoffzusammenhalt bei Stahl auf der charakteristischen metallischen Atombindung, bei der die positiv geladenen Atomrümpfe ihre freien Elektronen abgeben, die sich dann in den Zwischenräumen des kristallinen Raumgitters frei bewegen (Elektronengas). Die ungerichtete

6. Stahl

175

Atombindung im Elektronengas erzeugt ein extrem dicht gepacktes Raumgitter, eine dichtestmögliche Kugelpackung, und ist die Ursache der hohen Festigkeit von Stahl, die von kaum einem anderen Werkstoff, und gewiss nicht von einem heute allgemein gebräuchlichen, überboten wird. Die modellhafte Vorstellung des Elektronengases erklärt ihrerseits beim Stahl 2 • seine elektrische Leitfähigkeit • seine hohe Wärmeleitfähigkeit – abzulesen an der hohen Wärmeleitzahl oder dem l-Wert von rund 60 W/mK im Vergleich zu Beton mit rund 2 W/mK oder Holz mit rund 0,15 W/mK. • seinen metalltypischen Glanz • sowie auch die vergleichsweise leichte Abspaltbarkeit von Elektronen an seiner Grenzfläche unter Einwirkung gewisser reaktionsfreudiger Stoffe wie Sauerstoff, Schwefel oder Chlor, die zu einer elektrochemischen (elektrolytischen) Korrosion und damit zu einem gefährlichen Zersetzungsprozess des Stahls führen können ( ☞). Die kristalline Molekularstruktur von Stahl lässt sich für technische Zwecke auf vielerlei Art gezielt verändern, so dass spezifische Eigenschaften oder Kombinationen derselben erzielt werden können. In das Kristallgitter durch Legieren eingelagerte Fremdatome wie beispielsweise der in verschiedenen Graden im Stahl stets vorhandene, in den Zwischengitterräumen eingelagerte Kohlenstoff C (Einlagerungsmischkristall) ( ☞) beeinflussen die Eigenschaften des Werkstoffs tiefgreifend ( 3). Kohlenstoff behindert das freie Gleiten im Raumgitter durch Verkrallen der Gleitebenen und macht den Stahl spröde.3 Eingelagerte Chrom- und Nickelatome machen den Stahl reaktionsträge gegenüber Korrosionsangriff (Substitutionsmischkristalle bei Edelstählen). Das übergeordnete Stoffgefüge in Form eines zunächst regellosen Haufwerks aus Kristalliten bestimmt ebenfalls die Stoffeigenschaften des Stahls maßgeblich. Ein langsames Abkühlen der Stahlschmelze erlaubt das Anwachsen vergleichsweise großer Kristallite, was zu spröden Stählen führt. Rasches Abkühlen der Schmelze unterbricht das Kristallwachstum frühzeitig und erzeugt kleinere Kristallite und folglich ein feinkörniges Gefüge mit hoher Festigkeit.4 Kristallite können durch Kneten wie beim Walzen (Warmverformung) ( 4, 5 ) oder auch durch Recken (Kaltverformung) aus ihrer anfänglich annähernd kugeligen Form in eine ausgerichtete längliche überführt werden (Faser- oder primäre Säulenstruktur 5), so dass die Korngrenzflächen in Walz- oder Streckrichtung, somit die Festigkeit in dieser Richtung, deutlich vergrößert werden ( 6). Gleichzeitig schließt dieser Vorgang eventuell vorhandene Hohlräume. Auch das Vorrecken, das im Stahl gezielt einen Gleitvorgang bis kurz vor dem gegenseitigen Blockieren der Versetzungsebenen

3 Fe-Kristallgitter von Stahl mit eingelagerten C-Atomen (Einlagerungsmischkristall).

☞ Kap. V-6 Dauerhaftigkeit, S. 622

4 Auswalzen von Stahlbrammen.

☞ Kap. III-1 Materie, 8.1 Kristalle, S. 88

5 Rohrwalzwerk

176

III Stoffe

6 Kristallgefüge von Stahl vor (oben) und nach (unten) dem Ausziehen durch Walzen oder Strecken6

☞ Abschn. 8.2 Lastabhängige Verformungen, S. 183

4.

Klassifikation der Stähle ☞ Abschn. 2. Zusammensetzung, S. 174

herbeiführt, verändert die Kristallstruktur des Stahls und führt zu einer Erhöhung der Festigkeit des Werkstoffs. Dies hat aber aufgrund der dadurch bereits aufgebrauchten Fließfähigkeit des Stahls die Aufgabe seiner Duktilität oder Zähigkeit zur Folge (☞). Vorgereckte Stähle sind zwar hochfest, aber spröde. Die gezielte Veränderung der Kristallstruktur zur Schaffung spezifischer Gefügetexturen kann durch erneutes Glühen, wodurch der Stahl wieder in warmplastischen Zustand gerät, wieder rückgängig gemacht werden. Es erfolgt eine Umkristallisation, so dass aufgebaute interne Spannungen abgebaut werden und ein neues, spannungsfreies Stoffgefüge entsteht.7 Auch ein Abschrecken, also ein schlagartiges Abkühlen des rotglühenden Stahls im Wasserbad, führt zu spezifischen kristallinen Formungsprozessen und zu einer Erhöhung der Stahlhärte bis auf das Dreifache des Normalwerts.8 Dieser Effekt ist vor allem auf die erhöhte Ausscheidung freien Kohlenstoffs zurückzuführen, der sich mit dem Eisen unter diesen Voraussetzungen zum außerordentlich harten Martensit verbindet. Diesen allerdings sehr spröden Stählen kann anschließend durch Erwärmen, das so genannte Anlassen, graduell steuerbar wieder Elastizität und Zähigkeit verliehen werden.9 Neben der bereits erwähnten Unterteilung in unlegierte (reine Fe-C-Legierungen) und legierte Stähle (Chromstahl, Manganstahl, Nickelstahl) ( ☞) unterscheidet die DIN EN 10020-89 bezüglich ihrer Güte folgende Gruppen: 10 • Grundstähle: unlegierte Stähle, keine besonderen Zusatzmaßnahmen bei der Herstellung • Qualitätsstähle: legierte und unlegierte Stähle; Steuerung der Eigenschaften wie Oberfläche, Gefüge, Zähigkeit. Beispiele: Baustahl, Schienenstahl. • Edelstähle: legierte und unlegierte Sorten aus speziellen Herstellungsverfahren mit höherer Reinheit. Beispiele: Werkzeugstahl, nicht rostender Stahl.

☞ Abschn. 6. Fertigungsverfahren, S. 179, sowie Kap. IV-3 Stahlprodukte, S. 288 ff

Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens unterscheidet die DIN 10079-92 diverses Halbzeug und Walzstahlerzeugnisse ( ☞): • Bandstahl • Breitflachstahl • Stabstahl • Stahlblech • Formstahl

6. Stahl

177

• Profilstahl • Walzdraht Es sind auch Klassifizierungen gebräuchlich, die sich nach der Anwendung der Stähle richten wie insbesondere • Baustahl. Wichtigste Stahlsorte für den Hochbau. Herkömmlicher duktiler Stahl ( ☞ a ) ( 7). • Betonstahl für Bewehrung des Stahlbetons. Gereckte Stabstähle mit geeigneter Profilierung ( ☞ b ) ( 8). • Federstahl

7 Zur Weiterverarbeitung vorbereiteter Baustahl.

☞  a Abschn. 7. Mechanische Eigenschaften, S. 182 ☞ b Kap. III-7 Bewehrter Beton, S. 193

• Werkzeugstahl Stahl als der praktisch einzige metallische Werkstoff für Primärtragwerke zeichnet sich gegenüber anderen Materialien durch seine große Härte, hohe Rohdichte, und außerordentlich große Festigkeit aus, die diejenige anderer Werkstoffe bei weitem übertrifft. Die meisten im Bauwesen eingesetzten Stähle sind zähfeste Sorten wie der herkömmliche Baustahl, die unter großer Belastung vor dem Versagen deutlichen Fließverformungen unterworfen sind. Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften dieses Werkstoffs erlauben extrem schlanke und feingliedrige Bauteile, die als Zugglieder die volle Stärke des Materials ausspielen, als Druckglieder hingegen gerade wegen ihrer Schlankheit erhöhter Knickgefahr ausgesetzt sind und folglich nie bis an die eigentliche Bruchgrenze belastet werden können ( 9). Trotz hoher Rohdichte (etwa dreimal soviel wie Normalbeton) ist Stahl im Hochbau zwar als thermische Speichermasse kaum nutzbar, da sein Masseanteil an der Konstruktion aufgrund der extremen Schlankheit von Stahltragwerken sehr gering ist, zeichnet sich andererseits durch das außerordentlich günstige Verhältnis zwischen aufnehmbarer Last und Eigengewicht aus. Stahlbau gilt infolgedessen als Leichtbau. Stahl ist beispielsweise im Vergleich zu Holz verhältnismäßig schwer zu bearbeiten und erfordert maschinelle Werkzeuge. Es kann dafür mit sehr hoher Präzision gearbeitet werden, insbesondere durch fräsende oder spanabhebende Techniken. Während die bauüblichen Toleranzen bei konkurrierenden Werkstoffen teilweise im Zentimeterbereich liegen, kann Stahl auch bei größeren Teilen mit Millimeterpräzision verarbeitet werden. Diese hervorragende Eigenschaft leitet sich auch von seiner extrem hohen Formstabilität ab (☞) Der Konstrukteur darf nie vergessen, dass Stahl ein technisches Kunstprodukt ist, das aus Eisenoxiden der Erdrinde gewonnen und unter nicht unbeträchtlichem Energieeinsatz zu einem hoch spezialisierten Werkstoff verarbeitet wird. Stahl zeigt aber während seiner Lebenszeit die deutliche und gefährliche Tendenz, wieder in

5.

Allgemeine Eigenschaften

8 Betonstabstahl

9 Stahl unter Druck und Zug

☞ Abschn. 8. Verformungsverhalten, S. 183

178

III Stoffe

den Zustand des Eisenoxids zurückzukehren, und zwar durch den Prozess der Korrosion. In dieser Hinsicht unterscheidet sich Stahl nur unwesentlich vom organischen Werkstoff Holz, der ähnliche Neigung zeigt, sich unter Umwelteinflüssen zu zersetzen. Es ist eine der Hauptaufgaben des Planers sowie auch des späteren Betreibers des Stahlbauwerks, diesen Prozess zu verhindern oder auf ein Minimum zu reduzieren. Der Planer muss beispielsweise dafür sorgen, dass ☞ Kap. V-6 Dauerhaftigkeit, S. 626

• Wasser so rasch wie möglich von exponierten Stahlflächen abgeführt wird (konstruktiver Korrosionsschutz) ( ☞) • Wasser nicht kapillar in Fugen eingezogen werden kann • eine möglichst geringe Oberfläche der Witterung ausgesetzt ist. Bei Verbindungen zeigt diesbezüglich die Schweißtechnik deutliche Vorzüge gegenüber der Verschraubung. • keine unzugänglichen Stellen entstehen, die weder kontrolliert noch gewartet werden können. • geeignete Beschichtungen den Stahl vor Witterungsangriff schützen

10 Stahlkonstruktion nach einem Brand

☞ Kap. V-5 Brandschutz, S. 604

Die gegenüber anderen Baumetallen wie Aluminium hohe Korrosionsanfälligkeit sowie auch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Stahl - Edelstahl leitet Wärme nur unwesentlich schlechter als Baustahl - führt dazu, dass dieser Werkstoff nur bedingt für Hüllkonstruktionen eingesetzt werden kann. Des weiteren wird Stahl nachgesagt, dass der aufgrund raumeinhüllender Stahlflächen oder -netze – wie bei Bewehrungen – entstehende Faradaysche Käfig die elektromagnetische Erdstrahlung abschirme und deshalb gesundheitlich schädliche Wirkungen zeige. Diese Behauptung ist jedoch bis heute nicht wissenschaftlich nachgewiesen. Ferner ist Stahl sehr empfindlich gegen Brandeinwirkung. Bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen (rund 700° C) lockert sich das Kristallgefüge und der Stahl wird weichplastisch ( 10). Die Effekte hoher Temperaturen lassen sich im Brandfall durch die Verwendung von Verbundkonstruktionen (kühlende Wirkung der Betonteile) oder durch Feuerschutzanstriche mildern. Ein zuverlässiger Brandschutz jenseits von Feuerwiderstandsdauern von 60 Minuten lässt sich indessen nur durch aufwendige Verkleidungen der Stahlbauteile sicherstellen (☞). Wenngleich Stahl bei hohen Temperaturen als amorphe Schmelze mit Einschränkungen knetbar ist, kann dennoch nicht von einem frei formbaren Werkstoff wie bei Beton gesprochen werden. Stattdessen entstehen in großtechnischen Fertigungsprozessen streng genormte halbfertige Industrieprodukte, auf die der Konstrukteur bei seiner Arbeit heute noch zurückzugreifen hat. Nur langsam halten neue Fertigungstechniken in die Produktion von Stahlerzeugnissen

6. Stahl

179

Einzug, die eine stärkere Individualisierung erlauben. Beispielhaft hierfür sei der Gussstahl genannt. Zwar ist auch gegossener Stahl an verhältnismäßig enge Formeinschränkungen gebunden, die sich aus dem Form- und Gießprozess herleiten, doch können bei entsprechend hohen Stückzahlen Gußstahlteile auch mit komplexen, individualisierten Formen bei vertretbaren Kosten hergestellt werden ( 11). Digitale Computersimulationen des Gießvorgangs erlauben ferner eine weitgehende fertigungstechnische Optimierung der Bauteilform. Für Bauzwecke wird Stahl heute handwerklich fast überhaupt nicht mehr verarbeitet, und wenn überhaupt, dann durch Weiterverarbeitung von industriellem Halbzeug wie Profilstahl. Abschließend ist festzustellen, dass Stahl – ähnlich wie auch Holz – für den Einsatz in Primärtragwerken überwiegend in Gestalt stabförmiger Bauteile verbaut wird. Dies ergibt sich aus der Verarbeitung in Prozessen wie dem Walzen, Pressen oder Ziehen. Stahltragwerke sind folglich stets Stabwerke. Die aus der Fertigung hervorgehenden Querschnitte oder Profile sind aufgrund des Herstellungsverfahrens kontinuierlich entlang der Achse unverändert. Eine Ausnahme stellt Gussstahl dar, da es – mit Einschränkungen – eine freie Formgebung erlaubt. Flächig wird Stahl ausschließlich in extrem dünnen Blechen eingesetzt, die durch Faltung oder andere Maßnahmen versteift sind, wie beispielsweise Trapezbleche. Schwere Stahlplatten sind im Hochbau bis auf seltene Einzelfälle, bei denen es auf deren strahlenabschirmende Wirkung ankommt, so gut wie unbekannt. Anders als bei konkurrierenden Werkstoffen existieren bei Stahl verschiedene Fertigungs- oder Umformverfahren, die jeweils Produkte mit spezifischen geometrischen sowie teilweise auch materialtechnischen Merkmalen hervorbringen. Oftmals werden nach einem bestimmten Verfahren hergestellte Stahlprodukte auch für einen klar umrissenen Einsatzzweck verwendet. Diese Verfahren sollen im Folgenden aufgeführt werden: Man unterscheidet folgende Verfahren der Warmverformung:

11 Stahlgussteil

6.

Fertigungsverfahren

6.1

Warmverformung

• Warmwalzen: Dies ist die wichtigste Art der Warmverformung von Stahl zur Herstellung von Bauprodukten ( 12). Generell sind 90% der Stahlerzeugnisse Warmwalzprodukte.11 Stahl wird warm ausgewalzt zu: •• Flacherzeugnissen wie Blechen und Bandstahl •• Profilerzeugnissen wie Stabstahl und Formstahl •• Hohlprofilerzeugnissen wie Rund- und Rechteckrohren Das Warmwalzen erfolgt auf Walzstraßen, wo die rotglühenden Rohblöcke bei Temperaturen zwischen 900 und 1300 °C in

12 Warmwalzen in einer Stranggussanlage.

180

III Stoffe

aufeinander folgenden Phasen oder Stichen mittels Walzen schrittweise in eine bestimmte Profilform geknetet werden. • Schmieden wie Freiform- oder Gesenkschmieden zur Herstellung geometrisch komplexerer Werkstücke ( 13). Der warme, weichplastische Stahl wird beim Schmieden geschlagen. • Pressen im Strangpressverfahren erlaubt die Herstellung von stabförmigen Profilen mit besonderen Querschnitten ( 14). Der warme Rohling wird durch eine Matrize oder Werkstück gepresst, axial durchgehende Hohlräume können mittels eines Dorns eingearbeitet werden. Querschnitte von Strangpressprofilen aus Stahl lassen sich nicht mit der gleichen Freiheit gestalten wie Aluminiumprofile, weshalb sie eine eher untergeordnete Rolle spielen. 6.2

Kaltverformung

Wie bereits der Bezeichnung entnehmbar, erfolgt die Umformung des Stahls bei der Kaltverformung bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als bei der Warmverformung, und zwar im Bereich unter 400° C oder bei normaler Umgebungstemperatur. Man unterscheidet • Kaltwalzen im Stahlwerk: Es werden Betonstähle, Blechprofile (wie für Spundwände) oder Ausgangsmaterial für das Ziehen von hochfesten Stahldrähten in Walzstraßen kalt geformt ( 15). Die Kaltverformung im Walzprozess hat ein Strecken oder Kaltrecken des Stahls zur Folge, das zur Steigerung der Festigkeit gezielt herbeigeführt wird (Kaltverfestigung). • Kaltprofilieren (bzw. Rollen) bei der nachträglichen Verarbeitung von Stahlerzeugnissen: Ausgangsmaterial sind üblicherweise Warmwalzprodukte wie Band, Blech oder Breitflachstahl ( 16). Feinblech oder Band wird in einem dem Warmwalzen ähnlichen Prozess durch schrittweises Umformen in einer Walzenstraße zu Profilen verarbeitet. Diese Kaltprofile sind zumeist schlanker und feingliedriger als Warmwalzprodukte. Sie sind u. a. an den rund ausgerollten Ecken erkennbar. Dort erfolgt in der Regel ein Strecken oder Fließen des Stahls, was zur lokalen Festigkeit beiträgt (Kaltverfestigung).12 Es ist – insbesondere im Vergleich zur Abkanttechnik - eine verhältnismäßig hohe Präzision realisierbar. Verwendung finden sie im Hochbau insbesondere im Stahlleichtbau oder im Fassadenbau. • Abkanten von Blechen oder Feinblechen. In Abkantpressen werden mit Hilfe eines Stempels und einer Gegenform einzelne Abkantungen am Blech vorgenommen ( 17). • Tiefziehen von Feinblechen: ebene Bleche werden mittels Druck in eine Negativform gepresst ( 18). Ähnlich wie bei den anderen Kaltumformprozessen fließt der Stahl in Teilbereichen, wo

6. Stahl

181

13 Freiformschmiedepresse 14 Gesenkschmiedepresse

15 Bandverzinken von kaltgewalztem Feinblech 16 Kaltgewalztes Trapezblech

17 CNC-Abkantpresse 18 Tiefziehpresse

182

III Stoffe

Ziehzange

Zugstange

Ziehring

Rohr

Ziehdorn

19 Rohrziehen (Schema)

6.3

Gießen

20 Stahlguss

7.

Mechanische Eigenschaften ☞ Kap. III-1, Abschn. 11.3.1 Lastabhängige plastische Verformung > Gleiten, S. 117

☞ Abschn. 3. Materialstruktur, S. 174 sowie 6. Fertigungsverfahren, S. 179

er besonders starken Verformungen durch den Tiefziehvorgang ausgesetzt ist. Dies ist von der jeweiligen Werkstückgeometrie abhängig. Es sind doppelt gekrümmte Formen realisierbar. • Ziehen von Drähten: In einem ersten Schritt werden so genannte Knüppel auf einen kleinen Durchmesser von 6-8 mm warmgewalzt. Diese werden anschließend ggf. in mehreren Zügen durch Matrizen hindurch zu dünnerem Stahldraht gezogen ( 19). Die Kaltverformung hat ein Strecken des Materials zur Folge, was seine Festigkeit – allerdings auf Kosten der Zähigkeit – deutlich erhöht. Stahldrähte können zu Seilen weiter verarbeitet werden.13 Unlegierte und legierte Stähle werden in Formen zu komplexeren Geometrien gegossen. Anders als bei den meisten übrigen Fertigungsverfahren ist man beim Gießen nicht auf lineare Formungsprozesse eingegrenzt, sondern kann grundsätzlich frei geformte Werkstücke herstellen ( 20). Gewisse Einschränkungen ergeben sich aus der Notwendigkeit einer guten Verteilung des Stahls in der Form sowie auch aus anderen prozesstechnischen Randbedingungen. Auch die Größe der realisierbaren Teile stößt an Grenzen. Im Gegensatz zum spröderen Gusseisen weisen Gussstähle ausgezeichnete Zugfestigkeiten auf. Gussstahlteile erlauben – zumindest lokal – eine Umsetzung des integralen Bauprinzips und ermöglichen es, komplexe zusammengesetzte Anschlusskonstruktionen dadurch zu umgehen, dass der Knoten integral aus einem einzigen Werkstück gegossen wird. Ein Anschluss an anstoßende Walzprofile ist durch Schweißen möglich. Es liegt auf der Hand, dass die verhältnismäßig hohen Formkosten bei steigenden Stückzahlen zunehmend ihre Bedeutung verlieren. Wie auch mit einigen Einschränkungen Holz, zählt Stahl zu den zähen oder zähfesten Werkstoffen. Seine zähe Materialcharakteristik liegt in seiner Fähigkeit zum Gleiten begründet ( ☞). Stahl weist im Vergleich mit anderen Werkstoffen außerordentlich hohe Festigkeiten auf. Extrem hohe Festigkeitswerte müssen indessen durch die Aufgabe der Zähigkeit erkauft werden. Hochfeste Stähle sind folglich spröde. Normale Baustähle hingegen verhalten sich zäh oder duktil. Verschiedene Vergütungsverfahren erlauben eine deutliche Steigerung der Stahlfestigkeit (☞): • Erhöhung des C-Gehalts bis zu 0.9% bei Stahldrähten. • Zugabe von Legierungsmaterialien (Silizium, Chrom, Molybdän), • Gezielte Wärmebehandlung wie Abschrecken nach Glühen

6. Stahl

183

• Kaltverformung wie Ziehen, Vorrecken. Stahl weist gegenüber konkurrierenden Werkstoffen auch extrem hohe Steifigkeit auf (hoher E-Modul), d. h. es verformt sich im elastischen Bereich auch unter hoher Belastung nur wenig ( ☞ a ). Wie auch Holz weist Stahl ähnliche Druck- und Zugfestigkeit auf (☞ b ). Wie erwähnt (☞ c ) können Stahlbauteile jedoch ihre Druckfestigkeit wegen ihrer extremen Schlankheit aufgrund Knickgefahr im Regelfall nicht voll ausschöpfen. Aus diesem Grunde gelten zugbeanspruchte Konstruktionen als die eigentliche Domäne dieses Werkstoffs. Das Stoffgefüge von Stahl ist weitgehend isotrop (☞). Durch bestimmte Umformverfahren wie Walzen oder Ziehen kann es indessen zu einer (manchmal planmäßigen) Ausrichtung der Kristallite kommen, was eine gewisse Anisotropie des Werkstoffs zur Folge hat. Die Festigkeit steigt in Walz- oder Ziehrichtung im Vergleich zur Querorientierung.

☞ a Abschn. 8.2 Lastabhängige Verformungen, S. 183 ☞ b Abschn. 11. Kennwerte, S. 189 ☞ c Abschn. 5. Allgemeine Eigenschaften, S. 177

☞ Kap. III-1, Abschn. 9.2 Metallische Stoffe, S. 104

Neben den unvermeidbaren Temperaturdehnungen, die bei Stahl in ähnlicher Größenordnung wie bei Beton anfallen ( ☞), zeigt der Werkstoff auch ohne Belastung eine bemerkenswerte Formstabilität. Es sind keinerlei hygroskopische Verformungen zu beobachten. Schwankungen der Umgebungsfeuchte gegenüber verhält sich Stahl, was Verformungen betrifft, völlig indifferent. Es ist folglich auch kein Schwinden oder Quellen zu erwarten, Phänomene, mit denen sich der Konstrukteur bei den übrigen Werkstoffen für Primärtragwerke auseinanderzusetzen hat.

8.

Verformungsverhalten

8.1

Lastunabhängige Verformungen

Das Verformungsverhalten von normalem Baustahl (S 235) unter Last ist dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm (  21) entnehmbar. Danach zeigt der Werkstoff bei anfänglicher Belastung einen steilen, annähernd geraden Verlauf. Dies ist im so genannten elastischen Bereich zu beobachten, wo Stahl sich gemäß dem Hookeschen Gesetz proportional zur Belastung dehnt, sich also elastisch verformt. Die steile Neigung dieses Kurvensegments ist Ausdruck der großen Steifigkeit, also des hohen Elastizitätsmoduls E. Nach der Proportionalitätsgrenze P herrscht keine strenge Proportionalität mehr zwischen s und e, bis zur Elastizitätsgrenze E ist das Verhalten indessen noch als weitgehend elastisch zu bezeichnen. Nach Überschreiten dieses Werts ist die Streckgrenze S erreicht. Ab diesem Punkt beginnt das Material zu fließen. Dabei können keine höheren Lasten aufgenommen werden, während die Dehnungen indessen mit unregelmäßigem Verlauf zunehmen. Dies setzt sich bis zur Fließgrenze F fort. Hier setzen sich Gleitvorgänge im Stoffgefüge in Gang, bei denen die einzelnen Kristallite entlang diverser Versetzungsebenen gleiten. Es entstehen deutlich feststellbare Verformungen. Ab der Fließgrenze F beginnt das Material, sich erneut zu verfestigen. Es können wieder größere Spannungen aufgenommen werden,

8.2

☞ Abschn. 11. Kennwerte, S. 189

Lastabhängige Verformungen

184

III Stoffe

σ hochfester Stahl

Baustahl

ε

22 Spannungs-Dehnungs-Diagramme von Baustahl und von kaltverformtem hochfestem Stahl. Bei diesem fehlt der charakteristische Sattel des Fließbereichs

9.

Konstruktive Folgerungen

☞ Band 3, Kap. XI Verbindungen

die aber – anders als im elastischen Bereich – auch beträchtliche Verformungen nach sich ziehen. Die Gleitvorgänge im kristallinen Gefüge können sich nicht mehr frei entfalten, da die Versetzungsebenen an die Korngrenzen stoßen, wo sie sich mit denen benachbarter Kristallite blockieren (Versetzungsblockierung). Die behinderte Gleitung äußert sich in einer Verfestigung des Werkstoffs. Zuletzt ist bei der Bruchgrenze B die maximal aufnehmbare Spannung, die Bruchspannung sB erreicht: das Material bricht lokal auf, was insgesamt zu einer Verminderung seiner Festigkeit führt. Der Zusammenhalt des Kristallgitters ist stellenweise zerstört. Es können trotz steigender Dehnungen nur mehr zunehmend geringere Spannungen aufgenommen werden. Schließlich zerreißt die Probe an der Zerreißgrenze Z. Wie auf  22 gezeigt, eliminiert ein Vorrecken den elastischen und den Fließbereich dieser Kurve, was die anfänglich nutzbare Festigkeit des Werkstoffs zwar erhöht, aber auch seine Fließfähigkeit erkennbar mindert. Auch andere hochfeste Stähle zeigen diesen typischen Diagrammverlauf ohne den für das Fließen charakteristischen Sattel. Aus dem bisher Festgestellten lassen sich zum Zweck einer anfänglichen Orientierung einige grundsätzliche Eigenheiten des Werkstoffs Stahl in konstruktiver Hinsicht herleiten: • Ein Werkstoff ist nur so leistungsfähig wie er es an seiner schwächsten Stelle zu sein vermag. Hinsichtlich der Kraftleitung ist die schwächste Stelle nahezu ausnahmslos der Anschluss zwischen zwei Bauteilen ( 23). Die fundamentale Problematik der Kraftleitung an einer Fügung wird angesprochen im Kap. XI. Eine Fügung im Stahlbau ist nach dem integralen Bauprinzip nur auf Bauteilebene ( 24), nicht hingegen auf Tragwerksebene realisierbar. Hier sind Fügungen nur nach dem integrierenden oder Differenzialprinzip realisierbar. Im Einzelnen:

☞ Band 3, Kap. XI-5, An- und Einpressen

•• Nieten: punktuelle Verbindung zweier Stahlteile mit einem begrenzten Vorspanneffekt (Differenzialprinzip) ( 25). Heute weitestgehend ungebräuchlich.

☞ Band 3, Kap. XI-5, An- und Einpressen

•• Schrauben: punktuelle Verbindung zweier Stahlteile nach den Differenzialprinzip, ggf. auch mit Vorspanneffekt ( 26).

☞ Band 3, Kap. XI-8 Fügen durch Stoffvereinigen

•• Schweißen: Verbindung nach dem integrierenden Prinzip. Der Werkstoff wird lokal durch Erhitzen plastifiziert und unter Beigabe von Schweißmaterial mit dem des anschließenden Teils verbunden ( 27). Schweißen ist die bevorzugte Verbindungstechnik für Werksfügungen unter kontrollierbaren Bedingungen. Einzelteile werden im Werk zu komplexeren Bauteilen im Regelfall geschweißt ( 28, 29). Trotz sehr gleichmäßiger Kraftleitung führen viele

6. Stahl

185

s in N/mm2 400

B

sB

plastischer Bereich

Z

300 F 200

elastischer Bereich

e (-)

S

E P

100

O 5

10

15

20

e in %

23 Schwächung des Querschnitts an einer Verbindung: Axialkräfte im Diagonalstab können bei einer SL-Verbindung nur an der Lochwandung der beiden Nietverbindungen übertragen werden.

s (-) 21 Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Baustahl (S 235). P E F S B Z

Proportionalitätsgrenze Elastizitätsgrenze Fließgrenze Streckgrenze Bruchgrenze Zerreißgrenze

25 Nietrohlinge und zu verbindende Bleche (Schauobjekt).

24 Vergleichbarer Knoten wie auf  23 in Gussstahl. Keine Querschnittsschwächung an der Verbindung bei Integralbauweise.

26 Schraube mit Mutter.

27 Schweißen: Querschnitt einer Doppel-HYNaht.

186

III Stoffe

☞ Kap. III-5, Abschn. 6. Konstruktive Folgerungen, S. 170

Schweißverbindungen dennoch zu einer gewissen Verringerung des Kraft leitenden Querschnitts und damit zu einer gewissen Schwächung des Anschlusses, es sei denn es erfolgt ein Durchschweißen des gesamten Querschnitts. Gleiches gilt naturgemäß für Baustellenschweißungen. Wesentlich gravierender ist die Querschnittsschwächung indessen bei den heute für Montageverbindungen (zumindest im Hochbau) üblichen Fügungen nach dem Differenzialprinzip, wie beispielsweise Verschraubungen. Lokale Spannungskonzentrationen sind dabei nahezu unvermeidbar und Bauteile müssen oftmals nicht nach ihrer Hauptbeanspruchung, sondern nach den Verhältnissen am Anschluss dimensioniert werden. Für Stahl bedeutet dies, dass Einschränkungen seiner ansonsten exzellenten Festigkeit nicht allein wegen der extremen Schlankheit von Stahlbauteilen, sondern (zusätzlich) auch wegen der fast unumgänglichen differenzialen Fügung derselben hingenommen werden müssen. In diesem Punkt ähnelt Stahl wiederum dem anderen zähfesten Werkstoff Holz ( ☞). • Die so charakteristische Zähigkeit des Baustahls erlaubt, lokale Spannungskonzentrationen, beispielsweise an differenzialen Fügungen wie Verschraubungen, durch plastische Fließverformung abzubauen. Es findet dann eine Umlagerung dieser Spannungen statt sowie auch eine Verfestigung der überbeanspruchten Stelle ( 30). Vor einem möglichen Versagen kündigen deutliche plastische Verformungen diesen gefährlichen Zustand rechtzeitig an. Man kann die Duktilität des Baustahls mit Berechtigung als ein Zeichen seines gutmütigen Verhaltens im baulichen Einsatz werten.

☞ Abschn. 5. Allgemeine Eigenschaften, S. 177

• Wie erwähnt ( ☞) sind Stahltragwerke im Hochbau grundsätzlich Stabwerke. Damit stellt sich die Frage, welche Zusatzmaßnahmen für die Aussteifung gegen Horizontallasten getroffen werden müssen, die in Ermangelung gleichsam systembedingter vollwandiger Scheiben (wie etwa beim Mauerwerksbau) zumeist unumgänglich sind. Üblich sind: •• Ausbildung von Ersatzscheiben in Form von Dreiecksverbänden (Diagonalverbände, Fachwerke) ( 31) •• Ausbildung von Rahmenkonstruktionen ( 32) •• Anbindung des Stabtragwerks an feste Kerne in Massivbauweise ( 33). Auch Einspannungen in das Fundament sind grundsätzlich möglich, doch werden sie im Stahlhochbau häufig (insbesondere wenn bewittert) umgangen, z. B. um Korrosion zu verhindern.

6. Stahl

187

28 Aus Blechen geschweißte Konstruktion. 29 Geschweißter Stumpfstoß von Rohren.

A σz max σz σz max

30 Kerbwirkung an der Einschnürung eines zugbeanspruchten Profils. Die Umleitung der Hauptspannungstrajektorien im Schnitt A-A erzeugt lokale Spannungsspitzen s Zmax an der Kerbe, die zu einem Fließen des Stahls führen können. Bei duktilem Stahl findet eine Umlagerung der Spannungen und eine Entlastung statt.

A 31 Horizontalausteifung durch Dreiecksverband.

32 Horizontalaussteifung durch Rahmen. 33 Horizontalaussteifung durch Kern.

188

III Stoffe

34 Fachwerkkonstruktion

☞ Abschn. 5. Allgemeine Eigenschaften, S. 177

• Die gute kombinierte Druck- und Zugfestigkeit prädestiniert Stahlbauteile für die gleichzeitige, bzw. wechselnde Beanspruchung durch entsprechende Druck- und Zugspannungen. Dies tritt vornehmlich bei Biegebeanspruchung (Biegezug-/ Biegedruckspannungen) ein. Insbesondere bei durchlaufenden Querschnitten – wie bei Mehrfeldträgern aus Walzstahl –, die aus fertigungstechnischen Gründen stahltypisch sind, macht sich diese Eigenschaft positiv bemerkbar. Aber erst bei Fachwerkkonstruktionen kommt dieser Vorzug des Stahls wirklich zur Geltung, da dort die Beanspruchungen umgewandelt werden in ein räumliches Arrangement jeweils reiner Druk- oder Zugkräfte, die stets einem Stab des gleichen Materials Stahl zugewiesen werden können ( 34). Auch in diesem Punkt ist Holz dem Stahl vergleichbar, wenngleich es im Schlankheitsgrad nicht mithalten kann. • Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass Stahl insbesondere bei zugbeanspruchten Konstruktionen seine Stärken auszuspielen vermag ( 35) ( ☞). Seile aus hochfesten Stählen sind die Grundlage für den Bau der gegenwärtig am weitesten spannenden Konstruktionen, wie die derzeit größte Hängebrücke Akashi Kaikyo mit 1990 m Spannweite.

35 Zugbeanspruchte Konstruktion

36 Versteifende Stegbleche an einer biegesteifen Rahmenecke

☞ Kap. V-6 Dauerhaftigkeit, S. 626

• Beim Konstruieren mit Stahl ist man stärker als bei konkurrierenden Werkstoffen auf eine vergleichsweise schmale Palette industrieller halbfertiger Produkte begrenzt. Dies gilt für Profilmaterial genauso wie für Trapezbleche oder auch Seile. Im Wesentlichen schneidet sich der Konstrukteur gleichsam Standardmaterial aus dem Katalog für seine Zwecke zurecht und setzt es zu geeigneten Bauteilen, und diese letztlich zum Tragwerk zusammen. Die für Verbindungen erforderlichen Anschlussflächen, die sich nicht bereits aus der Bauteil- bzw. Profilgeometrie ergeben, werden beim Gestalten von Knotenpunkten zumeist durch werkseitiges Anschweißen von Blechen erzeugt (Anschlusslaschen, Kopf- oder Fußbleche). Auch lokale Verstärkungen oder Versteifungen – wie beispielsweise Stegbleche bei I-Profilen – werden gewöhnlich aus verschweißten Blechen hergestellt ( 36). Wenngleich die Fertigungstechniken im Stahlwerk, die das Halbzeug hervorbringen, noch keinen wesentlichen Entwicklungsschritt hin zu einer Individualisierung vollzogen haben, so eröffnet doch zumindest die moderne Schneid- und Frästechnik dank CNC-Steuerung größere Gestaltungsspielräume und erlaubt präzisere Verarbeitung. • Stahl ist durch geeignete, in einem ersten Schritt durch konstruktive Maßnahmen, zusätzlich auch durch adäquate Beschichtungen, sorgfältig vor Korrosion zu schützen ( ☞).

6. Stahl

189

• Stahl ist extrem brandgefährdet und kann ohne Zusatzmaßnahmen keine nennenswerte Feuerwiderstandsdauer garantieren. Ungeschützte Bauteile aus Stahl sind also als F 0 einzuordnen ( ☞). Im Hochbau ist Stahl entweder mit Brandschutzanstrichen oder mit -verkleidungen zu versehen. Auch Verbundkonstruktionen aus Beton und Stahl können trotz ungeschützter Stahlbauteile akzeptables Brandverhalten aufweisen. Stahl ist ein zähfester Werkstoff, der in der Lage ist, Druck und Zug in vergleichbarem Umfang aufzunehmen. Unter diesem Gesichtspunkt ist es Holz sehr ähnlich, aber auch seine stabförmige Verarbeitung sowie seine verhältnismäßige Schwäche an den zumeist differenzialen Anschlusspunkten machen deutlich, wie nahe beide Werkstoffe in werkstofftechnischer und konstruktiver Sicht beieinander liegen. Ferner sind sowohl Stahl als auch Holz in ihrem Stoffgefüge gegenüber Witterungseinfluss vergleichsweise instabil und neigen unter Bewitterung ohne entsprechende Gegenmaßnahmen zur langsamen Zersetzung. Anders als Holz ist Stahl indessen ein unverkennbar industriell geprägter Werkstoff, der sich für die handwerkliche Herstellung und Verarbeitung nur bedingt eignet. Die Festigkeiten, die gegenwärtig mit Stahlerzeugnissen zu verwirklichen sind, können von keinem anderen heute gebräuchlichen Werkstoff erreicht werden. Das Verhältnis zwischen aufnehmbarer Last und Eigenlast ist exzellent (große Zerreißlänge). Trotz ihrer großen Festigkeit und Härte zeigen die im Hochbau weit verbreiteten Baustähle ein gutmütiges duktiles Verhalten, das auf ihre Gleit- bzw. Fließfähigkeit zurückzuführen ist. Drohendes Versagen kündigt sich durch deutlich erkennbare zähe Verformungen an. Kennwerte für Baustahl S 235: Steifigkeit Druckfestigkeit Zugfestigkeit Rohdichte Wärmeleitzahl

E-Modul

210 000 N/mm2

σD:

360 N/mm2

σZ:

360 N/mm2

ρ:



78 kN/m3

λ:



60 W/mK

Wärmedehnzahl α:

12 · 10 -6 K-1

☞ Kap. V-5 Brandschutz, S. 604

10.

Zusammenfassung

11.

Kennwerte

190



III Stoffe

Anmerkungen

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

vgl. DIN 10020-89; Brockhaus Enzyklopädie Stw. Stahl Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens, S. 386 f Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens, S. 428 Althaus (1999) Fibel zum konstruktiven Entwerfen S. 132 f nach Ullmann in Krenkler (1980), S. 429 Petersen 1994, S. 55 Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens, S. 431 Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens, S. 431 nach Römpp in Krenkler (1980), S. 433 Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Stahl Petersen (1994) Stahlbau, S. 28 Petersen (1994) Stahlbau, S. 45 Petersen (1994) Stahlbau, S. 713

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR

1. Geschichtliche Entwicklungsstufen 2. Mechanische Eigenschaften 3. Verformungsverhalten 3.1 Lastunabhängige Verformung 3.2 Lastabhängige Verformung 4. Brandschutz 5. Dauerhaftigkeit 6. Konstruktive Folgerungen 7. Neue Entwicklungstendenzen im Betonbau 7.1 Hochleistungsbeton (HLB) 7.1.1 Allgemeines 7.1.2 Bestandteile von HLB 7.2 Faserbetone 7.2.1 Allgemeines 7.2.2 Glasfasermodifizierter Beton (FMB) 7.2.3 Glasfaserbeton (GFB) 7.2.4 Textilbewehrter Beton 7.2.5 Stahlfaserbeton (SFB) 7.2.6 Kunststofffasermodifizierter Beton/Faserbeton mit synthetischen organischen Fasern 7.3 Selbstverdichtender Beton (SVB) 7.3.1 Allgemeines 7.3.2 Zusammensetzung 7.3.3 Anforderungen an die Verarbeitbarkeit 7.3.4 Fließfähigkeit 7.3.5 Viskosität von 7.3.6 Gefügestabilität 7.3.7 Blockierneigung 7.3.8 Selbstentlüftungsfähigkeit 7.3.9 Selbstnivellierungsfähigkeit 7.3.10 Sichtbetoneignung 7.3.11 Fertigteile mit SVB 8. Zusammenfassung 9. Kennwerte

II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

192

1.

III Stoffe

Geschichtliche Entwicklungsstufen

1 Grobe Lehmmauer aus Blöcken.

☞ Kap. III-4 Beton, S. 154

2.

Mechanische Eigenschaften ☞ vgl. auch Band 2, Kap. IX-5, Abschn.5. Bewehrungstechnik , S. 566

Stahlbeton ist kein Primärwerkstoff wie die bisher behandelten, sondern ein Verbundwerkstoff aus Beton und Stahl. Er soll wegen seiner außerordentlich großen aktuellen baulichen Bedeutung in diesem Kapitel dennoch näher beleuchtet werden. Der Gedanke, Faserwerkstoffe mit einer plastisch verarbeitbaren, aushärtenden Matrix zu umgeben, liegt verschiedenen älteren Werkstoffen zugrunde, wie beispielsweise den strohbewehrten Lehmziegeln (Adobe) oder der lehmüberstrichenen Flechtwand aus Ruten (daher auch die Etymologie des Wortes „Wand“ vom „Winden“ dieses Geflechts) ( 1). Technische Zielsetzung dieses Materialgemisches ist die Nutzung der sich jeweils gegenseitig ergänzenden Eigenschaften der beteiligten Materialien: Fasern übernehmen die Zugkräfte, die das brüchige Matrixmaterial alleine zum Reißen bringen würden, die Matrix ist druckfest – eine Eigenschaft, die den Fasern fehlt – und schützt ihrerseits das eingebettete Fasermaterial. Es ist bemerkenswert, dass Beton zwar in der römischen Antike zu hoher technischer Reife entwickelt wurde, der technologische Schritt hin zum bewehrten Beton – trotz Vorbilder in Form bewehrten Lehms – damals nicht vollzogen wurde, vermutlich weil keine für diesen Zweck geeigneten Zugfasern verfügbar waren. Antike Vorläufer des Betons wie das opus caementitium (☞) waren – wie angemerkt – unbewehrt. Der eigentliche Beginn des Einsatzes von bewehrtem Beton (zunächst Eisenbeton, später Stahlbeton) geht auf den Pariser Gärtner Joseph Monier zurück; ihm wurde 1867 das erste Patent auf die Herstellung drahtbewehrter Blumenkübel aus Zement erteilt, wenngleich er seine Drahtnetze wahllos im Beton einbettete.1 Er erkannte nicht die technischen Möglichkeiten des gezielten Verlegens der Bewehrung entlang der Zugspannungstrajektorien. Analog zu anderen Verbundwerkstoffen werden den Bestandteilen Stahl und Beton spezifische Aufgaben zugewiesen: Hinsichtlich der Kraftleitung übernimmt • der Beton die Aufnahme von Druckkräften • der Stahl die Aufnahme von Zugkräften ( 2)

2 Oben: Hauptspannungstrajektorien in einem Biegebalken unter Gleichlast. Unten: Abdeckung der Zugkomponente durch Stahlbewehrung.

☞ Kap. III-6, Abschn. 8.2 Lastabhängige Verformungen, Spannungs-Dehnungs-Diagramm, S. 184

Obgleich die Festigkeitswerte des Stahls grundsätzlich auch die Aufnahme hoher Druckbeanspruchungen erlauben, und zwar in gleicher Größenordnung wie Zugkräfte ( ☞), so ist diese Fähigkeit durch die Knickgefahr der dünnen Bewehrungsstäbe stark eingeschränkt. Die Betonmatrix wirkt diesem Ausknicken zwar teilweise entgegen, die (aus guten Gründen, wegen der dort konzentrierten Zugspannungen) zumeist im Randbereich des Bauteils angeordneten Stahleinlagen könnten indessen unter Druck dennoch ausknicken, da die dünne Betondeckung unter diesen Voraussetzungen leicht abplatzt. Um dies zu verhindern, wird die Hauptbewehrung von

7. Bewehrter Beton

193

einer Schlaufenbewehrung umgeben und festgebunden, um das Ausweichen der Stäbe zu verhindern ( 3, 4). Auf diese Weise kann auch die Druckfestigkeit von Stahl bei stark druckbeanspruchten Bauteilen wie Stützen aktiviert werden. Die Schlaufenbewehrung hindert auch den stark druckbeanspruchten Beton am Reißen oder Abplatzen und erhöht seine Druckfestigkeit. Ferner verhindert sie als fein verteiltes Bewehrungsnetz das Entstehen größerer Risse aufgrund der unvermeidbaren Schwindtendenz des Betons (Schwindbewehrung).

4 Vorbereitete Bewehrungskörbe aus Hauptund Schlaufenbewehrung.

3 Haupt- und Schlaufenbewehrung bei Querschnitten von Stahlbetonbauteilen

Im Regelfall herrscht allerdings eine weitgehende Aufgabenteilung wie beispielsweise bei biegebeanspruchten Bauteilen, wo Beton wie ein Druckgurt die Biegedruck-, Stahl wie ein Zuggurt die Biegezugspannungen aufnimmt. Die Schnittkräfte müssen innerhalb des Bauteils rückgekoppelt werden, was entweder durch geeignete Verankerung der Stähle im Betonkörper geschieht (Schlaufen oder Haken am Stabende) oder – wie heute in der modernen Betontechnik üblich – durch Verbund, also im Wesentlichen Formschluss zwischen beiden Materialien. Zu diesem Zweck erhalten die Betonstähle bei der Herstellung im Walzprozess eine Profilierung ( 5) Im zugbeanspruchten Bereich reißt der Beton wegen seiner Sprödigkeit schnell in Form dünner Haarrisse, so dass die Zugkraft auf die Stahleinlagen übertragen wird ( 6). Diese verhindern, dass die Risse unter Zugbeanspruchung breiter werden. Die Bewehrungsstäbe lassen sich im Betonkörper frei dem Verlauf der Zugspannungen im Bauteil nachführen. Hierfür werden sie zunächst nach Bedarf im Schalungsraum verlegt, in ihrer Lage fixiert und anschließend während des Gießvorgangs mit Frischbeton umhüllt. Abstandshalter sorgen für einen Mindestabstand der Stäbe zur Schalhaut und somit für eine Mindestüberdeckung aus Beton ( 7). Stahlbeton vereinigt hervorragende Eigenschaften aus den beiden Werkstoffwelten der spröden und zähfesten Materialien in einem einzigen Verbundwerkstoff. Nachteile der einzelnen beteiligten Werkstoffe werden weitgehend ausgeschaltet (Brüchigkeit des Betons sowie Knicktendenz, Brandempfindlichkeit und Korrosionsanfälligkeit des Stahls), ihre Vorteile hingegen potenziert (höhere Druckfestigkeit des Betons durch Bewehrung, Sicherung der Zugfestigkeit des Stahls durch wirksamen Schutz).

5 Die Profilierung der Betonstähle sorgt für eine geeignete Verzahnung und somit für ausreichenden verbund mit der Betonmatrix.

6 Feine Zugrisse rechtwinklig zu den Hauptzugspannungstrajektorien an einem Stahlbetonbalken (vgl.  2).

ü

7 Betonüberdeckung von Stahleinlagen.

ü

194

3.

III Stoffe

Verformungsverhalten

☞ Kap. III-4 Beton, S. 157 sowie III-6 Stahl, S. 183

Dass der Verbund zwischen den Werkstoffen Beton und Stahl hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit im baulichen Einsatz den Ansprüchen genügt, beweist seine Bewährung im täglichen Baubetrieb sowie die allgemeine Dominanz des Stahlbetons in unserem aktuellen Baugeschehen. Dennoch ist diese Tatsache keinesfalls von vornherein selbstverständlich, da – wie bereits festgestellt ( ☞) – zwei Werkstoffe mit teilweise stark divergierenden Eigenschaften beteiligt sind. Eine wesentliche Grundvoraussetzung für das dauerhafte Bestehen der Verbundwirkung ist zunächst das – zufälligerweise – recht ähnliche Dehnungsverhalten von Beton und Stahl unter Temperaturschwankungen. Dies äußert sich in eng beieinander liegenden Ausdehnungskoeffizienten Beton Stahl

10 · 10 -6 K-1 12 · 10 -6 K-1

Dennoch bleiben grundlegende Differenzen im Verformungsverhalten der beiden beteiligten Werkstoffe, die zu Folge haben, dass die statische Verbundwirkung nicht ganz ohne interne Spannungen bleibt. Insbesondere das komplexe Verformunsgverhalten des Betons (Schwinden, Kriechen) steht im Konflikt mit dem verhältnismäßig inerten des Stahls. Die internen Spannungen, die hieraus folgen können, bleiben allein aufgrund der Gutmütigkeit und Duktilität der beiden beteiligten Materialien ohne größere Konsequenzen: Stahl vermag unter großer Belastung zu fließen. Beton weicht großen lokalen Beanspruchungen durch sein viskoelastisches Verhalten aus; er ist ferner fähig, kleinere Risse durch Rekristallisation wieder zu verschweißen, wenn sie nach Entlastung wieder zusammengepresst werden. 3.1

Lastunabhängige Verformung

Hinsichtlich lastunabhängiger Verformungen ist das Verhalten des Betons maßgeblich. Stahl verformt sich hingegen ohne Lasteinwirkung kaum. Insbesondere die Schwindtendenz des Betons muss bei der Planung sorgfältig berücksichtigt werden, so beispielsweise bei der Lagerung von Stahlbetonbauteilen mit dem Ziel, Zwängungen zu vermeiden, sowie auch bei der Bewehrung, die in Form einer fein verteilten Schlaufen- oder Mattenbewehrung (Schwindbewehrung) die Rissbildung infolge Schwindens zu begrenzen hat, insbesondere was die Rissbreiten betrifft.

3.2

Lastabhängige Verformung

Für einen axial belasteten Stab gilt: Das Verformungsverhalten im Druckbereich entspricht im wesentlichen dem des Betons. Im Zugbereich können die Verformungen bis zum Erreichen der Betonzugfestigkeit (fct) als elastisch angenommen werden. Nach Überschreiten von fct entstehen erste Risse im Beton, in welchen der Bewehrungsstahl den Lastanteil Fc des Betons übernehmen muss. Die Beanspruchung des Stahls vergrößert sich an den Rissstellen im Beton. Je nach Bewehrungsgrad und E-Modul des Stahls und des Betons, bewegt sich der Faktor zwischen 4-16fach – für einen

7. Bewehrter Beton

195

F (+)

ε (–)

ε (+)

F (–) 8 Kraft- Dehnungsdiagramm von Stahlbeton

durchschnittlichen Beton. Stahlbeton ist ein Verbundwerkstoff und lässt sich in seinem Verformungsverhalten nicht sinnvoll in einem Spannungs- DehnungsDiagramm darstellen, da es abhängig ist von der Beanspruchungsart und der betrachteten Richtung (→ Anisotropie). Zudem weist Stahlbeton – über den Querschnitt verteilt – stark divergierende Materialeigenschaften auf. Für eine grobe Orientierung wird ein Kraft- Dehnungsdiagramm herangezogen ( 8). Als Kraft wird hier diejenige Kraft erfasst, die auf den Gesamtquerschnitt wirkt. Die Dehnung ist über die gesamte Stablänge gemittelt. In Wirklichkeit ist die Dehnung in den Rissen größer als in rissfreien Bereichen. Beton schützt durch die Überdeckung der Stahleinlagen diese vor direkter Brandeinwirkung ( ☞). Den Flammen ausgesetzte Bewehrungsstähle würden in kürzester Zeit versagen. Zusätzlich kühlt der Beton den Stahl dank seiner großen Wärmespeicherkapazität und seiner großen Masse. Seine vergleichsweise niedrige Wärmeleitfähigkeit (l = 2,1 W/mK ) verhindert das schnelle Ausbreiten der Brandwärme im Bauteil. Insgesamt kann der Verbundwerkstoff Stahlbeton als in brandschutztechnischer Hinsicht idealer Werkstoff bezeichnet werden. Die statisch erforderlichen Dimensionen führen bei Stahlbetonbauteilen in den meisten Fällen bereits zu Feuerbeständigkeit (F 90).

4.

Der Beton erfüllt mit der kompletten Überdeckung der Stahleinlagen eine wichtige Korrosionsschutzfunktion für die eingebetteten Stähle. Das sich im Betonkörper infolge der eingeschlossenen

5.

Brandschutz

☞ Näheres in Kap. V-5, Abschn. 10.2 Bauteile aus Stahlbeton, S. 590 ff

Dauerhaftigkeit

196

III Stoffe

☞ Kap. III-1 Materie, Abschn. 9.1.2 Künstliches Gestein > hydraulische Bindemittel, S. 100 sowie Kap. V-6, Abschn. 3.1 Carbonatisierung, S. 632

6.

Konstruktive Folgerungen zum Stahlbeton

Restfeuchte (Anmachwasser) einstellende alkalische Milieu ( ☞) erzeugt auf der Stahloberfläche eine Passivschicht, die zum Stillstand des Korrosionsprozesses führt. Insbesondere die Carbonatisierung des Betons infolge Umwelteinflüssen führt zu einer Neutralisierung des alkalischen Milieus und damit zu einer Aufhebung der Schutzwirkung. Als Folge davon setzt eine Korrosion der Stahleinlagen mit gefährlichen Folgen für die Konstruktion ein. Voraussetzung für einen wirksamen Schutz der Bewehrung ist die komplette und kontinuierliche Überdeckung des Stahls durch den Beton in ausreichender Stärke (früher 25 mm, heute 30 bis 40 mm). Die Beschädigung dieser Umhüllung kann zu ernsthaften Schäden an der Bewehrung führen. Bereits hinsichtlich der Anordnung oder Verlegung der Bewehrung im Bauteilkörper ergeben sich für den Verbundwerkstoff Stahlbeton aus konstruktiver Sicht einige wichtige Gesichtspunkte: • Stahleinlagen werden dort angeordnet, wo die größten Zugbeanspruchungen zu erwarten sind, und entlang dieser ausgerichtet. Bei hohen Lastkonzentrationen kann es zu großen Bewehrungsdichten kommen, so dass ggf. Stäbe auch in mehr als einer Lage zu verlegen sind ( 9). Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass genügend Raum zwischen den Stählen verbleibt, damit der Frischbeton sich verteilen und diese vollständig umhüllen kann. Ansonsten ist weder eine ausreichende Verbundwirkung noch ein wirksamer Korrosionsschutz gewährleistet. • Grundsätzlich muss innerhalb von Bewehrungskörben noch ausreichend Platz für eine gute Betonverdichtung vorhanden sein. Dies bedeutet baupraktisch, dass genügend Raum für eine Rüttelflasche verbleiben muss ( 10).

☞ Analogie zwischen orthogonalen Druck-/Zugspannungen und diagonalen Schubspannungen (bzw. umgekehrte Ausrichtungen) in Kap. V-2, Abschn. 2.6 Spannungen, S. 378

• Wenngleich die Kraftflüsse im Bauteil in den seltensten Fällen streng geradlinig sind (vgl. Verlauf der Hauptspannungstrajektorien auf  8), werden die Stahlstäbe aus Rationalisierungsgründen dennoch bevorzugt in geraden Abschnitten – ggf. schräg abgekantet –, wenn möglich sogar in orthogonalem Raster verlegt. Schräg zur Bauteilachse verlaufende Spannungen – wie beispielsweise Schubspannungen infolge Querkräften – werden mittels orthogonal kreuzweise verlaufenden Stäben aufgenommen – Beispiel: Haupt- und Bügelbewehrung in einem Biegebalken.

☞ Kap. III-6, Abschn. 4. Klassifikation der Stähle > Betonstahl, S. 177

• Ebenfalls aus Rationalisierungsgründen werden ebene flächige Bauteile mit Hilfe von vorgefertigten Bewehrungsmatten armiert ( ☞) ( 11).

9 Bewehrter Querschnitt mit doppelter Bewehrungslage: schwierige Verdichtung des Frischbetons im Bereich der Zugbewehrung unten.

Andere Grundsätze der Betonbewehrung wurden bereits im Abschnitt 2. Mechanische Eigenschaften angesprochen. Ein fundamentaler Vorzug dieses Verbundwerkstoffs ist, dass – anders als bei allen anderen verfügbaren Werkstoffen – ein echtes

7. Bewehrter Beton

integrales Bauprinzip auf Bauwerksebene verwirklicht werden kann (☞), bei dem Fugen und Anschlüsse vollständig umgangen werden können. Dabei lassen sich im Bauteilquerschnitt – im Gegensatz zu anderen Bauweisen nach dem Integralprinzip – gleichzeitig Zug- und Druckbeanspruchungen aufnehmen. Ferner ist Stahlbeton der einzige Werkstoff mit zähfesten Eigenschaften – die ihm der Stahl verleiht –, der sich zu fugenlosen flächigen Bauteilen verarbeiten läßt ( 12). Während Flächen mit anderen Werkstoffen durch mühsames Fügen von Band-, Stab- oder Bausteinmaterial zusammengesetzt werden müssen (☞), lassen sich diese in Stahlbeton durch einfachen Verguss erzeugen.

197

☞ Kap. II-1, Abschn. 2.3 Gliederung nach konstruktiven Gesichtspunkten, 2.3.2 aus dem Bauprinzip, S. 27

☞ Band 2, Kap. VI Herstellung von Flächen

10 Verdichten des Frischbetons mit Innenrüttler. 11 Bewehrungsmatten

12 Betonschale (Arch.: Felix Candela).

198

7.

III Stoffe

Neue Entwicklungstendenzen im Betonbau

In den letzten 15 Jahren haben sich im Betonbau grundlegende Änderungen vollzogen, die einer technischen Revolution nahekommen. Wesentliche Ziele dieses technologischen Wandels waren • die Ausweitung der Einsatzmöglichkeiten von Beton, • die Reduzierung bzw. Vereinfachung arbeitsintensiver Herstellungsphasen (vor allem das Schalen und Bewehren), • das systematische Vermeiden von Fehlern bei der Ausführung • die Erhöhung der Dauerhaftigkeit von Betonen. Als Beispiele für diese Entwicklung werden in den folgenden Abschnitten Hochleistungsbetone, Faserbetone und selbstverdichtende Betone behandelt. Dies sind die wichtigsten materialspezifischen Neuerungen im Betonbau. Weitere neue Entwicklungen, wie • die Herstellung von Halbfertigteilen mittels der Verbindung von CAD/CAM-Anwendungen, die wichtige Fortschritte bei der Herstellung komplexer Formen in Beton ermöglichte und eng mit neuen Schalungstechniken verbunden ist • die neuen Stahl-Beton- und Holz-Beton-Verbundtechniken, • neue Vorspannungstechniken oder, • neue Oberflächengestaltungsmöglichkeiten werden in anderen Kapiteln angesprochen.

7.1

Hochleistungsbeton (HLB)

7.1.1 Allgemeines

Hochleistungsbetone sind das Ergebnis der Weiterentwicklung von traditionellem Normalbeton. Die wichtigste Festbetoneigenschaft, nämlich die Druckfestigkeit, wird auch zur Klassifizierung dieser Betonsorten verwendet. Das Ziel der Entwicklung von HLB war zunächst, die Druckfestigkeit über das in den 70er Jahren erreichbare Maß von 60 bis 130 N/mm2 hinaus zu steigern. Diese neuen Betone wurden zunächst als hochfeste Betone bezeichnet. Heute findet in erster Linie der Begriff Hochleistungsbeton Verwendung. Die maximale Druckfestigkeit in einem spröden Mehrkomponentenwerkstoff wie dem HLB wird durch die schwächste Einzelkomponente bestimmt. Diese ist bei Normalbeton die Kontaktzone zwischen Zuschlag und Matrix. Hier sammeln sich vermehrt poröse Hydratationsprodukte, größere Poren und teilweise freies Wasser an. Einen wesentlichen Einfluss auf das Verhalten solcher Störzonen hat der Wasserzementwert w/z. Um unerwünschtes Überschusswasser zu begrenzen, muss dieser auf einem vertretbaren Maß gehalten werden. Dabei steht die durch eine Rücknahme des w/z-

7. Bewehrter Beton

199

Wertes hervorgerufene Gefügeverbesserung den Anforderungen an die Verarbeitbarkeit entgegen, d. h. der Beton wird spröde. Hochleistungsbeton in seiner heutigen praxisgerechten Konsistenz und Verarbeitbarkeitsdauer wurde erst durch den Einsatz von modernen hochreaktiven Fließmitteln ermöglicht. Durch die Verwendung von Fließmitteln wird die Viskosität des Zementleims abgemindert. Dies führt zu einer deutlichen Konsistenzverbesserung des Frischbetons, bei einer Senkung des w/z-Wertes unter 0,4 bei gleichzeitig guter Verarbeitbarkeit der HLB. Die gewünschte und notwendige Zusammensetzung des HLB kann unter der Verwendung von entsprechenden Zusatzmitteln und Zusatzstoffen und unter Berücksichtigung des Bindemittelgehalts gezielt gesteuert werden. Der auf den Bindemittelwert bezogene Wassergehalt beeinflusst ganz wesentlich die Druckfestigkeit des abgebundenen und ausgehärteten Betons, der bei HLB bis auf 130 N/mm2 gesteigert werden kann. Neue ultrahochfeste Betone, sog. UHPC ( 13), erreichen Festigkeiten von über 200 N/mm2. Puzzolanische Zusatzstoffe ergänzen das Kornband in der Matrix. Die Stärkung der eigentlichen Matrix erfolgt einerseits durch die Füllwirkung in den Zwischenräumen zwischen den Zementpartikeln und andererseits durch die puzzolanische Reaktion unter Bildung von zusätzlichen Hydratphasen. Die Zusatzstoffe Steinkohleflugasche (sfa) oder Silikastaub (sf= Silica Fume) haben ebenfalls hydraulische Eigenschaften, die Druckfestigkeit wird deshalb nicht ausschließlich durch das Verhältnis zwischen Zugabewasser (w) und Zement (z) (w/z) bestimmt, sondern das Verhältnis zwischen Wasser (w) und Bindemittel (b) (w/b) hat beim HLB eine entscheidende Bedeutung. Deshalb spricht man im Unterschied zum klassischen Beton beim Hochleistungsbeton von einem 5-Stoff-System mit folgenden Hauptbestandteilen: • Zuschlag: Zuschlagsgemische mit kleinerem Größtkorndurchmesser führen neben der besseren Verarbeitbarkeit auch zu einer Festigkeitssteigerung. Mit zunehmender Betondruckfestigkeit erhöhen sich auch die Anforderungen an die verwendeten Zuschläge. Für Betonfestigkeiten über 100 N/mm sind gebrochene Zuschläge wie Basalt–, Gabbro– oder Granitsplitt erforderlich. In Deutschland wurden bisher für die Herstellung von Hochleistungsbetonen der Festigkeitsklassen C 90/105 und C 100/115 zumeist Basaltsplitte verwendet. • Wasser: Im Unterschied zum Normalbeton erfolgt die Einstellung der HLB zur Verarbeitung durch die Zugabe verflüssigender Zusatzmittel. Die Analyse der im Beton vorhandenen Wassermenge ist hier besonders wichtig. • Zement: Aufgrund der guten Eigenschaften (Verarbeitung u.

7.1.2 Bestandteile von HLB

13 Materialmuster - Ultrahochfester Feinbeton (UHPC) mit 6 mm langen Stahlfasern (Anteil 2 Vol.-%).

14 Materialmuster - Ultrahochfester FaserFeinkornbeton (UHFB) mit 6 mm langen Stahlfasern (Anteil 2 Vol.-%) und einem WasserBindemittelwert (w/b) von 0,15

200

III Stoffe

Festigkeitsentwicklung) haben sich vor allem Portlandzemente der Festigkeitsklassen CEM I 42,5 R und CEM I 52,5 R – bei Endfestigkeiten über 105 N/mm2 – durchgesetzt. • Zusatzstoffe: Als Zusatzstoffe für Hochleistungsbetone kommen bisher Silikastaub, sowohl als Feststoff wie auch als Suspension, Steinkohleflugasche und Metakaolin zum Einsatz. In einigen Fällen werden Quarz- oder Kalksteinmehl verwendet, um die Dichtheit des Betons bzw. die Kornzusammensetzung zu verbessern. • Zusatzmittel: Die Herstellung von praxisgerechten Hochleistungsbetonen wurde erst durch die Entwicklung von hochreaktiven, betonverflüssigenden Zusatzmitteln ermöglicht. Ohne Verwendung von Fließmitteln hat Hochleistungsbeton aufgrund der geringen Wasserzement– bzw. Wasserbindemittelwerte nur eine erdfeuchte Konsistenz. 7.2

Faserbetone

7.2.1 Allgemeines

Die Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten von Faserbetonwerkstoffen sind nicht neu. Noch heute sind diese Materialien insbesondere bei Architekten weitgehend unbekannt. Es müssen hier folgende Unterscheidungen getroffen werden: • Glasfasermodifizierter Beton • Glasfaserbeton • Textilbewehrter Beton • Stahlfaserbeton bzw. stahlfaserverstärkter Beton • Kunststofffasermodifizierter Beton

7.2.2 Glasfasermodifizierter Beton (FMB)

 AR–Glasfasern gemäß DIN 1259–1 mit bauaufsichtlicher Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik

Glasfasermodifizierter Beton ist Beton nach DIN 1045, dem textile AR (Alkaliresistente GF ) - Glasfasern in Form von Kurzfasern als Betonzusatzstoff zugegeben werden. Die Glasfasern haben keine planmäßige statische Funktion bzw. Wirksamkeit, sondern dienen im Wesentlichen der Verbesserung der Gefügeeigenschaften des Betons. Glasfaserbeton weist einen AR-Glasfaseranteil von etwa 2,5 - 5,0 Vol.-% auf. Mit wesentlich geringeren Zugabemengen lassen sich die Eigenschaften von Normalbeton beeinflussen. Bereits ab rd. 0,04 Vol.-% erhöhen AR-Glasfasern die Gebrauchstauglichkeit des Betons. Zur Unterscheidung von klassischem Glasfaserbeton spricht man in diesem Fall von glasfasermodifiziertem Beton (FMB). Im FMB wirken die Fasern als Mikrobewehrung. Sie nehmen in unmittelbarer Umgebung eines sich bildenden (Mikro-) Risses die Zugkräfte auf und verhindern so die Vergrößerung des Risses. Im Unterschied zu GFB stellen die Glasfasern jedoch keine statisch wirksame (anrechenbare) Bewehrung des Betons dar. Die Glasfasern sind vielmehr als Betonzusatzstoff zu betrachten. Es werden Fasern mit Längen von 6 bis 25 mm eingesetzt.

7. Bewehrter Beton

Glasfaserbeton weist einen AR (Alkali–Resistant)-Glasfaseranteil von etwa 2,5 bis 5,0 Vol.-% auf. GFB stellt keine neue Entwicklung dar, sondern wird schon seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Die Herstellung von Formteilen – vergleichbar dem früheren Asbestzement – für den Fassadenbau oder von (verlorenen) Schalungselementen sind zeitgenössische Anwendungen von GFB. Schalenbauten in Glasfaserbeton wurden bereits ausgeführt. Glasfaserbeton ist ein Verbundwerkstoff, bei dem die Glasfasern die Funktion einer Bewehrung übernehmen. Die Besonderheit gegenüber anderen Faserbetonen besteht darin, dass die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffes diejenige der reinen faserlosen Betonmatrix übersteigt. Die Glasfasern stellen somit eine statisch wirksame und auch anrechenbare Bewehrung dar. Die spezifischen Vorteile des Verbundwerkstoffes GFB kommen bei dünnwandigen und dadurch leichten Bauteilen zum Tragen. Da es keine metallische Bewehrung gibt, bedarf es auch keiner Mindestbetondeckung, so dass sich sehr filigrane Formen realisieren lassen. Beispiele hierfür sind:

201

7.2.3 Glasfaserbeton (GFB)

15 Kurze Glasfasern als Zuschlag für FMB.

• Fassadenbau: ebene räumlich gestaltete Fassadenelemente • Mauerwerksbau: Hohlstürze, Fensterbänke und -laibungen, wärmegedämmte Mauerfußelemente • Industrie– und Ingenieurbau: Bedachungsplatten, Brandschutzplatten, Lärmschutz, integrierte Schalung, Verkleidungen, Wasserbauelemente Erst die Entwicklung von AR–Glasfasern, die durch einen Anteil von 15 bis 20% von Zirkoniumdioxid resistent gegenüber alkalischem Angriff sind, wie auch Fasern mit einer alkalischen Beschichtung, der sog. Schlichte, haben in den letzten 20 Jahren zu einer stetig wachsenden Verbreitung von Glasfasern in dünnen Betonbauteilen geführt. Neben der Entwicklung der Fasern wurde auch die Zementmatrix modifiziert, insbesondere mit dem Ziel die chemische Verträglichkeit mit Glasfasern zu verbessern. Heute werden AR–Glasfasern auch im konstruktiven Bereich als tragende Bewehrung dauerhaft eingesetzt. Dies Bedarf aber einer gesonderten Zulassung oder einer Zustimmung im Einzelfall. Textilbewehrter Beton ist ein neuer, erfolgversprechender Verbundwerkstoff, dessen Materialkennwerte und Langzeitverhalten noch nicht vollständig erforscht sind. Die Entwicklung des Textilbetons baut auf den Grundlagen des Glasfaserbetons mit Kurzfasern auf. Durch die gezielte Anordnung der Fasern in Richtung der Zugspannungen, ähnlich dem Stahlbeton, soll der Wirkungsgrad der eingelegten Fasern deutlich gesteigert werden. Zur Herstellung der Textilbewehrung wird heute vor allem Glas-

16 Schale aus Glasfaserbeton für die Bundesgartenschau 1977 in Stuttgart. Die Schale wurde aus 8 großformatigen Fertigteilen vorgefertigt und hatte eine Wandstärke von 10-12 mm.

17 Betonprobe mit alkaliresistenten Glasfasern.

7.2.4 Textilbewehrter Beton

202

III Stoffe

faser eingesetzt – auch hier alkaliresistentes AR-Glas. Andere Fasermaterialien (Carbon oder Aramid) spielen aufgrund der hohen Materialkosten keine wesentliche Rolle. Der textilbewehrte oder besser oberflächenbewehrte Beton ist zwischen dem Glasfaserbeton (GFB) und dem glasfasermodifizierten Beton (FMB) einzuordnen. Beim textilbewehrten Beton werden meist Gelege oder Gewebe oberflächennah in Normalbeton eingearbeitet. Durch die Konzentration und die genaue Positionierung der Glasfasertextilien in den zugbeanspruchten Bereichen wird eine sehr wirkungsvolle Bewehrung des Betons erreicht. Die Anwendungsmöglichkeiten textilbewehrter Betone, insbesondere die Anrechenbarkeit textiler Bewehrungen auf die statische Tragfähigkeit von Betonbauteilen sind derzeit Gegenstand eines umfangreichen Sonderforschungsprogramms, das an verschiedenen Hochschulen in Deutschland bearbeitet wird. Erfahrungen liegen derzeit nur in Einzelfällen vor, z. B. als Montagebewehrung für einachsig gespannte Fertigdeckenplatten oder als konstruktive Bewehrung für Bodenplatten. Textilbewehrter Beton besitzt zwei grundsätzliche Einsatzpotenziale. Einerseits kann er als Alternative zu herkömmlichen Baustoffen eingesetzt werden. Andererseits wird er aber sicherlich aufgrund seiner günstigen Eigenschaften völlig neue Anwendungsbereiche erschließen. Insbesondere die Anwendung bei der Bewehrung komplexer Strukturen dürfte die Integration von Zuggliedern wesentlich vereinfachen. 7.2.5 Stahlfaserbeton (SFB)

• Aktuelle Anwendungen von Stahlfaserbetonen, ca.-Angaben

Stahlfaserbeton wird meist dort verwendet, wo eine konstruktive Stahlbewehrung substituiert werden soll, beispielsweise bei Industrieböden oder Kellersohlen. Aber auch andere Bauteile, z. B. Kellerwände oder Tunnelauskleidungen, werden heute aus Stahlfaserbeton hergestellt. Sie verbessern gegenüber dem herkömmlichen Stahlbeton vor allem das Trag- und Arbeitsverhalten des erhärteten Betons. Die Entwicklung des Stahlfaserbetons verlief nicht kontinuierlich. Dies hatte unterschiedliche Gründe. Eine Ursache liegt in der falschen Annahme, die Stahlfasern könnten konventionelle Bewehrung gänzlich ersetzen. Weiterhin bereitete die stochastische Orientierung im Beton erhebliche Schwierigkeiten, rechnerisch die Tragfähigkeit des Materials zu erfassen, so dass die Entwicklung schlüssiger Bemessungskonzepte erst spät gelang. • Industriebau: Boden u. Fundamentplatten 70% • Wohnungsbau: Fundamente, Kellerwände, Estrich 17% • Tiefbau: Tunnelschalungen, Tübbings 10% • Sicherheitsbauten: Tresore 3% • Hochbau: Fertigteile 1% Wesentlich ist die Verbesserung der Tragstruktur durch die kombinierte Anwendung von Stahlfaserbeton und herkömmlicher Betonstahlbewehrung.

7. Bewehrter Beton

203

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Sanierung von Betonflächen, die mit umweltgefährdenden Stoffen und Flüssigkeiten in Berührung gekommen sind. Hierbei wird auf die zu sanierenden Beton-Flächen eine dünne Deckschicht aus einem sehr zähen, zugfesten und undurchlässigen Mörtel aufgebracht. Weiteres Einsatzgebiet ist der neue Unterbau von Hochgeschwindigkeitszügen als sog. feste Fahrbahn. Hier werden Stahlfasern zur Unterstützung der Rissbreitenbeschränkung eingesetzt. Neuere Überlegungen zum Einsatz von SFB in Stahlbetonfertigteilen, WU-Beton oder im Unterwassereinsatz liegen vor.

18 Zugabe von Stahlfasern beim Betoniervorgang 19 Stahlfaserbetone - Probewürfel

Das Korrosionsverhalten von SFB ist oft Gegenstand kontroverser Auseinandersetzungen. Die Korrosion der Stahlfasern ist kritisch für die Dauerhaftigkeit des Bauteils. Der Risszustand des Bauteils muss dabei beachtet werden. Bei ungerissenem Zustand kann davon ausgegangen werden, dass die Stahlfasern durch das alkalische Milieu ausreichend geschützt sind. Langzeitversuche zeigten keine Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit, Korrosion wurde nur an oberflächennahen Fasern beobachtet. Aufgrund der geringen Faserabmessungen ist der durch das Korrosionsprodukt entstehende Sprengdruck zu gering, um schädigende Abplatzungen zu verursachen. Im gerissenen Zustand sind die Fasern im Rissbereich nicht vor schädigenden Einflüssen geschützt. Der von den Rissflanken fortschreitende Prozess der Carbonatisierung spielt für die Korrosion allerdings eine untergeordnete Rolle. Entscheidend ist das Feuchteangebot im Riss, das von Parametern wie z. B. der Rissbreite und der Lage des Bauteils abhängt. Der Feuchtegehalt der Luft reicht nicht aus, um eine nennenswerte Korrosion zu fördern, bei ausreichendem Wasserangebot können Korrosionserscheinungen aber nicht ausgeschlossen werden. Die Ermittlung einer kritischen Rissbreite ist schwierig, weil abhängig von einer großen Anzahl von Parametern. Sofern Fasern ein Anteil am Lastabtrag zugerechnet wird, muss Korrosion ausgeschlossen sein. Dies gelingt am wirkungsvollsten durch eine Schutzbeschichtung oder durch Versiegelung aufgetretener Risse. Verzinkte Fasern bieten nur einen vorübergehenden Schutz mit verzögertem Beginn der Korrosion.

• Korrosionsverhalten von SFB

204

III Stoffe

7.2.6 Kunststofffasermodifizierter Beton/ Faserbeton mit synthetischen organischen Fasern

• Anwendung von Kunststofffaserbetonen

Zur Verbesserung der Betonstruktur können in die Matrix neben Glasfasern oder Stahlfasern auch synthetische organische Fasern eingegeben werden, d. h. Kunststofffasern. Kunststofffasern werden vor allem dann im Beton eingesetzt, wenn die Bildung von Schwindrissen möglichst weitgehend unterbunden werden soll, also zur Aufnahme von lokalen Zugkräften. Außerdem kann eine Anwendung sinnvoll sein, wenn eine erhöhte Schlagfestigkeit und bessere Grünstandfestigkeit im Vergleich zu unbewehrtem Beton gefordert wird. Kunststofffasern müssen im Beton alkalibeständig sein, sie bestehen aus: Polypropylen, Polyacrylnitril, Polyvinylalkohol oder Aramit. Polyester und Polyamidfasern sind nur bedingt alkalibeständig und werden deshalb nur beschränkt verwendet. Am Häufigsten werden Polypropylen, Polyacrilnitril, Polyvinylalkohol eingesetzt, die beiden zuletzt genannten werden mit anderen Fasern zusammen in der Industrie für die Herstellung von Asbestersatzprodukten verwendet. Wie bei jedem Faserbeton muss die Zusammensetzung den gewünschten Eigenschaften angepasst werden. Aus baupraktischen Gründen werden Kunststofffasern in Mengen von 0,1 bis max. 2,0 Vol.-% zugegeben. Höherer Fasergehalte können bei den heutigen Mischmethoden eventuell zu schlechteren Eigenschaften des Festbetons bzw. des Frischbetons führen. Durch den Fasergehalt wird die Konsistenz bzw. bei höheren Fasergehalten auch das Ansteifverhalten gegenüber der faserfreien Matrix verändert. Mit Hilfe des Ausbreitversuchs kann die Homogenität bzw. das Zusammenhaltevermögen des Faserbetons beurteilt werden. • Fassadenelemente • Sandwich-Fassaden • verlorene Schalungen • Abflussrinnen • Auffangräume für wassergefährdende Flüssigkeiten • Brückenkappen • Betonersatzsysteme • Sanierungssysteme • Boden- und Fundamentplatten • Estriche

7. Bewehrter Beton

Selbstverdichtender Beton (SVB) ist ein Normalbeton, der ohne Einwirkung zusätzlicher Verdichtungsenergie allein unter dem Einfluss der Schwerkraft fließt, entlüftet sowie die Bewehrungszwischenräume und die Schalung vollständig ausfüllt. (Definition von SVB gemäß den DAfStb-Richtlinien).

205

7.3

Selbstverdichtender Beton (SVB)



Der wesentliche Unterschied zum Normalbeton besteht in der selbstständigen Ausfüllung der Schalung ohne zusätzliche Verdichtungsmaßnahmen oder vergleichbaren Manipulationen bei zeitgleicher Entlüftung des Betons. • Die Grenzen der Betonierbarkeit werden immer häufiger erreicht Beispiele hierfür:

• Warum besteht eine Notwendigkeit des Einsatzes selbstverdichtender Betone?

•• Hohe lokale Bewehrungsdichte mit bis zu 800 kg/m3 Stahlanteil •• Ausbildung von hochbewehrten Stützen mit der vollen Ausnutzung des Längsbewehrungsgrades • Heute oftmals menschliches Versagen bei der Ausführung von Betonarbeiten auf den Baustellen Beispiele hierfür: •• Falsche Dosierungen und mangelhafte Verdichtung. Folgeerscheinungen: Kiesnester, verstärkte Lunkerbildung, im Extremfall notwendiger Rückbau bereits betonierter Teile • Vollständige Füllung der Schalung • Gleichbleibende Homogenität im Kern- und Überdeckungsbereich von Betonbauteilen

• Wünsche aus der Sicht des Bauausführenden zur Verbesserung der Qualität führten zur Entwicklung von SVB

• Einfache und sichere Betonierbarkeit von filigranen Elementen und von Bauteilen mit hohem Bewehrungsanteil • Poren- und lunkerarme Betonoberfläche • Hohe Sichtbetonqualität • Gutmütigeres Verhalten gegenüber Betonierfehlern als Normalbeton • Einfacherer Betonierablauf • Vergleichbare Leistungsfähigkeit des Betons, insbesondere bzgl. des Verformungsverhaltens unter Dauerlast

20 Hoher Bewehrungsanteil lässt kaum Verdichtung mit dem Rüttler zu.

206

III Stoffe

7.3.1 Allgemeines

Selbstverdichtender Beton (SVB) hat in den letzten Jahren aufgrund seiner innovativen Eigenschaften weltweit an Bedeutung gewonnen. SVB ist in der Lage, ohne Verdichtungsenergie bis zum vollständigen Niveauausgleich entmischungsfrei zu fließen und selbst bei Bauteilen mit anspruchsvoller Geometrie jeden Hohlraum selbstständig auszufüllen und dabei zu entlüften. Ein großer Vorteil des SVB liegt in seiner Anwendungsmöglichkeit als Sichtbeton: Die detailgetreue Wiedergabe von Oberflächenstrukturen und die Möglichkeit der Verbesserung von Sichtbetonoberflächenqualitäten sind ein wesentliches Kennzeichen der Entwicklung zum selbstverdichtenden Beton. Der SVB wurde durch neue Mischungszusammensetzungen des Betons ermöglicht, die sich in ihrer Zusammensetzung vom Normalbeton wesentlich unterscheiden.

7.3.2 Zusammensetzung

Die ersten grundlegenden Anstöße zum SVB kamen aus Japan, einem Land, das in der Entwicklung des modernen Bauens für seine qualitativ hochwertigen Sichtbetonbauten immer beispielgebend war. Das erste japanische Konzept für einen SVB stammt von H. Okamura und K. Ozawa und wurde bereits in den 80er Jahren entwickelt. Mit diesem Konzept lässt sich ein SVB durch aufeinander aufbauende Leimmörtel- und Betonversuche zielsicher entwerfen. Das Konzept basiert auf der Annahme, dass mit einem fließfähigen Mörtel eine ausreichende Viskosität lediglich durch Zugabe von Grobzuschlag und Abstimmung der Fließmitteldosierung ein selbstverdichtender Beton herstellbar ist. Dabei müssen 2 Faktoren beherrscht werden: Die Neigung zur Entmischung beim SVB und die Gefahr des Absinkens von Zuschlägen. Als Gegenmaßnahme muss die Kohäsion der Mischung zur Verhinderung des Absinkens der Zuschläge erhöht werden, ohne die Selbstentlüftungsfähigkeit (Aufsteigen von Luftbläschen) des SVB zu stark zu stören. Die Lösung dieses Problems wurde zum einen in der Erhöhung des Mehlkornanteils in der SVB-Mischung erreicht, zum anderen in der Zugabe hochwirksamer Fließmittel.

7.3.3 Anforderungen an die Verarbeitbarkeit

Selbstverdichtender Beton wird in seinen Eigenschaften bei der Herstellung sehr genau eingestellt und reagiert deshalb bei der Herstellung äußerst sensibel auf Änderungen in der Mischungszusammensetzung oder auf Schwankungen der Eigenschaften der Ausgangsstoffe. Kleine Abweichungen, wie z. B. in der Fließmitteldosierung oder Ungenauigkeiten bei der Bestimmung des Feuchtegehalts von Zuschlagstoffen, können dazu führen, dass die erforderlichen Frischbetoneigenschaften nicht erreicht werden. Ausgangsstoffe und Dosierungen unterliegen deshalb einer sehr genauen Überwachung. Die Eigenschaften von SVB als Frischbeton sind bei der Herstellung und beim Einbau mit Hilfe geeigneter Prüfverfahren genau zu kontrollieren. Die Zeitspanne, in welcher der SVB seine ideale Verarbeitbarkeit beibehält, ist begrenzt; bei Transportbeton liegt bei max. 120 min.

7. Bewehrter Beton

207

Die wichtigste Eigenschaft des SVB ist seine extreme Fließfähigkeit. In der Literatur wird die Fließfähigkeit (flowability) von SVB als die Fähigkeit definiert, sich lediglich unter der Wirkung der Schwerkraft horizontal auszubreiten – ein häufig gebrauchter Vergleich ist das Fließen von Honig, d. h. der Beton fließt in honigartiger Konsistenz in die Schalung. Als das Maß seiner Fließfähigkeit wird der Durchmesser des Ausbreitkuchens bei der entsprechenden Prüfung oder eine vergleichbare rechnerische Prüfung angesetzt. Die Fließfähigkeit ist umso größer, je niedriger die Fließgrenze T0 ist.

7.3.4 Fließfähigkeit

Als zweites Kriterium zur Beurteilung von SVB dient die Viskosität des Betons. Die Viskosität wird durch die innere Reibung einer Substanz bei einer aufgebrachten Belastung definiert. Je kleiner die Viskosität ist, umso schneller fließt der Beton.

7.3.5 Viskosität

Unter der Gefügestabilität von SVB versteht man den Widerstand gegen Entmischen, sowohl während des Fließvorgangs als auch nach dem Erreichen der endgültigen Lage im Bauteil. Der kritische Wert der Fließgrenze darf nicht unterschritten werden, sonst kann die Wasser-Mehlkorn-Suspension die grobe Gesteinskörnung nicht mehr in der Schwebe halten, was zum Absetzen der groben Zuschläge und Bluten des Betons führt.

7.3.6 Gefügestabilität

Für gleichmäßige Ausbreitung des frischen SVB in einer Schalung mit Bewehrung ist neben der Fließfähigkeit und Viskosität auch von Bedeutung, dass sich beim Erreichen der Bewehrung kein Stau der groben Zuschläge ergibt. Dies wird als Blockieren (Blocking) bezeichnet. Das Blockieren muss durch die Begrenzung des Grobzuschlags bzw. der Verwendung eines ausreichenden Leimvolumens verhindert werden.

7.3.7 Blockierneigung

Wie oben bereits beschrieben, spielt die Fähigkeit des SVB, sich selbst zu entlüften, für den Betoniervorgang eine entscheidende Rolle. Der SVB muss die beim Mischen und Einbringen in die Schalung mitgeführte Luft bis zu einem gewissen Maß wieder abgeben können. Der Auftrieb der Luftporen/-bläschen wird ebenfalls von der Fließgrenze und der plastischen Viskosität des Werkstoffes bestimmt. Der Selbstentlüftungsgrad nimmt mit zunehmender Tiefe ab.

7.3.8 Selbstentlüftungsfähigkeit

• Luftanteil von SVB vor dem Betonieren: 4-6 % • Luftanteil von SVB nach dem Betonieren und Entlüften: ca. 2,5 %

21 Prüfung der Selbstfließfähigkeit von SVB.

208

III Stoffe

7.3.9 Selbstnivellierungsfähigkeit

Unter der Selbstnivellierungsfähigkeit von SVB versteht man die Ausbildung eines gleichen Oberflächenniveaus nach dem Einbringen in die Schalung und vollendetem Fließvorgang. Je besser die Fließfähigkeit von SVB, um so besser auch die Fähigkeit zur Selbstnivellierung. Der Einsatz von selbstverdichtenden Betonen zwingt den Verarbeiter zu ständiger Qualitätskontrolle und Prüfung, und zwar von der Rezeptur bis zum Einbringen und Abbinden in der Schalung. Schon leichte Qualitätsschwankungen werden vom Beton nicht verziehen. Es können nahezu lunkerfreie Bauteile hergestellt werden, die in ihrer Geschlossenheit und Farbgleichmäßigkeit den höchsten Anforderungen der Planer genügen. Fehlerstrecken im Beton können weitgehend minimiert, aber nicht völlig ausgeschlossen werden – keine absolute Porenfreiheit. Es sind in der Praxis klare Qualitätsvereinbarungen notwendig, um die angestrebte Sichtbetonqualität festlegen zu können. Dies geschieht in der Regel mittels Musterflächen.

7.3.10 Sichtbetoneignung

Der SVB wird nicht verdichtet: Damit entfallen durch den Verdichtungsprozess entstehende ungleichmäßige Verdichtungsgrade als Ursache für Farbunterschiede von Sichtbetonoberflächen. Selbstverdichtender Beton ist ein genaues Abziehbild der Schalung, d. h. Unzulänglichkeiten im Schalungsbau müssen vermieden werden. Die Ausbildung von scharfkantigen Abdrücken der Schalhautoberfläche ist mit SVB möglich. Selbst gekrümmte Betonbauteile lassen sich vor Ort lunkerfrei und mit einer perfekten Oberflächenausbildung betonieren. Die adäquate Nachbehandlung ist für SVB, wie für alle Sichtbetonbauteile, von grundlegender Bedeutung. Ein wesentlicher Vorteil liegt in der höheren Frühfestigkeitsentwicklung von SVB gegenüber Normalbeton.

7.3.11 Fertigteilbau mit SVB

Aus den genannten Gründen eignet sich SVB auch besonders zur Herstellung von Stahlbetonfertigteilen. Darüberhinaus müssen arbeitstechnische Vorteile wie das grundsätzliche Entfallen des Verdichtens und das Entfallen der hohen Geräuschbelastung am Arbeitsplatz durch die Rüttler besonders erwähnt werden.

8.

Als Verbundwerkstoff vereinigt Stahlbeton in sich die wesentlichen Fähigkeiten und Vorzüge beider großer Werkstoffgruppen der spröden und der zähfesten Werkstoffe. Er weist die Dauerhaftigkeit, Witterungs- und Brandresistenz mineralischer Materialien sowie auch gleichzeitig die Zähigkeit und Biegefestigkeit zähfester Werkstoffe auf. Trotz des verhältnismäßig harmonischen Nebenund Miteinanders von Beton und Stahl, bzw. anderen Bewehrungsmaterialien, zeigt der Verbundwerkstoff dennoch ein komplexes Materialverhalten, dessen Effekte zwar weitgehend technisch kontrollierbar sind, dessen Ursachen jedoch noch nicht restlos geklärt sind. Die Arbeitsteilung weist in Hinsicht der Kraftleitung

Zusammenfassung

7. Bewehrter Beton

209

dem Beton die Aufnahme der Druck-, dem Stahl bzw. dem Faserwerkstoff die der Zugkräfte zu. Ferner kann die Stahlbewehrung auch wesentlich zur Druckfestigkeit des Betons selbst beitragen. Der Beton ist darüber hinaus für den Korrosions- und Brandschutz der Bewehrung verantwortlich. Stahlbeton ist der einzige Werkstoff, der die Herstellung monolithischer Konstruktionen im Maßstab eines kompletten Bauwerks sowie tragender, fugenloser, flächiger Bauteile erlaubt. Er ist darüberhinaus mit nur geringfügigen Einschränkungen frei formbar. Seine verhältnismäßig große Masse kann für bestimmte Einsatzzwecke von Nachteil sein, wie wenn sich z. B. bei hohen Gebäuden die Eigenlasten des Betontragwerks geschossweise aufsummieren. Sie kann sich aber auch durchaus günstig auswirken, wie etwa für Schallschutzzwecke oder im Sinne einer größtmöglichen thermischen Trägheit eines Gebäudes. Insgesamt kann Stahlbeton als der bedeutendste Werkstoff unseres Zeitalters gelten. Es gibt kaum ein zeitgenössisches Bauwerk, das nicht zumindest in erdberührten Bauteilen wie den Fundamenten auf Stahlbeton angewiesen wäre.

22, 23 Projekt Phaeno Science Center Wolfsburg, beispielhaftes Projekt für die Ausführung von komplex geformten Sichtbetonflächen mit SVB.

210

9.

III Stoffe

Kennwerte

Kennwerte können für den Verbundwerkstoff Stahlbeton nicht in gleicher Weise wie für die bislang behandelten Grundwerkstoffe angegeben werden. Grobe Annäherungen können dennoch einigen Werten der Werkstoffe Beton und Stahl entnommen werden. Neben den klassischen Werkstoffen für Primärtragwerke, die in den vorangegangenen Abschnitten behandelt wurden, sollen noch zusätzlich • Kunststoffe und • Glas in den folgenden zwei Kapiteln näher betrachtet werden. Wenngleich sie in letzter Zeit vereinzelt, eher mit experimentellem Charakter, auch im tragenden Einsatz in Primärtragwerken verwendet wurden, so liegt ihre bauliche Bedeutung doch vielmehr in der breiten Anwendung in nicht tragender Form, insbesondere für Gebäudehüllen.

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE

1. 2. 3. 4. 5.

Geschichtliche Entwicklungsstufen Materialstruktur Allgemeine Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Einige baurelevante Kunststoffe 5.1 Polyethylen (PE) 5.2 Polypropylen (PP) 5.3 Polyvinylchlorid (PVC) 5.4 Polystyrol (PS) 5.5 Polymethylmethacrylat (PMMA) 5.6 Polytetrafluorethylen (PTFE) 5.7 Polyamid (PA) 5.8 Polyurethan (PU) 5.9 Polycarbonat (PC) 5.10 Polyisobutylen (PIB) 5.11 Ungesätigte Polyesterharze (UP) 5.12 Silikon (SI) Anmerkungen

III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

212

III Stoffe

1.

Geschichtliche Entwicklungsstufen

Der Einsatz von Kunststoffen als chemisch weiterentwickelte Naturprodukte ist in Form von styrolhaltigen Pflanzenextrakten oder einer Art Kautschuk-Latex bereits seit den Ägyptern und Mayas bekannt. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts verfügte man bereits über ein umfangreiches Wissen im Umgang mit Kunststoffen. Eine wissenschaftliche Fundierung wurde jedoch erst durch Herrmann Staudinger um 1920 geschaffen.1 Die rasche Entwicklung der chemischen Industrie machte es möglich, den Kunststoff großtechnisch herzustellen.

2.

Materialstruktur

Die chemischen Ausgangsverbindungen organischer Stoffe sind im Kap. III-1, 9.3 Organische Stoffe beschrieben. Die Materialstruktur von Kunststoffen wurde in ihren Grundsätzen bereits im Abschnitt 9.3.2 Kunststoffe in jenem Kapitel angesprochen. Sie ist sehr stark vom Herstellungsverfahren abhängig. Neben den für das Bauwesen sekundären Kunststoffen, die durch Veredelung von Naturstoffen hergestellt werden, unterscheidet man drei Verfahren zur Herstellung synthetischer Kunststoffe.2 • Polymerisation ( 3): Die Monomere sind CH-Moleküle mit Doppelbindung wie beispielsweise Ethylen ( 8) oder Styrol ( 12). Im Polymerisationsvorgang wird die Doppelbindung aufgespalten, so dass an den freien Valenzen weitere Monomere angelagert werden können, so dass eine Molekülkette entsteht. Aus Ethylen entsteht Polyethylen ( 9), aus Styrol Polystyrol ( 13). Ferner werden auch andere für das Bauwesen wichtige Kunststoffe wie Polypropylen und Polyvinylchlorid nach diesem Verfahren hergestellt. Es handelt sich um Plastomere, auch Thermoplaste genannt, die bei höherer Temperatur ihre Festigkeit verlieren. Die Quervernetzung der polymerisierten Moleküle erfolgt einzig durch Kohäsionskräfte ( 1), nicht durch die Verkrallung von quer abstehenden Dornfortsätzen3 ( 2). Die Polymerisation läuft ähnlich wie eine Kettenreaktion ab, die von Starter- oder Katalysator-Substanzen in Gang gesetzt wird und durch eine Abbruchreaktion endet. Dieser Wachstumsprozess ist vergleichbar mit dem Kristallwachstum bei kristallinen Stoffen. • Polykondensation ( 4): Bei dieser Kondensationsreaktion verbinden sich zwei größere Moleküle unter Freisetzung von Wasser oder anderen niedrigmolekularen Substanzen. Damit die Reaktion gleichmäßig abläuft, muss dieses Wasser kontinuierlich entfernt werden. Es entstehen Ester oder Amide, die sich zu Molekülketten gruppieren. Die stark ausgeprägten Dornfortsätze (wie die Estergruppen, vgl.  15, 16) führen zu einer starken Quervernetzung der Molekülstränge und zu einer verhältnismäßig großen Festigkeit.4 • Polyaddition ( 5): Diese verläuft ähnlich wie die Polykondensation, jedoch mit dem Unterschied, dass Wasserstoffatome H statt

8. Kunststoffe

213

Wasser H2O abgespalten werden, die dann vom anzulagernden C-Atom gebunden, ihm also hinzuaddiert werden. Beispiele für baurelevante Kunststoffe, die durch Polyaddition entstehen, sind Epoxidharze und Polyurethane. Auch engmaschig vernetzte Duromere wie Phenol- oder Melaminharze entstehen nach diesem Verfahren. Ferner können aus diesem Prozess auch weitmaschig vernetzte Elastomere hervorgehen wie beispielsweise Natur- oder Polyurethankautschuk.5 Zunächst unabhängig von den Herstellungsverfahren hat der Vernetzungsgrad einen wesentlichen Einfluss auf die Materialstruktur. Wie bereits ( ☞) beschrieben, unterscheidet man: • Plastomere: Unvernetzte Polymere • Duromere: Engmaschig vernetzte Polymere • Elastomere: Weitmaschig vernetzte Polymere

☞ Kap. III-1, Abschn. 9.3.2 Kunststoffe, S. 106-110

gelenkige Bereiche

1 Modellhafte Darstellung der Molekularstruktur eines polymerisierten Kunststoffs: lokale Verknüpfung in teilkristallinen Bereichen. 2 Weitmaschige Vernetzung benachbarter Molekülketten durch lange Dornfortsätze wie bei Polystyrolen und Polymethylmethacrylaten (schematische Darstellung).

teilkristalline Bereiche

3 Schema einer Polymerisation

4 Schema einer Polykondensation

5 Schema einer Polyadition

214

3.

III Stoffe

Allgemeine Eigenschaften

Wesentlich stärker als bei den anderen besprochenen Werkstoffen lassen sich bei den Kunststoffen die Materialeigenschaften durch Beeinflussung bestimmter Parameter technisch steuern. Über die Existenz der drei großen Materialgruppen der Plastomere, Duromere und Elastomere hinaus lassen sich auch innerhalb dieser einzelnen Gruppen die Kunststoffe in einem breiten Spektrum technisch manipulieren. Es ist möglich, durch geeignete Herstellungsverfahren beispielsweise die Molekülgestalt und folglich das Stoffgefüge zu beeinflussen (Kettenstränge mit oder ohne Dornfortsätze); oder die Molekülgröße, wobei die Wachstumsreaktion des Polymers in ihrer Dauer beeinflusst werden kann; ferner lassen sich durch geeignete Zusatzstoffe bestimmte Merkmale des Werkstoffs steuern. Einige übliche Zusatzstoffe sind 6 • Füll- und Verstärkungsstoffe: verbessern die Druckfestigkeit und thermische Formbeständigkeit und erhöhen in fasriger Form auch die Zugfestigkeit und Steifigkeit. • Farbmittel zur Einfärbung • Stabilisatoren: schützen die Polymerketten vor Abbau durch äußere Einwirkungen wie UV-Strahlung, Luftsauerstoff oder Feuchtigkeit. • Gleitmittel: verbessern das Entformungsverhalten der verfestigten Schmelze beim Herstellung von Kunststoffteilen. • Treibmittel: werden zum Aufschäumen von Kunststoffen verwendet. • Flammhemmende Zusätze: erlauben die Herstellung schwerentflammbarer Kunststoffe. • Nukleierungsmittel: beschleunigen die Kristallisation und erzeugen kleinere Kristallite für bessere Transparenz.

6 Rasterelektronen-Mikroskopaufnahme eines glasfaserverstärkten Kunststoffs (GfK).

• Antistatika: erzeugen einen Feuchtigkeitsfilm auf der Oberfläche, der die elektrostatische Aufladung verhindert. Aus diesen Gründen lassen sich allgemeine Aussagen zu den Eigenschaften der Kunststoffe nur sehr eingeschränkt machen. Dennoch ist im Vergleich mit den oben betrachteten Werkstoffen für Primärtragwerke Folgendes festzustellen: • Kunststoffe erreichen trotz Faserverstärkung im Vergleich nur eingeschränkte Festigkeiten. • Kunststoffe weisen eine gute Korrosionbeständigkeit auf. Gegenüber Konkurrenzmaterialien wie Stahl oder Holz ist dies ein wichtiger Vorzug.

8. Kunststoff

215

• Die geringe Rohdichte von Kunststoffen macht sich im tragenden Einsatz durch eine sehr günstige Relation zwischen Eigengewicht und Festigkeit bemerkbar (vergleichbar mit Holz), bei Verwendung in Gebäudehüllen durch die günstigen Wärmeleitzahlen, also durch ihre gute Dämmwirkung. Die Kombination von guter Dämmfähigkeit und Festigkeit kann insbesondere die Wärmebrückenproblematik bei Gebäudehüllkonstruktionen entschärfen. • Die Langzeit-Dauerhaftigkeit von Kunststoffen ist noch nicht umfassend getestet. Verschiedene äußere Einflüsse oder Veränderungsprozesse der Stoffstruktur können zu einem Verlust der Stoffeigenschaften führen.7 • Kunststoffe sind elektrisch und magnetisch neutral. Im Einsatz als Substitut für Stahl – beispielsweise bei Bewehrungen – spielt dieses Argument gelegentlich eine wichtige Rolle. Die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe variieren sehr stark, sie streuen von elastisch, plastisch, elastoplastisch bis extrem spröde. Wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften haben neben den Herstellungsverfahren ferner:

4.

Mechanische Eigenschaften

• die Umgebungstemperatur • das Alter des Kunststoffes • die UV-Strahlung Wiederum sind generelle Aussagen problematisch. Dennoch kann grundsätzlich festgestellt werden, dass Kunststoffe zwar vergleichsweise geringe Druckfestigkeiten aufweisen, dafür aber gemessen an spröden mineralischen Werkstoffen gute Zugfestigkeiten, und zwar beides in Kombination, was ihnen eine gewisse zähfeste Charakteristik verleiht. Die günstigsten Eigenschaften weisen in dieser Hinsicht faserverstärkte Kunststoffe auf ( 6). Diese Werkstoffe sind ähnlich wie Stahlbeton aus zugfesten Fasern und einer einhüllenden Matrix aufgebaut. Die Aufgabenteilung weist wiederum der Matrix die Druck- und Schub-, den Fasern die Zugbeanspruchung zu. Fasern können zwar nicht wie beim Stahlbeton gezielt verlegt, aber dennoch den Zugkräften folgend teilweise ausgerichtet werden ( 7). Spezielle Kunststoffe wie die aromatischen Polyamide, oder kurz Aramide (☞), erzielen indessen als Fasermaterial höchste Zugfestigkeiten weit jenseits der Möglichkeiten hochfester Stähle.8 Nähere Angaben zu mechanischen Eigenschaften sowie auch Verformungsverhalten können nur im Zusammenhang mit einem spezifischen Werkstoff gemacht werden, weshalb auf den Abschnitt weiter unten verwiesen wird.

7 Verwobene Aramidfaser (Mitte; rechts Carbon-, links Glasfaser)

☞ Abschn. 5.7 Polyamid (PA), S. 222

216

III Stoffe

5.

Einige baurelevante Kunststoffe

Stellvertretend sollen in diesem Zusammenhang ausgewählte Kunststoffe, die für den baulichen Einsatz (wenngleich zumeist nicht in Primärtragwerken) bedeutsam sind, näher betrachtet werden:

5.1

Polyethylen (PE)

Polyethylen entsteht aus der Polymerisation des Ausgangsstoffs Ethylen H 2C = CH 2 (auch Ethen genannt;  8, 9). Die chemische Strukturformel ist

☞ modellhafte Darstellung des Stoffgefüges auf  62, S. 105

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

Es handelt sich um einen Plastomeren aus unverzweigten Kettenmolekülen, die in teilkristallinen Bereichen aneinander gekoppelt sind ( ☞). Sorten: Durch gezielte Einstellung der Molekülgestalt bei der Polymerisation können dichter gepackte (bei weniger verzweigten Molekülen) oder lockerer vernetzte Stoffgefüge (bei Molekülen mit Fortsätzen) hergestellt werden. Demnach sind

8 Ethen bzw. Ethylen H2C = CH2 mit einer Doppelbindung, die bei der Polymerisation aufgespalten wird.

• PE-VLD

(very low density)

• PE-LLD

(linear low density)

• PE-LD

(low density)

• PE-MD

(middle density)

• PE-HD

(high density)

erhältlich.9

Kennwerte:10

PE-LD

PE-HD

Steifigkeit (E-Modul, Zug):200-500 N/mm2 700-1400 N/mm2



9 Molekül des Polyethylens (PE) mit angedeuteter Tetraeder-Grundstruktur.

Druck-, Zugfestigkeit σ: 8-23 N/mm2

18-35 N/mm2

Rohdichte

ρ:

9,2 kN/m3

9,5 kN/m3

Wärmeleitzahl λ:

0,3 W/mK

0,42 W/mK

Wärmedehnzahl α:

200 · 10 -6 K-1

150 · 10 -6 K-1

8. Kunststoff

217

Polypropylen ist ein Plastomer, geht aus einer Polymerisation hervor und zeigt eine kettenartige Molekularstruktur mit seitlichen noppenartigen Fortsätzen aus CH3 -Gruppen ( 10). Die chemische Strukturformel ist H

H CH3 H

H

C

C

C

C

C

CH3 H

H

H CH3

5.2

Polypropylen (PP)

für die syndiotaktische Variante (rhythmisch abwechselnde Lagen der CH3 -Gruppen; bei der isotaktischen sind alle CH3 -Gruppen einseitig ausgerichtet, bei der ataktischen unregelmäßig getaktet). Die vernetzte Molekularstruktur ( 11) eines regelmäßig getakteten PP (iso- oder syndiotaktischen PP) ergibt einen Kunststoff mit guter Steifigkeit und Härte. Ataktisches PP ist dagegen weich.11 Kennwerte:

PP

Steifigkeit (E-Modul, Zug): 1100-1300 N/mm2 Druck-, Zugfestigkeit σ:

21-37 N/mm2

Rohdichte ρ:

9,0 kN/m3

Wärmeleitzahl λ:

0,22 W/mK

Wärmedehnzahl α:

100-200 · 10 -6 K-1

10 Polypropylen. CH3-Gruppen stehen wie Dornfortsätze seitlich ab. Aneinander gekettete, sich abwechselnde CH- und CH 2 -Gruppen bilden den eigentlichen Molekülstrang (Tetraederstruktur graphisch hervorgehoben, hier syndiotaktisches PP dargestellt).

11 Polypropylenkette. Die noppenartigen Querfortsätze führen zu einer Verhakung und Vernetzung der Kettenstränge.

218

5.3

III Stoffe

Vinylchlorid H2C=CHCl aus der Reaktion von Ethylen und Chlor verbindet sich in einer Polymerisation zu Polyvinylchlorid. Die chemische Strukturformel ist

Polyvinylchlorid (PVC)

☞ Kap. III-1, 9.3.2 Kunststoffe, S. 108

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

Cl

H Cl H Cl

PVC ist ebenfalls ein Plastomer. Die Makromoleküle sind aufgrund der im Vergleich zu den C- und H-Atomen viel größeren Cl-Atome stark verkrümmt und dicht verfilzt, was zu einer hornartig zähen Werkstoffcharakteristik führt. Dies wird durch die Polarität der ClAtome noch zusätzlich verstärkt. Sorten: Man unterscheidet zwei PVC-Sorten: • Hart-PVC oder PVC-U (unplasticized) • Weich-PVC oder PVC-P (plasticized) Aus der Polymerisation geht zunächst Hart-PVC hervor, das dann anschließend mit Hilfe von Weichmachern zu Weich-PVC weiterverarbeitet werden kann und dabei eine elastische bis weichplastische Konsistenz erhält ( ☞). Kennwerte:

PVC-U

PVC-P

Steifigkeit (E-Modul, Zug): 1000-3500 N/mm2 H

H C

C C

H

H

C C

H C

H C

C

H

H 12 Styrol aus der Verbindung von Ethen und einem sechseckigen Benzolring. Die Doppelbindung zwischen der CH- und der CH2-Gruppe oben wird bei der Polymerisation aufgespalten und bildet den Kettenhauptstrang ( 13 rechts).

-

Druck-, Zugfestigkeit σ:

50-75 N/mm2

10-25 N/mm2

Rohdichte ρ:

13,8-15,5 kN/m3

11,6-13,5 kN/m3

Wärmeleitzahl λ:

0,14-0,17 W/mK

0,15 W/mK

Wärmedehnzahl α:

80 · 10 -6 K-1

150-210 · 10 -6 K-1

8. Kunststoff

219

Polystyrol entsteht aus der Polymerisation von Styrol, das seinerseits aus der Verbindung von Ethen und Benzol hervorgeht ( 12). Die chemische Strukturformel ist: H

H

H

H

C

C

C

C

H H C H C

C C

H C H

H C

C H

H C

C

Polystyrol (PS)

C H C H

C

H

5.4

H

Die sperrigen Dornfortsätze aus Benzolringen halten die leicht verwundenen Molekülketten weit auseinander, verknüpfen diese aber wirkungsvoll (vgl. modellhafte Darstellung in  13, 14). Aufgrund der entstehenden Leerstellen kann das Material glasklar hergestellt werden. Sorten: Man unterscheidet • PS-E-Polystyrol: expandierbares, schaumfähiges Material; wird durch Zugabe von Treibmittel bei der Polymerisation erzeugt. Wird auch als expandierter Polystyrolpartikelschaum (EPS) bezeichnet. Konventioneller Polystyrolschaum für Dämmzwecke. • PS-X-Polystyrol: Das Treibgas wird erst bei der Extrusion von Plattenmaterial zugeführt; so genannter Extruderschaum, auch als extrudierter Polystyrolhartschaum (XPS) bezeichnet. Geschlossenzelliger Schaumstoff für erdberührte Bauteile und Umkehrdächer.

13 Polystyrol (Ausschnitt). Polymerkette aus einem CH2-Strang mit angegliederten Fortsätzen aus Benzolringen (grau hervorgehoben). Diese sind für eine strake Vernetzung des Stoffgefüges verantwortlich.

• Ferner auch verschiedene Copolymerisate wie ABS oder ASA, die durch Aufpropfen von Polybutadien entstehen. Kennwerte:

PS-E

PS-X

Steifigkeit (E-Modul, Zug): 3200 N/mm2

- N/mm2

Druckfestigkeit σD:

0,06-0,25 N/mm2 >0,15 N/mm2

Zugfestigkeit σZ:

0,1-0,5 N/mm2

0,5 N/mm2

Rohdichte ρ:

0,15-0,3 kN/m3

3,0-3,5 kN/m3

Wärmeleitzahl λ:



Wärmedehnzahl α:

0,03-0,035 W/mK 80 · 10 K -6

-1

14 Abstrahiertes Stoffgefüge von Polystyrol mit großen Dornfortsätzen. Die Ketten werden verknüpft, aber weitmaschig auseinander gehalten.

220

5.5

III Stoffe

Polymethylmethacrylat (PMMA)

Polymethylmethacrylat, auch als Acrylglas oder Plexiglas bezeichnet, ist ein Plastomer aus Monomeren mit ausgeprägten Dornfortsätzen aus Estergruppen ( 15, 16). Die chemische Strukturformel ist H H

H

C

C

C

H

C

H H

H

H

C

C O

C

H

C

C

H C

O

H

O

O H

H

H

H

C

H

H

H

Die Polarität der Estergruppen erzeugt eine starke Anziehung zwischen benachbarten Molekülsträngen. Das Stoffgefüge ist hart und beständig. Kennwerte:

PMMA

Steifigkeit (E-Modul, Zug): 2700-3200 N/mm2

H

Druck-, Zugfestigkeit σ: Rohdichte ρ:

50-77 N/mm2

Wärmeleitzahl λ:

0,19 W/mK

Wärmedehnzahl α:

80 · 10 -6 K-1

11,7-12,0 kN/m3

H H H H

Kettenstrang

C

C

Fortsatz CH3-Gruppe (2) (hinten)

C

C H

Kettenglied CH2-Gruppe (1)

O H H

H2

O

H2

15 Methylmethacrylat. Dieses Monomer setzt sich aus dem Kettengrundbaustein CH2 und aus einem Dornfortsatz in Form eines Esters (CO - O - CH3) zusammen. Die Doppelbindung an der CH2-Gruppe oben wird zur Kettenbildung aufgespalten.

16 Polymethylmethacrylat. Man erkennt den Hauptstrang (Punktlinie) sowie die seitlich links abstehenden Dornfortsätze der Estergruppen.

H1 C2 H2

H1 C1

Dornfortsatz Estergruppe

Kettenstrang

8. Kunststoff

221

Polytetrafluorethylen entsteht aus der Polymerisation von Tetrafluor F2C=CF2 ( 17). Die chemische Strukturformel ist F

F

F

F

F

C

C

C

C

C

F

F

F

F

F

5.6

Polytetrafluorethylen (PTFE)

F F

C

Es entstehen weitgehend lineare Ketten, die sich aufgrund der starken Polarität zwischen den C- und den F-Atomen zu einer ausgeprägt kristallinen Struktur zusammenknüpfen ( 18 - 20). Die kristallinen Bereiche umfassen bis zu 70% der Moleküllängen.12

C

F F

Kennwerte:

PTFE

17 Tetrafluorethylen.

Steifigkeit (E-Modul, Zug): 420 N/mm2 Druck-, Zugfestigkeit σ: Rohdichte ρ:

10-14 N/mm2

Wärmeleitzahl λ:

0,24 W/mK

Wärmedehnzahl α:

130-200 · 10 -6 K-1

21-23 kN/m3

F

F C

18 Polytetrafluorethylen (PTFE) entsteht aus dem Monomer Tetrafluorethylen durch Aufspaltung seiner Doppelbindung.

19 Anziehung zwischen C- und F-Atomen benachbarter Polytetrafluorethylenketten (PTFE) infolge starker Polarität. 20 Die starke Anziehung zwischen den PTFEPolymerketten führt zu einer kristallähnlichen, eng vernetzten räumlichen Gitterstruktur (schematische Darstellung nach Volland).

222

5.7

III Stoffe

Polyamide sind Thermoplaste, die durch Polykondensation von Aminosäuren entstehen.13 Die Makromoleküle weisen ausgeprägte teilkristalline Bereiche auf, die dem Material eine hornartige Zähigkeit verleihen ( 21). Die chemische Strukturformel des Monomers (hier vom Polyamid Perlon) ist

Polyamid (PA)

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

N C

H

H

H

H

H

O

n

Dieses ergibt durch zyklische Wiederholung das Kettenmolekül des Polyamids. Neben den weit verbreiteten Nylon- und Perlon-Polyamiden haben auch aromatische Polyamide besondere Bedeutung. Sie werden auch als Aramide bezeichnet, sind aber insbesondere durch Markenbezeichnungen wie Kevlar ® 14 allgemein bekannt geworden. Die Fasern bestehen aus Molekülketten, die durch seitliche Wasserstoffbrücken einen hohen Kristallinitätsgrad von 30 bis 60 % aufweisen.15 Zusätzlich werden die Ketten auf ein Mehrfaches ihrer Länge verstreckt, so dass die Parallelorientierung der Ketten verstärkt wird. Als Folge davon weisen die Fasern einen extrem hohen Dehnungswiderstand, große Reiß- und Hitzefestigkeit sowie hohe Biegsamkeit auf. Aramide erreichen Bruchspannungen von rund 3500 N/mm2 und übertreffen damit selbst hochfeste Stähle. Kennwerte:

z. B. Polyamid 6 extrudiert (PA 6 E)

Steifigkeit (E-Modul, Zug): 1500-3000 N/mm2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CO

CH2

NH

21 Polyamid (Perlon-Polymer).

Druck-, Zugfestigkeit σ: Rohdichte ρ:

80-120 N/mm2

Wärmeleitzahl λ:

0,23 W/mK

Wärmedehnzahl α:

70-100 · 10 -6 K-1

11,4 kN/m3

8. Kunststoff

223

Polyurethane entstehen durch Polyaddition mehrwertiger Alkohole und Isocyanate.16 Die chemische Strukturformel eines Monomers ist 17

5.8

Polyurethan (PU)

Polycarbonate sind thermoplastische Polyester, die durch Polykondensation entstehen. Es sind glasklare, hochelastische, ausgesprochen zähe Kunststoffe mit glänzender Oberfläche, die im Bauwesen insbesondere bei transparenten oder transluzenten Hüllelementen Verwendung finden. Am bekanntesten sind Hohlkammerplatten (z. B. Doppelstegplatten) aus Polycarbonat. Aufgrund der hohen Schlagzähigkeit von PC 19 weisen sie eine gute Bruchfestigkeit auf. Gegen UV-Strahlung und sonstigen Witterungseinflüssen sind Polycarbonate sehr beständig.20

5.9

Polycarbonat (PC)

Polyisobutylen, auch als Butylkautschuk bekannt, weist eine verknäuelte, nur teilweise vernetzte Molekularstruktur aus Kettensträngen mit seitlichen CH 3 -Dornfortsätzen auf. Seine Stoffcharakteristik entspricht der eines Elastomers, der Werkstoff ist gummielastisch bis zähplastisch. Er ist außerordentlich alterungsbeständig, ist säure- und laugenresistent, wird aber von Mineralölen und Benzin angegriffen.21

5.10

Polyisobutylen (PIB)

O

H

H

C

C

H

H

O

C O

H

H

H

H

H

H

H

H

N

C

C

C

C

C

C

N C

H

H

H

H

H

H

O

n

wobei je nach Verfahren lineare Polyurethane (vergleichbar den Polyamiden) oder auch vernetzte Polyurethane hergestellt werden können.18 Dementsprechend weit gestreut sind auch die erzielbaren Stoffeigenschaften. Kennwerte:

z. B. Polyurethan-Integral-Hart- schaum 22K (PUR IHS 22K)

Steifigkeit (E-Modul, Zug.): 350-600 N/mm2 Druck-, Zugfestigkeit σ: Rohdichte ρ:

8-18 N/mm2

Wärmeleitzahl λ:

0,025 W/mK

Wärmedehnzahl α:

73 · 10 -6 K-1

4,0-6,0 kN/m3

224

III Stoffe

5.11

Ungesättigte Polyesterharze (UP)

Ungesättigte Polyesterharze entstehen durch Polykondensation und sind harte, sehr spröde, wasserklare Kunststoffe mit hervorragender chemischer Resistenz.22 Sie werden im Bauwesen als Klebstoffe (Zweikomponentenkleber), Gießharze sowie auch als Bindemittel für Polymermörtel und -betone eingesetzt.23

5.12

Silikon (SI)

Silikone, auch als Polysiloxane oder Siloxane bezeichnet, nehmen eine Sonderstellung innerhalb der polymeren Stoffe ein. Anders als die bisher betrachteten organischen Verbindungen, die auf Molekülketten aus C-Atomen bestehen, ist der Kettenstrang des Silikonpolymers eine Verbindung von Silicium Si- und Sauerstoff O-Atomen (Siloxankette). Die seitlichen Valenzen der Si-Atome sind durch organische CH-Verbindungen besetzt, beispielsweise mit Methylgruppen CH3 wie auf der Strukturformel eines Polydimethylsiloxans erkennbar: H

H H

C

O

Si H

C H

☞ Kap. III-1 Materie, Abschn. 9.1 Mineralische Stoffe, S. 92

H

H H

C

H

Si H

C H

O H

n

Silikone nehmen eine Zwischenstellung zwischen den anorganischen Silicaten ( ☞) und den organischen Polymeren ein.24 Die Kettenstränge lassen sich entweder linear – mono- und difunktionelle Struktureinheiten – oder mit seitlichen Verzweigungen aus Si-O-Ketten – einseitige Verzweigungen: trifunktionelle, zweiseitige: tetrafunktionelle Struktureinheiten, vgl.  22 – herstellen. Dem entsprechend lassen sich Molekulargefüge mit verschiedenen Vernetzungsgraden erzeugen, was die große Bandbreite der Materialeigenschaften von Silikonprodukten erklärt. Sorten: Es können je nach beteiligtem molekularem Strukturelement • lineare oder zyklische Silikonöle entstehen, bzw. • bei entsprechender Vernetzung des Moleküls – tri- und tetrafunktionelle Strukturelemente – auch gummielastische kaltvulkanisierende Silikonkautschuke (RTV = room temperature vulcanizing), wie sie als plastisch spritzbare Dichtstoffe ausgiebig im Bauwesen verwendet werden, sowie auch • heißvulkanisierende Silikonkautschuke (HTV = high temperature vulcanizing) wie für feste Dichtbänder, -profile und Schläuche eingesetzt – beispielsweise im Fenster- und Fassadenbau –, wie auch ferner

8. Kunststoff

225

• Silikonharze, die durch Erhitzen aushärten und beispielsweise zu Lacken verarbeitet werden.

R

R

R

O

R Si O

O Si O

O Si O

O Si O

R

R

O

O

monofunktionell

difunktionell

trifunktionell

tetrafunktionell

22 Verschiedene Verzweigungsgrade von Silikonen bei verschiedenartigen Strukturelementen. R bezeichnet jeweils einen Methyl- oder Phenylrest.25

226



III Stoffe

Anmerkungen

1 2 3 4 5 6 7 8

9 10

Bauen mit Kunststoffen E&S IBK Darmstadt (Hg.) Jahrbuch Kunststoffe 2004, S. 44 Volland (1999) Einblicke in die Baustoffkunde..., S. 209 Volland (1999) Einblicke in die Baustoffkunde..., S. 210 Volland (1999) Einblicke in die Baustoffkunde..., S. 210 Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002; S. 46 f Volland (1999) Einblicke in die Baustoffkunde..., S. 211 Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 272 f; auch Beukers u. van Hinte (2001) Lightness, S. 167 f Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 51 f Alle Daten dieser und der folgenden Kennwerttabellen für Kunststoffe sind entnommen: Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002; Datensammlung für technische Kunststoffteile der Kern GmbH, Clemens-Kern-Str. 1, D-56276 Großmaischeid 11 Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 56 12 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 419 13 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 420 14 Kevlar ist eine Markenbezeichnung der Firma DuPont. Die chemische Bezeichnung ist Poly(p-phenylen-terephthalamid) 15 Infomationen des Fachinformationszentrums (FIZ) Chemie Berlin, VS-C Polyamide 16 Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Polyurethane 17 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 426 18 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 426 19 Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 61 20 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 425 21 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 411 22 Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 59 23 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 424 24 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 299 25 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 299

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE

1. Geschichtliche Entwicklungsstufen 2. Zusammensetzung 3. Materialstruktur 4. K lassifikation der Gläser 5. Allgemeine Eigenschaften 6. Mechanische Eigenschaften 7. Bruchverhalten 8. Verformungsverhalten 9. Konstruktive Folgerungen 10.Kennwerte Anmerkungen

III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

228

1.

III Stoffe

Geschichtliche Entwicklungsstufen

Einfache Herstellungsverfahren von Glas sind sehr wahrscheinlich schon seit 7000 v. Chr. bekannt und wurden vermutlich zufällig bei der Herstellung von Tongefäßen entdeckt. Bis zur Erfindung der Glasmacherpfeife um 200 v. Chr. fand Glas im Wesentlichen Verwendung als Schmuck.1 Erst ab dem 15. Jahrhundert gelang es den Venezianern durch spezielle Beimengungen, Glas nahezu blasenfrei und farbrein herzustellen. Der Weg hin zur industriellen Produktion wurde dann durch eine Reihe wichtiger Entwicklungen möglich gemacht: • Gussverfahren von Bernard Perrot (1687) mit anschließendem Walzen zu größeren Scheibenformaten. • Entwicklung eines Verfahrens zur Gewinnung von Soda aus Kochsalz (1790). Dieses konnte die bis dahin notwendige teure Pottasche ersetzen. • Gussglasherstellung – seit Anfang des 20. Jahrhunderts – durch Abziehen von geschmolzenem Glas aus einer Schmelzwanne mit Rollenpaaren.

☞ Kap. IV-4 Glasprodukte, S. 310

2.

Zusammensetzung

☞ Abschn. 3. Materialstruktur, weiter unten

• Das bis dato wichtigste Herstellungsverfahren wurde 1959 von Alastair Pilkington entwickelt; beim Floatverfahren wird das Flachglas von einem geschmolzenen Zinnbad abgezogen. Glas entsteht 2 aus dem Schmelzen von Quarz (SiO2) sowie u. a. Soda Na2CO3 und Kalk CaCO3 ( 1). Bei diesem Vorgang wird die regelmäßige Kristallstruktur des Quarzes von den Oxiden der Alkali- oder Erdalkalimetalle (wie Na2O oder CaO) aufgebrochen (Aufschließen). Dadurch freigesetzte Valenzen werden durch Metallkationen belegt, wobei ein unregelmäßiges, also amorphes Molekulargefüge entsteht ( 2)( ☞). Normales Bauglas ist im Wesentlichen ein Gemenge aus Calcium- und Natriumsilicat.3

3.

Materialstruktur

Aufgrund der sehr hohen Viskosität der plastischen Glasschmelze und der daraus folgenden kinetischen Trägheit der kristallbildenden Baugruppen4 erfolgt beim Abkühlen der Schmelze ein Erstarren bereits bevor ein geregeltes Kristallwachstum einsetzen kann. Es fehlt für diesen Zweck die nötige Beweglichkeit der molekularen Bestandteile. Man spricht beim Glas auch von einer extrem viskosen Flüssigkeit, einer festen Lösung oder unterkühlten Schmelze.5 Glas weist, anders als kristalline Feststoffe, keinen klar feststellbaren Schmelzpunkt auf, sondern geht graduell vom festen in den plastischen Zustand über ( 3,4).

4.

Klassifikation der Gläser

Diverse Verarbeitungsverfahren führen zu verschiedenen Glasprodukten, die im Kapitel IV-4 Glasprodukte näher behandelt werden. Aber auch die Zusammensetzung der Gläser kann für verschiedene Zwecke technisch beeinflusst werden, so dass spezielle Grundglassorten hervorgehen.

9. Glas

229

1 Schöpfen der Glasschmelze.

Abkühlung

Erwärmung

flüssig (Schmelze)

flüssig (Schmelze)

Temperatur

Temperatur

2 Schematische Darstellung der amorphen Molekularstruktur von Glas.

Abkühlung

Erwärmung

flüssig (Schmelze)

flüssig (Schmelze)

Haltepunkt fest (Kristall)

fest (Kristall)

fest

fest

3 Haltepunkt, z. B. bei Stahl. Zeit

Zeit

4 Kein Haltepunkt bei Glas.

Bestimmend für die Eigenschaften des Glases ist insbesondere der Gehalt an Metalloxiden. Die bei der Glasherstellung verwendeten Alkali- und Erdalkalimetalloxide bewirken eine Aufspaltung des kristallinen Verbands des Quarzes zu amorpher Struktur und eine Veränderung der Charakteristika: • Sind nur Alkalimetalle beteiligt (Na, K), lagern sie sich als Endglieder an die Gitterbruchstücke an.6 Die Alkaliionen nehmen Wasser auf, es entsteht ein wasserlösliches Glas, Wasserglas. Dieses wird baulich nur als Bindemittel für Anstriche oder Beschichtungen verwendet. • Die aus Natron (auch Soda genannt) und Kalk hervorgehenden Na- und Ca-Ionen führen aufgrund ihrer doppelten Valenzen zu einer stärkeren Bindung der Gitterbruchstücke 7 untereinander, so dass ein wasserbeständiger Feststoff hervorgeht. Dies ist das Natron-Kalk-Glas, das bauübliche Normalglas ( 5).

230

III Stoffe

• Ferner lassen sich durch Variation der Zusätze verschiedene Glassorten mit speziellen Eigenschaften herstellen, beispielsweise Borosilicatgläser, die besonders gute mechanische Festigkeit, chemische Beständigkeit und geringe Wärmedehnung aufweisen (Laborgläser, Jenaer Glas) ( 6).

☞ Kap. III-8, Abschn. 5.11 Ungesättigte Polyesterharze (UP), S. 224

☞ Kap. IV-4 Glasprodukte, S. 318, 322

5.

Allgemeine Eigenschaften

☞ Kap. III-8 Kunststoff, S. 218, 220, 223 ☞ Abschn. 6. Mechanische Eigenschaften, S. 232

☞ Abschn. 6. Mechanische Eigenschaften, S. 232 ☞ Kap. IV-4 Glasprodukte, S. 316-319

Bauliche Bedeutung besitzen auch Glasfasern ( 7), die durch Ziehen der Glasschmelze (besonders Calcium-Aluminium-Borosilicatschmelzen) 8 hergestellt werden. Durch den Ziehvorgang und die sehr kleinen Faserdurchmesser von 4 mm erfolgt eine erzwungene Parallelausrichtung der Si-O-Kettenstränge,9 die auf diese Weise mechanisch in eine quasi-kristalline Struktur ausgerichtet werden. Die ansonsten nur mäßige Zugfestigkeit von Glas (70-100 N/ mm2 ) steigert sich auf diese Weise auf mehr als das 30fache (3000 N/mm2 ) und übertrifft diejenige hochfester Stähle. Glasfasern werden zur Bewehrung von Kunststoffprodukten eingesetzt, insbesondere von ungesättigten Polyesterharzen UP (☞). Glasfaserprodukte sind auch Glas- oder Mineralwollen, die als Wärmedämmstoffe breite Verwendung im Bauwesen finden ( 8). Glasschmelzen lassen sich zur Herstellung von Dämmmaterial auch aufschäumen. Zu diesem Zweck werden pulverförmige Aluminium-Silicatgläser mit Zusatz von Kohlenstoff auf 1000°C erhitzt. Die Oxidation des Kohlenstoffs setzt CO2 frei, das schäumende Wirkung hat. Die daraus hervorgehende Zellstruktur ist geschlossen, ohne durchgehende Kapillaren, was das Schaumglas dampfdiffusionsdicht und nicht wassersaugend macht.10 Ferner ist Schaumglas außerordentlich druckfest ( 9) ( ☞). Glas ist der am häufigsten eingesetzte transparente Werkstoff. Gegenüber Konkurrenzprodukten wie Kunststoffen (Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyvinylchlorid) ( ☞) weist Glas eine größere Härte, Ritzfestigkeit sowie Alterungsbeständigkeit und allgemeine chemische Beständigkeit auf. Einzig die Zähigkeit der meisten glasklaren Kunststoffe fehlt dem Glas, dessen konstruktiv bestimmende Charakteristik die extreme Sprödigkeit ist. Da es das einzige für den Einsatz in einer Gebäudehülle wahrhaft brauchbare durchsichtige Baumaterial ist, gilt es, sich sorgfältig mit den konstruktiven Folgen dieser Eigenart vertraut zu machen. Die Sprödigkeit von Glas erweist sich im baulichen Gebrauch als ein gewisses Sicherheitsrisiko für den Menschen, da im Fall eines Bruchs die Splitter sehr gefährlich sein können.6 Diesem Risiko begegnet die moderne Glastechnik mit verschiedenen technischkonstruktiven Maßnahmen (☞). Insbesondere hinsichtlich solarer Energiegewinne in Gebäuden kommt dem Werkstoff Glas eine fundamentale Bedeutung zu. Aber auch die Wahrnehmung und das Erleben eines Innenraums hat sich seit dem großflächigen Einsatz von Glas in Gebäuden grundlegend verändert. Glas kann mit Rohstoffen hergestellt werden, die überall fast grenzenlos verfügbar sind, wie Quarzsand, Soda, Kalkstein und

9. Glas

231



KNG

BSG

SiO2

~ 70 %

~ 81%

CaO

~ 8 %

–

Na2O

~ 14 %

~ 4%

MgO

~ 5 %

–

Al2O3

~ 2 %

~ 2%

Fe2O3 ~ 0,1 % B2O3

–

– ~ 13%

5 Mittlere Zusammensetzung von Normalglas (Kalknatronglas KNG) und Borosilicatglas (BSG). 6 Technische Einrichtung aus Borosilicatglas.

7 Glaswolle. 8 Glasfasern.

9 Schaumglas-Dämmung.

232

III Stoffe

☞ Abschn. 6. Mechanische Eigenschaften

6.

Mechanische Eigenschaften

☞ IV-4 Glasprodukte, S. 308

einigen weiteren Zusätzen. Es ist gut wiederverwendbar, da es sich leicht wieder einschmelzen lässt und auch auf Deponien keinerlei Altlast hinterlässt. Glas ist dank seines sehr dichten Molekular- und Stoffgefüges wasser- und dampfundurchlässig und nimmt keinerlei Feuchte auf, ein bedeutsamer Umstand im Hinblick auf seinen Einsatz als Werkstoff von Gebäudehüllen (Vorsicht ist jedoch gegenüber einigen in Wasser gelösten Substanzen (Flusssäure, Fluate) geboten, welche die Glasoberfläche angreifen). Es ist indessen aus dem gleichen Grunde gut wärmeleitend (l = 1 W/mK ; jedoch nicht so gut wie Metalle) und deshalb heute in wärmedämmenden Gebäudehüllen nur in Form von Mehrscheibenverglasungen einsetzbar. Ebenfalls gut ist seine Druckfestigkeit (☞). Dank seiner bemerkenswerten selektiven spektralen Durchlässigkeit wirkt Glas nicht nur als Sonnenöffnung im Gebäude, die Licht und folglich Wärmeenergie hindurchdringen lässt, sondern trägt aufgrund seiner geringen Durchlässigkeit für langwellige Wärmestrahlung auch als Wärmefalle dazu bei, diese Energie im Gebäudeinnern zu bewahren. Für ultraviolette Strahlung im lichtnahen Spektralbereich ist Glas durchlässig, nicht hingegen bei biologisch wirksamen UV-Wellenlängen. Glas weist aufgrund der hohen atomaren Bindekräfte seiner Molekularstruktur bei ungestörtem Gefüge eine sehr hohe Druckfestigkeit auf ( 10). Aufgrund des extrem spröden Verhaltens kommt Glas jedoch sehr plötzlich zum Bruch, da Spannungsspitzen nicht durch plastisches Verformen abgebaut werden können. Die Festigkeit des Glases basiert sehr stark auf der Unversehrtheit der Oberflächen und ist somit schon bei kleinsten Oberflächenstörungen und Mikrorissen extrem gefährdet. Zwar gelingt es der modernen Glasindustrie, Verletzungen der Glasoberfläche während der Produktion so zuverlässig auszuschließen, dass zumindest kein Spontanbruch ohne externe Einwirkung zu erwarten ist,11 doch muss während der Montage und des täglichen Gebrauchs von Gläsern mit einer zunehmenden Schädigung der Oberfläche und folglich auch mit gesteigerter Bruchwahrscheinlichkeit gerechnet werden. Als Konsequenz dieses extrem spröden Materialverhaltens kann die theoretische Festigkeit von Glas nicht wirklich ausgenutzt werden. Es muss statt dessen anhand von Bruchwahrscheinlichkeiten unter Vorhaltung geeigneter Sicherheitsvorkehrungen dimensioniert werden.12 Die Gefahr, dass bei kleinen Oberflächenstörungen beginnend Zugrisse im Glas entstehen und dieses bricht, kann durch Druckvorspannung deutlich verringert werden. Entweder auf mechanischem, thermischem oder chemischem Wege wird dabei der Querschnitt oder die Oberfläche des Glases unter Druck gesetzt (☞). Zugbeanspruchung kann nur dann zu Zugrissen führen, wenn diese Druckvorspannung unter der Zugspannung vollständig abgebaut ist. Dies macht sich an der deutlich erhöhten Festigkeit vorgespannter Gläser bemerkbar.

9. Glas

233

σ (+)

ε (–)

ε (+)

σ (–)

10 Idealisiertes Spannung-Dehnungsdiagramm von Glas. Insbesondere die theoretische Biegezugfestigkeit (+, gestrichelter Abschnitt) ist in der Praxis infolge Imperfektionen der Oberfläche nur beschränkt nutzbar. Zulässige Werte sind in der Norm stark begrenzt.

11 Bruchbild von Normalglas.

12 Bruchbild von ESG.

Normalglas bricht in der Regel völlig unangekündigt in Form äußerst spitzer und scharfkantiger Splitter, die – besonders aus größeren Höhen fallend – lebensgefährlich sein können ( 11). Überkopfverglasungen unterliegen deshalb besonderen Sicherheitsbestimmungen. Thermisch vorgespanntes Glas birgt planmäßig interne Spannungen, die bei Bruch schlagartig entfesselt werden und zu einem sehr feinkörnigen Bruchbild führen ( 12). Dies ist der Sicherheit dieser Gläser förderlich, da die rundlichen kleinen Splitter kein echtes Risiko darstellen ( ☞). Insbesondere lokale Spannungskonzentrationen, die beispielsweise bei punktgehaltenen Gläsern auftreten und stets sorgfältig zu berücksichtigen sind, bergen ein erhöhtes Bruchrisiko. Aber auch Temperaturdehnungen, die sich ungleichmäßig auf der Glasfläche verteilen, führen zu internen Spannungen, die ggf. den Bruch zu Folge haben können. Ursachen dafür sind gewöhnlich Abschattungen, Abklebungen oder Farbanstriche auf Teilflächen von Gläsern.

7.

Glas weist Temperaturdehnungen auf, die geringer als die von Beton und Stahl, jedoch höher als die von Holz sind. Insbesondere bei Kombination mit Stahlverbindungsmitteln ist dieser Umstand zu berücksichtigen.14 Was hygroskopische Verformungen angeht ist Glas als inert zu betrachten. Es sind auch keinerlei längerfristige Schwind- oder Kriechprozesse zu beobachten wie bei anderen Silicatwerkstoffen, insbesondere bei mineralischen. Unter Belastung zeigt Glas in einer theoretischen Spannungs-Dehnungslinie einen elastischen Verlauf. Einschränkend gilt allerdings das unter 6. Mechanische Eigenschaften Gesagte.

8.

Bruchverhalten

☞ Kap. IV-4, Abschn. 3.2 Sicherheitsgläser, S. 316-319

 Näheres zu Bruchverhalten vgl. DIN-EN 12600 und Schrift GUV 56.3 der Unfallversicherungsträger 13

Verformungsverhalten

234

9.

III Stoffe

Konstruktive Folgerungen

☞ Band 3, Kap. XII-9 Öffnungen

☞ Band 3, Kap. XII-6 Punktgehaltene Hüllen

Ein wesentlicher Teil der konstruktiven Vorkehrungen beim Verbauen von Glasbauteilen verfolgt das Ziel, die Gefahr aus der einzigen großen Schwäche des Werkstoffs, nämlich seiner Sprödigkeit, in Grenzen zu halten. Dazu gehören: • das Ausschließen von Zwängungen, die sich aus der Verformung benachbarter Bauteile ergeben könnten. Zu diesem Zweck ist insbesondere ein Randkontakt durch ausreichende Toleranzen zu vermeiden. Manchmal müssen aufwendige Rahmenkonstruktionen, wie beim Fenster ( ☞), zwischengeschaltet werden, die dies verhindern. Gegebenenfalls sind auch geeignete Bewegungsfreiheiten bei der Lagerung zu schaffen. • weitgehende Vermeidung lokal konzentrierter Spannungen, denn sie sind schwer kontrollierbar und können leicht zum Bruch des Glases führen. Diese Einschränkung betrifft in erster Linie die Lagerung des Glases, an der die Lasten zwischen Glas und Unterkonstruktion übertragen werden ( 13, 14). Um die Spannung niedrig zu halten gilt es, die Lasten zu beschränken, aber auch die Fläche möglichst groß zu gestalten, an der die Kraft auf das Glas übertragen wird. Im baulichen Regelfall kann die maximale Übertragungsfläche mittels einer linearen allseitigen Lagerung gewährleistet werden. Dies ist bei herkömmlichen Rahmeneinfassungen weitgehend der Fall. Aber auch teilweise Randlagerungen wie bei einachsig spannenden Scheiben (zwei gegenüber liegende Linienlager) kommen der Materialcharakteristik entgegen. In den letzten Jahren wurden auch die technischen Voraussetzungen für die punktuelle Lagerung von Gläsern geschaffen ( ☞), die heute bereits zum Stand der Technik zählt. • Vermeidung des direkten Kontakts zwischen Glas und anderen harten Materialien wie Stahl oder mineralischen Werkstoffen. Als Folge davon droht akute Bruchgefahr. Es sind weiche Zwischenschichten aus Kunststoffen oder weichen Metallen wie Aluminium einzubauen ( 15).

☞ Band 3, Kap. XII-5 Rippensysteme und Kap. XII-6 Punktgehaltene Hüllen

• Der Transport- und Montageprozess von Glasbauteilen ist heikler als bei den meisten anderen Werkstoffen ( 16). Dies leitet sich zum einen aus der hohen Empfindlichkeit der Oberflächen gegen Kratzer und sonstige Beschädigungen ab, die spontanen oder auch späteren Bruch zur Folge haben können. Zum anderen hat aber auch die Montagelage des Bauteils direkte Konsequenzen auf die verbaubaren maximalen Glasformate. Senkrechter Einbau von Scheiben ist vergleichsweise unproblematisch, da die Eigenlast in der Scheibenebene abgetragen wird. Hingegen ist das Positionieren in die leicht geneigte oder gar horizontale Lage wegen des Bauchens des noch nicht definitiv gelagerten Bauteils riskant und zwingt zu begrenzten Scheibenformaten ( ☞).

9. Glas

235

13 Lineare Lagerung von Glas. 14 Punktuelle Lagerung von Glas.

15 Elastische Zwischenschicht zwischen Glas und Stahl-Befestigungsteller.

16 Montage einer liegenden Glasscheibe.

• Aufgrund der verhältnismäßig großen Versagensgefahr von Verglasungen und der zum Teil extremen Gefährdung für Leben und Gesundheit, die insbesondere von herabfallenden scharfkantigen Glassplittern ausgeht, ist bei kritischen Verglasungsarten wie beispielsweise Überkopfverglasungen eine Resttragfähigkeit erforderlich, die garantiert, dass selbst nach dem Bruch die Splitter zumindest eine bestimmte festgelegte Zeitspanne gebunden bleiben.15 Dies zieht entsprechende konstruktive Maßnahmen oder die Anwendung spezieller Gläser wie Verbundsicherheitsglas (VSG) nach sich ( ☞). • Es wird oft übersehen, dass die spezielle Eigenschaft der Transparenz dem Werkstoff weitere Einschränkungen auferlegt, die weitreichende konstruktive Folgen nach sich ziehen. Man ist im Regelfall nicht bereit, Beeinträchtigungen der durchsichtigen Glasfläche hinzunehmen, was dazu führt, dass:

☞ Kap. IV-4, Abchn. 3.2 Sicherheitsgläser, S. 316-319

236

III Stoffe

☞ Kap. V-2, Abschn. 9.4 Element aus einachsig gespannten Rippen, S. 472 ff ☞ Kap. V-2, Abschn. 9.6 Element aus beplanktem Rahmen, S. 498

kugelförmige Stützkörper Glas

Vakuum low-e-Beschichtung

17 Schema einer Vakuumverglasung (Zweischeibensystem)

•• keinerlei stützende Unterkonstruktionen hinter oder unter einer Glasscheibe möglich sind, die ja hinter der Scheibe deutlich sichtbar wären. Über Stützkonstruktionen hinweg durchlaufende dünne Platten sind ansonsten ein bewährtes und effizientes Konstruktionsprinzip ( ☞), das sich indessen bei Glas verbietet. Statt dessen ist grundsätzlich nur eine rahmenartige Randeinfassung oder -lagerung möglich ( ☞). •• zweischalige Aufbauten mit annähernd beliebig dicker opaker Zwischenschicht aus Dämmstoff – wie bei Hüllbauteilen aus allen anderen Werkstoffen – nicht möglich sind. Da bei Wunsch nach durchsichtiger Scheibe auch eine dämmende Zwischenschicht transparent zu sein hat, kommt zu diesem Zweck praktisch nur eine stehende Luft- bzw. Edelgasschicht infrage, deren Dicke zur Vermeidung von Konvektion auf rund 20 mm begrenzt ist. Ihre Dämmfähigkeit kann also durch einfaches Vergrößern der Dicke – wie bei herkömmlichem Dämmstoff in einem signifikanten Dickenbereich möglich – nicht verbessert werden. Vakuum würde zu einer starken Durchbiegung der Scheiben unter dem atmosphärischen Druck führen. Verschiedene lichtdurchlässige, wenngleich nicht vollständig durchsichtige Dämmstoffe wie TWD oder Aerogele erlauben zumindest die Herstellung hoch dämmender transluzenter Glaspaneele. •• das Aktivieren bedeutender Tragreserven von Zweischeibenverglasungen rechtwinklig zur Scheibenebene durch doppelT-artige Kopplung der Schalen mittels Stegen nicht möglich ist. Auch derartige Steifen wären durch die transparenten Scheiben hindurch sichtbar und werden folglich nicht toleriert. Ein ähnliches Bild ergäben Zweischeiben-Vakuumverglasungen, die zumindest punktuell mithilfe von Abstandshaltern zur Aufnahme des Außendrucks auseinandergehalten werden müssten ( 17, 18). Kennwerte: 16

18 Aufbau einer Vakuumverglasung17

Steifigkeit E-Modul Druckfestigkeit σD:

70 000 N/mm2

Zugfestigkeit

σZ:

50-80 N/mm2

Rohdichte

ρ:



25 kN/m3

Wärmeleitzahl

λ:



1,0 W/mK

Wärmedehnzahl α:

8 · 10 -6 K-1

900 N/mm2

9. Glas

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

17

Sobek (2002) Bauen mit Glas Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens, S. 107f; Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 109 Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens, S. 108 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 290 Knoblauch u. Schneider (1992) Bauchemie, S. 28 Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens, S. 108 Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens, S. 108 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 293 Krenkler (1980) Chemie des Bauwesens, S. 110 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 293 Glas Handbuch 2003, S. 202 Schittich (1998) Glasbau-Atlas, S. 88 f Hinweis in Glas Handbuch 2003, S. 202 Schittich (1998) Glasbau-Atlas, S. 90 f Technische Regeln für Überkopfverglasungen, zitiert in Glasbau Atlas, Schittich (1998), S. 98 Schittich (1998) Glasbau-Atlas, S. 61; Härig S, Klausen D, Hoscheid R (2003) Technologie der Baustoffe, S. 340; Wendehorst R (1998) Baustoffkunde, S. 238 Quelle: University of Sydney, School of Physics: Applied and Plasma Physics, Dr. Nelson Ng

237

Anmerkungen

238

III Stoffe

IV BAUPRODUKTE

I KONSTRUIEREN 1. Geschichte der künstlichen Steine 2. Gebrannte Ziegel 2.1 Ausgangsstoffe 2.2 Herstellung 2.3 Färbung 2.4 Auswahlkriterien 2.5 Nennmaße und Kenngrößen 2.6 Ziegelformen 2.7 Sonderziegel 3. Ungebrannte Mauersteine 3.1 Kalksandsteine 3.1.1 Kurzbezeichnungen 3.1.2 Steinformate 3.1.3 Kennwerte 3.2 Porenbetonsteine 3.2.1 Kurzbezeichnungen 3.2.2 Kennwerte 3.2.3 Porenbeton als Baumaterial 3.3 Beton- und Leichtbetonsteine 3.3.1 Kurzbezeichnungen 3.3.2 Kennwerte 3.3.3 Bauen mit Steinen und Platten aus Beton und Leichtbeton 3.4 Hüttensteine 3.4.1 Kurzbezeichnungen 3.4.2 Kennwerte 3.5 Mantelbausteine 4. Mauermörtel 4.1 Normalmörtel (NM) 4.2 Leichtmörtel (LM) 4.3 Dünnbettmörtel (DM) 4.3.1 Vermauern von porosiertem Ziegelmauerwerk 4.4 Mittelbettmörtel (MM) 4.5 Vormauermörtel (VM) 4.6 Sonstige spezielle Mörtel 5. Mineralputze, Kunstharzputze und Wärmedämmverbundsysteme 5.1 Außenputze 5.2 Innenputze 5.3 Ausgangsstoffe 5.4 Putzmörtelgruppen 5.5 Lieferung und Anwendung 5.6 Putzaufbau 5.7 Anwendung verschiedener Putzartzen 5.7.1 Wärmedämmverbundsystem (WDVS) Anmerkungen

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

240

1.



IV Bauprodukte

Geschichte der künstlichen Steine



& Scheidegger (1990) Die Geschichte der Bautechnik & Neuberger (1919) Die Technik des Altertums & Schumacher (1920) Das Wesen des neuzeitlichen Backsteinbaus

☞ Kap. III-4, Abschn. 1 Geschichtliche Entwicklungsstufen, S. 138

Die Technik der Herstellung künstlicher Steine umfasst eine über 6000jährige Entwicklungsgeschichte. Künstliche Steine stellten vermutlich die ersten präfabrizierten Bauprodukte auf den frühen Baustellen der Menschheit dar. Das mauerwerkstypische Prinzip der Fügung, des Vermauerns von Steinen im Verband in einem Gefüge dünner, sich gegenseitig stabilisierender Wände findet bis heute breite Anwendung und erfreut sich wegen der Konsequenz und der Sinnhaftigkeit des Einsatzes von Baumaterial und seiner Umsetzung in altvertrauter Bauweise bis heute einer großen Beliebtheit. Die frühen Ziegel des Altertums wurden zumeist in der Sonne getrocknet ( 1-2) oder schwach gebrannt, aber auch hochgebrannte und glasierte Ziegel waren schon damals bekannt. Die römische Kultur hat die Technik der Ziegelherstellung nachhaltig geprägt, auch die Ziegelherstellung in Deutschland kann bis auf die Einführung römischer Technologie zurückverfolgt werden. Das Wort Ziegel leitet sich von lateinisch tegula ab, dies war der römische Leistendachziegel. Die Römer haben ihre Ziegelprodukte über ihr damaliges Weltreich hinweg normiert, eine maßliche Vereinheitlichung, die in der Menschheitsgeschichte in einer derartigen geografischen Ausdehnung bis heute nicht mehr erreicht wurde. Die Dichte der Ziegeleien im römischen Reich war hoch, Hersteller waren das Militär und private Ziegeleien, die Steinmaterial, Dachziegel, Röhren und Formziegel – beispielsweise zum Bau der Hypokaustheizungen – herstellten ( 3). Auch die Verbindung gemauerter Ziegelschalen und Verfüllungen mit Beton (opus caementitium, ☞) war eine Innovation römischer Bautechnik. Bereits vor diesen gebrannten Ziegeln waren in Babylon schon Kunststeine aus Quarz, Kalk und Magnesium bekannt. Die Römer verwendeten bereits Steinmaterial, das aus Zuschlagstoffen und einem hydraulischen Bindemittel hergestellt wurde und unseren heutigen Betonsteinen sehr ähnlich war. Noch bis in das späte Mittelalter hinein wurde häufig mit römischen Ziegeln gebaut, die aus den Ruinen des untergegangenen Weltreichs wiedergewonnen wurden. Die Ziegelherstellung, oft durch Wanderziegler, die sog. Handstrichziegel erzeugten, war kostenintensiv, der Ausschuss an unbrauchbaren Ziegeln groß. Erst im 19. Jahrhundert wurden Ziegel industriell produziert. 1859 baute Friedrich Hoffmann einen ersten Ringofen und ermöglichte nach der Erfindung der Ton-Schneidemaschine die Massenproduktion dieses für die industrielle Revolution so wichtigen Baumaterials in einer durchgängigen Qualität. Künstliche Steine stellen bis heute für viele Bauaufgaben von kleiner bis mittlerer Größenordnung in Verbindung mit Stahlbeton das wesentliche Rohbaumaterial dar. Das Bauprodukt wurde dabei den erhöhten bauphysikalischen und baubetrieblichen Anforderungen angepasst. Der künstliche Stein stellt heute in vielen Anwendungsformen, insbesondere in seinem Einsatz in der Gebäudehülle, ein hochentwickeltes industrielles Produkt dar.

1. Künstliche Steine

241

1 Lehmziegel werden an der Luft zum Trocknen ausgelegt.

2 Aktuelle Lehmziegelherstellung in Marroko. Im Vordergrund wird die Lehmmasse eingesumpft, nach der Herstellung der Ziegel in Handarbeit werden diese zum Trocknen ausgelegt.

3 Römische Ziegel, die für den Bau einer Hypokaustheizung verwendet wurden (Rekonstruktion in der Villa Rustica bei Lauffen/ Neckar).

242

IV Bauprodukte

Ziegel werden aus Lehm, Ton oder tonigen Massen hergestellt und gebrannt. Zu fette Ausgangsstoffe müssen durch Zusätze von Sand, Ziegelmehl, Asche, etc. gemagert werden. Der Ziegelton wird je nach seinen Eigenschaften durch Mischen, Schlämmen, Einsumpfen, Auswintern aufbereitet. Weiterhin wird das Mischgut durch ein Walzwerk geführt und zermahlen. Ein abschließendes sog. Mauken oder Sumpfen verbessert die Plastizität und die Bindefähigkeit der Tonmasse.

2.

Gebrannte Ziegel

2.1

Ausgangsstoffe

2.2

Herstellung

In der Regel erfolgt die Herstellung gebrannter Ziegel durch einen Strangpressvorgang, aber auch gepresste Ziegel auf vertikalen Stempelpressen sind möglich. Die entstandenen Rohlinge werden bei einer Temperatur von ca. 100° C getrocknet, wobei dem Ton das Anmachwasser entzogen wird, um ein späteres Zertreiben der Steine durch Dampfentwicklung während des Brennvorganges zu vermeiden. Nach dem Trocknungsvorgang werden die Rohlinge bei einer Temperatur von 900 bis 1100° C gebrannt. Durch die Silicatisierung beim Brennprozess werden die Rohstoffpartikel irreversibel verbunden. Nachdem der Ziegel den Ofen verlassen hat, besitzt er seine endgültigen Eigenschaften und kann nach dem Abkühlvorgang auch sofort verarbeitet werden.

2.3

Färbung

Entsprechend dem Ausgangsstoff und der Ofenatmosphäre erhalten gebrannte Ziegel unterschiedliche Farbe: • hoher Eisenoxidanteil sowie sauerstoffreiche Ofenatmosphäre bewirkt eine Rotfärbung der Mauerziegel. • hoher Mergelgehalt oder geringer Eisenoxidanteil: Gelbfärbung. • Sauerstoffarme Ofenatmosphäre: dunkle Färbung.

2.4

Auswahlkriterien

Für gemauerte Wände stehen klein-, mittel- und großformatige Mauersteine in vielfältiger Form und Abmessung zur Verfügung. Sie können auf spezifische Funktionen hin spezialisiert sein wie • Belastung (Druckfestigkeit) • Wärmeschutz • Schallschutz • Brandschutz • Schlagregenschutz • Frostbeständigkeit • Verarbeitung

1. Künstliche Steine

243

Die Steinformate werden auf der Basis des oktametrischen Maßsystems ( ☞) gekennzeichnet als Vielfaches von ( 4-5):

2.5

Nennmaße und Kenngrößen

☞ Kap. II-3, Abschn. 2.1 Das oktame• DF (Dünnformat) Steinhöhe 52 mm

trische Maßsystem, S. 53

• NF (Normalformat) Steinhöhe 71 mm • Länge bzw. Breite: 115, 145, 175, 240, 300, 365, 490 mm • Höhe: 52, 71, 113, 238 mm • Rochdichte: 0,7 bis 2,2 kg/ dm3 • Druckfestigkeitsklasse: 12 bis 60 N/mm2 Bezeichnungsbeispiel: Ziegel DIN 105 Mz (Vollziegel) 12 -1,8 -2DF ( 6) DF



5,2

Steinformat

Länge in mm

Breite in mm

Höhe in mm

DF NF 2 DF = 1,5 NF 3 DF = 2,5 NF 3,20 DF 3,75 DF 4 DF 4 DF 5 DF 5 DF 6 DF 6 DF 6 DF 7,5 DF 8 DF 8 DF 8 DF 9 DF 10 DF 12 DF 12 DF 14 DF 15 DF 16 DF 20 DF

240 240 240 240 145 300 (308) 240 (248) 240 (248) 300 (308) 300 (308) 365 (373) 365 (373) 490 (498) 300 (308) 240 (248) 490 (498) 490 (498) 365 (373) 240 (248) 365 (373) 490 (498) 240 (248) 365 (373) 490 (498) 490 (498)

115 115 115 175 300 175 115 240 115 240 115 240 175 175 240 115 240 175 300 240 175 425 300 240 300

52 71 113 113 113 113 238 (249) 113 (124) 238 (249) 113 (124) 238 (249) 113 (124) 113 (124) 238 (249) 238 (249) 238 (249) 113 (124) 238 (249) 238 (249) 238 (249) 238 (249) 238 (249) 238 (249) 238 (249) 238 (249)

11,5 NF

7,1

11,5 2DF

11,3

11,5 4DF

5DF

6DF

8DF

7,5DF

9DF

12DF

5DF

6DF

8DF

10DF

12DF

16DF

23,8 11,5 3DF 11,3 17,5 4DF 11,3 24 8DF

4 Übersicht der Formate künstlicher Ziegelsteine als Vielfache des Dünnformates.

23,8 24

24

30

36,5

49

5 Übersicht der Maße von künstlichen Ziegelsteinen.

244

2.6

IV Bauprodukte

Grundsätzlich werden folgende 3 Ziegelarten unterschieden: ( 7)

Ziegelformen

• Vollziegel: mit und ohne Lochung • Hochlochziegel: Lochung senkrecht zur Lagerfläche

Vollziegel ungelocht

Hochlochziegel

Mauertafelziegel

Vollziegel gelocht

Hochlochziegel mit Griffschlitz

Langlochziegel

7 Grundtypen gebrannter Ziegelsteine.

• Langlochziegel: Lochung parallel zur Lagerfläche • Vollziegel (Mz): gelocht oder ungelocht. Ziegel, deren Querschnitt bis zu 15 % gemindert sein darf, z.B. zur Integration von Grifflöchern. Lochung A (rund), B (quadratisch) oder W (Waben) (Grund der Lochung: Gewichtsersparnis, Verminderung von Arbeitsaufwand, Reduzierung des Schwindprozesses) mit einem Lochanteil von 15 - 35 % • Leichthochlochziegel (LHIz): oder porosiertes Ziegelmauerwerk für Außenwandbauteile. Es handelt sich um senkrecht zur Lagerfuge gelochte Ziegel. Die Steine können als die Antwort der Ziegelindustrie auf die erhöhten Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz in den 80er Jahren verstanden werden. Der Gesamtlochquerschnitt liegt nach DIN 105 bei bis zu 50 % der Lagerfläche ( 8-13).

8 Moderner Leichthochlochziegel mit Zahnleiste an der Stoßfuge.

9 Moderner Aus-senwand-Planziegel mit Perlitefüllung in den Kammern (Hersteller: Fa. Wienerberger).

10 Fugenbild einer mit Dünnbettmörtel vermauerten modernen Mauerwerksaußenwand aus großformatigen Leichthochloch-Planziegeln.

11 Formschlüssige mörtellose Stoßfuge zur Vermeidung einer thermischen Schwachstelle durch die Mörtelschicht.

1. Künstliche Steine

245

Verfügbare Steinformate, Druckfestigkeitsklassen und Rohdichteklassen nach DIN 105 (in Auszügen) Ziegelart

Kurzbezeichnung

Hochlochziegel DIN 105, Teil 1 Vormauerhochlochziegel DIN 105, Teil 1 Vollziegel Vormauerziegel DIN 105, Teil 1 Hochlochklinker DIN 105, Teil 1 Vollklinker DIN 105, Teil 1 Leichthochlochziegel DIN 105, Teil 2

HLzA HLzB VHLzA VHLzB Mz VMz

Mauertafelziegel DIN 105, Teil 2 Vollziegel Hochlochziegel Vollklinker Hochlochklinker DIN 105, Teil 3 Keramik-Vollklinker Keramikhochlochklinker DIN 105, Teil 4 Leichtlanglochziegel Leichtlanglochziegelplatte DIN 105, Teil 5 Planvollziegel Planhochlochziegel Planklinker DIN V 105, Teil 6 1)

Rohdichteklasse in kg/dm3 1,2 - 1,6

Festigkeitsklasse in N/mm2 4 - 28

Formate

1,4 - 1,6

12 - 28

NF - 3DF

1,6 - 2,2

12 - 28

NF - 5 DF

KHLzA KHLzB KMz

≥ 1,9

28

NF - 3 DF

≥ 1,9

28

NF, DF

HLzA HLzB HLzW HLzT

0,7 - 10

4 - 12

2 DF - 16 DF

0,8 - 1,0

6 - 28

8 DF - 24 DF

Mz/VMz HLz/VHLz KMz KHLz

1,2 - 2,2

36 - 60

NF - 5 DF

KK KHK

1,6 - 2,2

60

NF - 2 DF

LLz LLp

0,5 - 1,0

2 - 12

NF - 16 DF 60 - 115s1)

PMz PHLz PKMz

0,7 - 2,0

2 - 28

NF - 10 DF

NF - 16 DF

Bei LLp Leichtlanglochziegelplatte Angabe der Steinstärke mit dem Zusatz s

6 Übersicht der verfügbaren Steinformate mit Druckfestigkeits- und Rohdichteklassen für gebrannte Ziegelsteine.

12 Zur Verringerung eines Wärmebrückeneffekts mit Leichtmörtel vermauerte Leichthochlochziegel. 13 Formziegel werden heute von den meisten Herstellern als Ergänzung angeboten. Hier als Anschlagziegel an der Fensteröffnung.

246

IV Bauprodukte

Besonders zu erwähnen sind: •• Max. Druckfestigkeitsklasse 20 N/mm2 •• Max. Rohdichte 1,0 kg/dm3 •• Entstehung der Porosierung beim Brennen durch Zugabe von Sägespänen, Styroporkugeln oder ähnlichen porenbildenden Materialien, die während des Brennvorganges ausgebrannt werden und so Hohlräume erzeugen. •• Die Steine werden als Außenwandsteine eingesetzt und werden in der Lagerfuge mit Leichtmörtel, Dünnbettmörtel oder Mittelbettmörtel vermauert. Im Bereich der Stoßfuge erfolgt die Fügung über die formschlüssige Verzahnung der Steine. • Mauertafel- und Mauertafelleichtziegel: großformatige Hochlochziegel mit durchgehenden senkrechten Kanälen. Durch diese kann Bewehrung geführt werden, die dann mit Mörtel vergossen wird – Herstellung nach DIN 1053, Teil 4. • Vormauervoll-, Vormauerhochloch- und Vormauerleichthochlochziegel (VMz, VHlz): Sammelbegriffe für zur Verblendung geeignete Ziegel, die frostbeständig nach DIN 52 252, Teil 1 sein müssen. Eine Strukturierung der Oberfläche ist zulässig.

14 Herstellung einer Ziegelmontagedecke. Die Formsteine werden zwischen bewehrte Stahlbetonträger eingehängt und vergossen.

• Vollklinker und Hochlochklinker (KMz, KHlz): frostbeständige, an der Oberfläche bis zur Sinterung gebrannte Ziegel. Die eignen sich insbesondere für hochbeanspruchtes Mauerwerk. • Mittlere Scherbenrohdichte von 1,90 kg/dm3 • Massenanteil der Wasseraufnahme max. 7% • Druckfestigkeit ≥ 28 N/mm2 (DIN 105, Teil 1) • Keramikvoll- und Keramikhochlochklinker (KK, KHK): Herstellung aus besonders hochwertigen und dichtbrennenden Tonen. Keramikklinker werden überall dort eingesetzt, wo eine hohe Widerstandsfähigkeit der Mauerwerksoberflächen gefordert ist.

15 Ziegelelementdecke als präfabriziertes Fertigteil im Rohbau.

• Mittlere Scherbenrohdichte von 2,00 kg/dm3 • Druckfestigkeit ≥ 60 N/mm2 • Ritzhärte der Oberfläche nach Mohs mind. 5 • Beständig gegen Flusssäure

1. Künstliche Steine

247

• Leichtlanglochziegel und Leichtlanglochziegelplatten: Beide werden vor allem im Innenausbau zur Erstellung von Trennwänden verwendet. Die Lochung verläuft parallel zur Lagerfuge. Leichtlanglochziegelplatten dürfen nur zur Erstellung von nichttragendem Mauerwerk eingesetzt werden und stellen eine Sonderform im Mauerwerksbau dar. • Formziegel und Handformziegel: Ziegel mit unregelmäßigen Oberflächen, z. B. zur Ergänzung von Verblendmauerwerk. Neben den o. g. Ziegelsteinen gibt es heute eine Vielzahl von Ziegelprodukten, bei denen Ton über seine ursprüngliche Anwendung hinaus als hochspezialisierter Werkstoff eingesetzt wird. Sie erweitern die Einsatz- und Formgebungsmöglichkeiten von Ton weit über die traditionelle Steinanwendung hinaus. Hier sind nur einige Beispiele genannt ( ☞):

2.7

Sonderziegel

☞ Band 3, Kap. XII-3 Schalensysteme und ebda. Kap. XIII-3 Vertikale Raumabtrennungen

• Ziegelelementdecken und Ziegelmontagedecken werden unterschieden in: •• statisch mitwirkende Ziegel für Decken und Wandtafeln •• statisch nicht mitwirkende Deckenziegel Beiden Konstruktionsmethoden ist gemeinsam, dass Ziegelformsteine als Lochziegel oder Hohlkammersteine in der massiven Deckenkonstruktion integriert werden und somit das Gesamtgewicht der Decke reduzieren. Die Ziegel können sowohl in vorgefertigter Form als statisch wirksamer Teil einer Platte, als Montagesteine oder aber als quasi verlorene Schalung einer Stahlbetonrippendecke eingesetzt werden. Gründe für diese hierzulande eher ungewöhnliche Anwendungsform von Ziegelmaterial sind z. B. der hohe Vorfertigungsgrad oder die Möglichkeit des Selbstbaus ohne aufwändige Schalung ( 14-15). • Ziegel-Vorhangfassade (z. B. Fa. Argeton) Als Beispiel für die heute mögliche hochspezialisierte Anwendung für gebranntes Ziegelmaterial soll hier die Ziegel-Vorhangfassade der Firma Argeton erwähnt werden. Die Hohlkammer-Ziegelelementsteine werden als hinterlüftetes Fassadensystem mit einer systemeigenen Metallunterkonstruktion eingesetzt ( 16).

16 Argeton-Ziegelvorhangfassade (Fa. Wienerberger ArGeTon® ).

248

IV Bauprodukte

3.

Ungebrannte Mauersteine

3.1

Kalksandsteine & DIN V 106, Teile 1+2; E DIN 106, Teile 1+2; E DIN EN 771-2

Kalksandsteine nach DIN 106 werden aus erdfeuchtem Kalk und Quarzsand unter Dampfdruck gehärtet. Das Verfahren zur Kalksandsteinherstellung wurde 1880 patentiert. Zur Herstellung wird Quarzsand in der Körnung 0-4 mm verwendet. Das Bindemittel ist Branntkalk (CaO-Gehalt von über 90%). Branntkalk entsteht beim Brennen von Kalkstein ab einer Temperatur von 900°C. Dieser wird vor dem Brennvorgang mit Sand im Verhältnis von 1/12 gemischt und in einem Reaktionsbehälter zwischengelagert. Hier wird der Branntkalk in einem exothermen Vorgang zum Bindemittel Kalkhydrat reduziert. Mit der vollständigen Beendigung dieses Vorgangs, der mit einer Volumenvergrößerung des Mischgutes einhergeht, kann das Kalksandgemisch in Formen gefüllt, verdichtet und zu Steinrohlingen geformt werden. Das Aushärten der Rohlinge erfolgt in Autoklaven bei einer Temperatur von ca. 200°C. Die Steine erreichen ihre Festigkeit durch die Verbindung des Bindemittels Kalkhydrat mit dem Siliciumoxid des Quarzsandes. Die Steine sind nach dem Abkühlen sofort einsetzbar. Es gelten hohe Anforderungen bezüglich: • Ausblühung (Vormauersteine) • Verfärbungen (Vormauersteine) • Maßabweichungen

3.1.1 Kurzbezeichnungen

Folgende Arten von Kalksandsteinen können unterschieden werden: 1 • KS



Vollstein (h > 113 mm Blockstein)

• KS-R • KS L

Ergänzung bei Nut- und Federsystemen

Loch- und Hohlblockstein > 15% Lochanteilfl.

• KS ((L)-R) P

Planstein, Erg. R s.o., Erg. L s.o.

• KS F

Fasenstein

• KS XL-RE

Rasterelemente (markenabhängig)

• KS XL-PE

Planelemente (markenabhängig)

• KS Vm (VmL) Vormauerstein/Vollst. (L: Erg. bei Lochstein) • KS Vb (VbL) 3.1.2 Steinformate

Verblender

Wie beim Ziegelmauerwerk schon erwähnt, wird auch beim Kalksandstein die Steingröße als Vielfaches des Dünnformates DF definiert – z. B. 10 DF, 16 DF etc. ( 17, 18).

1. Künstliche Steine

249

Festigkeitsklasse: 4 - 60 N/mm2: 12, 20 und 28 N/mm2 werden häufig eingesetzt.

3.1.3 Kennwerte

Rohdichte: 0,6 - 2,2 kg/dm3 Verlegung von sog. Plansteinen im Dünnbettmörtel auch bei Kalksandsteinen möglich ( 19, 20). Kalksandsteine sind sehr kostengünstig. Ein gewisser Nachteil ist die Notwendigkeit von zusätzlichen Wärmeschutzmaßnahmen an der Außenwand, da eine Porosierung des Stoffgefüges wie bei Tonmaterial nicht möglich ist.

17 Verschiedene Ausführungen von Kalksandsteinen als Voll- und Lochsteine.

19 Großformatige Kalksandsteine werden mit Hilfe von Hebewerkzeug vermauert.



18 Kellerwände aus Kalksandsteinen.

20 Verarbeitung von Kalksandsteinen mit Dünnbettmörtel.

250

3.2

IV Bauprodukte

Porenbetonsteine ✏ früher auch als Gasbeton-/Schaumbetonsteine bezeichnet heute auch als AAC (Autoclaved Aerated Concrete) bekannt

& E DIN 4165 DIN 4166 & E DIN 4223-1 & DIN EN 12602

Porenbetonsteine (✏) werden aus Zement und/ oder Kalk und feingemahlenen kieselsäurehaltigen Stoffen unter Verwendung von gasbildenden Zusatzstoffen und Wasser hergestellt und unter gespanntem Dampf gehärtet. Ausgangsstoffe sind heute quarzhaltiger Sand, Bindemittel, Treibmittel, Wasser (und evtl. Zusatzstoffe). Der Sand wird dazu zementfein gemahlen, als Bindemittel kann Branntkalk und/oder Zement eingesetzt werden. Als Treibmittel für die Porosierung wird Aluminium als Pulver oder Paste eingemischt. Die Ausgangsstoffe werden dosiert und zu einer wässrigen Suspension vermischt. In den Steinformen löscht das Wasser den Kalk in einer exothermen Reaktion ab, das Aluminium reagiert mit dem Calciumhydroxid unter Freigabe von Wasserstoff. Dieser bewirkt die Porosierung der Steine, es bilden sich Poren mit einem Durchmesser bis ca. 1,5 mm. Der Wasserstoff entweicht danach rückstandslos aus den Steinen. Die entstandenen Blöcke sind lediglich Rohlinge, die anschließend in einer Schneideanlage zu den endgültigen Steinformaten geschnitten werden müssen. Die geschnittenen Rohlinge werden danach in Autoklaven ausgehärtet. Die Steine bestehen aus Calcium-Silikathydrat und besitzen nach dem Abkühlen ihre endgültigen Eigenschaften.2 Die Abmessungen dieser Steine werden unter Angabe von Länge x Breite x Höhe festgelegt. Porenbetonsteine haben maximale Abmessungen von 62,4 x 50,0 x 24,9 cm, Porenbetonbauplatten 99,0 x 20,0 x 39,0 cm.

3.2.1 Kurzbezeichnungen (genormte Porenbetonsteinarten)

Porenbetonsteine werden wie folgt unterschieden in: • PB

Porenbeton-Blockstein

• PP

Porenbeton-Planstein

• Ppl

Porenbeton-Bauplatte

• PPpl Porenbeton-Planbauplatte • PPE Porenbeton-Planelemente 3.2.2 Kennwerte 3.2.3 Porenbeton als Baumaterial

Festigkeitsklasse:

1,6; 2 ;4 ; 6; 8 N/mm2

Rohdichte:

0,3 - 1,0 kg/ dm3

Die Vorteile der Porenbetonsteine und -platten liegen in der auch für Laien einfachen Bearbeitbarkeit. Es lassen sich auf einfachste Weise massive einschalige Wandkonstruktionen erstellen ( 21, 22), die sowohl die Tragwerksfunktion als auch die Funktionen des Dämmens und des Schall- und Brandschutzes erfüllen. Es werden von verschiedenen Herstellern Bausätze für den Selbstbau angeboten. Daneben sind auch bewehrte Porenbeton-Bauteile lieferbar. Dazu

1. Künstliche Steine

251

gehören Dach- und Deckenplatten, Wandplatten und Wandtafeln für tragende /nicht tragende Außen- und Innenwände. Der Bewehrungsstahl muss durch eine spezielle Oberflächenbehandlung vor Korrosion geschützt werden ( 23, 24).

21 In sog. Stumpfstoßtechnik vermauerte Porenbetonsteine. Die porosierten Steine werden mit Dünnbettmörtel verklebt.

22 Großformatige Porenbetonsteine werden mit Hilfe von Hebewerkzeug vermauert.

23 Verlegen von bewehrten Porenbeton-Deckenplatten. Sie werden bis zu einer Länge von 750 cm und einer Breite von 75 cm industriell vorgefertigt.

24 Montage von geschosshohen tragenden bewehrten Wandtafeln aus Porenbeton beim Bau eines Einfamilienhauses.

252

3.3

IV Bauprodukte

Beton- und Leichtbetonsteine & Mauersteine aus Beton DIN 4226, DIN 18153 und E DIN 18153/A1 & Leichtbetonsteine DIN 18151, 18152 und E DIN 18151/A1, E DIN 18152/A2 & Wandplatten aus Leichtbeton DIN 18148 und 18162 & Zement DIN 1164 & Steinkohleflugasche DIN EN 450 & DIN EN 771-3 Festlegungen für Mauersteine ✏ Leichtbeton wird auch als LAC = ‚Lightweight Aggregate Concrete‘ bezeichnet

3.3.1 Kurzbezeichnungen

Steine aus porigen, mineralischen Zuschlägen und hydraulischem Bindemittel. Bei Betonsteinen ist dies Normalbeton mit dichtem Gefüge mit mineralischen Zuschlägen, bei Leichtbetonsteinen werden entsprechende Leichtzuschläge – Naturbims, Hüttenbims, Lavaschlacke, Tuff, Blähton, Blähschiefer, gesintere Steinkohleflugasche, Ziegelsplitt – mit hydraulischen Bindemitteln eingesetzt ( 25, 26). Die Bezeichnung der Steine nach den Zuschlägen ist auf dem Markt üblich (z. B. Ziegelsplitt-Vollsteine). Bei der Herstellung werden die Ausgangsstoffe (Bindemittel, Zuschläge und Wasser) gründlich gemischt. Das Mischgut wird in Vibrations-Steinformmaschinen verdichtet, es entstehen sog. Grünlinge, die für die Weiterverarbeitung in sich formstabil bleiben. In der Nachbehandlung werden durch Abgleichbürsten lose Teilchen und Grate entfernt. Die Grünlinge werden dann zur Vorhärtung eingelagert. Dieser Vorhärteprozess dauert zwischen 24 und 72 h, danach werden die Steine bereits zur Auslieferung verpackt und zur Endhärtung bis zum Erreichen der Nennfestigkeit im Freilager gelagert. • Hbl



• Hpl • Vbl

3.3.2 Kennwerte

Hohlblöcke aus Leichtbeton Hohlwandplatten aus Leichtbeton



Vollblöcke aus Leichtbeton

• V

Vollsteine aus Leichtbeton

• Vbl S

Vollblöcke aus Leichtbeton mit Schlitzen

• Vbl S-W

Vollblöcke aus Leichtbeton mit Schlitzen und besonderen Wärmedämmeigenschaften

• Hbn

Hohlblöcke aus Beton

• Vbn

Vollblöcke aus Beton

• Vn

Vollsteine aus Beton

• Vm

Vormauersteine aus Beton

• Vmb

Vormauerblöcke aus Beton

Festigkeitsklasse:

2 - 12 N/mm2

Rohdichte:

0,5-2,4 kg/dm3

1. Künstliche Steine

253

25 Fugenbild einer Außenwand aus Leichtbetonhohlblocksteinen.

26 Leichtbetonhohlblöcke mit integrierten Hartschaumdämmplatten.

Steine und Platten aus Beton oder Leichtbeton werden sowohl für tragendes wie auch nicht tragendes Mauerwerk eingesetzt. Die Wärmeleitfähigkeit von Leichtbeton wird von der Art der Zuschläge bestimmt. Betonmauerwerk findet auch als zweischaliges Mauerwerk Anwendung ( 27). Die maßliche Koordination von Betonsteinen erfolgt über das oktametrische Maßsystem. Großformatige Steine und Blöcke weisen Kammern senkrecht zur Lagerfläche der Steine auf.

3.3.3 Bauen mit Steinen und Platten aus Beton und Leichtbeton

27 Leichtbetonvormauersteine als Verblendschale von zweischaligem Mauerwerk.

254

3.4

IV Bauprodukte

Hüttensteine & DIN 398

3.4.1 Kurzbezeichnungen

Hüttensteine werden aus künstlich gewonnenen Zuschlägen – meist granulierte Hochofenschlacke – und hydraulischen Bindemitteln (Zement oder Kalk) hergestellt. Die Steine werden nach dem Mischen der Zuschläge in Stahlschalungen geformt und verdichtet. Die nach dem Ausschalen formbeständigen Steine werden an der Luft, unter Dampf, evtl. auch unter kohlensäurehaltigen Gasen ausgehärtet. • HSV



Hüttenvollsteine

• HSL



Hüttenlochsteine

• HHbl



Hüttenhohlblocksteine

3.4.2 Kennwerte

Festigkeitsklasse:

6 - 28 N/mm2



Rohdichte:

1,0 - 2,0 kg/dm3

Hüttensteine als Vormauersteine müssen mindestens die Festigkeitsklasse 12 erreichen. 3.5

Mantelbausteine

Betonwände können auch in sog. Mantelbauweisen erstellt werden. Hierzu werden großformatige Nut- und Federsteine aus Leichtbeton, Holzspanbeton ( 28) oder Schaumstoff addiert und abschnittsweise mit Beton verfüllt. Diese Bauweise wurde ursprünglich für den Selbstbau konzipiert, wird aber auch im herkömmlichen Geschossbau heute erfolgreich eingesetzt. Das Einbringen einer konstruktiven Bewehrung ist möglich (Stabstahl). Das Verfüllen der Kammern mit Beton muss gleichmäßig und mit Schläuchen erfolgen, damit der Druck des Frischbetons die als verlorene Schalung dienenden Mantelsteine nicht zerstört. • Betonschalungsstein, System Hinze • Schalungsstein aus Leichtbeton, System Gisoton mit integrierter Wärmedämmung

28 Schalungssteine in Holzspanbeton, die in Mantelbauweise als verlorene Schalung eingesetzt werden können, Hersteller: Fa. Rau, Nagold.

1. Künstliche Steine

Die grundsätzliche mechanische Aufgabe des Mauermörtels besteht in der vollflächigen Übertragung der Druck- und Schubkräfte zwischen Mauersteinen im Verband bei Schaffung einer begrenzter Zugfestigkeit, die indessen nicht angerechnet werden darf. Der Mauermörtel sorgt dank seiner Verarbeitung im plastischen Zustand für den Ausgleich von Unebenheiten an den Kontaktflächen mit dem Stein. Ferner übernimmt der Mörtel in Form von Putzüberzügen auch schützende und dichtende Aufgaben ( ☞). Mörtel im Mauerwerksbau werden aus Sand, Bindemittel und Wasser gemischt – evtl. mit Zusatzstoffen und -mitteln. Die Korngröße des Sandes beträgt zwischen 1 und 4 mm. Der Sand muss den Anforderungen der DIN 4226 entsprechen. Er darf vor allem keine schädigenden Beimengungen (z. B. Ton oder organische Bestandteile) enthalten. Als Bindemittel sind zugelassen: • Kalk nach DIN 1060-1 • Zement nach DIN EN 197-1 • Putz- und Mauerbinder nach DIN 4211 • sowie gleichwertige zugelassene Bindemittel Unter Zusatzstoffen versteht man Zusätze, die die Eigenschaften des Mörtels günstig beeinflussen (Baukalk, Trass, Gesteinsmehle). Sie verändern die Eigenschaften des Mörtels nachhaltig – Haftverbund mit dem Mauerwerk, Verarbeitbarkeit, Frostwiderstand etc. – und dürfen in größeren Mengen zugegeben werden. Zusatzmittel verändern die chemischen und pysikalischen Eigenschaften des Mörtels und werden nur in kleinen Mengen zugegeben: Luftporenbildner, Verflüssiger, Verzögerer, Erstarrungsbeschleuniger, Dichtungsmittel etc.. Die Wirkung dieser Zusatzmittel muss vor dem Vermauern durch eine Eignungsprüfung stets überprüft werden. Mauermörtel kann als sog. Baustellenmörtel direkt auf der Baustelle hergestellt werden, oder als sog. Werkmörtel im Mörtelwerk. Die Mischung mittels Maschine erfolgt nach Raumteilen oder Gewichtanteilen. Die Mischung von Hand kommt nur noch in Ausnahmefällen, z. B. bei kleinen Mengen zur Anwendung. Auf der Baustelle werden fast ausschließlich sog. Rezeptmörtel gemischt. Man geht dabei davon aus, dass der Rezeptmörtel ohne weitere Prüfung die gewünschten Anforderungen erfüllt. Abweichungen vom Mörtelrezept erfordern eine Eignungsprüfung. Im Werk hergestellter Mörtel garantiert eine sichere und gleichmäßige Einstellung seiner Eigenschaften. Dem Werkmörtel muss lediglich das Wasser beigemischt werden, dem Werk-Vormörtel noch das Bindemittel, nicht aber Sand, Zuschläge oder Zusätze. Folgende Werkmörtel werden unterschieden: • Werk-Trockenmörtel wird in Säcken oder im Silo geliefert, es

255

4.

Mauermörtel

☞ Kap. III-3, Abschn. 2. Technische Entwicklungsstufen von Mauerwerk > 3. Stufe, S. 140 ☞ diese werden unter Abschn. 5. Putzmörtel diskutiert ☞ Kap. III-3, Abschn. 3. Zusammensetzung des Mörtels, S. 143

256

IV Bauprodukte

muss nur noch Wasser in einer vom Hersteller angegebenen Menge zugegeben werden. • Werk-Frischmörtel wird auch kellenfertiger Mörtel genannt. Er wird in verarbeitbarem Zustand auf die Baustelle geliefert. Durch den beigegebenen Verzögerer bleibt der Mörtel bis zu 36 Stunden verarbeitbar. • Werk-Vormörtel ist vor allem in Norddeutschland üblich, einem Gemisch aus Kalk und Sand wird im Mischer Wasser und Zement zugegeben. • Mehrkammer-Silomörtel wird im Silo ausgeliefert, wobei die einzelnen Bestandteile in getrennten Kammern des Silos gelagert werden. Sie werden im Silo unter Wasserzugabe gemischt, so dass dem Silo verarbeitungsfähiger Mörtel entnommen werden kann. 4.1

Normalmörtel (NM): (Kalkmörtel, Kalkzementmörtel und Zementmörtel)

Normalmörtel (NM): Es handelt sich dabei um die klassichen Mörtel im Mauerwerksbau, die als Rezeptmörtel nach u. g. Tabelle als Baustellen- oder Werkmörtel eingesetzt werden – Mörtel nach DIN 4226, Teil 1 mit einer Trockenrohdichte ≥ 1,5 kg/dm3. Es handelt sich um die Mörtel der Mörtelgruppen I, II, IIa, III und IIIa ( 29).

4.2

Leichtmörtel (LM)

Leichtmörtel wird auch als wärmedämmender Mörtel bezeichnet. Er wird zur Unterbindung von Wärmebrücken in porosiertem hochdämmenden – i.a.R. grossformatigem – Mauerwerk eingesetzt. Leichtmörtel (LM) werden nach ihrer Wärmeleitfähigkeit in 2 Gruppen unterteilt: 3 • LM 21 (Wärmeleitfähigkeit 0,21 W/mK) • LM 36 (Wärmeleitfähigkeit 0,36 W/mK) Trockenrohdichten 0,7-1,0 kg/dm 3 durch Zugabe von Blähton, Blähschiefer, Blähglimmer, Polystyrolschaumperlen etc.. Die LM entsprechen einem Mörtel der Mörtelgruppe IIa, weisen aber größere Verformungen als Normalmörtel auf.

4.3

Dünnbettmörtel (DM)

Dünnbettmörtel dient zum Vermauern besonders maßhaltiger Steine – z.B. Porenbeton-Planblöcke. Sie werden ausschließlich als Werk-Trockenmörtel hergestellt und werden der Mörtelgruppe III zugeordnet. Die Lagerfugendicke ist von 1 bis 3 mm beschränkt, das maximale Größtkorn der Zuschläge liegt bei 1 mm. Wichtig ist die Zuordnung von Stein und Dünnbettmörtel, diese sollten nur im System, d.h. in einer erprobten und definierten Kombination vermauert werden ( 30).

1. Künstliche Steine

257

Mindestdruckfestigkeit im Alter von 28 Tagen (im Mittel)

Luftkalk Mörtelgruppe

Kalkteig u. Kalkhydrat

MG

I

Hydraul. Kalk (HL2)

Hochhydraul. Kalk (HL5) Putz- und Mauerbinder (MC5)

Zement

1 1 1 1

II

1,5

1 1 1

2 2 1 IIa

1 2

III IIIa

1 1 1 1

Sand Natursand

4 3 3 4,5 8 8 8 3 6 8 4 4

Haftscherfestigkeit im Alter von 28 Tagen (im Mittel)

N/mm2 (Eignungsprüfung)

N/mm2 (Güteprüfung)

N/mm2 (Eignungsprüfung)

3,5

2,5

0,10

7

5

0,20

14 25

10 20

0,25 0,30

29 Mörtelzusammensetzung, Mischungsverhältnisse für Normalmörtel in Raumteilen.

30 Anrühren von Dünnbettmörtel mit dem Quirl.

258

IV Bauprodukte

4.3.1 Vermauern von porosiertem Ziegelmauerwerk (LHlz)

Aufbringen des Dünnbettmörtels durch Eintauchen der Auflagerfläche des großformatigen Steins ( 31) oder – alternativ – Aufbringen des Leichtmörtels mittels einer Mörtelwalze ( 32).4 Einrichten der ersten Steinschicht und Setzen der großformatigen Steine mit Hilfe eines Montagekrans ( 33, 34).

4.4

Mittelbettmörtel (MM)

Mittelbettmörtel (MM) sind Mörtel, die gegenwärtig noch nicht in der DIN 1053 genormt sind, für die aber bereits eine bauaufsichtliche Zulassung erfolgt ist. Diese Mörtelsorte stellt gewissermaßen einen Kompromiss zum Einsatz von Leichthochlochziegelmauerwerk dar. Die Dicke der Mörtelfuge liegt bei 5-7 mm, ist also deutlich geringer als die Fugenausbildung bei Normal- oder Leichtmörtelanwendung. Durch die Erhöhung der Fugenstärke kann der technische Aufwand bei der Herstellung von Plansteinmauerwerk (Schleifen!) reduziert werden – dies bei gleichzeitiger Erhöhung der Mauerwerksdruckfestigkeit! Naturgemäß muss die Mörtelart bezüglich ihres Wärmedämmvermögens zum Einsatz im hoch wärmedämmenden Leichthochlochmauerwerk optimiert werden. MM werden i. a. R. als Werktrockenmörtel mit Faserzusatz hergestellt: • Druckfestigkeit βD ≥ 5 N/mm2 • Trockenrohdichte ρD ≤ 1,0 kg/dm3 • Haftscherfestigkeit βHS ≥ 0,2 N/mm2

4.5

Vormauermörtel (VM)

Wie die MM sind auch die Vormauermörtel nicht in der DIN 1053 genormt. Sie werden ausschließlich in der Verbindung mit Verblendschalenmauerwerk/Vormauersteinen verwendet und sind auf diese Anforderung in Bezug auf Gestaltung und Witterungsschutz hin abgestimmt. Sie müssen Anforderungen an die Mörtelgruppen II bis IIIa erfüllen.

4.6

Sonstige spezielle Mörtel

• Fugenmörtel für Verblendschalenmauerwerk • Gießmörtel zum Verbinden speziell ausgeformter Steine • Mauermörtel für Glasbausteine (Mörtel der MG III) • Mauermörtel für Schornsteinformsteine • Klebemörtel (kunststoffmodifizierte Portlandzementmörtel) • Einpressmörtel für Spannglieder nach DIN EN 447

1. Künstliche Steine

259

31 Aufbringen von Dünnbettmörtel durch Eintauchen.

32 Dünnbettmörtel wird mit Hilfe der Mörtelrolle auf die Stege der Hohlbocksteine aufgetragen.

33 Einrichten der ersten Schicht von Leichthochlochziegeln auf einer Leichtmörtelunterlage.

34 Vermauern von grossformatigem Ziegelmauerwerk mit dem Einsatz von Hebewerkzeug. Die Verwendung grossformatiger Steine führt zu einer wesentlichen Reduzierung des Mörtelfugenanteils.

260

5.

IV Bauprodukte

Mineralputze, Kunstharzputze und Wärmedämmverbundsysteme & DIN 18550, Teil 1-4 Putze & DIN 18557: Werkmörtel, Herstellung, Überwachung und Lieferung

Putz ist ein an Wänden oder Decken ein- oder mehrlagig in bestimmter Dicke aufgetragener Belag aus Putzmörtel oder Beschichtungsstoffen mit einem Korndurchmesser von 0,25 bis 4 mm, der seine endgültigen Eigenschaften erst durch Verfestigung am Bauteil erreicht. Nach der Beschichtungsdicke und der Art des verwendeten Mörtels bzw. Beschichtungsstoffes übernehmen Putze bauphysikalische Aufgaben des Feuchte- und Windschutzes sowie auch der Regulierung des Raumklimas und dienen der Oberflächengestaltung. Grundsätzliche Unterscheidung: • mineralische Bindemittel für Putzmörtel • organische Bindemittel für Putzmörtel (als Oberputz) (sog. Kunstharzputze). Beide können auch im Verbund wirken.

5.1

Außenputze

Sie müssen witterungsbeständig sein, d. h. insbesondere der Einwirkung von Feuchtigkeit und wechselnden Temperaturen widerstehen, sowie Regenschutz gewährleisten. Die Wasserdampfdiffusion zwischen innen und außen darf nicht unterbunden werden und der Außenputz keinesfalls als Dampfsperre wirken.

5.2

Innenputze

Sie müssen Anforderungen als Träger von Oberflächenbeschichtungen übernehmen, sowie Aufgaben des Brand- und Schallschutzes. Innenputz muss Wasserdampf rasch aufnehmen, speichern und wieder abgeben können (klimaregulierende Wirkung).

5.3

Ausgangsstoffe

Mineralische/organische Bindemittel und mineralische Zuschläge (Natursande, Perlite, Blähton, etc.)

5.4

Putzmörtelgruppen

Putzmörtel werden in folgenden Gruppen unterschieden: • Kalkmörtel der Mörtelgruppe PI Luftkalk- und Wasserkalkmörtel sowie Hydraulische Kalkmörtel • Kalkzementmörtel der Mörtelgruppe PII Hochhydraulischer Kalkmörtel, Mörtel mit Putz- und Mauerbinder sowie Kalkzementmörtel • Zementmörtel der Mörtelgruppe PIII Zementmörtel mit Zusätzen von Luftkalk und Zementmörtel • Gipshaltige Mörtel der Mörtelgruppe PIV Gipsmörtel, Gipssandmörtel, Gipskalkmörtel, Kalkgipsmörtel • Anhydritmörtel der Mörtelgruppe P V Anhydritmörtel und Anhydritkalkmörtel • Beschichtungsstoffe mit org. Bindemittel POrg.1 für Kunstharzputze als Innen- und Außenputz

1. Künstliche Steine

261

35 Gefilzter Putz

36 Geriebener Putz

37 Kellenstrichputz

38 Kellenwurfputz

39 Kratzputz

262

IV Bauprodukte

POrg.2 für Kunstharzputze als Innenputz 5.5

Lieferung und Anwendung

Bei der Verwendung von Mörteln am Bau werden folgende Liefer- und Herstellungszustände unterschieden: • Baustellenmörtel • Werkmörtel • Werktrockenmörtel

5.6

Putzaufbau

Der traditionelle Putzaufbau ist mehrlagig, ab der tragenden Außenwand bestehend aus ( 41): • Spritzbewurf als Haftgrund ( 42) • Unterputz als Hauptschicht • (evtl. Gittergewebeeinlage ( 45) • Oberputz als Oberfläche ( 35-39, 44)





Der Spritzbewurf als Vorbehandlung zählt nicht als eigene Putzlage, der Unterputz bildet die eigentliche Tragschicht, der dünne Oberputz dient der Gestaltung der Putzfläche. Entsprechend der alten Handwerksregel Nicht hart auf weich! soll der Unterputz mindestens so fest wie der Oberputz sein.

40 Historischer Dickputz auf einer Fachwerkkonstruktion mit Strohmatten als Trägermaterial.

Der Putzgrund, z. B. die Mauerwerksaußenwand, soll so beschaffen sein, dass eine ausreichende Haftung und eine gleichmäßig flächige Erhärtung des Putzes gewährleistet ist. Der feuchte Putz muss vor schneller und ungleichmäßiger Austrocknung geschützt werden, dies ist die häufigste Ursache für die Bildung von Rissen (durch Besprühen mit Wasser und/oder Abschirmung der Putzfläche).

• Putzstärken

• Außenputze mit 20 mm Putzstärke • Innenputze mit 15 mm Putzstärke • Einlagige Innenputze mit 10 mm Putzstärke ( 43)



• Putzsystem

Anwendung sog. Putzsysteme, d.h. nach DIN 18550, Teil 1 abgestimmter Putzschichtfolgen.5



• Putzweisen

Unter der Putzweise versteht man die oft lokal unterschiedlich ausgeführte Form der Oberflächengestaltung von Außen- und Innenputzen. Unterschieden werden hierbei: • Geglätteter oder geriebener Putz, Filzputz, Scheibenputz, Kratzputz, Kellenwurfputz usw. ( 35-39)

1. Künstliche Steine

263

• Edelputz als hochwertiger Fabrik-Trockenmörtel mit Natursteinmehlzusätzen • Besondere Putzoberflächen, wie Steinputz, Waschputz oder Sgraffitoputz

42 Manueller Spritzbewurf als Putzbasis auf einer Außenwand aus LHlz. Oberputz Unterputz mit Gittergewebeeinlage Spritzbewurf Mauerwerk (Putzgrund) 41 Schematische Darstellung des Aufbaues eines zweilagigen Außenputzes gemäß DIN 18550.

44 Aufbringen des Oberputzes.

43 Maschinelles Aufbringen und manuelles Glätten von einlagigem Innenputz.

45 Armierungsgewebe, hier zur Bewehrung eines Wärmedämmverbundsystems, wird heute häufig zur Aufnahme lokaler Zugspannungen in den Unterputz eingearbeitet.

264

IV Bauprodukte



46 Putzanschlussprofil zwischen Außenputz und Holzbauteil.

47 Putzeckprofil zur mechanischen Verstärkung: Außenecke bei einem Wärmedämmverbundsystem im Bereich der Armierungsschichten. Die Gittergewebeeinlage wird gerade eingearbeitet.

Anwendung verschiedener Putzarten

Wärmedämmputze werden überwiegend zweilagig ausgeführt. Sie bestehen in der Regel einem 20 bis 100 mm dicken Wärmedämmunterputz mit Zuschlägen aus expandiertem Polystyrolhartschaum und einem mineralischen Oberputz ( 49).

5.7.1 Wärmedämmverbundsystem (WDVS)

Eine Gebäudehülle muss heute zahlreichen Anforderungen in Bezug auf Witterungs-, Wärme-, Brand- und Schallschutz gerecht werden. In jedem dieser Bereiche bieten wärmegedämmte Fassaden entscheidende Vorteile. So sind WDVS nicht nur fugenlos und schlagregendicht, sondern zeichnen sich auch durch eine hohe Wasserdampfdurchlässigkeit aus. Zudem verlagert sich bei Wänden, die mit einem WDVS gedämmt wurden, der Taupunkt deutlich weiter nach außen. So wird ein Durchfeuchten des Mauerwerks wirksam verhindert ( 50).



Auf die Dämmplatten wird eine zum System gehörende Armierungsschicht - bestehend aus Armierungsmasse und Glasgittergewebe - aufgebracht. In der Regel entspricht die Armierungsmasse der Klebemasse, die auch zum Ankleben der Dämmplatten verwendet wird. Sie wird zweilagig, jeweils 2-3 mm dick, nass in nass aufgetragen, so dass das Gittergewebe mittig in der Armierungsschicht zu liegen kommt. Diese Armierung ist entscheidend für die Funktionsweise des WDVS, da Putze ansonsten stets einen festen Putzgrund erfordern, der bei traditionellem Mauerwerk durch die Maueroberfläche selbst gegeben ist. Da ein WDVS notgedrungen auf einem weichen Grund (Wärmedämmung) aufgebracht werden muss, ist die Gefahr der Rissbildung groß. Risse würden die Feuchte- und Regenschutzfunktion des Putzes beeinträchtigen, die Dämmung durchfeuchten und zu gravierenden Schäden führen ( 51).

5.7

• Armierungsschicht

1. Künstliche Steine

265

Die eingesetzten Kunstharzputze müssen andererseits ausreichend diffusionsfähig für Wasserdampf sein, damit kein Tauwasser an der inneren Grenzschicht zur Wärmedämmung anfällt. Diese teilweise konträren, sehr komplexen Anforderungen an ein WDVS führen zur Notwendigkeit, nur mit aufeinander abgestimmten Komponenten eines einzigen Herstellers zu arbeiten – deshalb WDV-System.

Außenputz

Sockelputz

Geländeoberkante Kiespackung Kelleraußenwandputz Abdichtung Noppenfolie

48 Anwendung verschiedener Putzsorten im spritz- und oberflächenwassergefährdeten Sockelbereich eines Mauerwerksbaus.

49 Eckausbildung eines Wärmedämmputzes mit einer Metallschiene zur Verstärkung. Der Unterputz mit porösen Zuschlagen wird in einer Stärke bis max. 100 mm ausgeführt.

Mauerwerk/ Tragende Außenw. Spachtelmasse Dämmplatte • Schaumplatte • Faserplatte Armierungsschicht (1. Lage) Glasfasergewebe Armierungsschicht (2. Lage) Evtl. Zwischenbeschichtung Oberputz

50 Schichtenmodell eines Wärmedämmverbundsystems.

51 Einarbeiten der Gittergewebearmierung aus Kunststoff- oder Glasfasergewebe in die Armierungsschichten eines Wärmedämmverbundsystems.

266



IV Bauprodukte

Anmerkungen

1 2 3 4 5

Belz et al. (1992) Mauerwerk Atlas, S. 74 ff; auch Frick et al. (1992) Baukonstruktionslehre Teil 1, S. 140 ff Belz et al. (1992) Mauerwerk Atlas, S. 78 ff; auch Frick et al. (1992) Baukonstruktionslehre Teil 1, S. 188 ff Frick et al, (1993) Baukonstruktionslehre Teil 1, S. 145 Fa. Wienerberger: Technische Verarbeitungsrichtlinien zum porosierten Ziegelmauerwerk Frick et al, (1993) Baukonstruktionslehre Teil 1, S. 566

I KONSTRUIEREN

1. Charakteristische Eigenschaften von Holz 1.1 Übersicht der Holzprodukte 2. Vollhölzer 2.1 Baurundholz 2.2 Schnittholz 2.2.1 Sortierklassen 2.2.2 Sortiermerkmale 2.2.3 Querschnittsformen 2.3 Brettschichtholz 3. Holzwerkstoffplatten 3.1 Lagenholzwerkstoffe 3.1.1 Furniersperrholz (FU) 3.1.2 Schichtholz (SCH) 3.1.3 Mehrlagen-Massivholz 3.2 Spannplatten 3.2.1 Spanstreifenhölzer 3.2.2 Langspanplatten 3.2.3 Flachpressplatten 3.3 Holzfaserplatten 3.3.1 Poröse Holzfaserplatten (SB) 3.3.2 Harte und mittelharte Holzfaserplatten 3.3.3 Mitteldichte Holzfaserplatten (MDF) 3.4 Holzwolle-Leichtbauplatten 4. Zusammengesetzte Querschnitte 4.1 Geleimte Profilträger 4.1.1 Trigonit-Holzleimbauträger 4.1.2 Wellstegträger 4.1.3 Träger mit Plattenstegen 4.2 Fachwerkträger 4.2.1 Nagelplattenbinder 4.2.2 Greimbinder Anmerkungen

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

268

1.

IV Bauprodukte

Charakteristische Eigenschaften von Holz

1 Assyrische Holzarbeiter mit einer Baumsäge, Beilen und Stützstangen ziehen zu Baumfällarbeiten aus.



Erste Arten von Sperrholz gab es bereits ca. 1500 v. Chr. in Ägypten. Man hatte bereits die Verbesserung der technischen Eigenschaften des Holzes durch die Weiterverarbeitung zu Holzwerkstoffen erkannt. Einzelne Furniere wurden schon mit Handsägen gesägt. Das Ziel war, wie heute auch, das Nutzen teurer und seltener Holzarten als Oberflächenbeschichtungen. Das erste Patent für eine Furnierschälmaschine wurde bereits 1818 vergeben, erst ab 1870 wurde mit der industriellen Herstellung von Furnieren begonnen.



✏ Masonite = (engl.) Hartfaserplatte

1.1

Holz war in der Baugeschichte wahrscheinlich das erste und lange Zeit auch das wichtigste Material für tragende Konstruktionen, vermutlich war es neben Knochenmaterial, Leder und Stein der erste Werkstoff der Menschheit überhaupt. Dazu trug vor allem die Verfügbarkeit, die einfache Bearbeitbarkeit und günstige Kombinierbarkeit mit anderen Materialien (z. B. Fellen) bei.1 Das Fällen und die Bearbeitung des Holzes, insbesondere das Herstellen von flächigen Holzerzeugnissen wie Dielen oder Brettern, waren in der Geschichte der Holzverwendung immer besondere technologische Herausforderungen. Feuer diente wohl zuerst als Hilfsmittel zum Fällen von Bäumen, später einfache Steinäxte, die in der Antike dann von Äxten und Sägen aus Bronze, Kupfer und später Eisen abgelöst wurden.2 Noch lange blieb das Herstellen von Balken und Dielen aus dem gefällten Baum ein handwerklich aufwendiger Prozess. Im Mittelalter musste eine Brett- oder eine Furniersäge von bis zu 4 Personen bedient werden. Im 12. Jahrhundert wurden die ersten wassergetriebenen Sägen entwickelt, dies waren zuerst Hubsägen, später Einblattgatter, ab dem frühen 19. Jahrhundert gab es die ersten Dampfsägewerke. Noch heute gliedert sich ein Sägewerk in die klassischen Bereiche des Arbeitsablaufes: Rundholzplatz - Sägehalle - Schnittholzplatz.3

Übersicht der Holzprodukte

Hartfaserplatten stellen eine Entwicklung der modernen Papierindustrie dar. Der Aufschluss der Fasern erfolgt chemisch oder mechanisch (Schleifen). 1920 verbesserte Mason ( ✏) die Herstellung von Hartfaserplatten durch das sog. Dampfexplosionsverfahren, 1934 Asplund durch das sog. Dampfzersetzungsverfahren. Die Entwicklung von Spanplatten verlief parallel zur Entwicklung von Klebstoffen auf Kunstharzbasis. Seit 1946 werden sie industriell gefertigt, neuere Platten, wie die OSB-Platte (seit 1969) aus den USA, sind gefolgt. • Vollholz • Holzwerkstoffplatten • Zusammengesetzte Querschnitte

2. Holzprodukte

269

2 Primitive Hütte aus Holzruten, vermutlich ein Typus früher Holzbauten.

3 Holzdachstuhl in Nordchina in traditioneller Konstruktion. Das Holz wird lediglich entrindet und als Rundholz verbaut.

4 Traditioneller Hof in den Alpen in Holzblockbauweise aus gesägten und behauenen Kreuzhölzern.

270

2.

IV Bauprodukte

Vollhölzer ✏ Ausformen: Der gefällte Baum wird ausgeformt, d. h. die Äste und der obere Teil der Krone wird entfernt, der Stamm bleibt zur Verwertung übrig

Entrindete Rund- und Schnitthölzer aus Nadel- und Laubholz. Das Entrinden der Laubholzstämme findet im Allgemeinen erst später statt, damit es über das Austrocknen des Holzes nach dem Ausformen zu keiner Rissebildung kommt. Roh- und Stammholz wird in 4 Güteklassen (A-D) klassifiziert: 4 A: Gesundes, fehlerfreies Holz (evtl. mit geringen Fehlern) B: Holz von normaler Güte mit einem oder mehreren Fehlern (z. B. schwacher Drehwuchs, schwache Krümmung) C: Gewerblich verwendbares Holz, das nicht in die Klassen A und B aufgenommen werden kann D: Noch bis zu 40% gewerblich verwertbar, kann aber wegen seiner Fehler nicht in die Klassen A, B und C aufgenommen werden

2.1

Baurundholz

Entastete und entrindete Stämme, die oft ohne weitere Bearbeitung im Rundholzbau verwendet werden ( 5). Verwendung: Gerüstbau, einfache Brücken, Gründungen (Rammpfähle), Masten, Abstützungen Charakteristisches Verhalten: Rissbildung infolge Schwindverformung, hohe Festigkeit, da natürliche Faserstruktur intakt.5

2.2

Schnittholz

Nach DIN 68252 ist Schnittholz ein Holzerzeugnis, das durch Sägen von Rundholz parallel zur Stammachse entsteht. Es kann scharfkantig sein oder Baumkanten aufweisen ( 6, 7). Nach DIN 4071 erfolgt die Sortierung von Nadelhölzern nach Sortiermerkmalen und -klassen. Die DIN unterscheidet eine visuelle und eine maschinelle Sortierung. Die Überwachung und Einhaltung des Sortierens ist von entscheidender Bedeutung, da diese Festlegungen die Voraussetzung für den Standsicherheitsnachweis der tragenden Holzbauteile sind. Die Sortierklassen (S7, S10, S13) sind gleichwertig mit den Güteklassen.6

5 Schälvorgang an einem Baumstamm.

2.2.1 Sortierklassen

Güteklassen von Schnittholz nach DIN 1052: Holz wird entsprechend seiner Qualität in unterschiedliche Güteklassen eingeteilt: I, II, III, IV. Bei der Einteilung in Güteklassen werden die Längen- und Breitenabmessungen berücksichtigt, sowie die Lage des Holzes im Stamm: Erdstamm, Mittelstamm oder Zopfstück (Krone). Weiterhin werden vorhandene Fehler berücksichtigt: z. B. Äste, Krümmungen, Drehwuchs, Rotholz, Trockenrisse, Verfärbungen oder Insektenbefall. Neben den o. g. visuellen Sortierklassen werden die Sortierklassen für maschinelle Sortierung unterschieden: MS7, MS10, MS13 und MS17

2. Holzprodukte

Rund- oder Scharfschnitt

SpiegelSchnitt

271

ModellSchnitt

Ganzholz; einstielig

HalbriftSchnitt

dreistielig

6 Einschnittarten von Stammholz für Bohlen und Bretter.

• Äste oder Astlöcher • Jahrringbreite • Faserneigung • Rissebildung • Krümmung • Druckholz • Verfärbungen • Insektenfraß • Mistelbefall

Kreuzholz; vierstielig

7 Einschnittarten von Stammholz für Balken und Kanthölzer.

Die maschinelle Sortierung darf nur mit geeigneten und geprüften Sortiermaschinen erfolgen, die visuelle Sortierung nur von qualifizierten Fachleuten durchgeführt werden. Die Sortierung erfolgt nach folgenden Merkmalen: • Breite von Baumkanten

Halbholz; zweistielig

2.2.2 Sortiermerkmale

272

IV Bauprodukte

Schnittholz wird unterschieden in ( 8): 7

2.2.3 Querschnittsformen

• Balken: größere Querschnittseite ≥ 200 mm • Kanthölzer: quadratischer oder rechteckiger Querschnitt mit einer Seitenlänge von min. 60 mm. Die große Querschnittsseite ist max. dreimal so groß wie die kürzere • Bohlen: (auch Rüstbohlen, Gerüstdielen oder Baubohlen), Stärke ≥ 40 mm. Die große Querschnittsseite ist mindestens doppelt so groß wie die kleinere • Bretter: Stärke von 8-39 mm, Breite min. 80 mm • Latten: Querschnittfläche bis 32 cm2 , Breite bis 80 mm

Rundholz, Halbrundholz

Latte

Brett

d

d

d

Kantholz

h

h

h d

Bohle

d

Balken

h

h

b

Kreuzholz (Rahmen)

b

8 Querschnittsformen von Schnittholz

2.3

Brettschichtholz

& E DIN EN 386: Brettschichtholz, Anforderungen an die Herstellung & DIN EN 390: Brettschichtholz, Maße, Grenzabmaße

Beim Brettschichtholz (BSH) werden mehrere (mindestens 3) Bretter, meist Nadelhölzer, zu einem Gesamtquerschnitt in einem Pressbett verleimt. Die Herstellung geschieht in klimatisierten Werkhallen unter Verwendung von sog. Leimpressen, nachdem die Hölzer zuvor technisch getrocknet wurden. Das Bindematerial sind Kunstharzleime. Größere Bauteile können mittels Keilzinkenverbindung zusammengesetzt werden ( 9). Nach der Leimpresse und ggf. der Herstellung einer Keilzinkenverbindung werden die Bauteile in der Dickhobelmaschine gehobelt. BSH ermöglicht die Herstellung von größeren Querschnitten und Trägerformen, die sich auch für größere Spannweiten eignen (Alternative für Träger aus Holz mit großen Spannweiten: Fachwerkträger) ( 10, 11). Ihre Abmessungen werden begrenzt durch die Größe der Hobelmaschinen und der Transportfahrzeuge.8 Die Vorteile des Brettschichtholzes liegen in der Reduktion des Verwindens und Schwindverhaltens und in der Erhöhung der Maßhaltigkeit und der Festigkeitswerte quer zur Faser.

2. Holzprodukte

273

9 Brettschichtholzträger mit Keilzinkung.

10 Formenvielfalt von Brettschichtholzbauteilen.

11 Brettschichtholzrahmen beim Firmengebäude eines Betriebs für Holzverarbeitung (Arch. Baumschlager/ Eberle).

274

3.

IV Bauprodukte

Holzwerkstoffplatten

Holzwerkstoffplatten sind plattenförmige Bauteile, die durch Pressen von Holzteilen wie Furnieren, Stäben und zerkleinerten Holzteilen wie Spänen, Fasern und Holzwolle unter Zugabe von Bindemitteln (z. B. Kunstharze, mineralische Bindemittel etc.) entstehen. Die Vorteile der Holzwerkstoffe sind das Vermeiden von Wachstumsfehlern, das gleichmäßigere Festigkeits- und Verformungsverhalten und die geringe Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeitsänderungen. Holzwerkstoffe unterscheiden sich nach Verkleinerungsgrad, Art und Qualität des verwendeten Holzes, Bindemittel und verwendetem Holz, Bindemittel und Pressverfahren. Sie werden in vier Gruppen eingeteilt ( 12):9 • Lagen(holz)werkstoffe • Verbund(holz)werkstoffe • Holzspanwerkstoffe • Holzfaserwerkstoffe

3.1 Lagenholzwerkstoffe (Sperr- und Schichtholz)

Sie bestehen allgemein aus mindestens 3 Holzlagen, die miteinander verklebt und zu Platten oder Formteilen verpresst werden.

3.1.1 Furniersperrholz (FU)

Sperrholz besteht aus mindestens drei Holzlagen, die aufeinandergeleimt und deren Faserrichtungen gegeneinander versetzt sind; dadurch können die einzelnen Furnierschichten nicht mehr ungehindert arbeiten, sie sperren sich gegenseitig ( 13, 14). Die Lagen können aus Furnieren, Holzstäben oder Holzstäbchen hergestellt werden.



Bau-Furniersperrholz (BFU): kreuzweise verleimtes (Phenolharze, Resorcinharze) Furnierholz (Schälfurniere) aus Nadel und/ oder Laubhölzern. Anwendungen: Mittragende und aussteifende Innen- und Außenwand-Verkleidungen, Beplankungen von Decken (tragender Unterboden), Dach- und Betonschalungen, Stege und andere tragende Konstruktionen (höchster E-Modul), hohe Resistenz gegenüber Witterungseinflüssen ( 15, 16).10 3.1.2 Schichtholz (SCH)

Schichtholz besteht aus mehreren Furnierlagen bis 3 mm Dicke, die aufeinandergeleimt und deren Faserrichtungen in Längsrichtung verlaufen; die Lagen können bei größeren Breiten zur Erhöhung der Stabilität auch querlaufend eingesetzt werden (max. 15% der Furnierlagen).11 Durch die eindeutig ausgerichtete Schichtung der Furniere erhalten die Schichtholzplatten eine große Festigkeit in Richtung des Faserverlaufs ( 14).

2. Holzprodukte

275

Holzwerkstoffe

Lagenholzwerkstoffe

Holzspanwerkstoffe

Holzfaserwerkstoffe

Unverdichtetes Lagenholz Furniersperrholz FU Bau-Furniersperrholz BFU Schichtholz SCH Lagenholzformteile Stabsperrholz ST Stäbchensperrholz STAE Bau-Stabsperrholz BST

Flachpressplatten FPY/FOP Leichte Flachpresspl. FP Kunststoffbeschichtete Flachpressplatten KF Langspanplatten OSB

Poröse Holzfaserplatten Holzfaser-Dämmplatten SB Bitumen-Holzfaserplatten SB.I

Spanholzformteile

Mehrlagenmassivholz

Strangpressplatten Vollplatten SV Röhrenplatten SR

Harte Holzfaserplatten HB Mittelharte Holzfaserpl. MB Extraharte Holzfaserpl. HB.I Mitteldichte Holzfaserplatte MDF

Mehrlagenmassivholz Kunstharzpressholz KP

Kunststoffbeschichtete Holzfaserplatten KH

Verbundwerkstoffe Sperrtüren Platten mit besonderen Mittellagen Hohlraumplatten Parkett-Verbundplatten

Besondere Holzwerkstoffe Fadenholz Leimholzplatten Fertigparkett

12 Übersicht: Einteilung der Holzwerkstoffe nach Nutsch, W. et al.: Holztechnik-Fachkunde S. 102

13 Bau-Furniersperrholz (BFU)

14 Bau-Furniersperrholz (BFU) aus Buche BFU-BU

15 Furnierschichtholz (FSH), Bild unten: Fachwerkträger aus FSH)

16 Bau-Furniersperrholz (BFU) als Fassadenmaterial (Wohnhaus)

276

IV Bauprodukte

Furnierschichtholz (FSH): Verleimte, ca. 3 mm dicke Schälfurniere – generell parallele oder weitgehend parallele Ausrichtung – aus Nadelholz (Produkte: Kerto-S ®, Microllam LVL®) Anwendungen: Geeignet für stabförmige Bauteile wie Sparren, Pfetten, Balken, Stützen, Binder, Fachwerkstäbe etc. Gekrümmte Träger sind im Gegensatz zu Brettschichtholz nur begrenzt ausschneidbar. Verwendung auch als flächenartiges Bauteil in Form von Platten, Scheiben, Beplankungen, Beläge. Nur bedingt witterungsbeständig! 3.1.3 Mehrlagen-Massivholz

Drei- und Fünfschichtplatten: Kreuzweise verleimte Brettlagen (drei oder seltener fünf Lagen) aus Nadelholz. Decklagen in geringerer Stärke als die Mittellage, die Lamellen sind 5-10 mm stark und ca. 100 mm breit. Es entsteht ein Holzwerkstoff, ähnlich einer aus Brettern verleimten Massivholzfläche.12 Anwendungen: Tragende, aussteifende und raumabschließende Funktionen, statisch wirksame Wand-, Decken- und Dachschalung außen und innen im Wohnungs- und Hallenbau. Als gebogenes und ebenes Bauteil möglich ( 17, 18).

3.2

Spanplatten

Spanplatten bestehen aus kleinen Holzspänen und/oder anderen holzartigen Faserstoffen sowie beigemischten Bindemitteln, wie Kunstharzen, aber auch Zement und Gips, die unter Pressdruck zusammengefügt werden (Pressspanplatten).13

3.2.1 Spanstreifenhölzer

Spanstreifenholz Intrallam LSL (Laminated Strand Lumber): miteinander verleimte Pappel-Spanstreifen (ca. 0,8 x 25 x 300 mm) ( 19). Anwendungen: Böden, Schalen und Dachkonstruktionen, wirtschaftliche Alternative zu Vollholz, Brettschichtholz Furnierstreifenholz Parallam PSL (Parallel Strand Lumber): Furnierstreifenholz aus ca. 16 mm breiten und ca. 3 mm dicken, parallel zur Balkenlängsachse ausgerichteten und miteinander verleimten Schälfurnierstreifen aus Douglas Fir oder Southern Yellow Pine. Parallam PSL wird im Standardquerschnitt 483 x 280 mm hergestellt. Die gewünschten Querschnitte werden anschließend vom Hersteller herausgeschnitten ( 20).14 Anwendung: Gut geeignetes Material für Träger wie Stützen, Firstbalken, Pfetten und Deckenträger, auch im Aussenbereich möglich.

3.2.2 Langspanplatten (OSB)

OSB-Flachpressplatten (Oriented Strand Boards) ( 21) Verleimte, vorzugsweise parallel zur Plattenoberfläche liegende Längsspäne (Strands, ca. 0,6 m dick, 75 mm lang, 35 mm breit). Die Längsspäne verlaufen vorzugsweise in den Deckschichten parallel und in der Mittelschicht quer zur Fertigungsrichtung. Dadurch ist die Biegefestigkeit in der Längsrichtung der Platten deutlich höher als in der Querrichtung.15

2. Holzprodukte

277

17 3-Schichtplatte aus Nadelholz.

18 Vorgefertigte Elemente aus Schichtplatten als Stadionüberdachung.

19 Spanstreifenholz Intrallam LSL (Laminated Strand Lumber).

20 Furnierstreifenholz Parallam PSL (Parallel Strand Lumber).

21 OSB-Flachpressplatte (Oriented Strand Board).

278

IV Bauprodukte

Anwendung: Dachschalung mit aussteifender Wirkung, Wandverkleidungen, Fußböden, Trennwände 3.2.3 Flachpressplatten (FPY)

Spanplatten-Flachpressplatten (FPY): unter Druck verleimte kleine Holzspäne (parallel zur Plattenebene) ( 22). Anwendung: Aussteifung und Bekleidungen von Decken, Böden, Wänden und Dächern, als Verschalung, Trägerelement für Furniere und Beschichtungen.16 Zementgebundene Flachpressplatten. Chemisch behandelte Holzspäne der Holzarten Fichte und Tanne werden mit Portlandzement gebunden ( 23) Anwendung: Tragende und aussteifende Beplankung von Innen- und Aussenwänden (witterungsbeständig!) Trockenestrich, Fassadenbekleidung.17 Gipsgebundene Flachpressplatten. Holzspäne aus Fichte und Espe werden mit kalziniertem Gips gebunden ( 24). Anwendung: Mittragende und aussteifende Beplankung von Wänden

3.3

Holzfaserplatten

Holzfaserplatten: Das Holz wird zur Herstellung von Holzfaserplatten zunächst mechanisch zu Hackschnitzeln zerkleinert und dann bei hohem Dampfdruck und hoher Temperatur zerfasert. Im Rührwerk- oder Propellerbütten wird der Faserstoff vermischt.18 Entsprechend der Plattenart wird dem Gemisch Klebharz, wässrige Bitumenemulsion oder Paraffin-Emulsion beigegeben. Die entstandene Fasersuspension wird entwässert und verdichtet. Die entstandenen Platten werden bei ca. 170°C getrocknet, gekühlt und auf Format geschnitten. Harte, mittelharte und extraharte Holzfaserplatten haben eine glatte Oberseite und je nach Herstellungsmethode eine strukturierte Unterseite. Die Verarbeitungsrichtung ist bei Holzfaserplatten bedeutungslos, da sie in jeder Richtung annähernd gleiche Schwindmaße aufweisen. Verschiedene Dekorplatten sind im Handel.

3.3.1 Poröse Holzfaserplatten (SB), Holzfaserdämmplatten (HFD)

Poröse Holzfaserplatten (SB oder HFD) haben ein poröses Gefüge, die Platten können wärmedämmende oder schallschützende Funktionen erfüllen, ihre Oberfläche ist streich- und tapezierfähig. Als bitumengetränkte poröse Holzfaserplatte (SB I oder BPH) sind die Platten extrem dauerhaft ( 25). Anwendung: Trennwand- und Türmittellagen, Trittschalldämmung, feuchteresistente Dämmebenen.19

3.3.2 Harte und mittelharte Holzfaserplatten

Harte Holzfaserplattewerden werden je nach Verdichtung in mittelharte Holzfaserplatten, harte Holzfaserplatten und extraharte Holzfaserplatten unterteilt. Harte Holzfaserplatten (HB oder HFH) ( 26) Sie werden im Naß- oder Halbtrockenverfahren durch starkes Ver-

2. Holzprodukte

279

22 Spanplatte/Flachpressplatte (FP).

23 Zementgebundene Flachpressplatte.

24 Gipsgebundene Flachpressplatte.

25 Poröse Holzfaserplatte.

26 Harte Holzfaserplatte (HFH).

280

IV Bauprodukte

pressen von verholzten Fasern und Harzen als Bindemittel unter Zugabe einer Kolophonium-Paraffin-Emulsion hergestellt. Anwendung: Innenausbau, Beplankung von Wänden, Deckenund Dachtafeln für Holzhäuser in Tafelbauweise. 3.3.3 Mitteldichte Holzfaserplatten (MDF)

Medium Density Fiberboard ( 27): Es handelt sich dabei um eine mitteldichte Faserplatte mit einem nahezu homogenen Aufbau. Sie werden i. a. R. dann eingesetzt, wenn es auf eine besonders feine Oberfläche ankommt, die weiterverarbeitet werden muss, z. B. für eine Lackierung.20 Anwendung: Innenausbau, Möbelbau, Beplankung von Wänden, Decken- und Dachtafeln für Holzhäuser in Tafelbauweise

3.4

Holzwolle-Leichtbauplatten bestehen aus Holzwolle und mineralischen Bindemitteln wie Zement, Magnesit, die unter leichtem Pressdruck hergestellt werden (Produkt: Heraklith®) ( 28), ggf. dreischichtig mit Dämmkern (Produkt: Heratekta®) ( 29). Anwendung: Wärmeschutz, Schallschutz, Brandschutz

Holzwolle-Leichtbauplatten (HLW)

Verschiedene Anwendungskategorien werden unterschieden:21 W:

nicht druckbelastbar

WD:

druckbelastbar

WV:

beanspruchbar auf Querzug

WB:

beanspruchbar auf Biegung

WS:

erhöhte Belastbarkeit für Sonderzwecke

2. Holzprodukte

281

27 Mitteldichte Holzfaserpaltte (MDF)

28 Holzwolleleichtbauplatte

29 Mehrschichtleichtbauplatte mit Dämmkern

282

IV Bauprodukte

4.

Zusammengesetzte Querschnitte

Zur Materialersparnis bei hoher Tragfähigkeit dienen industriell vorgefertigte zusammengesetzte Binder ( 30). Da diese sehr kostengünstig hergestellt werden und bis zu 20 m Spannweite überbrücken können, sind sie u. a. auf der Baustelle zum Stützen der Schalung, aber auch für einfache landwirtschaftliche Bauten interessant.

4.1

Geleimte Profilträger

Trigonit ® ist die Markenbezeichnung für einen Holzleimbauträger ( 31). Die diagonalen Hölzer, die den Steg des Trägers bilden, werden durch Keilzinken miteinander verbunden und an die Gurte durch Nagelung angeschlossen. Es können Einfach- oder Mehrfachgitterstäbe hergestellt werden, die Gurte können parallel, dreieckförmig oder pultartig zueinander verlaufen.22

4.1.1 Trigonit-Holzleimbauträger

4.1.2 Wellstegträger

Unter Wellstegträger versteht man einen doppel-T-förmigen Träger, bei dem in die Vollholzgurte Stege eingeleimt werden. Die Stege bestehen in einem sinuswellenförmig verlaufendem Sperrholz, um eine größere Festigkeit gegen Ausbeulen zu erzielen23 ( 32).

4.1.3 Träger mit Plattenstegen

Träger mit Plattenstegen sind geleimte oder genagelte Konstruktionen mit Gurten aus Vollhölzern und Stegen aus Holzwerkstoffplatten. Der Vorteil dieser Träger besteht in einer im Verhältnis zum Materialverbrauch hohen Tragfähigkeit ( 33). Beispiel: TJI-Träger (Truss Joist MacMillan, Ltd.) TJI-Träger sind Doppel-T-Träger mit Gurten aus Microllam und Stegen aus OSB, die mittels Phenolharzklebstoff miteinander verbunden werden.24

4.2

Fachwerkträger-Sonderbauweisen

4.2.1 Nagelplattenbinder

4.2.2 Greimbinder

Nagelplattenbinder sind Fachwerkträger, bei denen die Knotenpunkte der Gurte und Streben mittels Nagelplatten ausgebildet werden ( 34). Die Nagelplatten aus verzinktem Stahlblech werden beidseitig mit hydraulischen Pressen in die Hölzer gepresst. Nagelplattenbinder ermöglichen Spannweiten bis etwa 30 m.25 Die Greimbauweise für Fachwerkträger basiert auf einer Stahlblech-Holz-Nagelverbindung ( 35). Dabei werden Knotenbleche in Schlitze, die in die Hölzer eingesägt sind, gelegt und Nägel in die vorgebohrten Löcher getrieben.26

2. Holzprodukte

30 Dimensionsstabilität von Schnittholz und von einem zusammengesetzten Querschnitt.

32 Wellstegträger

34 Aufbau eines Nagelplattenbinders.

283

31 Trigonit-Holzleimbauträger.

33 Verschiedene Trägerquerschnitte, z. T. mit Plattenstegen.

35 Fachwerkträger in Greimbauweise.

284



IV Bauprodukte

Anmerkungen

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11 12 13

14 15 16 17 18 19 20 21

22 23 24 25 26

Natterer et al. (1980) Holzbau Atlas, S. 33ff vgl. www.fh-eberswalde.de Scheidegger (1990) Aus der Geschichte der Bautechik, S. 60 ff. und S. 172 ff. Nutsch et al. (2003) Fachkunde-Holztechnik, S. 33 Scheer et al. (1984) Der Holzbau, S. 10 Neuhaus (1994) Lehrbuch des Ingenieurholzbaus, S. 74ff Nutsch et al. (2003) Fachkunde-Holztechnik, S. 35 Neuhaus (1994) Lehrbuch des Ingenieurholzbaus, S. 78ff Neuhaus (1994) Lehrbuch des Ingenieurholzbaus, S. 52ff, auch: Scheer et al. (1984) Der Holzbau, S. 35ff, und Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. (Hg.) (1997) Holzbau-Handbuch Neuhaus (1994) Lehrbuch des Ingenieurholzbaus, S. 52, auch: Pfeifer et al. (1998) Der neue Holzbau, S. 18; Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. (Hg.) (1997) Holzbau-Handbuch, S. 5 Pfeifer et al. (1998) Der neue Holzbau, S. 16; Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. (Hg.) (1997) Holzbau-Handbuch, S. 7 Pfeifer et al. (1998) Der neue Holzbau, S. 17; Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. (Hg.) (1997) Holzbau-Handbuch, S. 4 Neuhaus (1994) Lehrbuch des Ingenieurholzbaus, S.52; Pfeifer et al. (1998) Der neue Holzbau, S. 20 und 22; Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. (Hg.) (1997) Holzbau-Handbuch, S.9 Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. (Hg.) (1997) Holzbau-Handbuch, S. 8 Pfeifer et al. (1998) Der neue Holzbau, S. 23; auch: Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. (Hg.)(1997) Holzbau-Handbuch, S. 10 Pfeifer et al. (1998) Der neue Holzbau, S. 24; auch: Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. (Hg.) (1997) Holzbau-Handbuch, S. 11 Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. (Hg.) (1997) Holzbau-Handbuch, S. 15, S. 16 Neuhaus (1994) Lehrbuch des Ingenieurholzbaus, S.52 Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. (Hrsg.) (1997) Holzbau-Handbuch, S. 12, S. 13 Pfeifer et al. (1998) Der neue Holzbau, S. 26 Neuhaus (1994) Lehrbuch des Ingenieurholzbaus, S.52; auch: Pfeifer et al. (1998) Der neue Holzbau, S. 27; Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. (Hg.) (1997) Holzbau-Handbuch, S. 19 Götz et al. (1998) Holzbau-Atlas, S. 56f Götz et al. (1998) Holzbau-Atlas, S. 56f Götz et al. (1998) Holzbau-Atlas, S. 57f; auch: Pfeifer et al. (1998) Der neue Holzbau, S. 55 Götz et al. (1998) Holzbau-Atlas, S. 57f Götz et al. (1998) Holzbau-Atlas, S. 57f

1. Geschichte der Herstellung von Eisen- und Stahlprodukten 1.1 Vorteile des Stahlbaus 1.2 Baustähle 1.2.1 Warmgewalzter unlegierter Baustahl 1.2.2 Schweißgeeignete Feinkornstähle 1.2.3 Wetterfeste Baustähle 1.2.4 Nichtrostende Stähle 2. Warmgewalzte Baustahlerzeugnisse 2.1 Flacherzeugnisse 2.2 Profilerzeugnisse 2.2.1 Stabstahl 2.2.2 Formstahl 2.2.3 Breitflanschstahl 2.3 Hohlprofilerzeugnisse (Rohre) 2.4 Trägertypen im Stahlbau 2.4.1 I-Träger (Schmaler I-Träger) 2.4.2 IPE - Profil (Mittelbreiter I-Träger) 2.4.3 IPB - Profil (Breitflanschträger) oder HE-Reihe 3. Kaltprofile 3.1 Kaltumgeformte Hohlprofile 3.2 Kaltgewalzte Trapezbleche 3.3 Kaltgeformte Stahlprofile 3.3.1 Technische Entwicklungsstufen von Trapezblech 3.3.2 Tragfähigkeit unterschiedlicher Trapezbleche 3.3.3 Verbunddeckenprofile 3.3.4 Kassettenaußenwand / Stahlkassetten 3.3.5 PUR-Sandwichelemente / Paneele 4. Metallische Gusswerkstoffe 4.1 Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) 4.2 Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) 4.3 Temperguss (GJM) 4.4 Stahlguss 5. Stranggepresste Metallprofile 6. Weitere Stahlprodukte 7. Betonstahl 7.1 Betonstahl nach DIN 488 7.2 Betonstahlfasern 7.3 Spannstähle im Spannbetonbau 7.4 Seile, Bündel und Kabel Anmerkungen

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

286

1.

IV Bauprodukte

Geschichte der Herstellung von Eisenund Stahlprodukten

1 Primitiver Eisenschmelzofen als Zugofen. Durch die obere Öffnung wurden Holzkohle und Eisenerz eingefüllt.

☞ Kap. III-6, Abschn. 1. Geschichtliche Entwicklungsstufen, S. 174

Bei den ersten Eisenfunden in der Menschheitsgeschichte dürfte es sich um Meteoreisen gehandelt haben, das aufgrund seiner ungewöhnlichen Materialität für Kultgegenstände verwendet wurde. Auch die ersten Erzeugnisse aus terrestrischem Eisen (ca. 2500 v. Chr.) waren Kultgegenstände. Im 1. Jahrtausend v. Chr. beginnt der Übergang von der Bronzezeit zur Eisenzeit. Seit ca. 2500 Jahren werden Eisen und Stahl im Bauwesen genutzt. Das sog. Rennfeuer ist das älteste Verfahren zur Eisengewinnung. Es handelt sich dabei um eine einfache Grube, in welcher der Schmelzvorgang mittels eines Gemisches aus Eisenerz und Holzkohle durchgeführt wurde. Das Resultat ist eine teigiger, mit Holzkohle und Verschmutzungen durchsetzter Eisenklumpen, die sog. Luppe, die mit hohem Aufwand an manueller Arbeit weiterverarbeitet werden muss. Erst im 14. Jahrhundert gelang es, im Hochofen das Eisenerz bis zu seinem Schmelzpunkt zu erhitzen. Man erhielt ein kohlenstoffhaltiges, nicht schmiedbares Roheisen (sog. Pig Iron: Schweineeisen,- was die Qualität dieses frühen Roheisens treffend beschreibt), das nur durch späteres Frischen, also durch das Reduzieren des Kohlenstoffgehaltes im Eisen, zu Stahl weiterverarbeitet werden konnte. Die wirkliche Massenproduktion von Eisen wird erst mit der Einführung des Kokses möglich.1 Die moderne, industrielle Nutzung von Eisen und Stahl ist heute ca. 250 Jahre alt und kann in 3 Phasen eingeteilt werden: • Gusseisenperiode von 1780 bis 1850. Das Gusseisen zeichnet sich durch seine Materialspröde und geringe Zugfestigkeit aus. • Schmiedeeisenperiode von 1850 bis 1900 • Stahlperiode von 1880 bis heute. Die Entwicklung neuer Hochleistungsstähle beginnt ab ca. 1960.



2 Querschnitt durch einen Puddelofen.

3 Stich eines Bessemerstahlwerks des 19. Jahrhunderts.

Der sog. Puddelofen (to puddle: engl. rühren, kneten) ermöglicht erstmals eine qualitativ hochwertige Eisenherstellung in großer Menge ( 2). Das Eisen kommt nicht mehr mit der Steinkohle in Berührung. Das 1784 von Henry Cort erfundene Verfahren erlaubt durch den Rührvorgang eine Reduzierung des Kohlenstoffgehalts. Der Bessemerkonverter ( 3) ermöglicht seit 1855 durch das Einblasen von Sauerstoff die Reduktion des Kohlenstoffgehalts im Eisen. Bei diesem Verfahren wird Luft durch das flüssige Roheisen gepresst und die nicht erwünschten Inhaltsstoffe, wie Kohlenstoff und Mangan, werden reduziert bzw. verbrannt. Der ursprüngliche Nachteil des Verfahrens - nur phosphorarmes Roheisen kann verarbeitet werden - wird durch C. Thomas um 1879 verbessert. Er versieht den Konverter mit einer basischen Verkleidung. Die kostengünstige Herstellung von Stahl wird fortan in großen Mengen möglich ( 4).

3. Stahlprodukte

287

Das Siemes-Martin-Herdfrischverfahren wurde ursprünglich zum Einschmelzen von Schrott und Abfall aus Walzwerken entwickelt. Durch eine sog. Regenerativgasfeuerung lässt sich eine Ofentemperatur von 1700° C erreichen. Es kann kontrolliert Stahl mit einem bestimmten Kohlenstoff- und Legierungsgehalt erschmolzen werden. Das Tiegel- oder Gussstahlverfahren wurde bereits um 1740 von B. Huntsman entwickelt und von A. Krupp um 1830 verbessert. Es werden einzelne beheizte Tiegel mit einem Inhalt von 30 - 50 kg verwendet, um einen meist hochlegierten Stahl ohne oder mit geringem Frischen zu gewinnen. Heutige Verfahren der Stahlerzeugung: • Elektrostahlverfahren: Im Lichtbogen oder im HochfrequenzInduktions-Tiegelofen wird die Schmelze elektrisch erhitzt ( 5). • Sauerstoffaufblasverfahren: Eisen wird durch Aufblasen technisch reinen Sauerstoffs auf die Eisenschmelze gefrischt (LD-Stahl, LD-AC-Stahl, Oxygenstahl) • Moderne Direktreduktionsverfahren (Direktreduktion und Schmelzreduktion): Sog. Tieftemperatur-Reduktionsverfahren haben bereits Betriebsreife erreicht. Brikettierte oder zu Pellets gepresste Eisenerze werden im festen (!) Zustand bei einer Maximaltemperatur von 800-900° C in porigen Eisenschwamm umgewandelt. Der Eisengehalt beträgt 90%. Wegen der geringeren Temperaturen können kostengünstigere Energieträger, wie z.B. Erdöl oder Kohle zur Roheisengewinnung eingesetzt werden. Kleinere Hüttenwerke als sog. Ministahlwerke können wirtschaftlich betrieben werden. Seit der industriellen Revolution haben Eisen und später der Stahl eine wichtige Rolle im Hochbau übernommen. Im Unterschied zum Mauerwerk handelt es sich hier um ein zähfestes Material, das in der Lage ist, hohe Zug- und Druckkräfte aufzunehmen. Dem Planer steht ein Katalog/Baukasten von normiertem Material/ Halbzeug zur Verfügung. Wesentliche Vorteile des Stahlbaus sind:

4 Schnitt durch einen Hochofen.

1.1

Vorteile des Stahlbaus

• Einfache Montage/Demontierbarkeit • Hohe Tragfähigkeit • Günstiges Verhältnis von Spannweite und Trägerhöhe • Trockenbau (Montagebauweise) • Präzision in der Ausführung (geringe Toleranzen)

5 Stahlkonverter im Betrieb.

288

1.2



IV Bauprodukte

Nach ihrer chemischen Zusammensetzung teilt man Stahlsorten in legierte und unlegierte Stähle ein. Die Legierungen, also die Beimischungen, entscheiden über die Eigenschaften des Stahls ( 6). Wichtig ist insbesondere der Kohlenstoffanteil; sein Anteil unterscheidet den Stahl vom Roheisen. Die Dosierung der Beimischungen ist in sehr engen Grenzen steuerbar, so dass eine große Gleichmäßigkeit in der Zusammensetzung und in den Eigenschaften des Stahls sichergestellt ist. Es werden grundsätzlich folgende Hauptgruppen unterschieden:

Baustähle

 DIN EN 10025-1, -2  DIN EN 10025-1, -3,-4, DIN EN 10113-1  DIN EN 10025-1, -5, DIN EN 10155  DIN EN 10088-1

• warmgewalzter unlegierter Baustahl • schweißgeeignete Feinkornstähle • wetterfester Baustahl • nichtrostender Stahl σ [N/mm²]

Stahlsaiten

2000

Stahldrähte

1500 Cr-Ni-Stahl Stahlstangen 1000

Schraubenstahl

S 690 Q 500

S 355 JO S 235 JR

6 Vergleichende Darstellung von Spannungs-Dehnungsdiagrammen unterschiedlicher Stähle.

5

8 10

15

20

25

ε [%]

3. Stahlprodukte

Es handelt sich bei dieser Gruppe um die Standardstähle im Hochbau:

289

1.2.1 Warmgewalzter unlegierter Baustahl

• unlegierter Grundstahl St 37-2, heute S 235 JR • unlegierter Grundstahl RSt 37-2, heute S 235 J0+N • unlegierter Qualitätsstahl St 52-3U, heute S 355 J0 • niedriglegierter Qualitätsstahl St 52-3N, heute S 355 J2 Frühere Unterscheidung in Mindestbruchfestigkeit in kp/mm 2, heute erfolgt die Einteilung der Stähle nach dem Mindestwert der Streckgrenze (Erzeugnisdicken ≤ 16 mm). Eine weitere Unterteilung erfolgt nach der Sprödbruchempfindlichkeit und der Schweißeignung. Diese Stähle haben ein sehr feinkörniges Metallgefüge mit einer Ferritkorngröße von 6 und kleiner.

1.2.2 Schweißgeeignete Feinkornstähle

• unlegierte Qualitätsstähle StE 275, heute S 275 ( ☞)

☞ siehe 1.2.1

• unlegierte Qualitätsstähle StE 355, heute S 355 ( ☞)

☞ siehe 1.2.1

• legierte Edelstähle StE 420, heute S 450J0 • legierte Edelstähle StE 460, heute S 450J0 Der Widerstand dieser Stähle gegen atmosphärische Korrosion wird durch die Zugabe von Legierungselementen (Kupfer und Chrom) erhöht:

1.2.3 Wetterfeste Baustähle

• wetterfester Baustahl WTSt 37-3, heute S 235J2W • wetterfester Baustahl WTSt 52-3, heute S 355K3W Stähle mit Chromanteilen ≥ 10,5% und einem Kohlenstoffanteil von max. 1,2% gelten im Sinne der Norm als nichtrostende Stähle. Sie unterscheiden sich darüber hinaus von den unlegierten Standardstählen durch eine wesentlich höhere Zugfestigkeit bei gleicher Streckgrenze und einer größeren Bruchdehnung. Die Korrosionsbeständigkeit wird durch den hohen Chromanteil der Stähle erreicht, sie führt unter Oxidation zu einer dünnen und zähen Passivschicht auf der Stahloberfläche. Eine Grundvoraussetzung für den Korrosionswiderstand ist deshalb der Kontakt mit Sauerstoff. Die Bezeichnung der Stähle schlüsselt im Vergleich mit anderen Stahlsorten die Zusammensetzung und Legierungsanteile sowie die Herstellung des Stahls auf.

1.2.4 Nichtrostende Stähle

290

IV Bauprodukte

Bezeichnungsbeispiel: Stahl EN 10088-2-X5CrNi18-10+1D (Nichtrostender Chrom-Nickel-Stahl) • X

Hochlegierter Stahl (Leg.-Anteil ≥ 5M.-%)

• 5

C-Gehalt ≤ 0,07 M.-%

• CrNi Chrom-Nickel-Legierungselemente

2.

Warmgewalzte Baustahlerzeugnisse

• 18

17-19,5 M.-% Cr

• 10

8-10,5 M.-% Ni

• +1D

Warmgewalzt, wärmebehandelt, gebeizt

Das Warmwalzen stellt den wichtigsten Herstellungsprozess von Halbzeug nach der eigentlichen Rohstahlerzeugung dar. 90% des Rohstahls werden heute ausgewalzt. Es handelt sich hierbei um einen Formungsprozess bei einer Materialtemperatur von 900 - 1000° C. 2 In einem Walzgerüst oder Walzstuhl sind Zylinder eingebaut, diese sind Teil einer Walzstraße. Auf ihr wird das Walzstück mittels Rollgängen bewegt. Der Querschnitt des Gussblocks, der Gussbramme oder der Vorbramme wird beim Walzprozess bis nahe der Größe des gewünschten Profils reduziert, die Endform erfolgt durch nachträgliches Kaltwalzen. Klassische Walzvorgänge sind sehr aufwendige Verfahren der Umformung. Der Walzprozess unterliegt heute starken technologischen Veränderungen, die z. B. zum sog. Gießwalzen geführt haben. Ausgangsprodukt ist hier der flüssige Stahl, der direkt seiner Endform zugeführt wird, bzw., über Bänder Profile addiert auszuwalzen ( 7, 8). Es werden grundsätzlich folgende Stahlerzeugnisse unterschieden: • Flacherzeugnisse • Profilerzeugnisse ( 9) • Hohlprofilerzeugnisse ( 10)

2.1

Flacherzeugnisse

Es werden Bleche und Band erzeugt. Blech wird in quadratischen und rechteckigen Tafeln geliefert. Nach der Blechdicke wird unterschieden: • Feinstblech > 0,5 mm Blechstärke • Feinbleche bis 3 mm Blechstärke • Mittelbleche > 3 bis 4,75 mm Blechstärke • Grobbleche > 4,75 mm Blechstärke

3. Stahlprodukte

291

Blockgießen

Stranggießen

Rohprofil

Vorprofil 29 Stiche

16 Stiche

5 Stiche

Fertigprofil 7 Stiche

7 Stiche

7 Stiche

7 Drahtwalzstraße der Badischen Stahlwerke in Kehl. 8 Umformung von verschiedenen Rohprofilen beim Warmwalzprozess, ausgehend von Block- und Strangguss. Ein Durchgang durch das Walzgerüst wird beim Warmwalzen als Stich bezeichnet.

9 Stahl-Profilerzeugnisse, Beispiele.

10 Hohlprofilerzeugnisse, Beispiele.

Neben warmgewalzten werden auch kaltgewalzte Bleche hergestellt. Sämtliche Bleche können mit einem Überzug aus Zink-Zinn (Weißblech) oder Kunststoff geliefert werden. Band, das nach dem Walzvorgang auf eine Rolle gewickelt wird, unterscheidet man nach dem Herstellungsprozess in Warm- und Kaltband.

292

2.2

IV Bauprodukte

Profilerzeugnisse

Aus Blechen erfolgt die Herstellung von Well-, Riffel-, Warzenblechen durch Umformen. Es werden grundsätzlich unterschieden: • Stabstahl • Formstahl • Breitflanschstahl

2.2.1 Stabstahl

Von Stabstahl spricht man bei Profilen bis zu einer Profilhöhe von < 80 mm. Sämtliche zu dieser Gruppe gehörigen Profile werden durch Warmwalzen hergestellt.

2.2.2 Formstahl

Von Formstahl spricht man ab einer Profilhöhe von 80 mm.

2.2.3 Breitflanschstahl

Breitflanschstahl gehört zu den Stabstahlerzeugnissen. Er dient zur Herstellung geschweißter I-Träger. Die Breite liegt zwischen 150 und 1250 mm, die Blechstärke zwischen 4,76 und 60 mm.

2.3

Hohlprofilerzeugnisse (Rohre)

Nach Herstellungsart werden nahtlose und geschweißte Rohre unterschieden. Durch warmes und kaltes Umformen runder Rohre werden Quadrat- und Rechteckhohlprofile erzeugt.

2.4

Trägertypen im Stahlbau

Darstellung der wichtigsten und gängigsten I-Träger ( 11):

2.4.1 I - Träger (Schmaler I - Träger)

Ältester ausgewalzter Trägertyp. Aufgrund des alten Walzverfahrens keine parallelen Flansche. Im Hochbau nur noch selten eingesetzt, spezieller Einsatz als Träger und Führung von Kranbahnen o. ä.

2.4.2 IPE - Profil (Mittelbreiter I - Träger)

In seinen Abstufungen mit einer Gesamthöhe von 80 - 600 mm im Geschossbau das am häufigsten eingesetzte Trägerprofil. Parallele Flansche und ein dünner Steg kennzeichnen das IPE-Profil als wirtschaftlichen Biegeträger. Weitere nicht genormte Reihen werden ausgewalzt (IPEv/IPEo/IPEa aus dem Programm von Klöckner oder ThyssenKrupp).3

2.4.3 IPB - Träger (Breitflanschträger) oder HE - Reihe

Es werden 3 Grundreihen von Breitflanschträgern ausgewalzt, teilweise sind auch Profile mit größeren Abmessungen erhältlich. • HEA - Träger / leichte Ausführung (früher IPBL) • HEB - Träger / normale Ausführung (früher IPB) • HEM - Träger / verstärkte Ausführung (früher IPBV) Stützen und Trägerprofile zum Abtragen hoher Lasten. Bis zum 300er - Profil Höhe = Breite, bei den größeren Profilen sind die Flansche immer in einer Breite von 300 mm ausgeführt.

3. Stahlprodukte

1

2

293

3

4

11 Warmgewalzte Doppel-T-Profile im Vergleich: 1 2 3 4

schmaler I-Träger mittelbreiter I-Träger/IPE-Profil HEA-Profil EB-Profil

Durch Kaltumformen von Blech, Flachstahl, Warm- oder Kaltband werden Profile hergestellt. Die Kaltprofilierung erlaubt eine freiere Gestaltung der Querschnitte.4 Dadurch wird eine weitgehende Anpassung an die Konstruktionsaufgabe mit guter Werkstoffausnutzung und geringerem Eigengewicht möglich. Durch Kaltumformen ist die gezielte Erhöhung der Tragfähigkeit möglich.

3.

Kaltprofile

Meist quadratische Querschnitte mit Kantenlängen von 20 bis 400 mm oder mit rechteckigem Querschnitt mit Abmessungen 40/20 bis 500/300 mm.

3.1

Kaltumgeformte Hohlprofile

Die Herstellung erfolgt durch das Kaltwalzen warmgewalzter Bleche und Bänder. Trapezbleche werden in zahlreichen, nicht genormten Profilreihen hergestellt ( 12, 13).

3.2

Kaltgewalzte Trapezbleche

Sie finden Verwendung im Fassadenbau für Wand- oder Dachbekleidungen, bei der Herstellung von Paneelen sowie bei der Erstellung von Geschossdecken im Stahl- oder Stahlverbundbau. Trapezbleche werden in Längen bis 18 m, Breiten von ca. 1 m und in Blechdicken von 0,56 bis 2 mm ausgeliefert. Besondere Korrosionsschutzmaßnahmen sind in der Herstellung von Trapezblech bereits integriert, insbesondere die Feuerverzinkung und/oder Beschichtung mit Kunststoff.

12 Kaltgewalzte Trapezbleche

13 Kaltgewalztes Trapezblech im Herstellungsprozess

294

3.3

IV Bauprodukte

Kaltgeformte Stahlprofile  DIN 18807-1 bis -3

3.3.1 Technische Entwicklungsstufen von Trapezblech

3.3.2 Tragfähigkeit unterschiedlicher Trapezbleche

Wegen der geringen Tragfähigkeit finden diese Profile im Hochbau selten Anwendung. So genannte C- oder Z-Profile werden insbesondere in den Ausbaugewerken eingesetzt. Als Beitrag zum Leichtbau dürften diese Profile aufgrund ihrer Materialökonomie in Zukunft eine wesentlich wichtigere Rolle spielen ( 14). Trapezbleche und Deckbleche für Paneele werden heute vor allem aus für die Kaltverformung geeignetem Stahl nach DIN EN 10147 mit einer Streckgrenze von mindestens 280 N/mm2 hergestellt. Ausgangshalbzeug ist in Coils aufgerolltes Stahlband mit Bandstärken von 0,4 bis 1,5 mm und Bandbreiten von 600 bis 1800 mm.5 Es gibt verschiedene Generationen von Trapezblechen ( 15): • Niedrige Trapezbleche mit Höhen bis zu 50 mm ohne Sicken (zusätzliche Steifen in der Profilgestaltung), die aufgrund der geringen statischen Nutzhöhe nur im Bereich der Gebäudehülle als Wetterhaut oder im Paneelverbund eingesetzt werden können. • Höhere Profile mit breiteren Gurten und zusätzlicher Sickenausbildung, die neben einhüllender auch tragende Funktion übernehmen können. • Die dritte und jüngste Generation von Trapezblechen zeigt eine wesentlich vergrößerte Profilhöhe und breitere Obergurte, die mit einer zusätzlichen Profilierung zur verbesserten Beulsteifigkeit versehen sind. Diese neuen Trapezbleche können tragende Funktionen bei Spannweiten bis zu ca. 10 m übernehmen.

3.3.3 Verbunddeckenprofile

Ein wesentlicher innovativer Beitrag der Trapezbleche liegt in ihrer Anwendung im Verbund mit Stahlbeton als Stahl-StahlbetonVerbunddeckenkonstruktion. Bei der Herstellung dienen die Trapezbleche als verlorene Schalung, und müssen in dieser Funktion im Bauzustand ggf. zusätzlich unterstützt werden. Der Einsatz erfolgt heute vor allem unter Verwendung von Trapezprofilen geringer Bauhöhe von ca. 50 - 70 mm. Das Profil dient in der Verbundwirkung mit dem Beton als Zugbewehrung an der Unterseite der Deckenkonstruktion.6 Die hinterzogenen Sicken dieser für den Verbundbau hergestellten Trapezbleche eignen sich darüber hinaus zum Anhängen von Ausbauelementen, wie einer abgehängten Decke oder auch technischer Gebäudeausstattung (Markennamen: Holorib ®, Cofrasta ®) ( 16).

3.3.4 Kassettenaussenwand/Stahlkassetten

Im Industriebau stellt die Kassettenaußenwandkonstruktion eine Besonderheit dar. Hier werden oftmals keine hohen Anforderungen an den Brandschutz oder den Wärmeschutz gestellt. Die Kassette, ein Walzblech, wird zwischen den Fassadenstützen gespannt und ersetzt damit eine Riegelkonstruktion. Die Kassette wird dann mit Mineralfaserdämmung ausgefüllt und von außen eine schützende Wetterhaut an ihr befestigt (Trapez- o. Wellblechprofil) ( 17).

3. Stahlprodukte

295

14 Kaltgeformte Stahlprofile

15 Unterschiedliche Generationen von Trapezblechen (von oben nach unten): • einfache Form ohne Sickenbildung • höhere Profile mit zusätzlicher Sickenbildung • vergrößerte Profilhöhen und zusätzliche Profilierung im Obergurtbereich

Trapezblech als Wetterhaut

Kassettenprofil

16 Verbunddeckenprofile zur Herstellung von Stahl-Beton-Verbunddecken im Hochbau

17 Kassettenaußenwandsystem als Beispiel einer aus Halbzeug gefertigten Gebäudehülle

296

IV Bauprodukte

3.3.5 PUR-Sandwichelemente/-Paneele

Eine technologische Weiterentwicklung stellen Sandwichelemente oder -Paneele dar. Sie werden als Stahl-Polyurethan-Verbundelemente für den Hochbau bereits seit den 60er Jahren hergestellt und haben im Industrie- und Gewerbebau durch die Einfachheit von Aufbau und Ausführung einen weiten Markt erobert.7 Die Kombination von dünnwandigen Stahldeckschalen (> 0,5 mm) und einem dazwischen eingeschäumten Polyurethan-Hartschaumkern schafft ein Bauteil, das hüllende und - im Sekundärtragwerk der Hülle - lastableitende Funktionen sowohl vertikal als auch horizontal erfüllen kann ( 18). Die Dämmstärken dieser Paneele liegen zwischen 60 und 80 mm. Sie erfüllen alle Funktionen einer Außenwand, bis auf die Funktion der Wärmespeicherung und zum Teil auch des Schallschutzes. Deshalb sind Sandwichelemente nicht überall einsetzbar; sie sind insbesondere im Industrie- und Gewerbebau sehr verbreitet. Der Vorfertigungsgrad dieser Wandbauteile ist hoch, sie werden komplett im Werk gefertigt, die Lieferlängen werden lediglich durch Transport- und Baustellenmaße begrenzt. Es werden Dach- und Wandelemente gefertigt. Die Fugenausbildung unterscheidet sich nach dem Hersteller. Im Wandbereich sind einfache Nut- und Federverbindungen üblich. Die Elemente sind ca. 750 - 1000 mm breit. Die Herstellung von Gebäuden mittels kaltverformter Stahlprofile und PUR-Sandwichelementen stellt wohl auch in Zukunft einen interessanten Beitrag zum industriellen Bauen und dem Leichtbau dar.

4.

Metallische Gusswerkstoffe/Gusseisen

Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem C-Anteil von 2-4% werden als Gusseisen bezeichnet. Die wichtigsten Eigenschaften von Gusseisen sind seine Vergießbarkeit und die Möglichkeit der im Rahmen der Gießtechnik freien Formgebung ( 19, 20), seine hohe Festigkeit bei geringer Verformung sowie sein gutmütiges Korrosionsverhalten (durch Si-Anteil).8 Im Stahlbau sind die Anwendungsmöglichkeiten metallischer Gusswerkstoffe vielfältig und finden zunehmend neue Einsatzbereiche. Ein Grund ist beispielsweise die Schweißbarkeit von Gusseisen mit Lamellengraphit. Guss ist besonders gut geeignet, um als Sonderformteil in Tragsysteme (z. B. Seiltragwerke) eingefügt zu werden, Anwendungsbeispiele sind Pylonköpfe, Umlenksättel oder Seilklemmen. Immer häufiger sind konstruktive Lösungen zu beobachten, bei denen die linear verlaufenden Bauteile aus genormten, warmgewalzten Stahlprofilen und die geometrisch komplexen Knotenelemente aus Guss bestehen.

3. Stahlprodukte

297

Attikaprofil Wandpaneel

Dachpaneel Bsp. Fa. Hoesch Isodach

Kaltverformte Tragprofile

18 Industriebausystem der Fa. Hoesch mit PUR-gefüllten Wand- und Dachpaneelen.

19 Gussknoten der Humboldthafen-Brücke in Berlin (Ing.: SchlaichBergermann und Partner).

20 Fußpunkt der Humboldthafen-Brücke aus Stahlguss.

298

IV Bauprodukte

Unterschieden werden nach der Form der Graphitkristalle im erstarrten Zustand: • Gusseisen mit Lamellengraphit (Grauguss) • Gusseisen mit Kugelgraphit (neuer Werkstoff mit hoher Zugfestigkeit) • Temperguss • Stahlguss (gute Schweißbarkeit) 4.1

Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) & DIN EN 1561



4.2

Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) & DIN EN 1563

4.3

Temperguss (GJM) & DIN EN 1562

Chemisch nicht gebundener Kohlenstoff zeigt eine lamellenförmige Graphitstruktur. Diese Lamellen sind eine Störung in der metallischen Grundstruktur des Gusseisens und verursachen eine Kerbwirkung und Spannungsspitzen. Diese Gefügestruktur führt zu einer geringen Zugfestigkeit und geringer Bruchdehnung von GJL, zeigt aber aufgrund der Störungen im Material eine gute Korrosionsbeständigkeit. Dieses Material entspricht (wenn auch in verbesserter Form) dem traditionellen Stahlguss, wie er bereits in der Zeit der industriellen Revolution eingesetzt wurde. In der DIN werden heute 6 Festigkeitsklassen von GJL unterschieden. (Heutige Anwendungen im Bauwesen: Roste, Rohre, Tübbings, Heizkörper) ( 21) Dieser Werkstoff ist erst seit den 50er Jahren bekannt. Durch die Legierung von Gusseisen mit Mg oder Cer (Cerit) bildet sich beim Erstarrungsprozess Graphit in Kugelform, d. h. die Materialstörungen werden bei diesem Werkstoff reduziert. GJS zeigt deshalb höhere Zugfestigkeiten und Dehnungen als traditionelles Gusseisen (man spricht deshalb von duktilem Gusseisen). Mit dieser Entwicklung wurde dem Gusseisen ein weites Anwendungsgebiet erschlossen. Auch das Schweißen ist bei diesem Werkstoff bei entsprechender Vor- und Nachbehandlung möglich. In der DIN werden 8 Festigkeitsklassen von GJS unterschieden ( 22). Heutige Anwendungen: Gas- und Wasser(druck)rohre, Tragwerkselemente, Anschlusslaschen, Gabelköpfe, Einzelteile für Baumaschinen Ein aufwendiger, mehrtägiger Herstellungsvorgang kennzeichnet GJM. Erst durch eine zusätzliche Wärmebehandlung (das Tempern) zerfällt das im ersten Gussvorgang entstandene Zementit in sog. Temperkohle, die als Graphit in Flockenform anfällt, d. h man nützt den dünnflüssigen und einfach formbaren Gusswerkstoff im ersten Schritt und erhält dann durch das Tempern (Glühen) einen duktilen und konstruktiv wertvollen Eisenwerkstoff. Heutige Anwendungen: Kompliziert geformte Gussteile und Fittings, GJM wird wegen des aufwendigen Temperns zunehmend von Gusseisen mit Kugelgraphit verdrängt.

3. Stahlprodukte

299

21 Materialgrundgefüge von Gusseisen mit Lamellengraphit in 100facher Vergrößerung

22 Materialgrundgefüge von Gusseisen mit Kugelgraphit in 100facher Vergrößerung

23 Materialgrundgefüge von Stahlguss in 100facher Vergrößerung

300

IV Bauprodukte

4.4

Stahlguss

Vergießen von kohlenstoffarmem Stahl zu Kokillen, Blöcken oder Brammen. Es dürfen keine Gasblasen beim Vergussvorgang entstehen, es muss beruhigter Stahl vergossen werden ( 23). Diese werden wärmebehandelt und im Warmwalzprozess weiter verformt. Darüber hinaus gibt es Stahlguss zur Herstellung nicht walz- oder schmiedbarer Sonderbauteile, wie z. B. Brückenlager.

5.

Stranggepresste Metallprofile

Neben dem Warmwalzen, bzw. dem warmen und kalten Umformen, gibt es im Bauwesen auch die Möglichkeit, stranggepresste Profile herzustellen. Das Strangpressen stellt hier sicher eine Sonderform der industriellen Herstellungsprozesse dar. Ein Beispiel für diese Herstellungsmethode ist das Strangpressen von Fassaden- und Fensterprofilen aus Aluminium. Flüssiges Aluminium wird durch eine Schablone gepresst und abgekühlt.

6.

Weitere Stahlprodukte

Neben dem oben vorgestellten Halbzeug können unzählige Komponenten als Stahlprodukte oder metallische Erzeugnisse direkt bezogen werden wie: • Standardisierte Träger (R-Träger, Wabenträger) • Drähte und Drahtgeflechte • Gitterroste • Sonderprofile oder Komponenten für Zargen, Stahltüren, GlasStahl-Türen usw. • Garagen- und Industrietore • Standardisierte Fertigtreppen etc.

7.

Betonstahl

Bewehrungsstahlsorten für den Stahlbetonbau nach DIN 1045 für schlaffe Bewehrung und nach DIN 4227 für vorgespannte Ausführung. Grundsätzlich wird unterschieden in: • Betonstabstahl (S) • Betonstahlmatten (M) • Bewehrungsdraht • Betonstahlfasern

7.1

Betonstahl nach DIN 488

Betonstahl ist ein Stabstahl mit kreisförmigem Querschnitt, der zur Bewehrung von Stahlbeton eingesetzt wird. Er wird hergestellt durch:

3. Stahlprodukte

301

• Warmwalzen (naturharter Stahl) • Warmwalzen mit anschließender Wärmebehandlung • Kaltverformung Die Eigenschaften naturharter Stähle werden durch ihre chemische Zusammensetzung geprägt, kaltverformte Stähle durch das kalte Nacharbeiten (z. B. Recken oder Tordieren) nach dem Warmwalzen. Die Stäbe von Betonstahlmatten werden grundsätzlich kalt hergestellt. Betonstahlmatten sind eine vorgefertigte Bewehrung aus sich kreuzenden Stäben, die an den Kreuzungspunkten scherfest durch Verschweißen planmäßig miteinander verbunden sind. Bewehrungsdraht wird als glatter oder profilierter Betonstahl in Ringen hergestellt und im Werk zu Bewehrungen (Stab- und Mattenstahl) weiterverarbeitet.

24 Gerippter Betonstabstahl vor dem Betoniervorgang.

Die DIN 488 unterscheidet folgende Betonstahlsorten: • B420S und B500S für gerippte Betonstabstähle ( 24) • B500M für geschweißte Betonstahlmatten aus gerippten Stäben ( 25), keine Normung nach DIN 10027-1 • B500G und B500P als glatter (G) und profilierter (P) Bewehrungsdraht. Sämtliche Betonstähle nach DIN 488 sind schweißbar. Folgende Stahlbetonmattenarten können unterschieden werden: • Lagermatten (standardmäßig vorrätig) •• N-Matten zur nichtstatischen Bewehrung von Estrichen •• Q-Matten, statische Matten mit gleichem Bewehrungsquerschnitt in Längs- und Querrichtung •• R-Matten, statische Matten für einachsige Bewehrung mit einem Abstand der Längsstäbe von 150 mm • Listenmatten (nicht standardmäßig vorrätig, sie werden nach Bedarf gefertigt und können aufgrund heutiger CAD/CAM-Technik innerhalb einer Matte auf die jeweiligen statischen Anforderungen angepasst werden. Wichtig ist die gerippte Oberfläche der Bewehrung, die den Verbund an der Berührfläche zwischen Stahl und Beton gewährleistet.

25 Stahlbetonmatten (Q-Matten).

302

7.2

IV Bauprodukte

Betonstahlfasern ☞ Kap. III-7, Abschn. 7.2.5 Stahlfaserbeton (SFB), S. 202

Stahlfaserbeton stellt eine relativ neue Entwicklung der Bewehrungstechnik im Betonbau dar (☞). Er wird meist dort verwendet, wo aus diversen Gründen eine konstruktive Stahlbewehrung ersetzt werden soll, beispielsweise bei Industrieböden oder Kellersohlen. Aber auch andere Bauteile, z. B. Kellerwände oder Tunnelauskleidungen, werden heute aus Stahlfaserbeton hergestellt. Die Stahlfasern verbessern vor allem das Trag- und Arbeitsverhalten des erhärteten Betons. Folgende Fasern können unterschieden werden: • Drahtfasern: Sie werden mittels des sog. Düsenziehverfahrens aus kaltgezogenem Walzstahl hergestellt. Dabei wird der Ausgangsdraht durch hintereinander angeordnete, immer feinere Düsen gezogen, bis der gewünschte Durchmesser erreicht ist. Durch Walzen wird die Endverankerung und Oberflächenprofilierung eingeprägt. In einem abschließenden Vorgang schneidet man die Fasern auf die gewünschte Länge. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung nahezu beliebiger Geometrien. Hierzulande liegen die Durchmesser i. d. R. zwischen 0,15 und 1 mm. Die zugehörigen Längen betragen 6-60 mm. Das Verfahren erlaubt auch die Verarbeitung hochqualitativer Drähte, deren Zugfestigkeit bis zu 2500 N/mm2 betragen kann. Die Herstellung von Edelstahlfasern ist ebenfalls möglich (Korrosionsschutz!) ( 26, 27)



• Gefräste/gespänte Fasern: Bei diesem Verfahren werden Metallspäne aus Stahlbrammen herausgefräst. Verfahrensbedingt sind diese Späne in ihrer Geometrie unregelmäßig, i. d. R. haben sie einen sichelförmigen Querschnitt. Sie sind um ihre Längsachse tordiert und besitzen eine glatte Außen- und eine rauhe Innenseite. Die maximale Zugfestigkeit liegt bei ca. 800 N/mm2. Diese Späne können nicht plastisch verformt werden, sie brechen spröde! Unregelmäßige Oberfläche bewirkt eine Verbesserung des Haftverbunds der in der Matrix eingebetteten Stahlfaser. • Blechfasern: Fasern werden aus einem warmgewalzten Blech gewonnen, das zunächst in dünne Streifen, anschließend in einzelne Fasern zerschnitten wird. Dann werden durch Druckkräfte beliebige plastische Verformungen erzeugt und dadurch die Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit der Fasern bestimmt. Blechfasern sind meist rechteckig. Faserbreiten zwischen 1,5 und 2,5 mm, Faserdicken zwischen 0,5 und 1,0 mm, Längen zwischen 1,5 und 2,5 mm. 7.3

Spannstähle im Spannbetonbau

Spannstähle werden zum Vorspannen von Stahlbetonbauteilen verwendet. Diese Technik ist hinsichtlich ihrer Dauerhaftigkeit hochsensibel. Spannstähle müssen eine hohe Sicherheit gegenüber einem Nachlassen der Vorspannung garantieren. Es handelt sich bei Spannstählen um unlegierte oder niedriglegierte Stähle mit hoher Zugfestigkeit und einer 0,01-Dehngrenze.

3. Stahlprodukte

303

26 Stahldrahtfaserbewehrung für Stahlfaserbetone (Herst.: Fa. Baumbach-Metall GmbH.): Beispiel WLG-60/0.75/H W Stahldraht L min. Zugfestigkeit= 1,0 N/mm2, G Anlieferung wasserlöslich verklebt 60 Länge 60 mm 0.75 Durchmesser 0,75 mm H verkröpft.

27 Ultrahochfester Feinkornbeton mit kurzen Drahtfasern als Bewehrung.

Sie werden den unlegierten Edelstählen zugeordnet. Bei der Bezeichnung von Spannstählen werden die Mindeststreckgrenze und die Mindestzugfestigkeit angegeben (in N/mm2 ). • Stabstähle mit einem Durchmesser von 16-36 mm: S 590/885; S 835/1030; S 1080/1330 • Drähte mit einem Durchmesser von 8-12,5 mm: S 1325/1470; S 1420/1570 • Drähte/Litzen mit einem Durchmesser von 3-12,2 mm: S 1470/1670; S 1570/1770

✏ Anm. d. V. Neue Bezeichnungen für Spann- und Litzenstähle (oft noch nicht in Verwendung): Y1230H nach prEN 10138-4 (Warmgewalzter und/oder wärmebehandelter Stahl) Y 1770C nach prEN 10138-2 (Kaltgezogener Stahl)

304

7.4

IV Bauprodukte

Seile, Bündel und Kabel

Folgende Arten von Seilen werden unterschieden: • Spiralseile: Sie werden aus einzelnen Drahtlagen, die gegensinnig gedreht werden, hergestellt. Die Drähte einer Drahtlage folgen dabei der gleichen Schraubenlinie. • offene Spiralseile: Die Fertigung erfolgt nur aus Runddrähten, die in der Regel den gleichen Durchmesser aufweisen. Offene Spiralseile werden mit max. 3 Lagen, die auf den Kerndraht aufgebracht werden, gefertigt. Je nach Seildurchmesser kommen vor allem die Seile 1x19, 1x37, 1x61 und 1x91 zur Ausführung. Offene Spiralseile werden aus nichtrostendem Stahl und aus unlegierten Stählen mit verzinkter Oberfläche hergestellt ( 28-31).

28 Beispiel für ein offenes Spiralseil aus Edelstahldrähten mit einem kreisrunden Querschnitt.

• vollverschlossene Spiralseile: Sie werden aus Z-förmigen Formdrähten, die über einen Runddrahtkern verseilt werden, hergestellt. Vollverschlossene Spiralseile verschließen sich beim Eintrag von Zuglast. Die Rundstähle im Kernbereich sind dickverzinkt und häufig zusätzlich mit elastischer Zinkstaubfarbe umschlossen. Die äußeren Profildrähte erhalten ebenfalls eine Verzinkung als Korrosionsschutz ( 32, 33). • Rundlitzenseile: Es handelt sich hierbei um eine mehrfach verseilte Ausführung. In aller Regel besteht das Seil aus einzelnen Litzen im gleichen Drehsinn geschlagener Drähte, die untereinander nochmals verseilt werden ( 34). •• Rundlitzenseile im Kreuzschlag: Die Drahtspirale in der Litze verläuft gegenläufig zur Litze im Seil. •• Rundlitzenseile im Gleichschlag: Die Drahtspirale in der Litze verläuft gleichläufig mit der Litze im Seil. • Bündel: Sie werden für hohe Traglasten über 20000 kN hergestellt und bestehen aus dicken Drähten oder aus siebendrähtigen Litzen. Sie werden in einer Hülse verankert. Bündel können auch verdrillt werden, sie lassen sich dann auch krümmen, ohne dass der Drahtverband gesprengt wird. Die Dehnsteifigkeit und die Ermüdungsfestigkeit ist höher als bei den oben dargestellten Seilen ( 35). • Kabel: Unter Kabel versteht man die Addition von mehreren Seilen oder Bündeln, die an Einzelpunkten gekoppelt sind, an den Endpunkten aber ihre Kräfte über Schlaufen oder Vergusshülsen abgeben. Zur Verbesserung des Korrosionsschutzes oder für allgemeine Kontrollarbeiten werden Kabel heute vermehrt in so genannter offener Anordnung ausgeführt, d. h. dass sie auch an den Koppelstellen untereinander auf Distanz gehalten werden ( 36).

3. Stahlprodukte

305

29 Offenes Spiralseil aus Drähten mit einem kreisrunden Querschnitt 1x19 in 2 Lagen über einem Kernseil. 30 Offenes Spiralseil aus Drähten mit einem kreisrunden Querschnitt 1x37 in 3 Lagen über einem Kernseil. 31 Offenes Spiralseil aus Drähten mit einem kreisrunden Querschnitt 1x61 in 4 Lagen über einem Kernseil.

32 Vollverschlossenes Spiralseil aus dichtschließenden Profildrähten und Drähten mit einem kreisrunden Querschnitt in 3 Lagen über einem Kernseil. 33 Vollverschlossenes Spiralseil aus 2 Außenlagen aus dichtschließenden Profildrähten und Drähten mit einem kreisrunden Querschnitt über einem Kernseil. 34 Rundlitzenseil aus 7-drähtigen Litzen mit einer Stahlseele.

35 Bündel aus 7-drähtigen Litzen, parallel geführt.

36 Gussknoten am Hauptrandkabel des Olympia-Stadiondaches in München.

306



IV Bauprodukte

Anmerkungen

1 2 3 4 5 6 7 8 9



dtv-Lexikon, Schlagwort: Eisen Petersen (1994) Stahlbau, S. 28 ff Hart et al.(1982) Stahlbau Atlas, verschiedene Beiträge Hart et al.(1982) Stahlbau Atlas, S. 386 ff Möller R (1993) Bauelemente aus Stahlblech, S. 98 ff Möller R (1993) Bauelemente aus Stahlblech, S. 120 ff. Möller R (1993) Bauelemente aus Stahlblech, S. 129 ff. Häring et al. (1996) Technologie der Baustoffe, S. 304 ff. Betschart (1993) Konstruieren mit Gusswerkstoffen, S. 58 ff

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR

1. Geschichtliche Entwicklung des transparenten Raumabschlusses 1.1 Heutige Verfahren zur Glasherstellung 1.1.1 Gussglasverfahren 1.1.2 Float-Verfahren 2. W ichtige Kennwerte 2.1 g - Wert 2.2   U - Wert 3. Funktionsgläser 3.1 Isoliergläser  3.1.1 Wärmeschutzgläser  3.1.2 Sonnenschutzgläser  3.1.3 Schallschutzgläser  3.1.4 Isolierverglasung mit Lichtumlenkung  3.1.5 Sichtschutzgläser 3.2   Sicherheitsgläser 3.2.1 Einscheibensicherheitsglas (ESG) 3.2.2 Verbundsicherheitsglas (VSG) 3.2.3 Teilvorgespanntes Glas (TVG) 3.2.4 Drahtglas 3.3 Lamellenfenster 3.4 U-Glas 3.5 Glassteine 3.6 Betongläser 4. Transparente Wärmedämmung (TWD) 4.1 Wirkprinzip 4.2 Aerogele 5. Anpassungsfähige Systeme Anmerkungen

II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL STAHLBETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

308

1.

IV Bauprodukte

Geschichtliche Entwicklung des transparenten Raumabschlusses

Die Fassade des traditionellen Gebäudes besteht aus geschlossenen Wandteilen und Öffnungen, die zum Lüften und zur Belichtung der dahinterliegenden Räume notwendig sind. Bevor Glas als Raumabschluss diente, wurden die Öffnungen mit Tierhäuten, Leinwänden oder Klapp- und Schieberahmen aus Holz geschlossen. Die unverzichtbare Funktion der Belichtung von umbauten Räumen verlangte mit fortschreitender technischer Entwicklung indes nach einem Material, das gleichzeitig durchsichtig ist und Schutz vor Witterung bietet. Glas als Raumabschluss ist seit der römischen Antike nachweisbar. Dieses römische Fensterglas war nicht farblos transparent, eher bläulich grün durchscheinend. Mit dem Untergang des römisches Reiches ging dieses Wissen verloren, so dass kaum Glasfunde bis zum 10. Jahrhundert erhalten geblieben sind. Erst seit 1000 n. Chr. wurde Glas wieder im Bauwesen verwendet. Der Einsatz war aber nur begrenzt möglich, da Glas teuer war und nur relativ kleine Scheiben hergestellt werden konnten. Es wurde zunächst ausschließlich in Kirchen und Klöstern verwendet. Der verstärkte Einsatz von Glas in weltlichen Bauten begann Ende des 14. Jahrhunderts. Glas wurde zunehmend auch an Häusern wohlhabender Bürger eingesetzt.

1 Kristallpalast von Sir Joseph Paxton, 1851

2 Vorgangfassade der Werkstätten des Bauhauses Dessau von Walter Gropius (1925-1926)

Die Weiterentwicklung der Herstellungsmethoden von Glas und Eisen während der industriellen Revolution des 18. und 19. Jahrhunderts führte zu einem sehr wichtigen Entwicklungsschub in der Glas-Eisen Architektur. Mit der Entdeckung von Eisen eröffneten sich für die Baukonstruktion neue Möglichkeiten. Skelettkonstruktionen befreiten die Wand von ihrer tragenden Funktion. So konnte die schwere tragende Mauer durch eine lichtdurchlässige Haut aus Glas ersetzt werden. Die Fassade war fortan nicht mehr zwangsläufig eine geschlossene Fläche mit eingeschnittenen Öffnungen, sondern konnte als ein Skelett mit Füllungen aus Glas ausgeführt werden. Mit der Errichtung des Londoner Kristallpalastes vom Gärtner und Architekten Joseph Paxton für die Weltausstellung 1851 erreichte das vorfabrizierte, elementierte Bauen mit Eisen und Glas einen ersten Höhepunkt. ( 1). Fast vollverglaste Fassaden fanden sich erstmalig an Industriebauten ab dem 20. Jahrhundert. Die Auflösung der Wand zur gläsernen Vorhangfassade wurde von Gropius bei den Werkstätten des Bauhauses Dessau (1925-1926) konsequent vollzogen ( 2). Tragwerk und Geschossdecken treten hinter die durchlaufende Fassade aus Stahlprofilen zurück. Mitte des 20. Jahrhunderts wurde das Prinzip der Vorhangsfassade (Curtain Wall) auf Hochhäuser angewendet. Einen des ersten Versuche wagte L. Mies van der Rohe 1921 mit seinem Entwurf zu einem Glashochhaus ( 3). Die Umsetzung eines vollständig verglasten Wohnhauses gelang ihm mit dem Farnsworth-Haus in Plano, Illinois (1946-1951)

4. Glasprodukte

309

3 Mies van der Rohe, Hochhaus aus Glas, Projekt in Berlin, 1919

Mit der Erfindung des Floatglasverfahrens in 1959 durch Alastair Pilkington beginnt ein neuer Abschnitt in der Geschichte des konstruktiven Einsatzes von Glas. Damit erfolgt der entscheidende Schritt hin zur kostengünstigen industriellen Massenherstellung von hochwertigem Glas mit planparallelen Oberflächen. Durch dieses Verfahren konnte ein qualitativ dem polierten Spiegelglas entsprechendes Industrieglas, das Floatglas, einfach und billig hergestellt werden. Glas besteht aus einem anorganischen Schmelzprodukt, das abgekühlt und erstarrt ist, ohne zu kristallisieren (☞). Dazu werden die Grundstoffe Sand, Soda, Pottasche und Kalk, die als Rohstoffe fast unbegrenzt zur Verfügung stehen, auf ca. 1400˚ C erhitzt und wieder abgekühlt ( 4). Man kann auch kleine Anteile anderer Stoffe hinzufügen um Eigenschaften und Farbe zu beeinflussen.1

(SiO 2) (CaO)

69% bis 74% 10% bis 16%

Magnesiumoxid

(Na2O) (MgO)

Aluminiumoxid

(Al2O 3)

0% bis 3%

Calciumoxid Natriumoxid

Heutige Verfahren zur Glasherstellung

☞ Kap. III-9, Abschn. 2. Zusammensetzung, S. 228 & DIN EN 572, Teil 1: Definitionen und allgemeine physikalische und mechanische Eigenschaften

Glaszusammensetzung Siliciumdioxid

1.1

5% bis 14% 0% bis 6%

4 Die Zusammensetzung von Glas ist europaweit in der DIN EN 572, Teil 1 festgelegt. Siehe auch   5 in Kap. III-9.

310

IV Bauprodukte

1.1.1 Gussglasverfahren

Beim Gussglasverfahren wird die Schmelze nach dem Prinzip der überlaufenden Wanne verarbeitet, wobei zwei Walzen dem Glas in noch formbarem Zustand (Temperatur) die Oberflächenstruktur aufprägen ( 5, 6). Dadurch lässt sich je nach Bedarf charakteristische Oberflächenstrukturen erzeugen.

& DIN EN 572, Teil 5: Ornamentglas, DIN EN 572, Teil 6: Drahtornamentglas

opt. Kontrolle

5 (rechts) Prinzip der Gussglasherstellung. Das Glas wird über ein Förderband durch den Kühlofen bis zur Verpackung geführt

Schmelzung

Walzen

Abkühlung

Schneiden

Je nach Ausbildung der Walzen sind zwei glatte oder zwei strukturierte Oberflächen herstellbar. Es ist auch möglich, während des Herstellungsprozesses ein Drahtnetz in das flüssige Glas einzulegen. Das auf diese Weise entstehende Drahtglas kann in einem weiteren Arbeitsgang zusätzlich zu Drahtspiegelglas poliert werden. Gussgläser sind schlierig bis transluzent, eine klare Durchsicht wie beim Floatglas ist nicht möglich. Man unterscheidet folgende Arten von Gussglas: • Rohglas / Ornamentglas • Drahtglas / Drahtornamentglas (Haustüren, Hallentore) 6 Gussglasherstellung. Kontinuierliches Produktionsverfahren mit Walztechnik für Ornament-, Draht-, und Solarglas (Lamberts).

• Designgläser • Farbiges Gussglas • Profilglas • Spezialgläser

1.1.2 Float-Verfahren & DIN EN 572 Glas im Bauwesen – Basiserzeugnise aus Kalk-Natronsilicatglas – Teil 2: Floatglas

7 Herstellung von Floatglas im kontinuierlichen Prozess.

Das Floatglas-Verfahren wurde 1960 von Pilkington entwickelt. Es ermöglicht die Herstellung von großformatigen, planen Glasscheiben im Endlosprozess. Wie der Name ausdrückt (engl. float = schwimmen) wird ein endloses Glasband in einem Schwimmverfahren hergestellt und anschließend zu einzelnen Tafeln abgelängt ( 7). Die Glasschmelze fließt über einen Lippenstein auf ein flüssiges Metallbad (Zinn) zu einem endlosen Glasband. Anschließend wird es durch einen Kühltunnel geführt, in dem es mit einer gleichmäßigen Temperatur spannungsfrei abkühlen kann. Für die weitere Bearbeitung wie z. B. Schneiden, Bohren, Schleifen, ist das Spannungsgleichgewicht der Scheiben sehr wichtig. Der Abkühlprozess beginnt bei 1100° C. Das Material verlässt das Bad als festes Band bei 600° C. Am Ende des Produktionsprozesses wird das endlose Glasband für den Transport auf eine Größe von etwa 600 cm geschnitten (Maximalformat 320 x 600 cm). Fast alle industriellen Funktionsgläser gehen auf dieses Basisglas zurück.

4. Glasprodukte

311

Die Gesamtenergiedurchlassgrad g nach DIN EN 410 gibt an, wieviel Prozent der Lichtenergie, die auf das Glas trifft, durch dieses hindurchdringt. Ein Teil der Gesamtenergie geht direkt durch das Glas hindurch, auf dem Wege der direkten Transmission (te). Ein anderer Teil gelangt über Absorption nach innen ( 8).

2.

Wichtige Kennwerte

2.1

g-Wert

Den Anteil der Sonnenstrahlung, der an der Grenzfläche von Glas reflektiert wird, bezeichnet man als Strahlungsreflexion. Reflexion entsteht immer an den Grenzflächen von gasförmigen zu festen Materialien. Allgemein gilt, dass die Summe von Absorption, Transmission und Reflexion gleich 100% ist,

tl + te + tr + qi + qa = 100%

Übliche g-Werte: 2-fach Isolierglas: 60-70% 3-fach Isolierglas: 40-55%

Gesamte Sonneneinstrahlung

Glas 4mm

Lichttransmission tL

tL Transmission te

Reflexion

+ sekundäre Wärmeabgabe nach aussen qa

sekundäre Wärmeabgabe nach innen qi

= Gesamtenergiedurchlassgrad g

Der Wärmedurchgangskoeffizient U [W/m2K] gibt die Wärmemenge an, die pro Sekunde durch 1 m2 eines Bauteils bei einer Temperaturdifferenz von 1 K (Kelvin) der anschließenden Luftschichten fließt.2 Übliche U-Werte: 1-fach Floatglas: 2-fach Isolierglas: 3-fach Isolierglas:

5,2 W/m2K 1- 3 W/m2K 0,5 W/m2K (mit Edelgasfüllung im SZR, ✏)

8 Gesamteneriedurchlassgrad g an einer 4 mm dicken Glasscheibe:

2.2

Sonneneinstrahlung Reflexion direkte Transmision te sekundäre Wärmeabgabe qa sekundäre Wärmeabgabe qi

U-Wert

✏ SZR ist die übliche Abkürzung für den Begriff ‚Scheibenzwischenraum‘

100% 7% 85% 6% 2%

312

IV Bauprodukte

3.

Funktionsgläser

Unter Funktionsgläsern versteht man Gläser, die durch Weiterbearbeitung von Basisglas an bestimmte Aufgaben angepasst werden.

3.1

Isoliergläser

Isoliergläser bestehen aus zwei oder mehreren parallel zu einem Glaselement zusammengeschalteten Einfachglasscheiben. Zwischen den Scheiben entsteht eine Luftschicht, die in der Fachsprache als Scheibenzwischenraum (SZR) bezeichnet wird. Die Glasscheiben werden mit gekanteten Hohlprofilen aus korrosionsbeständigen Metallen (sog. Abstandshalter), die in der Regel mit Trockenmittel gefüllt sind, an den Glasrändern mittels einer gasdichten Butylschnur (Primärdichtstoff) verklebt und dadurch gegenseitig auf Abstand gehalten. Zusätzlich werden sie miteinander mittels eines Dichtstoffs (Sekundärdichtstoff) außenseitig dampfdicht verklebt und kraftschlüssig verbunden. Durch das Trockenmittel im Abstandshalter soll Feuchte gebunden werden, um das innenseitige Beschlagen der Scheibe zu verhindern. Beide Dichtstufen werden unter dem Begriff des Randverbunds subsummiert (&). Neben dem üblichen Sekundärdichtstoff aus zweikomponentigen Polysulfidmassen (Handelsname Thiokol ®) werden auch andere Systeme verwendet, wie z. B. Ganzglasverbund oder Butylrandverbund mit oder ohne Aussteifung ( 9). Polysulfidmassen sind nicht UV-beständig und müssen durch Überdeckung (Glasfalz, Deckprofil, Glasleiste) vor UV-Strahlen geschützt werden. Bei freiliegendem Randverbund sind sie durch Silikondichtstoffe zu substituieren. Die verhältnismäßig hohe Diffusionsrate der Silikone (Entweichen der Füllgase!) kann heute durch geeignete Verfahren kontrolliert werden.3 Ferner müssen die Einbaubedingungen einen weitestgehend trockenen Randverbund gewährleisten. Der Scheibenzwischenraum (SZR) ist mit trockener Luft oder alternativ – wie heute bereits Standard – mit dynamisch trägem Edelgas gefüllt (vgl. 3.1.1 Wärmeschutzgläser weiter unten). Bis zu einem Abstand von 16-18 mm steht die Luftschicht, so dass Wärme bei stark reduzierter Konvektion infolge der nur niedrigen thermischen Leitfähigkeit von Luft nur in geringem Maß von der inneren zur äußeren Glasscheibe transportiert wird ( 10).

& DIN EN 1279, Mehrscheiben-Isolierglas – Teil 1: Allgemeines, Maßtoleranzen und Vorschriften für die Systembeschreibung

metallischer Abstandhalter Trockenmitttel Butyldichtung (Primärdichtstoff) Polysulfiddichtung (Sekundärdichtstoff)

9 2-Barrierensystem: Butyl optimiert Dampfdichtigkeit (Primärdichtstoff), Thiokol optimiert mechanische Festigkeit und Alterungsbeständigkeit (Sekundärdichtstoff).

Der Wärmetransport von innen nach außen erfolgt durch ( 11): • Wärmestrahlung zwischen Scheiben (1). • Konvektion im SZR (2) • Wärmeleitung über Scheiben und SZR (3) • Wärmeleitung über Randverbund (4)

& DIN EN 1279, Teil 4: Verfahren zur Prüfung der physikalischen Eigenschaften des Randverbundes

4. Glasprodukte

313

Wärmetransport über vier Wege:

1 Wärmestrahlung zwischen den Scheiben 2 Konvektion im SZR 3 Wärmeleitung über Scheiben und SZR 4 Wärmeleitung über Randverbund

10 Isolierverglasungen mit mehreren Scheibenzwischenräumen.

11 Wärmetransport im Isolierglas.

Wärmeschutzscheiben zeichnen sich durch einen niedrigen U-Wert und gleichzeitig durch hohe Licht- und Sonnenenergiedurchlässigkeit aus. Der g-Wert sollte bei ca. 65% liegen. Ein Wärmeschutzglas ist ein Isolierglas mit deutlich verbessertem U-Wert. Folgende Maßnahmen sind für die Verbesserung des Wärmedurchgangskoeffizienten verantwortlich:

3.1.1 Wärmeschutzgläser

• Eine aufgedampfte Edelmetall- oder Halbleiterschicht (lowe-Beschichtung) auf der Ebene 3 ( 12) (&). Diese reflektiert oder absorbiert die langwellige Wärmestrahlung. Durch die hochtransparente, niedrig emittierende Beschichtung wird der Strahlungsaustausch zwischen den beiden Scheiben fast unterbunden. Der U-Wert sinkt dadurch von rund 2,9 auf 1,6 W/m²K. Die optimale Anordnung der Beschichtung ist die Außenseite der Innenscheibe (Position 3), da sie vor Beschädigung geschützt ist und möglichst nahe an der Wärmequelle liegt ( 12). Wärmeschutzverglasungen waren in frühen Entwicklungsphasen deutlich erkennbar getönt. Heute sind neutrale, optisch kaum wahrnehmbare Beschichtungen möglich.

& DIN EN 1096 Glas im Bauwesen, Beschichtetes Glas, Teile 1-4

• Füllung mit Edelgasen: Wärmetransport durch Konvektion wird verringert, da Edelgase träger. Die Scheibenzwischenräume der Wärmeschutzgläser werden mit dynamisch trägen Edelgasen wie z. B. Argon, Krypton, oder Xenon gefüllt, die eine nur geringe Neigung zur Konvektion zeigen. Durch den thermischen Beitrag der Edelgase reduziert sich der U-Wert von ZweischeibenIsoliergläsern weiter auf 1,5 bis 1,1 W/m²K.

1

2

3

4

1

2

3

4

2-fach Isolierglas: k = 1,1 bis 1,5 W/m2K 3-fach Isolierglas: k bis 0,5 W/m2K

Wärmeschutzgläser sollten zur passiven Energiegewinnung möglichst viel Sonnenenergie durchlassen.

12 Wärmeschutzgläser: zwei alternative Lagen der beschichteten low-e-Oberfläche.

314

IV Bauprodukte

Verbesserte Abstandshalter aus Kunststoff, Edelstahl oder sehr dünner (und damit wenig Wärme leitender) Metallfolie verringern den Wärmedurchgang an der besonders kritischen Kontaktstelle des Scheibenrands und senken4 den U-Wert zusätzlich um rund 0,1 W/m2K. Eine weitere Reduzierung des Wärmedurchgangs versprechen Vakuumverglasungen, die indessen technisch noch nicht ausgereift sind. 3.1.2 Sonnenschutzgläser

Sonneneinstrahlung

Lichttransmission 40%

1

2

3

4

• Sonnenschutzgläser beschichtet/eingefärbt: sie bestehen aus beschichteten oder eingefärbten Gläsern.

Gesamtenergiedurchlassgrad g = 50%

13 Reflexionsglas: auf der Seite 2 ist zum Scheibenzwischenraum hin eine Edellmetallschicht aufgedampft.

3.1.3 Schallschutzgläser

d

Bei Sonnenschutzgläsern werden in erster Linie Reflexionsgläser verwendet. Diese bestehen aus einem Isolierglas, bei dem auf Seite 2 eine Edelmetallschicht aufgedampft ist ( 13). Sonnenschutzgläser haben – im Gegensatz zu Wärmeschutzgläsern, die Wärme von innen dämmen – die Aufgabe, möglichst viel Sonnenenergie, die von außen auf das Fenster trifft, vom Raum abzuhalten. Sonnenschutzmaßnahmen können Farbgläser und/ oder Sonnenschutzschichten sein. Sonnenschutzgläser sollten einen Gesamtenergiedurchlass g von max. 50% aufwiesen, und ein Lichttransmissionsgrad von über 40%. Sonnenschutzmaßnahmen bei Isoliergläsern werden in oder an der Außenscheibe (Position 2) durchgeführt. Dies können Farbgläser, die ein Teil der Sonnenstrahlen absorbieren, und/oder Sonnenschutzschichten sein:

d‘

optimierte Gasfüllung im SZR

14 Schallschutz-Isolierglasscheibe. Bessere Schalldämmung durch unterschiedlich dicke Glasscheiben und durch eine optimierte Gasfüllung im SZR.

☞ Kap. V-4, Abschn. 3.5 Besonderheiten des Schallschutzes von Fenstern, S. 574

• Sonnenschutzgläser bedruckt: Der Sonnenschutz durch Reduzierung der Strahlungstransmission wird durch ein undurchsichtiges Raster oder Muster gewährleistet. Diese Muster werden mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens auf die Glasoberfläche aufgebracht. Gesamtenergiedurchlassgrad g < 50% Bei der Schalldämmung einer Isolierglasscheibe sind nicht nur die Eigenschaften der Einzelglasscheiben zu beachten. Wesentliche Elemente sind auch der SZR und der Randverbund (☞). Eine einzelne Scheibe kann nur durch ihre flächenbezogene Masse schalldämmend wirken. Je schwerer sie ist, um so höher ist die Schalldämmung. Dem Masse-Faktor sind jedoch Grenzen gesetzt (☞). Bei Isoliergläsern wirken die Scheiben indessen nicht allein als Masse, sondern zusammen mit den SZR als schwingendes Masse-Feder-Masse System. Durch größere Scheibenabstände und zunehmende Masse der Einzelscheiben, insbesondere als biegeweichere laminierte Verbundglasscheiben, wird das Federsystem weicher und somit der Resonanzfrequenzbereich tiefer. Schwergasfüllungen im SZR verändern die Frequenzabhängigkeit, die Schallgeschwindigkeit und die Federwirkung. Gasfüllungen können den Schalldämmwert steigern, können sich aber auch nachteilig auf die Frequenzverteilung auswirken. Insbesondere unterschiedliche Glasscheibendicken ( 14) führen zu einer Entzerrung der Grenzfrequenzen der beiden Scheiben und somit zu einer Verbesserung des Schallschutzes.

4. Glasprodukte

315

Lichtumlenkungssysteme nutzen optische Phänomene wie Reflexion, Transmission, oder Brechung, um einerseits das direkte Sonnenlicht auszublenden und anderseits das diffuse Tageslicht in den Innenraum durchzulassen oder sogar in die Raumtiefe zu lenken. Je nach Glasaufbau sind g-Werte um 0,2 erzielbar. Es gibt heutzutage verschiedene Systeme auf dem Markt:

3.1.4 Isolierverglasung mit Lichtumlenkung

Okasolar® ist ein Isolierglas der Firma Okalux mit fest angeordneten Spiegelprofilen im Scheibenzwischenraum. Okasolar reflektiert das einfallende Licht teilweise nach außen, teilweise diffus an die Decke des Raumes. Hierdurch wird dem fensternahen Bereich Licht entzogen und in die Tiefe des Raumes transportiert ( 15-19).

60°

Das Mikro-Sonnenschutzraster ist ein Isolierglas mit integriertem Sonnenschutz und Lichtlenkraster für Glasdächer. Es wurde von der Lichtplanung Bartenbach und der Siemens AG entwickelt. Das System wurde erstmalig für die Glasüberdachung des Kongress- und Ausstellungsgebäudes in Linz 1993 verwendet. Bei Lumitop werden leicht gebogene Acrylprofile in den Scheibenzwischenraum eingebaut ( 20). Durch den Einsatz im Oberlichtbereich können Innenräume mit Tageslicht ausgeleuchtet werden. Die Ausleuchtung ist blendfrei, da alles Licht an die Raumdecke umgelenkt wird. Schräg einfallendes Licht wird durch ein spezielles Gussglas in die Raumtiefe reflektiert ( 21-22).

Sommer 60˚

30°

Sommer 60˚

25°

Übergang 45˚

Übergang 45˚

15° Winter 15˚

Winter 15˚

20 System Lumitop. Reflexion der Sonnenstrahlen bei Prismengläsern im Sommer und Winter.

15-19 Okasolar Entsprechend dem Neigungswinkel der Sonnenstrahlung kann ein jahres- und tageszeitgesteuerter Sonnenschutz geschaffen werden. Sommer: Hoher Sonnenstand - niedriger Strahlungsdurchgang = passive Kühlung. Winter: Niedriger Sonnenstand - Hoher Strahlungsdurchgang = Solarkollektor.

316

IV Bauprodukte

3.1.5 Sichtschutzgläser

Undurchsichtigkeit der Gläser bei gleichzeitigem Lichtdurchtritt wird ermöglicht durch: • Strukturierung der Glasoberfläche • Behandlung der Oberfläche durch Ätzung oder Sandstrahlen (Mattierverfahren) • Bedruckung von Gläsern (Emaillieren, Siebdruck, Farbtransferdruck • Beschichtungverfahren





Ätzung oder Sandstrahlen sind Mattierverfahren. Geätzte Glasflächen haben im Vergleich zum Sandstrahlverfahren eine feinere Oberfläche und sind so beispielsweise unempfindlicher gegen Schmutz und Fett. Bei der Flächenätzung wird eine Ätzsalzlösung auf das Glas aufgebracht, wodurch die Glasfläche chemisch angegriffen, und dadurch matt wird. Beim Sandstrahlverfahren erfolgt die Mattierung durch mechanischen Abrieb und Aufrauung. Neben dem vollflächigen Ätzen ganzer Scheiben ist auch ein partielles Ätzen begrenzter Bereiche möglich, um Muster, Schriftzüge etc. zu erzeugen ( 23, 24). Bei der Herstellung von vorgespannten Gläsern (ESG) kann eine farbige keramische Schicht in die Glasoberfläche eingebrannt, emailliert werden. Die Emailpaste wird mittels Gieß- oder Walzverfahren auf die Glasoberfläche aufgebracht und bei etwa 700 °C eingebrannt. Die keramische Schicht ist undurchsichtig, kratzfest und witterungsbeständig. Neben der optischen Gestaltung dient diese Emaillierung auch dazu, die Oberfläche rutschsicher zu machen und gegen Kratzer zu schützen ( 25). Der Siebdruck erfolgt auf normalem Floatglas ohne nachträgliche thermische Behandlung. Zur Bedruckung der Scheibe verwendet man eine selbsttrocknende Zweikomponenten-Farbe. Diese ist jedoch nicht kratzfest. Im Gegensatz zur Emaillierung ist bei diesem Verfahren eine transluzente Farbbeschichtung möglich ( 26). Neben dem vollflächigen Bedrucken der Scheiben sind auch verschiedenste Muster wie Logos, Punkte oder Streifen möglich. Die Beschichtungen können je nach Art, Aufbau oder Zusammensetzung außen, innen oder im Scheibenzwischenraum angebracht werden. 3.2

Sicherheitsgläser

Die wichtigsten Sicherheitsgläser sind Einscheibensicherheitsgläser ESG, Teilvorgespannte Gläser TVG, Verbundsicherheitsglas VSG und Drahtglas.

4. Glasprodukte

317

21, 22 Audi-Entwicklungszentrum, Ingolstadt (Arch.: Fink und Jocher).

23, 24 Satiniertes Glas, durch Ätzen mit Flusssäure mattiert. Kunsthalle in Bregenz (Arch.: Peter Zumthor).

25 Emaillierung mit Keramikfarbe. 26 Im Siebdruckverfahren beschriftete Fassade. Neben dem vollflächigen Bedrucken der Scheiben sind auch verschiedenste Muster wie Logos, Punkte oder Streifen möglich.

318

IV Bauprodukte

3.2.1 Einscheibensicherheitsglas (ESG)

ESG Einscheibensicherheitsgläser sind thermisch vorgespannte Gläser. Bei der Herstellung werden Glasscheiben bis zu dem Transformationspunkt – d. h. mindestens 60° – erhitzt, und dann schlagartig mit kalter Luft gekühlt. Somit kühlen sich die Oberflächen schneller ab als der Kern, ziehen sich zusammen und erhärten. Beim später erfolgenden Abkühlen des Kerns werden die Grenzschichten komprimiert. Damit entstehen in der Glasoberfläche Druckspannungen, die das Glas widerstandsfähiger machen, da gefährliche Zugspannungen (insbesondere Biegezugspannungen) überdrückt werden. Die Biegebruchspannung steigt an ( 27, 28). Wird thermisch vorgespanntes Sicherheitsglas überlastet, bricht es und zerfällt in kleine stumpfkantige Stücke ( 29), die verglichen mit scharfkantig brechendem Normalglas ein verhältnismäßig geringes Sicherheitsrisiko darstellen. Thermisch vorgespannte Gläser können nachträglich nicht mehr bearbeitet, wie z. B. geschnitten oder gebohrt werden. Diese Arbeitsgänge sind vorab am nicht gehärteten Basisglas durchzuführen. Anwendungen: Begehbares Glas, durchwurf-, durchbruch-, durchschusshemmende Verglasung.

& DIN EN 356 Sicherheitssonderverglasung & DIN 1249, Teil 12: 1990-09

3.2.2 Verbundsicherheitsglas (VSG) & DIN EN ISO 12 543-2, -5, -6: 08/1998

3.2.3 Teilvorgespanntes Glas (TVG)

& DIN EN 1863, Teil 1: Definition und Beschreibung

3.2.4 Drahtglas & DIN EN 572, Teil 3: Poliertes Drahtglas

VSG Verbundsicherheitsglas besteht aus mindestens zwei Scheiben (aus Floatglas oder ESG), die mit einer elastischen, transparenten Zwischenschicht vollflächig verbunden sind. Beim Bruch werden Glassplitter durch die Folie zusammengehalten, wodurch das Verletzungsrisiko stark vermindert wird. Als Materialien für die Zwischenfolie werden PVB (Polyvinylbutyral), Gießharze oder sonstige organische oder anorganische Materialien verwendet. Bei Verwendung von PVB-Folien als Zwischenschicht wird die Folie zwischen die Gläser gelegt und in einem Autoklaven unter Einwirkung von Wärme und Druck zu fertigen Produkt verpresst ( 30). TVG Teilvorgespanntes Glas ist wie auch ESG ein thermisch vorgespanntes Glas, das jedoch während des Herstellungsprozesses langsamer abkühlt und folglich eine geringere Druckvorspannung als ESG aufweist. Es bricht ähnlich wie Floatglas in größeren Stücken, eher in Form von langgestreckten Radialbruchstücken, so dass die vorteilhafte Krümelbildung wie bei ESG hier verloren geht. Stattdessen bietet TVG in seiner Verarbeitung als laminierte VSGScheibe den Vorteil, bei Bruch aufgrund der größeren Bruchstücke eine höhere Resttragfähigkeit zu besitzen, wodurch bei Überkopfverglasungen das Verletzungsrisiko gemindert werden kann. Drahtglas (splitterbindend) ist ein Gussglas, bei dem während des Herstellungsprozesses in die Glasschmelze ein Drahtnetz eingelegt wird. Das Gitter wirkt im Fall eines Bruchs splitterbindend. Drahtglas wird aufgrund seiner einbruch- und feuerhemmenden Eigenschaften bei Haustüren, Flurverglasungen, Hallentoren etc. eingesetzt ( 31).

4. Glasprodukte

319

Druck

Zug

Glasdicke

Druck

27 Spannungsverteilung imvon thermisch vorgespannten Glas. Spannungsverteilung thermisch vorgespanntem Glas

Glasscheibe

Aufheizung

Abkühlung

vorgespanntes Glas

28 Prinzip der Herstellung von vorgespanntem Glas. 29 Bruchbild von ESG (oben). Die Bruchstücke sind klein und stumpfkantig im Vergleich zu Floatlas. Unten: Bruchbild von TVG. Verbesserte Resttragfähigkeit gegenüber ESG.

Zusammenlegen der Scheiben mit PVB - Folie

Verpressen

Autoklav

30 Prinzip der Herstellung von Verbundsicherheitsglas mit PVB-Folie.

fertiges VSG

31 Drahtglas splitterbindend.

320

3.3

IV Bauprodukte

Lamellenfenster

32 Lamellenfenster

3.4

U-Glas & DIN EN 572, Teil 7: Profilbauglas mit oder ohne Drahteinlage

Konstruktives und funktionales Prinzip: drehbare horizontale Lamellen aus Einfach- oder Isolierglas (Höhe ca. 15 cm, Länge bis ca. 120 cm) ermöglichen eine gut dosierbare Be- und Entlüftung, bei gutem Schlagregen- und Einbruchschutz ( 32). Nachteil: Hoher Fugenanteil, hoher Rahmenanteil bei Isolierverglasung – Randverbund ist mit Aluminiumprofil gefasst. Einfassungen und Mechanik aus Aluminiumprofilen, Abdichtung (gegen Oberflächenwasser) horizontal nach dem Überschuppungsprinzip. Abdichten gegen Wind zusätzlich mittels Bürsten. Bei Einsatz von Isolierverglasung verhältnismäßig aufwendige und kostspielige Konstruktion. Hersteller: z. B. Glasbau HAHN, Frankfurt U-Glas ist ein profiliertes Glaselement, das nach dem Gussglasverfahren hergestellt wird. Durch besondere Formrollensätze können die Ränder der noch verformbaren Glasstreifen nach oben gebogen werden. Das fertige Glaselement hat U-Form und wird in langformatigen Elementen geliefert ( 33, 34). Für Verglasungen mit Sicherheitsanforderungen (z. B. für ÜberKopf-Verglasungen) werden Drahteinlagen eingebracht. U-Glas ist lichtdurchlässig, jedoch undurchsichtig. Charakteristikum ist die mehr oder weniger stark ausgeprägte Profilierung der Oberfläche. Die Oberflächenstrukturierung ermöglicht eine Lichtlenkung und Lichtstreuung, mit welcher entlegene Raumbereiche aufgehellt werden können. U-Glaselemente können aufgrund der Querschnittsausbildung mit 40 bis 60 mm hohen Stegen Biegung gut abtragen. Deswegen werden die Elemente im Regelfall sprossenlos montiert (ohne Sekundärkonstruktion). Sie können, einschalig als Spundwandsystem oder auch zweischalig montiert werden ( 35, 36). Durch die doppelschalige Bauweise wird eine bessere Wärmedämmung erzielt. Der von beiden U-Profilen gebildete Zwischenraum ist nicht wie bei Isoliergläsern hermetisch abgeschlossen, sondern enthält Luft mit wechselnden, schwer kontrollierbaren Feuchtigkeitsgraden. Zur Vermeidung von Kondenswasser sollte aus diesem Grund zumindest eine Öffnung zur Außenluft hin bestehen. Für erhöhten Wärmeschutz und maximale solare Gewinne kann die innere U-Glasscheibe mit einer low-e Beschichtung versehen werden, die zu einer Reduzierung der Wärmestrahlung von der raumseitigen Scheibe zur kalten Außenscheibe nach außen führt. Mit zweischaligem Aufbau und Spezialbeschichtungen lassen sich U-Werte um 1,8 W/m2K erzielen. Einsatzgebiete für U-Glas sind Fassaden (Verlegung vertikal oder horizontal, insbesondere im Industriebau), Schrägverglasungen, Raumabschlüsse im Innenbereich. U-Glas mit Drahteinlage wird bei Bauaufgaben mit besonderen Sicherheitsbedingungen eingesetzt ( 37, 38). Die Gläser werden an ihren Stirnseiten mit Zargenprofilen gefasst. U-Gläser eignen sich nur für Festverglasungen. Die 3-4 mm breiten Fugen werden dauerelastisch versiegelt. Verglasung mit U-Glas ist sehr kostengünstig.

4. Glasprodukte

321

33 (oben): LINIT-Profilbauglas mit oder ohne Drahteinlage.

34 Produktionsband für U-Glas. LINIT-Profilbauglas wird am band zu einem U-Profil von bis zu 7 m Länge geformt.

35 U-Glas, einschalige Konstruktion

36 U-Glas, zweischalige Konstruktion.

37 Fassade aus U-Gläsern.

38 Fassade aus U-Gläsern.

322

3.5

IV Bauprodukte

Glassteine & DIN EN 1051 Glassteine und Betongläser DIN 18175 Glassteine, Produktion

3.6

Betongläser & DIN EN 1051 Glassteine und Betongläser DIN 4243 Betongläser DIN 18175 Glassteine, Produktion

Seit Anfang des 19. Jh. im Schiffbau für lichtdurchlässige Decks eingesetzt. Um 1900 Entwicklung und Einsatz von Glassteinwänden und -decken in Verbindung mit Eisenbeton. Seit den 30er Jahren doppelschalige Glassteine und Konstruktionen.5 Frühe Beispiele: Wohnblock in der Rue Franklin in Paris von Auguste Perret (1905), Verwaltungsgebäude am Michaelerplatz in Wien von Adolf Loos (1910), Maison de Verre von Pierre Chareau (1928), Appartementhaus Clarté in Genf von Le Corbusier (1932). Glassteine, früher auch Glasbausteine genannt, sind luftdicht geschlossene Hohlglaskörper ( 39). Die im Pressverfahren hergestellten Glashalbschalen werden an den Kontaktflächen erhitzt und dann bruchfest verschmolzen. Bei der Abkühlung bildet sich im Hohlraum ein Vakuum von 76%. Dieses Vakuum verbessert die Wärmedämmeigenschaften und schließt Tauwasserbildung im Zwischenraum aus. Die beiden äußeren Sichtflächen sind je nach Prägeform strukturiert oder glatt. Glassteine können auch eingefärbt werden ( 40). Dieser Baustein erreicht akzeptable Feuerwiderstandswerte (einschalig G 90, zweischalig F 60), außerdem bietet er einen relativ hohen Schallschutz. Der Wärmeschutz entspricht einer herkömmlichen Zweischeiben-Isolierverglasung. Glassteinwände können neben ihren Eigenlasten keine weiteren Lasten aufnehmen und gelten somit als nicht tragend. Von angrenzenden Bauteilen dürfen keine Horizontalkräfte eingeleitet werden. Glassteinelemente übernehmen keine aussteifende Funktion. In der Regel werden Glassteine mit bewehrten oder unbewehrten Mörtelfugen vermauert und danach noch zusätzlich verfugt. Mittlerweile gibt es auch Trockenbauverfahren auf dem Markt, bei denen die Steine z. B. mit Kunststoff-Clips an Flacheisen (in den Lagerfugen) fixiert werden. Die nur 3 mm breiten Fugen werden mit speziellem Silikon gedichtet. Betongläser sind nach DIN 4243: 03/1978 ebenfalls im Pressverfahren erzeugte Glaskörper, die in einem Stück oder aus zwei durch Verschmelzen fest verbundenen Teilen hergestellt werden. Für begeh- oder ggf. befahrbare lichtdurchlässige Deckenkonstruktionen geeignet. Ausführungen sind auch im Außenbereich möglich. Betongläser (viereckig oder rund) werden zwischen bewehrten Betonrippen (einachsig oder zweiachsig als Tragrost gespannt) im Verbund vergossen. Solche Deckenkonstruktionen werden generell mit einem Ringbalken (Stahlbeton) eingefasst ( 41). Zwängungen aus der Gebäudekonstruktion auf Glasstahlbetondecken müssen durch entsprechende Dehnungs- und Gleitfugen vermieden werden.

4. Glasprodukte

323

39 Maison de Verre, Paris, 1928 (Arch. Pierre Chareau).

40 Glassteine: Vollsicht (links) und lichtlenkend (rechts).

41 Begehbare Fläche aus Betongläsern.

324

IV Bauprodukte

4.

Transparente Wärmedämmung (TWD)

4.1

Wirkprinzip

Unter transparenter oder transluzenter Wärmedämmung (TWD) versteht man lichtdurchlässige Dämmmaterialien mit erhöhtem Wärmeschutz. Diese Dämmaterialien besitzen zusätzlich zu den physikalischen Eigenschaften konventioneller Dämmstoffe auch eine hohe Lichtdurchlässigkeit, die erhebliche Energieeinträge in Innenräume oder Speichermassen ermöglicht. Zur Hüllfläche orthogonale oder parallele Kapillaren- oder Wabenstrukturen mit Öffnungsweiten von einigen wenigen Millimetern werden zwischen Folien oder Glasscheiben gelegt. Sie werden so angeordnet, dass die Sonnenstrahlen in Richtung der Zellenlängsachse einfallen. Die Glasscheibe bietet den nötigen Witterungsschutz und verschließt die Wabenstruktur außenseitig. Innerhalb dieser Waben werden die Sonnenstrahlen in Richtung einer Absorberwand oder des Innenraums reflektiert. Als TWD-Materialien werden heute überwiegend hochtransparente Kunststoffe wie Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polycarbonat (PC) verwendet, aber auch Glas und Silica-Aerogele (s. u.) kommen in Frage. Ein TWD-System besteht aus verschiedenen Komponenten: • dem Absorber • dem Rahmenelement mit Verglasung • der Regel- bzw. Verschattungskomponente an der Fassade TWD-Massivwandsystem: der Absorber besteht aus einer Wand mit dunklem Anstrich. Diese übernimmt die Absorber- und Speicherfunktion. Das System muss mit einem Verschattungssystem ergänzt werden, um Überhitzung zu vermeiden ( 42, 43). TWD Wandsystem / konvektives System: TWD und Absorber bilden eine vorgehängte Einheit. Der Wärmeübergang zum Speicher (Massivwand) erfolgt durch Strahlung und Konvektion über den Luftspalt. Ein Verschattungssystem entfällt, da die nicht gewünschte Wärme mittels Hinterlüftung des Systems nach außen abgeführt werden kann ( 44). TWD Wandsystem / hybrides System: Ein Wärmeträger (Luft oder Wasser) übernimmt den Energietransport über ein Kanalsystem in den Speicher ( 45).

4. Glasprodukte

325

1 Glas 2 Verschattungssystem 3 Luftschicht 4 TWD 5 Glas

42 Aufbau eines TWD-Lichtelements.

5 4

3 21

43 Beispiel für ein U-Glas mit Kapillarblock B.u.: Röhrchenstruktur aus Glas.

1 Glas 2 TWD 3 Luftschicht 4 Wand/Speicher

4

3

2 1

44 TWD, konvektives System.

1 Glas 2 TWD 3 Wärmeträger 4 Dämmung

5 Massivwand

5

4

3

2

1

45 TWD, hybrides System.

326

10

Granulat

20

evakuiert

30

monolithisch

PUR/CO2

Mineralwolle

EPS/XPS

40

PUR ohne FCKW

60

Verbundwewrkstoff

Aerogele Wärmeleitfähigkeit λ (mW/mK)

4.2

IV Bauprodukte

0 Aerogele

herkömmliche Dämmstoffe

46 Vergleich der Wärmeleitfähigkeit von Aerogelen und herkömmlichen Dämmstoffen6

5.

Anpassungsfähige Systeme

Silica-Aerogele sind granulös oder plattenförmig verarbeitete Wärmedämmstoffe aus Siliciumoxid (SiO2) mit hervorragenden Wärmeleitwerten – im Regelfall 0,008 bis 0,017 W/mK (vgl.  46) und glasig-durchscheinender bis glasklarer Qualität, die sie zum Einsatz in TWD-Systemen befähigt. Chemisch sind sie identisch mit Quartzglas, weisen indessen eine extrem poröse Struktur auf aus kleinen Hohlpartikeln mit nur wenigen Molekülen dicken Wandungen und wenigen Nanometern Durchmesser. Die innere Oberfläche des Granulats ist extrem groß (rd. 1000 m2 /g), die Rohdichte so gering wie bei keinem anderen Feststoff.7 Die Wärmetransmissionswege sind demzufolge lang und verschlungen, was die Wärmeleitfähigkeit klein hält. Die extrem kleinen Porendurchmesser des Gefüges liegen im Bereich oder sogar unterhalb der durchschnittlichen freien Weglänge der Gaspartikel, so dass ihre Wärmeenergie an die Wandungen abgegeben wird, von wo sie den langen Transmissionsweg beschreitet. Wärmestrahlung kann durch Beimengung von Substanzen, die im Infrarotbereich schlecht durchlässig sind und einen trübenden Effekt hervorrufen (C, TiO2) zusätzlich verringert werden.8 Aerogele sind zweifellos die Feststoffe mit der höchsten Wärmedämmfähigkeit und sind bereits vereinzelt mit experimentellem Charakter als TWD eingesetzt worden. Sie sind im Bauwesen jedoch aufgrund ihrer – noch – hohen Kosten noch nicht verbreitet. Thermotrope und thermochrome Gläser: Thermotrope und Thermochrome Schichten verändern die Strahlungsemission in Abhängigkeit der Sonneneinstrahlung. Elektrooptische Gläser Bei den elektrooptischen Schichten hingegend verändert sich die Strahlungsemission durch das Anlegen einer elektrischen Spannung, die wiederum über Steuerelemente in Abhängigkeit der Wetterlage gesteuert werden kann ( 47-50). Priva-Lite® ist ein Verbundsicherheitsglas mit einem Film, in dem Flüssigkristalle eingebettet sind. Diese sind im Normalzustand ungeordnet, so dass die Scheibe undurchsichtig ist. Durch elektrische Spannung richten sich die Kristalle aus, so dass die Scheibe durchsichtig wird.

4. Glasprodukte

327

47 Schema einer elektrooptischen Verglasung im transparenten Zustand. Die geordnete Lage der Flüssigkristalle ergibt eine transparente Glasscheibe.

48 Schema einer elektrooptischen Verglasung im nicht transparenten Zustand. Die ungeordnete Lage der Flüssigkristalle sperrt die Durchsicht in beiden Richtungen.

49, 50 Jeweils transparent und opak geschaltete elektrooptische Verglasung

328



IV Bauprodukte

Anmerkungen

1 2

3 4 5 6 7



8

Schittich et al. (1998) Glasbau-Atlas S.61 Die bis vor kurzem übliche Bezeichnung k-Wert (nach DIN 52619) wird ersetzt durch den Begriff des U-Werts. Dieser ist in der neuen DIN EN 673 geregelt. Interpane-Produktinformationen; Interpane AG, Lauenförde Glashandbuch 2003, S. 23 Detail, Heft 1/1988 Quelle: Hoechst AG Lawrence, E. O. (Berkeley National Laboratories): How Silica Aerogels Are Made Hüsing N, Schubert U (1998) Aerogele – luftige Materialien: Chemie, Struktur und Eigenschaften, Weinheim

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE

1. Einsatz im Bauwesen 2. Einige baurelevante Kunststoffprodukte 2.1 Polyethylen (PE) 2.2 Polypropylen (PP) 2.3 Polyvinylchlorid (PVC) 2.4 Polystyrol (PS) 2.5 Polymethylmethacrylat (PMMA) 2.6 Polytetrafluorethylen (PTFE) 2.7 Polyamid (PA) 2.8 Polyurethan (PU) 2.9 Polycarbonat (PC) 2.10 Polyisobutylen (PIB) 2.11 Ungesättigte Polyesterharze (UP) 2.12 Silikon (SI) Anmerkungen

III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

330

IV Bauprodukte

1.

Einsatz im Bauwesen

Die Baubranche ist mit rund 20%, nach der Verpackungsindustrie mit 37% Kunststoffverbrauch, die zweitgrößte Abnehmerbranche für Kunststoffprodukte, wobei PVC (Polyvinylchlorid) knapp die Hälfte des eingesetzten Kunststoffes ausmacht. Dieser wird insbesondere für Rohre, Profile, Beläge und Armaturen eingesetzt. Einen weiteren großen Anteil machen die PS-Kunststoffe (Polystyrol) für Wärmedämmungen und PE-HD (Polyethylen hoher Dichte) für Rohrleitungen (Trinkwasser, Abwasser, Gas) aus.

2.

Einige baurelevante Kunststoffe

2.1

Polyethylen (PE)

Eigenschaften: PE ( ☞) ist gegenüber dem Angriff von Säuren, Laugen sowie auch gegen Pilze und Mikroorganismen empfindlich.1 Es sollte dauernder Feuchte nicht ausgesetzt werden. Lediglich als Trennlage kann es zeitweiligem Kontakt mit Baufeuchte widerstehen. Nach geeigneter Behandlung (chloriertes PE (PE-C) oder sulfoniertes PE (CSM)) kann es als Dachdichtungsbahn verwendet werden. Durchsichtige PE-Teile verspröden unter Lichteinwirkung rasch. Schwarz eingefärbte Bauteile weisen wesentlich längere Lebensdauer auf.2

☞ auch Kap. III-8, Abschn. 5.1 Polyethylen (PE), S. 216

Verarbeitung und Fügung: Wichtigstes Verfahren der Verarbeitung ist die Extrusion, insbesondere von Folien- und Rohrmaterial. PE kann spanend bearbeitet werden. Es ist schweißbar, Kleben ist jedoch nur eingeschränkt möglich. 3 Bauliche Anwendung: PE ist der baulich bedeutendste Kunststoff. Er findet Verwendung in Form von Folienmaterial als Trennlage, Dampfbremse, Schutzfolie oder auch als Dichtungsbahn; ferner auch Abwasserrohre, Behälter ( 1, 2).

1 PE-Folie aus LD-Polyethylen mit 0,5 mm Dicke.

2 Spiralverstärktes Schwerlastrohr aus PE-HD (Polyethylen mit hoher Dichte).

2.2

Polypropylen (PP) ☞ auch Kap. III-8, Abschn. 5.2 Polypropylen (PP), S. 217

Eigenschaften: Polypropylen ( ☞) zeichnet sich unter den Plastomeren durch seine geringe Rohdichte aus. Es ist glatt, zeigt eine harte Oberfläche und weist verhältnismäßig große Zugfestigkeit auf. Die vergleichsweise hohe Schmelztemperatur liegt bei 160° C. PP ist beständig gegen schwache Säuren und Laugen.4 Verarbeitung und Fügung: PP kann beispielsweise durch Extrusion oder Spritzgießen verarbeitet werden. Fügungen lassen sich wie bei Polyethylen herstellen.5

5. Kunststoffprodukte

331

Bauliche Anwendung: PP ist ein kostengünstiger, vielseitig einsetzbarer Universalkunststoff. 6 Im Bauwesen findet es als Rohrmaterial für Druckleitungen, Abgassysteme oder Fußbodenheizungen sowie auch als Hohlkörper oder Armaturen und Fittings Verwendung ( 3-5).

3 Fertig-Schwimmbecken aus komplett verschweißten Polypropylenteilen.

4 Schnellschweißung von PP-Bahnen.

Eigenschaften: PVC ( ☞) hat bei Gebrauchstemperaturen im Vergleich mit anderen Kunststoffen eine mittlere Zugfestigkeit, die durch Zugabe von Weichmachern allerdings verringert wird. Hart-PVC wird bei 75° C weich. Die Temperaturdehnung ist sehr groß. PVC ist beständig gegen schwache Säuren und Laugen, wird aber von vielen Lösungsmitteln angegriffen.7 Weichmacher verflüchtigen sich mit der Zeit und sind für den charakteristischen Geruch des Werkstoffs verantwortlich. Unter Brandeinwirkung wird Chlor freigesetzt, Chloride reagieren mit Löschwasser zu Salzsäure.8 Weich-PVC brennt außerhalb der Flamme weiter,9 es tropft brennend ab und ist deshalb bei Einbau über Kopf als gefährlich einzustufen. PVC (vor allem Weich-PVC) ist ohne spezielle Behandlung gegen UV-Strahlung nicht beständig, es ist folglich gegen kontinuierliche Sonnenstrahlung zu schützen. Durch die Einwirkung von Licht vergilbt es mit der Zeit. Verarbeitung und Fügung: PVC kann in zahlreichen Verfahren wie Extrudieren, Hochdruckschäumen oder Spritzgießen verarbeitet werden.10 Zu Fügungszwecken lässt sich PVC kleben und verschweißen.

5 Verstärkte Polypropylen-Rohre an einem Solarkollektor.

2.3

Polyvinylchlorid (PVC)

☞ auch Kap. III-8, Abschn. 5.3 Polyvinylchlorid (PVC), S. 218

6 Dichtungsprofil aus Weich-PVC.

7 PVC-Abwasserrohre.

Anwendung: PVC findet im Bauwesen eine sehr verbreitete Anwendung. Typische Einsatzformen von Hart-PVC sind Rohre, Armaturen sowie insbesondere Fensterprofile und Rollläden. Weich-PVC findet vorwiegend bei Abdichtungsbahnen, Fußbodenbelägen, Dichtprofilen und Kabelummantelungen Verwendung ( 6-8).

8 PVC-Rohrabzweigung.

332

2.4

IV Bauprodukte

Polystyrol (PS) ☞ auch Kap. III-8, Abschn. 5.4 Polytstyrol (PS), S. 219 ☞ Abschn. 5.5. Polymethylmethacrylat (PMMA), S. 220

Eigenschaften: Wenngleich die Festigkeit und Härte von Polystyrol ( ☞) nicht an die der Methacrylate ( ☞) heranreicht, so ist der Werkstoff dennoch sprödhart bis hornartig und kann mit glänzender Oberfläche hergestellt werden. PS-Schäume erweichen bei rund 100° C. PS ist gegen Benzin, Verdünner und Teerprodukte nicht beständig. Auch Weichmacher wie beispielsweise in PVC-Abdichtungsbahnen greifen Polystyrolschaum an. Dies ist bei Dachaufbauten mit PSDämmplatten zu berücksichtigen. Verarbeitung und Fügung: Polystyrol wird im Bauwesen am häufigsten in geschäumter (PS-E) oder extrudierter (PS-X) Form eingesetzt, und zwar vorwiegend als Dämmplatte. PS-E-Granulat wird mit Treibmittel aufgeschäumt, die entstandenen Perlen anschließend mit Dampf zu Blöcken verschweißt. Diese Partikelstruktur ist mit bloßem Auge erkennbar ( 9, 10). Sowohl PS-E als auch PS-X lassen sich Sägen, fräsen oder mit Heizdraht schneiden. Sie können mit Lösungsmitteln angelöst und verklebt werden.

11 PS-Rolladendämmung.

Anwendung: Expandierter Polystyrolschaum PS-E wird vorwiegend als Wärmedämmplatte eingesetzt, wegen ihrer guten Druckfestigkeit bevorzugt im Flachdachaufbau. Die Schaumpolystyrolpartikel werden auch bei der Herstellung von Leichtziegeln oder Leichbeton angewendet. Extrudierter Polystyrolhartschaum PS-X wird aufgrund seines geschlossenzelligen, nur wenig wassersaugenden Gefüges vorwiegend als Dämmstoff für erdberührte Bauteilen (so genannte Perimeterdämmung) oder für Umkehrdächer eingesetzt. ASA und ABS finden als Fensterprofile (in Substitution von PVC) oder Sanitärobjekte, Beschläge, Kellerschächte etc. Anwendung ( 11, 12).

9 PS-E Dämmplatte (expandiert)

12 PS-Wandelement für erhöhte Wärmedämmung.

10 PS-X Hartschaum

5. Kunststoffprodukte

Eigenschaften: PMMA ( ☞) ist ein harter, spröder, extrem glasklarer, polierfähiger, außerordentlich witterungsbeständiger Kunststoff. Es ist weitgehend beständig gegen Säuren und Laugen, wird aber von Benzol und anderen Lösungsmitteln angegriffen.11 Auch gegen UV-Strahlung ist PMMA sehr beständig.

333

2.5

Polymethylmethacrylat (PMMA)

☞ auch Kap. III-8, Abschn. 5.5 Polytmethylmethacrylat (PMMA), S. 220

Verarbeitung und Fügung: wie andere Plastomere, bevorzugt Extrusion und Spritzguss,12 aber auch einfaches Gießen. PMMA lässt sich wie Polystyrol schneidend und fräsend bearbeiten, ist allerdings härter. Es kann ferner geklebt und verschweißt werden. Anwendung: In transparenter Qualität als Glasersatz in Form von Scheiben, Stegplatten, Oberlichtkuppeln. Eingefärbt auch für Sanitärobjekte wie Wannen oder Becken verwendbar. Die Kratzfestigkeit ist indessen geringer als die von Glas oder Emaille.

13 Plexiglas®: ein PMMA-Kunststoff. 14 Stegplatten aus PMMA (Polymethylmethacrylat) bzw. Acrylglas.

Eigenschaften: PTFE (☞) ist ein Thermoplast mit einer sehr beständigen Struktur, die zwischen -220 und +250° C ihr Stoffgefüge kaum verändert.13 Seine Schmelztemperatur liegt bei 320 bis 345° C.14 Es ist ferner außerordentlich resistent gegen Chemikalienangriff, es ist praktisch nur durch Fluor oder verflüssigte Alkalimetalle15 zersetzbar. PTFE ist hydrophob und eignet sich auch aufgrund seiner Zähigkeit gut als Dichtungsmaterial. Die guten Gleiteigenschaften seiner Oberfläche prädestinieren es zum Einsatz in Gleitlagern.

2.6

Polytetrafluorethylen (PTFE)

☞ auch Kap. III-8, Abschn. 5.6 Polytetrafluorethylen (PTFE), S. 221

Verarbeitung und Fügung: Aufgrund seiner hohen Temperaturbeständigkeit lässt sich PTFE nur durch Pressen und anschließendes Sintern verarbeiten.16 Spanende Weiterverarbeitung ist möglich. Anwendung: PTFE ist unter der Markenbezeichnung Teflon® gut bekannt. Es findet in Form von Dichtungsprofilen breite Anwendung in modernen Gebäudehüllen. Es ist ferner auch für Lager gebräuchlich, auch in Faserform für Dichtungen und Filtermedien.17

15 PTFE-Gleitlagermatten.

16 Disk-Filter aus PTFE.

334

2.7

IV Bauprodukte

Polyamid (PA) ☞ Kap. III-8, Abschn. 5.7 Polyamid (PA), S. 222

Eigenschaften: PA ( ☞) ist ein harter, hornartig zäher, abriebfester Kunststoff.18 Schmelztemperatur bei 125-255° C.19 Gegen konzentrierte Säuren und Laugen ist es empfindlich, ebenso gegen Luftsauerstoff bei erhöhten Temperaturen – mehr als 100° C)20 sowie auch gegen UV-Strahlung. Glasklar oder milchig weiß. Bemerkenswert ist die Eigenschaft von Polyamid, in Abhängigkeit von der Umgebungsfeuchte wechselnde Mengen von Wasser aufzunehmen bzw. Wasserdampf in wechselndem Umfang durchdiffundieren zu lassen. Bei niedriger Feuchte ist der Diffusionswiderstand groß, bei hoher klein. Verarbeitung: Verspinnen, gießen, pressen, spanabhebend verarbeiten.21

☞ Kap. III-8, Abschn. 5.7 Polyamid (PA), S. 222

17 Dübel aus Polyamid.

2.8

Anwendung: Bekannt als Nylon® - und Perlon® -Fasern. Im Bauwesen gebräuchlich für feuchteadaptive Dampfbremsfolien, ferner für Dübel, Beschläge, Dichtungen. Aromatische Polyamide sind unter der Markenbezeichnung Kevlar ® allgemein bekannt (☞).

18 Einbaudosen aus Polyamid.

Polyurethan (PU) ☞ Kap. III-8, Abschn. 5.8 Polyurethan (PU), S. 223

19 Drückergarnitur aus Polyamid.

Eigenschaften: Polyurethane ( ☞) können als Plastomere mit unvernetztem linearem Molekulargefüge gefertigt werden oder mit engmaschiger Vernetzung, so dass sie duroplastische Eigenschaften aufweisen (wie die bauüblichen Schaumstoffe). Sie lassen sich aber auch mit weitmaschig vernetzten Molekülsträngen herstellen, so dass die langen beweglichen Kettenstränge dem Material eine gummielastische Konsistenz verleihen (Polyurethanelastomere, hochelastische Fasern mit Reißdehnungen von über 500%).22 PUR ist nur gegen konzentrierte Säuren und Laugen empfindlich, ansonsten chemisch außerordentlich beständig. Exponiertes PUR kann sich durch UV-Strahlung zersetzen. Verarbeitung: Polyurethanschäume entstehen bei Vermischung der Reaktionskomponenten, ggf. mit Zugabe von Emulgatoren, Aktivatoren, etc., durch gleichzeitige Freisetzung des Treibgases. Dieses bleibt in den Mikroporen des Schaums gefangen und ist aufgrund seiner geringen Dichte verantwortlich für die sehr guten Wärmedämmwerte des PUR-Schaums. 23 Das aufschämende Gemisch

5. Kunststoffprodukte

335

wird in Formen eingefüllt und erstarrt dort zu Blöcken oder beliebig geformten Teilen. Baulich besonders relevant ist das Ausschäumen von Sandwichelementen aus Blechen ( ☞), die aufgrund der duroplastischen Eigenschaften des PUR-Werkstoffs einen steifen, druck- und schubfesten Kern erhalten, eine Grundvoraussetzung für die mechanische Wirkung als Sandwichpaneel ( ☞). Als Einkomponenten-Ortschaum wird PUR zum Verfüllen von Fugenräumen für Dichtzwecke eingesetzt. Polyurethane werden auch als Lacke, Klebstoffe und Beschichtungen verarbeitet.

☞ Kap. IV-3, Abschn. 3.3.5 PURSandwichelemente/-Paneele, S. 296

☞ Kap. V-2, Abschn. 9.7 Sandwichelement, S. 499

Anwendungen: Sehr leistungsfähige Dämmstoffe mit niedriger Wärmeleitzahl, vor allem in ausgeschäumten Sandwichelementen; auch als Füllmaterial, Formkörper, Fensterprofil sowie auch als Klebstoff und Lack. In elastischer Variante als Fasermaterial oder Schaumstoffpolster ( 20-22).

20 PU-Dämmplatte mit selbstklebender Kaschierung.

21 Mit PU ausgeschäumtes Alu-Sandwichpaneel.

Polycarbonate ( ☞) sind thermoplastische Polyester, die durch Polykondensation entstehen. Es sind glasklare, hochelastische, ausgesprochen zähe Kunststoffe mit glänzender Oberfläche, die im Bauwesen insbesondere bei transparenten oder transluzenten Hüllelementen Verwendung finden ( 23-24). Am bekanntesten sind Hohlkammerplatten (z. B. Doppelstegplatten) aus Polycarbonat. Aufgrund der hohen Schlagzähigkeit von PC 24 weisen sie eine gute Bruchfestigkeit auf. Gegen UV-Strahlung und sonstigen Witterungseinflüssen sind Polycarbonate sehr beständig. 25

23 Wetterfestes Lampengehäuse aus Polycarbonat.

24 Transparente Hohlkammerplatten aus Polycarbonat.

22 Der berühmte Panton-Stuhl wird aus glasfaserverstärktem Polyurethan (PU) oder alternativ auch aus Polypropylen (PP) gefertigt.

2.9

Polycarbonat (PC)

☞ auch Kap. III-8, Abschn. 5.9 Polycarbonat (PC), S. 223

336

IV Bauprodukte

2.10 Polyisobutylen (PIB)

PIB (☞) findet als Dicht- und Klebstoff sowie auch als Dichtungsbahn oder -folie bauliche Anwendung. Insbesondere selbstklebende Fugendichtbänder, die vor der Montage angeheftet werden und sofort funktionstüchtig sind, haben im baulichen Einsatz weite Verbreitung (z. B. Andichtungen im Fassadenbau)26 ( 25-26).

☞ auch Kap. III-8, Abschn. 5.10 Polyisobutylen (PIB), S. 223

25 Butyl-Dichtband. 26 Profilierte Butyl-Dichtbänder.

2.11

Ungesättigte Polyesterharze (UP) ☞ auch Kap. III-8, Abschn. 5.11 Ungesättigte Polyesterharze (UP), S. 224

27 Kunststoffzylinder aus UP-Gf für eine Sendeanlage.

Besondere Bedeutung hat der Kunststoff (☞) unter Zugabe geeigneter Füllstoffe als Matrixmaterial für glasfaserverstärkte Kunststoffteile (früher GFK), die heute als UP-GF bezeichnet werden.27 Formkörper mit vielfältigen Geometrien lassen sich nach diversen Verfahren herstellen wie Handlaminieren auf Negativ-Formen, Wickeln mit Endlos-Fasern, Profilziehen oder Prepeg-Formen.28 Häufige bauliche Anwendungen von ungesättigten Polyesterharzen sind Schalenteile für den Möbelbau, lichtdurchlässige ebene oder gewellte Platten, Lichtkuppeln, Fassadenelemente mit schalenförmiger Geometrie wie in den 60er und 70er Jahren wiederholt experimentell eingesetzt ( 27-29).

28 Mehrlagiger Aufbau einer UP-GF-Schale mit Chemieschutzschicht, Traglaminat und Topcoat.

2.12 Silikon (SI) ☞ auch Kap. III-8, Abschn. 5.12 Silikon (SI), S. 224 ☞ Band 2, Kap. X, Abschn. 4.3.3 Fuge mit Füllung und Flankenhaftung, S. 618

29 Aufsetzkranz einer Lichtkuppel aus UP-GF.

Eigenschaften, Verarbeitung und Anwendung: Von fundamentaler Bedeutung für das aktuelle Baugeschehen sind die plastisch verarbeitbaren, anschließend elastisch sich verfestigenden kaltvulkanisierenden Silikonkautschuke ( ☞), die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften das Dichtprinzip der elastischen Fugenfüllung mit Flankenhaftung ermöglichen ( ☞).

5. Kunststoffprodukte

Die im Bauwesen weit verbreiteten Einkomponenten-Kaltsilikone (RTV-1) werden durch Einwirkung von Luftfeuchte nach dem Spritzen vom plastischen in den gummielastischen Zustand überführt. Die Vernetzung zum Elastomer erfolgt durch Kondensation; dabei wird (bei sauer vernetzenden Silikonen) Essigsäure frei, die sich am charakteristischen sauren Geruch bemerkbar macht. Im plastischen Verarbeitungszustand haftet der Dichtstoff an glatten Fugenflanken, diese Haftung bleibt nach der Kaltvulkanisierung bestehen. Ggf. sind die Fugenflanken mit einem Primer vorzubehandeln. Silikonkautschuke weisen eine hohe Beständigkeit gegen Wärme, UV-Strahlung und chemischen Angriff auf und sind ausgesprochen hydrophob, was für ihre Hauptfunktion als Dichtung gegen Feuchte von fundamentaler Bedeutung ist ( 30). Sie sind indessen gegen Mikroorganismen empfindlich und müssen beispielsweise im Sanitärbereich regelmäßig gereinigt werden. Zweikomponenten-Kaltsilikone (RTV-2) kommen immer dann zum Einsatz, wenn nicht genügend Luftfeuchtigkeit für die Vernetzungsreaktion vorhanden ist. Am Bau sind sie nicht gebräuchlich.29 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

Volland (1999) Einblicke..., S. 215 Volland (1999) Einblicke..., S. 215 Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 53 Volland (1999) Einblicke..., S. 219 Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 57 Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 57 Volland (1999) Einblicke..., S. 224 Volland (1999) Einblicke..., S. 225 Volland (1999) Einblicke... Näheres hierzu vgl. Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 50 Volland (1999) Einblicke..., S. 217 Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 67 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 419 Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Polytetrafluorethylen Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Polytetrafluorethylen Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Polytetrafluorethylenfasern Volland (1999) Einblicke..., S. 212, Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 420 Volland (1999) Einblicke..., S. 213 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 420 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 420 Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Polyurethanfasern Volland (1999) Einblicke..., S. 222 Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 61 Benedix (1999) Chemie für Bauingenieure, S. 425 Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 289 f Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 59 Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 59 f Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, S. 289

337

30 Verfugen mit Silikonkautschuk.

Anmerkungen

338

IV Bauprodukte

V FUNKTIONEN

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE

1. Hierarchie der Funktionen 1.1 Die Nutzung von Gebäuden 1.2 Bauliche Grundfunktion 1.3 Bauliche Hauptfunktionen 2. Die Hauptfunktionen im Einzelnen 2.1 Tragen 2.2 Einhüllen 2.3 Ver- und Entsorgen 3. Zuweisen von Teilfunktionen an Bauteile 4. Die elementaren Teilfunktionen von Hüllbauteilen im Gebäudezusammenhang 4.1 Kraft leiten 4.2 Schutz vor Feuchte 4.3 Windschutz 4.4 Wärmeschutz 4.5 Schutz vor unkontrolliertem Dampfeintritt 4.6 Ausdiffundieren von Dampf 4.7 Akustik 4.8 Brandschutz Anmerkungen

III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

340

V Funktionen

1.

Hierarchie der Funktionen

Bevor auf die konstruktionsrelevanten Funktionen eingegangen werden kann, müssen zunächst einige Begriffe klar voneinander differenziert werden:

1.1

Die Nutzung von Gebäuden

Gebäude werden für vielerlei Zwecke errichtet. Vermutlich entstanden die ältesten Gebäude zum Zweck des Schutzes gegen die Witterung, doch bereits sehr alte Beispiele zeigen, dass Gebäude auch ausschließlich religiösen und kultischen Zwecken gewidmet und frei von Schutzfunktion sein konnten. Nur sofern es sich um Versammlungsbauten handelte, mussten diese ähnlichen Schutz gegen die atmosphärischen Einflüsse bieten wie gewöhnliche Behausungen. Manchmal jedoch waren – und sind heute noch – Gebäude nicht einmal dafür vorgesehen, von Menschen betreten zu werden, ihre Bedeutung liegt allein in ihrer symbolischen Dimension, die sich bereits durch die Betrachtung erschließt. Bauwerke mit reiner symbolischer Funktion können frei von vielerlei Aufgabenzuweisungen sein, wie beispielsweise von den diversen Schutzfunktionen gegen die Witterung, müssen aber dennoch zumindest die anfallenden Lasten ableiten, benötigen also ein Tragwerk. Die große Mehrzahl der errichteten Gebäude verfolgen indessen eine spezifische fundamentale Zweckbestimmung. Wir könnten sie umschreiben als die

☞ Kap. II-1 Ordnung und Gliederung, S. 20 ff

Schaffung eines räumlich abgegrenzten, kontrollierbaren Umfelds, das für bestimmte menschliche Aktivitäten oder sonstige Bedürfnisse zweckorientiert eingerichtet, konditioniert und gestaltet werden kann.

Wir bezeichnen diese menschlichen Aktivitäten, die im künstlich geschaffenen baulichen Umfeld stattfinden, als die Nutzung des Gebäudes. Dies kann ferner mit der Aufgabe verknüpft sein, und ist es in den meisten Fällen auch, diesen künstlich geschaffenen Raumbereich mit bestimmten Medien, Energieträgern oder auch elektrischen Impulsen – wie zur Datenübermittlung – zu versorgen. Herkömmliche Nutzungen wie beispielsweise Wohnen, Arbeiten, Ausstellen, etc. bedingen vielfältige Einzelfunktionen, die man in verschiedene Hierarchieebenen aufgliedern muss. Wir werden uns in den folgenden Abschnitten mit ihnen beschäftigen. Die sehr komplexe Mischung von teilweise stark divergierenden Einzelfunktionen ist kennzeichnend für den Hochbau. Diese jeweils gesondert zu erfüllen stellt bereits eine Herausforderung dar, eine noch viel größere hingegen die Bewältigung des Zusammenspiels der funktional verschieden belegten Einzelteile innerhalb einer Baukonstruktion. 1.2

Bauliche Grundfunktion

Akzeptiert man die Prämisse, dass die überwiegende Anzahl der Gebäude zum Zweck der nutzungsorientierten Konditionierung eines Raums errichtet wird, so erfüllen die meisten Gebäude – auf einer Hierarchiestufe unterhalb ihrer eigentlichen Nutzung – eine bauliche Grundfunktion, nämlich eine Einhüllung oder Umbauung eines künstlich gestaltbaren Raumvolumens, in dem

1. Spektrum

besondere Verhältnisse künstlich geschaffen oder beeinflusst werden können. Die Erfüllung dieser Grundfunktion obliegt dem Gesamtsystem des Gebäudes. Einige zu schaffende Voraussetzungen sollen hier nur beispielhaft genannt werden: • geeignete klimatische Verhältnisse. Hierbei kommt den einhüllenden Bauteilen, bzw. der Gebäudehülle die wesentliche Aufgabe zu, gegen Witterung zu schützen und ein gewünschtes, zumeist konstantes Innenklima zu schaffen. Je nach angestrebter Nutzung können die Anforderungen sehr hoch sein (vgl. Reinraumtechnik). In den meisten Fällen ist eine geschlossene Umhüllung des Raums erforderlich. Manchmal sind hingegen nur einzelne Witterungsfaktoren auszuschalten, wie beispielsweise Regen bei einer einfachen Überdachung. In solchen Fällen kann die Baustruktur auch offen sein und der konstruktive Aufbau entsprechend einfacher ausfallen. • Schutz gegen unerwünschte sonstige Einflüsse wie •• Schutz vor Einblick •• Schutz vor Eindringen oder Einbrechen •• (vereinzelt auch) Verhinderung des Ausbruchs • geeignete akustische Verhältnisse, wie beispielsweise in einem Konzertsaal. • geeignete Lichtverhältnisse für diverse Aktivitäten wie die Betrachtung von Kunstwerken in Museen • und nicht zuletzt spielt oftmals die Bereitstellung von zusätzlichen künstlich geschaffenen Bodenflächen im gestapelten Geschossbau, und damit die wirtschaftliche Verwertung von Grund und Boden, eine wesentliche Rolle beim Errichten von Gebäuden. Diese je nach Zweckbestimmung begeh-, befahr- oder anderweitig nutzbare Flächen können die bebaute Grundstücksfläche fallweise um ein Vielfaches vermehren. Wie wir sehen werden, stellt bereits diese begrenzte Auswahl von Aufgaben des Gesamtgebäudes eine Vielzahl von Einzelanforderungen an die Baustruktur, die teilweise mit planerischen Maßnahmen, aber auch zum großen Teil mit geeigneten konstruktiven Lösungen zu erfüllen sind. Mit letzteren werden wir uns in diesem Werk in der Folge näher zu beschäftigen haben. Zuletzt soll in diesem Kontext auf einen fundamentalen Gesichtspunkt hingewiesen werden, der sich aus dieser baulichen Grundfunktion ableitet und oftmals übersehen wird: Der allseitige Einschluss eines Raums bedingt naturgemäß auch die Überdeckung

341

342

V Funktionen

desselben; oder anders formuliert: die Anordnung und zuverlässig dauerhafte Lagefixierung von – nicht unbeträchtlicher – Konstruktionsmasse über unseren Köpfen, und zwar bei gleichzeitiger Schaffung brauchbarer Räume, was das Überbrücken ausreichender Spannweiten voraussetzt. Diese zunächst als selbstverständlich erscheinende Feststellung hat mindestens zwei fundamentale Konsequenzen:

☞ hierzu Kap. V-2, Abschn. 2.4 Form,  41 auf S. 376

• Bauen setzt stets ein Umleiten von Kräften voraus. Die dominierende Kraft ist die Schwerkraft, die der Konstrukteur gleichsam über den zu schaffenden Raum hinweg in den Baugrund umzuleiten hat. Eine Kraftumleitung ist – bereits aus geometrischer Notwendigkeit – grundsätzlich mit erhöhter Materialbeanspruchung verknüpft ( ☞). Besonders bei der Bewältigung der Aufgabe, Raum zu überdecken, steuert deshalb der Entwerfer und Konstrukteur durch die mehr oder weniger materialeffiziente Gestaltung der Konstruktion den Materialverbrauch und allgemein den baulichen Aufwand maßgeblich. • Die Baukonstruktion muss der kritischsten Witterungsbeanspruchung widerstehen, nämlich der annähernd lotrechten Bewitterung mehr oder weniger flach geneigter, manchmal auch horizontaler Flächen. Diese Aufgabe ist mit verschärften bauphysikalischen Anforderungen verbunden und bedingt gesonderte Gebäudeteile – wie das herkömmliche geneigte Dach –, aufwendigere Aufbauten oder besonders kurze Erneuerungszyklen – wie bei zahlreichen Flachdächern.

1.3

Bauliche Hauptfunktionen

☞ Kap. II-1, 2.2 Gliederung nach funktionalen Gesichtspunkten > 2.2.1 nach Hauptfunktion, S. 24

Münzt man die angesprochene bauliche Grundfunktion eines Gebäudes in bauliche Hauptaufgaben der Baustruktur auf einer tieferen Hierarchieebene um, so können drei bauliche Hauptfunktionen unterschieden werden, die ihrerseits zur Untergliederung des Gesamtsystems der Baustruktur in drei grundlegende funktionale Teil- oder Subsysteme führen. Dies sind die Funktionen 1 Tragen: dem Tragwerk oder Primärsystem zugeordnet 2 Einhüllen: der Hülle oder Sekundärsystem zugeordnet 3 Ver- und Entsorgen: dem Ver- und Entsorgungs- oder Tertiärsystem zugeordnet. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass diese drei Teilsysteme in baulicher Ausführung sowohl getrennt als auch im gleichen Bauteil verschmolzen in Erscheinung treten können. Neben diesen drei Hauptfunktionen, die zuvorderst die Nutzbarkeit eines Gebäudes gewährleisten sollen, können auch weitere Aufgaben definiert werden, die sich aus anderen Perspektiven herleiten und die Planung und materielle Ausführung der Baustruktur

1. Spektrum

ebenfalls beeinflussen. Unter diesen:

343

AUSSEN

INNEN

• Recyclen oder Wiederverwerten der Konstruktion am Ende ihrer Lebenszeit. • Sichern der dauerhaften Erfüllung der angesprochenen Grundfunktionen. Dies umfasst beispielsweise den Korrosions- oder Fäuleschutz der Baustruktur • Ökonomie der Baumaßnahme unter privat-, betriebs- oder volkswirtschaftlichen Gesichtspunkten. Hierzu gehört auch die Effizienz der Baumaßnahme hinsichtlich der Energie- und Rohstoffproduktivität.1 Dieses Kriterium bezieht sich zwar grundsätzlich auf das Gesamtgebäude (☞ Abschn. 1.1), hat aber weit reichende bautechnische Auswirkungen und ist aus diesem Grunde auch an dieser Stelle relevant.

Feuchteschutz gegen Außenraum

Windschutz gegen Außenraum

• Fertigungs- und Montagegerechtigkeit der Baustruktur. • Gewinnung der Sonnenenergie zur Speicherung oder Bereitstellung in Form anderweitig – d. h. nicht nur direkt für die Raumkonditionierung des betroffenen Gebäudes – nutzbarer Energieträger. Dieser Aspekt tritt zwar derzeit noch vereinzelt in Form von Bauwerken auf, die photovoltaisch in Strom umgewandelte Sonnenenergie in das Stromnetz einspeisen, verspricht jedoch in Zukunft an Bedeutung zu gewinnen. Alle der angesprochenen Funktionen ziehen wie erwähnt sowohl planerische als auch konstruktive Maßnahmen nach sich. Dieses Werk beschäftigt sich lediglich mit den konstruktiven Faktoren. Dennoch bleibt die Komplexität und Vielschichtigkeit des angerissenen Anforderungskatalogs enorm, besonders wenn man das extrem hohe Anforderungsniveau in Betracht zieht, das bei einigen Faktoren – wie dem Wärmeschutz – heute in Industrieländern angesetzt wird. Einige der aufgelisteten Anforderungen werden im Folgenden aus pragmatischen Erwägungen dort behandelt, wo von den betroffenen Bauteilen die Rede ist. Die elementaren Funktionen sollen hingegen in ihren wichtigsten Einzelaspekten in den folgenden Teilkapiteln näher betrachtet werden. Sie sind in der Übersicht in  1 grafisch hervorgehoben.

Wärmeschutz

Schutz vor Dampfeintritt gegen Innenraum

Dampfdiffusionsfähigkeit zum Außenraum

1 Thermohygrische Teilfunktionen der Außenhülle.

344

V Funktionen

2.

Die Hauptfunktionen im Einzelnen

Es folgt eine nähere Untersuchung und Aufgliederung der drei Hauptfunktionen Tragen, Einhüllen sowie Ver- und Entsorgen:

2.1

Tragen

Die Aufgabe des Leitens von Kräften oder des Tragens folgt aus der Notwendigkeit, • die Standfestigkeit der Baustruktur zu gewährleisten sowie • die Verformungen derselben so weit einzugrenzen, dass die Funktionen des Gesamtbauwerks nicht beeinträchtigt werden. Man spricht dabei von der Sicherung der Gebrauchstauglichkeit der Konstruktion. So muss beispielsweise die Durchbiegung von Decken begrenzt werden, damit sie den Nutzungsansprüchen Genüge tun. Die Funktion des Tragens wird drei Hierarchieebenen zugeordnet, die den drei Abstufungen des • Primärtragwerks • Sekundärtragwerks und • Tertiärtragwerks

☞ Kap. IV-2 Kraft leiten, S. 364, sowie Band 2, Kap. VIII Primärtragwerke

2.2

Einhüllen

entsprechen. Das Primärtragwerk ist zumeist gleichzusetzen mit dem eigentlichen funktionalen Primärsystem (beide Begriffe sind deutlich voneinander zu unterscheiden) und wird gemeinhin mit dem Begriff Tragwerk belegt ( ☞), in Abgrenzung zum funktionalen Sekundärsystem der Hülle. Dies gilt insbesondere für Skeletttragwerke, bei denen eine klare Trennung zwischen diesen beiden Subsystemen herrscht. Hingegen sind Sekundär- und Tertiärtragwerk üblicherweise materieller Bestandteil des funktionalen Sekundärsystems, also der Gebäudehülle, und folglich mit anderen funktionalen Elementen (beispielsweise solchen mit bauphysikalischen Schutzfunktionen) in einer gemeinsamen Konstruktion kombiniert. Ihre Hauptfunktion ist dessen ungeachtet die Ableitung von Kräften – wie z. B. bei einer Fassadenrippe. Die Hüllfunktion, welche hauptverantwortlich für die Schaffung eines künstlichen, für unsere Zwecke geeigneten Mikroklimas bzw. eines gegen unerwünschte Einflüsse geschützten Raums ist, lässt sich in vielfältige Einzelfunktionen aufgliedern und bestimmt in ihrer außerordentlich großen Komplexität die Konstruktion eines Gebäudes nachhaltig. Die Diversität der Anforderungen, die an Gebäudehüllen gestellt werden, und die oftmals daraus hervorgehenden Zielkonflikte stellen den Konstrukteur vor beträchtliche Herausforderungen. In einem komprimierten Überblick sollen die Einzel- oder Teilfunktionen der Grundfunktion Einhüllen im Folgenden kurz angesprochen werden:

1. Spektrum

345

• Windschutz: Schutz des Innenraums vor Wind und daraus resultierenden störenden Luftbewegungen • Schutz vor Niederschlag: Schutz vor Regen, unter Winddruck stehendem Schlagregen, Schnee, Eisbildung • Thermische Konditionierung: Diese umfasst den •• Wärmeschutz, der sowohl bei niedrigeren wie auch höheren Außentemperaturen die Grundlage für ein stabiles Innenklima darstellt. •• thermischen Ausgleich durch kontrollierte Wärmespeicherung und Wärmeabgabe durch Hüllbauteile •• sowie auch passive solare Wärmegewinne, also solche, die allein durch die Baustruktur selbst erzielt werden. • Kontrolle des Dampfhaushalts: Diese verfolgt im Wesentlichen zwei Hauptzwecke, nämlich: •• die Kontrolle der Feuchtebildung innerhalb der Konstruktion. Es darf nicht zu ständiger Feuchte kommen, da die Bausubstanz dadurch bleibenden Schaden erfahren kann. •• die Regulierung der relativen Raumluftfeuchte. Hüllbauteile sind unter bestimmten Voraussetzungen in der Lage, Feuchte zu binden und zeitverzögert wieder abzugeben. Sie entfalten eine ausgleichende Wirkung. • natürliche Belüftung, eine Teilfunktion, die im Regelfall definierten Teilbereichen der Hülle zugewiesen ist, beispielsweise Fenstern. Wenngleich diese Funktion eine Art Versorgung darstellt, wird sie üblicherweise immer dann zur Hüllfunktion gerechnet, wenn sie über Öffnungen auf natürlichem Wege erfolgt ( ☞). • (natürliche) Belichtung wird ebenfalls der Hüllfunktion zugeordnet, wenn sie über transparente Flächen der Gebäudehülle erfolgt. Die Beleuchtung (aus künstlichen Lichtquellen) wird hingegen dem Ver- und Entsorgungssystem zugerechnet ( ☞). • Schallschutz schirmt Innenräume gegen externe oder auch benachbarte interne Schallquellen ab. • Brandschutz bewahrt Gesamtgebäude oder auch Teilbereiche eines Gebäudes vor Brandeinwirkung. • Sicht-, Blend- und Sonnenschutz bewahrt vor unerwünschten Einflüssen; Sonneneinstrahlung kann unter bestimmten Voraus-

☞ Abschn. 2.3 Ver- und Entsorgung

346

V Funktionen

setzungen per se unerwünscht sein. Sonnenschutz erfüllt allerdings auch eine wesentliche Teilfunktion im Zusammenhang mit der thermischen Raumkonditionierung (siehe oben). • Schutz vor Eindringen • raumakustische Konditionierung sorgt für geeignete Nachhallzeiten in Innenräumen. Dies ist zumeist auf Versammlungsräume, insbesondere Konzertsäle anwendbar. Sofern eine Funktion das Ziel verfolgt, vor äußeren Einflüssen zu schützen, sind naturgemäß die Außenbauteile betroffen ( 1). Schutz muss aber oftmals auch vor benachbarten Innenräumen garantiert werden. Es kann sich dabei um Schutz gegen Schallimmissionen oder gegen Brand handeln. In solchen Fällen haben auch Innenbauteile entsprechende Anforderungen zu erfüllen. Es empfiehlt sich aus diesem Grund eine Differenzierung von • äußeren Hüllbauteilen wie Wänden, Dächern, Böden gegen Erdreich etc. und • inneren Hüllbauteilen wie Trennwänden, Zwischendecken. 2.3 Ver- und Entsorgen

Die Ver- und Entsorgung eines Gebäudes mit Medien bzw. Energieträgern oder Daten ist eine Aufgabe der gebäudetechnischen Ausstattung. Diese technische Infrastruktur ist zumeist von den restlichen zwei funktionalen Teilsystemen (Tragwerk und Hülle) getrennt. Dennoch ergeben sich oft genug Fälle, in denen Teile des Ver- und Entsorgungssystems räumlich mit Bauteilen des Tragoder Hüllsystems in einer gemeinsamen Konstruktion integriert sind und Koordinationskonflikte hervorrufen. Gutes Beispiel ist die elektrische Leitungsführung in Schalenwänden (Schlitze, etc.) oder das Durchführen von Leitungen durch Tragbauteile. Zunehmend wird Gebäudetechnik auch planmäßig aus guten Gründen beispielsweise in Fassaden integriert. Die Koordination dieser funktionalen Teilsysteme ist jeweils sorgfältig zu planen. Wenngleich es unstrittig ist, dass die Erfüllung dieser Grundfunktion die Baustruktur nachhaltig beeinflusst, und zwar wiederum sowohl in ihrer Planung als auch in ihrer Konstruktion, ist der Einfluss auf die Konstruktion, welche uns in diesem Werk beschäftigt, dennoch nicht unmittelbarer Natur wie bei den anderen beiden des Tragens und Einhüllens. Materialwahl, geometrische Formgebung und konstruktiver Aufbau von Bauteilen werden von Anforderungen des Ver- und Entsorgungssystems in den seltensten Fällen entscheidend bestimmt. Aus diesem Grunde sollen Teilaufgaben dieser Grundfunktion nur dort behandelt werden, wo sich von ihnen betroffene Bauteile im Blickfeld befinden. Die Grundfunktion der Ver- und Entsorgung kann in folgende Teilfunktionen untergliedert werden.

1. Spektrum

Tragen

347

Primärtragwerk Sekundärtragwerk Tertiärtragwerk

Einhüllen

Windschutz Schutz vor Niederschlag thermische Konditionierung

Wärmeschutz thermischer Ausgleich

Elementare thermohygrische Teilfunktionen

passive solare Wärmegewinne Kontrolle des Dampfhaushalts

Kontrolle der Feuchtebildung innerhalb der Konstruktion Regulierung der relativen Raumluftfeuchte

natürliche Belüftung Belichtung Schallschutz Brandschutz Sicht-, Blend-, Sonnenschutz Schutz vor Eindringen raumakustische Konditionierung

Ver- und Entsorgen

Versorgen mit Heizwärme

durch Umlagerung nicht regenerativ regenerativ

Versorgen mit Kühle

durch Umlagerung nicht regenerativ regenerativ

künstliche Belüftung Beleuchtung Versorgen mit Wasser

Versorgen mit Kaltwasser Versorgen mit Brauchwasser Entsorgen von Abwasser

Versorgen mit Elektrizität

Starkstrom Schwachstrom Funkwellen

Kontrolle von Stromflüssen

Blitzschutz Potenzialausgleich

2 Übersicht der Grund- und Teilfunktionen einer Gebäudestruktur. Grafisch hervorgehoben sind diejenigen Teilfunktionen, die einen unmittelbaren Einfluss auf die konstruktive Ausbildung von Bauteilen haben. Sie sollen in den Teilkapiteln V-2 bis V-5 näher untersucht werden.

348

V Funktionen

• Versorgen mit Heizwärme; dies kann erfolgen durch •• Umlagerung von Wärme innerhalb des Gebäudes – z. B. Wärmetausch •• Erzeugung von Wärme aus nicht regenerativen Energiequellen •• Nutzung regenerativer Wärmequellen • Versorgen mit Kühle; analog zur Wärmeversorgung kann dies erfolgen durch •• Umlagerung von Kühle innerhalb des Gebäudes – z. B. Wärmetausch •• Erzeugung von Kühle aus nicht regenerativen Energiequellen •• Nutzung regenerativer Kühlequellen • mechanische Belüftung versorgt Innenräume über geeignete Kanäle mit Frischluft, die fallweise behandelt werden kann. • (künstliche) Beleuchtung versorgt Innen- oder auch Außenräume mit künstlichem Licht. • Wasserver- und entsorgung stellt •• Kaltwasser und •• Brauchwasser bereit und •• entsorgt Abwässer. • Versorgung mit elektrischer Energie umfasst •• Starkstrom wie Wechsel- oder Drehstrom •• Schwachstrom wie für Telefon und kabelgebundene Datennetze •• Funkwellen wie für drahtlose Datennetze • Kontrolle elektrischer Ströme sorgt für •• Blitzschutz •• Potenzialausgleich innerhalb des Gebäudes.

1. Spektrum

Einige der angesprochenen Funktionen werden herkömmlicherweise spezifischen, lokalisierten Elementen oder Flächenbereichen der Gebäudehülle zugewiesen, wie beispielsweise die Lüftungs- und die Belichtungsfunktionen (Fenster, lokale Verglasungen). Andere hingegen, die vor allem zur dauerhaften Aufrechterhaltung des Innenklimas sowie fallweise auch zusätzlich für die Standfestigkeit und die Funktionsfähigkeit der Konstruktion unverzichtbar sind, müssen durchgängig über die gesamte Fläche der Gebäudehülle bzw. über die komplette Gebäudestruktur hinweg gewährleistet werden. Hierzu zählen die folgenden Funktionen:

349

3.

Zuweisen von Teilfunktionen an Bauteile

• das Ableiten von Kräften, • die grundlegenden thermohygrischen Schutzfunktionen: •• Schutz vor Niederschlag gegenüber Außenraum, •• Windschutz gegen Außenraum, •• Wärmeschutz, •• Schutz vor Dampfeintritt in die Konstruktion gegen Innenraum (oder ggf. auch Außenraum). Zusätzlich kann ein Außenbauteil auch so konstruiert sein, dass eine weitere Schutzfunktion wirksam wird, nämlich: •• Dampfdiffusionsfähigkeit der Konstruktion zum Außenraum oder ggf. zum Innenraum hin. Dies soll sicherstellen, dass eventuell in die Konstruktion eingedrungene Feuchte bei entsprechenden klimatischen Voraussetzungen – entsprechendes Dampfdruckgefälle zwischen innen und außen, also bei trockener Witterung – in den Außen- oder Innenraum ausdiffundieren kann. • der Schallschutz gegen externe oder benachbarte interne Schallquellen Zusätzlich ist an festgelegten Teilflächen der Gebäudehülle ganzflächig auch • der Brandschutz sicherzustellen. Bei der Zuweisung von Aufgaben an Bauteile oder Einzelbestandteile derselben sind grundsätzlich zwei Vorgehensweisen denkbar ( ☞): • Aufgliedern eines Bauteils in einzelne Schichten, denen spezifische Teilfunktionen zugewiesen werden. Sie werden auf

☞ Kap. II-1, Abschn. 2.2 Gliederung nach funktionalen Gesichtspunkten > 2.2.2 nach baulicher Einzelfunktion, S. 25

350

V Funktionen

die Erfüllung dieser Einzelfunktionen hoch spezialisiert, von anderen Aufgaben hingegen weitgehend entbunden – Beispiel: Wärmedämmung, Dampfsperre. Zwar kann auf die einzelnen Funktionen aufgrund der Monofunktionalität der Schichten sehr effizient reagiert werden, es ergeben sich hingegen oftmals Schwierigkeiten beim Zusammenwirken der äußerst ungleichartigen Stoffschichten. • Zuweisen von mehreren Funktionen an ein einzelnes Bauteil, wobei es in der Regel unumgänglich ist, signifikante Abstriche an der Leistungsfähigkeit des Bauteils aufgrund dieser Funktionsmischung hinzunehmen. Manchmal gelingt es, vergleichsweise hohe Anforderungen durch den Einsatz technisch hoch entwickelte Fertigungsverfahren zu erfüllen – Beispiel: Porosierung und Profilierung moderner Leichthochlochziegel. Dennoch stellt diese Strategie zumeist einen Kompromiss dar, der indessen nur selten physikalische Kombinationsprobleme von Einzelbestandteilen aufwirft. 4.

Die elementaren Teilfunktionen von Hüllbauteilen im Gebäudezusammenhang

Obgleich die angesprochenen Schutz-, Kraftleitungs- und Konditionierungsfunktionen grundsätzlich über die gesamte Hüllfläche hinweg gewährleistet sein müssen, gibt es dennoch unterschiedliche Beanspruchungsverhältnisse, die sich aus der Lage der betroffenen Hüllfläche am Gebäude herleiten. Im Folgenden werden unterschiedliche Lagen an der Gebäudehülle, und zwar sowohl an äußeren wie auch an inneren Hüllbauteilen, hinsichtlich ihrer Ansprüche aus den verschiedenen Teilfunktionen behandelt.

4.1

Kraft leiten

Um die Standfestigkeit und Formstabilität einer Gebäudehülle zu gewährleisten, die eine fundamentale Anforderung an eine Baustruktur darstellt und beispielsweise bereits aus nutzungstechnischen Gründen unbedingt erforderlich ist, sind Lasten innerhalb vergleichsweise enger Verformungstoleranzen aufzunehmen und je nach konstruktiver Rangordnung des betrachteten Bauteils entweder an die Fundierung oder an die nächst tiefere Tragwerkshierarchie des Gebäudes abzugeben ( +). Es sind hierfür sowohl

+ Kap. V-2 Kraft leiten, S. 364

+ Kap. V-2, 1.1 Kategorien von Tragwerken, S. 364

☞ vgl. zu Lastannahmen die DIN 1055 Einwirkungen auf Tragwerke, Teile 1 bis 5

• Eigenlasten der Gebäudehülle ( 3), als auch • externe Belastungen wie •• Windlasten •• Schneelasten •• Anpralllasten •• Erddruck

1. Spektrum

351

Schneelast Verkehrslast Verkehrslast

Abwechselnd Staudruck und Sog auf alle oberirdischen Hüllflächen infolge Wind

Eigenlast und/oder Auflast

Eigenlast und/oder Auflast

Eigenlast und/oder Auflast Anpralllast

Erddruck Eigenlast und/oder Auflast Drückendes Wasser Eigenlast und/oder Auflast

Verkehrslast

Drückendes Wasser

3 Kraft leiten

•• Wasserdruck •• Verkehrslasten aufzunehmen. Es ist zu unterscheiden zwischen folgenden Bauteilkategorien: • vertikale oberirdische Hüllbauteile (A): wir bezeichnen diese als Fassaden oder Außenwände. Sie sind folgenden Lasten ausgesetzt: •• Eigenlast des Bauteils. Sie wirkt in der Bauteilebene. •• ggf. Auflast sofern es sich um eine tragende Wand des Primärtragwerks handelt. Auch diese wirkt in Bauteilebene. •• Anpralllasten. Bei diesen handelt es sich um punktuell auf die Hülle wirkende Lasten, die in der Regel jeweils Kraftkomponenten in und rechtwinklig zur Hüllebene hervorrufen. •• Druck- und Sogbeanspruchungen (Flächenlasten) infolge Wind. Je nach Windrichtung und örtlicher Situation entsteht alternativ Druck- oder Zugbeanspruchung. Ihre Angriffsrichtung ist rechtwinklig auf die Hüllfläche anzusetzen.

352

V Funktionen

• geneigte oberirdische Hüllbauteile (B): schräge Dachflächen sind folgenden Beanspruchungen ausgesetzt: •• Eigenlast des Bauteils. Sie spaltet in einem bestimmten Querschnitt betrachtet in zwei Kraftkomponenten: eine in der Bauteilebene, die andere rechtwinklig zu ihr. •• ggf. Auflast sofern es sich um einen Teil des Primärtragwerks handelt und Lasten beispielsweise aus aufliegenden Decken abzuleiten sind. Auch diese spaltet sich in zwei Kraftkomponenten auf, jeweils in der Hüllebene und rechtwinklig zu ihr. •• Druck- und Sogbeanspruchungen (Flächenlasten) infolge Wind wie oben. Kraftkomponente rechtwinklig zur Hüllfläche anzusetzen. •• Verkehrslast in Form einer punktuellen Mannlast. •• Schneelast je nach Winkel der Hüllfläche. • horizontale oberirdische Hüllbauteile (C): Bei Flachdächern ist mit folgenden Belastungen zu rechnen: •• Eigenlast des Bauteils. Kraftrichtung rechtwinklig zur Hüllebene. •• Verkehrslast: Je nach Nutzung Punktlasten (Mannlast, Fahrzeuglast) oder Flächenlasten (z. B. bei Terrassen). Kraftrichtung rechtwinklig zur Hüllebene. •• Schneelast: Flächenlast, Kraftrichtung rechtwinklig zur Hüllebene. •• Druck- und Sogbeanspruchungen (Flächenlasten) infolge Wind wie oben. Kraftkomponente rechtwinklig zur Hüllfläche anzusetzen. • vertikale erdberührte Hüllflächen (D): folgende Belastungen sind anzusetzen: •• Eigenlast des Bauteils. Kraftrichtung in Hüllebene. •• ggf. Auflast sofern es sich um einen Teil des Primärtragwerks handelt und Lasten aus aufliegenden Decken abzuleiten sind. Kraftrichtung in Hüllebene. •• Erddruck. Dieser wirkt rechtwinklig auf die Hüllfläche. •• ggf. je nach Baugrundverhältnissen auch hydrostatischer Druck aus dem Grundwasser. Kraftrichtung rechtwinklig zur

1. Spektrum

Hüllebene. • horizontale erdberührte Hüllflächen (E): Zumeist liegt die Kellersohle vollflächig auf dem Baugrund auf, ist also anders als die restlichen Hüllbauteile flächig, nicht linear oder punktuell gestützt. Kellersohlen sind folgenden Belastungen ausgesetzt: •• Eigenlast des Bauteils. Die Flächenlast wirkt rechtwinklig zur Hüllebene. •• ggf. Auflast aus aufgelagerten Bauteilen (Wände oder Stützen) sofern das Hüllbauteil gleichzeitig als Fundamentplatte ausgebildet ist. Diese Auflast kann folglich linear oder punktuell sein. •• Verkehrslast gemäß DIN 1055. •• ggf. je nach Baugrundverhältnissen auch hydrostatischer Druck aus dem Grundwasser. Kraftrichtung rechtwinklig zur Hüllebene nach oben gerichtet. Zusätzlich muss je nach örtlichen Verhältnissen auch mit Erdbebenlasten gerechnet werden. Auch bei Verformungen infolge Temperaturänderungen oder sonstiger Einflüsse kann es abhängig von der Lagerung des Bauteils zu Zwängungskräften kommen, die bei der Planung sorgfältig zu berücksichtigen sind. Auf alle Hüllbauteile können zusätzlich je nach statischen Verhältnissen im Primärtragwerk auch Kräfte aus der Gebäudeaussteifung wirken. Beispielsweise werden Wand- oder Dachscheiben häufig als aussteifende Elemente ausgebildet. In diesen Fällen wirken zusätzliche Druck- oder Zugkräfte in der Hüllebene, die sich den bereits angesprochenen – beispielsweise Eigen- oder Auflast – überlagern. Zumeist ist eine einzelne tragende Schicht – beispielsweise eine Betonscheibe – für die Ableitung dieser in Hüllebene wirkenden Kräfte verantwortlich. Aus diesem Grunde ist ein mehrschichtiger Aufbau davon nicht betroffen, weshalb diese Kraftkomponente im Rahmen der folgenden Überlegungen zum konstruktiv-physikalischen Aufbau von – zumeist mehrschichtigen – Hüllbauteilen ausgeblendet werden soll. Sie ist hingegen bei der Betrachtung von ggf. vorhandenen Bauteilfugen in der tragenden Schale wiederum zu berücksichtigen. Windlasten, Erddruck und hydrostatischer Druck sind keine konstanten Größen, sondern abhängig von der Entfernung des Kraftangriffs von der Bodengleiche.

353

354

4.2

V Funktionen

Schutz vor Feuchte

Hinsichtlich der Lage der Hüllfläche ist grundsätzlich zu unterscheiden zwischen ( 4) • erdberührten Hüllflächen: Diese sind dem Angriff der Bodenfeuchte ausgesetzt (2). Je nach Beschaffenheit des Bodens, der Schichtenfolge im Erdreich sowie des Grundwasserspiegels kann der Druck, den das Wasser auf die Hülle ausübt, variieren. Im Extremfall liegt drückendes Wasser (1) vor, und es muss mit spezifischen konstruktiven Maßnahmen reagiert werden. • Spritzwasserzone: Betroffen sind ca. 30 cm oberhalb des Bodenniveaus (3). Diese Fassadenfläche wird bei Regen durch das hinaufspritzende Wasser stärker beaufschlagt als darüber liegende Hüllflächen. Zusätzlich gelangt bei unbefestigten Flächen verstärkt Schmutz auf diese Zone.

+ Kap. V-3, 1.1 Schutz vor Feuchte, S. 508-512

• senkrechte Hüllflächen oder nur leicht von der Lotrechten abweichende: Diese werden vom Schlagregen, ggf. unter Staudruck infolge Wind, beaufschlagt (4). Günstig wirkt sich bei dieser Lage aus, dass das Niederschlagswasser ungehindert und schnell abfließen kann. Je nach Höhe der Hüllfläche muss insbesondere in den untersten Bereichen mit verstärktem Wasseranfall (Fassadenwasser) gerechnet werden, das sich infolge des Niederschlags, der sich an der Hülle bricht und an dieser abfließt, ein starker Wasserschleier bilden kann. Dieser belastet dann auch die Spritzwasserzone stark ( +). • geneigte Hüllflächen: Je nach Gefälle (5) kann auch hier das Niederschlagswasser entweder rasch ablaufen oder bei flachen Neigungen nur langsam abfließen, ggf. sogar Pfützen bilden. Je höher die Fließgeschwindigkeit des Wassers, desto geringer die Belastung der Hüllfläche. Auch die Rauhigkeit und Profilierung der Hüllfläche spielen hierbei eine entscheidende Rolle. Bei starkem Gefälle wirkt sich der Reinigungseffekt des abließenden Wassers günstig aus, insbesondere bei geneigten Glasflächen. Schmutz sowie im Niederschlag enthaltene aggressive Substanzen werden vom Wasser fortgespült. • waagrechte Hüllflächen: Diese sind wegen der sehr niedrigen Fließgeschwindigkeit des ablaufenden Wassers und der Wahrscheinlichkeit, dass sich über einen längeren Zeitraum hinweg Pfützen bilden können, besonders stark belastet (6). Ein Reinigungseffekt des schnell abfließenden Niederschlagswassers kann sich hierbei nicht entfalten. Bei Schnee- und Eisbildung (7) sind flach geneigte und waagrechte Hüllflächen besonders betroffen. Dort kann Schnee liegen bleiben und mit der Zeit Tauwasser bilden, das sich auf der Hüllfläche sammelt und nur schwer abfließt. Zusätzlich ist an Hüllflächen mit Flugschnee (8) unter Winddruck zu rechnen.

1. Spektrum

355

auf 6 Schlagregen waagrechter Fläche

5

Schlagregen unter Winddruck auf geneigter Fläche

Schnee 7 liegender mit Tauwasser

8 Flugschnee

Schlagregen unter auf 4 Winddruck senkrechter Fläche

Spritzwasser

3 Bodenfeuchte

2 Drückendes Wasser

1

4 Schutz vor Feuchte

356

4.3

V Funktionen

Windschutz + Kap. V-3, 1.2 Windschutz, S. 512

4.4

Wärmeschutz + Kap. V-3, 1.3 Wärmeschutz, S. 514

✏ dieser übergeordneten Klassifikation folgt auch die Gliederung des Kapitels XII Äussere Hüllen in Band 3

Die Gebäudehülle wird mit Winddruck bzw. Windsog belastet, je nachdem ob es sich um die dem Wind zugewandte (Luvseite) oder diesem abgewandte Seite (Leeseite) handelt ( 5). Es kann zu schwer vorhersehbaren Verwirbelungen kommen, die stark von der Hüllflächengeometrie, der umgebenden Topografie, dem Baumbestand oder der Nachbarbebauung abhängig sind. Die Windstärke und -geschwindigkeit nehmen mit ansteigender Gebäudehöhe kontinuierlich und deutlich zu. Dieser Effekt macht sich insbesondere bei hohen Häusern (Hochhäusern) bemerkbar und muss bei der Planung mit berücksichtigt werden. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass je flacher geneigt eine Hüllfläche ist und je tiefer sie über der Geländeoberfläche liegt, diese desto besser vor dem Wind geschützt ist. Dennoch übt der Wind auch auf waagrechte Flächen einen spürbaren Sogeffekt aus. Ein Wärmeaustausch durch die Gebäudehülle hindurch stellt sich infolge eines Temperaturgradienten zwischen innen und außen ein. Dieser Wärmetransport wird umso stärker sein, je größer die Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenraum ist. Er wird zusätzlich beeinflusst durch die Windbelastung an der Hüllfläche: starker Wind trägt dazu bei, die Wärme an der Grenzfläche der Gebäudehülle rasch abzuführen (hoher Wärmeübergang), so dass sich ein stärkerer Wärmefluss durch die Hülle einstellen kann ( 6). Grundsätzlich voneinander zu unterscheiden sind ( ✏) • erdberührte Hüllbauteile: zwischen den zumeist ohnehin niedriger temperierten unterirdischen Räumen und dem Erdreich, das stets gemäßigtere Temperaturen aufweist als die Atmosphäre – wärmer im Winter, kühler im Sommer –, herrscht ein deutlich verminderter Wärmefluss durch die Gebäudehülle. • aufgehende Hüllbauteile oder nicht erdberührte Hüllbauteile oberhalb der Bodengleiche: Hier herrschen ungünstigere Bedingungen (s. o.). Da die warme Luft im Gebäudeinnern dazu neigt, sich in den oberen Geschossen, insbesondere unter der Dachfläche anzusammeln, sind die höheren Bereiche der Hülle, also vorrangig die Dachflächen, im Winter erhöhten Wärmeverlusten ausgesetzt.

1. Spektrum

357

Sog auf der Leeseite

Staudruck auf der Luvseite

5 Windschutz

6 Wärmeschutz

358

4.5

V Funktionen

Schutz vor unkontrolliertem Dampfeintritt + Kap. V-3, 1.4 Schutz vor unkontrollierten Dampfeintritt in die Konstruktion, S. 515 + Schema, rechte Hälfte bzw. Kellerbereich

4.6

Ausdiffundieren von Dampf

Analog zum Wärmetransport ist auch die Dampfdiffusion durch die Gebäudehülle hindurch (die planmäßig vorgesehen sein kann) vom Dampfdruckgefälle zwischen Innen- und Außenraum abhängig. Je größer dieses Druckgefälle, desto größer auch die Diffusionsgeschwindigkeit. Die Dampfdiffusion kann hingegen auch durch geeignete Sperrschichten planmäßig unterbunden werden ( +,  7) In unserer Klimazone herrscht im Gebäudeinnern zumeist ein höherer Dampfdruck als in der Atmosphäre, so dass oberhalb der Bodengleiche grundsätzlich mit einer Dampfdiffusion von innen nach außen zu rechnen ist. Anders stellen sich die Verhältnisse im Erdreich dar: im feuchten Milieu des Bodens existiert Sättigungsdruck, der in jedem Fall höher ist als der Dampfdruck in unterirdischen Räumen. Hier wäre also ein umgekehrter Dampftransport in den Innenraum zu erwarten, der zu unterbinden ist. Dies geschieht mit Hilfe der Sperrschicht, die gleichzeitig die Aufgabe hat, Wasser im flüssigen Aggregatzustand von der Konstruktion fernzuhalten. Zum Zweck der Abführung eventuell in die Konstruktion der Gebäudehülle eingedrungener Feuchte ist es zweckmäßig, wenngleich nicht unabdingbar, den Aufbau der Hüllkonstruktion so zu wählen, dass die Diffusionsfähigkeit der Schichten nach außen zunimmt ( 8). Die Herkunft der Feuchte ist bei dieser Maßnahme zunächst gleichgültig: es kann sich um Niederschlag von außen oder kondensierender Dampf aus dem Innenraum handeln. Man kann dabei von einer Sicherheitsmaßnahme sprechen, da ein Eindringen der Feuchte in Bereiche, wo sie Schaden hervorrufen kann, planmäßig selbstredend nicht vorgesehen ist. Sollte dies dennoch geschehen, sorgt eine richtig abgestufte Diffusionsfähigkeit der Bauteilschichten dafür, dass die Feuchte während einer trockenen Wetterperiode wieder in den Außen- oder ggf. Innenraum ausdiffundieren kann. Es sind wiederum zu unterscheiden: • erdberührte Hüllbauteile: Hier ist ein Ausdiffundieren von Feuchte nach außen wegen der herrschenden Dampfdruckverhältnisse (siehe oben) nicht möglich. Es kann allenfalls Feuchte (z. B. Baufeuchte) so lange in den Innenraum ausdiffundieren, bis sich ein Feuchtegleichgewicht zwischen Bauteil und Raumluft einstellt. Erhöhte Luftfeuchte im Raum wird regelmäßig durch Lüftung (nicht etwa über Diffusion durch ein Bauteil) abgeführt. • aufgehende Hüllbauteile: In diesem Bereich herrscht zwischen dem an einer Schadensstelle kondensierten Wasser und der Außenluft ein deutliches Dampfdruckgefälle, so dass Feuchte nach außen verdunsten kann, vorausgesetzt die äußeren Bauteilschichten sind in ausreichendem Maße diffusionsoffen.

1. Spektrum

359

niedriger Dampfdruck außen

hoher Dampfdruck innen

Innenseitiges Absperren des Dampfs

Kontrollierter Dampfdurchgang

hoher Dampfdruck innen

mäßiger Dampfdruck in unterirdischen Räumen

Feuchtegesättigtes Milieu

Außenseitiges Absperren des Dampfs

7 Schutz von unkontrolliertem Dampfeintritt in die Konstruktion

lokal erhöhter Dampfdruck im Bauteil

niedriger Dampfdruck außen

hoher Dampfdruck innen

Innenseitiges Absperren des Dampfs

Kontrollierter Dampfdurchgang

hoher Dampfdruck innen

mäßiger Dampfdruck in unterirdischen Räumen

Feuchtegesättigtes Milieu

ggf. temporärer Dampfdurchgang nach innen bis sich Gleichgewicht einstellt

lokal erhöhter Dampfdruck im Bauteil

8 Ausdiffundieren von Wasserdampf aus der Konstruktion

360

4.7

V Funktionen

Akustik + Kap. V-4 Schallschutz, S. 550 ff

Innenräume in einem Gebäude sind im Sinne des Wohlbefindens der Bewohner zumeist sowohl gegenüber störenden externen wie auch internen Schallquellen abzuschirmen. Wir sprechen dann von Schallschutzmaßnahmen. Diese betreffen entweder • äußere Hüllbauteile, also immer dann wenn es erforderlich ist, Innenräume gegen Schalimmissionen von außen ( 9, Fall 1) zu schützen • oder innere Hüllbauteile, also immer dann wenn die Störung von internen Schallquellen in benachbarten Innenräumen ausgeht. Die trennenden Hüllbauteile können entweder durch Luftschall angeregt werden (wie in den Fällen 2 und 3) oder alternativ selbst einen Körperschall entfalten, der durch einen Stoß verursacht wird (Fall 4). Im Hochbau ist der Körperschall, der durch Tritte auf Geschossdecken entsteht (Trittschall) besonders bedeutsam. Sowohl beim Luft- wie auch beim Trittschall sind stets auch die Schallnebenwege über die jeweils flankierenden Bauteile zu berücksichtigen. Während Schallschutzmaßnahmen, die unter dem Begriff der Bauakustik subsummiert werden, die Schallübertragung zwischen zwei benachbarten Räumen durch ein Hüllbauteil hindurch betreffen, kann es bei bestimmten Raumnutzungen – Beispiele: Vortrag, musikalische Darbietung – darüber hinaus erforderlich sein, in einem Innenraum eine geeignete Raumakustik zu schaffen. Diese ist nicht vom Schalldurchgang durch ein Hüllbauteil abhängig, sondern von der Schallreflexion an dessen Oberfläche zurück in den Innenraum (Fall 5). Die Reflexionsverhältnisse beeinflussen die herrschende Nachhallzeit und damit die Verständlichkeit des gesprochenen Worts oder die Klangfarbe der Musik. Darüber hinaus haben sie auch einen gewissen Einfluss auf die Schallübertragung durch Hüllbauteile, also auf die Bauakustik.

4.8

Brandschutz + Kap. V-5 Brandschutz, S. 580

Gebäude sind vor Schadensfeuer nach der Maßgabe eines festgelegten Sicherheitskonzepts zu schützen. Manchmal ist das Gesamtgebäude in Abhängigkeit von seinem Standort vor Feuerangriff von außen wie bei Brandüberschlag von einem benachbarten Gebäude aus ( 10, Fall 1) zu sichern. Oftmals sind – wie beispielsweise bei Gebäuden mit mehreren Wohnungen – Teilbereiche, in denen Brandherde entstehen können, voneinander abzuschotten. Ein weiteres Ziel des baulichen Brandschutzes ist, sofern es nicht bereits durch die genannten Maßnahmen abgedeckt ist, das Primärtragwerk des Gebäudes vor Brand zu schützen und damit die Standfestigkeit des Gesamtbauwerks im Brandfall – zumindest über einen festgelegten Zeitraum hinweg, der die Evakuierung gestattet – zu gewährleisten. Einzelne Bauteile wie Wände, Decken, Balken oder frei stehende Stützen können fallweise abhängig von den räumlichen und geometrischen Gegebenheiten ein-, zwei-, drei- oder vierseitig bean-

1. Spektrum

361

2

1

L Luftschall ftsc s a durch u h W nde Wände

Schallimmissionen

3 4

Trittschall tts

Luftschall ts durch c ch ke Decken be Schallnebenwege

Schallnebenwege

5

Raumakustik m

9 Schallschutz und Raumakustik

10 Rauchbeanspruchung einer Türöffnung

8 Beanspruchung einer Dachhaut durch Flugfeuer

2

Luftschall durch Wände

3 einseitige

Brandbeanspruchung einer Decke von unten

2 einseitige

Brandbeanspruchung einer Trennwand

5 dreiseitige

Brandbeanspruchung

7

4 einseitige

Brandbeanspruchung einer Decke von oben

6 vierseitige

Brandüberschlag zwischen Geschossen

Brandbeanspruchung einer Stütze

9 Brandübertragung

durch Schächte oder Deckenöffnungen

1

Brandbeanspruchung einer Außenwand z. B. durch brennendes Nachbargebäude

10 Brandschutz

362

V Funktionen

sprucht werden (Fälle 2 bis 6). Zwischen übereinander liegenden Geschossen kann es zu einem Brandüberschlag kommen (Fall 7). Von brennenden Nachbargebäuden aus kann Flugfeuer auf die Dachhaut gelangen (Fall 8). Innerhalb von Schächten besteht die Gefahr der Brandübertragung zwischen Geschossen (Fall 9). Auch Brandgase stellen eine Gefährdung dar, die durch geeignete rauchdichte Abschlüsse wie Türen (Fall 10) unterbunden werden muss.

Anmerkung

1

von Weizsäcker et al (1995) Faktor vier

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR 1. Vorbemerkung 1.1 Kategorien von Tragwerken 1.2 Zuweisung von Kraftleitungsfunktio- nen an Bauteile 1.3 Primärtragwerk und Morphologie des Gebäudes 2. Grundlegende Begriffe 2.1 Prämisse 2.2 Äußere Belastung 2.3 Lagerung 2.4 Form 2.5 Arten von Schnittkräften im System - aus Belastung, Form und Lagerung des Bauteils 2.6 Spannungen 3. Vergleichende Betrachtung von Biegemomenten/Querkräften und axialen Beanspruchungen bzw. Membranspannungen 4. Materielle Ausführung von Hüllbauteilen 4.1 Biegesteife Systeme 4.2 Bewegliche Systeme 5. Form und Kraftleitung 6. Schnittkräfte im Bauteil 6.1 Schnittkräfte im stabförmigen Bauteil 6.2 Schnittkräfte im ebenen Bauteil 6.3 Schnittkräfte in einem Kontinuum 7. Elementare Bauteile und exemplarische Lastfälle - Verformungen und Beanspruchungen im Bauteil 7.1 Einfache stabförmige Bauteile 7.1.1 Einfeldträger unter Streckenlast 7.1.2 Einfeldträger mit Kragarm unter Streckenlast 7.1.3 Einfeldträger mit zwei Kragarmen unter Streckenlast 7.1.4 Kragträger unter Streckenlast 7.1.5 Zweifeldträger unter Streckenlast 7.1.6 Dreifeldträger unter Streckenlast 7.1.7 Druckstab 7.1.8 Zugstab 7.1.9 Bogen unter Streckenlast 7.1.10 Seil 7.2 Zusammengesetzte stabförmige Bauteile 7.2.1 Zweigelenkrahmen unter Streckenlast 7.2.2 Dreigelenkrahmen unter Streckenlast 7.3 Flächige ebene Bauteile 7.3.1 Einseitig linear eingespanntes Element (Scheibe) unter Streckenlast rechtwinklig zum Lager 7.3.2 Einseitig linear eingespanntes Element (Scheibe) unter Eigenlast rechtwinklig zum Lager 7.3.3 Einseitig linear eingespanntes Element (Scheibe) unter Streckenlast parallel zum Lager

7.3.4 Einseitig linear eingespanntes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast 7.3.5 Mittig linear eingespanntes Element (Platte) unter ortho gonaler Flächenlast 7.3.6 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast 7.3.7 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen 7.3.8 Vierseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast 7.3.9 Vierseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen 7.3.10 Vierseitig gelenkig punktuell gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast 7.3.11 Vierseitig gelenkig punktuell gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen 7.3.12 Mittig punktuell eingespann tes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast 8. Kritische Versagensmechanismen 9. Bauliche Umsetzung der Kraftleitungsfunktion im Element – Strukturprinzipien des Bauteils 9.1 Vollwandiges Element 9.1.1 Vierseitig linear gelagerte Platte 9.1.2 Punktuell gelagerte Platte 9.2 Element aus gemäß y/z aneinandergelegten Stäben 9.3 Element aus Bausteinen 9.3.1 Kreuzfugengeometrie 9.3.2 Verband – druckkraftwirk same Übergreifung 9.3.3 Verband – haftungswirksa me Übergreifung 9.4 Element aus einachsig gespannten Rippen 9.5 Element aus zwei- oder mehrachsig gespannten Rippen 9.6 Element aus beplanktem Rahmen 9.7 Mehrschichtverbundelement 9.8 Pneumatisch vorgespannte Membran 9.9 Mechanisch vorgespannte Membran Anmerkungen

II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

364

V Funktionen

1.

Vorbemerkungen

Die Funktion Kraft leiten ist nicht auf das im üblichen Sprachgebrauch als Tragwerk bezeichnete Primärtragwerk eines Gebäudes beschränkt, sondern ist von allen Bauteilen zu erfüllen, die an der Gewährleistung der Standfestigkeit und Gebrauchstauglichkeit beteiligt sind. Dies betrifft im Wesentlichen die komplette Konstruktion, da es kaum ein Bauteil oder Einzelteil gibt, das in irgendeiner Weise von der kraftleitenden Funktion ausgenommen wäre.

1.1

Kategorien von Tragwerken

Die Summe der Bauteile bzw. das aus diesen bestehende konstruktive Gerüst, dessen Hauptaufgabe es ist, Lasten in den Baugrund abzuleiten, wird als Tragwerk bezeichnet, bzw. dessen Bestandteile im herkömmlichen Sprachgebrauch als tragende Bauteile. Diese letzte Bezeichnung ist indessen irreführend, da wie eben festgestellt grundsätzlich alle Bauteile eine tragende Funktion haben, und sei es nur das Tragen der Eigenlast. Auch bei Bauteilen, die im Regelfall nicht gemeinhin als tragend eingestuft werden, stellen sich die gleichen Fragen des Kraftleitens wie bei den so genannten tragenden. Es empfiehlt sich aus diesem Grunde folgende hierarchische Klassifikation: • Primärtragwerk: die Summe der Bauteile, welchen die Aufgabe zukommt, sämtliche gesammelten Lasten, sowohl Eigen- als auch sonstige Lasten, zu bündeln und in den Baugrund abzuleiten. Das Primärtragwerk wird im herkömmlichen Sprachgebrauch als das eigentliche Tragwerk bezeichnet. Versagt dieses, so folgt unweigerlich der Einsturz des Gesamtbauwerks. Beispiel: Skelettsystem, Scheibengefüge aus Mauern inklusive Decken. • Sekundärtragwerk: bündelt und überträgt die Lasten lokal auf einzelne Elemente des Primärtragwerks. Sein Versagen führt nur zu einem Teileinsturz und beeinträchtigt das Primärtragwerk nicht wesentlich. Beispiel: Fassadenelemente, die an Geschossdecken angeschlossen sind. • Tertiärtragwerk: Elemente, die Lasten bündeln und an Bestandteile des Sekundärtragwerks übertragen, wobei ihr Versagen die Standfestigkeit desselben nicht gefährdet. Beispiel: Sanwichpaneel in Pfosten-Riegel-Konstruktion.

+ Kap. II-1, Abschn. 2.2 Gliederung nach funktionalen Gesichtspunkten > 2.2.1 nach Hauptfunktionen, S. 24

1.2

Zuweisung von Kraftleitungsfunktionen an Bauteile

Diese Unterteilung ist von der Gliederung in die funktionalen Hauptgruppen des Primär-, Sekundär- und Tertiärsystems deutlich zu unterscheiden ( +). Ähnlich wie bei den baulichen Teilfunktionen generell der Fall, stellt sich auch innerhalb eines Tragwerks die Frage, wie die Aufgaben der Kraftleitung einzelnen Bauteilen zugewiesen werden. Dabei lassen sich grundsätzlich zwei Strategien verfolgen: • Es lassen sich einzelne Kraftflüsse oder -pfade auch einzelnen, eindeutig definierten Bauteilen zuweisen. Man spricht dann

2. Kraft leiten

365

von arbeitsteiligen Systemen. Statisch bestimmte Systeme gehören zu dieser Kategorie. Das Versagen eines einzelnen Bauteils führt zum Einsturz des Gesamttragwerks. Es sind keinerlei unkontrollierte Zwängungen zu erwarten. • Oder man kann stattdessen je nach Art der Belastung oder in Abhängigkeit anderer Parameter, wie beispielsweise der Temperatur oder sich ändernder Baugrundverhältnisse, verschiedenartige Lastflüsse und -verzweigungen zulassen, d. h. diese also bereits planerisch erfassen und kontrollieren. Man spricht in diesem Fall von redundanten Systemen. Zu diesen gehören statisch unbestimmte Tragsysteme ( +). Je höher ihre statische Unbestimmtheit – einfach, doppelt, dreifach ... –, desto größer auch ihre Redundanz. Der Ausfall eines Glieds führt nicht zwangsläufig zum Einsturz der Gesamtkonstruktion. Die anfallenden Kräfte können dann von anderen, zumeist benachbarten Bauteilen übernommen werden. Insbesondere bei kritischen Sicherheitsverhältnissen kann diese Art von Tragwerken wesentliche Vorzüge bieten. Hingegen kann die nahezu unvermeidbare Existenz von Zwängungen in der Konstruktion ggf. zu kritischen, schwer kontrollierbaren Zuständen führen. Grundsätzlich gilt, dass bei verschiedenen möglichen Kraftpfaden stets das jeweils steifere Bauteil die Last stärker an sich zieht. In der Frühzeit der Baustatik war das Einhalten einer strikten Arbeitsteilung bei der Leitung von Kräften eine Grundvoraussetzung für das analytische Erfassen von statischen Systemen mit den damals verfügbaren Handrechenverfahren. Als Konsequenz davon entstanden im Laufe des 19. Jh. vorwiegend statisch bestimmte Systeme – wie die Dreigelenkbinder großer Hallen in Eisenkonstruktion. Moderne, insbesondere digital gestützte Simulations- und Bemessungsverfahren (wie FE-Berechnungen) erlauben heute hingegen ein ausreichend genaues Erfassen der Spannungsverhältnisse auch in komplexeren, mehrfach redundanten Systemen. Vor allem gemäß dem integralen Bauprinzip ( +) gestaltete Tragwerke, wie monolithische Konstruktionen, weisen hohe Redundanzgrade auf und haben gegenüber arbeitsteiligen einen fundamentalen Vorzug, nämlich mit einem Minimum an Fugen auszukommen. Komplexe Fragen der Kraftleitung und Dauerhaftigkeit, wie sie sich insbesondere an konstruktiven Fugen stellen, sind auf diese Weise von vornherein ausgeschlossen. Grundlegende Fragen der Kraftleitung, wie sie für Primär-, Sekundär- und Tertiärtragwerke gleichermaßen relevant sind, werden als gesonderte elementare bauliche Teilfunktion in diesem Teilkapitel V-2 Kraft leiten untersucht. Gegenstand des Kapitels VIII sollen hingegen Primärtragwerke sein. Da diese im Hochbau nie unabhängig von der Morphologie des Gesamtgebäudes betrachtet und verstanden werden können, soll dort eine gemeinsame Betrach-

+ Abschn. 2.3 Lagerung, S. 370

+ Kap. II-1, Abschn. 2.3 Gliederung nach konstruktiven Gesichtspunkten > 2.3.2 aus dem Bauprinzip, S. 27

1.3

Primärtragwerk und Morphologie des Gebäudes

+ Band 2, Kap. VIII Primärtragwerke

366

V Funktionen

tung von Primärtragwerk und Grundkonfiguration des Gebäudes angestellt werden. Im Folgenden soll näher betrachtet werden, wie innerhalb eines flächigen Elements die Teilfunktion Ableiten von Kräften durch geeignete konstruktive Maßnahmen erfüllt werden kann, denn es sind solche, die für die Sicherstellung der baulichen Grundfunktion des Einschließen eines nutzbaren, konditionierten Raums hauptverantwortlich sind. Bei umschließenden flächigen Bauteilen findet sich darüber hinaus das komplexeste Miteinander zahlreicher Teilfunktionen, die es durch richtiges Konstruieren in einem Gesamtgefüge zu erfüllen gilt. Stabförmige Elemente sind in diesem Zusammenhang insofern relevant als sie in Form gerüstartiger Unterkonstruktionen für die Bildung von Flächen herangezogen werden. Deshalb werden die wichtigsten Varianten im notwendigen Ausmaß in ihrem statischen Verhalten untersucht. 2.

Grundlegende Begriffe + Kap. V-1, Abschn. 4.1 Kraft leiten, S. 350-353

Die bereits anderweitig ( +) beschriebenen Lasten auf flächige Bauteile lassen sich in drei Richtungen gemäß einem dreidimensionalen Koordinatensystem aufgliedern, das sich an den Hauptrichtungen des Hüllbauteils selbst orientiert. Handelt es sich um ebene Hüllbauteile, wirken zwei der Kraftkomponenten in der Hüllebene (yz), eine orthogonal zu ihr (➝ x). Momente werden entsprechend als Kräftepaare definiert. Die Betrachtung der äußeren Belastung auf ein Bauteil ist zunächst unabhängig von seiner Form, so dass diesbezüglich ebene und gekrümmte Bauteile sich nicht voneinander unterscheiden. Aus diesem Grunde werden der Einfachheit halber in den folgenden Beispielen zur äußeren Belastung nur ebene Elemente dargestellt. Je nach • Größe der auftretenden Belastung • sowie der räumlichen Lage des betrachteten Bauteils bezüglich der Richtung der Krafteinwirkung kann jeweils die Größenordnung dieser einzelnen Kraftrichtungen stark variieren. Oft überwiegt eine Komponente deutlich gegenüber den anderen beiden und stellt dann die für die Dimensionierung und Konstruktion maßgebliche Art der Belastung dar.

2.1

Prämisse

Die oftmals dominierende Rolle der stets lotrecht, streng genommen auf den Erdmittelpunkt ausgerichteten Schwerkraft hat in herkömmlicher Sichtweise zur strengen Unterscheidung zwischen verschiedenen Lagen von Bauteilen bezüglich der Senkrechten geführt. Dies ist der Grund, weshalb traditionell • Decken von Wänden • Stützen von Trägern usw.

2. Kraft leiten

367

hinsichtlich der tragenden Funktion jeweils scharf voneinander getrennt wurden. Ohne dieser Sichtweise ihre Berechtigung abzusprechen, erscheint es im Sinne unserer Betrachtung, die eine deutlicher abstrakt-funktional geprägte Perspektive verfolgt, generell zum Zweck eines größeren Abstraktionsgrads angebracht, jeweils nur Bauteile mit spezifischen Lastkomponenten zu betrachten, die entlang dem bauteilbezogenen Koordinatensystem ausgerichtet sind. Wir betrachten deshalb im Folgenden stets nur Kraftkomponenten in den relativ zur Bauteilgeometrie festgelegten x-, y- oder z-Richtungen. Zwei Beispiele: • Eine waagrecht angeordnete Decke weist infolge der meistens überwiegenden Eigen- und Verkehrslast rechtwinklig zu ihrer Ebene eine dominierende Lastkomponente in x-Richtung auf. • Eine lotrecht angeordnete Außenwand (insbesondere in massiver Bauart) weist hingegen eine dominierende Kraftkomponente in ihrer Ebene auf, also in Richtung ➝ y oder ➝ z auf. Wenngleich die folgenden Schaubilder wegen unserer Sehgewohnheiten nahelegen könnten, die dargestellte z-Richtung sei identisch mit der Lotrechten, so stellen sie dennoch abstrakte, nicht schwerkraftausgerichtete statische Systeme dar und sind entsprechend zu interpertieren (/).

z y

z y x

z y x

Koordinatenkreuz yz, x-Richtung ausgeblendet Koordinatenkreuz, z-Richtung (–) lotrecht

/ Die Ausrichtung des Referenz-Koordinatensystems, und damit die des betrachteten Bauteils, ist der Einheitlichkeit und besseren Vergleichbarkeit wegen gleichbleibend und wird auf den Abbildungen zur Erinnerung jeweils mit einem Signet angegeben (s. o.). Sie wird im Folgenden beibehalten, auch wenn die z-Achse nicht notwendigerweise mit der Senkrechten (Lotlinie) übereinstimmt. In den Fällen, bei denen dies im Zusammenhang der getroffenen Aussage notwendigerweise der Fall ist, wird das Signet mit einem Lotsymbol entlang der z-Achse ergänzt.

Die Größe der auf das Hüllbauteil wirkenden äußeren Belastung 1 ist von verschiedenen Faktoren abhängig wie

2.2

• der Nutzung, insofern Verkehrslasten auf die Konstruktion wirken

& DIN 1055-3

• der Klimazone, insofern Schneelasten anfallen

& DIN 1055-5

• der Gebäudehöhe, insofern von dieser die Größe der wirkenden Windlast abhängig ist.

& DIN 1055-4

Die Lage des Hüllbauteils am Gesamtgebäude beeinflusst ebenfalls die Größe der einzelnen Kraftkomponenten entlang ➝ x, ➝ y und ➝ z, da die äußeren Lasten dann jeweils bezüglich der Bauteiloberfläche eine andere Angriffsrichtung annehmen ( 1-16). Dies ist bereits angesprochen worden ( +). Da Hüllbauteile, die hier im Vordergrund der Betrachtung stehen, flächige Grundgeometrien aufweisen, d. h. solche, bei denen zwei Dimensionen (Länge, Breite) gegenüber der dritten (Dicke) wesentlich größer sind, ist die Lage der Bauteiloberfläche – definiert durch Länge und Breite – gegenüber der Haupt-Lastangriffsrichtung von entscheidender Bedeutung. Üblicherweise ist es die kleinere Dimension, also die Dicke des Hüllbauteils, entlang welcher – zumindest hinsichtlich der verfügbaren statischen Höhe – die inneren

Koordinatenkreuz xyz

x

Äußere Belastung

+ Kap. V-1, Abschn. 4.1 Kraft leiten, S. 350-353



368

V Funktionen

Äußere Belastungen Einzellasten

1 Einzellast in Richtung -z z

z

z

y

y

y

x

x

x

2 Einzellast in Richtung -y 3 Einzellast in Richtung -x

4 Sich bewegende Einzellast in Richtung -z 5 Sich bewegende Einzellast in Richtung -y

z

z y

y

x

x

Streckenlasten

z

6 Streckenlast in Richtung -z, entlang ➝ y verteilt

z y

y

x

x

7 Streckenlast in Richtung -y, entlang ➝ z verteilt

8 Streckenlast in Richtung -x, entlang ➝ y verteilt 9 Streckenlast in Richtung -x, entlang ➝ z verteilt

z

z

z y

y

y

x

x

x

Flächenlasten 10 Flächenlast in Richtung -x

2. Kraft leiten

369

Nicht-orthogonaler Kraftangriff 11 Die auf das Flächenbauteil mit einem – in einer zum Bauteil rechtwinkligen Ebene gemessenen – beliebigen Winkel a auftreffende Kraft F kann aufgegliedert werden in drei Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz gemäß den drei Raumdimensionen x, y und z.

a Fy

Fz F

z

= z

Fx

Fy

Fx

a

a y

Fz

12 Bei der Untersuchung der verschiedenen äußeren Belastungen auf ein Flächenbauteil können wir uns – nach  11 – auf die Betrachtung von zwei flächenparallelen Kraftkomponenten Fy und Fz sowie einer flächenorthogonalen Komponente Fx beschränken.

Fx

Fy

y

Fz

F

F x

x

FSt a

= z

Fx

Fy

FS t

13 Analog zur  11 lässt sich auch eine Streckenlast FSt in drei festgelegte Koordinatenrichtungen zerlegen.

x

z

Fx

Fy

a

14 Die in  13 gezeigte Streckenlast FSt gliedert sich in drei lineare Lastkomponenten FStx, FSty und FStz entlang der Wirkachse auf.

a y

Fz

ty FS

tz FS

y

Fz

F

F

x

x

z

FFl FFl

y FFl

a

= z

Fx

Fy

z

α

a

Fz

y

F x

Fz

FF lx

Fx

Fy

15 In gleicher Weise kann eine auf das Bauteil wirkende Flächenlast FFl in drei Koordinatenrichtungen zerlegt werden.

y

F x

16 Die Flächenlast FFl ergibt drei flächige Komponenten FFlx, FFly und FFlz.

370

V Funktionen

Beanspruchungen dominieren und welche aus diesem Grunde entsprechende planerische Aufmerksamkeit erfordert. Die eben angesprochenen Faktoren – auftretende Belastung/Lage des Bauteils – bestimmen die Verteilung, die absolute Größe und die Richtung der auf das Hüllbauteil wirkenden äußeren Kräfte. Man kann folglich für jedes Hüllbauteil ein spezifisches äußeres Belastungsbild definieren. Es können Einzel-, Strecken- und Flächenlasten wirken, und zwar sowohl ruhende als auch bewegliche . Es muss einschränkend bemerkt werden, dass jedes einzelne Last- oder Belastungsbild jeweils eine theoretisch definierte Momentaufnahme einer in Wirklichkeit zumeist sich ändernden Belastung darstellt und die tatsächlichen Verhältnisse nur modellhaft wiedergibt. Für die konstruktive Gestaltung und Dimensionierung eines Bauteils wird aus pragmatischen Gründen eine dominierende Belastung angesetzt, nach der sich die Festlegung der Bauteilgeometrie und -tragfähigkeit richtet. Dabei wird von einer aufzunehmenden Maximalbelastung ausgegangen, die sich aus der anzuwendenden Normung und den darin festgelegten Sicherheitsbeiwerten ableitet. 2.3

Lagerung

Punktlager dreiwertig: x, y und z gesperrt

Punktlager zweiwertig: x und z gesperrt

Punktlager einwertig: z gesperrt

z y x

Damit im Tragsystem Gleichgewicht herrscht, muss der einwirkenden äußeren Kraft (actio) eine entsprechende Gegenkraft oder Reaktion (reactio) gegenüberstehen, die jene neutralisiert und im Gleichgewicht hält. Baulich wirkt diese Reaktion in Form eines Lagers oder einer Lagerung ( 35, 37 und 40). In ebenen statischen Systemen können in jedem Lager drei Kraftkomponenten durch Sperrung folgender Freiheitsgrade auftreten: • Gleitungen oder Verschiebungen in einer Achse • Gleitungen oder Verschiebungen in der dazu orthogonalen Achse • Verdrehungen um den Lagerungspunkt

Linienlager dreiwertig entlang x: x, y und z gesperrt

Verschiedene beispielhafte Lagerungsvarianten von ebenen Flächenbauteilen sind in den  17 bis 34 dargestellt. Je nach der Anzahl der Kraftkomponenten, die ein Lager durch Reaktionen aufnehmen kann, unterscheidet man in ebenen Tragsystemen zwischen

Punktlager vierwertig: z und y sowie Mxy und Myz gesperrt

• einwertiger Lagerung: Es wird eine Komponente durch eine Reaktion neutralisiert.

Punktlager sechswertig: x, z und y sowie Mxy, Mxz und Myz gesperrt

Verwendete Darstellungskonventionen von Lagern

• zweiwertiger Lagerung: Es werden zwei Komponenten durch entsprechende Reaktionen neutralisiert. • dreiwertiger Lagerung: Es werden alle drei Komponenten durch Reaktionen neutralisiert.

2. Kraft leiten

371

Lagerungen - Ein Punktlager

z

z y

y

x

x

17 Ein Punktlager 3-wertig für Belastung parallel zur Ebene yz 18 Ein Punktlager 6-wertig im Raum

Zwei Punktlager

z

19 Zwei Punktlager (zwei- und einwertig) für Belastung parallel zur Ebene yz, in Randlage

z y

y

x

x

20 Zwei Punktlager (zwei- und einwertig) für Belastung parallel zur Ebene yz, eingerückt

Drei Punktlager

21 Drei Punktlager für Belastung parallel zur Ebene xz, in Randlage

z

z y

y

x

x

22 Drei Punktlager für Belastung parallel zur Ebene xz, eingerückt

372

V Funktionen

Vier Punktlager

23 Vier Punktlager für Belastung parallel zur Ebene xz in Randlage.

z

24 Vier Punktlager für Belastung parallel zur Ebene xz eingerückt.

z y

y

x

x

Linienlager

25 Ein Linienlager (zweiwertig) für Belastung in Richtung z und y, entlang ➝ y ausgerichtet, unten angeordnet. z

26 Ein Linienlager (zweiwertig) für Belastung in Richtung z und y, entlang ➝ y ausgerichtet, oben angeordnet.

z y

y

x

x

27 Ein Linienlager 3-wertig für Belastung in der Ebene xz, entlang ➝ y ausgerichtet, unten angeordnet. z

28 Ein Linienlager 3-wertig für Belastung in der Ebene xz, entlang ➝ y ausgerichtet, mittig angeordnet.

z y

y

x

x

2. Kraft leiten

373

Zwei Linienlager

29 Zwei Linienlager für Belastung in der Ebene xz, Randlage, 2-wertiges oben, 1-wertiges unten. z

z y

y

x

x

30 Zwei Linienlager für Belastung in der Ebene xz, Randlage, 1-wertiges oben, 2-wertiges unten.

Vier Linienlager

31 Zwei Linienlager für Belastung in der Ebene xz, mit zwei Auskragungen, 2-wertiges oben, 1-wertiges unten.

z

z y

y

x

x

32 Vier Linienlager für Belastung in der Ebene xz und xy, Randlage.

Ein Flächenlager

33 Vier Linienlager für Belastung in der Ebene xz und xy, Element ringsum auskragend. z

z y

y

x

x

34 Flächenlager für Belastung in der Ebene xz und xy.

374

V Funktionen

In einem räumlichen statischen System treten entsprechend 6 mögliche Komponenten auf, jeweils: • drei Gleitungen in den drei Koordinatenrichtungen x, y und z • drei Verdrehungen in den drei Koordinatenebenen xy, xz, yz Die Art der Lagerung eines Bauteils bestimmt ebenso wie die Belastung die Qualität seiner Beanspruchung und die Pfade der Kraftleitung wesentlich. Eine fundamentale Kategorisierung in • kinematische Tragwerke • statisch bestimmte Tragwerke und • statisch ein- oder mehrfach unbestimmte Tragwerke lässt sich anhand der Frage treffen, ob weniger Lagerbindungen existieren als Gleichgewichtsbedingungen (kinematisch), oder alternativ gleich viele Lagerbindungen wie Gleichgewichtsbedingungen (statisch bestimmt) oder in größerer Zahl als diese (ein-, zwei-, mehrfach statisch unbestimmt) vorliegen. Diese Unterscheidung äußert sich auch in einem abweichenden Tragverhalten. Kinematische Tragwerke sind beweglich und deshalb nur für sehr spezifische Zwecke anwendbar. Zwischen statisch bestimmten und statisch unbestimmten Tragwerken, welche den größten Anteil ausmachen, besteht eine fundamentale Unterscheidung im Tragverhalten: Statisch bestimmte Tragwerke versagen zwar beim Ausfall eines Teilglieds insgesamt, zeigen sich aber wenig empfindlich gegen Temperaturdehnungen oder Baugrundsetzungen. Hingegen verfügen statisch unbestimmt gelagerte Tragwerke über größere Tragreserven, weil bei Versagen eines Teils zumeist andere, benachbarte Teile die Kräfte aufnehmen können. Negativ wirkt sich bei diesen indessen aus, dass Temperturdehnungen und sonstige schwer kontrollierbare Verformungen zu Zwängungen im Tragwerk führen können, die in manchen Fällen schwer zu erfassen sind. 2.4

Form

Neben Belastung und Lagerung ist auch die Form des belasteten Bauteils für das Auftreten spezifischer Beanspruchungen im Innern des Tragbauteils bestimmend. Kräfte können naturgemäß nur entlang des Materials des Tragwerks übertragen werden. Folglich bestimmt die Form die Wege oder Pfade, welche die Kraft zurückzulegen hat, um vom Angriffsort der Last zum Ort der Lagerung bzw. der Reaktionskraft zu gelangen. Den Einfluss der Form auf die Tragwirkung macht das Beispiel in  41 deutlich. Dort wird bei jeweils gleich bleibender Belastung und Lagerung die Form des Tragsystems mehrmals variiert. Je nach Ausformung treten unterschiedliche Beanspruchungen im Bauteil auf.

2. Kraft leiten

375

F

F q

q a

RB

Nr

RB

Nl Ql

Ml

Qr

36 Gleiches Tragsystem an einer Schnittebene a-a ideell aufgetrennt. Jede der beiden Trägerhälften muss für sich im Gleichgewicht stehen: äußere Belastungen F, q, Auflagerreaktionen RA, RB und RC sowie Schnittkräfte Ql,r (Querkraft links/rechts), Nl,r (Normalkräfte links/rechts) und Ml,r (Momente links/rechts) neutralisieren sich jeweils in einer Hälfte gegenseitig.

a

RC

RC

Mr

RA

RA

z

z

F

y

y

x

x

RD

F RD RA

RA F

F

37 Äußere Belastungen wirken auf ein ebenes Bauteil und werden von den Gegenkräften oder Reaktionen der Lagerung neutralisiert. Als Folge dieses Kräftespiels entstehen im Bauteilinnern Schnittkräfte, die in der Bauteilebene oder senkrecht dazu verlaufen (vgl.  4 und 5).

RE

RE F F

RB

F

RB

RH

RH

RF

z

z y

RF

y x

RG

x

RG

RD

38 Parallel zur Ebene xy aufgeschnittenes Bauteil mit den drei Schnittkräften Querkraft, Normalkraft und Moment (Scheibenschub und Drillmomente hier und in 39 ausgeblendet).

39 Parallel zur Ebene xz aufgeschnittenes Bauteil mit den drei Schnittkraftkomponenten Querkraft, Normalkraft und Moment.

F

F F

RA

F

RE F RH RB

F z y

RF

35 Tragsystem eines statisch bestimmt gelagerten Einfeldträgers mit äußeren Belastungen (Einzellast F, Streckenlast q) und zugehörigen Auflagerreaktionen RA, RB und RC, welche die Belastungen neutralisieren und einen Gleichgewichtszustand erzeugen.

RG

x

R

z y x

40 Vergleichbare Verhältnisse herrschen auch bei einem gekrümmten Bauteil. Auch bei diesem können Schnittkräfte tangential oder normal zur Bauteiloberfläche auftreten (Die Pfeilrichtungen der Beanspruchung sind hier lediglich exemplarisch dargestellt und entsprechen nicht dem gezeigten Lastfall; desgleichen die normale, also zur Oberfläche orthogonale Komponente die bei diesem spezifischen Lastfall nicht existiert, weil reine (tangentiale) Membranspannungen herrschen2)

376

V Funktionen

41 Darstellung der Beanspruchung eines Stabsystems mit sich ändernder Geometrie. 1 Ausgehend von einem axial belasteten Druckstab mit festgelegtem Querschnitt entsteht zunächst eine axial ausgerichtete innere Kraft T, deren Betrag gleich dem der äußeren Kraft F ist. Sie erzeugt im Querschnitt des Stabs eine gleichmäßig über diesen verteilte Druckspannung sT1. 2-4 Der Stab wird in zwei Hälften aufgespalten mit jeweils halb so großer Querschnittsfläche wie in Fall 1 und beide Teile zunehmend gespreizt. Die Kraft F verteilt sich gleichmäßig auf beide Stabhälften. Die innere Kraft T ist jedoch jeweils größer als F/2 aufgrund der veränderten Geometrie des Kraft leitenden Systems (= Neigungswinkel der Stäbe). F und die beiden Komponenten T müssen in einem Kräfteparallelogramm im Gleichgewicht stehen. Die dadurch vergrößerte innere Kraft T erzeugt eine jeweils proportional vergrößerte Normalspannung sT2 bis sT4. 5 Es erfolgt ein Durchschlagen des gespreizten Systems zu einem waagrecht liegenden geraden Stab, das eine qualitative Veränderung des Tragverhaltens bedeutet: Die axiale Druckbeanspruchung der Fälle 1 bis 4 schlägt um in eine Biegebeanspruchung, aufgrund deren sich Hauptpannungen im Stab wie im Schaubild dargestellt aufbauen. Die bislang als Normalspannung auftretende Beanspruchung wandelt sich in die charakteristische dreieckförmige Verteilung von Biegedruck- und Biegezugspannungen ± sT5. Trotz deutlicher Vergrößerung der Dicke des Stabs (seiner statischen Höhe) und damit seines Querschnitts, tritt eine starke Vergrößerung der Spannungen auf, wie die Maximalspannungen im Randbereich zeigen. 6-8 Gleiche Verhältnisse wie bei 2-4, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen: normal ausgerichtete Zugspannungen, Stäbe in verschiedenen Winkeln hängend. Die Spannungen sT6 bis sT8 sind in ihrem Betrag (nicht im Vorzeichen) gleich wie die Spannungen sT2 bis sT4. 9 Zuletzt ist der Zustand wie in 1 erreicht, jedoch unter umgekehrtem Vorzeichen: Der Stab wird durch die Kraft F axial gezogen. Der Betrag der Zugspannung sT9 ist gleich wie jener der Spannung sT1. Das Schema verdeutlicht folgende Sachverhalte: • Erneut ist wie in  41 erkennbar, wie stark Biegung das Material beansprucht. • Hingegen sind axial beanspruchte Systeme (hier beispielhaft Sprengwerk/Hängewerk dargestellt) wesentlich materialeffizienter. Die Spannungszuwächse bei sich verringernder statischer Höhe oder Stich f des Systems sind nur mäßig. Dieses Tragprinzip stellt deshalb eine wichtige Grundlage des Leichtbaus dar. • Es wird gleichzeitig deutlich, dass dieser Vorzug axial beanspruchter Systeme auf Kosten von Höhe geht (statische Höhe oder Stich f). Ferner sind Horizontalkräfte (H) aufzunehmen. Ein weiterer Stab, zwischen den Auflagern spannend, kann diese Kraftkomponente indessen kurzschließen (es entsteht dann ein Dreiecksgefache). • Der Biegebalken hat zwar als statisch ineffizient zu gelten, bietet jedoch den wesentlichen Vorzug, mit minimaler statischer Höhe auszukommen, nämlich allein mit seiner eigenen Balkenhöhe h. Es sind keinerlei äußere horizontale Kraftkomponenten (H) vorhanden. Dies macht das biegebeanspruchte flache Tragelement zum prädestinierten Prinzip beispielsweise für den Geschoss-Hochbau. • Kraftumleitung, wie sie in den Fällen 2 bis 8 stattfindet, geht stets auf Kosten einer höheren Materialbeanspruchung als wenn Lasten wie in den Fällen 1 und 9 auf kürzestmöglichem Wege abgetragen werden. Bauen ist fast ausnahmlos mit Kraftumleitung verbunden, wie etwa beim Überspannen von Räumen. • Innere Beanspruchung ist formabhängig. Durch Festlegung der Form wird die Materialeffizienz des Tragsystems nachhaltig vom Entwerfenden und Konstrukteur gesteuert.

F T = F

σT 1 T

l

-

Normalspannung: Druck

-

Normalspannung: Druck

-

Normalspannung: Druck

-

Normalspannung: Druck

F

1 Druckstab, axial F

T

F

T + T > F

T

σT 2 f2

2

H

H

F/2

F/2

T

F

F

T + T > F T

σT 3

f3

3

H

H

F/2

F/2 T F

F

T + T > F T

f4

4

H

σT 4

H F/2

F/2

σT 5 (-)

-

σT 5 (+)

+

F h

5 Biegebalken

F/2

F/2 F/2 f6

Biegedruckspannung Biegezugspannung

F/2 H

H

σT 6 +

Normalspannung: Zug

+

Normalspannung: Zug

+

Normalspannung: Zug

+

Normalspannung: Zug

T F

F

T + T > F T

6

F/2

F/2 H

H

σT 7

f7

7

T

F

F

T + T > F T

F/2

F/2 H

H

σT 8

f8

F

8

F

T

T + T > F

T F T = F

σT 9 T

l

9 Zugstab, axial

F

378

2.5

V Funktionen

Arten von Schnittkräften im System aus Belastung, Form und Lagerung des Bauteils

Aus der Festlegung der • Lagerung sowie auch der • Form des belasteten Bauteils

/ nur bei statisch bestimmt gelagerten Systemen, bei statisch unbestimmten sind Bedingungen aus der Steifigkeit hinzuzuziehen / Schnittkräfte werden fortan in Abbildungen in Form hellgrauer Pfeile dargestellt, um sie eindeutig von äußeren Kräften (dunkelgrau) zu unterscheiden.

ergibt sich unter der Wirkung der zu erwartenden Belastung das jeweils wirksame statische System oder Tragsystem. Aus den Bedingungen im Tragsystem des Bauteils sowie ggf. weiterer Eckdaten ergeben sich unter Ansatz der Gleichgewichtsbedingungen (/) die inneren Beanspruchungen oder Schnittkräfte (actio) in einem bestimmten betrachteten Bauteilquerschnitt. Dabei wird das belastete Bauteil gedanklich an einem beliebigen Ort aufgeschnitten ( 36, 38). Damit die beiden Teilabschnitte ihrerseits im Gleichgewicht stehen, müssen an der Schnittfläche entsprechende innere Kräfte oder Schnittkräfte wirken, welche die äußeren Belastungen kompensieren und das Teilsystem in Gleichgewicht versetzen. Diese inneren Kräfte oder Schnittkräfte gliedern sich in • Normalkräfte N – entlang der Bauteilachse –, die jeweils als Zug- oder Druckkräfte wirken können, • Querkräfte Q – quer zur Bauteilachse • Biegemomente M – um die Schwerachse der Querschnittsfläche drehend • Drill- oder Torsionsmomente – um die Bauteil-Längsachse drehend Es stehen sich an den beiden Schnittufern (links und rechts) jeweils gegensinnig orientierte Kräfte oder Momente Nl,r, Q l,r sowie M l,r gegenüber.

2.6

Spannungen τH

σD

σZ τV

τV

= σZ

σD

τH y

y

x

x

42 Tangential- oder Schubspannungen (tH, tV), wie sie hier auf ein Diferenzialteil wirken, können – je nach betrachteter Ausrichtung – auch als eine Kombination diagonal wirkender Druck- und Zugspannungen sD und sZ, also als Normalspannungen, aufgefasst werden.

Schnittkräfte führen zu Spannungen im Material, die eine Beanspruchung desselben hervorrufen. Dies sind stets Druck- oder Zugspannungen, die jedoch nicht entlang der Bauteilachsen wirken müssen, sondern an jedem Punkt des Bauteils verschiedene Orientierungen annehmen können – dargestellt durch die so genannten Hauptspannungstrajektorien). Schubspannungen infolge Querkräften lassen sich in Druck- und Zugspannungen umwandeln ( 42). Spannungen beanspruchen den Werkstoff und verformen ihn auf eine charakteristische Weise, die uns erlaubt, von dem sicht- und quantifizierbaren Phänomen der Verformung auf die eigentlich nicht messbaren Spannungen Rückschlüsse zu ziehen. Spannungen führen ab einem materialspezifischen Schwellenwert – der sogenannten Bruchspannung – zu einem Aufbrechen des Materialgefüges, also zu einem Bruch des Materials und ggf. zu einem Versagen des Bauteils oder Tragwerks. Der Werkstoff setzt den Spannungen seine inneren

2. Kraft leiten

379

Kohäsionskräfte entgegen (+). Diese befähigen das Material, im belasteten Zustand den Spannungen zu widerstehen. Die Kenntnis der Beanspruchung eines Querschnitts ist wesentlich, um entsprechende Werkstoffe, Dimensionen bzw. konstruktive Maßnahmen festzulegen, die geeignet sind, der Belastung einen entsprechenden Widerstand (reactio) entgegenzusetzen. Sie sind folglich auch für den konstruktiven Aufbau eines Bauteils von entscheidender Bedeutung und sollen später für verschiedene exemplarische, baupraktisch relevante Fälle näher betrachtet werden.

+ Kap. III -1, Abschn. 12. Bruch, S. 122

Die differenzierte Betrachtung von Biegemomenten gegenüber anderen Arten der Schnittkräfte in einer Konstruktion wie insbesondere den axialen Beanspruchungen (Druck und Zug) sowie zum Teil auch den Querkräften hat eine große bauliche Bedeutung, da es sich bei der Biegebeanspruchung um die materialintensivste, ineffizienteste und damit unökonomischste Art der Beanspruchung eines Querschnitts handelt. Dies wird anhand des in  43 gezeigten Schaubilds deutlich, bei dem ein Bauteilquerschnitt alternativ mit axialer Druck- und Zugbeanspruchung bzw. mit Biegebeanspruchung bis an die Grenze der Materialfestigkeit belegt wird: bei axialer Druck- und Zugbeanspruchung verteilt sich die Spannung gleichmäßig über den gesamten Querschnitt, so dass das gesamte verfügbare Material bis an die Grenze seiner Tragfähigkeit beansprucht ist. Im Fall der Biegung hingegen kann das Material lediglich an den Randfasern bis an seine Leistungsgrenzen beansprucht werden. Hier treten im Vergleich zur axialen Beanspruchung darüber hinaus extrem hohe, um ein Vielfaches größere Spannungen auf ( 43). Der Kernbereich des Querschnitts ist nicht ausgelastet, die mittlere Faser (neutrale Faser) ist keinerlei Spannung ausgesetzt. Insgesamt kann bei der Variante unter Biegung (System A) nur ein Bruchteil der Festigkeitsreserven des Materials genutzt werden.3

3.

Vergleichende Betrachtung von Biegemomenten/Querkräften und axialen Beanspruchungen bzw. Membranspannungen

Bei der materiellen Ausführung flächiger Hüllbauteile muss, wie wir gesehen haben, dafür Sorge getragen werden, dass den Schnittkräften entsprechende innere Widerstände oder Gegenkräfte infolge der Materialsteifigkeit oder anderer Maßnahmen entgegengesetzt werden. Wir können in bezug auf die Fähigkeit verschiedener Tragwerke, Gegenkräfte zu den Schnittkräften aufzubauen, folgende grundsätzliche Unterscheidung treffen:

4.

Materielle Ausführung von Hüllbauteilen

Je nach Formgebung und Lagerung rufen die Belastungen eine Kombination aus

4.1

Biegesteife Systeme

• axialen Druck- und Zugkräften sowie zumeist auch • Biegebeanspruchungen, die sich ihrerseits in Biegedruck- und Biegezugkomponenten aufgliedern, und • Querkräften

380

V Funktionen

hervor. Auf diese Beanspruchungen reagieren diese Systeme mit elastischen oder plastischen Verformungen (Dehnungen) Diese Beanspruchungen treten bei derlei Systemen indessen nicht immer gleichzeitig auf. Unter bestimmten Voraussetzungen treten reine axiale Zug- und Druckkräfte auf. Bei Belastungen, die rechtwinklig zur Hüllfläche gerichtet sind, können beispielsweise gekrümmte Bauteile geeignete Formen annehmen, bei denen die axialen Belastungen – also Druck und Zug – deutlich überwiegen, wenn sich die Systemlinie des Bauteils einer Stützlinie annähert. Im Idealfall der Übereinstimmung von System- und Stützlinie treten keine Biegemomente und Querkräfte auf. Bei ebenen Hüllbauteilen hingegen überwiegen bei der gleichen Belastung die Biegemomente und Querkräfte deutlich. Je nach Belastung und Lagerung kann es geschehen, dass keine axialen Zugund Druckkräfte auftreten. Die Biegebeanspruchung ist – wie oben ausgeführt – als eine sehr materialintensive Art der Beanspruchung zu bewerten und stellt zumeist einen wesentlichen Faktor bei der Dimensionierung und Konstruktion eines Hüllbauteils dar. 4.2

Bewegliche Systeme

+ Band 2, Kap. VI, Abschn. 2.3 Oberflächentypen, 2.3.1 nach Art der Krümmung, S. 26

Die beweglichen oder biegeweichen Systeme besitzen keine Biegesteifigkeit und sind ausschließlich auf Zug beanspruchbar. Aus diesem Grunde können Seile, Membranen und Seilnetze ihre Tragfähigkeit nie in gerader bzw. ebener Form entfalten, da gerade lineare oder ebene Bauteile unter Last quer zu ihrer Achse oder Fläche unweigerlich biegebeansprucht werden. Sie benötigen eine Krümmung, bzw. nehmen diese Form selbsttätig unter einer Last an. Beim Seil ist dies eine einfache, bei nur zugbeanspruchbaren Flächentragwerken eine doppelte Krümmung ( +). Nur die Krümmung befähigt – zusammen mit einer Vorspannkraft – eine Membran überhaupt dazu, Formstabilität zu erlangen und stellt eine Grundvoraussetzung für die Verwendung von membranartigen Bauteilen als Hüllflächen dar. Lasten und Vorspannkräfte setzen die Membran oder das Seilnetz unter Zugbeanspruchung, die stets tangential zur Hülloberfläche gerichtet ist – man spricht von einer Membranspannung. Die Vorspannkraft auf der Membran befähigt das Gesamtsystem (s. u.) dann doch dazu, Druckbeanspruchungen aufzunehmen, soweit diese die Zugspannung aus der Vorspannkraft nur teilweise abbaut. Die Zugkraft aus der Vorspannung darf nie geringer als die Druckbelastung werden, da die Membran ansonsten knittert oder durchhängt und ihre geometrische Steifigkeit bzw. die gewünschte Form verliert; denn bewegliche Systeme im angesprochenen Sinne nehmen selbsttätig die biegespannungsfreie Idealform der Lastabtragung an. Auf wechselnde Kraftwirkungen reagieren diese Systeme nicht mit Dehnungen wie die biegesteifen, sondern mit dehnungslosen Verformungen. Das Bauteil passt sich selbsttätig an eine neue Form an, welche wiederum die veränderte Belastung biegespannungsfrei abträgt. Diese dehnungslosen Verformungen sind wesentlich größer als die Dehnungen biegesteifer Systeme. Daraus leitet sich auch die für bestimmte Nutzungen – leider – nur

2. Kraft leiten

381

eingeschränkte Gebrauchstauglichkeit beweglicher Systeme ab. Vorspannkräfte sind für die Tragfähigkeit beweglicher Systeme fundamental, da sie die starken Verformungen unter den im Bauwesen allgegenwärtigen wechselnden Belastungen in verträglichen Grenzen halten. Im Bauwesen finden sich folgende Varianten, eine Vorspannkraft auf eine membranartige Hüllfläche aufzubringen: • Aufbau einer Druckdifferenz zwischen Nutz- und Außenraum (pneumatische Vorspannung, Einfachmembran). Üblicherweise wird im Nutzraum ein Überdruck erzeugt ( 44). Dies Vergleich der Schnittkräfte F System A

F

h

2/3 h

G

G=6xF

H

H=G

a

I=F

L/2

L/2

J=F

L

R1

R2

System B I

R

F

a

System C J

R

a

F

Vergleich der Spannungen

σbr = 24 x σN – System A

σbr Biegerandspannung

σ0 = 0 +

σ0 Spannung in der neutralen Faser

a

σN + oder –

System B/C

a

σN Normalspannung

43 Vergleich zwischen Biege-, Druck und Zugbeanspruchung eines Stabs mit gleichbleibendem Querschnitt durch die jeweils gleiche Einzellast F (Kräfte proportional maßstäblich dargestellt). Die Höhe h des Stabs wird als 1/16 der Spannweite L angenommen, eine bauübliche Schlankheit für einen Biegebalken. Insbesondere der Vergleich der Spannungen im Querschnitt a (unten3) verdeutlicht die schlechte Materialausnutzung der Biegebeanspruchung, da die Randfasern extrem, die neutrale Faser hingegen überhaupt nicht beansprucht wird. Vorausgesetzt, das Material ist in der Lage, sbr aufzunehmen, heißt dies, dass der Stabquerschnitt unter Normalspannung sN auf 1/24 des Querschnitts reduziert werden kann. Dies gilt für das System C (Zug), nicht aber im gleichen Umfang für das System B (Druck), das ab einer gewissen Schlankheit des Stabs – abhängig u. a. von der Steifigkeit des Materials und vom Flächenmoment des Stabquerschnitts – durch Knicken versagt. Dennoch sind unter reiner Normalkraft auch bei B deutliche Querschnittsverringerungen möglich. Dieser Sachverhalt erklärt, weshalb der Leichtbau Biegebeanspruchung so weit wie möglich vermeidet. Der angestellte Vergleich ist funktional betrachtet indessen adäquat einzuordnen, da die gezeigten Systeme von verschiedenen Voraussetzungen ausgehen, denn sie verteilen die Last jeweils unterschiedlich: der Biegestab leitet die Last über einer freien Spanweite ab, während die Systeme B und C diese jeweils geradlinig weiterleiten. Mit anderen Worten: es gibt Fälle, in denen die funktionalen Anforderungen und die gegebenen Randbedingungen keine andere Wahl als die Biegebeanspruchung lassen. Ein gutes Beispiel hierfür sind Geschossdecken im Hochbau (vgl. auch  41).

382

V Funktionen

+ Abschn. 9.8 pneumatisch vorgespannte Membran, S. 500

+ Abschn. 9.8 pneumatisch vorgespannte Membran, S.500

+ Abschn. 9.9 mechanisch vorgespannte Membran, S. 502

5.

Form und Kraftleitung + Band 2, Kap. VIII Primärtragwerke

ist das Wirkprinzip von Traglufthallen. Der Name deutet bereits richtigerweise darauf hin, dass es hier die Luft, bzw. die unter Überdruck stehende Raumluft ist, welche die Membran dank der auf sie ausgeübten Vorspannkraft tragfähig macht (+). Alternativ sind auch Unterdrucksysteme ausführbar. • Aufbau einer Druckdifferenz zwischen dem Bauteilinnern und dem Nutz- bzw. Außenraum (pneumatische Vorspannung, Doppelmembran) ( 45). Pneumatische Doppelmembranen oder kurz Pneus werden in Form von zwei- oder mehrlagigen kissenförmigen Elementen gefertigt, die im gas- oder luftgefüllten Zustand – oder alternativ unter Unterdruck versetzt – einer kontinuierlichen Zugbeanspruchung auf ihrer Oberfläche ausgesetzt sind. Diese Vorspannkraft macht das Gesamtsystem tragfähig für Druck- und Biegebeanspruchungen ( +). Die erforderliche Vorspannung kann alternativ auch durch ein flüssiges Medium oder ein Granulat erzeugt werden. Wir sprechen dann nicht mehr von einem pneumatischen Tragwerk, sondern verwenden den allgemeineren Begriff des – hydraulisch oder granulös – flächig versteiften Membrantragwerks.4 • mechanische Vorspannung: Zuschnitt und Befestigung der einlagigen Membran oder eines Netzes derart, dass eine gegensinnig gerichtete doppelte Krümmung (= antiklastische Krümmung) entsteht, vergleichbar einer Sattelfläche ( 46). Auch in diesem Fall nimmt die Membran eine stabile Form an und ist in der Lage, Druckspannungen aufzunehmen ( +). Auch wenn die Tragsysteme von Hüllbauteilen im Hochbau aus verschiedenen Gründen ( +), die in den meisten Fällen nicht mit der Ableitung von Kräften im Zusammenhang stehen, üblicherweise vorwiegend aus ebenen Elementen bestehen, also aus Platten und Scheiben, ist aus den angestellten Überlegungen heraus dennoch die Berücksichtigung des Formfaktors als für die innere Belastung des Bauteils maßgeblicher Parameter angebracht. Gekrümmte Hüllbauteile sind zwar nicht immer sinnvoll realisierbar oder für den jeweiligen Einsatzzweck angebracht. Bei einer axialen, bzw. entlang einer Bauteilebene ausgerichteten Druck- oder Zugbeanspruchung entsprechen nicht die gekrümmten, sondern im Gegenteil die geradlinigen oder ebenen Bauteile der biegespannungsfreien Idealform. Gekrümmte Oberflächen können aber dank ihrer Krümmung bei den meisten anzusetzenden Lastfällen im Vergleich zu ebenen Bauteilen – geeignete Lagerung vorausgesetzt – zu einer wesentlich günstigeren Beanspruchung führen, weil bei ihnen rechtwinklig zur Bauteilebene ausgerichtete Belastungen ohne Biegebeanspruchung abgetragen werden können. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Hülle und das Primärtragwerk identisch sind, und folglich durch eine geeignete Formgebung das Haupttragwerk entlastet werden kann. Als Beispiele hierfür seien weitgespannte Gewölbe, Kuppeln oder Schalen genannt.

2. Kraft leiten

383

Soll ein Bauteil hinsichtlich seiner Kraftleitungsfunktion gestaltet und konstruiert werden, ist eine Kenntnis der unter den gegebenen Randbedingungen wie Belastung, Lagerung und Form auftretenden Schnittkräfte erforderlich. Diese können in einem Bauteil mit einer spezifischen Form bezogen auf die Hauptrichtungen desselben, bzw. bezogen auf ein entsprechend festgelegtes Koordinatensystem, verschiedene Ausrichtungen annehmen. Je nachdem, ob es sich um einen Körper mit drei gleichwertigen Dimensionen handelt bzw. um ein stabförmiges oder flächiges Bauteil, werden besondere Ausrichtungen der Schnittkräfte für die Gestaltung und Dimensionierung eine große Bedeutung haben oder hingegen weitgehend irrelevant sein. Dies ist in einer systematischen Übersicht jeweils den Aufstellungen in  47-49 zu entnehmen. Da Beanspruchungen nur anhand von Verformungen oder Bruchbildern zu erkennen sind, werden in diesen Aufstellungen die Schnittkräfte zum Zweck einer größtmöglichen Anschaulichkeit durch die als Folge ihrer Wirkung zu erwartenden Verformungen dargestellt. Dort wo dies grafisch mit besonderen Schwierigkeiten verbunden ist, werden alternativ die zu erwartenden Bruchbilder herangezogen. Zusätzlich sind der besseren Erkennbarkeit wegen auch (äußere) Belastungen dargestellt, welche die betrachtete Schnittkraft hervorrufen. Gemeint – in diesem Zusammenhang aber leider grafisch kaum darstellbar – sind dennoch Schnittkräfte. Dabei können einige Beanspruchungen fallweise alleine auftreten – wie Druck- und Zug –, andere treten hingegen nur gemeinsam mit anderen – wie beispielsweise Schub in komplementären Hauptrichtungen oder Biegung und Querkraft – in Erscheinung. Die gegenseitigen Abhängigkeiten der Beanspruchungsarten und -ausrichtungen werden im begleitenden Text beschrieben und sind ferner an der Darstellung der elementaren Bauteile unter spezifischer Belastung ablesbar (☞). Die – hier auch grafisch hervorgehobenen – relevanten Schnittkraftausrichtungen werden bei späteren Betrachtungen zur Beanspruchung elementarer Bauteile in der hier gewählten grafischen Darstellung, gewissermaßen in Form von Erkennungssymbolen, als qualitative Hinweise auf die jeweils maßgebliche Beanspruchung wieder auftauchen.

6.

Schnittkräfte im Bauteil

☞ Abschn. 7 Elementare Bauteile und exemplarische Lastfälle - Verformungen und Beanspruchungen im Bauteil, S. 390 ff

F -

+

+

+

+

+

+

+

44 Pneumatisch vorgespannte Einfachmembran (Überdrucksystem).

+ +

-

+

+

45 Pneumatisch vorgespannte Doppelmembran (Überdrucksystem).

46 Mechanisch vorgespannte Membran.

384

6.1

V Funktionen

Schnittkräfte im stabförmigen Bauteil

In der  47 sind Beanspruchungen im stabförmigen Bauteil dargestellt (eine Dimension überwiegt deutlich gegenüber den beiden restlichen). Die Schnittkräfte werden jeweils mit verschiedenen räumlichen Ausrichtungen (➝ x, ➝ y und ➝ z) in Schnitt- oder Betrachtungsflächen parallel zu den drei Koordinatenebenen untersucht, also entlang der • Koordinatenebene xy • Koordinatenebene xz • Koordinatenebene yz. Alle denkbaren Beanspruchungen der jeweiligen, als Koordinatenebenen gekennzeichneten Schnittflächen sind in  47 dargestellt. Nicht alle Varianten besitzen bauliche Bedeutung, weshalb die relevanten unter ihnen grafisch gekennzeichnet sind. Von Interesse sind insbesondere: • Druck axial (Fall 1.2) • Zug axial (Fall 2.2) • Querkraft entlang der Stabachse (Fälle 3.2 und 3.2‘) und quer zur Stabachse (Fälle 3.3 und 3.3‘). Diese Beanspruchungen treten gemeinsam auf, sind gegensinnig drehend und halten sich gegenseitig im Gleichgewicht. • Ferner ist auch das Querkraftpaar in der komplementären Stabquerrichtung zu berücksichtigen (also Fälle 3.4 und 3.5 bzw. deren Umkehrungen). • Biegemomente jeweils in zwei komplementären Richtungen (Fälle 4.1 und 4.3 und deren Umkehrungen) • Verdrillung um die Stabachse herum (Fall 5.2).

47 Mögliche Schnittkräfte entlang einer definierten Schnittebene in einem stabförmigen, linearen Bauteil. Die einzigen bautechnisch relevanten Schnittkräfte sind grafisch hervorgehoben. Andere folgen zwar aus der Systematik, sind aber baulich ohne Interesse. Zum besseren Verständnis der Beanspruchung sind mit gestrichelter Linie alternativ Verformungs- oder Bruchbilder dargestellt. Pfeile zeigen zum besseren Verständnis die (äußeren) Belastungen, welche die jeweils betrachtete Schnittkraft im Bauteilinnern hervorrufen. Gleiches gilt für die folgenden Übersichten auf  48 und 49

2. Kraft leiten

385

Beanspruchung entlang x-Achse

1. Druck

2. Zug

3. Querkraft

4. Biegung

Beanspruchung entlang y-Achse

1.1

1.2

1.3

2.1

2.2

2.3

3.1

3.2

3.3

3.2‘

3.3‘

3.4

3.5

3.6

3.4‘

3.5‘

4.1

4.2

4.1‘

5. Verdrillung

y x

4.3 4.3‘

4.4

4.5

4.6

5.1

5.2

5.3

5.2‘

z

Beanspruchung entlang z-Achse

386

6.2

V Funktionen

Schnittkräfte im ebenen Bauteil

+ Abschn. 9. Bauliche Umsetzung der Kraftleitungsfunktion - Strukturprinzip des Bauteils, S. 448 ff

+ Band 2, Kap. VIII Primärtragwerke

Die Überlegungen zu der Art der inneren Beanspruchungen oder Schnittkräfte in einem Hüllbauteil sollen im Folgenden am Beispiel des ebenen Bauteils weitergeführt werden ( 48). Ebene Hüllbauteile stellen nach wie vor den Standard im Hochbau dar und verdienen deshalb eine vertiefte Behandlung wie sie in folgenden Abschnitten ( +) vorgenommen wird. Von Interesse sind insbesondere: • Druck entlang der Bauteilebene in Richtung y oder z (Fälle 1.2 und 1.3) • Zug wie oben Druck (Fälle 2.2 und 2.3) • Querkraft jeweils in sich gegenseitig aufhebenden Paaren auftretend: Fälle 3.2 und 3.3; Fälle 3.4 und 3.5; Fälle 3.1 und 3.6 bzw. deren Umkehrungen. Diese Beanspruchungen treten stets gemeinsam auf, sind gegensinnig drehend und halten sich gegenseitig im Gleichgewicht. • Biegemomente in zwei wesentlichen Richtungen (Fälle 4.1 und 4.4). Die Ausrichtungen 4.2 und 4.3 entsprechen einer Scheibenbeanspruchung und besitzen eine nur eingeschränkte Bedeutung. • Verdrillung entsprechen den Fällen 5.2 und 5.3.

48 Mögliche Schnittkräfte entlang einer definierten Schnittebene in einem ebenen flächigen Bauteil. Die bautechnisch nicht relevanten Schnittkräfte sind grafisch heller gekennzeichnet. Zum besseren Verständnis der Beanspruchung sind mit gestrichelter Linie entweder Verformungs- oder Bruchbilder dargestellt. Pfeile zeigen (äußere) Belastungen, welche Ursache für die jeweils betrachtete Schnittkraft sind.

2. Kraft leiten

387

Beanspruchung entlang x-Achse

Beanspruchung entlang y-Achse

Beanspruchung entlang z-Achse

1. Druck

1.1

1.2

1.3

2.1

2.2

2.3

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

4.1

4.2

4.3

4.5

4.6

5.2

5.3

2. Zug

3. Querkraft

4. Biegung

4.4

5. Verdrillung

z y x

5.1

388

6.3

V Funktionen

Schnittkräfte in einem Kontinuum

Zuletzt sollen die denkbaren Beanspruchungen an einem richtungslosen Kontinuum oder an einem Körper mit drei gleichwertigen Dimensionen entlang einer definierten Schnittebene dargestellt werden ( 49). Bauliche Relevanz hat dieser Fall einzig im Hinblick auf Körpertragwerke oder die Bodenmechanik, da der Boden als ein solches durchgängiges – wenngleich nicht immer isotropes – Stoffgefüge angesehen werden kann. Neben Druck und Zug in den drei denkbaren räumlichen Richtungen (Fälle 1.1 bis 2.3) sind Querkräfte entlang 6 möglicher Scherebenen (Fälle 3.1 bis 3.6) zu berücksichtigen. Querkräfte treten stets paarweise auf: • Die Fälle 3.1 und 3.6, bzw. deren Umkehrungen, treten gleichzeitig auf, sind gegensinnig drehend und stehen miteinander im Gleichgewicht. • Desgleichen 3.2 und 3.3 bzw. deren Umkehrungen • Desgleichen 3.4 und 3.5 bzw. deren Umkehrungen Biegung (Fälle 4.1 bis 4.6) und Verdrillung (Fälle 5.1 bis 5.3) des richtungslosen Elements werden der Vollständigkeit der Systematik halber zwar dargestellt, wegen ihrer Bedeutungslosigkeit aber grafisch ausgegraut.

49 Mögliche Schnittkräfte entlang einer definierten Schnittebene in einem Körpertragwerk bzw. in einem als ungerichtet angenommenen Kontinuum – in diesem Fall Betrachtung eines Differentialteils. Es werden wie bei den  47 und 48 (interne) Beanspruchungen betrachtet, auch wenn aus Gründen der Anschaulichkeit teilweise die (äußeren) Belastungen grafisch dargestellt werden, welche die Ursache der betrachteten Schnittkräften sind. Die einzigen bautechnisch relevanten Schnittkräfte sind grafisch hervorgehoben. Wechselnde Ausrichtungen der gleichen Schnittkraft haben in diesem Fall wegen der Ungerichtetheit des belasteten Elements keine besondere Bedeutung. Die heller dargestellten Fälle ergeben sich zwar aus der Systematik, haben indessen keine bauliche Relevanz. Zum besseren Verständnis der Beanspruchung sind mit gestrichelter Linie entweder Verformungs- oder Bruchbilder dargestellt.

2. Kraft leiten

389

Beanspruchung entlang x-Achse

Beanspruchung entlang y-Achse

Beanspruchung entlang z-Achse

1. Druck

1.1

1.2

1.3

2.1

2.2

2.3

2. Zug

3. Querkraft

3.1

3.4

3.1‘

3.4‘

3.2

3.2‘

3.5

3.3

3.3‘

3.6 3.5‘

3.6‘

4. Biegung

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

5.1

5.2

5. Verdrillung z y x

5.3

390

7.

V Funktionen

Elementare Bauteile und exemplarische Lastfälle - Verformungen und Beanspruchungen im Bauteil + Abschn. 2.3 Lagerung, S. 370, sowie 2.4 Form, S. 374 + Band 2, Kap. VIII Primärtragwerke

Die in den Abschn. 2.2 und 2.3 getrennt für sich dargestellten wichtigsten Belastungen und Lagerungen sowie alle anderen denkbaren Fälle können zusammen mit diversen Bauteilgeometrien in zahlreichen Varianten kombiniert werden. Einige wenige Kombinationen werden lediglich zur Andeutung der denkbaren Varianz in den  51-63 beispielhaft vorgestellt. Es liegt auf der Hand, dass eine etwas nähere Betrachtung der Kraftleitungsfunktion zum Zweck eines zumindest elementaren Verständnisses des Kraftflusses in diesem Rahmen nur für die wesentlichsten Bauteile – stabförmige und ebene – sowie für einige exemplarische vereinfachte Lastfälle zu leisten ist. Auch werden nur die wichtigsten (inneren) Beanspruchungen in diesem Abschnitt aufgezeigt, die für das grundlegende Verständnis der Kraftleitungsfunktion unerlässlich sind. In den folgenden grafischen Übersichten wird ein möglichst anschauliches Bild vermittelt von • den jeweils angesetzten statischen Systemen, welche Ausdruck der jeweils festgesetzten Randbedingungen der Kraftleitungsfunktion sind, also •• Bauteilform •• Belastung •• Lagerung • der zu erwartenden Verformung • den zu erwartenden Beanspruchungen im Bauteil, also der •• Biegebeanspruchung, •• der Querkraftbeanspruchung sowie •• der Normalkraftbeanspruchung.

✏ Vorzeichen hier zum Zweck der Vereinfachung ausgeblendet

Diese werden einerseits anhand eines Erkennungssymbols gekennzeichnet wie in den Übersichten  47-49 eingeführt. Es soll die Existenz und die Achsenausrichtung der betrachteten Beanspruchung anzeigen (✏). Gleichzeitig wird, wie in der Baustatik üblich, mithilfe eines Diagramms die Verteilung der jeweiligen Beanspruchung über das Bauteil hinweg veranschaulicht.

+ Abschn. 9. Bauliche Umsetzung der Kraftleitungsfunktion im Element - Strukturprinzip des Bauteils, S. 448 ff

Die dargestellten Merkmale exemplarischer Fälle der Kraftleitungsfunktion sind die Grundlage für das Verständnis der wesentlichen baukonstruktiven Maßnahmen, die für die Erfüllung der Funktion Kraft leiten notwendig sind. Auf die verschiedenen Prinzipien der baulichen Umsetzung des in diesem Abschnitt als kontinuierliches, in seinem inneren Aufbau nicht näher spezifiziertes Element angenommenen Bauteils wird im Abschnitt 9 eingegangen.

2. Kraft leiten

391

nicht axial beansprucht

Scheiben

Platten

stabförmige Bauteile

ebene Bauteile

durch Axialkraft

durch Biegung

vertikal

horizontal

zusammengesetzte Tragelemente

Aussteifung

konstruktive Umsetzung

ebene Grundelemente

stabförmige Grundelemente

axial beansprucht

50 Übersicht stabförmiger und ebener Tragwerkselemente.

durch Scheibenwirkung

392

V Funktionen von Bauteilen

51 Linear gelagerte Scheibe mit kontinuierlicher Auflast. z

z

52 Linear gelagerte Scheibe mit kontinuierlicher Horizontallast in Bauteilebene.

y

y

x

x

53 Eingespannte Platte mit flächiger Last rechtwinklig auf ihrer Ebene. z

z

54 Zweiseitig linear gelagerte Scheibe (stehend) mit Eigenlast.

y

y

x

x

55 Zweiseitig linear gelagerte Scheibe (stehend) mit linearer Auflast und Eigenlast. z

56 Zweiseitig linear gelagerte Scheibe (hängend) mit Eigenlast.

z y

y

x

x

2. Kraft leiten

z

393

z

z y

y

y

x

x

x

57 Zweiseitig linear gelagerte Platte/Scheibe (stehend) mit Flächenlast und Eigenlast.

58 Zweiseitig linear gelagerte Platte/Scheibe (hängend) mit Flächenlast und Eigenlast

59 (Für Belastung in xz) zweiseitig linear gelagerte Platte bzw. (für Belastung in yz) punktuell gelagerte Scheibe mit Flächenlast und Eigenlast.

60 (Für Belastung in xz) zweiseitig linear (hängend) gelagerte Platte bzw. (für Belastung in yz) linear gelagerte Scheibe mit Lastkombination aus: Flächenlast entlang ➝ -x Eigenlast entlang ➝ -z Streckenlast entlang ➝ -z Streckenlast entlang ➝ y z y

z y

x

x

61 (Für Belastung in xz) zweiseitig linear gelagerte Platte mit Lastkombination aus: Flächenlast entlang ➝ -x, Eigenlast entlang ➝ -x.

62 (Für Belastung in xz) zweiseitig linear gelagerte Platte bzw. (für Belastung in yz) linear gelagerte Scheibe mit Lastkombination aus: Flächenlast entlang ➝ -x, Eigenlast entlang ➝ -x, Streckenlast entlang ➝ y.

z

z y

y

x

x

63 (Für Belastung in xz) zweiseitig linear gelagerte Platte bzw. (für Belastung in yz) linear gelagerte Scheibe mit Lastkombination aus: Flächenlast entlang ➝ -x, Eigenlast entlang ➝ -x, Streckenlast entlang ➝ y, bewegliche Einzellast entlang ➝ -x.

394

7.1

V Funktionen

Einfache stabförmige Bauteile

7.1.1 Einfeldträger unter Streckenlast

☞  64 • Tragelement: Gerades stabförmiges Bauteil mit Länge L. Statisches System in der Ebene yz betrachtet. • Äußere Belastung: Streckenlast q quer zur Stabachse wirkend. • Lagerung: auf einer Seite zweiwertig (Gelenk), einwertig (Gleitlager) auf der anderen. Insgesamt drei Bindungen, also statisch bestimmt gelagert. • Verformung: parabolische Biegelinie 4. Grades mit größtem Stich f in Feldmitte (L/2). • Biegemomente: quadratisch parabolische Verteilung über die Stablänge mit positivem Maximum Mmax in Feldmitte. Diese Kurve wird in folgenden statischen Systemen als Referenzkurve mit maximalem Moment Mref herangezogen. • Querkräfte: Lineare Verteilung mit Maxima Qmax an den beiden Auflagern, jeweils mit entgegengesetztem Vorzeichen. Nullpunkt in Feldmitte.

7.1.2 Einfeldträger mit einem Kragarm unter Streckenlast

☞  65 • Tragelement: Gerades stabförmiges Bauteil mit Länge L. Die Stablänge L teilt sich auf in ein Feld LF und einen Kragarm mit Länge LK . Statisches System in der Ebene yz betrachtet. • Äußere Belastung: Streckenlast q quer zur Stabachse wirkend. • Lagerung: auf einer Seite zweiwertig (Gelenk), einwertig (Gleitlager) auf der anderen. Ein Auflager um die Länge LK eingerückt. Insgesamt drei Bindungen, statisch bestimmt gelagert. • Verformung: parabolische Biegelinie 4. Grades im Feldbereich LF bis zum Wendepunkt W (identisch mit Momentennullpunkt) mit größtem Stich fF im Punkt des maximalen (positiven) Feldmoments (Mmax +). Durchhang des auskragenden Trägerendes um fK . Die Biegelinie entspricht einer (vom Punkt W zur Auskragung hin umgekehrten) Parabel 4. Grades. Das Verhältnis zwischen fF und fK ist abhängig vom Verhältnis zwischen Stützfeld LF und Auskragung LK . Es leuchtet ein, dass mit (im Verhältnis zu LF) sich vergrößerndem LK auch fK größer wird. Die Nachgiebigkeit des auskragenden Endes ist indessen grundsätzlich größer als dieje-

2. Kraft leiten

395

QII

QI

ax

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64 Fall 7.1.1 Einfeldträger unter Streckenlast.

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396

V Funktionen

/ Biegelinie sowie sämtliche Schnittkraftdiagramme hier und in den folgenden Schemata der größeren grafischen Klarheit halber nicht wie üblich in Höhe der Bauteilachse, sondern in Höhe der Lagerungsachse dargestellt

☞ Abschn. 7.1.1 Einfeldträger unter Streckenlast, S. 394, wobei in diesem Fall nicht die Stablänge L, sondern die Feldlänge LF anzusetzen ist. Das Referenzmoment MrefF ist entsprechend kleiner als das Moment Mref

☞ Abschn. 7.1.1 Einfeldträger unter Streckenlast, S. 394

LK LF LK LF

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=

1 (1 + 1 2 2

2)

= 0,41

= 0,35



7.1.3 Einfeldträger mit zwei Kragarmen unter Streckenlast

nige des Felds, da der Kragarm nur einseitig, das Feld hingegen zweiseitig gestützt ist ( /). • Biegemomente: quadratisch parabolische Verteilung über die Stablänge in Form zweier Abschnitte: •• Feld: Verteilung positiver Biegemomente gemäß – über dem rechten Auflager einseitig hochgehängter – quadratischer Parabel, die identisch mit der Momentenkurve eines Referenzträgers ( ☞) mit gleicher Belastung und Stützweite LF ist. Das obere Ende der Parabel ist durch die Größe des negativen Stützmoments (Mmax -) vorgegeben – deshalb der Begriff hochgehängt. Das dem Referenzträger zugehörige maximale Feldmoment ist hier, bezogen auf die anzusetzende Stützweite LF als Referenzmoment Mref F in der Mitte des Stützfeldes LF wiederzufinden. Am Schnittpunkt der Parabel mit der Systemachse befindet sich der Momentennullpunkt, der identisch mit dem Wendepunkt W ist. Zwischen W und der rechten Stützung entstehen negative Momente. Maximum Mmax - über der Stützung. •• Kragarm: Verteilung negativer Momente gemäß quadratischer Parabel mit Scheitelpunkt am Trägerende. Ihr Verlauf ist identisch mit der Momentenkurve eines gedachten Refenzträgers ( ☞) mit gleicher Belastung und doppelter Länge LK als Stützweite. Das zugehörige maximale Moment (Referenzmoment Mref K) ist identisch mit dem Stützmoment Mmax -. Das Verhältnis zwischen den maximalen Momenten Mmax + und Mmax - hängt bei gleicher Belastung q vom Verhältnis der Kraglänge LK zur Stützweite LF ab. Bei einem Verhältnis von 0,41 werden Mmax + und Mmax - gleich groß und erlauben eine möglichst gleichmäßige Querschnittsausnutzung. • Querkräfte: Lineare Verteilung mit Maximum über dem eingerückten Auflager, jeweils mit entgegengesetztem Vorzeichen. Das Qmax an dieser Stelle ist in seiner Summe (positiver + negativer Anteil) identisch mit der Auflagerreaktion. Nullpunkt in der Mitte des mit positiven Momenten belegten Abschnitts La, am gleichen Punkt wie das Momentenmaximum Mmax. ☞  66 • Tragelement: Gerades stabförmiges Bauteil mit Länge L. Feldbereich LF und Auskragungen LK jeweils auf beiden Seiten. Statisches System in der Ebene yz betrachtet. • Äußere Belastung: Streckenlast q quer zur Stabachse wirkend.

2. Kraft leiten

397

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65 Fall 7.1.2 Einfeldträger mit einem Kragarm unter Streckenlast.

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L

398

V Funktionen

• Lagerung: auf einer Seite zweiwertig (Gelenk), einwertig (Gleitlager) auf der anderen. Beide Auflager um die Länge LK eingerückt. Insgesamt drei Bindungen, also statisch bestimmt gelagert.

+ Abschn. 7.1.2 Einfeldträger mit einem Kragarm unter Streckenlast, S. 397

• Verformung: parabolische Biegelinie 4. Grades im Feldbereich LF zwischen Wendepunkten W1 und W2 im Abschnitt La. – Wendepunkte jeweils identisch mit Momentennullpunkten. Größter Stich fF in diesem Bereich im Punkt des maximalen (positiven) Feldmoments (Mmax +). Durchhang der auskragenden Trägerenden um fK . Die Biegelinien in den Bereichen von den Punkten W1/2 zu den Kragarmen entsprechen jeweils einer umgekehrten Parabel 4. Grades. Das Verhältnis zwischen fF und fK ist abhängig vom Verhältnis zwischen Stützfeld LF und Auskragungen LK . • Biegemomente: quadratisch parabolische Verteilung über die Stablänge in Form dreier Abschnitte:

☞ Abschn. 7.1.1 Einfeldträger unter Streckenlast, S. 394

LK LF LK LF

=

=

1 (1 + 1 2 2

2)

= 0,41

= 0,35

•• Feld: Verteilung positiver Biegemomente gemäß – hier symmetrisch hochgehängter – quadratischer Parabel, die identisch mit der Momentenkurve eines Referenzträgers ( ☞) mit gleicher Belastung und Stützweite LF ist – vgl. Beispiel Einfeldträger mit Streckenlast. Die Lage der Enden der Parabel sind durch die Größe der negativen Stützmomente (Mmax -) vorgegeben. Das dem Referenzträger zugehörige maximale Feldmoment ist hier als Referenzmoment Mref F in der Mitte des Stützfeldes LF wiederzufinden. An den Schnittpunkten der Parabel mit der Systemachse befinden sich die beiden Momentennullpunkte. Ihre Lage ist identisch mit den Wendepunkten W1/2 . Zwischen W und den Stützungen entstehen negative Momente. Maximum Mmax - jeweils über der Stützung. •• zwei Kragarme: Verteilung negativer Momente gemäß quadratischer Parabel mit Scheitelpunkt am Trägerende. Ihr Verlauf ist identisch mit der Momentenkurve eines gedachten Refenzträgers (Einfeldträger) mit gleicher Belastung und doppelter Länge LK als Stützweite. Das zugehörige maximale Moment (Referenzmoment Mref K ) ist identisch mit dem Stützmoment Mmax -. Das Verhältnis zwischen den maximalen Momenten Mmax + und Mmax - hängt bei gleicher Belastung q vom Verhältnis der Kraglängen LK zur Stützweite LF ab. Bei einem Verhältnis von 0,35 werden Mmax + und Mmax - gleich groß und erlauben eine möglichst gleichmäßige Querschnittsausnutzung. • Querkräfte: Lineare Verteilung mit Maximum über den Auflagern. Das Qmax an dieser Stelle ist in der Summe seines positiven und negativen Anteils identisch mit der Auflagerreaktion. Nullpunkt in

2. Kraft leiten

399

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66 Fall 7.1.3 Einfeldträger mit zwei Kragarmen unter Streckenlast.

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400

V Funktionen

der Mitte des mit positiven Momenten belegten Abschnitts La bzw. des Stützfelds LF, am gleichen Punkt wie das Momentenmaximum Mmax. 7.1.4 Kragträger unter Streckenlast

☞  67 • Tragelement: Gerades stabförmiges Bauteil mit Länge L. Statisches System in der Ebene yz betrachtet. • Äußere Belastung: Streckenlast q quer zur Stabachse wirkend. • Lagerung: auf einer Seite dreiwertig, also eingespannt, auf der anderen nicht gelagert. • Verformung: parabolische Biegelinie 4. Grades über die Stablänge L. Maximale Verformung f am freien Stabende.

☞ Abschn. 7.1.1 Einfeldträger unter Streckenlast, S. 394

• Biegemomente: quadratisch parabolische Verteilung über die Stablänge. Scheitel des Parabelastes am freien Stabende. Halbe Parabel um den Betrag des negativen Einspannmoments Mmax hochgehängt. Dieser Wert ist identisch mit dem maximalen Feldmoment Mref eines gedachten Refenzsystems ( ☞) in Form eines Einfeldträgers mit doppelter Stützweite L unter identischer Last. • Querkräfte: Lineare Verteilung mit Maximum an der Einspannung. Das Qmax an dieser Stelle ist in seiner Größe identisch mit der Auflagerreaktion.

7.1.5 Zweifeldträger unter Streckenlast

☞  68 • Tragelement: Gerades stabförmiges Bauteil mit Länge 2L. Zwei Stützfelder mit Länge von jeweils L. Der Stab läuft über dem mittleren Auflager durch. Statisches System in der Ebene yz betrachtet. • Äußere Belastung: Streckenlast q quer zur Stabachse wirkend. • Lagerung: auf einer Seite zweiwertig (Gelenk), einwertig (Gleitlager) jeweils die beiden anderen Auflager. Insgesamt vier Bindungen (2 + 1 + 1), also statisch einfach unbestimmt gelagert. • Verformung: Drei parabolische Biegelinien 4. Grades: •• in beiden Feldbereichen L jeweils zwischen den Wendepunkten W1 und W2 und den Trägerenden, also im Abschnitt La, Parabel mit Scheitelpunkt in der Mitte – Wendepunkte jeweils

2. Kraft leiten

401

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67 Fall 7.1.4 Kragträger unter Streckenlast.

he isc at St tem s Sy

402

V Funktionen

identisch mit Momentennullpunkten. Dort auch größter Stich f im Punkt des maximalen (positiven) Feldmoments (Mmax +). •• Zu beiden Seiten des mittleren Auflagers im Bereich L b, also zwischen den Wendepunkten W1 und W2 umgekehrte Parabel mit Scheitel über dem Auflager.

☞ Abschn. 7.1.1 Einfeldträger unter Streckenlast, S. 394

• Biegemomente: quadratisch parabolische Verteilung über die Stablänge in Form zweier Feldbereiche: Verteilung der Biegemomente jeweils gemäß – hier asymmetrisch hochgehängter – Parabel, die identisch mit der Momentenkurve eines Referenzträgers ( ☞) mit gleicher Belastung und Stützweite L ist. Die Lage des oberen Endes der Parabel ist durch die Größe des negativen Stützmoments (Mmax -) vorgegeben. Das dem Referenzträger zugehörige maximale Feldmoment ist hier als Referenzmoment M ref in der Mitte des Stützfeldes L wiederzufinden. An den Schnittpunkten der Parabel mit der Systemachse befinden sich die beiden Momentennullpunkte. Ihre Lage ist identisch mit den Wendepunkten W1/2 . Es entstehen folglich: •• zwei symmetrisch angeordnete Bereiche mit positivem Moment zwischen den Momentennullpunkten und den Trägerenden (=La). Maximales Moment Mmax + in der Mitte dieses Abschnitts La. •• Zwischen den beiden Momentennullpunkten über der mittleren Stützung entstehen negative Momente. Maximum Mmax - über dieser Stützung. • Querkräfte: Lineare Verteilung mit Maximum über dem mittleren Auflager. Das Qmax an dieser Stelle ist in der Summe seines positiven und negativen Anteils identisch mit der Auflagerreaktion. Nullpunkt jeweils in der Mitte der mit positiven Momenten belegten Abschnitte L a, jeweils am gleichen Punkt wie das Momentenmaximum Mmax.

7.1.6 Dreifeldträger unter Streckenlast

☞  69 • Tragelement: Gerades stabförmiges Bauteil mit Länge 3L. Drei Stützfelder mit Länge von jeweils L. Der Stab läuft über den beiden mittleren Auflagern durch. Statisches System in der Ebene yz betrachtet. • Äußere Belastung: Streckenlast q quer zur Stabachse wirkend. • Lagerung: auf einer Seite zweiwertig (Gelenk), einwertig (Gleitlager) jeweils die drei anderen Auflager. Insgesamt fünf Bin-

2. Kraft leiten

403

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68 Fall 7.1.5 Zweifeldträger unter Streckenlast.

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404

V Funktionen

dungen (2+1+1+1), also statisch zweifach unbestimmt gelagert. • Verformung: Fünf parabolische Biegelinien 4. Grades: •• in beiden Endfeldern jeweils zwischen den Wendepunkten W1/W4 und den Trägerenden, also in den Abschnitten La, Parabel 4. Grades mit Scheitelpunkt in der Mitte – Wendepunkte jeweils identisch mit Momentennullpunkten. Dort auch größter Stich f1 im Punkt des maximalen (positiven) Feldmoments (Mmax +). •• Im Mittelfeld analog, jedoch in kürzerem Abschnitt Ld zwischen den Wendepunkten W2 und W3. Kleinerer Stich f 2 . •• Jeweils zu beiden Seiten der mittleren Auflager im Bereich Lb/Lc, also zwischen den Wendepunkten W1 und W2 bzw. W3 und W4 umgekehrte Parabel 4. Grades. • Biegemomente: quadratisch parabolische Verteilung über die Stablänge in Form zweier gespiegelter Endfeldbereiche und eines Mittelfeldbereichs:

☞ Abschn. 7.1.1 Einfeldträger unter Streckenlast, S. 394

•• zwei Endfelder: Verteilung der Biegemomente jeweils gemäß – hier asymmetrisch hochgehängter – quadratischer Parabel, die identisch mit der Momentenkurve eines Referenzträgers ( ☞) mit gleicher Belastung und Stützweite L ist. Die Lage des oberen Endes der Parabel ist durch die Größe des negativen Stützmoments (M max -) vorgegeben. Das dem Referenzträger zugehörige maximale Feldmoment ist hier als Referenzmoment Mref in der Mitte des Stützfeldes L wiederzufinden. An den Schnittpunkten der Parabel mit der Systemachse befinden sich zwei Momentennullpunkte. Ihre Lage ist identisch mit den Wendepunkten W1/4. •• Mittelfeld: Analog zu den Endfeldern; jedoch wird die Momentenparabel hier an beiden Enden infolge der negativen Stützmomente symmetrisch hochgehängt. Das positive Feldmoment reduziert sich entsprechend. Das Referenzmoment Mref ist gleich dem der Endfelder. Es entstehen folglich: •• zwei symmetrisch angeordnete Bereiche mit positivem Moment zwischen den Momentennullpunkten (= W1 und W4) und den Trägerenden (Bereich = L a). Maximales Moment Mmax + in der Mitte dieser Abschnitte La. •• Ein mittlerer Bereich zwischen den Momentennullpunkten des Mittelfelds (= W2 und W3) mit deutlich kleinerem positiven Moment in der Mitte dieses Abschnitts Ld.

2. Kraft leiten

405

•• Zwischen den Momentennullpunkten (jeweils = W1/2 und W3/4) über den mittleren Stützungen entstehen negative Momente. Maxima jeweils Mmax - über diesen Stützungen. • Querkräfte: Lineare Verteilung mit identischen Maxima über den beiden mittleren Auflagern. Das Qmax an dieser Stelle ist in seiner Größe identisch mit der Auflagerreaktion. Nullpunkt in der Mitte der mit positiven Momenten belegten Abschnitte La an den beiden Endfeldern und Ld im Mittelfeld, am gleichen Punkt wie die Momentenmaxima Mmax. QII ax m QII

ax

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69 Fall 7.1.6 Dreifeldträger unter Streckenlast.

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L

406

V Funktionen

7.1.7 Druckstab

☞  70 • Tragelement: Gerades stabförmiges Bauteil mit Länge L. • Äußere Belastung: Einzellast F längs der Stabachse ausgerichtet, zur Lagerung hin orientiert. Kraftangriff exakt axial angenommen. • Lagerung: an einem Ende dreiwertig, am anderen nicht gelagert. • Verformung: Stauchung des Stabs entlang der Achse um den Wert d – und kleinere Querdehnung. • Biegemomente: Keine sofern der Kraftangriff exakt axial stattfindet. • Querkräfte: Keine sofern der Kraftangriff exakt axial stattfindet. • Normalkräfte: Druck, über die gesamte Stablänge konstant.

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70 Fall 7.1.7 Druckstab.

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2. Kraft leiten

407

☞  71

7.1.8 Zugstab

• Tragelement: Gerades stabförmiges Bauteil mit Länge L. • Äußere Belastung: Einzellast F längs der Stabachse ausgerichtet, von der Lagerung weg orientiert. Kraftangriff exakt axial angenommen. • Lagerung: an einem Ende dreiwertig, am anderen nicht gelagert. • Verformung: Dehnung des Stabs entlang der Achse um den Wert d – und kleinere Querkontraktion. • Biegemomente: Keine sofern der Kraftangriff exakt axial stattfindet. • Querkräfte: Keine sofern der Kraftangriff exakt axial stattfindet. • Normalkräfte: Zug, über die gesamte Stablänge konstant.

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71 Fall 7.1.8 Zugstab.

408

7.1.9 Bogen unter Streckenlast

V Funktionen

☞  72 • Tragelement: Gekrümmtes stabförmiges Bauteil mit Stützweite L und Bogenstich f. Entlang der Stützlinie geformt, in diesem Fall eine quadratische Parabel. Statisches System in der Ebene yz betrachtet. • Äußere Belastung: Streckenlast q, konstant entlang der Stützweite L des Bogens verteilt und quer zu dieser wirkend. • Lagerung: an beiden Enden zweiwertig, gelenkig unverschieblich gelagert. Es liegen insgesamt 4 Bindungen (2 + 2) vor, die Lagerung ist infolgedessen einfach statisch unbestimmt. • Verformung: Stauchung des gekrümmten Stabs entlang seiner Achse – und kleinere Querdehnung –; größte Verformung am Scheitelpunkt S um den Wert d. • Biegemomente: Keine – unter Vernachlässigung der Abweichung der Systemachse des Stabs von der Stützlinie. • Querkräfte: Keine – unter Vernachlässigung der Abweichung der Systemachse des Stabs von der Stützlinie. • Normalkräfte: Druck maximal an den Auflagern, zum Scheitel hin stetig abnehmend.

2. Kraft leiten

409

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72 Fall 7.1.9 Bogen unter Streckenlast.

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L

410

7.1.10 Seil

V Funktionen

☞  73 • Tragelement: Gekrümmtes, hier bandförmig angenommenes, biegeweiches Bauteil mit Stützweite L und Seilstich f. Entlang der Seillinie geformt. Das Band nimmt infolge fehlender Biegesteifigkeit diese Form von selbst ein. Statisches System in der Ebene yz betrachtet. • Äußere Belastung: Streckenlast q längs der Stützweite L des Seils verteilt, quer zu dieser wirkend. • Lagerung: an beiden Enden zweiwertig, gelenkig unverschieblich gelagert. Es liegen insgesamt 4 Bindungen (2 + 2) vor, die Lagerung ist infolgedessen einfach statisch unbestimmt. • Verformung: Dehnung des Seils entlang seiner Achse – und kleinere Querdehnung –; größte Verformung am Scheitelpunkt S um den Wert d. • Biegemomente: Keine. • Querkräfte: Keine. • Normalkräfte: Zug maximal an den Auflagern, zum Scheitel hin stetig abnehmend.

2. Kraft leiten

411

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ax

+

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73 Fall 7.1.10 Seil.

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412

7.2

V Funktionen

Zusammengesetzte stabförmige Bauteile

7.2.1 Zweigelenkrahmen unter Streckenlast

☞  74 • Tragelement: zusammengesetzter Rahmen aus drei geraden stabförmigen Bauteilen über eine Stützweite L, mit Höhe H: Zwei Stiele, ein Riegel, biegesteif miteinander verbunden. Statisches System in der Ebene yz betrachtet. • Äußere Belastung: Streckenlast q über die Stützweite L verteilt, quer zu dieser wirkend. • Lagerung: auf beiden Seiten zweiwertig (Gelenke). Es treten systembedingt Querkräfte in den Stielen und somit nach außen gerichtete Schübe entlang L an beiden Auflagern auf, die durch entsprechende Reaktionen zu neutralisieren sind. Insgesamt vier Bindungen (2 + 2), also statisch einfach unbestimmt gelagert. • Verformung: parabolische Biegelinie 3. Grades an beiden Stielen: Verkrümmung nach außen als Folge der Verformung des Riegels, die den Stiel an der steifen Ecke oben nach außen drückt. Unten freie Verdrehung des Stiels am Gelenk, jedoch Festhalten gegen Verschiebung nach außen – Aufbau eines Schubs entlang Stützweite L wie oben beschrieben. Verformung des Riegels im mittleren Bereich gemäß nach unten bauchender Parabel (4. Grades) mit Scheitel in der Feldmitte. Zu den beiden Ecken hin Änderung der Verformung gemäß nach oben konkaver Biegelinie infolge negativer Momentenbeanspruchung. Der Wechsel findet an den Wendepunkten W1 und W2 statt, die identisch mit den Momentennullpunkten sind. • Biegemomente: jeweils unterschiedliche Momentenverteilung an Riegel und Stielen:

+ Abschn. 7.1.1 Einfeldträger unter Streckenlast, S. 394

•• Riegel: Verteilung der Biegemomente gemäß – hier symmetrisch hochgehängter – quadratischer Parabel, die identisch mit der Momentenkurve eines Referenzträgers (Einfeldträgers) mit gleicher Belastung und Stützweite L ist ( +). Die Lage des oberen Endes der Parabel ist durch die Größe des negativen Stützmoments (Mmax -) vorgegeben. Das dem Referenzträger zugehörige maximale Feldmoment ist hier als Referenzmoment Mref in der Mitte des Stützfeldes L wiederzufinden. Abhängig vom Verhältnis L/H variiert im Bereich der Feldmitte das positive Moment. An den Schnittpunkten der Parabel mit der Systemachse befinden sich dann zwei Momentennullpunkte. Ihre Lage ist identisch mit den Wendepunkten W1/2 . Zu den Ecken hin entstehen Bereiche mit negativem Moment, das bis zum Wert Mmax - an der Ecke anwächst.

2. Kraft leiten

•• Stiele: jeweils geradliniger negativer Momentenverlauf, bei Null an den gelenkigen Auflagern beginnend und bis auf den Wert Mmax - anwachsend. Die Momente an den Enden von Riegel und Stiel, also an der steifen Ecke, sind identisch. • Querkräfte: Unterschiedliche Verteilung in Riegel und Stielen: •• Riegel: Lineare Verteilung mit gleichen Maxima Qmax über den beiden Ecken. Nullpunkt in der Mitte des Riegels. •• Stiele: konstante Verteilung der Querkräfte über die gesamte Stiellänge. • Normalkräfte: Konstante Verteilung von Druckkräften N- über Riegel und Stiele.

413

414

V Funktionen ax m QII

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74 Fall 7.2.1 Zweigelenkrahmen unter Streckenlast.

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2. Kraft leiten

415

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416

V Funktionen

7.2.2 Dreigelenkrahmen unter Streckenlast

☞  75 • Tragelement: zusammengesetzter Rahmen aus zwei Rahmenhälften, die in Feldmitte an einem Gelenk zusammenstoßen. Er spannt über eine Stützweite L, mit Höhe H. Stiele und Riegelhälften jeweils biegesteif miteinander verbunden. Statisches System in der Ebene yz betrachtet. • Äußere Belastung: Streckenlast q über die Stützweite L verteilt, quer zu dieser wirkend. • Lagerung: auf beiden Seiten zweiwertig (Gelenke). Es treten systembedingt Querkräfte in den Stielen und somit nach außen gerichtete Schübe entlang L an beiden Auflagern auf, die durch entsprechende Reaktionen zu neutralisieren sind. Ein Gelenk in Riegelmitte. Insgesamt vier Bindungen abzüglich des Riegelgelenks (2 + 2 - 1 = 3), also statisch bestimmt gelagert. • Verformung: Parabolische Biegelinie 3. Grades an beiden Stielen: Verdrehung nach außen durch die Verformung des Riegels, die den Stiel an der steifen Ecke nach außen drückt. Unten freie Verdrehung des Stiels am Gelenk, jedoch Festhalten gegen Verschiebung nach außen – Aufbau eines Schubs entlang Stützweite L wie oben beschrieben. Verformung der Riegelhälften infolge negativer Momentenbeanspruchung gemäß nach oben bauchender Parabel (4. Grades) mit Scheitel in der Ecke. Knickpunkt in der Biegelinie am Riegelgelenk. • Biegemomente: jeweils unterschiedliche Momentenverteilung an Riegel und Stielen:

+ Abschn. 7.1.1 Einfeldträger unter Streckenlast, S. 394

•• Riegel: Verteilung der Biegemomente gemäß – hier symmetrisch hochgehängter – quadratischer Parabel, die identisch mit der Momentenkurve eines Referenzträgers (Einfeldträger) mit gleicher Belastung und Stützweite L ist ( +). Die Parabel hat den Scheitel im Riegelgelenkpunkt. Dort tangiert sie die Stabachse, dort sind die Biegemomente naturgemäß gleich Null. Das dem Referenzträger zugehörige maximale Feldmoment ist hier als Referenzmoment Mref in der Mitte des Stützfeldes L wiederzufinden. Mref ist in diesem Fall gleich Mmax -. Zu den Ecken hin entstehen Bereiche mit starkem negativen Moment, das bis zum Wert Mmax - an der Ecke anwächst. •• Stiele: jeweils geradliniger negativer Momentenverlauf, bei Null an den gelenkigen Auflagern beginnend und bis auf den Wert Mmax - anwachsend. Die Momente an den Enden von Riegel und Stiel, also an der steifen Ecke, sind identisch.

2. Kraft leiten

• Querkräfte: Unterschiedliche Verteilung in Riegel und Stielen: •• Riegel: Lineare Verteilung mit gleichen Maxima Qmax über den beiden Ecken. Nullpunkt in der Mitte des Riegels. •• Stiele: konstante Verteilung der Querkräfte über die gesamte Stiellänge. • Normalkräfte: Konstante Verteilung von Druckkräften N- über Riegel und Stiele.

417

418

V Funktionen

m QII

QII

ax

m

QII

ax

=0

ax

m

Q_

ax

m

Q_

Q_

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N

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75: Fall 7.2.2 Dreigelenkrahmen unter Streckenlast.

alk

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2. Kraft leiten

419

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ef Mr

ef Mr ax

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2

un

L/ m te ys S s

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2

L/

L

420

7.3

V Funktionen

Flächige ebene Bauteile

7.3.1 Einseitig linear eingespanntes Element (Scheibe) unter Streckenlast rechtwinklig zum Lager

☞  76 • Tragelement: ebenes Flächenelement mit Breite L und Höhe H • Äußere Belastung: Streckenlast q in Scheibenebene, orthogonal zum Lager hin ausgerichtet. • Lagerung: Lagerung linear dreiwertig (Einspannung) an einem Elementrand, • Verformung: proportionale Stauchung des Elements um das Maß d in Kraftrichtung (zusätzlich zugehörige Querdehnung). • Normalkräfte: Druck N- konstant über Querschnitt und Elementhöhe verteilt. • Biegemomente: keine sofern Kraftangriff exakt axial • Querkräfte: keine sofern Kraftangriff exakt axial

N-

d

q

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m te

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z

76 Fall 7.3.1 Einseitig linear eingespannte Scheibe unter Streckenlast rechtwinklig zum Lager.

y x

at

St

L

2. Kraft leiten

421

☞  77 • Tragelement: ebenes Flächenelement mit Breite L und Höhe H

7.3.2 Einseitig linear eingespanntes Element (Scheibe) unter Eigenlast rechtwinklig zum Lager

• Äußere Belastung: Flächenlast a in Scheibenebene, orthogonal zum Lager hin ausgerichtet. • Lagerung: Lagerung linear dreiwertig (Einspannung) an einem Elementrand, • Verformung: proportionale Stauchung des Elements um das Maß d in Kraftrichtung (zusätzlich zugehörige Querdehnung). • Normalkräfte: Druck N- linear entlang der Elementhöhe anwachsend. Maximum an der Lagerung. • Biegemomente: keine sofern Kraftangriff exakt axial • Querkräfte: keine sofern Kraftangriff exakt axial

d

Na

H

H

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L

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at

St

77 Fall 7.3.2 Einseitig linear eingespannte Scheibe unter Eigenlast rechtwinklig zum Lager.

422

7.3.3 Einseitig linear eingespanntes Element (Scheibe) unter Streckenlast parallel zum Lager

V Funktionen

☞  78 • Tragelement: ebenes Flächenelement mit Breite L und Höhe H • Äußere Belastung: Streckenlast q in Scheibenebene, parallel zum Lager wirkend. • Lagerung: Lagerung linear vierwertig (Einspannung) an einem Elementrand, • Verformung: Verbiegung bzw. trapezförmige Verformung (Verzerrung) des Elements. • Normalkräfte: Es treten randnahe Normalkräfte N entlang y auf: an der lastzugewandten Seite Zug N(+), an der lastabgewandten Seite Druck N(-). • Biegemomente: Die randnahen Normalkräfte können als Folge einer Scheibenbiegung (ähnlich einem Kragarm) aufgefasst werden. • Querkräfte: Der Scheibenschub resultiert aus den drehenden Hauptspannungen, bei dieser Betrachtung im yz-System.

2. Kraft leiten

423

e äft

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Qu

e äft

kr er

q

Qu

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78 Fall 7.3.3 Einseitig linear eingespanntes Element (Scheibe) unter Streckenlast parallel zum Lager.

424

V Funktionen

7.3.4 Einseitig linear eingespanntes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast

☞  79 • Tragelement: ebenes Flächenelement mit Breite L und Höhe H • Äußere Belastung: Flächenlast a orthogonal zur Elementebene. • Lagerung: Linear dreiwertig (Einspannung) an einem Rand. • Verformung: Verbiegung des Elements senkrecht zur Elementebene mit maximaler Auslenkung d. Parabolische Biegelinie 4. Grades mit Scheitel im Lager. • Normalkräfte: Keine

+ Abschn. 7.3.6 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast, S. 428

• Biegemomente: quadratisch parabolischer Verlauf mit Maximum Mmax an der Lagerung und Nullpunkt (Scheitel der Momentenparabel) am gegenüberliegenden Rand. Die Momentenparabel entspricht derjenigen eines Referenzsystems aus einer zweiseitig linear randgelagerten Platte mit identischer Last und doppelter Spannweite H ( +). • Querkräfte: Zum Lager hin linear ansteigende Verteilung. Nullpunkt am freien Rand, Maximum Q max an der Randeinspannung.

2. Kraft leiten

425

I

I fte

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St

79 Fall 7.3.4 Einseitig linear eingespanntes Element unter orthogonaler Flächenlast.

s Sy es

L

426

V Funktionen

7.3.5 Mittig linear eingespanntes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast

☞  80 • Tragelement: ebenes Flächenelement mit Breite L und Höhe H • Äußere Belastung: Flächenlast a orthogonal zur Scheibenebene. • Lagerung: Lagerung linear dreiwertig (Einspannung) in der Plattenmitte, • Verformung: Verbiegung des Elements senkrecht zur Elementebene mit maximaler Auslenkung d. Parabolische Biegelinie 4. Grades mit Scheitel im Lager. • Normalkräfte: Keine

+ Abschn. 7.3.6 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast, S. 428

• Biegemomente: Parabolischer Verlauf mit Maximum Mmaxüber der Lagerung (Einspannung) und Nullpunkt – Scheitel der Momentenparabel – an den freien Rändern. Die Momentenparabel entspricht derjenigen eines Referenzsystems aus einer zweiseitig linear randgelagerten Platte mit identischer Last und Spannweite H ( +). • Querkräfte: Linear zum Lager hin ansteigende Verteilung. Nullpunkt an den freien Rändern, Maximum Qmax an der mittleren Einspannung.

2. Kraft leiten

427

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2

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80 Fall 7.3.5 Mittig linear eingespanntes Element unter orthogonaler Flächenlast.

L

428

V Funktionen

7.3.6 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast

☞  81 • Tragelement: ebenes Flächenelement mit Breite L und Höhe H • Äußere Belast.: Flächenlast a orthogonal zur Elementebene. • Lagerung: Linear jeweils zweiwertig (Gelenk) und einwertig (Gleitlager) an zwei entgegengesetzten Elementrändern. • Verformung: Verbiegung des Elements senkrecht zur Elementebene mit maximaler Auslenkung d. Parabolische Biegelinie 4. Grades mit Scheitel in Feldmitte. • Normalkräfte: Keine • Biegemomente: quadratisch parabolischer Verlauf mit Maximum Mmax+ in der Feldmitte (Parabelscheitel) und Nullpunkt an den Lagern. Die Momentenparabel mit dem zugehörigen maximalen Moment Mmax = Mref ist diejenige, die bei anderen Lastfällen (ggf. mit veränderter Spannweite) als Referenz herangezogen wird.

+ Abschnitte 7.3.4, S. 424, 7.3.5, S. 426, 7.3.7, S. 430

• Querkräfte: Linear zum Lager hin ansteigende Verteilung. Nullpunkt in der Feldmitte, am gleichen Punkt wie das Momentenmaximum Mmax+. Querkraftmaximum Qmax an den beiden Lagern.

2. Kraft leiten

429

Q

IIm

ax

I

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II =

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81 Fall 7.3.6 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element unter orthogonaler Flächenlast.

L

430

V Funktionen

7.3.7 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen

☞  82 • Tragelement: ebenes Flächenelement mit Breite L und Höhe H • Äußere Belastung: Flächenlast a orthogonal zur Elementebene. • Lagerung: Lagerung linear jeweils zweiwertig (Gelenk) und einwertig (Gleitlager) parallel zu zwei gegenüberliegenden Elementrändern und eingerückt um das Maß HK (Auskragung) gegenüber diesen. Es entsteht ein Feldbereich (HF ) und zwei Auskragungen (HK ). • Verformung: Verbiegung des Elements senkrecht zur Elementfläche. Parabolische Biegelinie 4. Grades mit Scheitel in Feldmitte bis zu beiden Wendepunkten W1/2. Ab dort umgekehrte parabolische Biegelinie bis zu freien Rändern. Maximaler Stich f in Feldmitte, maximale Auslenkung d an den freien Rändern. • Normalkräfte: Keine • Biegemomente: Parabolischer Verlauf in drei Abschnitten:

+ Abschn. 7.3.6 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast, S. 428

+ Abschn. 7.3.6 wie oben

•• symmetrischer quadratischer Parabelabschnitt mit positivem Maximum M max+ in der Feldmitte – Scheitel der Parabel – und Nullpunkte in den Wendepunkten W1/2 . Die Momentenparabel mit dem zugehörigen maximalen Moment Mref F entspricht derjenigen eines Referenzsystems aus einer zweiseitig linear randgelagerten Platte mit identischer Last und Spannweite HF ( +). Diese Parabel ist um den Wert der negativen Stützmomente Mmax - hochgehängt. •• zwei asymmetrische quadratische Parabelabschnitte über den Kragbereichen. Der Scheitel ist identisch mit den Momentennullpunkten an den freien Rändern. Der Parabelverlauf entspricht demjenigen eines Referenzsystems aus einer zweiseitig linear randgelagerten Platte mit identischer Last und Spannweite 2HK ( +). Das Referenzmoment Mref K ist hier identisch mit dem negativen Stützmoment Mmax -. Es entstehen folglich zwei äußere Abschnitte mit negativem und ein innerer Feldbereich mit positivem Moment. Zwischen diesen liegen zwei Momentennullpunkte, die identisch sind mit den Wendepunkten W1/2. • Querkräfte: Linear zu den Lagern hin ansteigende Verteilung. Nullpunkt in der Feldmitte, am gleichen Punkt wie das Momentenmaximum Mmax+. Querkraftmaximum Qmax an den beiden Lagern.

2. Kraft leiten

431

Q IIm

ax

I

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Q IIm

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82 Fall 7.3.7 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen.

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(M re fF )

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0

ax

Q_ m

ä kr er

L

432

V Funktionen

7.3.8 Vierseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast

☞  83 • Tragelement: ebenes Flächenelement mit Breite L und Höhe H, in diesem Fall H = L angenommen. • Äußere Belastung: Flächenlast orthogonal zur Elementebene. • Lagerung: Randlagerung linear gelenkig. Platte an einem Punkt festgehalten, ansonsten in Richtungen y und z frei gleitend gelagert. Verdrehung in Ebene yz verhindert.

☞ Band 2, Kap. VIII-2, Abschn. 3.1.1 Platte zweiachsig gespannt, linear gelagert, S. 286

• Verformung: Verbiegung des Elements senkrecht zur Elementfläche. Parabolische Biegelinie 4. Grades mit Scheitel in Feldmitte, dort maximaler Stich f. Zu den aufgelegten Rändern hin auf Null auslaufend. Hochheben der vier Ecken um das Maß d infolge Effekts wie in Kap. VIII Primärtragwerke ( ☞) beschrieben. • Normalkräfte: Keine

✏ Beanspruchungen werden im Folgenden stets in der Ausrichtung des betrachteten Schnitts untersucht. Dies ist zum richtigen Verständnis der Tragwirkung immer sorgfältig zu berücksichtigen

☞ Abschn. 7.3.6 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast, S. 428

• Biegemomente: Längs- und Querbiegung (zweiachsige Biegung) entlang der beiden Hauptrichtungen (A-A und B-B) (✏). Jeweils quadratisch parabolischer Momentenverlauf in allen Schnittebenen parallel zu den zwei Hauptachsen. In den mittleren Schnitten A-A und B-B größte Krümmung, größter Stich und größtes Biegemoment mit gemeinsamem Wert Mmax + in Elementmitte jeweils in beiden Spannrichtungen. Dieser Wert ist unter den angenommenen Bedingungen gleich der Hälfte des Moments bei einachsiger Biegung des nur zweiseitig aufgelagerten Elements ( ☞). Dieses ist als Vergleichsmoment Mref in einem Referenzsystem dargestellt. Zu den Rändern hin im Wesentlichen sich stetig verflachende Parabeln, dort Momente gleich Null.5 • Querkräfte: In jeder Hauptspannrichtung A-A und B-B zu den Lagern hin linear ansteigende Verteilung mit jeweils wechselndem Vorzeichen. Nullpunkt in der Feldmitte, am gleichen Punkt wie das Momentenmaximum Mmax +. Querkraftmaximum Q max an den vier Lagern mit parabolischem Verlauf von der Randmitte (dort Querkraftmaximum Qmax) bis zu den Ecken (dort Q = 0).

7.3.9 Vierseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen

☞  84 • Tragelement: ebenes Flächenelement mit Breite L und Höhe H, in diesem Fall H = L angenommen. • Äußere Belastung: Flächenlast orthogonal zur Elementebene. • Lagerung: Lagerung linear. Platte an einem Punkt festgehalten, ansonsten in Richtungen y und z frei gleitend gelagert. Verdrehung in Ebene yz verhindert. Lagerung an allen vier Elementrändern, um das Maß LK bzw. HK (Auskragung) eingerückt.

2. Kraft leiten

433

• Verformung: Verbiegung des Elements senkrecht zur Elementfläche: •• Ränder: sehr flache, fast gerade Biegelinie im mitteren Abschnitt, sich stark zu den Ecken hin krümmend. Dort maximale Verformung d. •• Mittelschnitte A-A, B-B: Parabolische Biegelinie 4. Grades analog zu Fall 7.3.7, jedoch infolge zweiachsiger Lastabtragung deutlich flacher. Kombination von konkaver und konvexer Krümmung mit Wendepunkten W1 bis W4, identisch mit den Momentennullpunkten. • Normalkräfte: Keine • Biegemomente: Längs- und Querbiegung (zweiachsige Biegung) entlang der beiden Hauptrichtungen (y und z). Jeweils quadratisch parabolischer Momentenverlauf in allen Schnittebenen parallel zu den zwei Hauptachsen analog zum Fall 7.3.7, jedoch infolge zweiachsiger Lastabtragung deutlich kleinere Biegemomente. Der Verlauf der Momentenparabel weist einen halb so großen Stich wie die Vergleichsparabel auf (Mref ). In den mittleren Schnitten A-A und B-B größte Biegung mit positivem Wert Mmax + in Elementmitte und negativem Mmax - über den Auflagern. Zu den Rändern hin sich stetig verflachende Parabeln, dort Momente gleich Null.

☞ Abschn. 7.3.7 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen, S. 430

• Querkräfte: In jeder Hauptspannrichtung A-A und B-B zu den Lagern hin linear ansteigende Verteilung mit jeweils wechselndem Vorzeichen. Nullpunkt in der Feldmitte, am gleichen Punkt wie das Momentenmaximum Mmax +. Querkraftmaximum Qmax an den vier Lagern mit geradliniger, zum Rand hin auf 0 zulaufender Verteilung (dort also Q = 0). ☞  85 • Tragelement: ebenes Flächenelement mit Breite L und Höhe H, in diesem Fall H = L angenommen. • Äußere Belastung: Flächenlast orthogonal zur Elementebene. • Lagerung: Lagerung punktuell an allen vier Elementecken. Platte an einem Punkt festgehalten, ansonsten in Richtungen y und z frei gleitend gelagert. Verdrehung in Ebene yz verhindert. • Verformung: Verbiegung des Elements in zwei diagonalen Haupttragrichtungen C-C und D-D betrachtet. Zwei parabelförmige Biegelinien 4. Grades mit Scheitel in Elementmitte. Dort größter Stich f. Elementränder ebenfalls gemäß Parabeln verformt, jedoch flacher.

7.3.10 Vierseitig gelenkig punktuell gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast

434

V Funktionen

• Normalkräfte: Keine

✏ Es werden zum besseren Verständnis des Tragverhaltens auch die randparallelen Schnittrichtungen A-A und B-B dargestellt. Es handelt sich bei der diagonalen und randparallelen Schnittführung um alternative Betrachtungsweisen, die sich gegenseitig ausschließen. Dies kommt in den Übersichten durch die grafische Kennzeichnung der randparallelen Schnitte (graue Schrift, gestrichelte Kontur) zum Ausdruck. Gleiches gilt für die Fälle 7.3.11 und 7.3.12 ☞ Abschn. 7.3.6 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast, S. 428

7.3.11 Vierseitig gelenkig punktuell gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen

• Biegemomente: Größte Längs- und Querbiegung (zweiachsige Biegung) entlang der beiden diagonalen Hauptrichtungen C-C und D-D (✏). Jeweils quadratisch parabolischer Momentenverlauf in den diagonalen Schnittebenen analog zum Fall 7.3.6, jedoch bezogen auf die größere diagonale Stützweite D = 21/2 * H. Infolge zweiachsiger Lastabtragung deutlich kleinere Biegemomente als dort. Die Momentenparabel weist einen halb so großen Stich wie die Referenzkurve (Mref) des einachsig spannenden Systems ( ☞) auf. Größte Biegung mit positivem Wert Mmax + in Elementmitte jeweils für die beiden betrachteten diagonalen Spannrichtungen C-C und D-D. An den Elementrändern ebenfalls parabolischer Momentenverlauf mit Scheitel in der Randmitte (Punkte A und B), jedoch kleinerer Maximalwert als in Elementmitte. • Querkräfte: Zu den punktuellen Lagern hin linear mit jeweils wechselndem Vorzeichen ansteigende Verteilung. Nullwerte entlang zweier sich in Elementmitte schneidender Geraden, dort wo auch die Momentenmaxima auftreten. Querkraftmaximum Qmax an den vier punktuellen Lagern mit geradlinig abnehmenden Verlauf zur Element- und den Randmitten A und B (dort Q=0). ☞  86 • Tragelement: ebenes Flächenelement mit Breite L und Höhe H, in diesem Fall H = L angenommen. • Äußere Belastung: Flächenlast orthogonal zur Elementebene. • Lagerung: Jeweils in vier Punkten, in den zwei diagonalen Hauptrichtungen von der Elementecke aus jeweils um das Maß DK = (HK 2 + LK 2)1/2 – Auskragung diagonal gemessen – eingerückt. Platte an einem Punkt festgehalten, ansonsten in Richtungen y und z frei gleitend gelagert. Verdrehung in Ebene yz verhindert.

☞ Abschn. 7.3.7 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen, S. 430 ✏ hier der besseren Übersichtlichkeit wegen nur am Schnitt D-D dargestellt

• Verformung: Verbiegung des Elements in zwei diagonalen Haupttragrichtungen C-C und D-D sowie auch in randparallelen Schnitten jeweils gemäß konkav/konvexen Parabelabschnitten 4. Grades mit Wendepunkten analog zu Fall 7.3.7. Wendepunkte (✏) identisch mit Momentennullpunkten. Größte Verformung e in Elementmitte bzw. am Rand (f) oder an den Ecken (d) je nach Verhältnis zwischen L und LK . • Normalkräfte: Keine

DF,K = 21/2 · HF,K

• Biegemomente: Größte Längs- und Querbiegung (zweiachsig) entlang der beiden diagonalen Hauptrichtungen C-C und D-D. Da sich hier die Spannweite im Vergleich zu Fall 7.3.9 auf DF,K vergrößert, treten entsprechend größere Biegemomente als dort

2. Kraft leiten

auf. Jeweils quadratisch parabolischer Momentenverlauf in den diagonalen Schnittebenen analog zum Fall 7.3.7, jedoch infolge zweiachsiger Lastabtragung deutlich kleinere Biegemomente als bei einachsiger. Wiederum ist der Stich der Momentenparabel halb so groß wie der des Vergleichssystems des einachsig spannenden Elements (7.3.7) (Mref ). Größte positive Biegung mit Wert Mmax + in Elementmitte. Größte negative Biegung mit maximalem Wert Mmax - über den punktuellen Auflagern.

435

☞ Abschn. 7.3.9 Vierseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragung, S. 432 ☞ Abschn. 7.3.7 Zweiseitig gelenkig linear gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen, S. 430

• Querkräfte: In den diagonalen Hauptspannrichtungen C-C und D-D zu den punktuellen Lagern hin linear mit jeweils wechselndem Vorzeichen ansteigende Verteilung. Nullwerte entlang zweier sich in Elementmitte schneidender Geraden, dort wo auch die Momentenmaxima auftreten. Querkraftmaximum Qmax an den vier punktuellen Lagern mit geradlinig abnehmenden Verlauf zur Element- und den Randmitten A und B (dort Q = 0). ☞  87 • Tragelement: ebenes Flächenelement mit Breite L und Höhe H, in diesem Fall H = L angenommen. • Äußere Belastung: Flächenlast orthogonal zur Elementebene. • Lagerung: Lagerung punktuell sechswertig (Einspannung) im Mittelpunkt der Elementfläche. • Verformung: Verbiegung des Elements in Diagonalrichtungen C-C und D-D bzw. in randparallelen Schnitten wie A-A und B-B gemäß Parabeln 4. Grades mit Scheitelpunkt in Elementmitte. Größte Auslenkung d in den Ecken. • Normalkräfte: Keine • Biegemomente: Größte negative Längs- und Querbiegung (zweiachsige Biegung) entlang der beiden diagonalen Hauptrichtungen C-C und D-D. Jeweils Momentenverlauf in den diagonalen Schnittebenen und randparallelen Schnitten (wie A-A und B-B) gemäß quadratischer Parabeln mit Scheitelpunkten (= Momentennullpunkten) an den Elementrändern. Größte Biegung negativ mit Wert Mmax - in Elementmitte. Die dem halben Diagonalmaß D zugeordneten Parabelabschnitte ergeben sich aus einer Vergleichskurve, die dem Momentenverlauf eines gedachten einachsig spannenden Systems mit Stützweite D entspricht (Mref D), jedoch mit halbiertem Stich (= Mmax -). • Querkräfte: In den beiden Hauptspannrichtungen zum mittleren Lager hin linear mit jeweils wechselndem Vorzeichen ansteigende Verteilung. Nullwerte jeweils an den Randlinien. Querkraftmaximum Qmax am punktuellen Lager.

7.3.12 Mittig punktuell eingespanntes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast

436

V Funktionen

Q

IIm

ax

Q

B

D

II

CCD =

0

A Q

Q_

II =

ax

Q_

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ax

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m

D

A

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B

=0

D

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Qu

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83 Fall 7.3.8 Vierseitig gelenkig linear gelagertes Element unter orthogonaler Flächenlast.

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D

B

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x

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B

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B

A

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B

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Q_

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B-

B =0 C

CD

CD

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A

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A

Q

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Q

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B

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A m

B

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2. Kraft leiten

2

L/ L

437

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L/ = ax f MmMre 2 1/ f e Mr

I

I fte rä

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2

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B

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d

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B

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a St

L

=L

438

V Funktionen

Q

IIm

ax

D

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Q

II

B

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A Q

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m

ax Q_

Q_ m

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B Q_

C

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A

B Q_

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Q_ A

C

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D

C-

A A-

Q_ Q_

m

ax

Q

A

II =

0

IIm

II

B-

B

A

ax

Q

Q D

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IIm

B

=0

A Q_

ax

D

CD

Q

0 C

IIm

B

B

II =

A Q

B-

D

CD

A

=0

ax

C

I

eI äft

kr er Qu

B

m

Q

ax

=0

D Q

D

C-

A Am

ax

m

ax

=0

e_ äft

kr er

Qu

z y x

84 Fall 7.3.9 Vierseitig gelenkig linear gelagertes Element unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen.

ax

Q IIm

II =

ax

IIm

0

m te ys A zs tt An i e fer hn Re Sc

2. Kraft leiten

439

HK HK

K ef

r 2M

1/

LK LK

L LF

2

1/

LK

LK

K ef Mr

F ef Mr refF M B /2

M m

M m ax ax

M CD

A M

+

m

-

A

M

M m

ax

ax

-

HF

2

1/

F

ef

HK

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HK

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2 M fK e 1/ Mr =0

B-

-

B

M m

B

M

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A

B D D

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m

C

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M

m

ax

m

e A Aom m e eg Bi

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ax

-

ax

+

ax

-

B A HK W3

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d

W2

A

+

d

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d

M m M

ax

m

B M

=L m te ys zs n e -B fer t B Re nit h Sc

ef Mr

D

D C=0

H

F

K ef Mr

1

K

ef

Mr

HF a HK

B d un

g

rm rfo Ve

LK LF

s

he isc at St tem s Sy

LK

L

H

=L

440

V Funktionen

Q

IIm

ax D

Q_

in ng ilu -C te ng C r e ftv htu kra ic C er er R u r e Qentä h c m Q ei Gl ple IIm m ax ko

m

Q

IIm

II =

ax D

Q_

Q

ax

Q

0

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C

ax

ax

D

C Q_ Q_

Q A

C

IIm

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B

D

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Q

D

0

C

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ax

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D

C

0

B

B-

Q =0

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D

0

B

B

C-

II =

Q_ A

Q

II =

=0 D

C-

C

0

A A-

D B

Q_

C

A m

Q_

ax

Q_

=0

B D

=0

D

C-

Q_

=0

A A-

e_ äft

kr er

D

D-

Qu

z y x

85 Fall 7.3.10 Vierseitig gelenkig punktuell gelagertes Element unter orthogonaler Flächenlast.

B-

in ng ilu -C te g C r e n nv tu te ch en r Ri m e r o M ntä he e eic plem l G m ko

2. Kraft leiten

441

M re f

D 1/

2M = M ref D m ax +

D

im D-D em tt st hni y zs Sc en n fer nale e R go a di

C D

D-

D C

I eI äft

kr er

D

D

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D

C-

D C ax

D +

B-

B

M m

ax

B

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+

A

C C

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A

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B

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D D

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H A A-

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te

en om m e ieg

B

g

un

rm rfo

Ve

m te

ys sS

e ch

tis

a St

L

=L

442

V Funktionen

Q Q

Q_

II =

ax

m

ax

B

B=0 C

ax

D

B

A

-D

D

0

A‘

A

Q

B‘

A‘

IIm

ax

0

D A A’ -A A‘

Q

D

=0

’ -A A‘

C

B B‘

Q

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0

C

B B‘

Q_

=0

IIm

ax e_ äft

r rk ue

Q

z y x

B‘

Q_

II =

A‘

A

A A-

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A‘

0

A‘ A‘

C D C-

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A‘

D

B‘

ax

II =

B‘

B

m

D

Q

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A

C C-

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A‘

B‘

IIm

D

IIm

ax

D

B‘

B

ax

Q

Q_

B

B‘

B-

0 C

Q

’

-B

Q

m

D

Q_

m

D

C-

C

C

Q_

IIm

ax

in ng ilu -C te ng C r e ftv htu kra ic er er R u r Q tä he en eic m Gl ple m ko

Q_

IIm

ax

D

86 Fall 7.3.11 Vierseitig gelenkig punktuell gelagertes Element unter orthogonaler Flächenlast mit Auskragungen.

in ng ilu -C te g C r e n nv tu te ch en r Ri omtäre M n he e eic lem Gl mp ko

0

2. Kraft leiten

443

1/ 2 = MM r m ef 2D ax - K

D

D-

Q

2M

ax

Q

II =

D K

M re fD F

1/

IIm

M re f2

re fD F

D

0

D

ax

M m

ax

D F

+

D

I

eI äft

kr er Qu M

D

DD D

=0 M m

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C M m

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B M

M m

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-

C

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B‘

B+

K

B’

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im D-D m te nitt s h y zs Sc en n fer nale e R go a di

K

Q

IIm

K

M m

ax

D

B‘

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A

C A‘

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+

A‘

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=0

-

-

d

A‘ f

A B‘

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C A A-

f HK

’ -A A‘

e

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H L HF =

f

D

C-

a

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HK D

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LK

g

un

rm rfo

LF

Ve

m te

ys sS

St

at

he isc

LK

L

444

V Funktionen

Q

IIm

ax

in ng ilu -C te ng C r e ftv htu kra ic er er R u r Q tä he en eic m Gl ple m ko

Q_

m

ax

D

C-

D B

C

BD B

C

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A

C D

C

B

B-

A

C

D

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B

B

C

D A

C

D

C-

A A-

D C

A

B D Q_

D

m C ax

A A-

D

D-

e_ äft

kr er

Qu

z y x

87 Fall 7.3.12 Mittig punktuell eingespanntes Element unter orthogonaler Flächenlast.

2. Kraft leiten

445

D/

2

Q

IIm

ax

D/

2

D

D-

D

I

I fte

Qu

ä kr er

D/

1/ 2 = MM r m ef D ax (-)

D

2 im D-D em tt st hni y zs Sc en n fer nale e R go a di

D

C-

B

C

ax

B-

(-)

D/

2

D

Mm

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B C

en omg in M n he ilu rer eic rte tä Gl nve en C-C m e g t ple un t m ko Rich

D

d

A

C

C

A d

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B

d

H

D M m

ax

D C-

D/

2

A A-

D d

D

D-

D/

2

te

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B

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L/

un

rm rfo

Ve

m te

ys sS

e ch

tis

a St

2

L/

L

a

2

H/

=L

446

8.

V Funktionen

Kritische Versagensmechanismen

✏ Mit diesem Warnkreuz werden im Folgenden kritische oder instabile Konstruktionen grafisch gekennzeichnet

Noch bevor die materialspezifischen Bruchspannungen eines unter Last befindlichen Bauteils erreicht werden, besteht unter Druckbeanspruchung auch bei wesentlich niedrigeren Lastwerten unter spezifischen Bedingungen die Gefahr des Knickens oder Beulens. Es ist bei der Gestaltung und Bemessung eines Bauteils unbedingt Sorge dafür zu tragen, dass dieser Fall nicht eintritt, da ein derartiger Mechanismus, einmal in Gang getreten, nicht mehr gestoppt werden kann und unweigerlich zum Versagen und zur Zerstörung des Bauteils führt. Entscheidend für die so genannte kritische Knicklast Fkrit, ab welcher mit einem Knicken des Bauteils zu rechnen ist, sind folgende Faktoren: • Die Steifigkeit des Materials: sie wird quantifiziert mittels des Elastizitätsmoduls E. Es liegt auf der Hand, dass je größer die Steifigkeit, desto größer auch der Widerstand des Bauteils gegen Knicken. • Der Widerstand des Querschnitts: quantifiziert durch das Flächenmoment 2. Ordnung I. Es leuchtet ein, dass je größer der Querschnittswiderstand gegen Biegung, desto größer auch der Widerstand gegen Knicken, das ja mit einer starken Biegeverformung seinen Anfang nimmt. • Die Lagerung des Bauteils: Diese beeinflusst die so genannte ideelle Knicklänge sk. Je größer diese Knicklänge, desto größer auch die Knickgefahr. Euler unterscheidet 4 Lagerungsfälle, denen jeweils ein spezifische Knicklänge sk zugeordnet ist: •• Fall 1: Einseitige Einspannung ( 88). Die ideelle Knicklänge ist gleich 2 L.



Eulersche Knickgleichung

Fkrit = f

EI sk2

Fkrit: kritische Knicklast f: Formfaktor E: Elastizitätsmodul (Steifigkeit des Werkstoffs) I: Flächenmoment 2. Grades (Steifigkeit des Querschnitts) E I: Biegesteifigkeit sk: ideelle Knicklänge

•• Fall 2: Zweiseitige gelenkige Lagerung ( 89). Die ideelle Knicklänge ist gleich L. •• Fall 3: Jeweils einseitige Einspannung und gelenkige Lagerung ( 90). Die ideelle Knicklänge ist gleich 0,7 L. •• Fall 4: zweiseitige Einspannung ( 91). Die ideelle Knicklänge ist gleich 1/2 L. Die Lagerung bzw. die ideelle Knicklänge s k ist hinsichtlich der Knickgefahr von den drei betrachteten der entscheidende Faktor, da sk in der 2. Potenz in die Eulersche Knickgleichung (✏ siehe Kasten links) eingeht. Ihr ist bei der Planung und Konstruktion eines unter Druckbeanspruchung befindlichen Bauteils besondere Aufmerksamkeit zu widmen.

2. Kraft leiten

447

t

t

Fkri

Fkri t

Fkri

t

Fkri

L

L L

L L s

K=

L

s

K=

2L

L z

z y

y

x

x

88 Euler-Fall 1. Ab der kritischen Knicklast weicht der nicht gehaltene Rand seitlich aus. Die ideelle Knicklänge beträgt 2 L. Die Knickgefahr ist unter den dargestellten Varianten bei dieser Lagerung am größten. Die maximale Ausbiegung findet stets in der Mitte von s K statt.

89 Euler-Fall 2. Unter übermäßiger Belastung weicht das Bauteil durch seitliche Biegeverformung der Beanspruchung aus. Der belastete Rand verlagert sich parallel zur Bauteilebene in Richtung z. Die ideelle Knicklänge beträgt L. t

t

Fkri

Fkri

t

Fkri

t

Fkri

L

L s

K=

0,7

L

L L

s

K=1 /

2L

z y x

90 Euler-Fall 3. Wie bei der vorigen Variante weicht das Bauteil am belasteten Rand parallel zur Bauteilebene yz aus. In diesem Randbereich verbiegt sich das Bauteil. Am biegesteif gehaltenen Rand kann sich das Bauteil hingegen nicht verdrehen oder verbiegen. Die ideelle Knicklänge beträgt hier 0,7 L.

z y x

91 Euler-Fall 4. Wegen der beiden biegesteifen Randlagerungen kann sich das Bauteil nur im mittleren Bereich verbiegen, um der übermäßigen Belastung auszuweichen. Der belastete Randbereich verlagert sich dabei parallel zur Bauteilebene. Die ideelle Knicklänge beträgt hier 1/2 L. Die Knickgefahr ist unter den dargestellten Varianten bei dieser Lagerung am geringsten.

448

9.

V Funktionen

Bauliche Umsetzung der Kraftleitungsfunktion im Element - Strukturprinzip des Bauteils

Bei der bisherigen Betrachtung ebener Flächenbauteile unter verschiedenartigen Krafteinflüssen wurde von einem abstrakten flächigen Element mit nicht weiter definierter Struktur ausgegangen. Die ideelle Variante eines flächigen Bauteils mit vollständig homogenem und isotropem Materialgefüge ist in der Baupraxis hingegen nur selten anzutreffen. Viel häufiger sind aus Einzelbestandteilen oder Einzelteilen in verschiedenen Varianten zusammengesetzte Elemente, die nach einem spezifischen konstruktiven Prinzip mit einer charakteristischen Art der Kraftleitung gefügt sind. Äußere Belastungen treffen auf das Bauteil auf und müssen entlang spezifischer Kraftpfade, die durch dessen strukturellen Aufbau vorgegeben sind, im Element zu den Auflagern geleitet werden. Es steht nunmehr nicht nur das Tragverhalten des Gesamtelements im Vordergrund der Betrachtung, sondern auch das seiner Einzelteile sowie ihr statisches Zusammenwirken . Die im Bauwesen üblichsten Prinzipien des Zusammenbaus eines Flächenelements sollen im Folgenden näher betrachtet werden:

Darstellungskonventionen:

• vollwandiges Element: in allen Richtungen (➝  x/➝  y/➝  z) fugenloses Materialgefüge ( 92)

Belastung oder Reaktion

• Element aus aneinander gelegten Stäben (ausgerichtet entlang ➝ y oder ➝ z,  93)

Schnittkraft

• Element aus Bausteinen: gemäß verschiedenen geometrischen Ordnungsmustern (Verbänden) zusammengesetzt ( 94).

Lagerung (alternativ zu Reaktionskraft) Bewegung

• Element aus einachsig gespannten Rippen: In Abständen verlegt, beidseitig – oder auch einseitig – beplankt ( 95). • Element aus zwei- oder mehrachsig gespannten Rippen: Rippenstruktur ein- oder beidseitig beplankt ( 96). • Element aus beplanktem Rahmen: zargenartiger Rahmen mit beidseitiger, frei spannender dünner Platte ( 97)



• Sandwichelement: homogener dehnweicher Kern mit beidseitiger äußerer Beschichtung oder Beplankung ( 98). • pneumatisch vorgespannte Membran (Pneu): infolge internem Gasdruck unter Zugspannung befindliches kissenartiges Element aus zwei dünnen Membranen ( 99). • mechanisch vorgespannte Membran: infolge mechanischer Stützung unter Zugspannung befindliche Membran ( 100).

2. Kraft leiten

449

92 Vollwandiges Element. 93 Element aus aneinander gelegten Stäben.

z y x

94 Element aus Bausteinen (hier exemplarisch die lotrecht verarbeitete Variante dargestellt).

95 Element aus einachsig gespannten Rippen. 96 Element aus zweiachsig gespannten Rippen.

97 Element aus beplanktem Rahmen. 98 Sandwichelement.

99 Pneumatisch gespannte Membran. 100 Mechanisch gespannte Membran.

450

9.1

V Funktionen

Vollwandiges Element

✏ wie oben in Abschn. 9 „Bauliche Umsetzung der Kraftleitungsfunktion im Element - Strukturprinzip des Bauteils“ betrachtet ☞ Abschn. 2.6 Spannungen, S. 378, und hier insbesondere die Schaubilder auf  41 und 43

Dem bisher angenommenen homogenen Flächenbauteil ( ✏) kommt die bauliche Realisierung als vollwandige Schale, die hinsichtlich der Kraftleitung entweder als Scheibe oder Platte wirken kann, am nächsten. Bei den bauüblichen Abmessungen von Hüllbauteilen kann ein solches Element kaum aus einem einzigen festen Werkstück gearbeitet werden, sondern ist zumeist aus einem gießbaren Werkstoff wie z.B. Beton, Lehm, etc. geformt. Vollwandige Schalen weisen im Hinblick auf die Kraftleitung grundsätzlich den wesentlichen Vorteil auf, die Last in ihrem kontinuierlichen Materialgefüge gleichmäßig zu verteilen. Beispiele hierfür sind die Scheibenwirkung sowie unter orthogonaler Belastung die Querverteilung von Lasten und die zweiachsige Tragwirkung. Für die im Hochbau primär auftretenden unidirektionalen Lasten sind sie unter Biegung jedoch eher ineffizient. Nachteilig erweist sich ihr im Allgemeinen hohes Eigengewicht und die ineffiziente Biegetragwirkung des homogenen Querschnitts (☞). Hier zeigen Sandwichelemente gemäß  98 Vorteile. Insbesondere bei größeren Spannweiten, wo das ansteigende Eigengewicht einer Platte ihre Tragfähigkeit gleichsam immer mehr aufzehrt, weisen Rippensysteme gemäß dem Schemaprinzip auf  95 Vorzüge auf. Vollwandige Schalen sind – abhängig vom verwendeten Material – infolge ihrer homogenen Struktur grundsätzlich in der Lage, vielfältige Beanspruchungen aufzunehmen, die im Folgenden näher beleuchtet werden sollen ( 101): • Druck: Das vollwandige Element tritt häufig als druckbeanspruchte Scheibe auf. Auch punktuelle und unregelmäßige Belastungen können in der Schale infolge ihres fugenlosen Aufbaus gut verteilt werden (gute Querverteilung). Die bauüblichen gießbaren Werkstoffe, die sich für die Herstellung vollwandiger Schalen am besten eignen, sind zumeist mineralisch und weisen von sich aus eine hohe Druckfestigkeit auf (wie Beton). Die Druckrichtungen ➝ y und ➝ z sind gleichwertig. • Zug: Wenngleich die gute Lastverteilung im Element auch für Zugkräfte einen Vorteil bedeutet, so haben doch die meisten gießbaren Werkstoffe, aus welchen vollwandige Elemente fast ausschließlich geformt werden können, eine nur geringe Zugfestigkeit. Diese sind folglich für Zugbeanspruchung bewehrt auszuführen. Beide Hauptzugrichtungen ➝ y und ➝ z sind aus den Gegebenheiten des vollwandigen Elements naturgemäß gleichwertig und lassen sich auch entsprechend bewehren. • Querkraft: Im Vergleich mit anderen konstruktiven Varianten, die im Folgenden näher betrachtet werden, bietet die homogene Struktur des vollwandigen Elements eine gleich bleibende gute Schubsteifigkeit in allen Richtungen (3.1 bis 3.6). Insbesondere bei einer Scheibenwirkung – wie bei einer aussteifenden Deckenscheibe, hier sind die Varianten 3.1 und 3.2 maßgeblich – ist diese Charakteristik von Bedeutung.

2. Kraft leiten

451

• Biegung: Biegebeanspruchung führt stets zu einer Kombination von Biegedruck- und Biegezugspannungen im Querschnitt. Insbesondere die Biegezugspannungen überfordern die mineralischen Werkstoffe, aus denen in den meisten Fällen die vollwandigen Elemente bestehen, und führen zu Rissen. Sofern jedoch eine entsprechende Bewehrung das Element zur Aufnahme von Zug ertüchtigt, kann das vollwandige Element Biegebeanspruchung aufnehmen. Im Einzelnen bedeutet dies, dass bei Scheibenbeanspruchung wie auf Bild 4.1 oder 4.2 insbesondere die gedehnten Ränder, wo die größte Zugbeanspruchung auftritt, entsprechend zu bewehren sind. In den Fällen 4.3 und 4.4 muss beispielsweise im Betonbau bei einer biegebeanspruchten Platte eine dicht an der Außenfläche angeordnete Bewehrung die Zugspannungen aufnehmen. Bedeutsam ist bei der Betrachtung der Biegebeanspruchung, dass die Platte in der Lage ist, beide Biegerichtungen – hier ➝ z wie bei 4.4 und ➝ y wie bei 4.3 – gleichzeitig aufzunehmen, d. h. also eine zweiachsige Biegung ( ☞) aufzunehmen. Bei geeigneter doppelt gerichteter Mattenbewehrung kann der Beton einer Platte als druckbeanspruchter Verbundbestandteil folglich zunächst einmal doppelt – weil in zwei Richtungen – ausgenutzt Druck

☞ Band 2, Kap. VIII-1, Abschn. 2.1 Einund zweiachsiger Lastabtrag, S. 156 ff

Zug

1.1

1.2

3.1

3.2

3.3

3.4

4.1

4.2

4.3

4.4

5.2

5.3

2.1

2.2

3.5

3.6

Querkraft

Biegung

Verdrillung

101 Beanspruchungen der vollwandigen Schale.

452

V Funktionen

☞ Abschn. 7. Elementare Bauteile und exemplarische Lastfälle - Verformungen und Beanspruchungen im Bauteil: Fall 7.3.8 und folgende, S. 432 ff

9.1.1 Vierseitig linear gelagerte Platte ☞ Band 2, Kap. VIII-2, Abschn. 3.1.1 Platte zweiachsig gespannt, linear gelagert, S. 286 ff ✏ Unterteilung beliebig angenommen, zur besseren Erkennbarkeit Plattenstreifen trotz Materialkontinuums auf Abstand dargestellt



werden. Ferner führt die zweiachsige Biegung zu einem geometrischen Verdrillungseffekt, der infolge einer entlastenden Biegedrillbeanspruchung die Biegebeanspruchung des Querschnitts reduziert. Dies soll im Folgenden deutlich gemacht werden: Eine zweiachsige Biegung zieht zwangsläufig eine Verdrillung der Platte wie auf den Bildern 5.2 und 5.3 ( ☞) nach sich. Verantwortlich für diese Verformung ist die Existenz von Biegeverformung in den zwei Hauptebenen xy und xz. Die Ursachen sollen im Folgenden zunächst anhand einer vierseitig linear gelagerten Platte etwas näher untersucht werden ( 83, Fall 7.3.8). Bei dem gezeigten Beispiel wird davon ausgegangen, dass die (ansonsten abhebenden) Eckbereiche ( ☞) am Lager festgehalten oder durch entsprechende Auflast niedergedrückt werden. Man denke sich die Platte aufgelöst in schub- und biegesteif miteinander verbundene Plattenstreifen in beiden Hauptrichtungen z (1 bis 7,  103 und 104), ) und y (1‘ bis 7‘) (✏). Es leuchtet ein, dass jeder einzelne Plattenstreifen (beispielsweise Streifen 2) nicht nur die Biegeverformung in seiner eigenen Biegeebene (also xz) erfährt, sondern von den ebenfalls sich – dann aber in Ebenen xy – verbiegenden kreuzenden Streifen (2‘ bis 6‘) quer zu seiner Längsachse verdreht, also verdrillt wird. Die stärkste Drillverformung des Streifens 2 erfolgt in Plattenmitte (hier Achse 4‘), da in den Ebenen xy betrachtet die kreuzenden Streifen (1‘ bis 7‘) sich vom Rand (1‘ und 7‘, keine Biegeverformung) bis zur Mitte (4‘, größte Biegeverformung) kontinuierlich stärker verbiegen. An den nicht unter Biegung befindlichen Rändern (1‘ und 7‘) wird der Streifen 2 in seiner Position festgehalten. Durch diese Behinderung der Drillverformung des Streifens 2 verdrillen sich die Randstreifen (also 1, 1‘, 7 und 7‘) ihrerseits am stärksten. Die Mittelstreifen (4 und 4‘) erfahren hingegen keine Verdrillung. Während in der Mitte des Streifens 2 – also am Kreuzungspunkt mit 4‘ – die Drillverformung maximal wird, ist ihre Behinderung an den anderen Rändern (1‘ und 7‘) am größten, was die Drillmomente zu den Rändern hin ansteigen lässt. Zweiachsig betrachtet erhöhen sich damit die Drillmomente zu den Ecken hin. Die in den Eckbereichen auftretenden Drillmomente sind verträglichkeitsbedingt und zeigen ein Drehen der Haupttragrichtung der Platte im Eckbereich an. Dies kommt einer Entlastung des gedachten Plattenstreifens gleich. Die Drillsteifigkeit des Materials – hier wiederum beispielsweise der Streifen 2 – erzeugt in den kreuzenden Streifen (2‘ bis 6‘) ein ihrer Biegebeanspruchung entlang xy entgegengesetztes kompensierendes Moment ( 105). Ein Gleiches verursachen bei den betrachteten Streifen 2‘ bis 6‘ alle anderen kreuzenden verdrillten Streifen 3, 5 und 6. Die drillsteife Platte ist durch ihre Ecklagerung im Vergleich zur drillweichen steifer und in ihrer Tragwirkung effizienter, was auch durch eine geänderte gedachte gelenkige Lagerung deutlich gemacht werden kann ( 102).

2. Kraft leiten

453

Analog zur linearen Lagerung ergeben sich auch bei punktueller Lagerung wie auf  106 Verdrillungen. Der Randstreifen (1, 1‘, 7 und 7‘) steht in diesem Fall naturgemäß ebenfalls unter Biegeverformung, da er nicht mehr wie bei der linearen Lagerung vollständig aufliegt. Bezogen auf seine Systemachse ist seine Verformung im Vergleich zu anderen Plattenstreifen am größten. Am geringsten verformen sich die mittleren Streifen. Der Randstreifen erfährt, wie bei linearer Lagerung auch, die stärkste Verdrehung. Diese führt jedoch zu einer deutlich geringeren Drillverformung, da die Randstreifen (z. B. 1) an ihren Enden nicht mehr durch die quer anschließenden Randstreifen 1‘ und 7‘ eine Drilleinspannung erfahren. Stattdessen verformen sich diese Randstreifen 1‘ und 7‘ ihrerseits infolge Biegung und erlauben ein seitliches Neigen der Endpunkte des Randstreifens 1, was seine Verdrehungsänderung und somit seine Drillverformung mindert. Keine Verdrillung erfahren jeweils die Mittelstreifen 4 und 4‘. Insgesamt ist bei punktgestützten Platten eine geringe Drillmomentenbeanspruchung festzustellen. Dies weist auf eine im Vergleich zur linear gelagerten geringe Änderung der Haupttragrichtung hin. Diese ist bei punktgelagerten Platten im Wesentlichen diagonal ausgerichtet (☞).

9.1.2 Punktuell gelagerte Platte

☞ Fall 7.3.10: Vierseitig gelenkig punktuell gelagertes Element (Platte) unter orthogonaler Flächenlast, S. 433

2 1‘ drillsteif drillweich

2‘ 3‘

4‘ 5‘ 6‘ 7‘ z x

102 Für eine gelenkig vierseitig linear randgelagerte Platte: Darstellung der effektiven gelenkigen Lagerung für eine drillweiche und eine drillsteife Platte. 103, 104 (auf den nächsten Seiten)

105 Schnitt durch die belastete Platte in  103 im Bereich des Streifens 2. Die Drillsteifigkeit der kreuzenden Plattenstreifen 1‘ bis 7‘ – sowie selbstverständlich auch der dazwischen liegenden Plattenabschnitte – erzeugt entlastende Drillmomente (also mit negativem Vorzeichen) auf den betrachteten Plattenstreifen 2 und mindert folglich seine Durchbiegung.

454

V Funktionen

103 Gedachte Unterteilung einer vierseitig linear gelagerten Platte (hier linke Hälfte dargestellt) in Plattenstreifen entlang den beiden Hauptrichtungen ➝  y und ➝  z. Auch wenn der Deutlichkeit halber getrennt dargestellt, sind die betrachteten Streifen infolge des Materialkontinuums an allen ihren Grenzflächen schub- und biegesteif mit dem angrenzenden Material verbunden. Die Drillverformung der Streifen wird an der Verlagerung der rückwärtigen Streifenkanten und Achsenkreuze (grau dargestellt) gegenüber den vorderen (schwarz gezeichnet) deutlich.

L 1 L

1‘

2‘

3‘

4‘

5‘

6’

L

7‘

z y

L

2

3

4

2. Kraft leiten

455

4 3 L

2

-z

1 L

-z

1‘

-z

-z +y -z

0 +y z -

-z +yz -

2‘

+y

3‘

+y-z

0 +y

+y

+z

+y

+z +y

4‘ +y

5‘

+y

6‘

+z y +

+z +z y +

+z +y

+z +z

+y +z

z

7‘

y x

L

Knotenachse nach Verformung

0

L

Referenzachse in Richtung x Symmetrieachsen L: Lagerachsen

104 Die charakteristische Drillverformung jedes einzelnen Plattenstreifens ist erkennbar an der Winkelabweichung der Knotenachse von der x-Achse als Referenz. Die Komponenten der Verdrehung sind jeweils nominell (y/z) bezeichnet. Der besseren Lesbarkeit halber sind komplette Plattenstreifen in z-Richtung grafisch hervorgehoben, quer dazu in yRichtung sind lediglich die Mittelschnitte der kreuzenden Streifen dargestellt. Die Platte ist dennoch als isotrop anzunehmen. Für die Plattenstreifen in z-Richtung ist die Winkelabweichung +/- y von der x-Achse das Maß der Drillverformung.

456

V Funktionen

106 Gedachte Unterteilung einer punktuell an den Ecken gelagerten Platte (hier linke Hälfte dargestellt) in Plattenstreifen entlang den beiden Hauptrichtungen ➝ y und ➝ z, analog zu  103.

L 1 L

1‘

2‘

3‘

4‘

5‘

6’

L

7‘

z

L y

2

3

4

2. Kraft leiten

457

107 Axonometrische Darstellung der Verformung bei der punktgelagerten Platte. Grafik wie in  104.

4 L

3

-z +yz -

2 +y z -

1 +y

1‘

L

2‘

+y-z -z

+y-z

3‘

-z

-z

+y-z +y -z +y -z

0

+y z -

+y +z

+y

4‘

+z y +

+y

+z +y +z y +

+z y +

5‘

+z

+z y +

+z +y

6‘

+z +y +z +y

7‘ z y x

L L

+z +y

+z

458

9.2

V Funktionen

Element aus gemäß y/z aneinandergelegten Stäben

☞ Kap. III-6, Abschn. 5. Allgemeine Eigenschaften, S. 177 ✏ wie beispielsweise Porenbeton-Wand- und -Deckenplatten

☞ Kap. III-5, Abschn. 4. Mechanische Eigenschaften, S. 166

☞ Abschn. Querkraft, weiter unten

✏ wie wenn man beispielsweise Hölzer seitlich aneinanderleimt, ☞ Dickholz in Band 2, Kap. IX-2, Abschn. 2.5 Moderne Massivholzbauweisen, S. 472 ff

Die Elementfläche wird in diesem Fall durch einfaches seitliches Stoßen oder Aneinanderlegen von stab- oder streifenförmigen Einzelteilen gebildet. Baupraktisch findet sich diese Variante insbesondere aus Materialien gefertigt, die vorzugsweise in Stabform verfügbar sind, also in erster Linie Holz. Stahl findet sich in dieser Strukturvariante nur sehr selten (vgl. Spundwand). Ein Aneinanderlegen stabförmiger Bauteile in Form herkömmlicher Walzprofile würde die Materialfestigkeit nicht ausnutzen und käme einer Materialverschwendung gleich ( ☞). Einzelne Beispiele aus mineralischen Werkstoffen (✏) folgen diesem Strukturprinzip. Hinsichtlich der Kraftleitung kann dieses konstruktive Prinzip wie folgt beschrieben werden: • Druck: Druckbelastung wird entweder axial im Stab selbst aufgenommen – Kraftrichtung parallel zu Stabausrichtung,  108 – oder über direkten Kontakt an der Stoßfläche zwischen Stäben – Kraftrichtung quer zu Stabausrichtung,  110. Wenngleich demnach beide Kraftrichtungen aufnehmbar sind, bleibt die Frage, wie die Druckkraft zum Stab ausgerichtet ist, dennoch von Bedeutung, wenn das verwendete Material anisotrop ist. Dies trifft bei Holz zu, denn Druckkräfte können entlang der Faser wesentlich besser aufgenommen werden als quer zu ihr ( ☞). Es ergibt sich im Fall auf  110 bei Ausführung in diesem Werkstoff folglich eine Querpressung des Holzes, die planerisch zu berücksichtigen ist. Ebenfalls bedeutsam bei stabparallelem Kraftangriff ist die fehlende Schubfestigkeit in dieser Richtung ( ☞), die bei nachgiebiger Lagerung dazu führen kann, dass einzelne Stäbe sich gegenüber den benachbarten verlagern ( 109); ein Beispiel aus der Praxis: unregelmäßige Setzungen entlang ➝ z bei unzureichender Gründung. Weniger anfällig gegen diese Gefahr ist bei entsprechender Stabsteifigkeit naturgemäß das System in  110. • Zug: Verläuft die Zugkraft parallel zur Stabachse, herrschen ähnliche Verhältnisse wie unter Druck. Insbesondere bei anisotropen Werkstoffen wie Holz ist dann eine direkte Kraftaufnahme im Stab – bei Holz entlang der Faser – möglich. Quer zur Stabachse wirkend führt die Zugkraft ohne Gegenmaßnahme zunächst naturgemäß zum Klaffen der Fuge ( 111). Diese müsste für diese Art von Belastung entsprechend zugfest ausgebildet werden, was in der Regel einen entsprechenden konstruktiven Aufwand mit sich zieht. Dennoch ist auch eine solche Lösung grundsätzlich denkbar (✏). • Querkraft: Klar zu unterscheiden sind bei Querkraftangriff jeweils die Fälle, bei denen die Scherfläche parallel ( 112, 115) oder quer ( 113) zur Stabachse verläuft. Quer zur Stabachse verlaufende Querkräfte treffen auf den Schubwiderstand der Stäbe selbst. Ihre Schubwiderstände addieren sich sogar auf. Längs zur Stabachse verlaufende Schubbeanspruchung kann hingegen nicht

2. Kraft leiten

459

z

z

z y

y

y

x

x

x

108 Druckbeanspruchung entlang der Stabachse.

z

109 Druckbeanspruchung entlang der Stabachse bei erhöhter lokaler Belastung und nachgiebiger Lagerung (lokal instabil).

110 Druckbeanspruchung quer zur Stabachse.

z

z y

y

y

x

x

x

111 Zugbeanspruchung quer zur Stabachse (nicht stabiles System).

112 Querkraftbeanspruchung parallel zur Stabachse (nicht stabiles System).

QD

QD z

z y

y

x

x

114 Querkraftbeanspruchung längs zur Stabachse kann durch Reibung in der betroffenen Fuge infolge Querdrucks neutralisiert werden.

115 Querkraftbeanspruchung quer zur Elementebene (nicht stabiles System).

113 Querkraftbeanspruchung quer zur Stabachse.

460

V Funktionen

☞ Abschn. 9.4 Element aus einachsig gespannten Rippen, S. 479,  183

☞ Abschn. 9.3.2 Verband – druckkraftwirksame Übergreifung, S. 462

aufgenommen werden, solange die Stoßfuge nicht schubsicher ausgeführt ist. Baupraktisch äußert sich diese Einschränkung beispielsweise darin, dass eine Holzbalkendecke – gleichgültig ob mit anstoßenden oder auf Abstand verlegten Balken (☞) – ohne Zusatzmaßnahmen nicht zur Schubaussteifung herangezogen werden kann. Aus dem gleichen Grund kann z. B. auch eine Bretterschalung keine aussteifende Funktion übernehmen, da sie nicht imstande ist, Querkräfte in Richtung der Bretter aufzunehmen ( 116). Eine geeignete Maßnahme zur Schaffung einer schubsteifen Stoßfuge zwischen Stäben ist beispielsweise eine Verdübelung wie sie oftmals im Holzbau eingesetzt wird. Alternativ wird hierfür auch Reibung in der schubbeanspruchten Fuge aktiviert. Dies erfolgt durch Druck quer zur Kraftrichtung ( 114). Dieser Mechanismus ist insbesondere im Mauerwerksbau von großer Bedeutung ( ☞). • Biegung: Es liegt auf der Hand, dass für die Fähigkeit, Biegebeanspruchung aufzunehmen, wiederum die Spannrichtung der Stäbe entscheidend ist. Biegung kann nur in Spannrichtung der Stäbe aufgenommen werden ( 117). Ansonsten verhindert die fehlende Schubfestigkeit der Fugen sowie deren Neigung zum Klaffen unter (Biege-)Zug jegliche Biegebeanspruchung, da diese mit entsprechenden Querkräften rechtwinklig zur Stabachse – also in x-Richtung – bzw. mit Biegezugspannungen in der Fuge verbunden ist ( 118). Anders verhält es sich, wenn die Fugengeometrie radial verläuft ( 119). Dann wird das Gleiten an den Fugen entlang der Kraftrichtung, also quer zur Elementebene gemäß ➝ x, verhindert und es baut sich eine Gewölbewirkung, also eine Stützlinie auf. Als Folge davon entstehen an der Lagerung nach außen gerichtete Schübe, die aufgrund des sehr kleinen Gewölbestichs (maximal = Elementdicke) entsprechend groß sind. Diese Lösung findet sich praktisch nicht, denn es ist gemeinhin vorteilhafter, die Steifigkeit der ohnehin vorhandenen Stäbe zu nutzen und die Spannrichtung zu ändern, diese also von Auflager zu Auflager zu spannen (wie auf  117). Bedeutsam beim vorliegenden Stabsystem ist, dass Einzelkräfte, die nur einen Teil der parallelen Stäbe belasten ( 120), nur diese und nicht die benachbarten unbelasteten verformen. Die fehlende Mitwirkung benachbarter Stäbe ist ein Charakteristikum der so genannten gerichteten Systeme und erlaubt bei diesem Konstruktionsprinzip (im Gegensatz zur Platte) keine zweiachsige Lastabtragung. • Verdrillung: Dieses Konstruktionsprinzip weist keine Torsionssteifigkeit auf, da die Stäbe sich unter dieser Beanspruchung in einer Drehbewegung gegeneinander verschieben können ( 121). Der Grund ist wiederum die fehlende Schubsteifigkeit der Stoßfuge zwischen Stäben.

2. Kraft leiten

461

116 Aufgrund der Gleitfähigkeit der Stoßfuge zwischen Stäben ist keine Schubbeanspruchung in der Elementebene aufnehmbar (nicht stabiles System). z y

z y

x

x

117 Biegebeanspruchung. Spannrichtung in Stabachse.

118 Biegebeanspruchung. Spannrichtung quer zur Stabachse (nicht stabiles System).

z

z y

y

x

x

119 Variante mit gefächerter Fugengeometrie verhindert die Schubverformung quer zur Elementebene. Es ist folglich eine Aufnahme der Kräfte in dieser Richtung (also x) möglich.

120 Biegebeanspruchung infolge Einzellast. Die Verformung betrifft allein den belasteten Stab. Keine Mitwirkung benachbarter Stäbe. z

z y

y

x

x

121 Drillbeanspruchung des Elements (nicht stabiles System).

462

V Funktionen

Denkt man sich das parallele Fugenmuster des Stabelements in der orthogonalen Richtung verdoppelt, so entsteht ein Element aus einzelnen Bausteinen, die in einem Kreuzfugenmuster gefügt sind. 9.3.1 Kreuzfugengeometrie Das bedeutet also, dass an jeder Ecke vier Fugen kreuzförmig in einem Punkt zusammentreffen ( 122). Aufgrund der Gleitfähigkeit jeder einzelnen Fuge, also in allen Richtungen x, y und z gelten für diese Art von Bausteinelement hinsichtlich der Kraftaufnahme sämtliche Einschränkungen wie beim Stabelement, und zwar in allen drei Hauptrichtungen x, y und z ( 123, 124). Auch Belastungen wie auf  117 (Biegung) sind bei diesem System nicht aufnehmbar. Aus diesem Grund ist dieses Gefüge aus im Kreuzfugenraster verlegten Bausteinen in der Baupraxis als Kraft leitendes Element so gut wie nicht existent, Es ist einzig als flächenbildender Belag ☞ Band 2, Kap. VI, Abschn. 3.1.4 Bausteinför- auf tragender Unterlage anzutreffen (☞). mige Ausgangselemente, S. 48 Eine Ausnahme bildet wiederum der Fall, bei dem die Fugengeometrie radial verläuft, und zwar in diesem Fall ausgehend von einem zentralen Punkt P. Es entstehen dann keilförmige Bausteine, die das Gleiten in Richtung x verhindern ( 125). Die Wirkungsweise ist vergleichbar zu der beim Stabsystem auf  119, wobei an der Lagerung Schübe in beiden Richtungen y und z entstehen. Baupraktisch ist auch diese Lösung äußerst selten. Sie tritt nur vereinzelt im Steinbau als scheitrechte Gewölbedecke auf. 9.3

Element aus Bausteinen

9.3.2 Verband - druckkraftwirksame Übergreifung

z y x

Eine wesentlich größere bauliche Bedeutung hat ein Bausteinelement aus im Verband 6 verlegten Einzelsteinen, also solchen, die sich in der Bauteilfläche betrachtet gegenseitig übergreifen. Ein Verband schafft eine Verzahnung zwischen benachbarten Steinen und verbessert das mechanische Verhalten des flächigen Elements. Diese Art tragenden Gefüges stellt die Grundlage der herkömmlichen Mauerwerksbauweisen dar. Sie weist jedoch spezifische Einschränkungen hinsichtlich ihrer Fähigkeit auf, Kraft zu leiten. Diese sollen im Folgenden näher betrachtet werden: • Druck: Analog zum Element aus aneinandergelegten Stäben ( 110) kann Druckkraft über direkten Kontakt an den Fugen zwischen den Bausteinen übertragen werden. Bei gleichmäßig verteilter Streckenlast gilt dies für die beiden Kraftrichtungen ➝ y und ➝ z, also jeweils senkrecht zur Lagerfuge (Verlauf entlang ➝ y,  126) oder zur Stoßfuge (Verlauf entlang ➝ z,  128). Ungleichmäßig verteilte Lasten oder Einzellasten können senkrecht zur Lagerfuge (in Richtung ➝ z) infolge der Verzahnung in der Elementebene verteilt werden ( 127). Hingegen können solche Lasten rechtwinklig zur Stoßfuge (also entlang ➝ y) zunächst dazu führen, dass ähnlich wie beim Stab ( 109) einzelne Steinreihen sich innerhalb des Gefüges verschieben, da die durchgehenden Lagerfugen der zugehörigen Querkraftbeanspruchung keinen Widerstand entgegensetzen ( 129). Dieser Gleitbewegung kann durch einen Querdruck (also entlang ➝ z) ein Widerstand entgegengesetzt werden, der sich aus der Reibung in der Fuge ergibt ( 116, vgl. auch Stabelement auf  114). Im Mauerwerks-

2. Kraft leiten

463

122 Element aus Bausteinen im Kreuzfugenraster. z

z y

y

x

x

123 Fehlende Schubsteifigkeit in Richtung z (nicht stabiles System).

P

124 Fehlende Schubsteifigkeit in Richtung y (nicht stabiles System).

z

z y

y

x

x

125 Die Variante mit gefächerter Fugengeometrie verhindert die Schubverformung quer zur Elementebene. Es ist folglich eine Aufnahme der Kräfte in dieser Richtung (also x) möglich. Schübe in beiden Richtungen ➝ y und ➝ z.

126 Gleichmäßig verteilte Druckbeanspruchung in Richtung ➝  z wird durch Kontakt an den Lagerfugen übertragen.

z

z y

y

x

x

127 Ungleichmäßig verteilte Druckbeanspruchung senkrecht zur Lagerfuge (Achse ➝ z) kann dank der Verzahnung durch versetzte Stoßfugen aufgenommen werden.

464

V Funktionen

☞ historische gemauerte Gewölbe wie in Band 2, Kap. VI, Abschn. 3.2 Zweiseitig gekrümmte Oberflächen > 3.2.2 Kugel > bausteinförmige Ausgangselemente, S. 72

bau übernehmen herkömmlicherweise Lasten diese Aufgabe: entweder Eigen- oder Auflasten. Dies trifft für die parallel zu ihrer Ebene mit Lasten belegte Mauerscheibe zu. Grundsätzlich kann der für den Aufbau eines Reibschlusses in der Fuge erforderliche Druck aber auch bei Kraftwirkung quer zur Bauteilfläche durch andere statische Systeme erzeugt werden: beispielsweise durch ein Gewölbe ( ☞), das indessen eine geeignete Krümmung voraussetzt. Übermäßige Belastung jenseits der kritischen Knicklast führt zum Versagen des Elements durch Knicken ( 131, 132). Je nach Lagerung kann es dabei zu verschiedenen Versagensmechanismen kommen. Grundsätzlich gilt, dass je mehr Ränder des Elements gelagert sind, desto größer die Knicksteifigkeit ist. Besonders kritisch ist demnach eine nur einseitige Lagerung wie auf  132 (z. B. einseitige Einspannung,  88: Euler-Fall 1). Günstiger verhält sich eine zweiseitige Lagerung,  131 (Euler-Fall 2 in  89). Im klassischen Mauerwerksbau werden Wandelemente vorzugsweise vierseitig gehalten (keine freien Ränder), was hinsichtlich der Bauteillagerung den günstigsten Fall darstellt. • Zug: Zugbeanspruchung orthogonal zur durchgehenden Lagerfuge (also in Richtung ➝ z) führt zum Klaffen derselben, sofern keine ausreichende Haftung besteht ( 133). Da diese Richtung (➝ z) bei herkömmlichen Steinmauern der Lotrechten entspricht, können bei dieser Bauweise derlei Zugkräfte durch entgegengesetzt gerichtete Lasten (Eigen- oder Auflast) neutralisiert werden – durch sogenanntes Überdrücken von Zugkräften. Zugbeanspruchung parallel zur Lagerfuge (in Richtung ➝  y) führt zunächst zum Aufreißen einer gezahnten Fuge wie auf  134. Da im Mauerwerksbau keine ausreichenden Haftkräfte vorhanden sind, kann diese Zugbeanspruchung nur durch einen Querdruck in z-Richtung (also wiederum Last) ins Gleichgewicht gesetzt werden ( 135). Dieser presst die Lagerfugenabschnitte der gezahnten potenziellen Rissfuge zusammen und aktiviert eine die Zugkraft übertragende Reibkraft in y-Richtung (Detail,  135). Die Stoßfugen haben bei diesem Mechanismus keinerlei Wirkung. • Querkraft: Querkräfte in Richtung der Stoßfugen (➝ z) werden mittels der Verzahnung der Bausteine aufgenommen ( 136). In Richtung der Lagerfuge führen sie zum Gleiten in derselben entlang der Achse ➝ y ( 137). Ohne Gegenkraft würde dieser Effekt eine Scheibenwirkung des Elements unter Querkraft wie auf  138 verhindern. Wiederum führt ein Querdruck (Last in Richtung ➝ z) zum Zusammenpressen der durchgehenden Lagerfuge und zur Aktivierung des Reibungswiderstands ( 139). Auf diese Weise wird der Verband schubsteif. Gleiches gilt für Querkräfte in x-Richtung. • Biegung: Biegebeanspruchung infolge eines Kraftangriffs recht-

2. Kraft leiten

465

128 Gleichmäßig verteilte Druckbeanspruchung in Richtung y wird durch Kontakt an den Stoßfugen übertragen.

z

129 Ungleichmäßig verteilte Druckbeanspruchung parallel zur Lagerfuge (Achse ➝ y) kann zum Gleiten einzelner Bausteinschichten führen (lokal instabiles System).

z y

y

x

x

t

Fkri QD

130 Ungleichmäßig verteilte Druckbeanspruchung wie in  129 kann durch Querdruck (in Richtung z) auf die Lagerfuge und resultierender Reibungskraft (entlang ➝  y) ausgeglichen werden. z

z

y

y

QD

x

x

131 Übermäßige Druckkraft führt zu einem Versagen des Elements durch Knicken am Ort mit größtem Biegemoment (zweiseitige Lagerung: Elementmitte) (nicht stabiler Zustand).

t

Fkri

132 Übermäßige Druckkraft führt zu einem Versagen des Elements durch Knicken am Ort mit größtem Biegemoment (einseitige Lagerung: an der Einspannung) (nicht stabiler Zustand). z

z y

y

x

x

133 Aufreißen der (nicht verzahnten) Lagerfuge infolge Zugs rechtwinklig zur Fugenebene (in Richtung z) (nicht stabiles System).

466

V Funktionen



☞ Band 2, Kap. IX-1, Abschn. 4.1. Stabilisierung von Wänden im Mauerwerksbau, S. 418 

winklig zur Elementebene (Achse ➝ x) führt zu einem Versagen, etwa wie beim Element aus aneinandergelegten Stäben in  118 (vgl.  141). Wie dort auch, fehlt dem Verband beispielsweise in Kraftangriffsrichtung, also entlang der Achse ➝  x, die notwendige Schubfestigkeit in der Fuge, um die entlang ➝ x auftretenden Querkräfte aufzunehmen. Sofern ein Querdruck wie in  142 existiert, und dieser nicht (wie in  145) ausreicht um Biegung zu überdrücken ( 140), erfolgt ein radiales Aufklaffen der Fugen. Auch bei dreiseitiger linearer Lagerung wie in  143 weicht unter extremer Belastung der Verband in x-Richtung durch Schubgleitung in der Lagerfuge (Ebene xy) aus. Diese Art der Beanspruchung können Mauerwerkswände nur bei begrenzten Spannweiten aufnehmen. Ansonsten sind Versteifungsmaßnahmen – wie beispielsweise bei einem Ringbalken – bzw. eine zusätzliche vierte Lagerung erforderlich – wie bei Anbindung an eine Deckenscheibe ( ☞). Unter einer Linienlast wie in  144 erfolgt – ohne ausreichenden Querdruck – ein Aufklappen einer Fuge und eine Kippbewegung des versagenden Bauteils.

M

>M

F

>> M

F

F

Zug in der Fuge

(F)

–

(M) σBZ +

σD

+ =

–

A

– σBD

(F)

–

(M) σBZ + σR = 0

σR = σD + σBD - σBZ

σD

+ =

– σBD

(F)

(M) σBZ +

σR = σD + σBD - σBZ

B

–

!+

σD

+ =

– σBD σR = σD + σBD - σBZ

C

140 Beanspruchung einer Fuge durch eine Druckkraft F und ein in drei Stufen A, B und C ansteigendes Moment M. Mit anwachsendem M baut sich durch die Wirkung der Biegezugspannung sBZ auf einer Seite der Fuge die Druckspannung sD zunehmend ab, bis zuletzt Zugspannungen in einem randständigen Fugenabschnitt auftreten (Zustand C). F: M: sD: sBD: sBZ: sR:

Kraft Moment Druckspannung infolge F Biegedruckspannung infolge M Biegezugspannung infolge M Resultierende Spannung infolge F und M

2. Kraft leiten

467

QD

134 Gezahnte Rissfuge infolge Zug in Richtung y. Aufreißen der Stoßfuge und Gleiten im Lagerfugenabschnitt (entlang ➝  y) (nicht stabiles System).

z

135 Das Aufreißen wie in  134 wird verhindert durch einen Querdruck in Richtung z (Last L). Das Gleiten im Lagerfugenabschnitt (entlang ➝ y) wird mittels Druck behindert.

z y

y

x

x

QD

136 Querkraftbeanspruchung in Richtung z (rechtwinklig zur Lagerfuge) wird aufgrund der Verzahnung der Steine in Richtung z aufgenommen (vgl. auch  113)

z

137 Querkraftbeanspruchung in Richtung y (parallel zur Lagerfuge) führt zu einem Gleiten in der durchgängigen Lagerfuge (nicht stabiles System).

z y

y

x

x

QD

138 Ohne geeigneten Querdruck (in Richtung z) würden die Lagerfugen unter Querkraftbeanspruchung in Richtung ➝ y gleiten und somit eine Scheibenwirkung des Elements verhindern (nicht stabiles System). QD

z

z y

y

x

x

139 Querdruck (in Richtung z) infolge Last L aktiviert den Reibungswiderstand in den Lagerfugen und ermöglicht eine Scheibenwirkung des Elements (vgl. auch  114).

468

V Funktionen von Bauteilen

☞ Band 2, Kap. VI, Abschn. 3.1 Ausbau einseitig gekrümmter Oberflächen > 3.1.4 Bausteinförmige Ausgangselemente,  132

✏ innerhalb der Kernfläche; vgl. hierzu auch Band 2, Kap. VIII-4,  25 auf S. 385

Ähnlich wie beim Kreuzfugenelement sind zwar Lösungen mit Verband und radial gefächerten Fugen denkbar ( 125), doch heute im Bauwesen praktisch nicht existent. Sie traten hingegen bei historischen Wölbkonstruktionen (Kufverband, ☞) auf. Als horizontal oder schräg liegende Bauteile – also in den Fällen wo sich die Auflast nicht oder nur eingeschränkt (nämlich maximal in Größe der ebenenparallelen Kraftkomponente) auswirken kann, weil sie nicht senkrecht auf die Fugenflächen auftrifft - sind ebenflächige Mauerwerksverbände ungeeignet. Häufiger hingegen tritt Biegebeanspruchung bei stehenden Bausteinelementen (also Mauern) auf, sei es als einseitig eingespanntes (Beispiel: frei stehende Mauer) oder zweiseitig linear gelagertes Element (Beispiel: durch Decken gehaltene Mauer). In solchen Fällen tritt der Querdruck auf den Lagerfugen infolge Last (Eigen- oder Auflast) in Funktion und erzeugt eine Reibungskraft, die Schubfestigkeit aktiviert und Zug überdrückt. Auch Biegebeanspruchung in der Lagerfuge kann aufgenommen werden, sofern ausreichend Last vorhanden ist und der Lastangriff weitgehend axial im Mauerquerschnitt (✏) wirkt. Die abhebenden Zugkräfte infolge Biegebeanspruchung – Biegezugspannungen auf der lastabgewandten Seite in der Lagerfuge – werden dann durch die Druckkraft infolge Last überdrückt ( 140). Dies gilt sowohl für eine gelenkige zweiseitige Lagerung (gemäß Fall 7.3.6 in  81, vgl.  145) wie auch für eine einseitige Einspannung (gemäß Fall 7.3.4 in  79, vgl.  146). • Verdrillung: Bausteinelemente verhalten sich im Wesentlichen vergleichbar ungünstig wie Elemente aus aneinandergelegten Stäben ( 121). Die fehlende Schubsteifigkeit in den Fugen erlaubt ein Gleiten in denselben und eine Verdrehung des Elements. Somit sind wiederum ohne ausreichenden zweiachsigen Druck keine Drillmomente aufnehmbar. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass das Gefüge eines Bausteinelements, wie es im Mauerwerksbau üblich ist, nur dann gegenüber verschiedenen Belastungen kraftleitend wirken kann, wenn an seiner schwächsten und empfindlichsten Stelle – nämlich der durchgehenden Lagerfuge – ein ausreichender Querdruck wirkt, der sowohl • Querkräfte in der Fugenebene mittels Reibung als auch • abhebende Kräfte senkrecht zur Fugenebene mittels Überdrücken neutralisiert. Dieser Querdruck kann baupraktisch am sinnvollsten durch Last erzeugt werden, und zwar grundsätzlich sowohl – bei Mauern – axial als auch – bei Bogen- oder Gewölbekonstruktionen – quer zur Bauteilachse wirkend. Es ist dabei unerheblich, ob dies Eigenlasten des Mauerwerks oder Auflasten sind, die beispiels-

2. Kraft leiten

469

D)

(Q

siehe � 140

z

141 Versagen des Bausteinelements unter Biegung durch Gleiten in den Lagerfugen infolge Querkraftbeanspruchung entlang x (nicht stabiles System).

z y

y

x

x

142 Versagen des Bausteinelements unter Biegung durch radiales Klaffen der Lagerfugen infolge Biegezugkräften (nicht stabiles System).

fR gR

gR z y

143 Versagen des Bausteinelements bei dreiseitiger linearer Lagerung durch Aufbrechen des freien Rands (nicht stabiles System).

gR

fR: freier Rand gR: gelagerter Rand

x

D)

(Q

QD

siehe � 140 siehe � 140 z

144 Versagen des Bausteinelements unter Kraftwirkung in Elementmitte durch Aufklappen einer Lagerfuge infolge Biegebeanspruchung (kleiner Querdruck, nicht stabiler Zustand).

z y

y

x

x

145 Querdruck (in Richtung z) infolge Last L überdrückt die Biegezugspannungen in der Lagerfuge und erzeugt Biegesteifigkeit.

470

V Funktionen

✏ eine Ausnahme stellt bewehrtes Mauerwerk dar ☞ Band 2, Kap. VI, Abschn. 3.2 Ausbau zweiseitig gekrümmter Oberflächen, 3.2.2 Kugel > bausteinförmige Ausgangselemente, S. 72

9.3.3 Verband - haftungswirksame Übergreifung

☞ Band 2, Kap. VI, Abschn. 2. Besonderheiten gekrümmter Oberflächen – geometrische Voraussetzungen

weise aufliegende Decken in eine Mauer einleiten. Da die Lasten naturgemäß immer lotrecht wirken, ergibt sich als notwendige Folge, dass die Lagerfugenebene im Wesentlichen horizontal zu verlaufen hat, und damit des weiteren, dass Mauerwerk (mit nur kleinen Abweichungen) lotrecht zu verbauen ist (✏). Alternativ kann – wie erwähnt – der notwendige Druck in der Fuge auch durch Bogen- oder Gewölbewirkung erzeugt werden (☞). Diese Art Tragwerke besitzt heute jedoch keine bautechnische Bedeutung und findet sich fast ausschließlich bei historischen Bauwerken. Anders als bei der eben besprochenen Konstruktion übergreifen sich die Bausteine in diesem Fall nicht in der Bauteilebene, sondern quer zu ihr (vgl. Detail auf  150). Die Voraussetzung dafür ist, dass das Bauteil aus mehreren Bausteinschichten aufgebaut ist, die an der Kontaktfläche zwischen ihnen durch die Wirkung geeigneter Klebeschichten aneinander haften. Da die Stöße der Bausteine in jeder der einzelnen Schichten gegenüber denen der benachbarten Schicht versetzt sind, und zwar in beiden Hauptrichtungen der Fläche ➝ y und ➝ z, entsteht eine durchgängige Übergreifung ( 148). Infolgedessen ist jede Fuge in ihrer gesamten Länge durch Bausteinflächen der benachbarten Schicht überdeckt und kraftleitend geschlossen. Ein Verband bzw. eine Übergreifung in der Bauteilebene selbst ist zwar möglich, aber – anders als bei der druckkraftwirksamen Übergreifung, s. o. – für die Tragfähigkeit des Bauteils nicht mehr unabdingbar. Es entsteht auf diese Weise eine annähernd homogene Scheibe, die – abhängig von der Haftscherfestigkeit der Kontaktflächen – in der Lage ist, Zugspannungen ohne die Druckwirkung der Schwerkraft – das bereits erwähnte Überdrücken derselben – aufzunehmen. Im Gegensatz zu der druckkraftwirksamen Übergreifung ist hier die Klebe- oder Kontaktfläche um ein Vielfaches vergrößert, da nunmehr nicht nur einzelne quer zur Elementebene verlaufende Fugenflächen für den Zusammenhalt des Gefüges verantwortlich sind, sondern ein Vielfaches der Gesamtfläche des Bauteils, nämlich das Äquivalent der Zwischenschichten zwischen den aneinanderhaftenden Bauteilschalen. Zusätzlich entsteht bei Verwendung eines Klebemörtels eine gewisse Zugtragfähigkeit. Es kann hierdurch eine Scheibenwirkung aktiviert werden ( 148) sowie auch innerhalb gewisser Grenzen, die wiederum durch die maximale Haftscherfestigkeit der Klebefläche vorgegeben sind, eine Plattenwirkung, bei der eine Schale unter Biegezugbeanspruchung steht ( 150, 151). Ein baupraktisches Beispiel für diese Bauart sind die katalanischen Ziegeltechniken.7 Eine besondere zusätzliche Steifigkeit erhalten die katalanischen Gewölbe durch ihre Krümmung (☞). Die Fähigkeit des Gefüges, Zugkräfte in der Bauteilebene, bzw. tangential zu ihr, aufzunehmen erlaubt eine Membranwirkung bei diesen gekrümmten Bauteilen, die sich weitgehend wie eine homogene dünne Schale verhalten.

2. Kraft leiten

471

D)

(Q

QD

146 Versagen einer einseitig eingespannten Elements unter orthogonaler Flächenlast durch Kippen an der Fuge mit größter Biegebeanspruchung (kleiner Querdruck, nicht stabiles System).

siehe Abb. 140 z

z y x

y

147 Querdruck (in Richtung z) infolge Last L überdrückt die Biegezugspannungen in der Lagerfuge und erzeugt Biegesteifigkeit.

x

siehe Abb. 140

148 Scheibenwirkung bei einem haftungswirksamen Bausteingefüge. Die aufgrund der Biegung entstehenden Zugspannungen im unteren Bereich der Scheibe werden durch die Haftwirkung zwischen den Bausteinschichten sowie durch die Bausteine selbst übertragen. 149 Eine Plattenwirkung ist möglich wenn die Haftscherfestigkeit der zugbeanspruchten Kontaktfläche (hier der Kraft abgewandt) ausreichend ist, um die Biegezugspannungen aufzunehmen.

z

z y

y

x

x

150 die Bausteine werden in mehreren Lagen jeweils in beiden Richtungen y und z versetzt zueinander verlegt. Jede Fuge ist folglich beiderseits stets mit einer durchgängigen Bausteinfläche überdeckt und infolge der Haftwirkung kraftschlüssig zusammengehalten. Auch die Fugennetze gerader bzw. ungerader Bausteinschalen sind gegeneinander versetzt.

a

151 Ein Beispiel für die Plattenwirkung einer haftungswirksamen Übergreifung stellt diese katalanische Ziegeltechnik dar, bei der eine flache Decke horizontal mit Flachziegeln gemauert wird. Die nur beschränkte Haftscherfestigkeit der Mörtelschicht erlaubt indessen nur geringe Spannweiten a (rund 60 cm). Günstig wirkt sich auch die Durchlaufwirkung über die Träger hinweg aus.

472

9.4

V Funktionen

Element aus einachsig gespannten Rippen

☞ siehe auch Band 2, Kap. VII, Abschn. 5 Rippensysteme, wo diese konstruktive Variante als komplettes Hüllbauteil in ihrem Gesamtaufbau hinsichtlich der verschiedenen baulichen Teilfunktionen untersucht wird

Vollwandige Elemente und zum Teil auch Elemente aus gestoßenen Stäben wie in den vorigen Kapiteln besprochen weisen den Vorteil einer bei kleinen Spannweiten vergleichsweise geringen Konstruktionsdicke sowie einer guten Verteilung der Beanspruchungen im Element auf. Sie sind hingegen im Regelfall mit einem verhältnismäßig hohen Materialaufwand und hohem Eigengewicht verbunden. Unter bestimmten Voraussetzungen, wie beispielsweise Biegebeanspruchung über großen Spannweiten, kann der Fall eintreten, dass ein großer Teil der Tragressourcen des Elements aufgebraucht werden, allein um die Eigenlast zu tragen. Ein wesentlicher Schritt hin zu einer besseren Materialausnutzung und einer Gewichtsverringerung der Konstruktion sind Rippensysteme wie sie im Folgenden besprochen werden sollen (☞). Das Konstruktionsprinzip beruht auf im festgelegten Abstand parallel zueinander verlegten Stäben – fortan als Rippen bezeichnet. Diese werden zur Flächenbildung entweder mit • einer Platte einseitig ( 152) oder • zwei Platten beidseitig ( 153) belegt. Dabei können die Rippen sowohl • einachsig (gerichtet) ( 95) als auch • zwei- oder mehrachsig (ungerichtet) ( 96)

☞ Abschn. 9.5 Element aus zwei- oder mehrachsig gespannten Rippen, S. 488

gespannt werden. Elemente aus zwei- oder mehrachsig spannenden Rippen werden im Abschnitt 9.5 weiter unten besprochen. Die Fläche kann entweder durch • Platten ( 153) oder durch

☞ Band 2, Kap. VIII-1, Abschn. 3.7 Einige grundlegende planerische Überlegungen zu Stabscharen, S. 182 ff

• quer gespannte weitere gerichtete Stablagen einer niedrigeren Trägerhierarchie ( ☞) ( 154) in fortschreitenden Lagen, zuletzt mit einer dünnen Platte, zu einer Fläche geschlossen werden. Platten können in diesem Zusammenhang • hinsichtlich Kraftleitung nicht mitwirkend oder • hinsichtlich Kraftleitung mitwirkend ausgeführt werden. Wie bei den bisher besprochenen konstruktiven Varianten abstrahiert die folgende Betrachtung von spezifischen Anwendungsoder Einbausituationen und geht lediglich von allgemeingültigen

2. Kraft leiten

473

Last- und Lagerungsfällen aus. Aus dieser Perspektive gehören sowohl • Balkendecken, • Rippenwände, • flache Balkendächer, • konventionelle geneigte Dachkonstruktionen als auch • Trägerroste etc. zur Kategorie der Rippensysteme.

152 Rippenelement gerichtet, einseitig mit Platte belegt.

z

z y

y

x

x

z

153 Rippenelement gerichtet, zweiseitig mit Platte belegt.

154 Rippenelement gerichtet mit querorientierter untergeordneter Stablage.

z y

y

x

x

155 Rippenelement ungerichtet, zweiseitig mit Platte belegt (siehe hierzu Abschn. 9.5).

474

V Funktionen

Die Kraftleitung erfolgt im Rippenelement im Wesentlichen in seiner Grundstruktur aus einer Stabschar ( 156). Die weiteren Bestandteile, welche die Einzelstäbe zu einer gemeinsam wirkenden flächigen Struktur ergänzen, dienen der Kraftverteilung und der Aussteifung der Grundstruktur. Es kann sich im Einzelfall handeln um: • eine Platte, ein- oder beidseitig angebracht ( 157), • Randstäbe, an denen die Einzelstäbe der Rippenschar am Stirnende anschließen ( 158),

z y x

156 Rippenschar.

• eine weitere, nebengeordnete, quer orientierte Stabschar, zumeist einseitig angebracht ( 159), sowie auch um verschiedene Kombinationen dieser Elemente ( 160). Die im Bauwesen auftretenden Kombinationen sind außerordentlich zahlreich und können in diesem Rahmen nicht erschöpfend behandelt werden. Im Folgenden sollen lediglich die wesentlichen Fälle der Kraftleitung im Grundsystem der Rippenschar sowie die mögliche Mitwirkung der ergänzenden Elemente Platte/Randglied/Stabschar untersucht werden:

z y x

157 Rippenschar mit aussteifender und Last verteilender Platte.

z y x

158 Rippenschar mit Randstäben.

• Druck: Wesentlich für die Kraftleitungsfunktion des Rippenelements ist die Art, wie die äußeren Lasten an die internen Strukturelemente, also insbesondere an die einzelnen Rippen, weitergeleitet werden. Die Stäbe des Rippensystems können zunächst nur axial auf sie einwirkende Einzellasten F aufnehmen ( 161). Eine Ergänzung mit Randgliedern kann darüber hinaus auch exzentrischen Kraftangriff tolerieren, sofern das Randglied in der Lage ist, die daraus resultierenden Biegungen und Querkräfte aufzunehmen ( 162). Drucklasten werden im Rippenelement nicht wie bei einer Platte gleichmäßig über den Querschnitt verteilt, sondern im Wesentlichen in den Rippen konzentriert abgetragen. Dies kann zu Lastkonzentrationen führen, die im Extremfall das Knicken einer oder mehrerer Rippen zur Folge haben, sofern die Beplankung oder andere Maßnahmen dies nicht verhindern. Eine große Einzellast auf einer einzelnen Rippe kann ein Ausknicken dieses Bauteils verursachen ( 164). Sofern der Stab seitlich nicht gehalten ist, spielt die Querschnittsform eine besondere Rolle, da der Stab zur Seite mit der kleineren Biegesteifigkeit hin ausknickt. Eine erste sinnvolle Maßnahme, um diese Art des Versagens zu verhindern, ist, den Rippenquerschnitt mit ausreichendem Flächenmoment (also Biegesteifigkeit) in den zwei Hauptrichtungen – also hier ➝ x und ➝ y – auszustatten. Wie auch bei den anderen betrachteten Elementvarianten ist für das Knicken die Lagerung des Elements von entscheidender Bedeutung. Besonders gefährdet sind wiederum einseitig gehaltene Systeme (wie einseitige Einspannungen,  165), welche

2. Kraft leiten

475

159 Rippenschar mit quer gerichteter nebengeordneter Stabschar. z

z y

y

x

x

F

F

F

x

F

F

F

e F

z y

F

F

160 Rippenschar mit Kombination von Randstäben und aussteifender Platte (ein- oder beidseitig).

F

F

F

F

F

F

F

z y x

161 Rippenschar unter axialer Drucklast aus Einzellasten F.

FF

F

F

F

F

F

F

F

F 162 Randglieder sind in der Lage, gewisse Exzentrizitäten e auszugleichen.

z y x

163 Verformung des Elements unter Druck durch Stauchung.

t

t

Fkri

Fkri

z

z y x

y z

x

z y

z y x

x

164 Ausknicken einer Rippe unter übermäßigem Druck aus Einzellast F. Unteres Randglied fest gehalten angenommen (lokal instabiles System).

165 Einseitig eingespanntes Rippensystem unter gleichmäßiger Drucklast.

166 Ausknicken des Rippenelements aus  165 in seiner Ebene (yz) bei steifen Anschlüssen der Rippen an die Randglieder (nicht stabiler Zustand).

476

V Funktionen

☞ Euler-Fälle in Abschn. 8. Kritische Versagensmechanismen, S. 446 f

t

Fkri

z y x

167 Ausknicken des Systems in Richtung x unter übermäßiger Drucklast (nicht stabiles System; Rippenquerschnitt in y-Richtung hierbei steifer angenommen) (nicht stabiler Zustand).

t

Fkri

z y x

z

z y

x

168 Ausknicken der kompletten Rippenschar eines zweiseitig gelagerten Systems in Richtung y unter übermäßiger Drucklast (nicht stabiler Zustand).

besonders große Knicklängen aufweisen ( ☞). Dabei ist unter extremer Belastung mit einem gleichzeitigen Ausweichen der kompletten Rippenschar zu rechnen (wie in  167). Je nach Steifigkeitsverteilung im Rippenquerschnitt und Rahmensteifigkeit an der Verbindung zwischen Rippen und Randstäben kann dies aus der Elementebene heraus erfolgen (also in Richtung x wie in  167), oder in der Ebene selbst (also in Richtung y wie in  166). Günstiger verhalten sich zweiseitig gelagerte Systeme, da die Knicklänge sich gegenüber den einseitig gelagerten halbiert. Bei einer Streckenlast jenseits der kritischen Knicklast würde es im Versagensfall zu einem Knicken der kompletten Rippenschar in x- (wie in  169) oder in y-Richtung (wie in  168) kommen. Entscheidend für die Knickrichtung sind wiederum die Steifigkeitsverhältnisse des Rippenquerschnitts in diesen beiden Richtungen und die Steifigkeit der Fügung zwischen Rippe und Randstab: Die Rippe weicht jeweils zur Seite der kleinsten Steifigkeit aus, bei den üblichen quer zur Ebene angeordneten Rechteckquerschnitten also eher in Elementebene. Wie erwähnt wirkt sich hierbei eine große Biegesteifigkeit des Rippenquerschnitts in beiden potenziellen Ausweichrichtungen ➝ x und ➝ y zunächst günstig aus. Dies würde zu eher gedrungenen, beispielsweise quadratischen Stabquerschnitten führen und folglich auch zu vergleichsweise großem Materialaufwand. Wirksamer ist hingegen ein seitliches Festhalten der Rippen, am günstigsten in der Feldmitte (wie in  170), wodurch die Knicklänge auf die Hälfte der Rippenlänge verringert wird. Der Querriegel auf  170 führt dazu, dass eine knickgefährdete Rippe von den restlichen festgehalten wird. Dies bedeutet, dass eine einzelne Rippe unter großer Einzellast in y-Richtung nur wie auf  171 ausknicken könnte. Allerdings erhöht dieser Querriegel nicht die Knicklast für die komplette Rippenschar in x- oder in y-Richtung (wie in  168 und 169). Dies ist hingegen dann der Fall, wenn der Querriegel seinerseits unverschieblich gehalten ist – wie in  172 in y-Richtung durch den Festpunkt H. Eine ähnliche Aufgabe wie ein Querriegel können auch folgende Maßnahmen übernehmen: •• eine quer orientierte nebengeordnete Stabschar ( 173). Auch diese Querstäbe führen zu einem Festhalten der Rippen in y-Richtung und damit zu einem Verhindern des Ausknickens. Sofern diese Querstäbe ihrerseits nicht unverschieblich gehalten sind, gilt dies allerdings nur für einzelne Stäbe, nicht für die komplette Rippenschar, die unter extremer Belastung als Ganzes ausweichen könnte (wie in  174). Hingegen kann ein Diagonalverband wie in  175 das Element schubsteif machen und damit ein Ausknicken der Rippen entlang ➝ y verhindern. •• eine Aussteifung mittels einer einseitig angebrachten Platte

2. Kraft leiten

477

t

Fkri

169 Ausknicken der kompletten Rippenschar eines zweiseitig gelagerten Systems in Richtung x unter übermäßiger Drucklast nur wenn die Steifigkeit des Rippenquerschnitts in Richtung x kleiner als in Richtung y ist (nicht stabiler Zustand). z

z y

y

x

z

x

z y

170 Zusammenbinden der Rippen in x- und yRichtung mittels eines Querriegels.

x

t

t

Fkri

Fkri

171 Verkürzung der Knicklänge einer Einzelrippe durch Mitwirkung der benachbarten und somit Erhöhung der kritischen Knicklast (lokal instabiler Zustand).

H z

z

y

y x

z

x

z y

z

z y

x

x

172 Ein seinerseits in y-Richtung unverschieblich gelagerter Querriegel erzwingt eine Halbierung der Knicklänge des Gesamtsystems (hier in y-Richtung). Analog kann ein in x-Richtung gehaltener Riegel das Ausknicken der Rippenschar in x-Richtung erschweren (hier instabiler Zustand dargestellt).

t

Fkri

173 Auch eine quer gespannte Stabschar bewirkt ein gegenseitiges Halten der Rippen (wie hier in y-Richtung), verhindert jedoch nicht das Ausweichen des Gesamtsystems.

z

z y

y

x

x

174 Eine nicht gehaltene Stabschar kann das Ausknicken des gesamten Rippensystems in Richtung y (und naturgemäß auch x) ohne Zusatzmaßnahmen nicht verhindern (nicht stabiler Zustand).

478

V Funktionen

☞ vgl. hierzu auch den Abschnitt Biegung weiter unten auf S. 482

oder auch mittels zweier beidseitig angebrachten ( 176). Die Schubsteifigkeit der Platte in ihrer Ebene verhindert ein Ausweichen der Stäbe in derselben (also in ➝  y). Ferner lassen die Stäbe nicht zu, dass die – zumeist dünne – Platte unter diesem Scheibenschub ihrerseits aus ihrer Ebene ausweicht, also beult. Unter der Voraussetzung einer verringerten Knickgefahr der Rippe entlang ➝ y, wie sie die Platte bewirkt, kann diese in dieser Achse verschlankt werden. Es kommen dann also schlankere Querschnitte mit der Langseite in Richtung x infrage ( 177). Wird darüberhinaus mittels eines geeigneten Schubverbunds zwischen Rippe und Platte ein Zusammenwirken beider Bauteile ermöglicht, erhöht sich das Flächenmoment und verringert sich zusätzlich die Knickgefahr in x-Richtung ( ☞) ( 178). Druckbelastung quer zur Rippenspannrichtung ( 179) betrifft zunächst nur die Randrippen, die in der Elementebene (also entlang ➝ y) unter Biegung gesetzt werden. Die Weiterleitung der Kraft erfolgt anschließend axial in den beiden Randgliedern. Diese Querorientierung der Rippenstruktur zur Kraft widerspricht naturgemäß dem konstruktiven Prinzip des Rippenelements. Ersatzweise müssen in solchen Fällen ergänzende Elemente wie Platten oder quer laufende Stabscharen die Übertragung der Druckkraft übernehmen.

z y x

175 Versteifung des Elements gegen Ausknicken der Rippen in y-Richtung mittels Diagonalverband.

z y x

176 ein- oder beidseitig mit Platte belegtes Rippensystem.

• Zug: Im Gegensatz zur Druckbelastung besteht bei Zug keinerlei Knickgefahr. Ähnlich wie bei Druck stellt sich auch hier die Frage, wie die äußere Kraft in die interne Rippenstruktur eingeleitet wird. Exzentrischer Kraftangriff um ein Versatzmaß e – analog zur Variante Druck in  162 – führt zu einer Biegebeanspruchung des betroffenen Stabs. Randstäbe können die gleiche lastverteilende Aufgabe übernehmen wie bei druckbeanspruchten Rippenelementen ( 162). Abgesehen von etwaigen Biegebeanspruchungen infolge Exzentrizität ist unter reinem Zug lediglich die Querschnittsfläche der Rippe relevant, nicht deren Querschnittsform. Überlegungen hinsichtlich ihrer Biegesteifigkeit in verschiedenen Richtungen wie bei Druck erübrigen sich folglich. • Schub: Voraussetzung für die Scheibenwirkung eines Rippenelements ist die Steifigkeit gegen Schubbeanspruchung in der Elementebene yz wie in  180 dargestellt. Unter Annahme der Existenz von Randstäben, welche die Rippenschar zu einem zusammenwirkenden Element zusammenbinden, sowie einer gelenkigen Verbindung an den Rippenenden zeigt sich eine Kinematik des Elements wie auf  182: das orthogonale Element verzerrt sich zu einem Parallelogramm. Eine quer orientierte Stabschar wie auf  183 gezeigt ist nicht in der Lage, diese Beweglichkeit des Elements zu verhindern. Es sind ergänzende Maßnahmen erforderlich, um dieser Beanspruchung den nötigen

2. Kraft leiten

479

x

x Platte nicht mitwirkend

h1 x

mitwirkender Plattenstreifen

177 Zugbeanspruchung des Rippenelements mit Dehnverformung.

schubfeste Verbindung

x

z Platte mitwirkend

y x

h2

z

z y

y

x

x

179 Druckbeanspruchung des Rippenelements quer zur Rippenschar.

180 Schubbeanspruchung des Rippenelements.

178 Die statische Mitwirkung schubfest mit der Rippe verbundener Platten erhöht die statische Höhe h des Rippenelements für Biegung um die Achse x-x und damit seine Biegesteifigkeit.

z y x

181 Verformung des Rippenelements in  180 bei steifem Anschluss der Rippe am Randglied.

182 Kippen des schubbeanspruchten, nicht ausgesteiften Rippenelements mit gelenkigem Anschluss Rippe/Randglied in seiner Ebene (yz) in Form eines Parallelogramms (nicht stabiles System). z

z y x

z

y

z y

x

x

183 Eine quer orientierte Stabschar ist nicht geeignet, um die Kinematik des Rippenelements zu verhindern (nicht stabiles System).

480

V Funktionen

Widerstand entgegenzusetzen. Es sind denkbar: •• Platte ein- oder beidseitig ( 184): Wie bei der Druckbeanspruchung beschrieben (siehe oben) steift die Platte das Rippensystem gegen Schub aus. Ihrerseits halten die Rippen die Platte in x-Richtung – also ihrer schwachen Dimension – fest, so dass ein Ausbeulen derselben unter der Schubbeanspruchung in dieser Richtung ausgeschlossen ist. Voraussetzung ist die kraftschlüssige Befestigung der Platte am Rippensystem.

✏ vgl. den historischen Fachwerkbau

•• stabförmige diagonale Versteifungen ( 185-189): Ein diagonal verlaufender Stab ist in der Lage, die mit der Querkraftbeanspruchung einhergehende diagonale Zug- bzw. Druckbeanspruchung – diese letzte ist in  185 dargestellt – aufzunehmen. Da es sich zumeist um Stäbe handelt, die sowohl Druck als auch Zug übertragen können, genügt ein einzelner Diagonalstab zur Aussteifung des Systems gegenüber wechselnden Belastungen. Trotz der auftretenden Drucklasten ist der Diagonalstab meist nicht knickgefährdet, sofern er wie in  185 – zumindest an einigen Punkten – jeweils mit den Rippen verbunden ist. Gerade diese Knotenpunkte oder Durchdringungen von Rippe und Diagonalstab stellen den wichtigsten Nachteil dieser Konstruktion dar, da sie mit hohem baulichen Aufwand verbunden sind. Es sind Diagonalversteifungen mit verschiedenen Geometrien denkbar ( 186-188). Es sind auch solche realisierbar, bei denen ganze Felder für ggf. notwendige Öffnungen frei bleiben (Felder A in  188). •• diagonale Zugbänder ( 189): zwei gegensinnig angebrachte Zugbänder sind in der Lage, die mit der Querkraftbeanspruchung verbundene diagonale Zugkraft in zwei konträren Richtungen aufzunehmen. Gleichgültig wie die Querkraft angreift, ist jeweils stets ein Band vorhanden, das die zugehörige Zugbeanspruchung aufnimmt. Diese Variante hat den Vorteil, dass Durchdringungen von Bauteilen – wie bei den oben besprochenen Varianten – umgangen werden können, da die vergleichsweise dünnen Zugelemente außenseitig an den Rippen vorbei verlaufen können. Etwaige Exzentrizitäten, die sich aus der außenseitigen Lage der Zugbänder ergeben, können durch eine beidseitige Auskreuzung umgangen werden. Indessen ist diese Art der Aussteifung vergleichsweise nachgiebig, da die Dehnsteifigkeit der Zugbänder nur gering ist. Es treten entsprechend große Verformungen auf. Es empfiehlt sich deshalb oftmals ein Vorspannen der Zugglieder. Grundsätzlich ist auch eine Aufnahme der Querkräfte durch eine Rahmenwirkung des Elements denkbar ( 190 und Verformung

2. Kraft leiten

z

481

z

z

y

y

y

x

x

x

184 Aussteifung des Rippenelements gegen Querkraftbeanspruchung mithilfe einer ein- oder beidseitig angebrachten Platte.

185 Aussteifung des Rippenelements gegen Querkraftbeanspruchung mithilfe eines druckund zugfesten Diagonalstabs.

A

A

A

A

z

z

186 Aussteifung des Rippenelements gegen Querkraftbeanspruchung mithilfe zweier Diagonalstäbe.

z

y

y

y

x

x

x

187 Aussteifung des Rippenelements gegen Querkraftbeanspruchung mithilfe einer rautenförmigen Diagonalversteifung.

z

188 Aussteifung des Rippenelements gegen Querkraftbeanspruchung unter Freihaltung der Öffnungen A.

z

y

y

x

x

190 Rippenelement mit Rahmenwirkung: die Anschlüsse Rippe/Randglied sind biegesteif ausgeführt.

191 Schubverformung des Rahmenelements.

189 Aussteifung des Rippenelements gegen Querkraftbeanspruchung mithilfe zweier diagonaler Zugbänder, ein- oder auch beidseitig.

482

V Funktionen

in  191). Die Anschlüsse zwischen Rippe und Randstab sind zu diesem Zweck biegesteif ausgeführt. Jedoch erfordert dieses Aussteifungsprinzip eine ausreichende Biegesteifigkeit der einzelnen Rippe in der Elementebene (yz), also eine größere Breite. Da zumindest im Einsatz als Hüllbauteil das Gerippe stets flächig geschlossen wird, ist davon auszugehen, dass mithilfe der oben angesprochenen Varianten (Platte, Diagonalverband) die Aussteifung mit geringerem Material- und Konstruktionsaufwand zu gewährleisten ist.

✏ Sie beteiligen sich lediglich über Rippenbiegung, welche die Verrautung des Gesamtelements verhindert

✏ wie beispielsweise bei Deckenbalken aus schlanken stehenden Profilen im amerikanische Holzrippenbau eingesetzt

Bei der Aufnahme einzelner Querkräfte ist zu unterscheiden, ob diese direkt an der Rippe ansetzen ( 192), wobei dann diese auf Abscheren beansprucht wird, oder ob sie zwischen Rippen ansetzt. Ist letzteres der Fall, ist davon auszugehen, dass ohne Zusatzmaßnahme das Randglied wie auf  193 verformt wird. Eine geeignete Plattenaussteifung kann das Gerippe gegen diese Art der Querkraftbeanspruchung wiederum sichern. Querkräfte, die orthogonal zur Rippenspannrichtung angreifen ( 194 oder 195) führen zu einer Verformung der beiden Randrippen, ohne dass die restlichen Rippen an der Lastabtragung unmittelbar beteiligt wären (✏). Es handelt sich um einen ungünstigen Kraftangriff, welcher dem konstruktiven Prinzip des Rippenelements widerspricht. Zusatzmaßnahmen wie eine Platte sind erforderlich, um die Belastung auf alle Rippen zu verteilen. Querkräfte, die in Rippenrichtung ansetzen wie beispielsweise durch einen Versatz e zwischen Kraftangriff und Reaktion ( 196) werden durch die Scherfestigkeit der Rippe selbst neutralisiert. Gefährlicher ist hingegen ein Versatz e zwischen Kraftangriff und Lagerung quer zur Rippenachse ( 197). Sofern keine Zusatzmaßnahmen dies verhindern, führt diese Art der Beanspruchung zu einem Kippen der betroffenen Rippe – wie beispielsweise der äußersten Rippe. Da die Rippen in den meisten Fällen durch eine Platte oder auch durch eine quer orientierte Stabschar miteinander gekoppelt sind, kann dies auch zu einem Kippen der kompletten Rippenschar (wie in  198) führen. Ein Randglied wie in  199 ist ein geeignetes Mittel, um dies zu verhindern. Auch Diagonalverbände zwischen den Rippen (in Ebenen parallel zu xy) können dem gleichen Zweck dienen ( ✏). • Biegung: Die Voraussetzung für eine sinnvolle, materialeffiziente Wirkungsweise des Rippenelements unter Biegebeanspruchung ist zunächst die geeignete Spannrichtung der Rippen bezüglich der Lagerung. Bei der betrachteten gerichteten Variante des Rippensystems ist nur eine ein- oder zweiseitige Lagerung sinnvoll ( 201, 200). Naturgemäß ist eine Ausrichtung der Rippen parallel zu den Lagern ( 202) statisch unsinnig, da die Rippen dann keinerlei tragende Funktion haben, sondern lediglich an einem Zusatzelement wie einer Platte hängen. Dennoch können sie auch in diesem Fall unter Umständen die Versteifung bei einem tragenden Rippenelement übernehmen und beispielsweise für

2. Kraft leiten

z

483

z

z y

y

y

x

x

x

192 Querkraftbeanspruchung in einer Rippenachse.

193 Querkraftbeanspruchung zwischen zwei Rippenachsen.

194 Querkraftbeanspruchung orthogonal zur Rippenspannrichtung bei Lagerung auf einem Randstab (Verrautung des Elements).

e Ra

nd

gli

ed

e

z

z

z y

y

y

x

x

x

195 Schubbeanspruchung orthogonal zur Rippenspannrichtung mit Biegeverformung der Randrippen (keine Verrautung durch Festhalten der Diagonale).

196 Schubbeanspruchung entlang der Rippenspannrichtung und Biegung infolge Versatz e zwischen Kraftangriff und Reaktion.

Ra

nd

gli

197 Schubbeanspruchung quer zur Rippenspannrichtung infolge Versatz e zwischen Kraftangriff und Reaktion.

ed

e

z y x

198 Gefahr des Kippens der kompletten Rippenschar bei quer gespanntem Element wie Platte (Bild) oder Stabschar (nicht stabiles System).

z

z y

y

x

x

199 Sicherung gegen Kippen mittels eines Randglieds.

200 Biegebeanspruchung eines zweiseitig linear gelagerten Rippenelements durch Flächenlast quer zur Elementebene (Flächen bildende Platte nicht dargestellt, aber vorausgesetzt).

484

V Funktionen

z y x

201 Biegebeanspruchung eines einseitig linear gelagerten (eingespannten) Rippenelements durch Flächenlast quer zur Elementebene.

z y x

202 Statisch sinnlose Orientierung der Rippenschar parallel zu den Linienlagern.

☞ Überlegungen zur Mitwirkung der Platte im Zusammenhang mit der Druckbeanspruchung, vgl.  178 auf S. 479

eine gute Lastquerverteilung sorgen. Sie wirken dann indessen nicht als primäres Tragglied. Auch ein Randstab, an dem die Rippen auflagern ( 203) widerspricht dem Kraftleitungsprinzip des gerichteten Rippensystems, da dieses Randelement einer starken Belastung und Verformung ausgesetzt ist, während die Rippen nur gering beansprucht sind. Ein zusätzliches Auflagern des Elements auf den zwei Randstäben 1 und 7 ( 204), also eine vierseitige Lagerung des Elements, bietet keine Vorteile, da die frei spannenden Rippen 2 bis 6 wegen der fehlenden quer spannenden (biegesteifen) Konstruktion davon nicht profitieren können. Im Gegenteil: die starke Formabweichung zwischen der nicht belasteten Randrippe (1 bzw. 7) und der benachbarten frei gespannten (2 bzw. 6) führt in diesem Bereich zwangsläufig zu einer starken Scher- und Drillbeanspruchung einer ggf. aufgebrachten Platte sowie zu starker Torsionsbeanspruchung der Randglieder, an denen die Rippen befestigt sind. Ausschlaggebend für die Biegesteifigkeit des Systems ist zunächst diejenige der Rippen, also insbesondere das Flächenmoment ihres Querschnitts. Maßgeblich für dieses Flächenmoment ist ihrerseits die statische Höhe (gemessen in Richtung x) der Rippe, welche die Elementdicke vorgibt. Je größer diese Höhe, desto biegesteifer naturgemäß das Element. Anders als bei der Platte tritt beim Rippenelement auch bei größeren statischen Höhen kaum der Fall ein, dass ein Gutteil der Tragfähigkeit zum Tragen des Eigengewichts aufgebraucht wird. Dies bedeutet, dass beim Rippenelement die Relation zwischen Tragfähigkeit und Eigengewicht zumeist günstiger ist als bei einer Platte. Andererseits kann bei einem derartigen Rippensystem für die gleiche Last eine größere Dicke oder statische Höhe vorzusehen sein als bei einer Platte, sofern das Eigengewicht nicht über die anderen Lasten dominiert. Das ein- oder beidseitige Belegen des Rippenelements mit einer Platte ( 205) kann die Tragfähigkeit des Gerippes erhöhen, sofern eine ausreichende Schubfestigkeit an der Grenzfläche zwischen Rippe und Platte gegeben ist ( 206, ☞). Es findet dann ein Mitwirken der Platte statt. Im Biegedruckbereich der Rippe verstärkt die Platte den Stab mit einem Druckgurt, der sich aus einem mitwirkenden Plattenstreifen über der Rippe ergibt ( 207). In der Zugzone wiederum kann die Platte, sofern sie die nötige Zugfestigkeit aufweist, auch als Zuggurt wirken. Insgesamt wird die statisch wirksame Höhe um die Plattendicke – einfach oder doppelt, je nachdem ob ein- oder beidseitige Beplankung – erhöht, das Flächenmoment vergrößert sich um den Anteil der beiden Gurte oder mitwirkenden Plattenstreifen. Eine quer gespannte Stabschar wie auf  208 ist naturgemäß nicht dazu geeignet, durch eine statische Mitwirkung die Biegesteifigkeit der Rippe zu erhöhen, da im Gegensatz zur Platte kein kontinuierlicher ergänzender Druck- oder Zuggurt entstehen kann. Die primäre Aufgabe dieser Stabschar ist, eine Last, wel-

2. Kraft leiten

485

4 1

z y

z y

x

x

2

5

6

7

3

203 Auflagerung der Rippen an Randstäben führt bei gleicher Rangordnung der Stäbe zu unnötiger Kraftumleitung und mangelhafter Materialausnutzung. 204 Eine vierseitige lineare Auflagerung eines gerichteten Rippensystems bietet keine Vorteile. Die Rippen 2 bis 6 profitieren aufgrund fehlender Querverteilung der Last von den Lagern in Position 1 und 7 nicht.

205 Belegung eines Rippensystems mit einer oder zwei Platten (hier beidseitig dargestellt).

z

z y

y

x

x

206 Sofern eine ausreichend schubfeste Verbindung zwischen Platte und Rippen besteht (wie hier in Form von punktuellen Verbindungen angedeutet), kann es unter Biegung zu einer statischen Zusammenwirken der beiden Bestandteile kommen.

207 Die kraftzugewandte Platte wirkt als Druckgurt der Rippe, die kraftabgewandte als Zuggurt. z

z y

y

x

x

208 Rippensystem mit Querstäben unter Biegebeanspruchung. Keine Mitwirkung der untergeordneten Stabschar möglich.

486

V Funktionen

☞ Band 2, Kap. VIII-1, Abschn. 3.6 Das Komplettieren von Stabsystemen zur Fläche mithilfe von Beplankungen, S. 180 ff

✏ hier überzeichnet dargestellt, der Übersichtlichkeit halber ohne die Verformung des Querstabs infolge Durchlaufwirkung zu berücksichtigen, auch zur deutlichen Abgrenzung dieser nachgeordneten Stabschar gegenüber einer quer spannenden Stabschar gleicher Rangordnung in einem mehrachsig gespannten Rippenelement (Trägerrost) ☞ Abschn. 9.5 Element aus zwei- oder mehrachsig gespannten Rippen, S. 488 vgl. auch Band 2, Kap. VIII-1, Abschn. 3. Der konstruktive Aufbau des Raum abschließenden Flächenelements, S. 170 ff

☞ Verminderte Biegebeanspruchung bei den Lastfällen 7.1.2, 7.1.3 sowie 7.1.5 und 7.1.6 im Vergleich zu Fall 7.1.2 oder 7.1.4

che nicht direkt auf einer Rippe auftrifft, also im Zwischenfeld angreift ( 209), auf beide das Feld begrenzende Rippen – hier Rippen 4 und 5, und zwar zunächst nur diese – zu verteilen. Der untergeordnete, quer verlaufende Stab (hier vereinfachend keine Durchlaufwirkung angenommen) wird folglich seinerseits unter Biegung gesetzt, wobei er lediglich den Abstand l zwischen zwei benachbarten Rippen zu überbrücken hat. Aus diesem Grunde benötigt die quer orientierte Stabschar nur eine begrenzte Steifigkeit und weist eine entsprechend geringe statische Höhe h auf. Dies ist ein wesentliches Merkmal hierarchisch geordneter gerichteter Systeme ( ☞). Einzellasten, die wie in  210 gezeigt eine Rippe und einen Querstab belasten, führen zu einer Biegeverformung der betroffenen Rippe (hier Nr. 5) sowie zu einer entsprechenden Biegeverformung des betroffenen Querstabs (✏). Die restlichen, nicht belasteten Querstäbe würden, ohne Befestigung an der Rippe 5, von dieser abheben. Dem belasteten Querstab fehlt indessen die ausreichende Biegesteifigkeit, um die Last quer auf benachbarte Rippen zu verteilen, d. h. um eine zweiachsige Lastabtragung zu erzwingen. Erst wenn der Querstab eine vergleichbare Steifigkeit wie die Rippe selbst aufweist, kann eine echte zweiachsige Biegung stattfinden (wie im Beispiel in  224, ☞). Unter übermäßiger Belastung kann bei Rippensystemen ferner das Biegedrillknicken der Rippen – auch oft als Kippen bezeichnet, nicht zu verwechseln mit dem Umkippen der Rippe wie in  198 dargestellt – eintreten. Unter extremer Biegebeanspruchung erfolgt dabei ein seitliches Ausweichen oder Ausknicken des druckbeanspruchten Rippenobergurts. Als Folge davon verdreht sich der Querschnitt der Rippe im Bereich der Feldmitte gegenüber dem Querschnitt im Auflagerbereich, der hier als festgehalten angenommen wird – beispielsweise durch einen Randstab. Dieser Versagensmechanismus kann eine einzelne Rippe betreffen (bei einer großen Einzellast,  211) oder auch eine komplette Rippenschar ( 212), insbesondere bei Kopplung der Rippen untereinander mittels einer quer orientierten Stabschar. Es liegt auf der Hand, dass eine Durchlaufwirkung der Rippen ( 213) zu einer günstigeren Verteilung der Biegemomente führt als bei Einfeldsystemen ( ☞). • Verdrillung: Keine, nur Torsion der Einzelstäbe.

2. Kraft leiten

487

7

7

6

6

5

5

4

4

3

3 1

2

1

2

209 Ein Querstab hat die primäre Aufgabe, Last unter Biegebeanspruchung auf die darunter liegenden Rippen (hier 4 und 5) zu verteilen (Durchlaufwirkung des Querstabs und Verformung der Rippen hier ausgeblendet).

l

h z

210 Die Wirkung einer Einzellast kann aufgrund nicht ausreichender Biegesteifigkeit des Querstabs nicht auf benachbarte Elemente (Rippen) verteilt werden (vereinfachte Darstellung).

z

l

y

y

x

x

F

kr it

F

kr it

z

211 Biegedrillknicken (Kippen) einer einzelnen Rippe unter großer Einzellast (lokal instabil).

z y x

y z

z y

x

z

x

z y

x

212 Biegedrillknicken (Kippen) eines kompletten Rippensystems unter großer Flächenlast (nicht stabiler Zustand).

z y x

z

z y

x

213 Eine Krag- oder Durchlaufwirkung der Rippen führt zu einer günstigeren Verteilung der Biegemomente.

488

9.5

V Funktionen

Element aus zwei- oder mehrachsig gespannten Rippen

Bei zweiachsig gespannten oder ungerichteten Rippenelementen – als Deckenkonstruktionen oftmals Roste oder Gitterroste genannt; in Form von Scheibensystemen als Rahmen bezeichnet – kreuzen sich zwei in ihren Dimensionen und Steifigkeiten vergleichbare Rippenscharen in beiden orthogonalen Hauptrichtungen (hier ➝ y und ➝ z). Die Rippen durchdringen einander in zumeist biegesteifen, seltener gelenkigen Knotenpunkten. Alternativ können sich auch drei oder mehr Scharen in einem Element gegenseitig durchdringen. Dieses Rippenelement verhält sich unter verschiedenen Belastungen analog zum gerichteten Rippensystem, weshalb zu diesen übereinstimmenden Fällen im Folgenden nicht erneut Stellung genommen wird. Ein deutlich abweichendes Verhalten ist hingegen immer dann festzustellen, wenn eine Querverteilung von Lasten den Ausschlag gibt. Diese speziellen Fälle sollen nun näher betrachtet werden: • Druck: Die Rippenschar in y-Richtung kann nicht verhindern, dass nach Überschreiten der kritischen Knicklast das gesamte Element, wie für den Fall des einachsig gespannten Systems in  168 und 169 dargestellt, unter Druck in z-Richtung als Ganzes versagt. Ein seitliches Ausweichen in y-Richtung wie auf  168 wird jedoch dann verhindert, wenn ein biegesteifer Anschluss der Rippenscharen vorliegt ( 214). Die quer gerichtete Rippenschar bewirkt hingegen eine seitliche Sicherung der Einzelstäbe unter starker Einzellast. Ein Ausknicken einer einzelnen Rippe wie – ebenfalls für das einachsige System – in  171 dargestellt ist folglich nicht zu befürchten. Anders als bei gerichteten Rippensystemen ist eine Aufnahme von Druckkräften in beiden Hauptrichtungen y und z unter identischen Voraussetzungen möglich. • Zug: Da die Querverteilung von Lasten unter Zugbeanspruchung nur eine untergeordnete Rolle spielt, ist hier kein abweichendes Verhalten gegenüber gerichteten Systemen feststellbar. Eine Ausnahme stellt das System auf  217 dar, bei dem eine Lastquerverteilung durch Biegung der orthogonal verlaufenden Stäbe erfolgt. • Querkraft: Anders als beim gerichteten Rippenelement, bei dem die vergleichsweise langen Rippen nur ungünstig mit dem Randglied in Form eines Rahmens zusammenarbeiten, ergeben sich beim ungerichteten Rippenelement für eine Rahmenwirkung ( 218) günstigere Voraussetzungen. Die zahlreichen steifen Knoten und die ähnlichen oder gleichen Längen von Stababschnitten in beiden Richtungen (➝ y und ➝ z) halten die Biegemomente verglichen mit einachsig spannenden Rippensystemen (vgl. hierzu  191) in Grenzen. Die Rahmenwirkung führt zu einer Biegeverformung der Stäbe wie auf  219 dargestellt. Eine Scheibenwirkung unter Querkraftbeanspruchung wie in

2. Kraft leiten

489

t

t

Fkri

Fkri

z

z

z y

y

x

x

y z y

214 Verformung des als Rahmen wirkenden ungerichteten Rippenelements.

x

z x

215 Seitliches Ausknicken des Rahmens in seiner Ebene (yz) bei linearer unterer Einspannung (nicht stabiler Zustand).

z

z y

y

x

x

216 Seitliches Ausknicken des Rahmens in seiner Ebene (yz) bei linearer zweiseitiger Lagerung (nicht stabiler Zustand).

z y x

z

z y

217 Querverteilung einer Zugkraft im zweiachsig gespannten Rippenelement durch Biegung der Querrippen.

z y x

220 Diagonalverband in einem ungerichteten Rippenelement mit Gelenkknoten.

218 Ungerichtetes Rippensystem unter Querkraftbeanspruchung.

z y x

221 Diagonalversteifung aller Felder mithilfe von Seilen (Knoten jeweils gelenkig).

x

219 Verformung des als Rahmen wirkenden ungerichteten Rippenelements.

490

V Funktionen

✏ eine einfache Lösung für dieses Problem unter Anwendung einer Diagonalversteifung aus durchgehenden Seilen zeigen Projekte wie die Gitterschalen des Büros Schlaich, Bergermann & P.

 218 dargestellt ist wie bei anderen Stabsystemen ( 189) naturgemäß auch bei sich kreuzenden Rippen mittels eines diagonalen Verbands möglich, wenn die Knoten gelenkig ausgeführt sind ( 220, 221). Aufgrund der zahlreichen Durchdringungen an den Rippenknoten ist hierfür allerdings im Regelfall ein erhöhter konstruktiver Aufwand erforderlich (✏). Alternativ ist auch eine Führung von flachen Zugelementen (Bändern oder Seilen) an der Elementaußenseite möglich. • Biegung: Besonders interessant ist das Verhalten des ungerichteten Rippenelements mit biegesteifen Knoten unter Biegebeanspruchung aufgrund einer Last quer zur Elementebene (also in Richtung x). Wie angesprochen erfolgt dann eine zweiachsige Lastabtragung in beiden Richtungen y und z entlang den beiden sich kreuzenden Rippenscharen. Jede einzelne Rippe wird unter Biegebeanspruchung von allen sie kreuzenden Rippen unterstützt, da diese an den Kreuzungspunkten schubfest und biegesteif miteinander verbunden sind.



• Linear gelagertes Rippenelement

z y x

222 Vierseitig linear gelagertes, ungerichtetes Rippenelement. Die Rippen sind an den Knotenpunkten schub- und biegesteif miteinander verbunden.

☞ vgl. hierzu auch die Verhältnisse bei der Platte in Abschn. 9.1.1 Vierseitig linear gelagerte Platte, S. 452 sowie Abschn. 9.1.2 Punktuell gelagerte Platte, S. 453

Bei einer vierseitigen linearen Randlagerung wie in  222 ist zu beobachten, dass unter der Belastung eine Verdrehung entlang der Stabachse aufgrund der Kontinuität der Rippen stattfindet. Die zu den Ecken hin steigende Behinderung der Verdrehung führt zu einer zunehmenden Verdrehungsänderung bzw. einem Tordieren der Rippen. Dieses Phänomen ist vergleichbar mit der Verdrillung von Plattenstreifen ( ☞). Es ergibt sich aus dem Umstand, dass jede einzelne Rippe an ihren Enden durch den (axial geraden) Randstab gehalten wird, im Feldbereich hingegen von den kreuzenden Rippen, die sich unter der Last verbiegen, um seine Achse verdreht, also unter Torsion gesetzt wird. Voraussetzung hierfür ist der biegesteife Verbund zwischen den Rippen an den Knotenpunkten, welcher charakteristisch für das ungerichtete Rippenelement ist. Dieser Effekt ist umso stärker, je weiter die Rippe vom Elementmittelpunkt entfernt ist. In  225 ist deutlich zu erkennen, dass die Randstäbe 1/1‘ und 7/7‘ am stärksten tordieren. Die mittleren Rippen 4/4‘ (sofern vorhanden) werden hingegen nicht verdreht. Diese Verformung stellt zwar eine zusätzliche Beanspruchung der betroffenen Rippen dar, sie kann aber auch als ein Mitwirken der jeweiligen Rippe bei der Lastabtragung durch die kreuzenden Stäbe aufgefasst werden. Oder anders formuliert: durch den Torsionswiderstand, den jede Rippe dieser Beanspruchung entgegensetzt, wird die Biegeverformung der sie kreuzenden Rippen verringert (226). Man kann diesen Effekt gezielt dadurch verstärken, dass der Torsionswiderstand der Rippen vergrößert wird. Dies setzt einen gedrungenen Querschnitt mit möglichst großen Abmessungen voraus. Da dies bei Anwendung auf alle Rippen zu einem vergleichsweise hohen Materialaufwand führt, wird in der Regel nur der Randstab (Nr. 1/1‘ oder 7/7‘) entsprechend torsionssteif ausgebildet, da er auch derjenige ist, der am stärksten unter Torsion steht (227 rechts). Jede an ihm anschließende Rippe wird dann an ihrem Auflager einem

2. Kraft leiten

491

stärkeren kompensierenden Biegemoment unterworfen – vgl. die beiden großen Drehpfeile an den Rippenenden in 227 –, was zu einer teilweisen Einspannung und folglich zu einer Reduktion der Feldmomente führt. Wie bei der Platte auch, heben beim ungerichteten Rippenelement die Ecken vom Lager ab, sofern keine Kraftwirkung vorhanden ist, die dies verhindert (224) (☞). Bei den 225 und 226, die keine abhebenden Ecken zeigen, wurde eine derartige rückhaltende Kraft angenommen und damit von einem drillsteifen Element mit geringerer Biegeverformung ausgegangen.

☞ Erklärung in Band 2, Kap. VIII-2, Abschn. 3.1.1 Platte zweiachsig gespannt, linear gelagert, S. 286 ff

4 7 Detail auf Abb. 1‘

1

2

3

4

5

1‘

6

2‘

2‘ 3‘

4 1‘

2‘

4‘ 5‘ 6‘ 7‘

z y

3‘

3‘

4‘

4‘

5‘

5‘

6‘

6‘

7‘

7‘

x

223 Ungerichtetes Rippenelement unter Biegebeanspruchung durch Flächenlast senkrecht zu seiner Ebene. Ecken hier gegen Abheben gesichert angenommen.

d

d

d

z z y

d

x

224 Abheben der Eckbereiche unter gleicher Belastung wie in  223 bei nicht ausreichender Auflast oder Rückhaltekraft, analog zur vollwandigen Platte.

y

227 Schnitt durch das belastete Rippenelement in  223 neben der Mittelrippe Nr. 4. Links: torsionsweicher Randstab 1‘/7‘. Rechts: torsionssteifer Randstab 1‘/7‘ führt zu einem Einspannungseffekt an den Rippenenden und folglich zu einer günstigeren Momentenverteilung sowie zu einer geringeren Verformung.

492

V Funktionen

225 Jede Rippe (hier 1 bis 4 komplett dargestellt) erfährt eine Biegeverformung in der Ebene xz sowie eine Verdrehung um ihre Achse in z-Richtung. Hieraus folgt eine spezifische Abweichung der Knotenachse aus der x-Richtung in jedem Knoten.

L 1 L

1‘

2‘

3‘

4‘

5‘

6’

L

7‘

z y

L

2

3

4

2. Kraft leiten

493

226 Verformung des in  225 gezeigten Systems. Man erkennt die Verdrillung der Rippen um ihre Längsachse. Die Randrippen 1, 1‘, 7 und 7‘ werden am stärksten tordiert, die Mittelrippe 4 hingegen nicht. Die Tordierung resultiert aus der Änderung der Rippenverdrehung.

4 3

L

-z

2

-z

1 -z +y-z

1‘

L

-z

0 +y -z

2‘

-z +y-z

+y +y

3‘

-z

0 +y

+y

+z

+y

4‘

+z y +

+y +z +y

5‘

+z y +

+y

+y

x

L

+z

Knotenachse nach Verformung

7‘

y

+z

+z +y +z

6‘

z

+z

0

L

Referenzachse in Richtung x Symmetrieachsen L: Lagerachsen

494



V Funktionen

• Punktuell gelagertes Rippenelement

Detail

z y x

228 Verformung des auf vier Eckpunkten gelagerten Rippensystems. Siehe Detail in  229 und 230.

☞ wie in  227 dargestellt

☞  227 rechts

☞ wie in  229 und 230 im Vergleich zu  225 und 226 erkennbar

• Vergleich gerichtete-ungerichtete Rippensysteme

Bei punktueller Lagerung des Rippenelements an den vier Ecken wie auf  228 dargestellt erfolgt wie bei der linearen Lagerung ebenfalls eine zweiachsige Lastabtragung zunächst infolge der schubfesten Verbindung zwischen den sich kreuzenden Rippen, die sich unter der Belastung gemeinsam verformen. Anders als bei der linearen Randlagerung wird der Randstab (1/1‘ bzw. 7/7‘) hier wie alle anderen Rippen unter Biegung gesetzt. Er erfährt eine stärkere Biegeverformung als die restlichen Rippen. Die Mittelrippe (4/4‘) wird hingegen am wenigsten verformt. Da die Enden sämtlicher Rippen an den Randstäben biegesteif anschließen, führt diese unterschiedliche Biegeverformung der Rippen, die graduell zwischen Randstab (maximal) und Mittelstab (minimal) variiert, zu einem Tordieren des Randstabs. Da aber sämtliche Rippen an den Kreuzungspunkten biegesteif verbunden sind, betrifft dieses Phänomen alle Rippen bis auf die Mittelstäbe (sofern vorhanden). Unterschiedliche Biegeverformungen der Rippen 1 bis 7 (in der Ebene x-z) führen also zu einer sich ändernden Verdrehung der Stäbe 1‘ bis 3‘ und 5‘ bis 7‘ um ihre Achsen (entlang ➝ y). Wie beim linear gelagerten Element auch, wirkt das Tordieren der Rippenstäbe entlastend auf die unter Biegebeanspruchung befindlichen kreuzenden Stäbe (☞). Es setzt wiederum an jedem Knotenpunkt ein kompensierendes Moment an, das gegensinnig zum belastenden Biegemoment wirkt. Analog zum linear gelagerten Rippenelement lässt sich auch in diesem Fall diese Wirkung durch einen gedrungeneren Randstab verstärken (☞), da auch bei der Punktlagerung dieser der stärksten Torsion unterworfen ist – deutlich erkennbar in  229, Stab 1 bzw. 1‘ und 7‘. Insgesamt ist die Drillbeanspruchung eines punktgelagerten zweiachsigen Rippensystems deutlich geringer als bei einer linearen Lagerung (☞). Zusammenfassend können folgende wesentliche Merkmale gerichteter bzw. ungerichteter Rippensysteme festgehalten werden • Als schubbeanspruchtes Element, also als Rahmen, ist einzig das ungerichtete System aus sich kreuzenden Rippenscharen geeignet. Eine ausreichende Rahmenwirkung ist bei langen, parallel verlegten Rippenstäben nicht vernünftig realisierbar. Das ungerichtete Rippenelement nähert sich in seiner Tragwirkung am ehesten einer Scheibe an. Insbesondere dann wenn es gilt, Öffnungen ohne Diagonalversteifungen (wie in  218) freizuhalten, wie es bei Außenwänden mit Fenstern der Fall ist – insbesondere bei der Aussteifung von Hochhäusern kann die Rahmen- bzw. Scheibenwirkung der Außenwand eine entscheidende Rolle spielen –, sind rostartige Rippensysteme gut geeignet. • Ein sehr vorteilhaftes Tragverhalten zeigt unter bestimmten Voraussetzungen das ungerichtete Rippenelement unter Biegebeanspruchung infolge Kraftwirkung rechtwinklig zu seiner

2. Kraft leiten

Ebene, d. h. in seinem Einsatz als Trägerrost. Maßgeblich hierfür ist die zweiachsige Lastabtragung in beiden sich kreuzenden Rippenscharen. Voraussetzung ist die schub- und biegesteife Knotenverbindung zwischen den Rippen. Es kommt eine weitgehende Mitwirkung sich kreuzender Rippen zum Tragen, und zwar nicht allein dank der Biegesteifigkeit der Rippen, sondern auch dank ihrer Torsionssteifigkeit. Auf diese Weise wird das Material in sehr vorteilhafter Weise – man könnte sagen mehrfach – ausgenutzt. Auch hier kommt das ungerichtete Rippensystem einer Platte sehr nahe. Eine Voraussetzung hierfür ist wiederum, dass die Steifigkeiten der beiden Scharen vergleichbar sind, ansonsten wird eine der Scharen (die steifere) überproportional belastet, die andere wird hingegen unzureichend ausgenutzt ( ☞). Dies führt sinngemäß zu vorwiegend quadratischen Elementformen, also zu gleichen Spannweiten in beiden Richtungen. Die deutlich Last verteilende Charakteristik dieser Systeme bietet auch bei ungleichmäßig verteilter oder wechselnder Last Vorteile. Die Konsequenz dieser guten Ausnutzung des Materials unter Biegung sind deutlich geringere Konstruktionshöhen als bei gerichteten Rippensystemen, insbesondere dann, wenn letztere aus gestapelten Stabscharen aufgebaut sind. Manchmal kann sich hingegen die Festlegung auf gleiche Spannweiten in beiden Hauptrichtungen als planerisch einengend erweisen, so dass ggf. dem gerichteten System der Vorzug einzuräumen ist. Ferner ist der konstruktive Aufwand in Rechnung zu stellen, der mit der Schaffung der Rippenknoten verbunden ist. Es kann stets nur ein Stab durchgängig ausgeführt werden, die anstoßenden sind schub- und biegesteif beidseitig anzuschließen. Einfacher kann dieser Detailpunkt mit gießbarem Material (z. B. Beton) ausgeführt werden. Grundsätzlich sind derartige ungerichtete Rippensysteme aufwendig in der Ausführung. Der Zusatzaufwand kann stets nur dann gerechtfertigt sein, wenn sich hoher Nutzen aus den Stärken dieser Systeme, wie oben beschrieben, schlagen läßt. Immer dann, wenn diese Merkmale nicht den Ausschlag geben, wie bei einfachen, vergleichsweise wenig belasteten Elementen, bei denen es vornehmlich darum geht, ohne großen baulichen Aufwand eine geschlossene Fläche zu bilden, zeigen die gerichteten Systeme aufgrund ihrer konstruktiven Einfachheit deutliche Vorzüge. Als einfache Unterkonstruktion für eine abschließende, Flächen bildende dünne Platte, wie etwa bei einem beidseitig beplankten leichten Rippenelement, bietet ein vergleichsweise kostspieliges ungerichtetes Rippengitter keinerlei Vorteile.

495

☞ Band 2, Kap. VIII, Abschn. 2.3 Verhältnis der Spannweiten bei zweiachsigem Lastabtrag, S. 164 ff

496

V Funktionen von Bauteilen

229 Verformung des in  228 gezeigten Systems. Man erkennt auch in diesem Fall die Verdrillung der Rippen um ihre Längsachse. Die Randrippen 1, 1‘, 7 und 7‘ sind auch an ihren Enden, also im Bild bei den Auflagerpunkten 1/1‘ und 1/7‘, tordiert.

1 1‘

2‘

3‘

4‘

5‘

6’

7‘

z y

2

3

4

2. Kraft leiten

497

230 Spezifische Abweichung der Knotenachse aus der x-Richtung in jedem Knoten infolge der Verformung des Rippensystems.

4 3

-z +y-z

2 1

-z

+y +y

1‘

+y-z -z

-z

+y -z

2‘

+y-z

+y z +y-z

3‘

0

+y-z

+y +z

+y

4‘

+z y +

+y +z y +

+z +z y +

+z y +

5‘

+z +y

+z +z

+z y +

6‘

+y +z +y

z y x

7‘

+z +y

498

9.6

V Funktionen

Element aus beplanktem Rahmen

☞ Kap. IV-4, Abschn. 3.1 Isoliergläser, S. 312 ☞ Band 3, Kap. XII-6 Punktgestützte Systeme ☞ Band 2, Kap VII, Abschn. 5.4.4 Rippensystem mit Schale und Aufbau mit Längsrippung ☞ punktgestützte Platten in den Abschn. 7.3.10 und 7.3.11, S. 433 f

Die Flächenbildung findet bei diesem konstruktiven Prinzip dadurch statt, dass eine möglichst große Platte ein- oder beidseitig auf einer rahmenartigen Zarge befestigt wird. Es ist in seiner Tragwirkung zunächst vergleichbar mit einem zweiachsig gespannten Rippensystem (s. o.), bei dem eine Flächen bildende, abschließende Platte ja auch ringsum auf einem Geviert aus Stäben aufliegt. Die Besonderheit dieses Prinzips besteht darin, dass größere Felder von der Platte frei zu überdecken sind, was zunächst dem bewährten konstruktiven Prinzip widerspricht, größere Flächen in ein engmaschigeres Rippensystem mit möglichst dünner abschließender Plattenbeplankung aufzulösen. Verständlich wird die Sinnhaftigkeit dieser Variante erst dann, wenn man sich vor Augen führt, dass sie fast ausschließlich bei verglasten Hüllelementen verwirklicht wird, insbesondere in der Bauform eines beidseitig mit Glas belegten Rahmenelements, also eines Zweischeiben-Isolierglases. Es leuchtet ein, dass dabei ein wichtiges Ziel ist, möglichst große transparente, von unterstützenden Rippen vollständig freie Flächen zu bilden, weshalb sich das unterstützende Rippensystem verbietet. Aus diesem Grunde soll im Folgenden bei der Platte nur noch von einer Scheibe – also Glasscheibe – die Rede sein. Damit sind hinsichtlich der Kraftleitung auch gleichzeitig die engen Grenzen dieser Strukturvariante definiert. Sie werden maßgeblich von der maximalen Spannweite vorgegeben, die eine Glasscheibe mit vertretbarer Dicke und Gewicht unter Biegebeanspruchung überbrücken kann. Für die Aufnahme andersartiger Beanspruchungen wie Druck, Zug und Schub in größerem Ausmaß ist dieses Element nicht geeignet. Einzig die bei äußeren Hüllelementen übliche Kombination aus Biegebeanspruchung aus Wind und Druck- bzw. Zugbeanspruchung aus Eigenlast ist für die Bemessung und konstruktive Ausbildung maßgeblich. Bei einseitig auftreffender Flächenlast wie unter Windbelastung muss die Kraft in der betroffenen (äußeren) Scheibe aufgenommen werden, ohne Mitwirkung der anderen Scheibe. Es wirkt sich dabei vorteilhaft aus, dass die Scheibe vierseitig linear gelagert ist, also zweiachsig spannt. Voraussetzung dafür ist wiederum das Seitenverhältnis des Elements, das – zumindest aus Sicht der Lastabtragung – möglichst quadratisch sein, jedenfalls die Proportion 1:1,5 nicht überschreiten sollte. Die Umfassungszarge kann für tragende Zwecke – z. B. bei Punktlagerung an den Ecken – nicht herangezogen werden, da ihre statisch nutzbare Höhe aus bauphysikalischen Gründen (☞) maßlich stark eingegrenzt ist. Eine Punktlagerung des Elements ist realisierbar (☞). Dabei wird im Regelfall die außen auftreffende Last mithilfe der Verbindungsmittel durch die Doppelscheibe hindurch an die stützende Konstruktion abgegeben (☞). Maßgeblich für diesen Lagerungsfall sind insbesondere die an den Befestigungspunkten in der belasteten Scheibe auftretenden Querkräfte (☞).

2. Kraft leiten

Ein Mehrschichtverbundelement besteht aus einem vollwandigen Kern und zwei diesen beidseitig bedeckenden dünnen Schichten oder Schalen, welche mit diesem im Regelfall schubfest verbunden sind. Trifft dies zu, so wirkt das gesamte Paket im Wesentlichen wie eine Platte oder Scheibe, also wie das bereits unter 9.1 besprochene vollwandige Element. Der wesentliche Unterschied zu diesem beruht in der Querschnittsheterogenität des Elements: in der Regel weisen die beteiligten Schichten unterschiedliche Materialeigenschaften auf, da sie in den meisten Fällen auch auf verschiedene Teilfunktionen (z. B. bauphysikalische) spezialisiert sind. Dabei kommt dem Kern üblicherweise eine wärmedämmende Funktion zu, die Deckschichten sind beispielsweise für den Witterungsschutz oder für den Schutz gegen mechanische Einwirkungen zuständig. In Bezug auf die Kraftleitungsfunktion ist insbesondere die Biegebeanspruchung zu betrachten, unter welcher (☞) die größten Spannungen im Material auftreten ( 232). Es ergeben sich beim Mehrschichtverbundelement im Vergleich mit einem vollwandigen Element immer dann deutliche Vorteile, wenn die beteiligten Schichten spezifische Fähigkeiten aufweisen:

499

9.7

Mehrschichtverbundelement

☞ wie ausgeführt, vgl. Abschn. 3. Vergleichende Betrachtung von Biegemomenten/Querkräften und axialen Belastungen bzw. Membranspannungen, S. 379 Deckschicht

• Deckschichten: zug- und druckfest

Kern

σ

• Kern: schubfest (zug- und drucknachgiebig) Dies entspricht einer Zuordnung der Spannungen wie folgt: h1

Biegezugspannungen sind im Regelfall gut von einer dünnen äußeren Schicht aufzunehmen, beispielsweise von einem Blech. Biegedruckkräfte sind immer dann von einer dünnen Außenschicht aufnehmbar, wenn ein ausreichender Haftverbund zum Kern besteht, und dieser die dünne Schicht vor dem Ausweichen (Beulen/Knicken) bewahrt. Unter diesen Voraussetzungen ist die Lage der verschiedenen Funktionsschichten ideal, da die zug- und druckfesten Außenschichten den maximal realisierbaren Hebelarm – also die beinahe komplette statische Höhe oder Konstruktionsstärke des Elements – ausschöpfen. Mehrschichtverbundelemente vereinen in ihrer baupraktisch häufigsten Erscheinungsform, dem Sandwichelement, auf eine sehr günstige Weise zwei Funktionsprinzipien: • bauphysikalisch: wärme- und feuchteschutztechnisch die Kombination eines dämmenden porösen Kerns mit vor Witterung schützenden Deckschichten ( ☞). Ferner die schalltechnische Verwirklichung eines federnden Systems aus zwei festen Außenschalen und einem (zumindest teilweise) federweichen

BD 2

S1

σ

BZ 1

Platte

< σBD 1

S2 H

• Deckschichten: Biegezug- und Biegedruckspannungen • Kern: Schubspannungen

σ

BD 1

S1 h2 S2

σ

BZ 2

< σBZ 1

Mehrschichtverbundelement

231 Verringerte Biegezug- und Biegedruckspannungen sB (größerer Momentenhebelarm h2) beim Mehrschichtverbundelement im Vergleich zur vollwandigen Platte (Si = Schwerpunkt, I = const.)

☞ Kap. V-3, Abschn. 2.1 Prinzipielle Kombinationsmöglichkeiten von feuchterelevanten Funktionsschichten, S. 518

500

V Funktionen

Kern. Gerade diese letzte Charakteristik kann vom Kernmaterial nur sehr eingeschränkt geleistet werden, da die Anforderungen an die Schubfestigkeit (Kraft) und Federweichheit (Schall) widerstrebender Art und nur sehr eingeschränkt zu vereinbaren sind. Aus diesem Grund kann die schalltechnische Wirkungsweise von Sandwich-Außenbauteilen in Leichtbauweise auch als deren gravierendste Schwachstelle bezeichnet werden.

z y x

232 Sandwichelement unter Biegebeanspruchung infolge Flächenlast senkrecht zu seiner Ebene.

9.8

Pneumatisch vorgespannte Membran

☞ Abschn. 4. Materielle Ausführung von Hüllbauteilen > 4.2 Bewegliche Systeme, S. 380

• kraftleitend: Kombination von Außenschichten mit dichter Materialstruktur (geeignet zur Aufnahme von Biegezug- und Biegedruckspannungen) mit schubfestem und darüber hinaus schubfest mit den Deckschichten verbundenem Kern aus Material mit weniger dichtem Materialgefüge. Es handelt sich um den Idealzustand des Doppel-T-Prinzips wie bei Biegebalken. Der Begriff des Sandwich wird auch oftmals auf Elemente angewandt, die nur die angesprochene bauphysikalische Funktionsweise, nicht aber die kraftleitende realisieren. Hierzu gehören Sandwichplatten aus Stahlbeton mit dämmender Kernschicht. In der Folge unserer bisherigen, grundsätzlich auf ebene Hüllbauteile beschränkten Betrachtung sind abschließend rein zugbeanspruchte Membran- bzw. Seilnetzsysteme (pneumatisch und mechanisch vorgespannt, Abschn. 9.8, 9.9) unter vergleichbaren Vorgaben zu untersuchen: Es wird jeweils eine gedachte, rechteckig bzw. quadratisch eben umgrenzte Hüllfläche angesetzt, welche durch Membranen oder Seilnetze geschlossen wird. Man wird der außerordentlich großen Formenvielfalt von Membrantragwerken dadurch zwar nicht gerecht,8 doch ist das Ziel unserer Überlegungen an dieser Stelle ein anderes, nämlich die Beschreibung der grundsätzlichen Kraftleitungsmechanismen bei einem Hüllbauteil mit begrenzter Ausdehnung. Unter dieser Vorgabe sind die folgenden Ausführungen zu interpretieren. Wie bereits kurz angesprochen ( ☞) erfolgt die Stabilisierung der von sich aus biegeweichen Membran durch eine Vorspannung infolge Druckdifferenz zwischen den zwei an die Membran anstoßenden Raumhälften ( 233, 234). Als Kraft ausübendes Stützmedium wirkt dabei entweder Luft, andere Gase, Flüssigkeiten oder geeignete Granulate. Zumeist sind gebäudetechnische Zusatzmaßnahmen notwendig, um diese Druckdifferenz dauerhaft aufrechtzuerhalten, da von ihr die Standfestigkeit des Elements abhängt. Sowohl Einfach- wie auch Doppelmembransysteme beruhen auf dieser durch das Stützmedium hervorgerufenen Vorspannung, wobei Über- und Unterdruck jeweils sowohl innen- als auch außenseitig angeordnet sein können – daher die Unterscheidung in Über- und Unterdrucksysteme. Anders als bei Doppelmembransystemen, die hier im Folgenden exemplarisch betrachtet werden sollen, ist bei Einfachmembransystemen der stabilisierende Raum gleichzeitig der Nutzraum des Bauwerks. Hieraus folgt, dass bei letzteren das

2. Kraft leiten

501

Stützmedium Luft sein muss, zwar unter physiologisch verträglichen Druckverhältnissen. Ansonsten ist im Rahmen unserer Überlegungen die Kraftleitungsfunktion beider Systeme vergleichbar. Unter der Wirkung des Stützmediums nimmt die Membran eine nahezu ausnahmslos synklastische - gleichsinnig doppelte Krümmung - an. Sie ist kennzeichnend für die meisten pneumatisch gespannten Membranen. Einzig in kritischen Anschlussbereichen – wie bei unserem Beispiel in den Eckbereichen des Stützrahmens oder generell bei punktuellen Stützungen – treten lokal auch antiklastische - gegensinnige doppelte Krümmungen - auf. Die derart durch Vorspannung erzeugte stabile Oberfläche ist eine

-

+

233 In einer ringsum verlaufenden Lagerung gefasste, pneumatisch gespannte Doppelmembran.

z y

z

x x

234 Querschnitt durch die Doppelmembran entlang xz.

235 Verteilte Kraftwirkung auf die Membran parallel zur Rahmenebene entlang ➝ y. z y

y

x x

236 Querschnitt: Formänderung der Membran unter Last wie in  235.

237 Verteilte Kraftwirkung auf die Membran rechtwinklig zur Rahmenebene entlang ➝ x.

z y

z

x x

238 Querschnitt: Formänderung der Membran unter Last wie in  237.

502

V Funktionen

direkte Folge des jeweils herrschenden Gleichgewichts der Kräfte. Anders als bei biegesteifen festen Bauteilen führt eine Veränderung der wirkenden Kräfte zu einer dehnungslosen Verformung des Flächenbauteils, und zwar derart, dass sich bei veränderter Membrangeometrie ein erneutes Gleichgewicht unter den neuen Kraftverhältnissen einstellt ( 235-238). Dies gilt für alle zugbeanspruchten nicht biegesteifen Tragwerke, also auch für die weiter unten zu diskutierenden mechanisch versteiften Membranen. Aus diesem Grunde kann man diese Art von Kraft leitenden Systemen mit einiger Berechtigung als beweglich bezeichnen,9 da sie unter den bauüblichen wechselnden Belastungen deutliche Bewegungen und Verformungen vollführen. Sie sind deshalb trotz ihrer außerordentlich hohen Materialausnutzung – reine Membranspannungen, keine Biegung; reine Zugbeanspruchung, keine Knick- oder Beulgefahr – im Hinblick auf ihre Kraftleitungsfunktion nur dort einsetzbar, wo man diese Bewegungen tolerieren kann. Begehbare Bodenflächen sind ein Beispiel für diesbezüglich kritische, kaum mit rein zugbeanspruchbaren Elementen herstellbare Bauteile. Sie sind jedoch durch Ballastierung eingeschränkt für diesen Zweck tauglich zu machen. 9.9

Mechanisch vorgespannte Membran

239 In einem Rahmen eben gespannte Membran.

Die zunächst naheliegendste Art eine Membran vorzuspannen ist, diese an ihrer linearen Randeinfassung unter Zug zu versetzen. Die Membran wird – sofern die Randeinfassung in einer Ebene liegt – eben gespannt ( 239 und 240). Die Vorspannung sorgt dafür, dass keine Falten entstehen.

z y

240 Querschnitt durch die ebene, unbelastete Membran entlang xz oder xy.

x

y x

Kräfte, die wie auf  241 und 242 in der Membranebene wirken, verändern die Membranform nicht, sondern erzeugen Dehnungen wie bei einem gerade hängenden Seil. Ist das Membranmaterial elastisch, bauen die Kräfte in Wirkrichtung die Vorspannkraft ab und erhöhen die Zugspannung auf der entgegengesetzten Seite proportional. Sobald die Kraft die Vorspannkraft übersteigt, hängt die Membran auf der Seite, welche der Kraft zugewandt ist, durch bzw. knittert. Die eben gespannte Membran ist auch in der Lage, Kräfte quer

2. Kraft leiten

503

zu ihrer Ebene aufzunehmen ( 243). Im eben gespannten Zustand ( 244) wirken theoretisch unendlich große Kräfte, so dass die Membran wie in  245 und 246 für die Schnittebene xz dargestellt aus der Ebene ausweicht. Erst der Winkel a3 bzw. b3 reduziert die Membrankräfte R1 und R2 so weit, dass sich unter der Kraftwirkung F ein stabiles Gleichgewicht einstellt ( 247). Dies ist auch auf die

241 In der Ebene wirkende Streckenlast auf die eben gespannte Membran baut in Wirkrichtung die Vorspannkraft ab. z y

y

242 Querschnitt durch die Membran entlang xy.

x x

R2 = ∞

243 Entlang x wirkende Einzellast auf die eben gespannte Membran ruft eine Formänderung der Membran in Wirkrichtung der Kraft hervor, die sie befähigt, die Last aufzunehmen.

R F

R1 = ∞ z

z

y

1

x x

R2 α 1 R

R2 F

R1

244 Die Einzellast belastet die Membran. Im ebenen Zustand müssten die Kraftkomponenten R1 und R2, deren Resultierende die Reaktion R ist, unendlich groß sein. Die Membran reißt bereits in diesem Zustand oder weicht im Normalfall aus (nicht stabiler Zustand).

α2

α3

R2

R F

R1

R

F

R1 β2

β1

β3

z

z x

2

245 Die Einzellast führt zu einem anfänglichen Ausweichen der Membran. Die in ihr wirkenden Komponenten R1 und R2 werden aufgrund der Winkel a1 und b1 kleiner (nicht stabiler Zustand).

z x

3

246 Mit fortschreitender Formänderung und wachsendem Winkel a2, b2 verkleinern sich die Kraftkomponenten R1 und R2 kontinuierlich (nicht stabiler Zustand).

x

4

247 Das stabile Gleichgewicht und der Stillstand sind beim Winkel a3, b3 erreicht. Die Gegenkraft R als Resultierende der beiden Seilkräfte R1 und R2 neutralisiert die Kraft F (stabiler Zustand).

504

V Funktionen

z y x

248 Analog zu  243 bis 247 führt eine rechtwinklig zur Ebene wirkende Flächenlast zu einer lastabhängigen starken Formänderung der Membran, bevor die auf ihr wirkende Kraft im Gleichgewicht steht.

z x

249 Mittiger Querschnitt durch die Membran entlang xy oder xz.

andere Schnittrichtung (xy) übertragbar. Ein ähnlicher Vorgang spielt sich bei verteilter Belastung der eben gespannten Membran ab ( 248, 249). Je größer die Vorspannkraft, desto geringer der für das stabile Gleichgewicht nötige Winkel a und b. Diese Vorspannkraft nähert sich bei kleinen Winkeln jedoch sehr rasch extrem hohen Werten – bei a, b = 0 theoretisch unendlich. Die großen anfänglichen Bewegungen, welche die eben gespannte Membran unter Kraft senkrecht zu ihrer Ebene vollführt, bevor das Gleichgewicht erreicht ist, schränken ihre bauliche Anwendung sehr stark ein. Kräfte wie beispielsweise infolge Wind auf eine derartige Membran als Außenwand erzeugen Flattern und im ungünstigsten Fall das Zerreißen der dünnen Haut. Als bewitterte horizontale Fläche bilden sich unter der Verformung Wassersäcke. Diese Art von Membrankonstruktion ist deshalb nur für kleine Formate und untergeordnete Zwecke geeignet. Deutlich geringere Formänderungen sind hingegen bei einer Membran zu beobachten, die mittels einer geeigneten Vorspannkraft bereits aus der Rahmenebene hinaus verlagert ist. Dies kann beispielsweise durch eine punktuelle Stützung wie in  250, 251 geschehen. Dadurch sind an jedem Punkt der Membran die geometrischen Voraussetzungen – also ausreichende Winkel gegenüber der Rahmenebene – geschaffen, um der äußeren Belastung rasch, d. h. ohne allzu große Formänderung, Gegenkräfte entgegenzusetzen. Verschiedene äußere Kraftwirkungen und die zu erwartenden Formänderungen sind in  252-257 exemplarisch dargestellt. Der Vorspannkraft entgegengesetzte Membrankräfte dürfen diese jeweils an keiner Stelle übersteigen, da die Membran ansonsten Falten wirft oder durchhängt. Punktuelle Stützungen führen zu Kraftkonzentrationen im Bereich der Membranenbefestigung, die schnell ein Reißen der empfindlichen Membran zur Folge haben können. Die Krafteinleitung aus der Membran in die Stützung sollte aus diesem Grunde auf eine möglichst lange Randlinie – wie bei einem Ring oder einer Schlaufe, vgl.  46 – verteilt werden. Doppelt gekrümmte, mechanisch vorgespannte Membranen sind, im Gegensatz zu den pneumatisch gespannten, grundsätzlich antiklastisch (also gegensinnig) gekrümmt. Ihre Tragwirkung basiert für jede Belastung auf einem Zusammenspiel von Tragrichtung – in  250 zwischen Spreize und Rahmen – und Spannrichtung – in  250 jeweils konzentrisch ringförmig um den Hochpunkt. Vergleichbare Belastungen ( 243-249) führen bei der doppelt gekrümmten, mechanisch vorgespannten Membran zu deutlich geringeren Verformungen als bei der ebenen. Dies erhöht ihre Gebrauchstauglichkeit, insbesondere für horizontale Hüllbauteile, und verringert die Beanspruchungswechsel in den Lagern (kritisch: Ermüdung des Materials).

2. Kraft leiten

505

250 Mittels einer Unterspannung mechanisch aus der Rahmenebene heraus vorgespannte Membran. z y

z

x x

251 Querschnitt durch Membran wie auf  246 entlang xz. Unterstützung mit abgespannter Luftstütze angenommen.

252 Formänderung unter Last auf der Membran parallel zur Rahmenebene, entlang y.

z y

z

x x

253 Querschnitt der Membran in  248 mit Formänderung infolge Kraftwirkung.

254 Formänderung unter verteilter Last quer zur Rahmenebene. z y

z

x x

255 Querschnitt der Membran in  250 mit Formänderung infolge Kraftwirkung. Luftstütze unbeweglich angenommen.

256 Formänderung unter verteilter Last auf eine Membranenhälfte quer zur Rahmenebene. z y

z

x x

257 Querschnitt der Membran in  252 mit Formänderung infolge Kraftwirkung. Unterspannung der Luftstütze unbeweglich angenommen.

506

V Funktionen

Anmerkungen

1

2

3

4 5

6

7

8

9

Wenngleich in der Baustatik der Begriff Belastung stets eine äußere Kraft bezeichnet, soll dennoch – um etwaigen Missverständnissen vorzubeugen – der Ausdruck äußere Belastung verwendet werden, auch wenn dies streng genommen als eine Redundanz gelten kann. Demgegenüber bezeichnen die Begriffe Schnittkraft und Beanspruchung immer innere Kräfte, die Spannungen hervorrufen. Die Lagerung des Zylinders auf der Platte ist hier gleitend angenommen, so dass keinerlei Momente im Auflagerbereich des Zylinders entstehen. Dies gilt streng genommen für E-E-Bemessung (elastisch-elastisch). Bei E-P (elastisch-plastisch) lassen sich etwas größere Reserven im Querschnitt aktivieren. Dies ändert aber nichts an der grundsätzlichen Gültigkeit der Aussage. Herzog (1976) Pneumatische Konstruktionen - Bauten aus Membranen und Luft, S. 15 Der Effekt der Drillmomente und der abhebenden Ecken ist hierbei nicht berücksichtigt. Dies führt zu singulären Momentenverläufen in den Eckbereichen. Der Begriff Verband, der bisher als Bezeichnung eines allgemeinen Ordnungsmusters von Bausteinen verwendet wurde, meint hier den mauerwerksüblichen Verband mit Bausteinübergreifung. Zu katalanischen Ziegelgewölben siehe: Moya Blanco (2000) Bóvedas tabicadas; auch Collins (1968) The Transfer of Thin Masonry Vaulting from Spain to America, S. 176-201 Zum Zweck eines vertiefenden Studiums von zugbeanspruchten Flächentragwerken siehe z. B.: Brinkmann (1990) Leicht und Weit - Zur Konstruktion weitgespannter Flächentragwerke; Otto F (1990) Das hängende Dach Berger (1996) Light structures - Structures of Light - The Art and Engineering of Tensile Architecture, S.49f. Der Autor macht eine sehr anschauliche und einleuchtende Unterscheidung zwischen festen und dynamischen Tragsystemen.

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE 1. Die thermohygrischen Schutzfunktionen 1.1 Schutz vor Feuchte 1.2 Windschutz 1.3 Wärmeschutz 1.4 Schutz vor unkontrolliertem Dampfeintritt in die Konstruktion 2. Das Zusammenwirken der thermohygrischen Funktionsschichten in der Hüllkonstruktion 2.1 Prinzipielle Kombinationsmöglichkeiten von feuchterelevanten Funktionsschichten 3. Konstruktive Aufbauten hinsichtlich ihrer thermohygrischen Funktionsweise 3.1 Sandwichpaneel 3.2 Isolierglasscheibe 3.3 Holzfensterprofil 3.4 Aluminiumfensterprofil 3.5 Nicht belüftetes Flachdach 3.6 Umkehrdach 3.7 Einschalige Außenwand aus porosiertem Mauerwerk 3.8 Einschalige Außenwand aus Mauerwerk mit Wärmedämmverbundsystem 3.9 Einschalige Außenwand aus Mauerwerk mit Außendämmung und vorgehängter Wetterhaut 3.10 Zweischalige Außenwand aus Mauerwerk mit Kerndämmung 3.11 Leichte Außenwand in Holzrippenbauweise 3.12 Nicht belüftetes geneigtes Dach 3.13 Belüftetes geneigtes Dach 3.14 Kelleraußenwand 3.15 Kellersohle (Dämmung unterseitig) 3.16 Kellersohle (Dämmung oberseitig) 4. Kontinuität der Funktionen Anmerkungen

III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

508

1.

V Funktionen

Die thermohygrischen Schutzfunktionen

Thermohygrische Schutzfunktionen eines Hüllbauteils haben den Zweck, den erforderlichen Wärmeschutz sowie die Trockenheit und damit die hygienische Unbedenklichkeit und die Dauerhaftigkeit des Bauteils zu gewährleisten. Im Wesentlichen sind die Faktoren • Feuchte im flüssigen und dampfförmigen Aggregatzustand • Wind • Wärme zu berücksichtigen. Dichtmechanismen spielen dabei naturgemäß eine wichtige Rolle. Die jeweiligen Schutzfunktionen der Schichten können entweder einstufig oder mehrstufig realisiert werden. Dies gilt insbesondere für die Teilfunktionen Dichten gegen Wasser und Dichten gegen Wind. Aber auch bei der Steuerung der Dampfdiffusion durch eine Außenwand können einstufige Dichtprinzipien von mehrstufigen Bremsprinzipien unterschieden werden. Grundsätzlich sind mehrstufige Dichtungen als robuster gegen Schäden und Ausführungsmängel zu bezeichnen. Einstufige hingegen sind zumeist mit erheblich geringerem Ausführungsaufwand verbunden ( 1-4).

1.1

Schutz vor Feuchte

Der Feuchteschutz, den eine Außenwand zu gewährleisten hat, verfolgt zwei grundsätzliche Ziele: • kein Wasser in den Innenraum gelangen zu lassen. • Wasser so weit vom Innern der Außenwandkonstruktion fernzuhalten, wie bauphysikalisch in Abhängigkeit des entsprechenden Schichtenaufbaus und des zu betreibenden technischen Aufwands vertretbar. In der Praxis bedeutet dies, dass nicht mehr Wasser in die Konstruktion eindringen darf, als während der trockenen Jahreszeit wieder ausdiffundieren kann, ohne Schaden anzurichten ( 5-6). Während die erstgenannte Forderung aus Gründen der Physiologie sofort einleuchtet, und zumindest in modernen Gebäudehüllen bedingungslos einzuhalten ist, lässt sich die zweite in ihrer nur eingeschränkten Reichweite – es ist nicht immer absolute Dichtigkeit gefordert – nur aus den Zwängen der baulichen Umsetzung erklären. Vollständige und dauerhafte Wasserdichtigkeit an der Außenfläche einer Gebäudehülle, also die Verwirklichung eines einstufigen Dichtprinzips in Reinform, ist nur schwer zu realisieren. Mit folgenden Einschränkungen und Erschwernissen ist ggf. zu rechnen: • die dichtungstechnischen Schwachpunkte, die sich an Stoßfugen auf der Außenhaut der Gebäudehülle ergeben,

3. Thermohygrische Funktionen

509

1 Zweistufige Abdichtung gegen Regenwasser mit Hilfe einer Abtropfkammer und Hinterlüftung. 2 Zweistufige Abdichtung gegen Winddruck mit Hilfe einer Verwirbelungs- und Entspannungskammer.

3 Dampfbremse durch Diffusionswiderstand einer Schicht. 4 Dampfbremse durch Diffusionswiderstand einer Schale.

5-6 Dampffalle: • Wasser dringt durch eine undichte Stelle in die Konstruktion • Nach der Umwandlung in Dampf kann die Feuchte nicht durch die äußere Haut in den Außenraum entweichen

510

V Funktionen

• die materialimmanente Tendenz zur Rissbildung bei einigen Werkstoffen, die zu offenen Kanälen für das Eindringen der Feuchte führt – Beispiel: Mörtel, Ziegelstein, Beton, Putze, • die Tendenz zur Rissbildung unter Witterungseinflüssen – Beispiel: extreme Temperaturschwankungen, UV-Strahlung, Lufttrockenheit, • extreme Empfindlichkeit von Dichtschichten gegenüber mechanischer Beschädigung – Beispiel: bituminöse Flachdachabdichtungen, • ungünstige geometrische Lagen der Hüllfläche gegenüber der Witterungsrichtung, die zu extremen Belastungen führen. Wenn man davon ausgeht, dass die vorwiegende Witterungsrichtung die senkrechte – mit temporären, vergleichsweise kleinen Abweichungen – ist, folgt daraus, dass dies insbesondere für weitgehend horizontale Hüllflächen gilt. Ein gutes Beispiel hierfür ist das Flachdach, bei dem in seiner klassischen Ausführung aus diesen Gründen keinerlei Fugenbildung in Frage kommt. Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass an einer •• senkrechten Gebäudehülle das Niederschlagswasser schnell abläuft oder abtropft und diese folglich nur mäßig belastet wird, •• horizontalen oder nur wenig geneigten Gebäudehülle das Niederschlagswasser nur langsam abläuft oder sogar über einen längeren Zeitraum in Teilbereichen stehenbleibt und die Gefahr besteht, dass es durch Risse und Spalte in das Innere der Konstruktion dringt. Einstufige Abdichtungen gegen Wasser sind manchmal dennoch unumgänglich (Beispiel: Flachdach) oder aus anderen Gründen – beispielsweise wegen konstruktiver Einfachheit und Ökonomie wie bei einem Sandwichelement – angebracht, doch es ist festzustellen, dass die Forderung nach absoluter Dichtigkeit oft zu Lasten der Dauerhaftigkeit geht (siehe wiederum Flachdach). Ein anderer, für das Konstruieren von Gebäudehüllen wesentlicher Aspekt erschwert beim Feuchteschutz die Verwirklichung des einstufigen Dichtprinzips an Gebäudehüllen. Dichtigkeit gegen Niederschlagswasser bedingt ein Material mit möglichst dichter und geschlossener Struktur (sowie oft auch hydrophober Oberflächencharakteristik). In diesem Sinne gut geeignete Werkstoffe sind beispielsweise Metalle (beschichtete Stähle, Kupfer, Zink), Steine (dichte Natursteine wie Granit, Schiefer oder gut gebrannte dichte Ziegelsteine wie Klinker). Diese zunächst wünschenswerte Eigenschaft des die Hülle nach außen hin abschließenden Materials steht allerdings in scharfem

3. Thermohygrische Funktionen

511

Konflikt mit der Forderung, dass eine Konstruktion nach außen hin möglichst dampfdiffusionsoffen sein sollte ( 7). Letztere ist immer dann von entscheidender Bedeutung, wenn aus Gründen der (lokalen) Undichtigkeit der Außen- oder Wetterhaut bereits Feuchte in die Konstruktion eingedrungen ist und möglichst rasch wieder ausdiffundieren sollte, um keinen Schaden anzurichten. Genau dann erweist sich ein geschlossenes Materialgefüge an der äußersten Schicht als kontraproduktiv, da dieses in den meisten Fällen nicht nur • gegen Wasser, sondern auch • gegen Dampfdiffusion (von innen nach außen) dicht ist. Man kann in diesen Fällen von einem gefährlichen Effekt sprechen, der einer Art Dampffalle 1 gleichkommt: durch einen unkontrollierten Spalt in der Wetterhaut in die Konstruktion eingedrungenes Wasser verwandelt sich in Dampf. Dieses kann trotz Dampfdruckgefälle zwischen innen und außen dennoch nicht entweichen, da das Hüllbauteil außenseitig vollflächig mit einem (dampf)dichten Material überzogen ist. Ideal für diesen Zweck wäre ein gleichzeitig wasserdichtes und diffusionsoffenes Material für die Wetterhaut (gewissermaßen nach dem Gore-Tex®-Prinzip), das allerdings im Bauwesen gegenwärtig noch nicht verfügbar ist ( 8). Dennoch existieren seit langer Zeit bewährte Materialien oder Komposite, die diesem Idealprofil nahe kommen: fachgerecht ausgeführte mineralische Verputze weisen diese Art Doppelcharakteristik auf: • unter längerer Bewitterung sättigt sich das poröse mineralische Gefüge des Putzes mit Wasser und zeigt eine deutlich wasserabweisende Charakteristik.

7 Die Forderungen nach Regendichtigkeit und Diffusionsfähigkeit der äußeren Schichten stehen in Konflikt miteinander.

8 Gore-Tex®-Prinzip: die äußere Schicht ist sowohl wasserdicht als auch diffusionsoffen.

• Besonders im trockenen Zustand weisen mineralische Verputze infolge ihrer stark porösen Struktur eine hohe Dampfdiffusionsfähigkeit auf. Ein konstruktives Mittel, um diesen schwer zu entschärfenden Zielkonflikt zu entflechten, stellen mehrstufige Lösungen des Feuchteschutzes dar. Eine mehrstufig aufgebauter Feuchteschutz besteht im Allgemeinen (von außen nach innen) aus ( 9): • einer außenliegenden, nicht vollständig wasser-, aber schlagregendichten Wetterhaut (1). Oftmals kommen Verkleidungen mit weitgehen offenen, von oben nach unten überlappenden Fugen zum Einsatz. • einer bewegten Luftschicht (2) (Hinterlüftung), die es erlaubt,

1 Wetterhaut 2 Luftschicht 3 Sperrschicht

9 Zweistufige Feuchtesperre: die nur teilweise regendichte (also lediglich schlagregendichte) Wetterhaut und die Luftschicht erlauben die freie Diffusion nach außen.

512

V Funktionen

dass eventuell durch die Wetterhaut dringende Restfeuchte kontrolliert nach unten abfließen oder alternativ infolge der Luftbewegung nach außen verdunsten kann. • einer Sperrschicht (3), die sicherstellt, dass keine Restfeuchte in die Konstruktion dringt. Diese Schicht ist naturgemäß einer wesentlich geringeren Belastung ausgesetzt als die äußere Wetterhaut. Dieser Aufbau stellt gleichzeitig sicher, dass eventuell in das Innere des Wandaufbaus eingedrungene Feuchte (von innen nach außen) ( 10): 10 Zweistufige Feuchtesperre mit diffusionsoffener Feuchtesperre hinter der Luftschicht

• durch die Sperrschicht 3, die nach außen hin weitgehend diffusionsoffen sein kann (nur geringe Feuchtebelastung von außen) in die Luftschicht 2 • in der Luftschicht 2 nach oben • bzw. durch die zumeist offenen Fugen der Wetterhaut 1 in den Außenraum entweichen kann.

1.2

Windschutz

Der Windschutz einer Gebäudehülle verfolgt die Zwecke: • keine unangenehmen Zugerscheinungen im Innenraum entstehen zu lassen, die das Behaglichkeitsgefühl beeinträchtigen könnten, • keinen unkontrollierten Luftaustausch zwischen dem Innenund dem Außenraum entstehen zu lassen, der über Konvektion zu ungewolltem Wärmetransport (zumeist in unseren Breiten Wärmeverluste) führen würde, • durch Sperren des Luftdurchtritts in das Innere eine wesentliche Grundvoraussetzung für effizienten Schallschutz zu schaffen. Es sind ggf. auch weitere Schallschutzmaßnahmen zu treffen.

11 Windschutz

Ähnlich wie bei der Feuchteschutzfunktion ist für den Windschutz einer Gebäudehülle das möglichst dichte und geschlossene Gefüge des Materials an der äußeren Schicht der Gebäudehülle wesentlich für deren Wirksamkeit. Aus diesem Grund werden beide Aufgaben, also Feuchte- und Windschutz, den gleichen Schichten der Konstruktion zugewiesen ( 11). Auch wenn die meisten herkömmlichen Hüllkonstruktionen, insbesondere massive Außenwände, ohne spezielle Zusatzmaßnahmen als weitgehend winddicht angesehen werden können, bleibt dennoch die Problematik der konstruktiven Fuge, die wie beim Feuchteschutz auch die kritische Schwachstelle hinsichtlich der

3. Thermohygrische Funktionen

513

Windbelastung darstellt. Aus diesem Grunde kann behauptet werden, dass insbesondere bei Leichtbauten, also Montagebauten, der Windschutz eine besonders sorgfältige Planung und Ausführung erfordert. Wie beim Fall des Feuchteschutzes auch, lässt sich der Winddruck bei Montagebauten, die ja infolge ihrer vielfältigen Stoßfugen am stärksten gefährdet sind, am zuverlässigsten mit Hilfe zwei- oder mehrstufiger Dichtsysteme an oder in der Konstruktion abbauen. Ein exemplarischer mehrstufiger Aufbau zum Schutz vor Wind an einem Hüllbauteil weist folgende Funktionsschichten auf ( 12): • eine teilweise wind- und luftdurchlässige äußere Schicht 1, zumeist identisch mit der Wetterhaut des Feuchteschutzes. Die Wind- und Luftdurchlässigkeit dieser Schicht ergibt sich zumeist aus den notwendigen Stoßfugen an ihrer Konstruktion. • eine Luftschicht 2, die als Entspannungskammer für den Winddruck dient, und in der sich der Staudruck in Form von Verwirbelungen abbaut. • eine hintergeschaltete Windsperre 3, die jedes weitere Eindringen von Wind in die Konstruktion und in den Innenraum verhindert, allerdings nicht mehr dem direkten Staudruck ausgesetzt ist. Diese Aufgabe kann von einer massiven Schale (Mauerwerk, Beton), bzw. von einer ansonsten als Dampfsperre wirkenden Folie am raumseitigen Ende des Schichtenaufbaus übernommen werden. Diese letzte Lösung findet sich fast durchweg bei leichten Holzaußenwänden. Hier ist eine wirksame Abdichtung gegen Wind bereits in den äußeren Schichten (also ein weitgehend einstufiges Dichtprinzip) wegen der nicht zu vermeidenden zahlreichen Bauteilfugen und Anschlüsse kaum zu realisieren ( 13-14).

1 Wetterhaut 2 Entspannungskammer 3 Windsperre 12 Zweistufige Windsperre.

13 Zweistufige Windsperre mit innenliegender Folie.

14 Dreistufige Windsperre mit außen und innen liegender Folie.

514

1.3

V Funktionen

Wärmeschutz

Die für den Wärmeschutz verantwortlichen Schichten einer Gebäudehülle müssen im Einzelnen dafür sorgen, dass: • (bei temperierten Räumen) eine ständige behagliche Raumtemperatur im Innern aufrechterhalten wird. Diese darf weder im Raum selbst noch an den Strahlflächen der Innenwände oder anderer Innenbauteile die Grenzwerte unter- (oder über-)schreiten. Die Dämmschicht übernimmt in diesem Zusammenhang die Verringerung (oder Dämmung) des Wärmetransports über Transmission und hat folglich in gewissem Sinne eine unterstützende (wenngleich wesentliche) Funktion für haustechnische Maßnahmen wie Heizung oder Kühlung ( 15).

15 Wärmedämmschicht

• die Wärmeverluste, die sich trotz Dämmwirkung und daraus folgender Verringerung des Wärmeflusses ergeben, so niedrig wie möglich gehalten werden. Hier stehen nicht nur ökonomische Fragen der Betriebskosten eines Gebäudes, sondern auch umwelttechnische sowie auch volkswirtschaftliche Aspekte im Vordergrund. • zu niedrige Temperaturen dort in der Konstruktion verhindert werden, wo durch das Vorhandensein einer kritischen relativen Luftfeuchte Tauwasser entstehen könnte. Dieses durchfeuchtet in der Regel die zumeist porösen Dämmschichten und beeinträchtigt dadurch wiederum deren Dämmfähigkeit: ein zyklischer Prozess, der zu ernsthaften Schäden führen kann. Anders als bei den oben behandelten Funktionsschichten des Regen- und Windschutzes handelt es sich bei den Wärmeschutzschichten um Materialien mit lockerem, deutlich porösem Gefüge. Die Dämmwirkung beruht nicht auf der Wärmeleitfähigkeit λ des Basismaterials, sondern auf der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der in den kleinen Poren eingeschlossenen Luft. Diese Einschlüsse liegen jeweils unter der kritischen Größe, ab der die Luft beginnt, sich zu bewegen und Wärme verstärkt auf dem Konvektionsweg zu transportieren. Die Folge dieses Wirkmechanismus der Wärmeschutzschichten für die Kombination mit anderen funktionalen Schichten des Aufbaus ist, dass Dämmschichten stets poröse Struktur aufweisen und folglich auch • eine große Dampfdiffusionsfähigkeit aufweisen. Aus diesem Grund ist fast immer •• mit einem starken Dampftransport (in unseren Breiten von innen nach außen) durch diese Schicht hindurch zu rechnen, sofern keine Gegenmaßnahmen (Dampfsperre/-bremse) getroffen werden. Durch eine Wärmeschutzschicht hindurchtretender Dampf erreicht in einer bestimmten Tiefe die kritische Taupunkttemperatur und kondensiert zu Wasser.

3. Thermohygrische Funktionen

515

•• andererseits gewährleistet, dass in diese Wärmeschutzschicht (von außen oder innen) eingedrungenes Wasser oder Dampf leicht wieder durch das Material hindurch nach außen (oder ggf. auch innen) wegdiffundieren können, sofern dieser Dampffluss nicht behindert wird. • ohne außenliegende schützende Zusatzschichten nie für einen Regen- oder allgemein Witterungsschutz geeignet sind. Sie sind ganz im Gegenteil infolge ihrer Porosität einer extremen Durchfeuchtungsgefahr von außen ausgesetzt. Trotz der grundsätzlich porösen Struktur von Wärmeschutzschichten kann ihr Dampfdiffusionswiderstand (oder äquivalente Luftschichtdicke) durch die geeignete Material- und Produktwahl innerhalb gewisser Grenzen gesteuert werden. Dies ist für solche Schichtenaufbauten wichtig, bei denen die Wärmeschutzschicht eine Dampf bremsende Funktion zu erfüllen hat – z. B. Polystyrolhartschäume in zweischaligen Mauern mit Kerndämmung. Hier liegt also wiederum eine Doppelzuweisung von Funktionen an eine einzelne Schicht vor. Dampf sperrende oder bremsende Schichten sind dafür verantwortlich, • zu verhindern, dass Dampf von innen in Aufbauten von Hüllbauteilen eindringt, die eine hohe Dampfdiffusionsfähigkeit aufweisen und folglich mit dem Risiko behaftet sind, dass dieser nicht schnell genug nach außen entweichen kann und in der Konstruktion kondensiert, • den Dampfdurchtritt bei dieser Art von Konstruktionen durch ihren (begrenzten) Dampfdiffusionswiderstand so weit zu reduzieren, dass stets gewährleistet ist, dass nie mehr Dampf von innen in die Konstruktion tritt als ausdiffundieren kann, • oftmals auch Funktionen des Windschutzes (Wind- und Luftsperre) zu übernehmen. In diesem Zusammenhang ist nicht die Diffusionsfähigkeit von Bedeutung, sondern die kontinuierliche Luftdichtigkeit der Schicht. Dies wird in der baulichen Umsetzung entweder von dünnen Folien mit hohen bis extrem hohen Dampfdiffusionswiderständen geleistet – Dampfsperren oder -bremsen aus Kunststoffen oder Metallen, im Leichtbau üblich – oder durch zumeist massive Schalen mit ausreichenden Diffusionswiderständen – Mauerschalen, im Massivbau üblich ( 16-17). Es ist jeweils zu berücksichtigen, dass die Dampf sperrenden oder bremsenden Funktionsschichten stets so weit wie möglich raumseitig (also innenseitig) anzuordnen sind. Nur dadurch ist gewährleistet, dass der Dampf bereits im warmen Bereich abgesperrt wird, wo er

1.4

Schutz vor unkontrolliertem Dampfeintritt in die Konstruktion 2

516

V Funktionen

noch keinen Schaden durch Kondensation anrichten kann. Dies gilt selbstverständlich für unsere hiesigen klimatischen Verhältnisse. Verlegt man die Dampfsperre oder -bremse innerhalb der Wärmeschutzschicht weiter nach außen, besteht die Gefahr, dass raumseitig sich ansammelnder Dampf in der Wärmeschutzschicht die Bereiche mit oder sogar unter Taupunkttemperatur erreicht und dort kondensiert. Sollte diese Anordnung aus bestimmten Gründen erforderlich sein (Beispiel: Aufdoppelung der Dämmung innenseitig an Holz-Leichtbauwänden für Elektroinstallationsführung), ist jeweils sorgfältig sicherzustellen, dass die Folie nie im Taupunktbereich liegt, sondern in der raumseitigen Zone der Dämmschicht ( 18-20). 2.

Das Zusammenwirken der Funktionsschichten in der Hüllkonstruktion

☞ Kap. lI-1, Abschn. 2.2 Gliederung nach funktionalen Gesichtspunkten > 2.2.2 nach baulicher Einzelfunktion, S. 25

Nur wenige Materialien sind in der Lage, derart weitgespannte Anforderungen, wie sie sich aus der Verwirklichung der oben beschriebenen Schutzfunktionen – sowie zusätzlicher Aufgaben – ableiten, gleichzeitig in einem akzeptablen Ausmaß zu erfüllen. Traditionellerweise gelang dies einzelnen Werkstoffen wie Ziegel – z. B. im unverputzten einschaligen Mauerwerk – oder Holz – z. B. in der Blockbauweise –, wobei die Schärfe der Anforderungen bei den überlieferten Bauweisen vergleichsweise gering war. Die heutigen extrem hohen Standards, die an Gebäudehüllen gestellt werden, zwingen in der Regel dazu, getrennte Funktionszuweisungen an verschiedene Schichten oder Schalen zu stellen (☞). Dies geht bereits aus unseren obigen Überlegungen zu den verschiedenen Schutzfunktionen und ihrer baulich-konstruktiven Umsetzung hervor. Auch moderne einschalige Konstruktionen – z. B. porosiertes Ziegelmauerwerk aus Leichthochlochziegeln – erfordern zumindest einen äußeren und inneren Überzug (Verputz), dem spezifische Aufgaben zugewiesen sind. Die Regel sind gegenwärtig mehrschichtige Außenwandkonstruktionen, wobei einzelnen Schichten durchaus auch mehr als eine Funktion zugeteilt werden können. Um die ihnen zugewiesenen Teilfunktionen zuverlässig und dauerhaft erfüllen zu können, müssen diese Schichten • in ihren Charakteristika und Leistungsfähigkeiten aufeinander abgestimmt sein: so muss beispielsweise eine Dampfbremse so weit den Dampftransport von innen nach außen reduzieren, wie die äußeren Schichten des Außenwandaufbaus in der Lage sind, diesen nach außen diffundieren zu lassen, • am richtigen Ort eingebaut sein: eine Dampfsperre im kalten äußeren Bereich einer Außenwand wäre nicht nur wirkungslos, sondern schädlich, • in ihrer Funktion nicht durch Unterbrechungen wie Öffnungen oder Durchdringungen beeinträchtigt sein: Eine Wärmedämmebene sollte im Idealfall keinerlei Durchdringungen (Wärmebrücken!) aufweisen.

3. Thermohygrische Funktionen

517

16 Dampfsperre durch dünne Folie 17 Dampfbremse durch dünne Folie

18 Dampfbremse in Kombination mit einer unabhängigen dampfabführenden Luftschicht außen (keine Hinterlüftung der Wetterhaut).

19 Dampfbremse durch Schale mit begrenztem Dampfdiffusionswiderstand.

Es wird sich zeigen, dass diese Grundanforderung beim Konstruieren, also bei der Planung des Gefüges aus Einzelteilen, aus denen ein Gebäude besteht, am schwierigsten zu realisieren sein wird und die höchsten Anforderungen an den Konstrukteur stellt. Ähnlich wie bei der Planung gewisse etablierte Bauweisen existieren, kann man auch bei Aufbauten von Gebäudehüllen gewisse weit verbreitete Standardlösungen identifizieren. Diese stellen insbesondere hinsichtlich der richtigen gegenseitigen Abstimmung der Schichten sowie ihrer geeigneten Anordnung in der Sequenz des Schichtenaufbau bewährte bauliche Lösungen dar, auf die der Konstrukteur zurückgreifen kann. Im Folgenden sollen exemplarisch einige davon behandelt werden.

20 Dampfeintritt in die Konstruktion infolge undichter Dampfsperre.

518

V Funktionen

2.1

Prinzipielle Kombinationsmöglichkeiten von feuchterelevanten Funktionsschichten

Da Feuchte den gefährlichsten Schadensfaktor an einer Gebäudehülle darstellt, ist der Kombination verschiedener konstruktiver Prinzipien ( 21) • des Feuchteschutzes und • des Schutzes gegen Eindringen von Dampf in einem Aufbau besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Es leuchtet ein, dass, um eine effektive Steuerung des Feuchtehaushalts in einer Konstruktion zu gewährleisten, die jeweiligen Durchlässigkeitsgrade dieser beiden Funktionsschichten notwendigerweise aufeinander abgestimmt sein müssen. Es gibt Unvereinbarkeiten wie die Konstruktion in  21 rechts. Sandwich-Prinzip

✏ Der Begriff Sandwich wird hier in seiner bauphysikalischen Bedeutung verwendet. Er ist gegen das statische Sandwichprinzip, wie im Kap. V-2, Abschn. 9.7 Sandwichelement, S. 499, beschrieben, abzugrenzen

☞ wie bereits in Abschn. 1.1 Schutz vor Feuchte, S. 508, beschrieben ☞ Abschn. 3.1 Sanwichpaneel, 3.2 Isolierglasscheibe, 3.5 Nicht belüftetes Flachdach, S. 522 und 526

Einfachstes konstruktives Prinzip ist das des so genannten Sandwichs (✏). Hier geht man davon aus, dass sowohl Regen als auch Dampf einstufig gesperrt werden, so dass planmäßig keinerlei Feuchtigkeit in das Innere der Konstruktion eindringen kann, weder von außen noch von innen ( 22). Neben dem einleuchtenden Vorteil der konstruktiven Einfachheit einer solchen Lösung müssen hingegen auch die mit ihr verbundenen Gefahren erwähnt werden: Der Aufbau bleibt nur so lange funktionsfähig und schadensfrei wie beide Funktionsschichten (Feuchteschutz und Dampfkontrolle) einwandfrei dicht bleiben. Bei der kleinsten Undichtigkeit kann sich der Effekt der Dampffalle (☞) einstellen und die Konstruktion dauerhaft schädigen. Als Beispiele hierfür werden im Folgenden (☞) ein Sanwichpaneel, eine Isolierverglasung sowie ein nicht belüftetes Flachdach behandelt. Kombination von mehrstufigem Feuchteschutz und einstufiger Dampfsperre

☞ Abschn. 3.11 leichte Außenwand in Holzrippenbauweise, 3.12 Nicht durchlüftetes geneigtes Dach, S. 536-539

Die extreme Empfindlichkeit exponierter einstufiger Regensperren sowie die ernsthaften Schäden, die sich aus ihrem Versagen ergeben, führen oft zum Einsatz zwei- oder mehrstufiger Regensperren, welche die Sicherheit gegen Beschädigung wesentlich erhöhen. Feuchtetechnisch vorteilhaft ist das vollständige Sperren des Dampfs aus dem Innenraum mit Hilfe einer einstufigen Sperre in Kombination mit einer Sicherheit gegen Ansammeln von ggf. eingedrungener Feuchte/Dampf hinter der Regensperre ( 23). In Frage kommen hier ausgleichende, Dampf verteilende Folien ( 24) oder dampfdiffusionsfähige Feuchtesperren an der Außenseite ( 25). Bei dieser Art des Aufbaus wird das Prinzip der Staffelung von nach außen abnehmenden Diffusionswiderständen der beteiligten Schichten überzeugend verwirklicht. Dieses Prinzip soll im Folgenden (☞) an Hand des Schichtenaufbaus einer leichten Außenwand in Holzbauweise sowie einer geneigten, nicht

3. Thermohygrische Funktionen

519

21 Einstufiger Feuchteschutz in Verbindung mit einer (durchlässigen) Dampfbremse führt zwangsläufig zu innerer Kondensation. 22 Sandwich-Prinzip.

23 Kombination mehrstufiger Feuchteschutz/ einstufige Dampfsperre. 24 Kombination mehrstufiger Feuchteschutz mit Dampfdruckausgleichsschicht/einstufige Dampfsperre.

25 Kombination mehrstufiger dampfdurchlässiger Feuchteschutz/einstufige Dampfsperre.

520

V Funktionen

unterlüfteten Dachkonstruktion behandelt werden. Kombination von mehrstufigem Feuchteschutz und (teildurchlässiger) Dampfbremse

☞ Abschn. 3.11 Leichte Außenwand in Holzrippenbauweise, 3.12 Nicht durchlüftetes geneigtes Dach, S. 536-539

Ein ähnliches Wirkprinzip verfolgt die Kombination eines mehrstufigen dampdiffusionsfähigen Feuchteschutzes mit einer (teilweise durchlässigen) Dampfbremse ( 26). Ihr Dampfdiffusionswiderstand ist sorgfältig auf die Dampfdurchlässigkeit der anderen Schichten abzustimmen. Beispielhaft hierfür soll eine leichte Wand- sowie eine geneigte Dachkonstruktion vorgestellt werden (☞). Kombination von mehrstufigem Feuchteschutz, (teildurchlässiger) Dampfbremse und einer dampfabführenden Luftschicht

☞ Abschn. 3.13 Durchlüftetes geneigtes Dach, S. 540

Als aufwändigere Variante des eben genannten Prinzips kann die Kombination mit einer eigens zum Zweck der Abführung des Dampfs von innen zwischen geschalteten innenseitigen Luftschicht angesehen werden ( 27). Sie bietet einen hohen Grad an Sicherheit gegen Kondensation von Dampf im Innern der Konstruktion. Als Beispiel soll hierzu eine unterlüftete geneigte Dachkonstruktion besprochen werden (☞). Kombination von einstufigem, diffusionsoffenem Feuchteschutz mit Dampfbremse durch Diffusionswiderstand des Bauteils

☞ Abschn. 3.7 Einschalige Außenwand aus porosiertem Mauerwerk, 3.8 Einschalige Außenwand aus Mauerwerk mit Wärmedämmverbundsystem, S. 528-531

Dieser Aufbau erlaubt einen planmäßigen kontrollierten Dampfdurchtritt von innen nach außen durch das gesamte Konstruktionspaket hindurch. Die äußerste Feuchteschutzschicht arbeitet nach dem Gore-Tex-Prinzip. Die Diffusionswiderstände der Schichten sind entsprechend aufeinander abzustimmen ( 28). Diese Art des Aufbaus entspricht der bauphysikalischen Funktionsweise der meisten herkömmlichen einschaligen Mauerwerksaußenwände mit oder ohne Dämmschicht. Einige exemplarische sollen nachfolgend behandelt werden (☞). Kombination von mehrstufigem Feuchteschutz mit Dampfbremse durch Diffusionswiderstand des Bauteils

☞ Abschn. 3.9 Einschalige Außenwand aus Mauerwerk mit Außendämmung und vorgehängter Wetterhaut, 3.10 Zweischalige Außenwand aus Mauerwerk mit Kerndämmung, S. 532-535

Alternativ zum oben genannten Aufbau ist hier an der Außenseite ein mehrstufiger Feuchteschutz mit dampfdurchlässiger Feuchtesperre vorgesehen ( 29). Diese Art Feuchteschutz kann verglichen mit dem diffusionsoffenen Feuchteschutz (Gore-Tex-Prinzip) als weniger empfindlich gelten, wenn auch technisch aufwändiger. Einsatz findet dieser Aufbau insbesondere bei gemauerten zweischaligen Konstruktionen sowie auch bei einschaligen Mauern mit leichter Wetterhaut und Hinterlüftung (☞).

3. Thermohygrische Funktionen

521

26 Kombination mehrstufiger Feuchteschutz/ (teildurchlässige) Dampfbremse.

L

27 Einführung einer zusätzlichen Luftschicht L zur gesonderten Abführung von Wasserdampf aus dem Innern.

28 Kombination eines einstufigen dampfoffenen Feuchteschutzes mit einer Dampf bremsenden Schale.

29 Kombination eines mehrstufigen Feuchteschutzes mit einer Dampf bremsenden Schale.

522

V Funktionen

3.

Konstruktive Aufbauten hinsichtlich ihrer thermohygrischen Funktionsweise

3.1

Sandwichpaneel

Das Sandwichpaneel stellt ein Beispiel für ein Hüllbauteil dar, bei dem sowohl Regen, als auch Dampf von innen einstufig gedichtet werden. Es muss für die ordnungsgemäße bauphysikalische Funktion dieses Aufbaus ausgeschlossen sein, dass Feuchte oder Wasserdampf durch Undichtigkeiten in den Kern der Konstruktion dringen. Beide Blechhäute (innen und außen) stellen eine über die gesamte Fläche des Bauteils hinweg fugenlose, kontinuierliche Sperre dar. Undichtigkeiten führen zum Dampffalleneffekt: die Konsequenz ist häufig, dass der eingeschlossene Dampf nicht mehr nach außen dringen kann und zu Ausbeulungen an der äußeren Blechschicht führt. Die Teilfunktionen im Einzelnen ( 30): • Feuchteschutz: äußere Blechhaut • Windschutz: äußere Blechhaut • Wärmedämmung: PUR-Schaumkern • Dampfkontrolle: innere Blechhaut

3.2

Isolierglasscheibe

☞ Kap IV-4, Abschn. 3.1 Isoliergläser, S. 312

Auch bei einer Isolierglasscheibe ist es für eine korrekte Funktion erforderlich, dass keinerlei Feuchte in das Innere der Konstruktion dringt. Zwei über das Gesamtbauteil hinweg kontinuierliche geschlossene Glasscheiben dichten gegen Regen, Wind (außen) und Dampf (innen). Im Innern, also im Scheibenzwischenraum (SZR), leistet eine stehende Luftschicht, oder alternativ eine Füllung aus konvektionsträgen Edelgasen, den nötigen Wärmeschutz. Gegebenenfalls wird dieser durch geeignete Beschichtungen der Innenseite einer oder beider Scheiben unterstützt. Am stärksten gegen Feuchteeintritt gefährdet ist die Konstruktion an der Verklebung der Glasscheiben mit dem Abstandshalter sowie am Randverbund (☞). Wird diese undicht, so können die Scheiben innenseitig beschlagen, bzw. eine Edelgasfüllung kann entweichen und den Wärmedämmwert des Scheibenzwischenraums deutlich herabsetzten. Die Teilfunktionen ( 31): • Feuchteschutz: Glasscheibe außen • Windschutz: Glasscheibe außen • Wärmedämmung: Scheibenzwischenraum mit Luft- oder Edelgasfüllung, ggf. Scheibenbeschichtung • Dampfkontrolle: Glasscheibe innen

3. Thermohygrische Funktionen

523

Blechhaut PUR-Schaum Blechhaut

1 Feuchteschutz

2 Windschutz

3 Wärmeschutz

4 Dampfkontrolle

30 Sandwichpaneel - Aufbau und Teilfunktionen

Glasscheibe außen Scheibenzwischenraum (SZR), stehende Luftschicht Glasscheibe innen

1 Feuchteschutz 31 Isolierglasscheibe - Aufbau und Teilfunktionen

2 Windschutz

3 Wärmeschutz

4 Dampfkontrolle

524

3.3

V Funktionen

Holzfensterprofil

☞ Band 3, Kap. XII-9, Abschn. 2.9 Besonderheiten des Holzfensters, S. 686 ff

Ein Holzfensterprofil ist mit einer Beschichtung zu versehen, die das Bauteil von außen gegen Regen und von innen gegen Dampfeintritt schützt (☞). Die Diffusionsfähigkeit der Anstriche innen und außen wird jeweils gezielt gewählt, so dass der Innenanstrich (geschlossenporig) eine möglichst niedrige, der Außenanstrich (offenporig) hingegen eine möglichst große aufweist. Auch bei diesem Beispiel erfolgt die Dichtung einstufig: d. h. sobald eine Deckschicht versagt, kann der Dampffalleneffekt eintreten. Dann platzt der Außenanstrich infolge Dampfdruck und Aufquellen des Holzes von innen her auf. Dies verstärkt dann zusätzlich den Feuchteeintritt in das Holz. Die Teilfunktionen im Einzelnen ( 32): • Feuchteschutz: geschlossener, kontinuierlicher Außenanstrich; Falzentwässerung in den Außenraum • Windschutz: geschlossenes Holzprofil • Wärmedämmung: Holzprofil • Dampfkontrolle: geschlossenporiger Innenanstrich • Diffusionsfähigkeit nach außen: Diffusionsfähigkeit des Holzes, offenporiger Außenanstrich; Falzentlüftung

3.4

Aluminiumfensterprofil

☞ Band 3, Kap. XII-9, Abschn. 2.10 Besonderheiten des Aluminiumfensters, S. 696 ff

Regen-, Wind- und Dampfkontrolle werden beim Aluminiumfensterprofil einstufig realisiert. Diese Funktionen übernehmen jeweils die beiden kontinuierlichen, fugenlosen Halbschalen aus Aluminium, aus denen das Fensterprofil im Wesentlichen besteht (☞). Die Wärmedämmung wird durch die thermische Trennung beider Halbschalen voneinander geleistet. Diese sind mittels schlecht Wärme leitender Kunststoffverbinder gekoppelt. Die weitgehend stehende Luftschicht des Profilhohlraums sorgt für die Kontinuität der Wärmedämmebene über das gesamte Profil hinweg. Zur Sicherheit kann in dieser Kammer angesammelte Feuchte, auch in Dampfform, über Öffnungen nach außen entweichen. Die Teilfunktionen ( 33): • Feuchteschutz: äußere Halbschale; Falzentwässerung in den Außenraum • Windschutz: äußere Halbschale; Entspannungskammer • Wärmeschutz: Kunststoffverbinder, stehende Luftschicht der Profilammer • Dampfkontrolle: innere Aluminiumhalbschale • Dampfdiffusion nach außen: Öffnungen in der Profilkammer: Falzentlüftung

3. Thermohygrische Funktionen

525

offenporige Beschichtung Holzprofil geschlossenporige Beschichtung

1 Feuchteschutz

2 Windschutz

3 Wärmeschutz

4 Dampfkontrolle

5 Diffusions- fähigkeit nach außen

2 Windschutz

3 Wärmeschutz

4 Dampfkontrolle

5 Diffusions- fähigkeit nach außen

32 Holzfensterprofil - Aufbau und Teilfunktionen.

äußere Halbschale Profilkammer Kunststoffverbinder Öffnungen

1 Feuchteschutz

33 Aluminiumfenster - Aufbau und Teilfunktionen.

526

3.5

V Funktionen

Nicht belüftetes Flachdach

unter Berücksichtigung des Schutzes durch die Kiesschicht (zweistufiges Dichten des Regenwassers)

unter zusätzlicher Berücksichtigung der Dampfdruckausgleichsschicht hinter (unter) der Feuchtesperre

☞ Band 3, Kap. XII-3, Abschn. 2.3 Fläche Dächer auf tragender Schale, S. 386 ff

Ein weiteres Beispiel für eine Hüllkonstruktion, die Regen, Wind und Dampf jeweils einstufig sperrt, ist das nicht belüftete Flachdach (☞). Die stark gegen Beschädigung und Versprödung gefährdete Wassersperrschicht ist mit einer Kiesschicht geschützt. Undichtigkeiten in dieser Bahn führen zum Versagen der Konstruktion. Durch eindringendes Wasser kann es dazu kommen, dass die Wärmedämmung ständig durchfeuchtet. Hierdurch wird ihre Dämmfähigkeit wesentlich gemindert und es kann zur Durchfeuchtung der tragenden Schale kommen. Es tritt auch hier der Mechanismus der Dampffalle ein: in die Wärmedämmschicht eingedrungene Feuchte kann nach Umwandlung in Dampf nicht mehr entweichen und bildet ggf. Blasen unter der Sperrbahn. Eine Schutzmaßnahme gegen diese Gefahr stellt die Dampfdruckausgleichsfolie dar, die dafür sorgt, dass der Dampf sich in diesem Fall flächig in ihren Hohlräumen ohne Blasenbildung ausbreiten kann. Eine Dampfdiffusionsfähigkeit durch die Abdichtung nach außen hin, wie bei anderen Hüllkonstruktionen vorhanden, kann hier nicht sinnvoll realisiert werden, da höchste Anforderungen an die Wasserdichtigkeit der Sperrbahn zu stellen sind (wegen horizontaler Lage), und diese als Folge davon auch unvermeidbar einen hohen Diffusionswiderstand aufweist. Damit die unterhalb der Wärmedämmung liegende Dampfsperre durch die Rauigkeit der Betonoberfläche – insbesondere während des Baus – keinen Schaden nimmt, wird zusätzlich unter ihr eine Schutz- und Ausgleichsfolie eingelegt. In ihren Hohlräumen kann sich ggf. auch übermäßiger Dampfdruck ausgleichen. Die Teilfunktionen ( 34): • Feuchteschutz: Brechen und Entspannen des Schlagregens an der aufgelegten Kiesschicht. Darunter Regensperre aus ein- oder mehrlagiger Sperrbahn, kontinuierlich, verklebt oder überlappend verschweißt. • Windschutz: kontinuierliche Sperrbahn • Wärmeschutz: Wärmedämmschicht • Dampfkontrolle: kontinuierliche, verklebte Dampfsperrbahn • Diffusionsfähigkeit nach außen: Diese Funktion ist nicht durch die Abdichtung nach oben realisierbar, sondern lediglich durch Verteilung über die Ausgleichsfolien unter Sperrbahn und Dampfsperre.

3. Thermohygrische Funktionen

527

Kiesschicht mehrlagige Abdichtung Dampfdruckausgleichsfolie Wärmedämmung Dampfsperre Ausgleichsfolie

1 Feuchteschutz

tragende Betondecke

2 Windschutz

3 Wärmeschutz

4 Dampfkontrolle

5 Diffusionsfähigkeit nach außen 34 Nicht belüftetes Flachdach - Aufbau und Teilfunktionen.

528

3.6

V Funktionen

Umkehrdach

unter Berücksichtigung des Schutzes der Regensperre durch die Kies- und Dämmschicht sowie der Dampfdruckausgleichsschicht hinter (unter) der Regensperre

☞ Band 3, Kap. XII-3, Abschn. 2.3 Fläche Dächer auf tragender Schale, S. 386 ff

Das Umkehrdach stellt einen Spezialfall einer Hüllkonstruktion nach dem Sandwich-Prinzip dar, bei dem sich die Wärmedämmschicht nicht wie ansonsten zwischen der Regen- und Dampfsperre befindet, sondern oberhalb – also außenseitig an – der Sperrbahn mit dem Zweck, diese vor Beschädigung und vorschneller Alterung zu schützen (☞). Es liegt auf der Hand, dass diese dann im Nassen liegt, was einen Sonderfall darstellt und nur mit Hilfe spezieller Dämmstoffe zu bewältigen ist (geschlossenzelliger Schaumstoff), die Wasser trotz ihrer Porosität nur geringfügig aufsaugen. Aufgrund der Feuchtigkeit im Dämmpaket ist auch mit einer gewissen Minderung der Dämmwirkung zu rechnen, die hier allerdings in Kauf genommen wird. Der spezifische Aufbau des Umkehrdachs erklärt sich zuvorderst aus der dringenden Notwendigkeit, die Feuchteschutzschicht, also die Sperrbahn, wirkungsvoll und dauerhaft zu schützen. Dies ist bei einer äußerst empfindlichen Konstruktion wie dem Flachdach, das in seinem Aufbau dem (riskanten) Prinzip des Sandwichs entspricht, adäquat. Aufgrund des hohen Dampfdiffusionswiderstands der Feuchtesperrbahn sowie ihrer bauphysikalisch günstigen Lage im warmen Bereich – hinter oder unter der Wärmedämmung – erfüllt diese bei dieser Art Aufbau auch gleichzeitig die Funktion einer Dampfsperre. Es ist hierfür also keine zusätzliche Folie erforderlich. Die Teilfunktionen im Einzelnen ( 35): • Feuchteschutz: Brechen und Entspannen des Schlagregens an der aufgelegten Kiesschicht sowie an der Dämmschicht. Darunter Regensperre aus ein- oder mehrlagiger Sperrbahn, kontinuierlich, verklebt oder überlappend verschweißt. • Windschutz: kontinuierliche Sperrbahn • Wärmeschutz: Wärmedämmschicht • Dampfkontrolle: kontinuierliche, verklebte Dampfsperrbahn • Diffusionsfähigkeit nach außen: Diese Funktion ist nicht durch die Abdichtung nach oben realisierbar, sondern durch Verteilung über die Ausgleichsfolie unter der Abdichtung/Dampfsperre.

3.7

Einschalige Außenwand aus porosiertem Mauerwerk

Dieser Außenwandaufbau vereinigt äußerste konstruktive Einfachheit und Robustheit mit Erfüllung heute gängiger Dämmstandards (☞). Der Außenputz verwirklicht die baulich ansonsten schwer zu realisierende Gleichzeitigkeit von Wasserdichtigkeit und Dampfdiffusionsfähigkeit (Gore-Tex® -Prinzip). Die Diffusionswiderstände der Schichten sind derart aufeinander abgestimmt, dass bei fachgerechter Ausführung keinerlei Feuchtebildung in der Konstruktion zu befürchten ist. Die Teilfunktionen ( 36): • Feuchteschutz: Außenputz

3. Thermohygrische Funktionen

529

Kiesschicht Rieselschutz Wärmedämmung Sperrbahn und Dampfsperre Ausgleichsfolie

1 Feuchteschutz

tragende Betondecke

2 Windschutz

3 Wärmeschutz

4 Dampfkontrolle

5 Diffusionsfähigkeit nach außen 35 Umkehrdach - Aufbau und Teilfunktionen.

530

V Funktionen

☞ Band 3, Kap. XII-3, Abschn. 1.1.3 Einschalige Außenwände aus porosiertem Mauerwerk, S. 346 ff

• Windschutz: Außenputz • Wärmedämmung: Leichthochlochziegel durch Porosierung und Struktur des Ziegels (Verlängerung der Wärmetransmissionswege) in Kombination mit Leichtmörtel • Dampfkontrolle: Dampfdiffusionswiderstand der Mauerschale und des Innenputzes bei hoher Diffusionsfähigkeit des äußeren Verputzes (Regensperre) • Diffusionsfähigkeit nach außen: diffusionsfähiges Mauerwerk und Außenputz

3.8

Einschalige Außenwand aus Mauerwerk mit Wärmedämmverbundsystem

☞ Band 3, Kap. XII-3, Abschn. 2. Schalensysteme mit addiertem funktionalen Aufbau, S. 368 ff

Wesentlich größere Freiheiten bei der Festlegung des Wärmeschutzes einer Außenwand bietet im Vergleich mit der einschaligen Variante die Einführung einer der Mauerschale vorgesetzten Wärmedämmschicht im so genannten Wärmedämmverbundsystem (☞). Dies ändert im Wesentlichen nichts am bauphysikalischen Prinzip des Aufbaus, da es sich bei der Dämmschicht um eine diffusionsoffene Lage handelt, die den Dampftransport nach außen kaum behindert. Hingegen verändern sich die konstruktiven Gegebenheiten drastisch, da der Verputz keinen wirklich festen Untergrund mehr besitzt. Er muss ausreichenden Halt auf der Dämmschicht selbst finden. Zu diesem Zweck wurden spezielle Kunstharz- oder organische Putze entwickelt. Diese weisen gegenüber herkömmlichen mineralischen Putzen eine erhöhte Elastizität, also eine geringere Neigung zu Rissbildung, auf und werden zusätzlich mit Gewebeeinlagen armiert. Die richtige Beimengung von Kunstharzen muss beide wesentliche Eigenschaften des Außenputzes sicherstellen: die Wasserdichtigkeit sowie die Dampfdiffusionsfähigkeit. Alle Bestandteile des äußeren Schichtenpakets aus Putz- und Dämmschicht müssen für eine einwandfreie Funktion sorgfältig aufeinander abgestimmt sein, so dass hierfür nur komplette Systeme eines einzigen Herstellers zum Einsatz kommen. Die Teilfunktionen ( 37): • Feuchteschutz: organischer Außenputz mit Gewebearmierung • Windschutz: Außenputz • Wärmeschutz: Wärmedämmschicht (ggf. in Kombination mit der Hintermauerung) • Dampfkontrolle: Dampfbremse über Innenputz und Mauerschale • Dampfdiffusion nach außen: diffusionsoffene Dämmung in Kombination mit diffusionsoffenem Außenputz

3. Thermohygrische Funktionen

531

Außenputz Porosierter Leichthochlochziegel Leichtmörtel Innenputz 1 Feuchteschutz

2 Windschutz

3 Wärmeschutz

4 Dampfkontrolle 5 Diffusions- fähigkeit nach außen

3 Wärmeschutz

4 Dampfkontrolle 5 Diffusions- fähigkeit nach außen

36 Einschalige Außenwand aus porosiertem Mauerwerk - Aufbau und Teilfunktionen.

organischer Außenputz Wärmedämmung Hintermauerung Innenputz

1 Feuchteschutz

2 Windschutz

37 Einschalige Außenwand aus Mauerwerk mit Wärmedämmverbundsystem - Aufbau und Teilfunktionen.

532

3.9

V Funktionen

Einschalige Außenwand aus Mauerwerk mit Außendämmung und vorgehängter Wetterhaut

☞ Band 3, Kap. XII-3, Abschn. 2.3 Schalensysteme mit addiertem funktionalen Aufbau, S. 368 ff

Die Problematik einer dünnen, vergleichsweise stark rissgefährdeten Wetterhaut (Außenputz) auf einem federweichen Untergrund (Dämmstoff), wie beim vorigen einschaligen Beispiel beschrieben, existiert bei der Variante mit vorgehängter Wetterhaut nicht (☞). Diese wird in diesem Fall mit Hilfe einer Unterkonstruktion durch die Dämmschicht hindurch an der tragenden Hintermauerung befestigt. Zwar entstehen hierbei Wärmebrücken im Dämmpaket, doch besitzt die äußere Haut dann einen festen Halt und kann aus festem Plattenmaterial hergestellt sein. Eine vertikal durchgehende bewegte Luftschicht sorgt dafür, dass durchtretende Feuchtigkeit weitestgehend von der Wärmedämmung abgehalten wird. Zusätzlich wird diese mitunter durch eine diffusionsoffene Kaschierung – z. B. Ölpapier oder diffusionsfähige Kunststofffolie – geschützt. Die Teilfunktionen ( 38): • Feuchteschutz: vorgehängte schlagregendichte Wetterhaut, Hinterlüftung und ggf. Regensperre (z. B. äußere Kaschierung der Wärmedämmung) • Windschutz: wie oben • Wärmeschutz: Wärmedämmschicht, ggf. zuzüglich der Dämmfähigkeit der Hintermauerung • Dampfkontrolle: Diffusionswiderstand der Hintermauerung • Dampfdiffusion nach außen: Diffusionsfähige Dämmschicht mit davor liegender Hinterlüftungsebene, dazwischen ggf. diffusionsoffene Kaschierung

3.10

Zweischalige Außenwand aus Mauerwerk mit Kerndämmung

Variante zweischaliges Mauerwerk mit Hinterlüftung

☞ Band 3, Kap. XII-3, Abschn. 3. Doppelte Schalensysteme, S. 408 ff

Die Wetterhaut besteht bei dieser Variante aus einer gemauerten halbsteindicken Verblendschale (☞). Auch wenn diese Lösung zunächst Vorteile aufweist, wie beispielsweise die Beständigkeit der Außenschale sowie ihr Charakter einer massiven Mauerkonstruktion, die sich dem Auge nach außen hin bietet, müssen dennoch einige kritische Aspekte Berücksichtigung finden. Zunächst ist festzustellen, dass die Verblendschale zwar eine Mauerkonstruktion im Verband darstellt, aber dennoch gegen fundamentale konstruktive und statische Grundsätze von Mauerkonstruktionen verstößt (siehe hierzu Kap. V-2, 9.3.2 Verband ‑ druckkraftwirksame Übergreifung). Sie ist aus diesem Grunde von selbst nicht tragfähig und ist an der Hintermauerung zu verankern. Dies führt zu lokalen Wärmebrücken an den Metallankern, die zu Kondensation führen können. Des weiteren ist der Abstand zwischen den Mauerschalen (und somit auch die Dämmschichtdicke!) aus konstruktiven Gründen begrenzt. Ferner muss wegen des Fehlens einer Hinterlüftung ausreichende Dampfdiffusion durch die Verblendschale hindurch nach außen gewährleistet sein. Dies bedeutet, dass das Steinmaterial dieser

3. Thermohygrische Funktionen

533

leichte Wetterhaut Unterkonstruktion bewegte Luftschicht Wärmedämmung Hintermauerung Innenputz

1 Feuchteschutz

2 Windschutz

3 Wärmeschutz

4 Dampfkontrolle

38 Einschalige Außenwand aus Mauerwerk mit Außendämmung und vorgehängter Wetterhaut - Aufbau und Teilfunktionen.

5 Diffusions- fähigkeit nach außen

534

V Funktionen

Schale kein zu dichtes Gefüge aufweisen darf (z. B. kein Klinker). Um zu starken Dampfdruck innenseitig an dieser Verblendschale infolge Diffusion durch die Dämmschicht zu vermeiden, sollte ein geeigneter Dämmstoff mit entsprechendem (nicht zu kleinem) Dampfdiffusionswiderstand gewählt werden (z. B. geschlossenzelliger Schaumstoff). Es ist weiterhin dafür Sorge zu tragen, dass durch die Verblendschale hindurch dringendes Niederschlagswasser den Dämmstoff nicht durchfeuchtet (auch aus diesem Grunde offenzelligen Dämmstoff vermeiden) und kontrolliert am Fußpunkt durch die Verblendschale hindurch an geeigneten Öffnungen wieder herausfließen kann. Die Teilfunktionen ( 39): • Feuchteschutz: gemauerte Verblendschale; Zwischenraum mit nichtsaugender Dämmschicht leitet eingedrungenes Wasser ab, Entwässerung unten durch Öffnungen • Windschutz: wie oben • Wärmeschutz: Wärmedämmschicht (Kerndämmung), ggf. zuzüglich Dämmfähigkeit der Hintermauerung • Dampfkontrolle: Diffusionswiderstand der Hintermauerung, zuzüglich auch der Kerndämmung (geschlossenzelliges Gefüge) • Diffusion nach außen: möglichst diffusionsoffene Verblendschale Als weitere Variante dieses Aufbaus ist das zweischalige Mauerwerk mit Hinterlüftung zu nennen ( 40). Hierbei wird zwischen Verblendschale und Dämmschicht eine bewegte Luftschicht geschaltet, die über entsprechende Öffnungen an der äußeren Schale be- und entlüftet ist. Die oben angesprochene Kondensationsgefahr an der Innenseite der Verblendschale ist hierbei weitgehend gebannt. Außen können Steine mit dichtem Gefüge (und folglich großer Dauerhaftigkeit) verwendet werden. Da der Schalenabstand aus konstruktiven Gründen begrenzt ist, verringert sich die mögliche maximale Dämmschichtdicke gegenüber dem vorigen Beispiel um die Dicke der Luftschicht (mindestens 4 cm).

3. Thermohygrische Funktionen

535

Verblendschale Wärmedämmung Hintermauerung Innenputz

1 Feuchteschutz

2 Windschutz

3 Wärmeschutz

39 Zweischalige Außenwand aus Mauerwerk mit Kerndämmung - Aufbau und Teilfunktionen.

Verblendschale bewegte Luftschicht Wärmedämmung Hintermauerung Innenputz

40 Zweischalige Außenwand aus Mauerwerk mit Wärmedämmung und Hinterlüftung - Aufbau.

4 Dampfkontrolle

5 Diffusionsfä- higkeit nach außen

536

3.11

V Funktionen

Leichte Außenwand in Holzrippenbauweise

Variante mit Dampfsperre

Variante mit Dampfbremse

☞ Band 3, Kap. XII-5, Abschn. 2.1.1 Holzrahmenwände, S. 457 ff

Exemplarisch für leichte Wandkonstruktionen soll hier eine Außenwand in Holzrippenbauweise behandelt werden, die in ähnlicher Form auch für vorgefertigte Holztafelbauten zum Einsatz kommt (☞). Der mehrstufige Feuchteschutz ist in ähnlicher Form im Abschn. 3.9 beschrieben worden. Die stark saugfähige Dämmschicht wird in diesem Fall mit einer porösen, stark diffusionsfähigen Holzwerkstoffplatte (z. B. Weichfaserplatte) gegen von außen eindringende Feuchte geschützt. Der Dampfdurchtritt durch die extrem diffusionsoffene Wärmedämmschicht, der in der zu erwartenden Stärke nicht durch die äußeren Schichten hindurch effektiv abgeführt werden könnte, ist in jedem Fall zumindest wirksam zu bremsen. Dies erfolgt mit Hilfe einer raumseitig hinter der Dämmschicht verlegten geschlossenen, dicht verklebten Dampfbremse mit geeignetem Diffusionswiderstand. Alternativ hierzu kann auch eine diffusionsdichte Dampfsperre verwendet werden. Biederlei Folien stellen zudem die letzte und entscheidende Windsperre zum Innenraum hin dar. Der Winddruck ist ansonsten an und in den davor liegenden Schichten, die ja mit zahlreichen Stoßfugen durchzogen sind, nur teilweise abzubauen. Eine ausreichende Wind- und Luftdichtigkeit des Außenwandaufbaus ist auch im Hinblick auf die Wärmedämmfähigkeit der Konstruktion unverzichtbar. Die Teilfunktionen ( 41): • Feuchteschutz: leichte vorgehängte, schlagregendichte Wetterhaut auf Unterkonstruktion; Hinterlüftung; Regensperre (diffusionsoffen) außenseitig an der Dämmschicht • Windschutz: kontinuierlicher Abbau des Winddrucks in den aufeinander folgenden Schichten der Konstruktion. Definitives Dichten gegen Wind/Luft an der Dampfbremse/-sperre. • Wärmeschutz: Wärmedämmung im Zwischenraum der Rippenkonstruktion. (Relative) Wärmebrücke an der Holzrippe: kann durch Aufdoppeln der Dämmschicht (Querlattung) innen- oder außenseitig weitgehend unterbunden werden. Sehr niedrige UWerte erzielbar. • Dampfkontrolle: kontinuierlich dicht verklebte Folie (Dampfbremse/-sperre) innenseitig an der Dämmschicht. Alternativ an der Grenzfläche zwischen Dämmschicht und innenseitiger Aufdoppelung der Wärmedämmung. • Diffusionsfähigkeit nach außen: diffusionsoffene Holzwerkstoffplatte außenseitig an der Dämmschicht erlaubt das Entweichen des Dampfs in die bewegte Luftschicht.

3. Thermohygrische Funktionen

537

Wetterhaut Unterkonstruktion bewegte Luftschicht diffusionsoffene Platte Wärmedämmung Dampfsperre/-bremse innere Verschalung

1 Feuchteschutz

2 Windschutz

41 Leichte Außenwand in Holzrippenbauweise - Aufbau und Teilfunktionen.

3 Wärmeschutz

4 Dampfkontrolle

5 Diffusions- fähigkeit nach außen

538

3.12

V Funktionen

Nicht belüftetes geneigtes Dach

Variante mit Dampfsperre

Variante mit Dampfbremse

☞ Band 3, Kap. XII-5, Abschn. 2.2 Geneigte Dächer, S. 472 ff

Diese Variante einer Dachkonstruktion (☞) begegnet der vergleichsweise starken Beanspruchung der geneigten Hüllfläche durch Niederschlag mit einer mehrstufigen Regensperre. Eventuell durch die Deckung von außen eindringendes Wasser kann auf der Unterspannbahn kontrolliert ablaufen. Feuchtigkeit in der Luftschicht kann nach oben bzw. durch die Ziegelfugen hindurch abgeführt werden. Die Unterspannbahn stellt ein Beispiel für eine gleichzeitig wasserdichte und (bis zu einem gewissen Ausmaß) diffusionsoffene Schicht dar. Im Dämmpaket eingeschlossene Feuchte muss durch diese hindurch nach außen diffundieren können. Ähnlich wie bei der Außenwandkonstruktion im Abschn. 3.11 kann die Wärmedämmschicht, die zumeist so dick ist wie die tragenden Sparren, bei Bedarf von unten aufgedoppelt werden. Zu diesem Zweck wird innenseitig eine Querlattung auf die Sparren aufgebracht. Sofern es zweckmäßig ist, kann die Dampfbremse/ bzw. -sperre in der Grenzfläche zwischen Dämmung und Aufdoppelung liegen. Im Dämmpaket der Aufdoppelung kann die Elektroinstallation verlegt werden, ohne die Folie – beispielsweise durch Anschlussdosen – zu verletzen und damit die Dampf- und Luftdichtigkeit zu beeinträchtigen. Die Teilfunktionen ( 42): • Feuchteschutz: teildurchlässige, schlagregendichte Ziegeldeckung; bewegte Luftschicht im Bereich der Konterlattung; Regensperre an der Unterspannbahn • Windschutz: kontinuierlicher Abbau des Winddrucks in den aufeinander folgenden Schichten der Konstruktion. Definitives Dichten gegen Wind/Luft an der Dampfbremse/-sperre • Wärmeschutz: Wärmedämmschicht im Sparrenzwischenraum. Relative Wärmebrücke an den Sparren kann durch innenseitige Aufdoppelung der Dämmung ausgeschaltet werden • Dampfkontrolle: raumseitig an der Wärmedämmschicht verlegte Folie (Dampfbremse/-sperre) mit hohem bzw. sehr hohem Dampfdiffusionswiderstand. Gleichzeitig Gewährleistung der Luftdichtigkeit • Diffusionsfähigkeit nach außen: Die Unterspannbahn ist diffusionsfähig, so dass Feuchte im Dämmpaket in die bewegte Luftschicht ausdiffundieren kann

3. Thermohygrische Funktionen

539

Ziegeldeckung bewegte Luftschicht Unterspannbahn Wärmedämmung Dampfsperre/-bremse innere Verschalung

1 Feuchteschutz

2 Windschutz

3 Wärmeschutz

4 Dampfkontrolle

5 Diffusionsfähigkeit nach außen

42 Nicht durchlüftetes geneigtes Dach - Aufbau und Teilfunktionen.

540

V Funktionen

3.13

Belüftetes geneigtes Dach

☞ Band 3, Kap. XII-5, Abschn. 2.2 Geneigte Dächer, S. 472 ff

Das durchlüftete Dach (☞) sieht feuchtetechnisch eine Sperre zwischen dem Feuchteschutzaufbau und dem Dämmpaket vor. Anders als bei der oben besprochenen Variante ist keinerlei Dampfdiffusion durch diese Schicht nach außen vorgesehen. Diese besteht aus einer vollwertigen Abdichtung auf einer Schalung oder Beplankung als ebener starrer Untergrund. Man spricht hierbei von einem Unterdach. Eventuell im Dämmpaket anfallende Feuchte wird über eine (zweite) bewegte Luftschicht auf der Oberseite der Wärmedämmung abgeführt. Diese steht mit der oberen Luftschicht nicht in Verbindung, sondern wird getrennt an Traufe und First beund entlüftet. Auf diese Weise wird der schwierige Kompromiss, den der Einbau der (schwach diffusionsfähigen) Unterspannbahn darstellt, für den Preis eines erhöhten baulichen Aufwands für das Unterdach umgangen. Die Teilfunktionen ( 43): • Feuchteschutz: teildurchlässige, schlagregendichte Ziegeldeckung; bewegte Luftschicht im Bereich der Konterlattung; Regensperre am Unterdach • Windschutz: kontinuierlicher Abbau des Winddrucks in den aufeinander folgenden Schichten der Konstruktion. Definitives Dichten gegen Wind/Luft an der Dampfbremse/-sperre • Wärmeschutz: Wärmedämmschicht im Sparrenzwischenraum. Relative Wärmebrücke an den Sparren kann durch innenseitige Aufdoppelung der Dämmung ausgeschaltet werden • Dampfkontrolle: raumseitig an der Wärmedämmschicht verlegte Folie (Dampfbremse/-sperre) mit hohem bzw. sehr hohem Dampfdiffusionswiderstand. Gleichzeitig Gewährleistung der Luftdichtigkeit • Diffusionsfähigkeit nach außen: in das Dämmpaket eingedrungene Feuchte kann über die bewegte Luftschicht unter dem Unterdach abgeführt werden

3.14

Kelleraußenwand

☞ Band 3, Kap. XII-2 Erdberührte Hüllen 

Besondere Voraussetzungen gelten bei erdberührenden Bauteilen wie einer Kelleraußenwand (☞). Feuchtebelastung erfolgt hier durch das in Bodenporen gebundene Wasser, das je nach Gegebenheiten auch hohen hydrostatischen Druck auf die Hülle ausüben kann (drückendes Wasser). Die ständige vollflächige Feuchtebelastung der Hülle stellt eine starke Gefährdung des Bauteils dar. Die Dichtigkeit hängt von der Wassersperre, also einer dünnen, extrem empfindlichen Schicht ab. Sofern es sich nicht um sandige, nicht bindige Böden handelt, in denen das Wasser rasch versickert, sind konstruktive und installationstechnische Maßnahmen (Dränung) erforderlich, um das Wasser teilweise abzuführen und somit den Wasserdruck zu reduzieren. Aufgrund der spezifischen Dampfdruckverhältnisse ist ein Dampf-

3. Thermohygrische Funktionen

541

Ziegeldeckung bewegte Luftschicht Abdichtung Verschalung bewegte Luftschicht Wärmedämmung

1 Feuchteschutz

Dampfsperre/-bremse innere Verschalung

2 Windschutz

3 Wärmeschutz

4 Dampfkontrolle

5 Diffusionsfähigkeit nach außen

43 Durchlüftetes geneigtes Dach - Aufbau und Teilfunktionen.

542

V Funktionen

transport infolge Druckgefälle nur in den Innenraum hinein zu erwarten. Im Boden selbst herrscht Sättigungsdruck, im Innenraum ist der Dampfdruck deutlich niedriger. Dieser Feuchtetransport von außen nach innen ist selbstverständlich unerwünscht und wird von der Sperrbahn unterbunden, die ja gleichzeitig wegen ihres hohen Dampfdiffusionswiderstands eine effiziente Dampfsperre darstellt. Es kann sich allenfalls ein Dampftransport aus den raumseitig der Sperre befindlichem Schichten in den Innenraum hinein einstellen. Dieser temporäre Prozess endet sobald ein hydrostatisches Gleichgewicht zwischen diesen und der Raumluft erreicht ist. Auf diese Weise kann beispielsweise die Baufeuchte der Hintermauerung abgeführt werden. Die Teilfunktionen im Einzelnen ( 44): • Feuchteschutz: Das Dichten erfolgt mehrstufig. Bodenfeuchte kann durch das Filtervlies hindurch, wo Erdpartikel zurückgehalten werden, in die Dränplatte sickern. Hier wird der hydrostatische Druck entspannt und das Wasser kann in dieser Schicht zu weiteren Dränung kontrolliert nach unten abfließen. Eventuell durch die Dämmschicht hindurchtretende Feuchte wird dann definitiv an der Sperrbahn abgedichtet. An ihrer Außenfläche kann dieses Restwasser wiederum nach unten abfließen und kontrolliert in das Dränsystem geleitet werden. Dank des Schichtenaufbaus vor dieser Sperrbahn ist diese ausreichend vor mechanischer Beschädigung durch das Erdreich oder durch Wurzelangriff geschützt. • Wärmeschutz: Analog zum Aufbau des Umkehrdachs (vgl. Abschn. 3.6) liegt die Wärmedämmschicht im feuchten Milieu. Es ist folglich sicherzustellen, dass das Dämmmaterial nur wenig Feuchte aufsaugt, denn ansonsten würde es seine Dämmfähigkeit einbüßen. Es werden so genannte geschlossenzellige Schaumstoffe (Perimeterdämmung) eingesetzt, die sich kaum mit Wasser aufsaugen. Da die Wasser- und Dampfsperre im warmen, also raumseitigen Bereich liegt, ist ein Kondensieren des Wasserdampfs aus der Raumluft nicht zu befürchten. • Dampfkontrolle: Absperren im warmen (also nicht kondensatgefährdeten) Bereich durch kombinierte Wasser- und Dampfsperre. • Diffusionsfähigkeit nach innen: wie angesprochen ist eine temporäre Dampfdiffusion aus den raumseitigen Schichten (also diesseits der Wasser- und Dampfsperre) in den Innenraum vorteilhaft. Auf diese Weise kann Baufeuchte abgeführt werden.

3. Thermohygrische Funktionen

543

Erdreich Filtervlies Dränplatte Wärmedämmung Sperrbahn Überzug Hintermauerung

1 Feuchteschutz

Innenputz

3 Wärmeschutz

3 Dampfkontrolle

5 Diffusionsfähigkeit nach innen 44 Kelleraußenwand - Aufbau und Teilfunktionen.

544

3.15

V Funktionen

Kellersohle (Dämmung unterseitig)

☞ Band 3, Kap. XII-2 Erdberührte Hüllen

Die Sperrschicht, von der die Wasser- und Dampfdichtigkeit der Kellersohle abhängt, ist auf der tragenden Platte aufgebracht, die einen geeigneten ebenen, festen Untergrund dafür bietet (☞). Es wird in Kauf genommen, dass diese mitsamt der Wärmedämmschicht im feuchten Milieu liegt. Die Dämmung ist folglich geschlossenzellig auszuführen. Die Teilfunktionen im Einzelnen ( 45): • Feuchteschutz: hier wird nach dem mehrstufigen Dichtprinzip vorgegangen. Zunächst wird unterseitig das kapillare Aufsteigen der Feuchte durch eine Kiesschicht vermindert. Eventuell im Dämmpaket und der tragenden Platte aufsteigende Restfeuchte wird an der Sperrbahn auf dieser Platte abgedichtet. Diese wird in der Regel oberseitig mittels eines Estrichs gegen mechanische Beschädigung geschützt. • Wärmeschutz: Das Dämmpaket liegt bei dieser Variante unter der tragenden Platte. Es wird vor dem Verguss der Sohle mit einer Trennlage abgedeckt, damit kein Zementleim durch Fugen fließt und Wärmebrücken bildet. Da es im Feuchten liegt, ist es in geschlossenzelligem Schaumstoff oder gleichwertigem Material auszuführen. • Dampfkontrolle: Analog zur Kelleraußenwand wird sich zwischen den raumseitig der Wasser- und Dampfsperre liegenden Schichten (hier der Estrich) und der Raumluft ein Dampfdruckgleichgewicht einstellen. Da diese Schichten vollständig im Warmen liegen, ist Kondensation nicht zu befürchten. • Diffusionsfähigkeit nach innen: ggf. im Estrich anfallende Feuchte kann in den Innenraum ausdiffundieren.

3.16

Kellersohle (Dämmung oberseitig)

Alternativ zum oben besprochenen Aufbau ist hier die Wärmedämmung zuoberst der tragenden Platte verlegt. Die Wärmedämmung liegt im Trockenen, was einer guten Dämmwirkung förderlich ist ( 46).

3. Thermohygrische Funktionen

545

Estrich Sperrbahn tragende Platte Trennlage Wärmedämmung kapillarbrechende Kiespackung Erdreich

1 Feuchteschutz

2 Wärmeschutz

3 Dampfkontrolle

45 Kellersohle (Dämmung unterseitig) Aufbau und Teilfunktionen.

4 Diffusionsfähigkeit nach innen

46 Kellersohle (Dämmung oberseitig) Aufbau und Teilfunktionen.

546

4.

V Funktionen

Kontinuität der Funktionen

☞ Band 2, Kap. VI Herstellung von Flächen ☞ Band 2, Kap. X Flächenstöße

Die angesprochenen thermohygrischen Teilfunktionen sind – neben anderen Teilfunktionen auch – naturgemäß über die gesamte Hüllfläche eines Gebäudes hinweg zu erfüllen, so dass an Anschlussstellen ein bruchloser Übergang der Funktionsschichten zu gewährleisten ist. Die Schaubilder 1 bis 4 rechts zeigen exemplarisch an einem Fensteranschluss, wie Übergänge zwischen verschiedenen Hüllflächen hinsichtlich ihrer thermohygrischen Teilfunktionen gelöst werden können. Dabei kommt zumeist eine Sequenz verschiedener Lösungsprinzipien zum Einsatz, welche auf die konstruktive Beschaffenheit und Logik des jeweiligen Hüllbauteils sowie auch an die Besonderheiten des jeweiligen Anschlusspunkts angepasst sind. Hier sind beispielsweise beim Feuchte- und Windschutz im Wechsel ein- und zweistufige Dichtprinzipien verwirklicht worden. Die fachgerechte Ausbildung der Anschlusspunkte unter zuverlässiger Wahrung der Funktionsfähigkeit der verschiedenen Schutzebenen auch an den Übergängen stellt eine wesentliche und manchmal schwierige Aufgabe der Konstruktionsarbeit dar. Hinweise, wie die Kontinuität von Schichten aus stab-, band- und bausteinförmigem Material aus geometrischer Sicht hergestellt werden kann, finden sich in Kapitel VI ( ☞). Überlegungen zur konstruktiven Ausbildung von Stößen und zu den Folgen für die Funktionsfähigkeit der Fuge sind in Kapitel X ( ☞) enthalten.

3. Thermohygrische Funktionen

äußere Glasscheibe

547

1 Feuchteschutz

Nassdichtung Falzraum (2.Stufe) Beschichtung Entspannungskammer und Entwässerungskanal für Falzraum (2.Stufe) Mitteldichtung (2. Stufe) Beschichtung Befestigung Sohlbank Dichtband (2. Stufe) Außenwandfläche äußere Glasscheibe

2 Windschutz

Nassdichtung Profil Entspannungskammer Mitteldichtung (2. Stufe) Profil Befestigung Sohlbank Dichtband (2. Stufe) Außenwandfläche Scheibenzwischenraum Abstandshalter/Randverbund

3 Wärmeschutz

stehende Luftschicht Profil stehende Luftschicht Profil Dämmfüllung Dämmfüllung Dämmfähigkeit Außenwand innere Glasscheibe

4 Dampfkontrolle

Nassdichtung Beschichtung

Beschichtung Nassdichtung Diffusionswiderstand Außenwand

47 Kontinuität der thermohygrischen Teilfunktionen über einen Fensteranschluss hinweg.

548



V Funktionen

Anmerkungen

1

2

In Ermangelung eines eingeführten Begriffs schlagen wir den Begriff der Dampffalle vor, da die Gefährlichkeit dieses Mechanismus auf der Behinderung des Ausdiffundierens von Wasserdampf aus der Konstruktion beruht. Auch wenn bislang in der Fachsprache nicht gebräuchlich, schlagen wir die Einführung des Begriffs Dampfkontrolle für eine adäquate knappe Bezeichnung dieser Funktion vor.

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

1. Akustik 2. Schall 2.1 Physikalische Grundlagen 3. Schallschutz 3.1 Bauakustische Grundfunktionen von Hüllbauteilen 3.2 Subjektives Hörempfinden 3.3 Luftschallschutz 3.3.1 Schalldämmmaß 3.3.2 Luftschalltechnisches Verhalten von Bauteilen 3.3.3 Bauliche Varianten zweischaliger Hüllbauteile 3.4 Trittschallschutz 3.4.1 Trittschalldämmmaß 3.4.2 Trittschalltechnisches Verhalten von Decken 3.4.3 Verbesserung des Trittschallschutzes durch Bodenbeläge 3.4.4 Verbesserung des Trittschallschutzes durch schwimmende Estriche 3.4.5 Verbesserung des Trittschallschutzes durch Unterdecken 3.5 Besonderheiten des Schallschutzes von Fenstern Anmerkungen

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

550

1.

V Funktionen

Akustik

Hüllbauteile können in akustischer Hinsicht grundsätzlich zweierlei Aufgaben erfüllen: • bauakustische Funktionen (Schallschutz). Diese sind mit schalltechnischer Kapselung von umbauten Räumen gegenüber Außenlärm verbunden oder mit schalltechnischer Trennung oder Abschirmung eines Innenraums von einem benachbarten Raum. Der Schallempfänger befindet sich grundsätzlich in einem anderen Raum als die Schallquelle. Sende- und Empfangsraum sind voneinander durch ein flächiges Bauteil getrennt. • raumakustische Funktionen zur Sicherung der Verständlichkeit des gesprochenen Wortes oder zur geeigneten Beeinflussung der Klangfarbe von Musik. In diesem Zusammenhang sind lediglich die akustischen Verhältnisse in einem einzigen Raum von Interesse (deshalb Raumakustik). Schallquelle und Empfänger befinden sich folglich im gleichen Raum. Bau- und Raumakustik werden in unter dem Oberbegriff der Akustik subsummiert. Akustik umfasst darüber hinaus weitere, nicht direkt baubezogene Disziplinen. Die Begriffe Bauakustik und Schallschutz werden gewöhnlich als Synonyme benutzt.

2.

Schall

2.1

physikalische Grundlagen

Eine Schallquelle versetzt ein umgebendes elastisches Medium – für das Bauwesen sind sowohl Feststoffe als auch Luft relevant – in Schwingungen, so dass in der Molekülpackung des Mediums ( 1) entlang der Schallausbreitungsrichtung jeweils Verdichtungen und Verdünnungen entstehen ( 2). Dieser Prozess lässt sich in einer Sinusfunktion ausdrücken, die eine charakteristische Zeitperiode oder Wellenlänge l und einen maximalen Ausschlag oder Amplitude A aufweist ( 3). Die Anzahl der Ausschläge oder Schwingungen pro Sekunde wird als Frequenz f [in s-1 oder Hz] bezeichnet. In unserer Wahrnehmung bestimmt die Frequenz die Tonhöhe ( 4), die Amplitude A hingegen die Lautstärke ( 5). Schall entsteht an der Schallquelle zumeist durch Schwingung eines festen Körpers (Musikinstrument, Stimmbänder, Abspielgerät), also in Form von • Körperschall, welcher die umgebende Luft in Schwingungen versetzt und sich infolgedessen anschließend als • Luftschall weiter ausbreitet. Trifft der Luftschall auf ein flächiges Bauteil, sind drei Phänomene zu beobachten, die bautechnisch von Bedeutung sind:

551

Schalldruck p

4. Schallschutz

t

1 Luftmoleküle im Ruhezustand gleichmäßig verteilt

Schalldruck p

2 Luftmoleküle unter Schalldruck. Es bilden sich Verdichtungen (Druckmaxima) und Verdünnungen (Druckminima) gemäß einer Sinusfunktion

A t

λ

3 Sinuskurve der wellenförmigen Schallausbreitung in einem elastischen Medium wie Luft. Amplitude A und Wellenlänge l

p

p leiser Ton

hoher Ton

t

A t

A

t

t

4 Unterschiedliche Tonhöhe bei gleichbleibender Amplitude A und wechselnder Frequenz f

tiefer Ton

lauter Ton λ

5 Unterschiedliche Lautstärke bei wechselnder Amplitude A und konstanter Frequenz f

552

V Funktionen

• Schallreflexion an der raumzugewandten Oberfläche, welche die Schallwellen wieder in den Raum zurückwirft ( 6). • Schallabsorption, durch welche die Schallenergie in den oberflächennahen Bauteilschichten absorbiert und in Wärme umgewandelt wird ( 7). • Schalltransmission oder Schalldurchgang durch das Flächenbauteil hindurch ( 8). Der Luftschall regt das Bauteil zu Schwingungen an und induziert in diesem dadurch einen Körperschall. Auf der gegenüber liegenden Bauteilfläche strahlt der Schall dann wieder als Luftschall ab, jedoch – und dies ist baulich bedeutsam – mit verringerter Schallenergie. Während Schallreflexion und -absorption inbesondere für raumakustische Anliegen eine Rolle spielen, ist die Schalltransmission der fundamentale physikalische Prozess unter bauakustischen oder schallschutztechnischen Gesichtspunkten.

6 Schallreflexion an einem Flächenbauteil

7 Schallabsorption an einem Flächenbauteil

3.

Schallschutz

3.1

Bauakustische Grundfunktionen von Hüllbauteilen

8 Schalltransmission durch ein Flächenbauteil hindurch

Eine der Hauptfunktionen vieler Hüllbauteile ist die Abschirmung eines Innenraums gegenüber störenden Schallquellen, also im oben beschriebenen Sinne die möglichst große Verringerung der Schallenergie bei der (nicht gänzlich zu vermeidenden) Schalltransmission durch ein Raum abschließendes Hüllbauteil hindurch. Folgende Grundbedingungen müssen zu diesem Zweck gegeben sein: • Die Hüllfläche muss kontinuierlich Raum abschließend ohne durch die Bauteildicke hindurch verlaufende Spalte oder sonstige Öffnungen ausgebildet sein. Manchmal ist diese Forderung baulich nicht leicht zu erfüllen, insbesondere bei elementierten Bauten mit hohem Fugenanteil oder auch bei beweglichen Teilen wie einem Fenster. In diesem Sinne erfordert der Schallschutz ähnlich wie andere Schutzfunktionen der Gebäudehülle auch,

4. Schallschutz

eine besondere Sorgfalt beim Sicherstellen der funktionalen Kontinuität des Flächenbauteils bzw. einzelner betroffener Schichten desselben (☞).

553

☞ Band 2, Kap. VI Herstellung von Flächen

• Damit die Schalltransmission durch das Bauteil selbst minimiert werden kann, muss dieses möglichst viel Schall reflektieren und möglichst schwer in Schwingungen zu versetzen sein. Träges Schwingungsverhalten vernichtet bei der Umwandlung von Luft in Körperschall ein Maximum an Schallenergie (im störenden Frequenzbereich), bzw. genauer: wandelt ein Teil derselben in Wärmeenergie um. Dies ist im Prinzip durch zwei Mechanismen zu bewerkstelligen: •• durch große flächenbezogene, gleichmäßig über die Fläche verteilte Masse. •• durch kombinierte Schwingungsanregung zweier oder mehrerer parallel zu einem mehrschaligen Bauteil zusammengeschalteter Schalen. Unter günstigen Voraussetzungen, die planerisch vorauszusehen und baulich sorgfältig umzusetzen sind, dämpfen sich in Kombination mit der Federwirkung des Zwischenraums die Schwingungen der Schalen gegenseitig, so dass wiederum Schallenergie verringert wird. • Auch die so genannten Schallnebenwege über flankierende Bauteile, über welche der Schall trotz hochdämmender Bauteilkonstruktion dennoch einen ungehinderten Weg in den Nachbarraum finden könnte, müssen derart gestaltet sein, dass sie eine vergleichbare Schalldämmung bieten wie das Raum abschließende Flächenbauteil (☞). Das Ziel der Bauakustik ist, Störungen durch Schall so weit wie möglich, oder technisch und ökonomisch vertretbar, zu reduzieren. Ein wesentlicher Parameter ist der Schalldruck p des durch das schalldämmende Bauteil hindurchtretenden Schalls. Da die baurelevanten Schalldrücke eine Spanne von bis zu fünf Zehnerpotenzen umfassen, wird an seiner Stelle das logarithmische Maß des Schallpegels L [in dB] verwendet. Der fundamentalen Zielsetzung der Bauakustik kommt entgegen, dass das menschliche Gehör eine maximale Frequenzspanne zwischen 16 Hz und rund 20 000 Hz wahrnehmen kann. Kleinere oder höhere Frequenzen als diese Schwellenwerte (Infra-/Ultraschall) sind nicht wahrnehmbar und infolgedessen bautechnisch irrelevant. Bauakustisch bedeutsam, weil von störender Wirkung, sind indessen lediglich Frequenzen1 zwischen rund 100 Hz und 3150 Hz . Wesentlich für den Schallschutz ist nicht so sehr die objektiv messbare Schallpegel des durch das schalldämmende Bauteil hindurch tretenden Schalls, sondern das subjektive Hörempfinden des Empfängers, das von spezifischen Faktoren abhängig ist. Gleiche Schallpegel unterschiedlicher Frequenzen werden beispielsweise

☞ das Schaubild  9 im Kap. V-1, Abschn. 4.7 Akustik, S. 361

3.2

Subjektives Hörempfinden

554

V Funktionen

von unserem Gehör als unterschiedlich laut empfunden. Für höhere Frequenzen ist unser Ohr empfindlicher als für tiefere. Zur Erfassung der in Abhängigkeit der Frequenz empfundenen Lautstärke wurde der bewertete Schallpegel oder A-Schallpegel [in dB(A)] eingeführt, der anhand einer festgelegten A-Bewertungskurve ermittelt wird.2 Eine fundamentale Strategie der Bauakustik beruht auf der Verlagerung von allfälligen Minima der Schalldämmwerte in unkritische, insbesondere tiefere Frequenzbereiche. 3.3

Das Maß der Luftschalldämmung kann näherungsweise erfasst werden als die Differenz zwischen den Schallpegeln zu beiden Seiten des schalldämmenden Bauteils. Es ist definiert durch das logarithmische Verhältnis zwischen der auftreffenden Schallenergie ES (Senderaum) und der abgestrahlten Schallenergie EE (Empfangsraum) und wird als Schalldämmmaß R bezeichnet.

Luftschallschutz

3.3.1 Schalldämmmaß 60

B A

50

R = 10 * lg (ES / EE)

B‘ Rw 40

U

30

Die Schalldämmung ist ferner abhängig von der Fläche des Bauteils sowie auch von der Schallabsorption im Empfangsraum. Unter Berücksichtigung dieser Parameter errechnet sich das Schalldämmmaß R messtechnisch zu

Schalldämmmaß R (in dB)

R = LS - LE + 10 * lg (A/S) 20

10

0 100

200

Frequenz (in Hz)

400

800

1600

3200

500 Hz

9 Festlegung des bewerteten Schalldämmmaßes Rw nach DIN EN ISO 717-1 als frequenzunabhängiger Einzahlwert. (Quelle 5) A: Messwerte B: Bezugskurve nach DIN, welche die größere Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs für höhere Frequenzen berücksichtigt (deshalb bei höheren Frequenzen höhere Dämmwerte gefordert). B‘: verschobene Bezugskurve B, bis die mittlere Unterschreitung (U) 2 dB beträgt U: Unterschreitung der verschobenen Bezugskurve durch die Messwerte Rw: bewertetes Schalldämmmaß, wird bei 500 Hz festgelegt

3.3.2 Luftschalltechnisches Verhalten von Bauteilen

wobei A äquivalente Schallabsorptionsfläche des Empfangsraums, S die zu prüfende Bauteilfläche ist.3 Der zusätzliche Effekt der Schallleitung über Nebenwege wird durch das Bauschalldämmmaß R‘ erfasst. Schalldämmmaße hängen stark von der Frequenz ab und sind deshalb frequenzabhängig in Diagrammen darzustellen. Ein baupraktisch brauchbarer Mittelwert ist infolge der Frequenzabhängigkeit des Schalldämmmaßes arithmetisch nicht zu ermitteln, da die selektive Empfindlichkeit unseres Ohrs auf diesem Wege nicht richtig erfasst wird. Zu diesem Zweck wird das bewertete Schalldämmmaß Rw eingeführt. Es wird anhand einer festgelegten Bezugskurve nach einem normierten Verfahren4 ein Mittelwert bei einer Frequenz von 500 Hz ermittelt, der als Einzahlwert die Luftschalldämmung eines Bauteils möglichst gehörstreu wiedergibt ( 9). Nach dem gleichen Verfahren wird unter Berücksichtigung bauüblicher Schallnebenwege auch das bewertete Bauschalldämmmaß R‘w festgesetzt. Hohe Schalldämmmaße sind ein Anzeichen für eine gute Luftschalldämmung eines Bauteils. Wie bereits angesprochen muss bezüglich des luftschalltechnischen Verhaltens von Bauteilen grundsätzlich unterschieden werden zwischen • einschaligen Bauteilen und

4. Schallschutz

555

• mehrschaligen Bauteilen. In der Baupraxis liegen fast ausnahmslos zweischalige Bauteile vor. Der Mechanismus der Schalldämmung folgt dabei jeweils zwei unterschiedlichen physikalischen Prinzipien: Entscheidend für eine effiziente Schalldämmung, also für hohe Schalldämmmaße, eines einschaligen Bauteils ist eine Kombination von



einschalige Bauteile

• großer flächenbezogener Masse. Diese muss gleichmäßig, ohne lokale Verdünnungen der Bauteilstärke, über das Gesamtbauteil verteilt sein. Als einfache Faustregel, die weiter unten näher differenziert wird, gilt, dass je größer die Masse eines Flächenbauteils, desto größer auch das Schalldämmmaß ist. • geringer Biegesteifigkeit. Vereinfachend kann davon ausgegangen werden, dass eine Verdoppelung der flächenbezogenen Masse zu einer Verbesserung des bewerteten Schalldämmmaßes von 7 bis 8 dB führt.6 Es herrscht indessen keine reine Proportionalität zwischen Masse und Schalldämmung, da der Einfallswinkel des Schalls einen deutlichen Einfluss ausübt.7 Der Grund hierfür liegt in einer räumlichen Resonanz, die entsteht, wenn Schallwellen in einem bestimmten Winkel auf die Bauteiloberfläche auftreffen ( 10, 11), die mit einer gewissen, von Masse und Steifigkeit abhängigen Biegewellenlänge schwingt. Stimmt die auf die Bauteilebene bezogene Spurwellenlänge des Schalls mit der Biegewellenlänge des Bauteils überein ( 12), tritt eine deutliche Schwingungsverstärkung auf und die Schalldämmung verringert sich deutlich. Man spricht vom Spuranpassungseffekt. Die niedrigste Frequenz, bei der dieser Effekt in Erscheinung tritt,

λ

λ α

λB

10 Flächenbauteil und angrenzende Luftmoleküle im Ruhezustand

11 Anregung des Flächenbauteils zu Biegeschwingungen durch Luftschall. Senkrechte Ausrichtung

12 Anregung des Flächenbauteils zu Biegeschwingungen durch schräg auftreffenden Luftschall. Auf die Bauteilfläche bezogen ist die Schallwellenlänge die Spurwellenlänge lB = l / cos a

556

V Funktionen

☞ Kap. III-5, Abschn. 7, S. 171

wird als Koinzidenz-Grenzfrequenz fg bezeichnet. Der Einfluss dieses Phänomens auf die Relation zwischen Masse und Schalldämmung zeigt das Diagramm in  13. Deutlich erkennbar ist ein Plateau im Kurvenverlauf, das zum Ausdruck bringt, dass im Bereich zwischen etwa 10 und 50 kg/m3 flächenbezogener Masse eine Erhöhung derselben keine bauakustischen Vorteile bietet. Die reine Proportionalität (ausgedrückt im Bergerschen Massengesetz) zeigt sich nur bei biegeweichen Platten (Kurve B). Holz und Holzwerkstoffe zeigen eine für bauakustische Anliegen ungünstige Kombination von Steife und geringer Masse (Kurve C), die hingegen in statischer Hinsicht einen großen Vorzug des Werkstoffs darstellt (☞). Die Schalldämmwerte fallen folglich bei niedrigen flächenbezogenen Massen gegenüber anderen Materialien ungünstiger aus. Setzt man das Schalldämmmaß zur Frequenz in Beziehung, zeigt sich ein klar erkennbares Dämmungsminimum im Bereich der Grenzfrequenz fg ( 14). Die Lage dieses kritischen Frequenzbereichs ist abhängig von dem Verhältnis von flächenbezogener Masse und Biegesteife des Bauteils. Je dicker eine Platte, und damit auch je steifer, desto niedriger liegt die Grenzfrequenz ( 15). Als Orientierungshilfe kann herangezogen werden, dass • schwere biegesteife Betonplatten eine Grenzfrequenz fg im Bereich von 100 Hz aufweisen, wo das Dämmungsminimum keine besonders störende Wirkung zeigt. • dünne biegeweiche Platten wie beispielsweise Gipskartonplatten die Grenzfrequenz fg im Bereich von 3000 Hz haben, wo die bauakustisch relevante Frequenzspanne endet und somit auch keine signifikanten Störungen zu erwarten sind.

☞ Kap. III-5 Holz, S. 164

Kritisch sind hingegen leichte biegesteife Schalen wie beispielsweise Porenbetonplatten oder porosierte Ziegel. Nach den bisherigen Überlegungen wird deutlich, dass in schallschutztechnischer Hinsicht ein Zielkonflikt mit fundamentalen Anforderungen aus der Teilfunktion der Kraftleitung entstehen kann. Eine Kombination von großer Masse und geringer Biegesteifigkeit ist bei den üblichen Baumaterialien eher selten. Mit steigender flächenbezogener Masse steigt bei üblichen Baukonstruktionen auch die Biegesteifigkeit eines Flächenbauteils, was zwar entwicklungsgeschichtlich wegen des Primats der Tragfunktion nachvollziehbar, bauakustisch aber zunächst unerwünscht ist. Biegesteifigkeit ist aus der Sicht der Kraftleitung naturgemäß durchaus erwünscht. Auch aus der Sicht einer größtmöglichen Materialökonomie besteht der Wunsch nach kleiner Masse und großer Biegesteifigkeit. Gerade Holz zeigt hier gleichzeitig statische Stärken (☞) und bauakustische Schwächen (vgl. Diagramm in  12). Auch mit Anforderungen des Wärmeschutzes, der ja ein möglichst leichtes poröses Gefüge voraussetzt, können Erfordernisse des Schallschutzes, bei dem sich Masse grundsätzlich günstig auswirkt, gelegentlich kollidieren. Die Biegesteifigkeit dickerer Platten lässt sich dadurch reduzieren,

4. Schallschutz

557

60 dB

50 dB

A 40 dB

C

bewertetes Schalldämmmaß R’w (in dB)

B

13 Zusammenhang zwischen der flächenbezogenen Masse m‘ und dem bewerteten Schalldämmmaß R‘w nach Gösele und Lutz 8

30 dB

A: einschalige Wände und Decken aus Materialien wie Beton, künstliche Steine, Gips, Glas

20 dB

B: Stahlblech bis 2 mm Dicke, Bleiblech, Gummiplatten 10 dB

2

3

4 5 6 7 8 9 10

20

30

40 50

70

100

200

300

500

C: Holzwerkstoffe

700

2

flächenbezogene Masse m’ (in kg/m )

60

10000

C

biegeweich

B 50

4000

A

E

3000

A

2000

40

G

30 700

fg

500

20 100

200

500

Bauakustische Frequenzspanne

F 1000

1000

2000

5000

Frequenz (in Hz)

14 Zusammenhang zwischen Schalldämmmaß R und Frequenz von dünnen Wänden mit flächenbezogener Masse von 55 kg/m2 nach Gösele9 A: Beton B: Gummiplatte C: gleich schwere Platte mit vernachlässigbarer Biegesteife fg: Grenzfrequenz der Betonplatte

Grenzfrequenz fg (in Hz)

Schalldämmmaß R (in dB)

C

5000

400

D

B

300 200

100 0,2

biegesteif 0,3 0,4 0,5 0,7

1

2

3

4

5

7

10

15

20

30

Plattendicke (in cm)

15 Grenzfrequenz von Platten verschiedener Werkstoffe abhängig von der Plattendicke nach Gösele10 A: Glas E: Gips

B: Beton F: Hartfaserplatte

C: Sperrholz G: Porenbeton

D: Vollziegel

558

V Funktionen

D

d d d

16 Verringerung der Biegesteifigkeit einer Platte mit der Dicke D durch Aulösung in drei lose (beispielsweise punktuell) miteinander verbundenen Einzelplatten der Dicke d oder durch rasterförmiges Aufschlitzen

schwimmender Trockenestrich Beschwerung aus Betonsteinen

tragende Deckenkonstruktion

17 Verbesserung des Schallschutzes einer leichten Decke durch Beschwerung mit künstlichen Steinen

☞ Abschn. 3.4, S. 566



zweischalige Bauteile

☞ Band 2, Kap. VII Aufbau von Hüllen ☞ Band 2, Kap. VII, Abschn. 3. Doppelte Schalensysteme

dass die Platte in ein Paket lose aufeinander geschichteter dünnerer Platten aufgelöst wird ( 16). Die Beigesteifigkeit, die ja in erster Linie von der statischen Höhe, also von der Plattengesamtdicke D, abhängt, reduziert sich dann auf den Wert, welcher der Summe der einzelnen n Teildicken d entspricht (also im Verhältnis n · d statt D3). Auch durch Aufschlitzen einer Platte kann ihre Biegesteifigkeit deutlich reduziert werden, ohne dass die flächenbezogene Masse stark abnimmt. Das Dämmungsminimum kann durch diese Maßnahme in einen unkritischeren oberen Frequenzbereich verlagert werden. Auch eine Materialdämpfung, beispielsweise durch Füllung von Hohlräumen mit losem Schüttmaterial wie Sand, kann die Schalldämmung verbessern, weil Schallenergie durch die gegenseitige Reibung der Partikel in Wärme umgewandelt wird. Leichte Deckenkonstruktionen wie beispielsweise Holzbalkendecken, die infolge ihrer niedrigen flächenbezogenen Masse – gewissermaßen ein konzeptionell angelegtes Merkmal und ein großer statischer und materialökonomischer Vorzug dieser Leichtbaukonstruktionen – eine ungünstige Schalldämmung sowohl Luft- als auch Trittschalldämmung, (☞) aufweisen, können durch die Addition von Masse in Form biegeweicher Schalen bauakustisch deutlich verbessert werden. Bautechnisch geschieht dies durch einfaches Auflegen von schweren künstlichen Steinen (z. B. Betonsteinen, vgl.  17) oder durch Sandschüttungen. Sowohl Sand als auch die lose, einfach anstoßend verlegten Steine verhalten sich insgesamt biegeweich, addieren dem Gesamtbauteil Masse hinzu, ohne deessen Biegesteifigkeit zu vergrößern, was sich schalltechnisch ungünstig auswirken würde. Aus statischer Sicht stellt diese Masse indessen nur Ballast, also gewissermaßen funktionslose tote Masse dar, die naturgemäß zu einer Überdimensionierung der Tragkonstruktion führt. Vorteilhaft wirkt sich bei Decken die Möglichkeit aus, diese Masse einfach frei zu verlegen. An senkrechten oder geneigten Bauteilen müsste die Beschwerung verankert werden, was zusätzlichen konstruktiven Aufwand in Form von Befestigungen erfordern würde. Die Verbesserung des Trittschallschutzes nach 11 fällt deutlich aus (vgl. Diagramm auf  30), ebenso die des Luftschallschutzes. In bauakustischer Hinsicht zählen zu den zweischaligen Flächenbauteilen sowohl doppelte Schalensysteme in Sinne unserer Betrachtung ( ☞), bei denen zwei nicht – oder nur lose – miteinander gekoppelte Schalen zu einem Bauteil kombiniert sind, als auch Rippensysteme mit Beplankung aus dünnen Schalen Die entstehenden Hohlräume werden in der Regel mit Dämmstoff teilweise oder komplett ausgefüllt. Aus Wärmeschutz- aber auch – wie wir sehen werden – Schallschutzgründen werden die Zwischenräume indessen in der Baupraxis zumeist vollständig ausgefüllt ( ☞). Zweischalige Bauteile können unter bestimmten Voraussetzungen wesentlich höhere Luftschalldämmwerte erzielen als einschalige. Insbesondere der Nachteil einschaliger Wände, für einen guten Schallschutz große Flächengewichte aufbieten zu müssen, wird

4. Schallschutz

durch zweischalige Systeme umgangen. In dieser Hinsicht ähnelt die bauakustische Zielsetzung bei zweischaligen Bauteilen der statischen, zumindest bei leichten Rippensystemen. Auch aus der Sicht der Kraftleitung wird bei diesen die Biegesteife eines schweren Vollquerschnitts durch die eines leichten zweischaligen Gerippes substituiert. Anders als bei einschaligen Bauteilen, bei denen eine Vernichtung oder Umwandlung der Schallenergie durch die Schwingungsträgheit einer großen Masse erzielt wird, beruht die bauakustische Wirkung zweischaliger Bauteile auf die gegenseitige Neutralisierung eines Teils der Schwingungsenergie beider Schalen innerhalb bestimmter günstiger Frequenzbereiche. Dabei wirkt das Bauteil als ein kombiniertes Masse-Feder-System aus zwei schwingenden Massen m1 und m2 sowie einer federnden Zwischenschicht, in der Baupraxis entweder Luft oder ein weich federndes Dämmmaterial. Analog zum Schwingungssystem Luft/Einzelschale existiert für jedes zweischalige Bauteil eine Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz fR, bei der beide Schalen mit der gleichen Schwingung ausschlagen. Bei dieser Frequenz verstärkt sich die Schwingungsenergie des Gesamtsystems deutlich, infolgedessen sinken die Schalldämmwerte. In diesem Bereich verhält sich das zweischalige System ungünstiger als eine Einzelschale gleicher Masse wie die Summe der beiden Einzelmassen ( 18). Es gilt, diesen ungünstigen Resonanzfrequenzbereich an den unkritischen unteren Rand des relevanten Frequenzspektrums zu verlagern (unter 100 Hz). Hingegen verbessern sich die Schalldämmwerte des zweischaligen Systems bei höheren Frequenzen dramatisch. Auf diesem Phänomen beruht die außerordentliche bauakustische Wirksamkeit der Doppelschalenoder Rippensysteme (☞). Resonanzfrequenzen zweischaliger Bauteile mit dünnen biegeweichen und dicken biegesteifen Schalen können den Diagrammen auf den  19 und 20 entnommen werden. Die kritischen Resonanzfrequenzen können infolgedessen niedrig (möglichst unter 100 Hz) gehalten werden, wenn

559

m1

m2

☞ Band 2, Kapitel VII, Abschn. 5. Rippensysteme

großer Schalenabstand kleiner Schalenabstand Vergleichssystem Einzelschale gleich schwer

• die Schalen schwer sind

• der Dämmstoff im Hohlraum federweich ist.15 Die bauakustische Wirksamkeit zweischaliger Bauteile wird anhand der Werte auf dem Diagramm in  21 deutlich. Lediglich im Bereich zwischen 40 und 100 kg/m2 flächenbezogener Masse bildet sich ein Plateau aus, d. h. eine Steigerung der Masse in diesem Bereich führt zu keiner spürbaren Verbesserung der Schalldämmung. Hier liegen die Grenzfrequenzen der Schalen.17 Der Dämmstoff im Hohlraum übernimmt die wichtige Funktion der Hohlraumdämpfung. Er baut gegenüber dem Schall einen Strömungswiderstand auf, der zu einer merkbaren Schalldämpfung

Schalldämmmaß R

• der Schalenabstand groß ist

100 Hz

fR

3150 Hz

f‘R

fg

Frequenz

18 Schalldämmung von Doppelschalensystemen mit Dämmungsminimum bei der jeweiligen Resonanzfrequenz fR und f‘R. Das Minimum bei fR liegt jenseits des relevanten Frequenzspektrums. Der Sattel rechts oben bei fg entspricht der Koinzidenz-Grenzfrequenz der einzelnen Schale des Doppelsystems.12

560

V Funktionen

und somit zu verbesserten Schalldämmwerten führt. Biegesteifere Hartschäume sind für diesen Zweck nicht geeignet, Faserdämmstoffe hingegen gut. Bereits eine Auskleidung des Hohlraums mit dünnerem Dämmmaterial zeigt positive Wirkung; wirksamer ist hingegen das vollständige Ausfüllen der Hohlräume, was bei äußeren Hüllbauteilen auch gleichzeitig den erhöhten Wärmeschutzanforderungen Rechnung trägt. Analog zum Schallübertragungsweg 2 ( 22), dem direkten Übertragungsweg durch das Flächenbauteil hindurch, müssen die Wege 1 und 3, d. h Schallwege über verbindende Brücken wie flankierende Bauteile (1) oder Rippen (3), derart gestaltet werden, dass keine Schwachstellen entstehen, dort also ähnliche Schalldämmwerte vorliegen wie auf dem Weg 2. Im Folgenden wird kurz auf die beiden Schallwege 1 und 3 eingegangen: Weg 1 Randeinspannung: Hier spielt19 insbesondere der Einsatz biegeweicher Schalen eine wesentliche Rolle sowie auch die Verwendung von geeigneter Körperschalldämmung an der Einspannstelle (Dämmstreifen). Ferner kann auch eine Materialdämpfung von Hohlräumen Wirkung zeigen. Weg 3 Rippe: Die Verbindung zwischen den Schalen stellt eine Schallbrücke dar, die zu einer deutlichen Verschlechterung des zweischaligen Gesamtsystems führen kann. Wichtig dabei ist • die Verwendung biegeweicher Schalen analog zu den Überlegungen zu Weg 1. Vergleichsweise schwere, biegeweiche Schichten, die an den Schalen angebracht werden, verbessern die Schalldämmung des Bauteils, ebenso eine Materialdämpfung. Beides ist beispielsweise durch Aufdoppeln einer biegeweichen Schale erzielbar. Dadurch wird einerseits die Biegesteifigkeit herabgesetzt (vgl. Überlegungen in  16) und andererseits ein gewisser Materialdämpfungseffekt durch die dazwischenliegende Luftschicht erzielt.20 • Verwendung möglichst federnder Rippenprofile, die eine eher federweiche Verbindung zwischen den Schalen schaffen. Die höchsten Schalldämmwerte werden naturgemäß bei Trennung des Rippenprofils erreicht, eine Maßnahme, welche die Schallbrücke über die Rippe faktisch eliminiert.

Längsleitung

Unter den verschiedenen Schallnebenwegen macht sich die Schalllängsleitung über flankierende, zumeist rechtwinklig an das betrachtete Element anschließende Bauteile am stärksten bemerkbar. Entscheidend für das Ausmaß der Schalllängsleitung über ein flankierendes Bauteil ist die Art des Anschlusses, also ob es sich um einen • starren Anschluss mit Randeinspannung oder einen

4. Schallschutz

561

m‘

400

d

200

Grenzfrequenz fR (in Hz)

150

100

5

70

7,5 10

50

15 20

40 1 2 Dicke d (in cm)

3

4

5

7

10

15

19 Resonanzfrequenz fR von Doppelschalensystemen aus biegeweichen dünnen Platten etwa gleicher Dicke und Masse m‘ 13

20

m‘

400

Bauakustische Frequenzspanne

300

200 150

d

m‘

50 100 75 100

70

150 200

50

450

40 1 2 Dicke d (in cm)

3

4

5

7

10

300 15

Masse m’ (in kg/m2)

Grenzfrequenz fR (in Hz)

m‘

Masse m’ (in kg/m2)

Bauakustische Frequenzspanne

300

20

• gelenkigen Anschluss zwischen den zwei T-förmig anstoßenden Flächenbauteilen handelt. Diese beiden Fälle werden im Folgenden kurz erläutert: • starre Anschlüsse liegen dann vor, wenn zwei massive Bauteile zusammenstoßen. Es sind dann verschiedene Schallleitungswege zu berücksichtigen (Ff, Fd, Df wie auf  23), da sich die biegesteif angeschlossenen Bauteile akustisch gegenseitig beeinflussen. Grundsätzlich ist festzustellen, dass sich unter diesen Voraussetzungen eine Verbesserung der Schalldämmung einstellt infolge des Effekts der Stoßstellendämpfung. Dieser beruht auf einer Verzweigungsdämmung am konstruktiven Knoten, aufgrund deren ein Teil der Schwingungsenergie reflektiert und nicht in

20 Resonanzfrequenz fR von Doppelschalensystemen aus biegesteifen dicken Platten etwa gleicher Dicke und Masse m‘ 14

562

V Funktionen

den Empfangsraum weitergeleitet wird.21 • gelenkige Anschlüsse entstehen bei Existenz mindestens eines mehrschaligen Bauteils mit biegeweichen Schalen, bei denen die Anschlüsse wie oben beschrieben ohne Randeinspannung ausgeführt wurden. Die anstoßenden Flächenbauteile beeinflussen sich in diesem Fall akustisch nicht mehr gegenseitig, es liegt neben der direkten Übertragung (Dd) dann nur ein Übertragungsweg über das flankierende Bauteil vor (Ff) ( 23 unten). Es sind wiederum zwei Fälle zu unterscheiden: •• flankierendes Bauteil massiv, trennendes Bauteil aus biegeweichen Schalen ( 24 oben): Da der Effekt der Stoßstellendämpfung wie bei zwei massiven Bauteilen in diesem Fall nicht wirkt, muss die Schalldämmung des flankierenden Bauteils ausreichend groß sein. Dies bedeutet, dass das massive flankierende Element durch ausreichende Masse der Längsleitung Ff entsprechende Schalldämmung entgegenzusetzen hat. •• beide Bauteile, trennend und flankierend, aus biegeweichen Schalen ( 24 unten): Die Schallübertragung (Ff) über den Hohlraum des flankierenden Bauteils muss durch geeignete Hohlraumdämpfung sowie ggf. durch Abschottung, die sich im Regelfall bereits durch eine notwendige Anschlussrippe ergibt, verringert werden. Darüber hinaus kann eine Massenerhöhung an den Schalen des flankierenden Bauteils ( 25 o.), beispielsweise durch Aufdoppeln der Platte, eine günstige Wirkung entfalten. Am wirkungsvollsten erweist sich hingegen das Trennen der Beplankung des flankierenden Bauteils an der Anschlussstelle des trennenden, so dass die Kontinuität des kritischsten Schall leitenden Elements unterbrochen ist ( 25 u.).

Ff Fd

L 22 Schallübertragungswege bei zweischaligen Bauteilen: doppelte Schalensysteme (oben) und Rippensysteme (unten)18. Weg 1: Randeinspannung ist von den verschiedenen Wegen der Längsleitung L über die flankierenden Bauteile zu unterscheiden

1

Ff

1

Dd

2

L 23 Schalllängsleitungswege an einem T-Stoß zweier Flächenbauteile in starrer (oben) und gelenkiger Ausführung (unten) (vgl. auch 17). Die Bezeichnungen nach DIN 52217 unterscheidet jeweils Direkt- (D, d) oder Flankenleitung (F, f) in Sende- und Empfangsraum (Groß- oder Kleinschreibung).

Df

2

3

Dd

563

100 dB

100

50 90 dB 20

Schalenabstand d (in mm)

4. Schallschutz

80 dB 10

70 dB

m‘ 60 dB

d

Kurven B

B

50 dB

m‘

A

bewertetes Schalldämmmaß R’w (in dB)

40 dB

Kurve A

30 dB

20 dB

10 dB

2

3

4 5 6 7 8 9 10

20

30

40 50

70

100

200

300

500

700

21 Bewertetes Schalldämmmaß R‘w zweischaliger Wände aus etwa gleichen Schalen in Abhängigkeit der flächenbezogenen Masse m‘ und dem Schalenabstand d.16 Als Vergleichskurve (A) die Werte einschaliger Bauteile (vgl. auch 13)

flächenbezogene Masse der gesamten Wand m’ (in kg/m2)

F T 24 Gelenkige Bauteilanschlüsse aus der Kombination von massivem flankierenden Bauteil und trennendem Bauteil aus biegeweichen Schalen (oben) sowie von zwei Bauteilen aus biegeweichen Schalen (unten)

F T

25 Verringerung der Schalllängsleitung (Ff) am T-Stoß zweier Bauteile aus biegeweichen Schalen durch Vergrößerung der Schalenmasse am flankierenden Bauteil (F) (oben, z. B. durch Aufdoppelung) oder durch Trennung der Beplankung des flankierenden Bauteils (F)

564

V Funktionen

3.3.3 Bauliche Varianten zweischaliger Hüllbauteile

Während einschalige Bauteile einen hinreichenden Luftschallschutz grundsätzlich über ihre Masse erlangen, steht bei zweischaligen Hüllbauteilen die Ausbildung des schwingenden Systems, die Art der Kopplung beider Schalen sowie die Dämpfung des Hohlraums im Vordergrund. Ferner ist von Bedeutung, in welcher Kombination schwere biegesteife und leichte biegeweiche Schalen (vgl. Tabelle auf  26) zu einem Bauteil zusammengefügt werden. Es sollen im Folgenden drei Varianten mit unterschiedlichem bauakustischen Verhalten näher betrachtet werden:

zwei biegeweiche Schalen

zwei biegesteife Schalen

eine biegesteife, eine biegeweiche Schale

☞ Abschn. 3.4, S. 566

✏ Dies ist am Plateau der Kurvenschar B im Diagramm auf der  21 ablesbar, insbesondere bei kleineren Schalenabständen: größere Schalenmasse führt bei diesen vergleichsweise geringen Massen von etwa 100 bis 300 kg/m2 zu keiner spürbaren Verbesserung der Schalldämmwerte

• Elemente aus zwei biegeweichen Schalen: Es handelt sich hierbei in erster Linie um Wände aus Ständerwerk mit beidseitiger Beplankung, also leichte Rippensysteme, die vor allem als leichte Trennwände eine große bauliche Bedeutung besitzen. Deckenkonstruktionen liegen in dieser Ausführungsart nur selten vor, beispielsweise als Holztafeldecken. Dort spielt bauakustisch der Trittschallschutz eine entscheidende Rolle ( ☞), so dass das Element bereits aus diesem Grunde mit weiteren Funktionsschichten wie schwimmende Estriche zu ergänzen ist. In besonders deutlicher Form tritt dieses Bauprinzip bei leichten Trennwänden aus Gipskartonplatten mit Ständerwerk aus federweichen C-Profilen aus Stahlblech in Erscheinung ( 27). Doppelte Beplankungen und größere Schalenabstände, d. h. breitere Ständerprofile, verbessern das erreichbare Schalldämmmaß, ebenso speziell profilierte, besonders federweiche Ständerprofile ( 28). Höchste Dämmwerte lassen sich durch die Trennung des Ständerwerks in zwei Schalen ( 29) erzielen sowie durch Kombination mit Spezial-Ständerprofilen ( 30). • Elemente aus zwei biegesteifen Schalen: Decken sind in dieser Bauart nicht sinnvoll zu verwirklichen, da die dominierende Aufgabe einer Decke – die Tragwirkung – weder einer einzelnen Schale (tragende Schale entweder zu dünn oder getragene Schale zu schwer), noch dem gesamten Paket zugewiesen werden kann (Schalen für Mitwirkung wiederum zu schwer). Trennwände sind in dieser Bauart hingegen durchaus realisierbar, sind jedoch wegen der vergleichsweise große Längsleitung über flankierende Bauteile wie Decken in ihrer Schalldämmwirkung begrenzt. Nach 22 erzielt man die günstigsten Ergebnisse bei Verwendung zwei leichter Schalen; schwere Schalen verhalten sich unter diesen Voraussetzungen nicht günstiger als einschalige Bauteile gleicher flächenbezogener Masse (✏). Besonders für Haustrennwände, bei denen besonders hohe Schalldämmwerte erforderlich sind, ist diese Ausführungsart von großer Bedeutung. Die Trennfuge wird ausgehend vom gemeinsamen Fundament durchgehend über alle Geschosse ausgebildet, so dass Schallbrücken minimiert sind ( 31). Auch lokale Schallbrücken, beispielsweise durch unsauberes Abschalen beim Betonieren, beeinträchtigen die Schalldämmwirkung

4. Schallschutz

565

Gipskartonplatten

≤ 18 mm

Putzschalen auf Traggewebe

-

Holzwolle-Leichtbauplatten, einseitig verputzt, auf Unterkonstruktion oder frei stehend Feserzementplatten

≤ 10 mm

Glasplatten

≤ 8 mm

Stahlblech

≤ 2 mm

Spanplatten

≤ 16 mm

26 Biegeweiche Platten nach der Definition der DIN 4109, Beiblatt 2

27 Leichte Gipskartonständerwände mit einfacher und doppelter Beplankung 28 Leichte Gipskartonständerwand mit speziellem, weich federndem Ständerprofil aus Metall

29 Leichte Gipskartonständerwand mit getrenntem Ständerwerk 30 Leichte Gipskartonständerwand mit getrenntem Ständerwerk und speziellem, weich federndem Ständerprofil. Hohe Schalldämmwerte

566

V Funktionen

dieser zweischaligen Systeme wesentlich und müssen sorgfältig vermieden werden. Bedeutsam ist ferner 23 eine ausreichende Fugenbreite zwischen 30 und 50 mm sowie ein möglichst federweiches Dämmmaterial. Angenäherte bewertete Bauschalldämmwerte R‘w von Haustrennwänden in Abhängigkeit von ihrer Masse können  32 entnommen werden (vgl. auch die Werte für zweischalige Hüllbauteile in  21).

31 Prinzipschema einer zweischaligen Haustrennwand mit durchgehender Trennfuge. Füllung aus federweichem Dämmstoff.

3.4

Trittschallschutz

• Element aus einer biegesteifen und einer biegeweichen Schale: Die dickere und steifere Schale wird durch Addition der leichten, jeweils vorgesetzten, aufgelegten oder untergehängten dünnen biegeweichen Schale in ein zweischaliges schwingendes Masse-Feder-System umgewandelt und kann unter geeigneten Voraussetzungen in seiner Schalldämmung deutlich verbessert werden. Entscheidend für eine wirsame Verbesserung ist der (nicht zu kleine) Schalenabstand und die möglichst federweiche Verbindung zwischen den Schalen. 24 Wie dem Diagramm auf  33 zu entnehmen, können Wände insbesondere bei vergleichsweise leichter biegeteifer Schale durch eine Vorsatzschale bauakustisch verbessert werden, schwerere Ausführungen der Hauptschale hingegen nur unwesentlich. Das Prinzip der Kombination einer wesentlich steiferen Hauptschale mit einer untergeordneten, wesentlich biegeweicheren Nebenschale kommt naturgemäß den Erfordernissen von Decken besonders entgegen, da dort die Tragfunktion von der schweren Schale übernommen werden kann. Die leichte stellt eine bauakustische Verbesserung ohne primäre Tragaufgaben dar. Sie kann als aufgelegtes Paket wie beim schwimmenden Estrich, oder als untergehängte leichte Unterdecke in Erscheinung treten. Ihre bauakustische Wirkung verbessert nicht nur den Luft- sondern auch den Körperschallschutz – also den Trittschallschutz, der im Folgenden im Abschnitt 3.4 behandelt wird – wesentlich. Beide Maßnahmen werden weiter unten im Zusammenhang mit dem Trittschallschutz näher behandelt. Neben der Übertragung von Luftschall ist die Leitung von Körperschall zwischen benachbarten Räumen zu berücksichtigen. Sie wird im Bauwesen bei Decken vereinfachend als Trittschallübertragung bezeichnet, obgleich die Schallquellen auch anderer Art als Schrittgeräusche auf Decken sein können. Zutreffend ist, dass die Geschossdecken hinsichtlich der Körperschallübertragung die wichtigsten, weil kritischsten Bauteile sind.

3.4.1 Trittschalldämmmaß

Zur quantitativen Erfassung des Trittschalldämmmaßes eines Bauteils werden folgende Größen festgelegt:



• Norm-Trittschallpegel Ln: errechnet sich unter Berücksichtigung einer festgelegten Bezugsfläche A im Verhältnis zu der Absorptionsfläche S des Empfangsraums.

Norm-Trittschallpegel Ln

4. Schallschutz

567

90

20 mm

80

m‘

A

bewertetes Bauschalldämmmaß R’w (in

70

Kurve A B

32 Bewertetes Bauschalldämmmaß R‘ w von zweischaligen Haustrennwänden mit 20 mm Schalenabstand. Die Kurve B stellt den Bezugswert eines erhöhten Schallschutzes nach DIN 4109 dar [nach Gösele 1985]. Die Werte lassen sich durch Vergrößerung des Schalenabstands verbessern, bzw. die Massen können bei gleich bleibender Schalldämmung verringert werden.

60

50

40

100

200

300

500

700

1000

flächenbezogene Masse der gesamten Wand m’ (in kg/m2)

60

bew. Bauschalldämmmaß R’w (in dB)

m‘

50

A

40

B

30 50 70 100 200 300 400 500 Flächenbezogene Masse m’ der Hauptschale (in kg/m2)

50 mm

33 Bewertetes Bauschalldämmmaß R‘w einer schweren Wandschale mit leichter Vorsatzschale bei 50 mm Schalenabstand. Die Kurve B stellt den Bezugswert einer einschaligen Wand dar [nach Gösele 1985] (vgl. auch die Diagramme in  13 und 21).

34 Leichte Vorsatzschale aus Gipskarton und Unterkonstruktion aus Metall-C-Profilen zur Verbesserung der Schalldämmung einer massiven Wand.

568

V Funktionen

Ln = L + 10 * lg (A/S) wobei L der gemessene Trittschallpegel im Empfangsraum ist. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass zur Erfassung des Trittschalls, anders als beim Luftschall, wo mit Dämmmaßen gearbeitet wird (vgl. z. B. das Luftschalldämmmaß R = Ls -Le + 10 * lg (A / A0), das eine Pegeldifferenz, also eine Pegelminderung darstellt), Schallpegel herangezogen werden. Es wird folglich der Schall erfasst, der durch ein Bauteil hindurchdringt. Aus diesem Grunde bedeuten •• hohe Trittschallpegelwerte eine schlechte Trittschalldämmung •• niedrige Trittschallpegelwerte eine gute Trittschalldämmung

☞ Abschn. 3.3.1 Schalldämmmaß, S. 554, und  9 ebendort

Der Norm-Trittschallpegel ist frequenzabhängig und berücksichtigt in seiner jeweiligen Höhe die größere Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs gegenüber hohen Frequenzen. Aus den eben genannten Gründen verläuft das Norm-TrittschallpegelDiagramm nach DIN EN ISO 7171-2 ( 35) ungefähr gegenläufig zur Sollkurve des Schalldämmmaßes R nach DIN EN ISO 7171-1 ( ☞)



gebäudebezogener Norm-Trittschallpegel L‘n

• Werden auch die bauüblichen Schallnebenwege berücksichtigt, ergibt sich der nicht nur auf die Decke, sondern auf das Gebäude bezogene Norm-Trittschallpegel L‘n



bewerteter Norm-Trittschallpegel Ln.w

• Als Einzahlwert wird der bewertete Norm-Trittschallpegel Ln.w definiert. Die Bestimmung von Ln.w bzw. von dem gebäudebezogenen L‘n.w erfolgt nach einem ähnlichen Verfahren wie beim bewerteten Schalldämmmaß Rw ( ☞), das in der DIN EN ISO 7171-2 festgelegt ist.26

☞ Abschn. 3.3.1 Schalldämmmaß, S. 554



äquivalenter bewerteter Norm-Trittschallpegel Ln.w,eq

• zur Berücksichtigung der Verbesserung, die sich bei Rohdecken anschließend mit dem Aufbringen eines trittschalldämmenden Estrichs oder einer sonstigen Auflage ergibt, wird der äquivalente bewertete Norm-Trittschallpegel Ln.w,eq eingeführt (Einzahlwert 27). Dieser errechnet sich unter Hinzunahme einer Bezugsdeckenauflage.



bewertetes Trittschall-Verbesserungsmaß DLw

• Das Ausmaß der Verbesserung infolge des Aufbringens einer Deckenauflage auf eine Rohdecke wird durch den Wert des bewerteten Trittschall-Verbesserungsmaßes DLw erfasst (Einzahlwert 28). Aus der Zusammenführung der beiden letzten Werte lässt sich mit einfachen Mitteln ein bewerteter Trittschallpegel Ln.w der kompletten Decke inklusive Deckenauflage ermitteln:

4. Schallschutz

569

Ln.w = Ln.w,eq - DLw Gegebenenfalls kann bei mehrlagigen Deckenauflagen ein Rechenwert des mehrschichtigen Pakets durch Berücksichtigung des günstigeren Verbesserungsmaßes DLw1 zuzüglich eines Korrekturfaktors k ermittelt werden. Der Rechenwert DLw,R ist dann DLw,R = DLw1 + k Analog zur Luftschalldämmung verbessert sich die Trittschalldämmung einer einschaligen, massiven Decke annähernd proportional zu ihrer flächenbezogenen Masse, d. h. die Werte des bewerteten Trittschallpegels verringern sich entsprechend (vgl. obere Kurve des Diagramms in  36). Diese Verbesserung kann grob als 10 dB pro Verdoppelung der Deckendicke angenommen werden. 29 Je schwerer eine Decke ist, desto schwieriger ist es folglich, sie durch lokale Erschütterungen, wie sie die üblichen Körperschallquellen darstellen, in Schallschwingungen zu versetzen.

3.4.2 Trittschalltechnisches Verhalten von Decken

60

70

60

U

35 Festlegung des bewerteten Norm-Trittschallpegels Ln,w nach DIN EN ISO 717-2 als frequenzunabhängiger Einzahlwert.

B

Ln,w

B: Bezugskurve des Norm-Trittschallpegels Ln nach DIN, welche die größere Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs für höhere Frequenzen berücksichtigt (deshalb bei höheren Frequenzen niedrigere Pegelwerte gefordert).

50 Norm-Trittschallpegel L’n (in dB)

A: Messwerte

B‘ 40

B‘: verschobene Bezugskurve B, bis die mittlere Unterschreitung (U) 2 dB beträgt

A 30

U: Unterschreitung der verschobenen Bezugskurve durch die Messwerte

20 100

200

Frequenz (in Hz)

400 500 Hz

800

1600

3200

Ln,w: bewerteter Norm-Trittschallpegel, wird bei 500 Hz festgelegt [Quelle 25]

570

V Funktionen

Herkömmliche Massivdecken, die bei üblichen Spannweiten flächenbezogene Massen von rund 500 kg/m2 aufweisen, erreichen äquivalente Trittschallpegel von etwa 70 dB. Um die geforderte Trittschalldämmung zu gewährleisten, sind diese Decken mit zusätzlichen Maßnahmen bauakustisch zu verbessern. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um die ober- oder unterseitige Addition bauakustisch günstiger (weil biege- oder federweicher) Schichten oder Schalen. Diese Maßnahmen sollen im Folgenden näher betrachtet werden. 3.4.3 Verbesserung des Trittschallschutzes durch Bodenbeläge

☞ Abschnitt 3.4.4 Verbesserung des Trittschallschutzes durch schwimmende Estriche, weiter unten

3.4.4 Verbesserung des Trittschallschutzes durch schwimmende Estriche

Weich federnde Beläge wie beispielsweise Teppichböden sind in der Lage, die Körperschallschwingungen unmittelbar an der Schallquelle, nämlich am Ort des auftretenden Fußes, zu dämpfen. Die Decke selbst wird aufgrund dessen weniger angeregt als beim Vorhandensein eines harten und steifen Belags. Je weichfedernder der Belag ist, desto niedriger ist die Resonanzfrequenz31 und desto größer fällt die Verbesserung der Trittschalldämmung aus. Kombinationen von vergleichsweise schweren Massivdecken (wie sie beispielsweise bei größeren Spannweiten im Verwaltungsbau nötig sind), die bereits von sich aus niedrige äquivalente Trittschallpegel erreichen (also gute, wenngleich nicht völlig ausreichende Trittschalldämmung), mit weichfedernden Bodenbelägen, die Trittschall-Verbesserungsmaße von über 20 dB erzielen, bieten hinreichenden Trittschallschutz ( 37). Dadurch lassen sich schwimmende Estriche vermeiden, die bei versetzbaren Trennwänden, wie sie im Verwaltungsbau üblich sind, schwerwiegende bauakustische Probleme aufwerfen (☞). Deckenauflagen in Form schwimmender Estriche ( 38) stellen in Verbindung mit der Rohdecke ein zweischaliges schwingendes System nach dem Masse-Feder-Prinzip dar und sind infolgedessen unter geeigneten Voraussetzungen gut dazu geeignet, die Schallenergie wirksam zu dämpfen, diese also in Wärmeenergie zu verwandeln. Entscheidend für die Wirksamkeit eines schwimmenden Estrichs ist nicht in erster Linie die Masse des Estrichs, die ja an vergleichsweise enge Grenzen gebunden ist, sondern insbesondere die Federwirkung der darunter liegenden Trittschalldämmschicht, die anhand ihrer dynamischen Steifigkeit s‘ erfasst wird. Weiterhin ist der Estrich sorgfältig von den umgebenden Bauteilen konstruktiv und damit auch schalltechnisch zu trennen. Schallbrücken, wie sie beispielsweise beim Vergießen durch offene Stoßfugen der Dämmplatten hindurch entstehen können, machen die Trittschalldämmung eines Estrichs zunichte. Die üblichen konstruktiven Vorkehrungen sind  39 zu entnehmen. Unter leichten Trennwänden durchgehende schwimmende Estriche führen zu einer erhöhten Schalllängsleitung zwischen benachbarten Räumen und können die bauakustische Wirksamkeit der Wand erheblich herabsetzen, und zwar sowohl was die Luftschall- als auch was die Trittschallübertragung angeht ( 40).

4. Schallschutz

571

90 Rohdecke

Ln,w,eq

80

m‘

70

36 Abhängigkeit des äquivalenten NormTrittschallpegels Ln,w,eq von einschaligen, massiven Rohdecken von ihrer flächenbezogenen Masse m‘. Ln,w stellt den Trittschallpegel der Kombination aus Rohdecke und Deckenauflage dar und errechnet sich aus der Addition des äquivalenten Trittschallpegels Ln,w,eq und des Trittschall-Verbesserungsmaßes DL (jeweils in drei Schritten 25 bis 35 dB). [Quelle 30]

60

Ln,w 50 25 40

30 35

30

TrittschallVerbesserngsmaß ∆Lw,R des Aufbaus (in dB)

bew. Trittschallpegel Ln,w bzw.Ln,w,eq (in dB)

Aufbau

150 200 300 400 500 Flächenbezogene Masse m’ der Rohdecke (in kg/m2)

federweicher Bodenbelag

Bodenbelag

Verbundestrich

Trennfolie

schwimmender Estrich

Trittschalldämmung Rohdecke

Rohdecke

37 Decke mit Verbundestrich und federweichem Bodenbelag. Mit diesem Aufbau ist ein ausreichender Trittschallschutz erreichbar. 38 Decke mit schwimmendem Estrich.

Fußleiste Randdämmstreifen Bodenbelag schwimmender Estrich Trennfolie Trittschalldämmung Rohdecke

39 Schallbrückenfreie Ausbildung des Anschlusses eines schwimmenden Estrichs an eine Trennwand.

572

V Funktionen

☞ Abschn. 3.3.2 Luftschalltechnisches Verhalten von Bauteilen – einschalige Bauteile, S. 555 ff

3.4.5 Verbesserung des Trittschallschutzes durch Unterdecken

& Näheres zum Abtrahleffekt siehe Gösele (1985), S. 47

☞ das Beispiel auf  42 und 43

☞ Abschnitt 3.3.2 Luftschalltechnisches Verhalten von Bauteilen - Längsleitung, S. 560 ff

Das Aufschlitzen des Estrichs unter der Wand schneidet zwar den Schallübertragungsweg ab, erschwert aber das freie Umsetzen der leichten Trennwand erheblich. Ein Mittel, die bauakustisch günstige Wirkung von Massen in Kombination mit schwimmenden Estrichen zu nutzen, stellt die Beschwerung von leichten Balkendecken, insbesondere Holzbalkendecken, dar (☞). Trittschallverbesserungsmaße DLw sind nach 33 im Diagramm auf der  41 dargestellt. Ähnlich wie schwimmende Estriche zur Umwandlung einer einschaligen Decke in ein zweischaliges Masse-Feder-System führen, zeigen federnd abgehängte Unterdecken eine spürbare bauakustisch verbessernde Wirkung. Es ist eine deutliche Verbesserung nicht nur des Tritt-, sondern auch des Luftschallschutzes des gesamten Deckenpakets feststellbar. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, den Abstrahleffekt (&) zu nutzen, der sich einstellt, wenn parallel zu einer vergleichsweise biegesteifen Schale (wie der tragenden Decke) eine biegeweiche dünne Schale angeordnet wird, die nur mit kurzen Biegewellen schwingt und dadurch die Schallübertragung deutlich mindert. Werkstoffe für Unterdecken wie beispielsweise Gipskartonplatten oder vergleichbare leichte Unterdeckenplatten erfüllen diese Bedingung. Ferner ist es notwendig, eine möglichst weich federnde Verbindung zwischen den schwingenden Schalen herzustellen. Punktuelle Abhängungen in festgelegten Mindestabständen sorgen für eine derartige Befestigung, bei der die Schalen unabhängig voneinander schwingen können (☞). Wie bei der Luftschalldämmung auch, müssen Mindestabstände der Schalen eingehalten werden, die indessen für die bauüblichen Abhängekonstruktionen zumeist ohnehin notwendig sind. Eine Hohlraumdämpfung mit Dämmstoff geringer dynamischer Steifigkeit verbessert darüber hinaus das bauakustische Verhalten des Deckenpakets. Nach der Quelle 34 können schwere Decken ohne schwimmenden Estrich, aber mit federnd abgehängter Unterdecke außerordentlich günstige Trittschalldämmwerte erreichen. Eine zusätzliche Verbesserung bietet ein federnder Bodenbelag. Kritisch bei derartigen Unterdecken ist die Schalllängsleitung über anschließende Wände ( 44), insbesondere wenn diese massiver Bauart sind.35 Diese begrenzt ggf. den Trittschallschutz, der mit dieser Art von Deckenpaketen maximal erreichbar ist. Günstiger verhalten sich leichte Trennwände, die – ähnlich wie leichte flankierende Bauteile die Luftschalllängsleitung begrenzen (☞) – sich durch die Deckenkonstruktion schwerer in Schwingungen versetzen lassen. Insbesondere leichte Trennwände, die nur bis zur Unterdecke geführt werden, erlauben hohe Trittschalldämmwerte des Deckenpakets. Eine besondere Bedeutung haben federnd abgehängte Unterdecken für die Verbesserung der ansonsten mäßigen bis schlechten Schalldämmung von leichten Deckenkonstruktionen, insbesondere von

4. Schallschutz

573

60

50 Schalllängsdämmmaß RL (in dB)

hoch schalldämmende Trennwand

B

schwimmender Estrich

A

Rohdecke

40

40 Maximal erreichbares Luftschalldämmaß R einer ansonsten hoch schalldämmenden Trennwand infolge Längsleitung durch eine durchgehende Estrichplatte. Im Bereich der Spuranpassungsfrequenz fg ergibt sich ein deutliches Schalldämmminimum mitten im bauakustisch kritischen Frequenzbereich. A Schalllängsdämmmaß RL der Trennwand

30

B Bewertungskurve des Schalldämmmaßes nach DIN EN ISO 717-1 als Referenz

fg

fg Spuranpassungsfrequenz 20 100

200

400

800

1600

[Quelle 32]

3200

Frequenz (in Hz)

bew. Trittschallverbesserungsmaß ∆Lw (in dB)

40 Trockenestrich Beschwerung

m‘

30

tragende Decke

20

41 Abhängigkeit zwischen der flächenbezogenen Masse der Beschwerung einer Holzbalkendecke in Verbindung mit einem schwimmendem Trockenestrich und dem erreichbaren Trittschallverbesserungsmaß DLw. Schwimmende Zementestriche erreichen bei derartigen Leichtbaudecken im Vegleich bestenfalls Verbesserungsmaße unter 20 dB.

10

0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Flächenbezogene Masse m’ der Beschwerung (in kg/m2)

Ff Dd Rohdecke

Rohdecke

Abhänger

Abhänger

Grundprofil, Metallschiene

Tragprofil, Metallschiene

Tragprofil, Metallschiene

Grundprofil, Metallschiene

Gipskartonplatte doppellagig

Gipskartonplatte doppellagig

42 Unterdecke aus Gipskartonplatten an einer Unterkonstruktion aus weich federnden Metallschienen. Die Knotenpunkte der Aufhängung weisen Mindestabstände auf. Schnitt entlang der Stirnseite der Platten.

43 Unterdecke wie links. Schnitt entlang der Längsseite der Platten. Die doppellagige Beplankung wirkt biegeweicher als eine gleich dicke Einfachplatte.

44 Schalllängsleitung bei Körperschallanregung einer Massivdecke mit Unterdecke über anschließende massive Wand (Ff).

574

V Funktionen

☞ Band 2, Kap. VII, Abschn. 6. Ergänzende Funktionselemente oder -schalen

☞ Band 3, Kap. XII-3 Schalensysteme

3.5

Besonderheiten des Schallschutzes von Fenstern

☞ Band 3, Kap. XII-9 Öffnungen

☞ Kap. III-9 Glas, S. 230 ff

☞ Kap. IV-3 Thermohygrische Funktionen, S. 508 ff

Holzbalkendecken. Entscheidend für die Verbesserung ist die konstruktive Lösung der Aufhängung. Mehrere übliche Befestigungsvarianten sind mit den dadurch erzielbaren Norm-Trittschallpegeln Ln,w im Diagramm auf  45 dargestellt. Morphologisch betrachtet stellen federnde Unterdecken ein gutes Beispiel für eine addierte Funktionsschale dar (☞) ( 46), in diesem Fall mit bauakustisch dämmender Funktion. Als weitgehend monofunktionale Elemente zum Zweck einer erhöhten Trittschalldämmung von Decken sind diese Art von Zusatzschalen ohne übermäßigen Aufwand realisierbar, da infolge der horizontalen Lage keinerlei Schubbeanspruchung des Systems wie bei schräg liegenden oder vertikalen Hüllbauteilen zu erwarten ist. Eine ähnliche Wirkung, jedoch mit der Zielsetzung oder zumindest dem Nebeneffekt der Verbesserung des Luftschallschutzes, erzielen beispielsweise gemauerte Verblendschalen bei zweischaligen Außenwänden aus Mauerwerk. Ihre Hauptfunktion ist indessen die des Witterungsschutzes. Die konstruktiven Aufwendungen sind erheblich (☞). Fenster müssen zum Zweck einer kontinuierlichen Schalldämmung über die gesamte Hüllfläche hinweg, ohne die jede Schallschutzmaßnahme wirkungslos wäre, vergleichbare bauakustische Werte aufweisen wie geschlossene Hüllbereiche. Wesentlich für die Schalldämmung eines Fensters ist folglich zunächst die Dichtigkeit des Bauelements selbst, also insbesondere diejenige der Rahmendichtung (Flügel- und Blendrahmen) und der Verglasung. Moderne Fensterkonstruktionen weisen ausreichende Dichtigkeit für diesen Zweck auf (☞). Des weiteren ist die Fensterfläche selbst, also die Glasfläche, mit einer hinreichenden Luftschalldämmung auszuführen. Wie auch bei großflächigen Verglasungen entfällt die Möglichkeit, größere Massen für diese Zielsetzung zu aktivieren, da die Hauptfunktion schwerer Bauteile herkömmlicherweise das Ableiten von Kräften war und im Wesentlichen auch heute noch ist. Indessen können beim Werkstoff Glas hypothetische große Massen aus Gründen der Werkstoffcharakteristik (☞) nicht für Tragfunktionen herangezogen werden, weshalb gläserne Hüllelemente bis aus Weiteres als leichte Bauteile auszuführen sind. Ferner ist die große Steifigkeit des Materials zu berücksichtigen, die sich bauakustisch ungünstig auswirkt. Als Folge dieser Tatsache beruht die Schalldämmung von Fenstern und Verglasungen im Wesentlichen auf dem Masse-Feder-Prinzip zweischaliger Flächenbauteile. Dies kommt gleichzeitig den Anforderungen aus einer anderen Teilfunktion, nämlich dem Wärmeschutz, entgegen (☞): bereits aus thermischen Gründen muss ein modernes Fenster mit einer Doppel-Isolierglasscheibe ausgestattet sein. Wie auch bei vergleichbaren zweischaligen Elementen führt zunächst eine Steigerung der Masse der Scheiben innerhalb der realisierbaren Grenzen zu einer Verbesserung des Luftschallschutzes wie aus dem Diagramm der  47 zu entnehmen ist. An den Kurven ist ferner der große Einfluss des Scheibenabstands erkennbar, der leider deshalb bauakustisch nicht gebührend ausgenutzt werden

4. Schallschutz

575

100

Leimung

A

90

A 80

B Federbügel

70

Norm-Trittschallpegel Ln (in dB)

B 60

C

C elastische Zwischenschicht getrennte Abhängung

50

D D

40 100

200

400

800

1600

45 Frequenzabhängige Abnahme des NormTrittschallpegels Ln bei Holzbalkendecken durch die Wirkung federnd abgehängter Unterdecken. Der Einfluss der Art der Befestigung ist deutlich ablesbar.36

3200

Frequenz (in Hz)

z y x

46 Morphologische Einordnung federnd abgehängter Unterdecken als unterseitig addierte Funktionsschalen nach dem in Band 2, Kap. VII, Abschn. 6 eingeführten konstruktiven Prinzip, hier mit möglicher Leitungsführung dargestellt.

576

V Funktionen

☞ vgl. die Bezugskurve B in  47

kann, da aus Gründen der verstärkten Konvektion Scheibenzwischenräume von mehr als rund 20 mm thermisch unwirksam werden. Bei üblichen Scheibenabständen von 12 mm kann es bei kleineren Glasdicken (ohne geeignete Zusatzmaßnahmen) sogar zu einer Verschlechterung der Schalldämmung des Isolierglases im Vergleich mit der gleich schweren Einzelglasscheibe kommen (☞), was auf Resonanzeffekte des zweischaligen Systems zurückzuführen ist. Es verbleiben als technisch umsetzbare Maßnahmen des Luftschallschutzes bei Isoliergläsern die folgenden:

☞ Abschn. 3.3.2 Luftschalltechnisches Verhalten von Bauteilen – einschalige Bauteile, S. 554, und  16 auf S. 558

• eine Verbesserung des Luftschallschutzes ergibt sich bei Substitution einer Glasscheibe durch eine Verbundglasscheibe mit einer elastischen Zwischenschicht aus einem speziellen organischen Gießharz in einer Dicke zwischen 1 und 2 mm 38 anstatt der üblichen Zwischenschicht aus PVB (Polyvinyl-Butyral). Bei gleich bleibender Gesamtmasse der Scheibe erfolgt eine Laminierung derselben in verschiedene, gegeneinander elastisch gelagerter Schalen, was die Steifigkeit des Elements deutlich herabsetzt und das Schwingungsverhalten bauakustisch verbessert. Einen ähnlichen Effekt haben wir bereits erwähnt ( ☞), beispielsweise findet er sich bei doppelten Gipskartonplatten-Beplankungen. • Füllung des Scheibenzwischenraums mit einem trägen Gas, das bereits aus thermischen Gründen zur Gewährleistung hinreichender Wärmedurchgangskoeffizienten notwendig ist. Geeignet ist Argon; Krypton erreicht etwas bessere Werte, auch in thermischer Hinsicht. • Verwendung von Glasscheiben mit unterschiedlichen Dicken im gleichen Isolierglaselement. Durch diese Maßnahmen wird verhindert, dass die Grenzfrequenzen fg der beiden schwingenden Schalen zusammenfallen und somit im betroffenen Frequenzbereich zu einem Loch in der Schalldämmwirkung führen. Die Grenzfrequenzen der Scheiben werden durch die Variation der Dicken gleichsam entzerrt.

4. Schallschutz

577

60 d dG

50

Scheibenzwischenraum d (in mm)

Bewertetes Schalldämmmaß Rw (in dB)

A

40

30

80

B

60 40 24

47 Bewertetes Schalldämmmaß R w von Zweischeiben-Isolierverglasungen in Abhängigkeit der Gesamtglasdicke dG und der Dicke des Scheibenzwischenraums d. Als Bezugskurve B sind die Werte einer Einfachglasscheibe aufgetragen. Es wird nur die Schallübertragung über die Luftschicht erfasst. 37

12

20 6 8 10 1 4 Gesamtglasdicke dG (in mm)

15

20

25

30

70

13 mm 20 mm

60

G3 B

9 mm

G3 (Rw = 54 dB)

50 6 mm

G2

9 mm

40

G1 Schalldämmmaß R (in dB)

12 mm

G2 (Rw = 44 dB)

4 mm

30

12 mm 6 mm

G1 (Rw = 37 dB)

20

10 100

200

Frequenz (in Hz)

400

800

1600

3200

48 Schalldämmmaß R von Zweischeiben-Isolierverglasungen in Abhängigkeit der Scheibenart und der Dicke des Scheibenzwischenraums. Als Bezugskurve B ist das Norm-Schalldämmaß nach DIN EN ISO 717-1 aufgetragen. Die Verbundglasscheiben haben eine Zwischenschicht aus speziellem Gießharz. 39

578



V Funktionen

Anmerkungen

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

Lutz et al. (2002) Lehrbuch der Bauphysik, S. 5 Lutz et al. (2002) Lehrbuch der Bauphysik, S. 10 Bläsi (2002) Bauphysik, S. 206; Lutz et al. (2002), S. 12 Näherungsweise ergibt sich das Schalldämmmaß aus der Differenz der gemessenen Schallpegel zu beiden Seiten des schalldämmenden Bauteils, wenn dabei der Einfluss der Bauteilfläche und des Empfangsraums herauskorrigiert wird. Dies ist notwendig, da das Schalldämmmaß eine Bauteilkenngröße ist und von der Fläche des Bauteils und der Schallabsorption im Empfangsraum unabhängig ist. DIN EN ISO 7171-1, vgl. auch Lutz et al. (2002), S. 14 Gösele u. Schüle (1985) Schall, Wärme, Feuchte, S. 36 Lutz et al. (2002) Lehrbuch der Bauphysik, S. 40 Gösele u. Schüle (1985) Schall, Wärme, Feuchte, S. 40 Gösele u. Schüle (1985), S. 39 und Lutz et al. (2002), S. 39 Gösele u. Schüle (1985), S. 41 Gösele u. Schüle (1985), S. 42; Bläsi (2002) Bauphysik, S. 200 Gösele u. Schüle (1985), S. 118 Gösele u. Schüle (1985), S. 45; Becker et al. (1998) Trockenbau Atlas, S. 97 nach Gösele u. Schüle (1985), S. 47 nach Gösele u. Schüle (1985), S. 47 Gösele u. Schüle (1985), S. 46 nach Gösele u. Schüle (1985), S. 47 Gösele u. Schüle (1985), S. 49 nach Gösele u. Schüle (1985), S. 45 Gösele u. Schüle (1985), S. 50 Gösele u. Schüle (1985), S. 52 Becker et al. (1998) Trockenbau Atlas, S. 98; Gösele u. Schüle (1985), S. 54 Gösele u. Schüle (1985) Gösele u. Schüle (1985) Gösele u. Schüle (1985); Lutz et al. (2002) nach Gösele u. Schüle (1985), S. 91 zum Begriff des alten Trittschallschutzmaßes TSM der DIN 4109 vgl. Lutz et al. (2002), S. 17 nach DIN EN ISO 717-2 nach DIN EN ISO 717-2 nach Gösele u. Schüle (1985), S. 97 nach Gösele u. Schüle (1985), S. 96 Gösele u. Schüle (1985), S. 98 nach Gösele u. Schüle (1985), S. 125 Gösele u. Schüle (1985), S. 118 Gösele u. Schüle (1985), S. 125 Gösele u. Schüle (1985), S. 98 nach Gösele u. Schüle (1985), S. 111 Gösele u. Schüle (1985), S. 76 Glashandbuch (2003) Glashandbuch (2003)

I

KONSTRUIEREN

II

STRUKTUR

II - 1 ORDNUNG UND GLIEDERUNG II - 2 INDUSTRIELLES BAUEN 1. 2. 3. 4. 5.

Allgemeine Ziele des Brandschutzes Grundsätze des vorbeugenden Brandschutzes Baurecht Konstruktionsrelevante Maßnahmen Brandverhalten von Werkstoffen 5.1 Nichtbrennbare Baustoffe 5.2 Brennbare Baustoffe 5.3 Die Werkstoffe für Primärtragwerke 5.3.1 Mauerwerk 5.3.2 Beton/Stahlbeton 5.3.3 Holz 5.3.4 Stahl 5.3.5 Glas 5.3.6 Kunststoffe 6. Brandverhalten von Bauteilen 6.1 Feuerwiderstandsklassen 7. Zusammenhang zwischen Baustoffklasse und Feuerwiderstandsklasse 8. Bautechnische Brandschutzmaßnahmen 9. Einflussfaktoren auf den Feuerwiderstand 9. Konstruktive Maßnahmen zur Erhöhung des Feuerwiderstands 10. Konstruktiver Brandschutz am baulichen Regeldetail 10.1 Bauteile aus Mauerwerk 10.2 Bauteile aus Stahlbeton 10.2.1 Balkenförmige Bauteile 10.2.2 Decken 10.2.3 Fertigteildecken 10.2.4 Stützen 10.2.5 Wände 10.3 Bauteile aus Holz 10.3.1 Balkenförmige Bauteile 10.3.2 Stützen 10.3.3 Holztafelwände 10.3.4 Holzdecken 10.3.5 Dächer 10.4 Bauteile aus Stahl 10.4.1 Verhältniswert U/A 10.4.2 Konstruktionsgrundsätze 10.4.3 Balkenförmige Bauteile 10.4.4 Stützen 10.5 Unterdecken 10.6 Verbundkonstruktionen 10.7 Verglasungen Anmerkungen

II - 3 MASSORDNUNG

III

STOFFE

III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9



IV

BAUPRODUKTE

IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5



V

FUNKTIONEN

V-1 V-2 V-3 V-4 V-5 V-6



MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

580

1.

V Funktionen

Allgemeine Ziele des Brandschutzes

Der Brandschutz verfolgt das Ziel, Brände zu vermeiden und eventuelle Brandschäden zu minimieren, und zwar sowohl Sachals auch insbesondere Personenschäden.1 Dafür sind einerseits abwehrende Maßnahmen wie ein Löscheinsatz der Feuerwehr erforderlich wenn ein Brand trotz Vorkehrungen dennoch entstanden ist, andererseits aber auch vorbeugende Maßnahmen, welche die Brandentstehung verhindern oder doch zumindest erschweren sollen. Letztere sind in Teilbereichen Bestandteil der Arbeit des Planers und Konstrukteurs und deshalb im Zusammenhang unserer Betrachtung von Bedeutung. Man unterscheidet: • vorbeugenden betrieblichen Brandschutz, also die organisatorischen Maßnahmen in einem Betrieb, welche die Brandentstehung möglichst verhindern sollen. • vorbeugenden baulichen und anlagentechnischen Brandschutz, also die Gestaltung des Bauwerks sowie der zugehörigen Gebäudetechnik derart, dass Brandentstehung bzw. -ausbreitung erschwert oder verhindert wird. • abwehrenden Brandschutz durch die Feuerwehr nach Brandentstehung

2.

Grundsätze des vorbeugenden baulichen Brandschutzes

Der vorbeugende bauliche Brandschutz umfasst planerische und bautechnische Maßnahmen sowie auch solche des Gebäudebetriebs während der Lebens- oder Nutzungszeit der Immobilie. Dies geht aus der Formulierung der Ziele des Brandschutzes, die in folgender baurechtlicher Festlegung ihren Ausdruck finden, hervor: Bauliche Anlagen sind so zu entwerfen, anzuordnen, zu errichten, zu ändern und zu unterhalten, dass die öffentliche Sicherheit oder Ordnung, insbesondere Leben oder Gesundheit, nicht gefährdet werden. (§ 3 MBO)

Relevant für den vorbeugenden baulichen Brandschutz ist folglich • das Entwerfen und Anordnen von Gebäuden, also grundsätzlich planerische Maßnahmen, die wir in unserem Zusammenhang thematisch weitgehend ausblenden müssen. Diese betreffen vorrangig die Evakuierung brennender Bauten sowie die Verhinderung der Brandausbreitung. • das Errichten, also die bautechnischen Maßnahmen, und hier naturgemäß die konstruktiven Aspekte, die im Mittelpunkt unserer Betrachtung stehen. Hierbei geht es in erster Linie um die Sicherung der Standfestigkeit eines Bauwerks während eines Brands, insbesondere zum Zweck der sicheren Evakuierung der Menschen. Diese Maßnahmen betreffen zunächst

5. Brandschutz

581

das Primärtragwerk, das beim Verlust seiner Tragfähigkeit die gesamte Konstruktion mit sich reißen würde. Ein weiteres wichtiges bautechnisches Ziel ist aber auch die Verhinderung der Brandausbreitung, was durch abschottende flächige Hüllbauteile erfolgt. Auch beim Ändern eines Gebäudes stehen – neben allfälligen planerischen – vergleichbare bautechnische Maßnahmen im Vordergrund. • der Betrieb des Gebäudes, der in diesem Werk thematisch nicht behandelt wird. Daneben stellt der vorbeugende bauliche Brandschutz auch eine Vorbereitung des abwehrenden Brandschutzes dar, und hat die nötigen Voraussetzungen zu schaffen, damit wirksame Lösch- und Rettungsarbeitendurch die Feuerwehr erfolgen können. Das operative Ziel des vorbeugenden baulichen Brandschutzes ist, ein geeignetes ganzheitliches Sicherheitskonzept für ein spezifisches Gebäude zu entwickeln, das ein Schadensrisiko so weit wie vertretbar und ökonomisch sinnvoll begrenzt. Die angesprochenen planerischen und bautechnischen Maßnahmen sind dabei eng miteinander verflochten und können sich ggf. gegenseitig kompensieren. So können beispielsweise besonders gute Fluchtmöglichkeiten aus einem brennenden Gebäude eine Herabsetzung der Sicherheitsstandards der Konstruktion erlauben. Auch wenn die Sicherheitskonzepte individuell auf die Bauvorhaben zugeschnitten sind, existieren dennoch grundlegende baurechtliche Regelungen zum Brandschutz, die Gesetzescharakter haben. Diese sind in den Landesbauordnungen (LBO) erfasst. Als gemeinsame Leitlinie dient hierfür die Musterbauordnung (MBO), die jedoch als solche nicht rechtswirksam ist.2 Ferner ist die entsprechende Normung zu berücksichtigen, die, sofern sie für unsere Betrachtung relevant ist, in der DIN 4102 enthalten ist.3

3.

Baurecht

Aus den Notwendigkeiten des ganzheitlichen brandschutztechnischen Sicherheitskonzepts leiten sich Einzelforderungen an die bautechnische Ausbildung des Bauwerks ab. Einfluss auf die konstruktive Ausbildung einer Baustruktur haben insbesondere

4.

Konstruktionsrelevante brandschutztechnische Maßnahmen

• Festlegungen hinsichtlich der Brennbarkeit der eingesetzten Werkstoffe. Nach den grundsätzlichen materialtechnischen Aspekten, die bereits angeschnitten wurden ( ☞), sollen im Folgenden die wesentlichen Werkstoffe für den Einsatz in Primärtragwerken auch hinsichtlich ihrer baurechtlichen Einstufung näher betrachtet werden. • Festlegung zum geforderten Mindestzeitraum, während dessen eine Baustruktur unter Brandeinwirkung ihre Standfestigkeit

☞ Kap. III-1, Abschn. 14. Brandeinwirkung, S. 128

582

V Funktionen

zu bewahren hat. Aus dieser Forderungen lassen sich Feuerwiderstandsdauern für einzelne Bauteile ableiten, welche die konstruktive Durchbildung derselben maßgeblich bestimmen. 5.

Brandverhalten von Werkstoffen aus baurechtlicher Perspektive ☞ Kap. III-1, Abschn. 14. Brandeinwirkung, S. 128

5.1

Nichtbrennbare Baustoffe

Werkstoffe werden klassifiziert in (☞):4 • nichtbrennbare Baustoffe (A) • brennbare Baustoffe (B) Als Baustoffe der Klasse A 1 (nichtbrennbar ohne besonderen Nachweis nach DIN 4102) gelten solche ohne organische Bestandteile, insbesondere mineralische wie: • Sand • Zement • Beton • Ziegel • Naturstein und metallische wie: • Stahl • Aluminium

5.2

Brennbare Baustoffe

Verbundbaustoffe mit organischem Anteil, welche die Anforderungen der DIN 4102 für nichtbrennbare Baustoffe erfüllen, werden als zugehörig zur Klasse A 2 (nichtbrennbar mit Nachweis) gekennzeichnet. Baustoffe, die vorwiegend aus organischen Substanzen (Kohlenwasserstoffen) bestehen, gelten als brennbar. Sie werden nach DIN 4102, Teil 1 in folgende Kategorien unterteilt: • B 1 schwerentflammbare Baustoffe wie Holzwolle-Leichtbauplatten, zementgebundene Spanplatten • B 2 normalentflammbare Baustoffe wie Holz und Holzwerkstoffplatten mit einer Dicke d ≥ 2 mm. • B 3 leichtentflammbare Baustoffe wie Holzwolle, Baumwolle oder Holz und Holzwerkstoffplatten mit einer Dicke d ≤ 2mm. Diese Kategorie von Werkstoffen ist in der Neufassung der MBO indessen als grundsätzlich nicht zulässig vorgesehen.5

5. Brandschutz

583

Wie mineralische Werkstoffe grundsätzlich gilt Mauerwerk als ein Baustoff A 1. Das Mauerwerk aus Kunststeinen weist ähnliche Charakteristika auf wie Beton. In der Regel bietet die statische Dimensionierung bereits Feuerwiderstandsdauern von mindestens F 90 (☞).

5.3

Als klassischer mineralischer Baustoff ist Beton nichtbrennbar ohne besonderen Nachweis (A 1). Auch Stahlbeton wird trotz der Bewehrung aus Stahl als A 1 klassifiziert. Ein allein in statischer Hinsicht ausreichend dimensioniertes Stahlbetonbauteil bietet bereits in den meisten Fällen eine Feuerwiderstandsdauer von F 90. Entscheidend für den Schutz der eigentlichen Schwachstelle des Verbundbaustoffs (nämlich der Bewehrung) ist die Betonüberdeckung derselben. Durch seine vergleichsweise schlechte Wärmeleitfähigkeit (l = 2,1 W/mK) und insbesondere aufgrund des günstigen kühlenden Effekts seiner großen Masse wird die schnelle Wärmeleitung an den Stahl verhindert. Höhere Temperaturen können infolge der hohen Wärmespeicherfähigkeit von Beton erst nach längerer Brandeinwirkung entstehen.

5.3.2 Beton/Stahlbeton

Die Werkstoffe für Primärtragwerke

5.3.1 Mauerwerk ☞ Feuerwiderstandsdauer im Abschn. 6.1, S. 585

☞ Abschn. 6.1, S. 585

Auch in Verbundkonstruktionen hat Beton einen schützenden und kühlenden Effekt auf Stahlprofile, so dass unter bestimmten Voraussetzungen auch trotz ungeschützter Stahloberflächen eine Feuerwiderstandsdauer von F 90 erzielt werden kann. Aus diesen Gründen kann Stahlbeton als ein in brandschutztechnischer Hinsicht idealer Baustoff bezeichnet werden. Gewöhnliches Bauholz ist als normalentflammbar B 2 eingestuft. Entgegen der verbreiteten Ansicht, dass Holz aufgrund seiner Entzündlichkeit verglichen mit nichtbrennbaren Baustoffen ein sehr ungünstiges Brandverhalten aufweist, ist festzustellen, dass bei günstigem Verhältnis von Bauteiloberfläche zu Volumen (wie bei einem Balken mit Rechteckquerschnitt) das Holz nur langsam abbrennt. Die Tragfähigkeit des Bauteils ist über einen vergleichsweise langen Zeitraum durch seinen ansonsten intakten Kern gewährleistet. Die verkohlte Bauteiloberfläche wirkt dabei wie ein dämmender Mantel, der den weiteren Abbrand hemmt. Das Wärmeleitvermögen des Holzes ist schlecht (l= 0,15 W/mK), eine rasche Weiterleitung der Brandhitze ist nicht zu befürchten, ebensowenig ein plötzlicher unerwarteter Einsturz der Konstruktion. Ein wirksamer Brandschutz des Holzbauteils ist durch Hinzugabe einer ausreichenden Abbranddicke zum eigentlich statisch erforderlichen Querschnitt zu erzielen. Man kann dabei von einer Abbrandgeschwindigkeit von rund 1 cm pro 10 Minuten ausgehen. 30 Minuten Feuerwiderstandsdauer (F 30) können folglich mit zusätzlichen 3 cm Querschnittsdicke erreicht werden. Trotzdem stellt die Brennbarkeit von Holz eine grundsätzliche Gefährdung von Gebäuden dar, da die Brandlast in ihnen erhöht wird. Holzbauten sind deshalb baurechtlich besonders strengen Auflagen unterworfen.

5.3.3 Holz

584

V Funktionen

5.3.4 Stahl

Stahl ist A 1 nichtbrennbar ohne besonderen Nachweis. Ohne Bekleidung haben Bauteile aus Stahl keine Feuerwiderstandsdauer (F 0). Unter Brandeinwirkung erreicht es nach rund 10 Minuten eine Temperatur von 600 °C, bei der Braunglut einsetzt und die Tragfähigkeit verloren geht.6 Mithilfe von Anstrichen lässt sich die Feuerwiderstandsdauer auf F 30 bzw. F 60 erhöhen, darüberhinaus ist (ab F 90) eine Ummantelung des Stahlbauteils mittels Brandschutzmaterial erforderlich. Die große Wärmeleitfähigkeit von Stahl (l = 60 W/mK) fördert die Brandausbreitung und wirkt sich deshalb ungünstig aus. Verbindungsmittel aus Stahl stellen in Kombination mit brandschutztechnisch gutmütigen Baustoffen wie Holz ausgesprochene Schwachpunkte dar.

5.3.5 Glas

Auch Glas gilt als nichtbrennbar (A 1). Sein Brandverhalten ist jedoch ungünstig, da es bei Hitzeeinwirkung (insbesondere bei Temperaturunterschieden) sehr schnell bricht und weil es wegen seiner Transparenz für starke Wärmestrahlung durchlässig ist. Normalglas bietet keine Feuerwiderstandsdauer (F 0). Trotzdem können Glaserzeugnisse wie Draht- oder Drahtspiegelglas (sogenannte G-Gläser) eine Feuerwiderstandsdauer von G 30 bis maximal G 60 erreichen. Trotz der starken Verformungen der unter Brandeinwirkung schmelzenden Glasscheibe, bietet diese dank des Drahtgittergewebes eine wirksame Sperre gegen Brandgase, wenngleich nicht gegen die Wärmestrahlung. Typischer Einsatzfall hierfür sind Oberlichtverglasungen in Fluren, wo die Wärmestrahlung oberhalb der fliehenden Personen keine Gefahr darstellt. Spezielle Glastypen wie Verbundsicherheitsglas (☞) sind in der Lage, Brandgase und Wärmestrahlung zurückzuhalten und erreichen höhere Feuerwiderstandsklassen (F 90). Unter Hitzeeinwirkung trüben sich diese laminierten Gläser und sperren weitgehend den Strahlungsdurchgang.

☞ VSG, siehe Kap. IV-4, Abschn. 3.2.2, S. 318

5.3.6 Kunststoffe

Die im Bauwesen häufig vorkommenden Kunststoffe sind organische Chemiewerkstoffe und werden in der Regel als Baustoffe B 2 bis B 3 eingeordnet. Als sehr ungünstig wirkt sich die starke Entwicklung von teils giftigen Brandgasen aus, sowie die Tendenz, brennend abzutropfen, was bei Kunststoffteilen im Deckenbereich zu einer schwerwiegenden Gefährdung von Personen führt.

6.

Das Brandverhalten von Bauteilen, also aus bestimmten Werkstoffen geformte und zumeist aus verschiedenen Einzelteilen gefügte – das heißt konstruierte – Elementen, ist baurechtlich charakterisiert durch den Begriff der Feuerwiderstandsdauer gemäß DIN 4102. Feuerwiderstandsdauer ist die Mindestdauer in Minuten, während der ein Bauteil bei der Prüfung nach der Norm seine tragende oder Raum abschließende Funktion (bzw. beide gleichzeitig) beibehält. Bei der Prüfung nach Norm müssen während des Zeitraums der Feuerwiderstandsdauer unter anderen folgende Anforderungen erfüllt werden:

Brandverhalten von Bauteilen

5. Brandschutz

585

Raum abschließende Bauteile müssen den Durchgang des Feuers verhindern, d. h. ein Wattebausch auf der dem Feuer abgekehrten Seite darf sich nicht entzünden. Die Temperaturerhöhung darf auf der feuerabgekehrten Seite an keiner Stelle mehr als 180 K, im Mittel nicht mehr als 140 K betragen. Raum abschließende Wände müssen zusätzlich eine Festigkeitsprüfung bestehen. Tragende Bauteile dürfen während der Prüfdauer unter ihrer rechnerisch zulässigen Gebrauchslast, nichttragende unter ihrer Eigenlast, nicht zusammenbrechen. Tragende und nicht Raum abschließende Bauteile werden einer zweiseitigen Temperaturbeanspruchung ausgesetzt und dürfen unter ihrer rechnerisch zulässigen Gebrauchslast nicht zusammenbrechen. Bauteile, die statisch bestimmt gelagert und ganz oder überwiegend auf Biegung beansprucht werden, dürfen während der Prüfung eine höchstzulässige Durchbiegungsgeschwindigkeit nicht überschreiten. Stützen, die F 90 sein sollen, müssen unmittelbar nach dem Brandversuch einer Beanspruchung mit Löschwasser standhalten. Die Temperaturen im Brandraum sind genormt, der Temperaturanstieg muss einer sog. Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) entsprechen. Aus dem Brandversuch ergeben sich die folgenden Feuerwiderstandsklassen:

Bauaufsichtliche Bezeich- Bezeichnung nach DIN Kürzel nung 4102 keine Feuer widerstands dauer

keine Feuerwiderstands- F 0 dauer

feuerhemmend

Feuerwiderstandsklasse

F 30

F 30 hochfeuerhemmend (*)

Feuerwiderstandsklasse

F 60

F 60 feuerbeständig

Feuerwiderstandsklasse

F 90

F 90 Feuerwiderstandsklasse

F 120

F 120 Feuerwiderstandsklasse

F 180

F 180 (*) Die Bezeichnung „hochfeuerhemmend“ wird in der Neufassung der MBO (2002) eingeführt.7 Je nachdem, ob die Bauteile neben ihrem baurechtlich festgelegten Feuerwiderstand darüber hinaus auch ausschließlich aus nicht-

6.1

Feuerwiderstandsklassen

586

V Funktionen

brennbaren Materialien bestehen müssen, oder alternativ teilweise auch aus brennbaren bestehen dürfen, differenziert die DIN 4102 die Klassen A (für ausschließlich nichtbrennbare Materialien) und AB (in wesentlichen Teilen aus nichtbrennbaren Baustoffen). Der Zusatz B bedeutet, dass das Bauteil allein aus brennbaren Materialien besteht. Ein Bauteil kann hinsichtlich seiner Feuerwiderstandsdauer klassifiziert werden aufgrund a) eines Brandversuchs. Zertifizierung durch Prüfzeugnis einer staatlich anerkannten Prüfanstalt, das die Charakteristika und den Einbauzusammenhang des Bauteils festlegt. b) der Anwendung der generellen Bestimmungen der DIN 4102 (Teil 4) ohne besonderen Nachweis – z. B. für gemauerte Wände. Als einfache Faustregel gilt: einen halben Stein (11,5 cm) dicke Ziegelsteinwände erreichen auch unverputzt die Kategorie F 90, einen Steindicke (24 cm) bereits die einer Brandwand. Neben den F-Bezeichnungen, die für allgemeine Bauteile gelten, existieren folgende Bezeichnungen: • Türen

T 0, T 30, T 60, ...

• Lüftungsleitungen

L 0, L 30, L 60, ...

• Brandschutzklappen für Lüftungsleitungen

K 0, K 30, K 60, ...

7.

Zusammenhang zwischen Baustoffklasse und Feuerwiderstandsklasse

Es muss deutlich herausgestrichen werden, dass es keinen Zusammenhang zwischen Baustoffklasse (brennbar/nichtbrennbar) und Feuerwiderstandsdauer gibt. Ersteres ist ein strikt materialspezifischer Kennwert, letzteres eine bauteilspezifische Größe. Aus der Nichtbrennbarkeit eines bestimmten Werkstoffes – beispielsweise Stahl – lässt sich keine Feuerwiderstandsdauer herleiten (bei unverkleidetem Stahl gleich F 0).

8.

Bautechnische Brandschutzmaßnahmen

Wirksamer vorbeugender baulicher Brandschutz setzt in bautechnischer Hinsicht voraus, dass • das Primärtragwerk, zumindest über einen festgelegten Zeitraum hinweg, standfest bleibt und • dass flächige, einhüllende Bauteile an festgelegten Orten ihre zugewiesene Aufgabe als Feuerabschottungen erfüllen. Die getrennte Betrachtung dieser Forderungen bezieht sich naturgemäß auf Skelettsysteme, ansonsten werden beide Aufgaben wie bei Wandbausystemen vom gleichen Flächenbauteil erfüllt.

5. Brandschutz

587

Versagt das Tragwerk, kommt es auch zum Einsturz aller ggf. daran befestigten Hüllbauteile. Versagt andererseits beispielsweise eine Raum abschließende Wand mit Brandschutzfunktion, kann es zu einer Brandausbreitung kommen und zu einer Gefährdung weiterer Teile des Primärtragwerks. Beiderlei Maßnahmen stehen folglich in engem Zusammenhang und müssen in diesem Kontext gemeinsam betrachtet werden. Es werden unterschieden: 8 • tragende, nicht Raum abschließende Bauteile wie Stützen, Träger, welche Stabform aufweisen • tragende und gleichzeitig Raum abschließende Bauteile (Decken, tragende Wände) • nicht tragende, Raum abschließende Bauteile wie leichte Außen- oder Trennwände • nicht tragende, nicht Raum abschließende Bauteile wie Brüstungen, Raumteiler etc. Gemäß DIN 4102, Teil 4, Anhang A, wird der Feuerwiderstand eines Bauteils oder einer Konstruktion von folgenden Faktoren beeinflusst: • ein- oder mehrseitige Brandbeanspruchung. Grundsätzlich spielt das Verhältnis zwischen der brandexponierten Oberfläche und der Masse eines Bauteils eine fundamentale Rolle bezüglich des Widerstands, den es dem Brand entgegensetzt.9 Je größer die ungeschützte Fläche, desto größer auch die Gefahr des frühzeitigen Versagens. Diese Relation äußert sich beispielsweise im Verhältnis U/A (☞). Besonders gefährlich sind pulver- oder wolleartige Stoffe, die eine extrem große Gesamtoberfläche aufweisen. Sie werden zumeist deshalb als leichtentflammbar eingestuft. Auch ein dreiseitig beflammter Balken ist stärker gefährdet als ein gleich dickes einseitig beflammtes Wandbauteil. • verwendeter Baustoff oder Baustoffverbund. Die grundlegenden Brandeigenschaften der wichtigsten Baustoffe sind bereits in Abschnitt 5 weiter oben behandelt worden. Brandschutztechnisch eher kritische Stoffe (wie Stahl) können durch Kombination mit günstigeren (wie Beton) in einem Verbundwerkstoff (wie Stahlbeton) oder einer Verbundkonstruktion in ihrem Brandverhalten deutlich verbessert werden. • Bauteilabmessungen (Querschnittsabmessungen, Schlankheit, Achsabstände, etc.). Schlanke Bauteile mit kleinen Querschnittsabmessungen neigen naturgemäß zum rascheren Versagen als kräftiger dimensionierte. Dies gilt sowohl für Baustoffe, die infolge Festigkeitsverlust versagen (wie Stahl), da die externe

9.

Einflussfaktoren auf den Feuerwiderstand

☞ Abschn. 10.4.1, S. 604

588

V Funktionen

Hitze mehr Zeit benötigt, um im Bauteil eine kritische Temperatur zu induzieren, als auch für solche, die ihre Tragfähigkeit infolge Abbrands verlieren (wie Holz). • bauliche Ausbildung (Anschlüsse, Auflager, Halterungen, Befestigungen, Fugen, Verbindungsmittel, etc.). Grundsätzlich müssen Anschlüsse derart beschaffen sein, dass sie mindestens den gleichen Feuerwiderstand aufweisen wie das Gesamtbauteil, da dieses ansonsten in seinem Gefüge frühzeitig versagen würde. Verbindungsmittel dürfen nicht als Hitzebrücken wirken und die Brandglut durch feuerbeständige Schichten hindurch leiten. Ferner muss gewährleistet sein, dass Fugen brandschutztechnisch geschlossen sind. Wäre dies nicht der Fall, könnte sich das Feuer durch sie hindurch ohne nennenswerten Widerstand ausbreiten.

☞ Kap. V-2, Kraft leiten, S. 364 ff, sowie Band 2, Kap. VIII Primärtragwerke

• statisches System (statisch bestimmte oder unbestimmte Lagerung, einachsige oder zweiachsige Lastabtragung, Einspannungen, etc.). Statisch unbestimmte Systeme erfahren bei starken Temperaturdehnungen wie sie bei Brand entstehen gefährliche Zwängungen, die schwer planerisch zu erfassen sind. Sie sind folglich grundsätzlich als brandschutztechnisch kritischer einzustufen als statisch bestimmte, bei denen diese Verformungen durch entsprechende Bewegungsfreiheiten der Lagerung aufgenommen werden können (☞). • Ausnutzungsgrad der Festigkeiten der verwendeten Baustoffe infolge äußerer Lasten. Es leuchtet ein, dass Tragwerke mit knapper dimensionierten Tragreserven unter Brandeinwirkung früher versagen. • Anordnung von Bekleidungen (Ummantelungen, Putze, Unterdecken, Vorsatzschalen, etc.). Brandschutzwirksame Umkleidungen von Bauteilen entfalten eine wärmedämmende Wirkung und verlangsamen den Wärmetransport und den Temperaturanstieg im betroffenen Bauteil. Diese Art Schutzbekleidungen stellen eine wichtige Maßnahme des konstruktiven Brandschutzes dar. Diese Faktoren sind bei der Konzeption einer Baustruktur sorgfältig in Betracht zu ziehen und entsprechende planerische und konstruktive Maßnahmen daraus abzuleiten. Letztere, die im Mittelpunkt unserer Betrachtung stehen, sollen im Folgenden herausgestrichen werden:

9.1

Konstruktive Maßnahmen zur Erhöhung des Feuerwiderstands

Die wesentlichen bautechnischen bzw. konstruktiven Maßnahmen des Brandschutzes, die stets die Sicherung einer MindestFeuerwiderstandsdauer zum Ziel haben, sind: 10 • günstige Querschnittsausbildung von Bauteilen. Feingliedrige Querschnitte sind stärker brandgefährdet, kompakte hingegen

5. Brandschutz

weniger. • geeignete Bemessung von Bauteilen. Dies betrifft insbesondere Holz- aber auch Massivbauteile. Durch Überdimensionierung wird ausreichend Material für die Brandzehrung an der Oberfläche vorgehalten, so dass der verbleibende noch intakte Kernquerschnitt für die Abtragung der Lasten ausreicht. • Wahl des geeigneten statischen Systems. Generell ist zu prüfen, inwieweit Tragfähigkeitsreserven durch eine günstige Lastabtragung geschaffen werden können. Insbesondere Lastumlagerungen wirken sich im Brandfall vorteilhaft aus, die bei zumindest teilweise redundanten Systemen möglich sind. Diese Überlegungen zum Brandschutz sind indessen sorgfältig gegenüber den generellen Aspekten der Kraftabtragung abzuwägen. • Bekleidung oder Beschichtung der Bauteile mit geeigneten wärmedämmenden Stoffen. Es kann sich dabei um Plattenmaterial, aufgespritzte Schutzschichten oder unter Brandwirkung aufschäumende Anstriche handeln. Auch chemische Reaktionen können eine Schicht (wie die Zwischenschicht bei laminierten Gläsern) zum Aufschäumen bringen, so dass sie eine wärmedämmende Wirkung entfaltet.11 Auch Putze können ein Bauteil durch ihre Dämmfähigkeit und ihre mineralische Stoffcharakteristik wirksam gegen Brand schützen. Da die Bekleidungen (anders als die meisten Anstriche) das Erscheinungsbild eines Bauteils maßgeblich bestimmen, kommt diese Art des konstruktiven Brandschutzes insbesondere bei verborgenen Bauteilen (beispielsweise hinter einer Unterdecke) in Betracht. • Kühlung gefährdeter Bauteile durch Berieselung oder Füllung mit Wasser, das im Brandfall Wärme abführt oder speichert. Alternativ ist eine Kühlung auch durch eine Verbundwirkung mit massiven Teilen wie beispielsweise aus Beton möglich. Oftmals profitiert das Bauteil auch von der versteifenden Wirkung des Verbundpartners. • Dichtes Füllen von exponierten Fugen und Verhindern der Brandausbreitung durch Hohlräume. Es sind entsprechend brandsichere Füllmaterialien zu wählen. • Vermeidung von Wärmebrücken. Befestigungen von Bekleidungen müssen derart ausgeführt werden, dass kein rascher Wärmetransport durch die wärmedämmende Schicht stattfindet. Metallische Befestigungsmittel sind in dieser Hinsicht kritisch und dürfen nicht bis zum Kernbauteil geführt werden. Der Verbund zwischen Bauteil und Bekleidung ist vielmehr durch kastenartige Umgreifung herzustellen.

589

590

10.

V Funktionen

Konstruktive Brandschutzmaßnahmen am baulichen Regeldetail ☞ Abschnitt 6.1 Feuerwiderstandsklassen, Variante a), S. 586 & bezüglich der kompletten Aufstellung klassifizierter Bauteile sei auf die DIN 4102, Teil 4 verwiesen

10.1

Bauteile aus Mauerwerk

☞ DIN 4102-4, 4.4 ☞ Abschn. 10.2, weiter unten

10.2 Bauteile aus Stahlbeton

Auch wenn der Planer oftmals auf fertige Bauprodukte zurückgreift, deren Feuerwiderstandsdauer bereits durch ein entsprechendes amtliches Prüfzeugnis zertifiziert ist, das der Hersteller erworben hat (☞), so kann er dennoch durch Befolgung der Maßgaben aus der DIN 4102, Teil 4 ohne Einholung eines Prüfzeugnisses Bauteile konstruieren, die im baurechtlichen Sinn eine bestimmte Feuerwiderstandsdauer aufweisen. Die baulich relevantesten konstruktiven Ausführungen sind im Folgenden aufgeführt und in ihren grundlegenden brandschutztechnischen Aspekten besprochen: Bauteile aus Mauerwerk sind in unserer aktuellen Baupraxis nahezu ausschließlich Wände und Pfeiler aus verschiedenartigen künstlichen Steinen. Die Feuerwiderstandsdauer eines gemauerten Bauteil bemisst sich anhand seiner Dicke. Festlegungen hierzu sind in der DIN 4102 enthalten ( ☞). Ähnlich wie bei Stahlbetonbauteilen ( ☞) ist die Dimensionierung von Mauerwerksbauteilen allein nach statischen Gesichtspunkten im Normalbetrieb oftmals bereits für die Klassifizierung als feuerbeständiges Bauteil hinreichend. Nach festgelegten Bedingungen ausgeführte Putze wirken sich dämmend und folglich günstig auf die Brandschutzwirkung eines gemauerten Bauteils aus. Insbesondere die ausreichende Haftung am Putzgrund ist durch geeignete Maßnahmen sicherzustellen. Lochungen dürfen nicht in Angriffsrichtung des Brands, also quer zur Außenfläche des Bauteils, verlaufen. Betonbauteilen kommt in unserem heutigen Baugeschehen eine fundamentale Rolle zu, nicht zuletzt auch wegen ihrer ausgezeichenten brandschutztechnischen Eigenschaften. Bauteildicken, die sich bereits aus statischen Notwendigkeiten ergeben, insbesondere bei Geschossdecken, die als Brandabschottung wirken sollen wie beispielsweise Branddecken, ergeben zumeist bereits feuerbeständige Qualität. Maßgeblich für den Feuerwiderstand eines Bauteils aus Stahlbeton ist die Überdeckung der Bewehrungsstäbe oder -matten mit Beton. Sie bietet den nötigen Schutz- und Kühleffekt, um die Erhitzung der Stahleinlagen so weit wie erforderlich hinauszuzögern. Die zwei kennzeichnenden Größen sind gemäß DIN 4102, Teil 4 • der Achsabstand u der Bewehrung, gemessen zwischen der Längsachse des Bewehrungsstabs und der beflammten Betonoberfläche. Es wird ferner unterschieden zwischen: •• us seitlichem Achsabstand bei Seitenflächen ( 2, 3) •• uo oberem Achsabstand bei Oberseiten ( 3) • die Betondeckung c der Bewehrung, gemessen zwischen der außenseitigen Oberfläche des randnächsten Stabes und der Bauteiloberfläche ( 1 und 5).

5. Brandschutz

591

c

c

u

c

u

c

us

1 Betonüberdeckung einer Bewehrung als Schutz gegen Brandeinwirkung

c

2 Achsabstände und Betonüberdeckung der Bewehrung eines Balkens

c

uo

u

c

us c 3 Achsabstände und Betonüberdeckung der Bewehrung eines Plattenbalkens

c

u

u

c

u

c

4 Achsabstände und Betonüberdeckung der Bewehrung einer Stütze

u

c

u

c

u

c

u

c

5 Achsabstände und Betonüberdeckung der Bewehrung einer Wand, jeweils auf Längs- und Querbewehrung bezogen

592

V Funktionen

10.2.1 Balkenförmige Bauteile

Bauteile in Balkenform aus Normalbeton gemäß DIN 1045 werden unterschiedlich behandelt je nachdem, ob sie • statisch bestimmt oder • statisch unbestimmt gelagert sind. Sie sind ferner auch dahingehend zu unterscheiden, ob sie • maximal dreiseitig beflammt • oder maximal vierseitig beflammt

& unbestimmt gelagerte, drei- und vierseitig beflammte Balken: DIN 4102-4, 3.3

& DIN 4102-4, 3.2.3

& DIN 4102-4, 3.2.2.5 & DIN 4102-4, 3.2.2.6

10.2.2 Decken

& durchlaufende, eingespannte oder punktförmig gestützte Platten: DIN 4102-4, 3.3.5

werden. Es werden einzuhaltende Mindestbreiten und Mindeststegdicken des Querschnitts definiert. Ebenfalls sind Mindestachsabstände u sowie Mindeststabzahlen der Bewehrung zu wahren. Exemplarisch sind auf Tabelle 1 Mindestbreiten für statisch bestimmt gelagerte, dreiseitig beflammte Stahlbetonbalken aufgeführt. Tabelle 2 zeigt die Mindestachsabstände und -stabzahl für bestimmt gelagerte, ein- bis vierseitig beflammte Balken (&). Vierseitig beflammte Balken müssen über die Anforderungen an dreiseitig beflammte hinaus (vgl. Tab. 1) weitere Auflagen erfüllen, die insbesondere Mindestabmessungen des Querschnitts bzw. von Teilen desselben (wie Gurten bei I-Querschnitten) betreffen (&). Aussparungen in Balken oder Stegen von I-förmigen Querschnitten können vernachlässigt werden, sofern der verbleibende Zuggurt eine definierte Mindesthöhe und einen Mindestquerschnitt aufweist (&). Ausgeklinkte Balkenauflager sind mit einer Mindestquerschnittsfläche zu bemessen, in Abhängigkeit der festgelegten Balkenbreite b (&). Statisch unbestimmt gelagerte Balken aus Stahlbeton sind analog zu den statisch bestimmt gelagerten zu bemessen, allerdings mit erhöhten Querschnittswerten und reduzierten Achsabständen, da ihrer Empfindlichkeit gegen Zwängungskräfte im Brandfall Rechnung zu tragen ist. Decken aus Normalbeton nach DIN 1045 einer festgelegten Feuerwiderstandsklasse müssen Mindestdicken aufweisen, die in Tabelle 3 aufgeführt sind. Ferner müssen bei der Bewehrung Mindestachsabstände der Stäbe eingehalten werden, die exemplarisch für frei aufliegende Platten in Tabelle 4 aufgelistet sind (&). Die angegebenen Werte gelten für Stahlbetondecken, die von unten oder von oben beflammt werden ( 5). Die Betonüberdeckung ist dementsprechend in Tabelle 4 jeweils in u (Achsabstand unten) und uo (Achsabstand oben) differenziert. Die Festlegungen gelten auch für Dächer vergleichbarer Bauart. Oberseitig aufgebrachte Zusatzschichten wie Estriche oder unterseitig aufgebrachte Putze oder dämmende Bekleidungen können unter bestimmten Voraus-

5. Brandschutz

593

setzungen brandschutztechnisch berücksichtigt werden (&). Eine punktuelle Lagerung der Deckenplatten wirkt sich brandschutztechnisch wegen starker Querkraftkonzentrationen ungünstig aus. Folglich sind die Mindestdicken verglichen mit linienförmig gelagerten Decken zu erhöhen. Estrichüberzüge bzw. unterseitig angebrachte Putze oder Bekleidungen wirken sich im Brandfall wiederum günstig aus und führen zu einer Minderung der geforderten Mindestdicken und Mindestachsabstände der Bewehrung. Durchbrüche für einzelne elektrische Leitungen sind erlaubt, sofern der verbleibende Lochquerschnitt mit Mörtel oder Beton ausgefüllt wird (& ). Leitungsbündel hingegen müssen mit zugelassenen Abschottungen versehen werden.

& DIN 4102-4, 3.5.2.2, 3.5.2.3

Grundsätzlich müssen Fertigteildecken hinsichtlich der Mindestdicken und der Mindestachsabstände der Bewehrung die gleichen Anforderungen wie vor Ort gegossene Massivdecken erfüllen (☞). Zusätzlich stellt sich bei den vorgefertigtren Decken die Problematik der Fugenausbildung. Um einer festgesetzten Feuerwiderstandsklasse zugeordnet zu werden, müssen die Fugen entweder

10.2.3 Fertigteildecken

• durch geeignete Vergüsse aus Mörtel oder Beton (Baustoffklasse A nicht brennbar) analog zu  6 gefüllt werden. Abfasungen an der Unterkante der Deckenelemente, wie sie im Betonbau üblich sind (☞) wirken sich im Brandfall ungünstig aus, da sie die Fugentiefe effektiv verringern und die Abschottungswirkung des Bauteils insgesamt schwächen. Sie sind infolgedessen in ihren Abmessungen begrenzt auf 4 cm (&). Bei größeren Abfasungen wird die Deckendicke unter Abzug des Maßes der Fase gerechnet.

& DIN 4102-4, 3.5.1.3

☞ Abschn. 10.2.2, S. 592

☞ Band 2, Kap. IX Bauweisen, IX-4 Fertigteilbauweise und IX-5 Ortbetonbauweise & DIN 4102-4, 3.7.2.2

• oder alternativ mittels über die Fuge hinweg durchlaufender Estriche geschlossen werden ( 7). Die Stoßfugen der Deckenplatten können dann offen bleiben, sofern die Fugenbreite von 3 cm nicht überschritten wird. Wiederum muss durch die Begrenzung der Fugenbreite verhindert werden, dass das Feuer sich im Fugenraum frei ausbreiten kann. Auch Fugen im Rippenbereich von vorgefertigten Plattenbalkendecken sind analog zu Stoßfugen von Platten mit einem Verguss dicht zu schließen. Ausführungsbeispiele gemäß DIN 4102 (  ) sind in  8 schematisch dargestellt. Die Elementfugenbreiten sind auf 2 cm zu begrenzen. Wird diese Fugenbreite überschritten, werden aufgrund der daraus folgenden kritischeren Brandbelastung die Rippenhalbschalen brandschutztechnisch jeweils wie eine Einzelrippe behandelt und sind entsprechend breiter zu dimensionieren. Analog zu den bereits besprochenen Bauteilen aus Stahlbeton sind für eine bestimmte Feuerwiderstandsklasse auch bei Stützen festgelegte Mindestbreiten und Mindestachsabstände der Bewehrung einzuhalten (& ). Es werden in der Norm lediglich

 DIN 4102-4, 3.7.3.3

10.2.4 Stützen & DIN 4102-4, 3.14

594

V Funktionen

zwei Fälle unterschieden, nämlich einseitig beanspruchte Stützen (wie beispielsweise bei raumhohem bündigem Einbau in einer Wand der Fall) oder mehrseitig beanspruchte. Maßgeblich ist bei Rechteckquerschnitten naturgemäß stets die kürzere Seite. Eine Betonüberdeckung kann in ihrer Brandschutzwirkung teilweise auch durch aufgebrachte bewehrte Putze ersetzt werden. 10.2.5 Wände

 DIN 4102-4, 4

Raum abschließende Wände sind als Flächenbauteile ähnlich wie Decken, im Gegensatz zu den stabförmigen Bauteilen, in der Lage, die wesentliche brandschutztechnische Zusatzfunktion der Brandabschottung zu erfüllen. In Anknüpfung an die generelle Klassifikation von bautechnischen Brandschutzmaßnahmen in Abschn. 8 können Wände gemäß DIN 4102 (  ) in brandschutztechnischer Sicht untergliedert werden in: • nicht tragende Wände bzw. solche, die kein Bestandteil des Primärtragwerks sind. Sie erhalten keine Auflasten aus anderen Bauteilen, sondern müssen nur ihr Eigengewicht tragen. Sie sind auch nicht für die Knickaussteifung benachbarter Bauteile verantwortlich. • tragende Wände bzw. solche, die Bestandteil des Primärtragwerks sind. Auch aussteifende Wände werden zu dieser Kategorie gerechnet. Ferner werden tragende und nicht tragende Wände zusätzlich auch hinsichtlich ihrer etwaigen Abschottungsfunktion unterschieden in • nicht Raum abschließende, tragende Wände, die zwei- oder mehr als zweiseitig beansprucht werden. Sie weisen zwar naturgemäß keine Abschottungsfunktion auf, sind aber dennoch als Teil des Primärtragwerks hauptverantwortlich für die Standfestigkeit des Bauwerks und müssen ggf. eine festgelegte Feuerwiderstandsdauer aufweisen. • Raum abschließende, tragende oder nicht tragende Wände. Ihre Hauptaufgabe ist, die Ausbreitung von Brand durch ihre Schottwirkung zu verhindern. Sie werden infolge dessen nur einseitig durch Feuer beansprucht. Ist die Wand Bestandteil des Primärtragwerks, muss der Brandschutz auch die Standfestigkeit des Gesamttragwerks sicherstellen. • obgleich in der Norm nicht explizit genannt, sind der Vollständigkeit halber auch nicht Raum abschließende, nicht tragende Wände zu nennen, die im Regelfall indessen aus einleuchtenden Gründen aus der Perspektive des Brandschutzes irrelevant sind. Wiederum sind für eine spezifische Feuerwiderstandsklasse ent-

5. Brandschutz

595

> d/2

> d/2 d <4

<2

> d/2

d

> d/2

<4

<2

d

d >4

<2

> d/2

>4

<2

6 Fugenausbildung bei Fertigteildecken mit Brandschutzwirkung gemäß DIN  4102, Teil 4. Fugen sind mit nichtbrennbarem Material (Mörtel, Beton) dicht zu vergießen. Offene Spalte und Abfasungen dürfen eine maximale Breite nicht überschreiten, da ansonsten keine Feuerabschottung zu erwarten ist.

d <2

> 60

> 60 < 1,5 dE

dE

d

d

d

<3

<3

>5

<2

d

d

d

<2 b‘ b

7 Alternative Fugenausbildung bei Fertigteildecken mit Brandschutzwirkung gemäß DIN 4102, Teil 4 mit offener Fuge und oberseitig durchlaufendem Estrich. Bei Einhaltung von festgelegten Bauteilmindestdicken kann eine spezifische Feuerwiderstandsklasse erreicht werden (Sollbruchstelle im Estrich dargestellt)

b‘ b

8 Fugenausbildung bei vorgefertigten Rippendecken mit Brandschutzwirkung gemäß DIN 4102, Teil 4.

596

V Funktionen

sprechende Mindestdicken der Wand sowie Mindestachsabstände der Bewehrung einzuhalten. Einbauten in die Wand, die den Querschnitt lokal schwächen, müssen festgelegten Mindestanforderungen entsprechen. Einzelne elektrische Leitungen können wie bei Decken auch durch Wände hindurchgeführt werden, wenn die frei bleibenden Lochhohlräume mit Mörtel verschlossen werden. Sind Fugen, beispielsweise zwischen Fertigteilen, anzuordnen, müssen sie mit Beton oder Mörtel ausgefüllt sein ( 9). Abfasungen der Bauteilkanten dürfen ein Mindestmaß nicht überschreiten, ansonsten müssen die anrechenbaren Wanddicken um das Maß der Fase abgemindert werden. 10.3 Bauteile aus Holz

☞ Band 3, Kap. XIII-2, Abschn. 5.1.5 Massivholzdecke, S. 796

Stabförmige Bauteile aus Holz können einen Feuerwiderstand durch die abbremsende Wirkung der langsamen Brandzehrung an ihrer Oberfläche erlangen. Wichtigstes bauliches Mittel ist folglich die planmäßig vorzuhaltende Abbranddicke am Querschnittsumfang. Weitere konstruktive Brandschutzmaßnahmen sind ggf. an den Anschlüssen erforderlich. Flächige Bauteile aus Holz sind entweder aus Einzelstäben zusammengeleimte massive Bauteile (Dickholz- oder Brettstapelsysteme, ☞), für welche vergleichbare Voraussetzungen gelten wie für freiliegende stabförmige Bauteile, also die Erfordernis einer ausreichenden Abbranddicke, oder alternativ aus Einzelstäben und Beplankungen zusammengesetzte Rippensysteme. Beispiele hierfür sind Holztafelwände, Holzbalkendecken, etc. Bei Rippensystemen ist der erforderliche Brandschutz von einer Kombination von Merkmalen abhängig: • ausreichende Abmessungen des tragenden Rippenelements. Dieses kann fallweise selbst ganz oder zum Teil exponiert sein, wie etwa die Träger bei Holzbalkendecken ( 10), oder auch vollständig abgeschirmt durch eine durchlaufende beidseitige Beplankung, wie etwa bei Holztafelwänden. • Brandschutzwirkung des Beplankungsmaterials ( 11) • Nichtbrennbarkeit und Hitzebeständigkeit des ausfüllenden Dämmmaterials sowie ggf. auch Sicherung gegen Herabfallen im Elementhohlraum. • Dichtigkeit der Fugen, sowohl der Beplankungstafeln wie auch der Dämmplatten oder -matten im Bauteilinnern.

10.3.1 Balkenförmige Bauteile & DIN 4102-4, 5.5.1.2

Die Norm betrachtet frei liegende biegebeanspruchte Balken mit Rechteckquerschnitt aus Voll- oder Brettschichtholz, drei- oder vierseitig beflammt ( 10). Sofern eine aufliegende Deckenfläche ausreichenden Brandschutz aufweist (&), gilt der tragende Balken als dreiseitig beansprucht. Liegt er ringsum vollständig frei oder erfüllt die aufliegende Deckenkonstruktion die Mindestanforderungen nicht, hat er als vierseitig beansprucht zu gelten. Es sind in

5. Brandschutz

597

<3

d

<3

~d/3 ~d/3 ~d/3

d

9 Fugenausbildung bei vorgefertigten Wandelementen aus Stahlbeton mit Brandschutzwirkung gemäß DIN 4102, Teil 4.

h

b

b

d d

10 Dreiseitig beflammte Holzbalken aus Vollholz (links) und Brettschichtholz (rechts). Zur Erlangung einer bestimmten Feuerwiderstandsdauer sind Mindestbreiten und -höhen erforderlich.

d d

11 Ein- oder zweilagig mit Gipskarton-Feuerschutzplatten (GFK) oder Holzwerkstoffplatten bekleidete Hozbalken.

598

V Funktionen

& DIN 4102-4, 5.5.2 ☞ Kap. V-2, Abschn. 9.4 Element aus einachsig gespannten Rippen,  198 und 199 auf S.483, sowie  211 und 212 auf S. 487

& DIN 4102-4, 5.5.2, 5.5.3

der DIN 4102 die erforderlichen Querschnittsabmessungen jeweils für Voll- und Brettschichtholz festgelegt (&). Desgleichen ist eine ausreichende Kippaussteifung der Balken zu gewährleisten ( ☞) sowie auch Mindestauflagerbreiten und -tiefen. Hohe Feuerwiderstandswerte lassen sich durch Bekleidung der Holzbalken erzielen ( 11). Die Norm betrachtet Gipskartonplatten bzw. alternativ Holzwerkstoffplatten oder gespundete Bretter als Bekleidungsmaterial (&). Ähnlich wie bei Balken sind auch Stützen danach zu unterscheiden, ob sie:

10.3.2 Stützen

• vierseitig beansprucht werden, d. h. ringsum frei stehen, • dreiseitig beansprucht werden, d. h. mit einer Seite an einem Flächenbauteil mindestens der gleichen Feuerwiderstandsdauer anliegen, oder • zweiseitig beansprucht werden, also zweiseitig an eine Wand angrenzen, in dieser folglich integriert sind.

& DIN 4102-4, 5.6

Maßgeblich bei den unter statischer Druckbeanspruchung stehenden Stützen ist die Ausnutzung des Querschnitts. Sie wird in der Norm erfasst durch den Quotienten aus der vorhandenen Druckspannung sD und der maximal zulässigen Knickspannung sk. Statisch hoch beanspruchte Stützen sind naturgemäß auch bei Brand stärker gefährdet als nur mäßig beanspruchte. Zusätzlich geht die Knicklänge sk in die Bemessung des Stützenquerschnitts mit ein. In der Norm werden jeweils Angaben zu Vollholz- und Brettschichtholzquerschnitten gemacht. Wegen der günstigeren Brandeigenschaften von BSH lassen sich diese laminierten Querschnitte grundsätzlich schlanker als Vollholzquerschnitte ausführen (&).

 DIN 4102, Teil 4, Abschn. 4.12.4

Holztafelwände bestehen aus einem aussteifenden Gerippe aus Holzprofilen und zumeist beidseitiger Beplankung aus Plattenmaterial ( 13). Als Platten können gemäß DIN 4102 verwendet werden () ( 14-17):

10.3.3 Holztafelwände

• Sperrholz • Spanplatten • Holzfaserplatten • Gipskarton-Bauplatten oder Bekleidungen aus: • Faserzementplatten

5. Brandschutz

599

d 12 Vierseitig beflammte Stützen unbekleidet und bekleidet mit Gipskarton-Feuerschutzplatten (GFK) oder Holzwerkstoffplatten.

d

13 Prinzipieller Aufbau einer Holztafelwand.

D

d2

d3 d2

d1

d1

D

d2 d3

d2 b1

15 Holztafelwand mit beidseitig gleicher, doppelter Beplankung aus Holzwerkstoffplatten (innen) und Gipskarton-Feuerschutzplatten (GFK) (außen).

b1

außen

außen d2 D

d2

d1

D

d4 b1

14 Holztafelwand mit beidseitig gleicher Beplankung aus Gipskarton-Feuerschutzplatten (GFK) oder Holzwerkstoffplatten. Die bezeichneten Maße sind – wie auch bei den nachfolgenden Abbildungen – in der DIN 4102, Teil 4 festgelegt.

d1 d4 d3

innen

innen b1

16 Holztafelwand mit beidseitiger Beplankung aus jeweils Holzwerkstoffplatten oder Gipskarton-Feuerschutzplatten (GFK) (innen) und Holzwerkstoffplatten bzw. Faserzementplatten (außen). 17 Holztafelwand mit innenliegender doppelter Beplankung aus Holzwerkstoffplatten (innenseitig) und Gipskarton-Feuerschutzplatten (GFK) (außenseitig) sowie außenliegender einfacher Beplanung aus Holzwerkstoff- oder Faserzementplatten.

600

V Funktionen

• Holzwolle-Leichtbauplatten • oder Brettern mit diversen Profilierungen, vorzugsweise solche mit genutetem dichten Kantenstoß. Grundsätzlich sind diese Bretter immer dicht zu stoßen, damit keine offenen Fugen verbleiben.

 DIN 4102, Teil 4, Abschn. 4.12.4.4

 DIN 4102, Teil 4, Abschn. 4.12.5

10.3.4 Holzdecken

☞ Band 2, Kap. VII, Abschn. 5.3 Rippensysteme mit integrierter Hüllkonstruktion

☞ Abschn. 10.3.3 Holztafelwände, S. 598

☞ Band 2, Kap. VI, Abschn. 5.4 Rippensysteme mit Trennung von Hüllkonstruktion und Rippung

Die Stöße der Platten haben über einer Rippe zu liegen, entweder auf einem Ständer oder einem Riegel, der ggf. zu diesem Zweck einzubauen ist. Es ist notwendig, eine durchgehend geschlossene Oberfläche zu bilden. Holzwerkstoffplatten müssen eine Mindestrohdichte von 600 kg/ m3 besitzen. Die für bestimmte Feuerwiderstandsklassen erforderlichen Rippenabmessungen und Plattendicken sind in DIN 4102 vermerkt (). Soll eine Wand auch Raum abschließende Funktion haben, ist für einen Feuerwiderstand auch eine Füllung aus Dämmstoff notwendig. Diese Notwendigkeit ergibt sich zumeist ohnehin aus Gründen des Wärme- oder Schallschutzes, so dass diese Forderung keinen nennenswerten zusätzlichen Aufwand darstellt. Die Dämmschicht muss aus Mineralfaser bestehen, nichtbrennbar (Klasse A) sein und einen Schmelzpunkt ≥ 1000 °C aufweisen. Es ist sicherzustellen, dass die Platten oder Matten jeweils gegen Herabrutschen gesichert sind und dass die Stoßfugen entweder dicht gestoßen sind oder in Form von Überlappungen ausgeführt werden. Mindestdicken der Dämmschichten sind DIN 4102 zu entnehmen (). Analog sind auch die Anschlüsse der Wände an flankierende Bauteile dicht auszuführen, beispielsweise durch Zwischenlagen aus Mineralfaserdämmstoff. Es sind jeweils folgende Deckenkonstruktionen zu unterscheiden: • Decken in Holztafelbauart, also solche, die aus einem Rippensystem mit durchgehender ober- und unterseitiger Beplankung bestehen, bei dem der bauphysikalisch wirksame Aufbau also mit dem Traggerippe integriert ist (☞) ( 18). Die tragenden Hauptelemente, die Rippen, sind in diesem Fall innerhalb eines geschlossenen Pakets oder Sandwichs geschützt. Die konstruktiven und materialtechnischen Anforderungen an diese Art von Decken sind denen an Holztafelwände (☞) vergleichbar. Die erforderlichen Abmessungen von Rippen und einzelnen Schichten sind der DIN 4102, Teil 4, Abschn. 5.2.3.8 zu entnehmen. • Holzbalkendecken mit einer Trennung von Traggerippe (also in diesem Fall Balken) und Flächen bildender Konstruktion nach dem Prinzip wie in (☞) dargestellt ( 20-23). Die tragenden Balken sind

5. Brandschutz

601

Querschnitt l1

18 Beispiele für die versetzte Anordnung von Stößen bei Decken mit schwimmendem Estrich zur Sicherung der Dichtigkeit im Brandfall b

b

b Längsschnitt l2

19 Decke in Holztafelbauart mit Unterdecke aus Gips nach DIN 18169 (Dämmschicht brandschutztechnisch nicht notwendig)

d3

> 60

d1 d2

d2 d1

h - d2

b

A

B

C

D

20 Holzbalkendecke F 30 B mit zweilagiger oberer Beplankung aus Spanplatten mit Zwischenlage aus Filz oder Pappe 21 Holzbalkendecke F 30 B oder F 60 B ohne schwimmendem Estrich oder schwimmendem Fußboden. Stoßausbildungen für Bretter oder Bohlen (A und B) bzw. für Holzwerkstoffplatten (C bis E)

E

d4 d3 d2

d3 d2

D

d1

> 60 d1

Z

b

b

22 Holzbalkendecke F 30 B oder F 60 B mit schwimmendem Estrich oder schwimmendem Fußboden. Aus Gründen des Schallschutzes ist eine Zwischenschicht Z eingebaut 23 Holzbalkendecke F 30 B oder F 60 B mit schwimmendem Estrich oder schwimmendem Fußboden. Balken teilweise frei liegend. Dämmschicht brandschutztechnisch nicht notwendig

602

V Funktionen

& DIN 4102-4, 5.3.2 bis 5.3.4

& DIN 4102-4, 5.2.5.2

10.3.5 Dächer

☞ Band 3, Kap. XII-5 Rippensysteme ☞ Kap. V-3 Thermohygrische Funktionen, S.508

folglich – zumindest in einem Teil ihrer Höhe – dreiseitig beflammt und müssen entsprechend den Vorgaben des Abschnitts 10.3.1 Balkenförmige Bauteile dimensioniert werden. Holzbalkendecken mit durchgehender unterseitiger Bekleidung, wie beispielsweise einer Unterdecke ( 19), werden im Wesentlichen wie Holztafeldecken (s. o.) behandelt. Die auf den Balken aufliegende, Flächen bildende Konstruktion besteht im Regelfall aus einer Addition aufeinander geschichteter Lagen, die jeweils auf einer tragenden Schicht, beispielsweise einer Schalung oder sonstigen Beplankung, aufliegen. Je nach unterseitig frei liegendem Anteil des Balkenquerschnitts werden die erforderlichen Abmessungen von Holzbalken und Dicken von Plattenmaterial in DIN 4102 festgelegt (&). Schwimmende Estriche und schwimmende Fußböden wirken sich vorteilhaft auf den Feuerwiderstand einer Deckenkonstruktion aus. Sie sind aus schallschutztechnischen Gründen zumeist ohnehin erforderlich, so dass für Brandschutzzwecke oftmals kein erhöhter baulicher Aufwand zu treiben ist. Trittschalldämmstoffe müssen aus Mineralfasern bestehen, mindestens der Baustoffklasse B 2 angehören und eine Rohdichte ≥ 30 kg/m 3 aufweisen (&). Analog zu anderen Raum abschließenden Bauteilen sind die dem Feuer ausgesetzten Oberflächen durchgehend, die Fugen zwischen Bekleidungsplatten bzw. zwischen diesen und den Holzbalken dicht auszuführen. Holzbakendecken mit frei liegenden, dreiseitig beanspruchten Balken und ohne schwimmende Estriche oder schwimmende Fußböden sind mit besonderer Fugenausbildung auszuführen ( 20), um sicher zu stellen, dass am Stoß der Flächen bildenden Konstruktion keine undichten Fugen entstehen. Ein durchgehender Fußbodenaufbau mit Trittschalldämmung sorgt seinerseits bereits für entsprechende Dichtigkeit. Dachkonstruktionen sind zur Erlangung einer bestimmten Feuerwiderstandsdauer analog zu Deckenkonstruktionen zu behandeln. Auch hier muss unterschieden werden zwischen Dächern mit durchgehender unterseitiger Bekleidung ( 24-27) und solchen, bei denen die Sparren unterseitig ganz oder teilweise frei liegen ( 28, 29). Alle Oberflächen sind ansonsten durchgehend und fugenlos auszubilden, Stöße müssen dicht sein. Es sind ggf. brandschutztechnisch wirksame Dämmschichten aus Mineralwolle oder Schaumkunststoffen erforderlich, deren Dicken aber zumeist bereits aus wärmeschutztechnischen Gesichtspunkten einzuhalten sind. Abweichend von Deckenkonstruktionen sind Dächer oberseitig mit einer Bedachung oder einer solchen mit tragender Beplankung belegt (☞). Der Hohlraum zwischen Dämmung und Bedachung kann aus brandschutztechnischen Gesichtspunkten belüftet ausgeführt sein (☞).

5. Brandschutz

603

b

b

d3

d3

D

D

d1

d1 (d2)

(d2) b

b

l

b

24 Dach F 30 B oder F 60 B mit oberer Beplankung oder Schalung sowie obenauf liegender Bedachung. Untere Beplankung einfach oder doppelt 25 Dach F 30 B ohne obere Beplankung oder Schalung. Untere Beplankung einfach oder doppelt

b d3

d3

D

D

d2

d2

l

26 Dach F 30 B ohne obere Beplankung oder Schalung. Untere Beplankung auf quer spannender Traglattung befestigt

l

27 Dach F 30 B wie links, jedoch mit Dämmstoff in der Traglattenebene

d1 d2 d1

h - d2

b

h

b A

B

C

l

28 Dach F 30 B oder F 60 B mit oberer Beplankung oder Schalung und Fugenabdeckung aus Holzwerkstoffplatten (Schicht d2). Fugenausbildung bei Bretterschalung (A) sowie bei Holzwerkstoffplatten (B und C) 29 Dach F 30 B mit Dämmung aus Schaumkunststoffen nach DIN 18164, T 1

604

V Funktionen

10.4 Bauteile aus Stahl

Stahl verliert ab seiner Streckgrenze die Fähigkeit, auf Belastung elastisch zu reagieren und beginnt, sich plastisch zu verformen. Die Streckgrenze von Stahl verringert sich bei Erhöhung der Temperatur dramatisch ( 30), so dass unter vorgegebener Belastung der Werkstoff ab einer kritischen Temperatur crit T seine Festigkeit verliert. Es ist folglich dafür Sorge zu tragen, dass innerhalb der festgelegten Feuerwiderstandsdauer diese kritische Temperatur nicht erreicht wird. Ungeschützte Stahlbauteile verlieren ihre Festigkeit unter normalen Brandbedingungen bereits deutlich vor 30 Minuten, so dass zur Erlangung einer höheren Feuerwiderstandsdauer eine Bekleidung oder vergleichbare Maßnahmen erforderlich sind. Die hohe Durchwärmungsgeschwindigkeit von Stahl, die eine Folge der extrem hohen Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs ist,12 führt zu einer raschen Ausbreitung der Brandhitze. Sie ist umso höher, je größer die Angriffsfläche, also die exponierte Bauteiloberfläche, ist. Feingliedrige Querschnitte sind folglich stärker gefährdet als gedrungene mit großer Masse. Schlankheit der Querschnitte ist indessen ein typisches Merkmal des Stahlbaus und ist bei der Brandschutzbemessung entsprechend zu berücksichtigen. Dies geschieht anhand des Verhältniswertes U/A [in m-1], durch welchen der beflammte Umfang des Profils (U) zu der erwärmten Querschnittsfläche (A) in Beziehung gesetzt wird.

10.4.1 Verhältniswert U/A

Die einzuhaltenden Bekleidungsdicken für Stahlbauteile sind in der Norm in Abhängigkeit des Verhältnisses U/A angegeben. Je größer der U/A-Wert, desto ungünstiger die Verhältnisse und desto größer muss auch die Bekleidungsdicke ausfallen. Die Berechnungsverfahren zur Ermittlung des U/A-Werts können der Tabelle auf  31 entnommen werden, die den Angaben der DIN 4102 folgt (  ). Bei profilfolgender Bekleidung ist jeweils nachzuprüfen, ob der errechnete U/A-Wert oder der alternativ zu ermittelnde modifizierte Verhältniswert (U/A)mod, der besonders beanspruchte Profilteile in ihren Dicken t erfasst, größer ist. Der höhere Wert ist jeweils anzusetzen. Die Berechnungsverfahren der Norm erfassen Profile mit Verhältniswerten unterhalb des Grenzwerts 300 m-1. Profile mit höheren U/A-Werten müssen den Prüfverfahren nach DIN 4102, Teil 2 unterzogen werden.

 DIN 4102-4, 6.1.2

10.4.2 Konstruktionsgrundsätze

Die Wirksamkeit einer Feuerschutzbekleidung hängt naturgemäß von ihrer Kontinuität ab. Unterbrechungen dieser Schutzbekleidung beispielsweise durch ungeschützte Stahlbauteile, die durch diese hindurchdringen, führen zu einer zunächst lokalen Durchwärmung des zu schützenden Bauteils und infolgedessen zu einer raschen Ausbreitung der Brandhitze im Bauteilkern. Es ist aus diesem Grunde sicher zu stellen, dass • anschließende ungeschützte Bauteile vom Anschlusspunkt gerechnet in einer Länge L ihrerseits entsprechend ihres eigenen U/A-Werts bekleidet werden. Diese Länge L ist

Spannung

σ

in N/mm2

5. Brandschutz

605

250 20° C 200° C

200

400° C

150

500° C

100

600° C

50

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6 Dehnung

30 s-e-Diagramm von Baustahl in Abhängigkeit von der Temperatur13

0,7

ε

in %

Berechnung des Verhältniswertes U/A mit Beispielen 1)

vierseitig beflammt

profilfolgende Bekleidung

kastenförmige Bekleidung

U/A = Abwicklung A

oder

U/A = 2h + 2b A

Abwicklung 4 oder * 10 A

h

(U/A)mod = 200 t U/A = t

dreiseitig beflammt

3), 4)

(U/A)mod =

200 t

(U/A)mod = 200 3), 4) t Abw. - b/102 U/A =

h b

einseitig beflammt

b

U/A = Abwicklung - b oder A

t2

t1

2)

(U/A)mod =

A

4

* 10

U/A =

t

2b + 2h 2 * 10 A

U/A = 2h + b A

oder

200 200 oder = t1 t2

h t2

t1

U/A =

2h + b 2 * 10 A

b

U/A = 100 t t

U/A =

100 t

1) Abmessungen der dargestellten Profile jeweils in cm, Querschnittsfläche A in cm2 2) h, b: Querschnittshöhe und -breite des Profils 3) t: Dicke eines Profilteils (z. B. Flansch) 4) Besonders gefährdete Profilteile werden getrennt nach einem modifizierten (U/A)mod berechnet Der größere U/A-Wert der beiden möglichen Werte U/A und (U/A)mod ist jeweils anzusetzen.

31 Berechnung des Verhältniswerts U/A eines Stahlprofils gemäß DIN 4102, Teil 4.

606

V Funktionen

•• bei F 30 bis F 90 mindestens 30 cm •• bei F 120 bis F 180 mindestens 60 cm.

32 Aufschäumen des Brandschutzanstrichs einer Stahlkonstruktion unter Brandeinwirkung.

• Verbindungsmittel müssen, sofern sie über die Bauteiloberfläche hervorragen, mit der gleichen Bekleidungsdicke wie das Restbauteil geschützt werden. • Ränder, wie beispielsweise bei Aussparungen in Trägern oder bei offenen Fachwerkfeldern, sind mit der gleichen Bekleidungsdicke zu schützen wie das Restbauteil.

10.4.3 Balkenförmige Bauteile

Drei- oder vierseitig beanspruchte Träger aus Stahlprofilen lassen sich grundsätzlich durch Beschichtungen, Bekleidungen, Unterdecken und Kombination mit Beton in Verbundkonstruktionen vor Brandeinwirkung schützen.



Durch dämmschichtbildende Beschichtungen, die mit bloßem Auge kaum von einem herkömmlichen Anstrich unterschieden werden können, lassen sich Feuerwiderstandsdauern von F 30 bis F 60 erzielen. Unter Brand schäumt eine Anstrichschicht des Brandschutzsystems auf und entfaltet eine wärmedämmende Wirkung. Der Aufbau ist wie folgt:

Beschichtungen

• Korrosionsschutz und Haftvermittler • dämmschichtbildender Anstrich, ein- oder zweilagig • Deckanstrich Auch Beschichtungen müssen sich in ihrer Dicke dem U/A-Verhältnis des zu schützenden Profils anpassen.14

Bekleidungen

Kastenförmige oder profilfolgende Bekleidungen lassen sich ausführen aus • Putzaufträgen mit Streckmetallarmierung ( 33). Der direkte Kontakt zwischen Putzarmierung und Stahlprofil ist durch geeignete Abstandshalter zu verhindern, damit der Putz das Streckmetall zwecks ausreichender Haftung mindestens 10 mm durchdringen kann. Die Hohlräume von I-Profilen lassen sich auch mit künstlichen Steinen ausmauern. • Gipskarton-Feuerschutzplatten (GFK) ( 34). Es ist sorgfältig darauf zu achten, dass Stoßfugen der Platten dicht ausgeführt sind. Fugen bei einlagigen Bekleidungen müssen durch streifen hinterlegt werden, bei zweilagigen müssen die Stöße zueinander versetzt werden. Die Platten sind an vom Bauteil getrennten Unterkonstruktionen zu befestigen.

5. Brandschutz

607

Klemmbefestigung

> 30

> 30

Putzbekleidung Rippenstreckmetall

D > d + 10

Bügel Ø > 5 a < 500

C-Ständerprofil

GFK-Bekleidung > 30

d

Abstandhalter Ø>5

33 Putzbekleidung eines Stahlträgers nach DIN 4102, T 4, Abschn. 6.2.2.

d

d

U-Schiene

34 Bekleidung eines Stahlträgers mit Gipskarton-Feuerschutzplatten nach DIN 4102, T 4, Abschn. 6.2.3.

d

5 5 Drahtgewebe Streckmetall ggf. Betonfüllung Bindedraht

d Brandschutzplatte Knagge aus Plattenmaterial b > 100 mm

d

d

d

d Stoßhinterlegung aus Plattenmaterial b > 100 mm

Kantenschutzschiene

d

d Verputz

Abstandhalter

36 Bekleidung einer Stahlstütze mit Verputz nach DIN 4102, T 4, Abschn. 6.3.4.

d Kantenschutzschiene + Verspachtelung

35 Bekleidung eines Stahlträgers mit Brandschutzplatten ohne und mit waagrechter Stoßhinterlegung.

d Brandschutzplatte

d

d d

37 Bekleidung einer Stahlstütze mit GipskartonFeuerschutzplatten nach DIN 4102, T 4, Abschn. 6.3.5.

GK-Feuerschutzplatte

38 Bekleidung von Stahlstützen aus I- bzw. Quadratrohrprofilen mit Brandschutzplatten.

608

V Funktionen

• Brandschutzbauplatten aus zementgebundenem Silikat ( 35). Diese weisen in der Regel ausreichende Festigkeiten auf, um das zu schützende Profil kastenförmig zu umgreifen, so dass nur Befestigungen zwischen Platte und Platte erforderlich sind und keinerlei Hitzebrücken zum Kernbauteil auftreten. Alle Bekleidungen müssen abhängig vom jeweiligen U/A-Verhältniswert des zu schützenden Profils dimensioniert werden. Analog zu Trägern sind Stahlstützen mit Beschichtungen, Bekleidungen und vergleichbaren Maßnahmen gegen Brand zu schützen. Folgende Merkmale sind abweichend von Stahlträgerummantelungen zu berücksichtigen:

10.4.4 Stützen

• Putzbekleidungen: Diese sind mit einem Putzträger aus Rippenstreckmetall zu versehen, der mittels Bindedraht korbförmig an der Stütze festgebunden wird. Im äußeren Bereich der Putzschicht ist ein Drahtgewebe anzuordnen. Die Kanten müssen mittels Kantenschienen gegen Stöße geschützt werden ( 36). • Gipskarton-Feuerschutzplatten (GFK): Diese können wie bei Stahlträgern an einer Unterkonstruktion befestigt ( 37) oder alternativ direkt an der Stütze angesetzt werden. Zu diesem Zweck werden die jeweiligen Plattenlagen mittel Stahlbändern oder drähten zu einem geschlossenen Kasten festgebunden. Alle Fugen mehrlagiger Bekleidungen müssen versetzt ausgeführt werden. Wiederum sind die Kanten mittels Eckschutzschienen gegen Ausbrechen zu bewahren. • Brandschutzbauplatten: analog zu Trägern. Kastenförmige Umgreifung des Profils mit Plattenmaterial ohne Unterkonstruktion ( 38). Verschraubung oder Verklammerung der Platten untereinander ohne Kontakt zum Kernprofil. Plattenstöße an jeder Seite zueinander jeweils um 500 mm versetzt.15 Unterdecken können eine Brandschutzwirkung entweder

10.5 Unterdecken

 DIN 4102-4, 6.5

• in Kombination mit einer darüber liegenden tragenden Decken- oder Dachkonstruktion entfalten ( 39 - 44). Es wird eine Brandbeanspruchung von unten und von oben betrachtet. Das Deckenpaket inklusive Unterdecke wirkt brandschutztechnisch folglich als Ganzes. Eine Feuerbeanspruchung des Deckenzwischenraums beispielsweise durch seitliche Öffnungen muss infolgedessen ausgeschlossen sein. In diesem Fall schützt die Unterdecke die tragende Deckenoder Dachkonstruktion vor dem Feuer. Die Abdeckung der tragenden Konstruktion, also zumeist die Decken- oder Dachplatte, schützt vor Feuerangriff von der Oberseite. Auch an diese sind aufgrund dessen entsprechende Anforderungen zu stellen. Die DIN 4102 (  ) sieht eine Klassifikation in folgende drei

5. Brandschutz

609

Leichtbeton

Stahlbeton

Zwischenbauteil aus Ziegel

d d Deckenhohlraum

Deckenhohlraum

a

39 Kombination von Unterdecke und tragender Decke oder Dach aus Stahlträgerkonstruktion und Leichtbetonabdeckung gemäß Bauart I.

a

Unterdecke

40 Kombination von Unterdecke und tragender Decke oder Dach aus Stahlbetonrippen mit Zwischenbauteilen aus Ziegel oder Leichtbeton gemäß Bauart I.

Unterdecke

Normalbeton

Normalbeton

d

Deckenhohlraum

d

Deckenhohlraum a

Unterdecke

< 50

a

42 Kombination von Unterdecke und tragender Decke oder Dach aus Normalbeton gemäß Bauart III.

Unterdecke

Tragprofil oder -lattung

l1

Grundprofil oder -lattung

Grundprofil oder -lattung a

l1

Unterdecke

Abhänger d1 Unterdecke Massivwand

41 Kombination von Unterdecke und tragender Decke oder Dach aus Stahlträgerkonstruktion und Normalbetonabdeckung gemäß Bauart II.

Tragprofil oder -lattung

l2 Massivwand

43 Ausführung einer Unterdecke aus Gipskarton-Feuerschutzplatten für Decken oder Dächer gemäß Bauart I bis III nach DIN 4102, Teil 4, Abschn. 6.5.5 (Längskante). Die bezeichneten Maße werden von der Norm vorgegeben.

l2

44 Stirnkante der Unterdeckenausführung auf  43.

610

V Funktionen

Deckenbauarten vor: •• Bauart I: Stahlträgerkonstruktion mit Abdeckung aus Leichtbeton ( 39) oder alternativ Stahlbeton- und Spannbetondecken mit Zwischenbauteilen aus Leichtbeton oder Ziegeln ( 40). •• Bauart II: Stahlträgerkonstruktion mit Abdeckung aus Normalbeton ( 41). •• Bauart III: Stahlbeton- und Spannbetondecken bzw. -dächer aus Normalbeton mit und ohne Zwischenbauteilen aus Normalbeton ( 42). Beispielhaft für diese Art von Unterdecken ist auf den  43, 44 eine Ausführungsvariante aus Gipskarton-Feuerschutzplatten mit einem Hinweis auf die maßlichen Festlegungen der Norm dargestellt.

& DIN 4102-4, 6.5.7

• oder auch für sich alleine bei einer Brandbeanspruchung nur von unten entfalten. An die darüber liegende tragende Decken- oder Dachkonstruktion sind bei Brandbeanspruchung von unten keine weiteren Anforderungen zu stellen. Sie gilt als zur selben Feuerwiderstandsklasse gehörig wie die daran befestigte Unterdecke. Eine Brandbeanspruchung des Deckenhohlraums ist wiederum zuverlässig auszuschließen, da die Brandschutzwirkung der Unterdecke nur unterseitig vorhanden ist (&). Beispielhaft ist auf den  45, 46 eine Unterdecke dieser Art aus Gipskarton-Feuerschutzplatten nach den Vorgaben der Norm dargestellt. • alternativ auch derart entfalten, dass die Unterdecke selbst auch von oben gegen Feuer abschottet. Dieser Fall ist von der Norm indessen nicht vorgesehen. Der Deckenzwischenraum kann in diesem Fall beflammt sein. Die tragende Decken- oder Dachkonstruktion muss folglich der gleichen Feuerwiderstandsklasse angehören wie die Unterdecke. Einbauten wie Leuchten, Lüftungsauslässe etc. sind in Brandschutz-Unterdecken nicht zulässig, es sei denn, sie werden entsprechend mit Brandschutzmaterial gekapselt (Zulassung erforderlich). Kleinere Durchbrüche wie beispielsweise für elektrische Leitungen oder für Leuchtenabhänger sind hingegen statthaft, sofern der Lochquerschnitt ausgefüllt oder verschlossen wird. Anschlüsse an Wände müssen dicht ausgeführt werden. Anschlüsse an leichte Trennwände sind in der Norm nicht berücksichtigt und erfordern spezielle Nachweise.

5. Brandschutz

611

< 50

l1

Grundprofil oder -lattung

d1 d2

45 Ausführung einer Unterdecke aus Gipskarton-Feuerschutzplatten mit eigener Brandschutzwirkung für Beanspruchung von unten nach DIN 4102, Teil 4, Abschn. 6.5.7 (Längskante). Die bezeichneten Maße werden von der Norm vorgegeben.

Unterdecke Tragprofil oder -lattung Trennstreifen

Massivwand

Tragprofil oder -lattung Grundprofil oder -lattung

l1

Unterdecke

Abhänger

l2

l2

46 Stirnkante der Unterdeckenausführung auf  45.

Massivwand

d Anschlussbügel an den Steg

h

Betonfüllung Zulagebewehrung

u t s b

us

47 Ausführung eines Verbundträgers mit ausbetonierten Profilkammern nach DIN 4102, Teil 4, Abschn. 7.2. Die bezeichneten Maße werden in der Norm vorgegeben.

612

V Funktionen

10.6 Verbundkonstruktionen

Brandgeschützte Verbundkonstruktionen aus Stahlprofilen und Beton sollen hier exemplarisch an dem in der Norm betrachteten I-Stahlträger mit ausbetonierten Profilkammern dargestellt werden ( 47). Es sind durch diese Ausführung Feuerwiderstände von F30-A bis F 180-A erzielbar. Es wird eine dreiseitige Beanspruchung angenommen, was eine aufliegende Deckenplatte der gleichen anzusetzenden Feuerwiderstandsklasse voraussetzt. Aus konstruktiver Sicht ist der Füllbeton normkonform mit einer Zulagebewehrung zu versehen, die im Verhältnis zur Flanschfläche zu bemessen ist. Der Kammerbeton muss mit dem Steg des Trägers kraftschlüssig zu verbinden. Zu diesem Zweck sind Bügel oder Kopfbolzendübel in Abständen kleiner als 400 mm am Steg anzuschweißen.

10.7 Verglasungen

Brandschutzverglasungen sind in der Norm DIN 4102, Teil 4 nicht enthalten und sind infolgedessen zulassungspflichtig. Ihre Brandschutzwirkung beruht auf dem Einsatz spezieller Verbundgläser, deren Zwischenschichten im Brandfall unter Hitzeeinfluss aufschäumen und eine hochwärmedämmende Wirkung entfalten (F-Gläser). Die Verglasung wird aufgrund dieses Prozesses opak und ist imstande, nicht nur gegen Feuer, sondern auch gegen Wärmestrahlung zu schützen. G-Gläser sind imstande, Feuer und Brandgase zu sperren, sind aber für Wärmestrahlung durchlässig. Es sind Ausführungen mit Sprossen, aber auch sprossenfreie Ganzglaskonstruktionen realisierbar (wie in  48). Beispielhafte Varianten zugelassener Verglasungen mit verschiedenen Feuerwiderstandsdauern zeigen die  48 - 51. Die höheren Feuerwiderstandsdauern sind durch dickere Verbundglasscheiben mit einer höheren Zahl dämmender Zwischenschichten zu erzielen. Wie bei anderen flächigen Brandschutzabschlüssen sind thermische Brücken durch die Hüllfläche hindurch zu vermeiden. Sprossungen werden deshalb zweischalig ausgeführt. Durch die Hüllfläche durchlaufende Teile sind nur aus dämmendem Brandschutzmaterial herstellbar. Sprossenlose Glasscheibenstöße werden mit speziellem Brandschutzsilikon ausgefugt.16 Auf S. 614 bis 617 werden im Folgenden einige zu exemplarischen Zwecken ausgewählte Bemessungstabellen der DIN 4102, Teil 4 aufgeführt. Weitere Bemessungs- und Konstruktionsvorgaben zu andersartigen, in diesem Kapitel behandelten Bauteilen sind in ebendieser Norm zu finden.

5. Brandschutz

613

Verbundglasscheibe punktuelle Glashaltekonsole

Stahlrahmenprofil

BrandschutzSilikon

Brandschutz-Silikon Verbundglasscheibe

Stahlrohrstütze

Verschraubung in Gewindehülse

BrandschutzSilikon Vorlegeband Streifen aus Brandschutzplatte

Brandschutz-Silikon

20 17 20

48 Brandschutz-Ganzglaswand mit punktuellen Halterungen an den Scheibenkreuzfugen (F 30). 49 Brandschutzverglasung mit zweischaliger Rahmenkonstruktion aus Stahlrohrprofilen (F 30).

50 Brandschutzverglasung aus thermisch getrennten Aluminiumprofilen. Horizontalschnitt einer Sprosse.

51 Türöffnung der Verglasung oben.

614

V Funktionen

Tabelle 1: Mindestbreite und Mindeststegdicke von maximal dreiseitig beanspruchten, statisch bestimmt gelagerten Stahlbeton- und Spannbetonbalken aus Normalbeton. Vereinfachte Aufstellung gemäß DIN 4102, Teil 4, Abschn. 3.2.2. t

b

Zeile

b

b

b

Konstruktionsmerkmale

Feuerwiderstandsklasse F 30-A

F 60-A

F 90-A

F 120-A

F 180-A

1

Mindestbreite b in mm unbekleideter Balken in der Biegezugzone bzw. in der vorgedrückten Zugzone mit Ausnahme der Auflagerbereiche

1.1

Stahlbeton- und Spannbetonbalken mit crit T ≥ 450° C nach Tabelle 1 der DIN 4102, T 4

1.2

Spannbetonbalken mit crit T = 350° C nach Tabelle 1 der DIN 4102, T 4

2

Mindestbreite b in mm unbekleideter Balken in der Druck- oder Biegedruckzone bzw. in der in der vorgedrückten Zugzone in Auflagerbereichen

3

Mindeststegdicke t in mm unbekleideter Balken mit I-Querschnitt in der

3.1

Biegezugzone bzw. in der vorgedrückten Zugzone mit Ausnahme der Auflagerbereiche

3.2

Druck- oder Biegedruckzone bzw. in der vorgedrückten Zugzone in Auflagerbereichen

4

Mindestabmessungen b und t von Balken mit Bekleidungen aus

4.1

Putzen nach den Abschnitten 3.1.51 bis 3.1.5.5 der b nach den Zeilen 1 und 2, t nach Zeile 3, AbmiDIN 4102, T 4 nderungen nach Tabelle 2 der DIN 4102, T 4 sind möglich b und t jedoch nicht kleiner als 80 mm

4.2

Unterdecken

80

120

150

200

240

120

160

190

240

280

160

240

120

140

90 bis 140 Die Bedingungen von Tabelle 4 (DIN 4102, T 4) sind einzuhalten

140

90 bis 140 Die Bedingungen von Tabelle 4 (DIN 4102, T 4) sind einzuhalten

80

90

100

b und t ≥ 50 mm; Konstruktion nach Abschnitt 6.5 der DIN 4102, T 4

5. Brandschutz

615

c u

u us

c

Zeile

c u us

c

u c us

c

Tabelle 2: Mindestachsabstände sowie Mindeststabzahl der zugbewehrung von ein- bis vierseitig beanspruchten, statisch bestimmt gelagerten Stahlbetonbalken aus Normalbeton. Vereinfachte Aufstellung gemäß DIN 4102, Teil  4, Abschn. 3.2.4.

Konstruktionsmerkmale

Feuerwiderstandsklasse F 30-A

F 60-A

F 90-A

F 120-A

F 180-A

1

Mindestachsabstände u und us sowie Mindeststabzahl n der Zugbewehrung unbekleideter, einlagig bewehrter Balken

1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3

bei einer Balkenbreite b in mm von u in mm us in mm n

80 25 35 1

≤120 40 50 2

≤150 55 65 2

≤200 65 75 2

≤240 80 90 2

1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3

bei einer Balkenbreite b in mm von u in mm us in mm n

120 15 25 2

160 35 45 2

200 45 55 3

240 55 65 3

300 70 80 3

1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3

bei einer Balkenbreite b in mm von u in mm us in mm n

160 12 22 2

200 30 40 3

250 40 50 4

300 50 60 4

400 65 75 4

≥200 12 3

≥300 25 4

≥400 35 5

≥500 45 5

≥600 60 5

1.4 bei einer Balkenbreite b in mm von 1.4.1 u = us in mm 1.4.2 n 2

Mindestachsabstände u, um und us sowie Mindeststabzahl n der Zugbewehrung bei unbekleideten, mehrlagig bewehrten Balken

2.1 2.2

um nach Gleichung (3) DIN 4102, T 4 u und us

2.3

Mindeststabzahl n

3.

Mindestachsabstände u und us bzw. um von Balken mit Bekleidungen aus

3.1

Putzen nach den Abschnitten 3.1.5.1 bis 3.1.5.5 der u, um und us nach den Zeilen 1 und 2, AbmindeDIN 4102, T 4 rungen nach Tabelle 2 (DIN 4102, T 4) sind möglich, u jedoch nicht kleiner als für F 30

3.2

Unterdecken

u, ≥ u nach Zeile 1 u und us ≥ uF 30 nach Zeile 1 sowie u und us ≥ 0,5 u nach Zeile 1 keine Anforderungen

u und us ≥ 12 Konstruktion nach Abschnitt 6.5 der DIN 4102, T 4

616

V Funktionen

Tabelle 3: Mindestdicken von Stahlbeton- und Spannbetonplatten aus Normalbeton ohne Hohlräume. Vereinfachte Aufstellung gemäß DIN 4102, Teil 4, Abschn. 3.5.2.

Zeile

Konstruktionsmerkmale

Feuerwiderstandsklasse F 30-A

1 1.1 1.2 2 2.1 2.2 3

4 4.1 4.2 5

5.1 5.2 6 7 7.1

Mindestdicke d in mm unbekleideter Platten unabhängig von der Anordnung eines Estrichs bei statisch bestimmter Lagerung statisch unbestimmter Lagerung

F 90-A

F 120-A

F 180-A

d

Mindestdicke d in mm punktförmig gestützter Platten unabhängig von der Anordnung eines Estrichs bei Decken mit Stützenkopfverstärkung Decken ohne Stützenkopfverstärkung

80 60

80 80

100 100

120 120

150 150

150 150

150 200

150 200

150 200

150 200

50

50

50

60

75

60 80

80 80

100 100

120 120

150 150

60 80

60 80

60 80

60 80

80 80

25

25

25

30

40

d

d

Mindestdicke d in mm unbekleideter Platten mi nichtbrennbarem Estrich oder Asphaltestrich

d D

Mindestdicke d in mm = d + Estrichdicke bei statisch bestimmter Lagerung statisch unbestimmter Lagerung d1

Mindestdicke d in mm unbekleidedter Platten mit schwimmendem Estrich bei einer Dämmschicht nach Abschnitt 3.5.2.2 (DIN 4102, T 4) bei statisch bestimmter Lagerung statisch unbestimmter Lagerung

d

Mindestestrichdicke d1 in mm bei Estrichen aus nichtbrennbaren Baustoffen oder Asphalt Mindestdicke d in mm von Platten nach den Zeilen 1 und 3 bis 6 mit Bekleidungen aus Putzen nach den Abschnitten 3.1.5.1 bis 3.1.5.5 (DIN 4102, T 4)

F 60-A

d

d

d

Holzwolle-Leichtbauplatten nach Abschnitt 3.1.5.6 (DIN 4102, T 4) auch ohne Putz bei 7.2.1 einer Dicke der Holzwolle-Leichtbauplatten ≥ 25 mm 7.2.2 einer Dicke der Holzwolle-Leichtbauplatten ≥ 50 mm

Mindestdicke d nach den Zeilen 1, 3 und 5, Abminderungen nach Tabelle 2 (DIN 4102, T 4) sind möglich, d jedoch nicht kleiner als 50

7.2

7.3

Unterdecken

50 50

50 50

50

50

50

d ≥ 50, Konstruktion nach Abs. 6.5 (DIN 4102, T 4)

5. Brandschutz

617

Tabelle 4: Mindestachsabstand der Feldbewehrung von frei aufliegenden Stahlbetonplatten aus Normalbeton. Vereinfachte Aufstellung gemäß DIN 4102, Teil 4, Abschn. 3.5.4.

u

Zeile

Konstruktionsmerkmale

Feuerwiderstandsklasse F 30-A

1

Mindestachsabstand u in mm unbekleideter, einachsig gespannter Platten

2

Mindestachsabstand u in mm unbekleideter, zweiachsig gespannter Platten bei

2.1

3seitiger Lagerung mit

2.2

3seitiger Lagerung mit 1,0 ≥ ly/lx ≥ 0,7

F 90-A

F 120-A

F 180-A

12

25

35

45

60

12

25

35

45

60

12

20

30

35

45

12

15

25

30

40

12

12

15

20

30

25

25

25

30

40

x y

ly/lx > 1,0

x y

2.3

F 60-A

3seitiger Lagerung mit 0,7 > ly/lx

x y

2.4

4seitiger Lagerung mit 1,5 ≥ ly/lx x y

2.5

4seitiger Lagerung mit

3

Mindestachsabstand u in mm von Platten mit Bekleidungen aus Putzen nach den Abschnitten 3.1.5.1 bis 3.1.5.5 (DIN 4102, T 4) Mindestachsabstand u nach den Zeilen 1 und 2, Abminderungen nach Tabelle 2 (DIN 4102, T 4) sind möglich, u jedoch nicht kleiner als 12

3.1

ly/lx ≥ 2,0

3.2

Holzwolle-Leichtbauplatten nach Abschnitt 3.1.5.6 (DIN 4102, T 4) auch ohne Putz bei 3.2.1 einer Dicke der Holzwolle-Leichtbauplatten ≥ 25 mm 3.2.2 einer Dicke der Holzwolle-Leichtbauplatten ≥ 50 mm 3.3

Unterdecken

12 12

12 12

12

12

15

u ≥ 12, Konstruktion nach Abs. 6.5 (DIN 4102, T 4)

618



V Funktionen

Anmerkungen

1 2 3 4

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Schneider U (2004) Ingenieurmethoden im Baulichen Brandschutz, S. 15 Jäde H (2003) Musterbauordnung (MBO 2002) wird demnächst, 2006, ersetzt durch entsprechende europäische Normung Klingsohr (1997) Vorbeugender baulicher Brandschutz, S. 210; Löbbert et al. (2004) Brandschutzplanung für Architekten und Ingenieure § 26 MBO, Fassung 2002 Klingsohr (1997), S. 31 Schneider (2004), S.479 Klingsohr (1997), S. 43 Schneider (2004), S. 152 Klingsohr (1997), S. 51 Klingsohr (1997), S. 51 Häger (1996) Bautechnik und Brandschutz, S. 94 gemäß Häger (1996) S. 95 Produktinformation in Promat-Handbuch 07/2003 Produktinformation in Promat-Handbuch 07/2003 Produktinformation in Promat-Handbuch 07/2003 und SchücoBroschüre Brand- und Rauchschutzsysteme 01/2005

I KONSTRUIEREN

II STRUKTUR II - 1 II - 2

ORDNUNG UND GLIEDERUNG INDUSTRIELLES BAUEN

II - 3

MASSORDNUNG

III STOFFE

1. Dauerhaftigkeit von Bauwerken 2. Korrosion von metallischen Werkstoffen 2.1 Typische Korrosionsarten 2.1.1 Korrosion in Mulden 2.1.2 Kontaktkorrosion 2.1.3 Korrosion im Wassertropfen 2.1.4 Spaltkorrosion 2.1.5 Lochkorrosion 2.2 Korrosionsschutzmaßnahmen 2.2.1 Planungsaspekte zum Korrosionsschutz 2.2.2 Konstruktive Maßnahmen 2.2.3 Bauphysikalische Maßnahmen 2.3 Korrosionsschutzverfahren 2.3.1 Schutzanstriche 2.3.2 Metallische Überzüge 2.3.3 Passivierung 2.3.4 Nicht rostende Stähle 2.3.5 Kathodischer Schutz 3. Korrosion im Stahlbeton 3.1 Carbonatisierung 3.2 Chlorideinwirkung 3.3 Rissbildung 3.4 Instandsetzung von Beton 4. Holzschutzmaßnahmen 4.1 Vorbeugende Schutzmaßnahmen 4.1.1 Materialgerechte Holz- und Verbidungsmittelverwendung 4.1.2 Organisatorischer Holzschutz 4.1.3 Baulich-konstruktiver Holzschutz 4.1.4 Chemischer Holzschutz 4.1.5 Biologischer Holzschutz Anmerkungen

III - 1 III - 2 III - 3 III - 4 III - 5 III - 6 III - 7 III - 8 III - 9

MATERIE WERKSTOFF STEIN BETON HOLZ STAHL BEWEHRTER BETON KUNSTSTOFF GLAS

IV BAUPRODUKTE IV - 1 IV - 2 IV - 3 IV - 4 IV - 5

KÜNSTLICHE STEINE HOLZPRODUKTE STAHLPRODUKTE GLASPRODUKTE KUNSTSTOFFPRODUKTE

V FUNKTIONEN V - 1 V - 2 V - 3 V - 4 V - 5 V - 6

SPEKTRUM KRAFT LEITEN THERMOHYGRISCHE FUNKTIONEN SCHALLSCHUTZ BRANDSCHUTZ DAUERHAFTIGKEIT

620

1.

V Funktionen

Dauerhaftigkeit von Bauwerken

☞ Band 2, Kap. XI-1, Abschn. 4. Fügungen für Primärtragwerke, S. 38

Neben den bereits behandelten grundlegenden Teilfunktionen von Baukonstruktionen ist auch die Forderung nach Dauerhaftigkeit näher zu beleuchten, die wegen ihrer Bedeutung im Bauwesen in diesem Kontext als eigene Teilfunktion gelten soll. Wenngleich die Erfüllung der Anforderungen der Leitung von Kraft, der Kontrolle von Wärme und Feuchte sowie des Schall- und Brandschutzes eine Grundvoraussetzung für die dauerhafte Gebrauchstauglichkeit eines Bauwerks sind, so ist darüber hinaus festzustellen, dass die Baukonstruktion in ihrer Funktionstüchtigkeit von Einflüssen bedroht wird, die der Konstrukteur in ihren Wirkmechanismen kennen muss und gegen welche er geeignete Maßnahmen zu treffen hat. Grundlegender Parameter in diesem Zusammenhang ist die im Vergleich mit anderen technischen Produkten extrem lange Lebensdauer, die wir unseren Gebäuden abverlangen. Während technische Gebilde wie ein Automobil – ohne dass irgendjemand dies auch nur im Ansatz hinterfragen würde – auf eine maximale Lebensdauer von 5 bis 10 Jahren ausgelegt sind, erwartet man von einem durchschnittlichen Gebäude, dass es (unter Berücksichtigung der nötigen Erneuerungszyklen) zwischen 50 und 100 Jahre ohne Abstriche an seiner Gebrauchsfähigkeit nutzbar bleibt. Im Gegenteil: unsere Anforderungen an den Komfort erhöhen sich vielmehr, zumindest hat diese Entwicklung über die letzten 100 Jahre bruchlos angehalten. Nicht unerhebliche Teile der Bausubstanz vieler Städte und Gemeinden besteht hierzulande und in anderen, zumeist europäischen Ländern sogar aus bis zu 500 Jahre alten Bauwerken. Aus dieser Perspektive, die zumindest bei uns in Europa (anders als beispielsweise in den Vereinigten Staaten) tiefgreifende kulturelle Wurzeln hat, ist die Bedeutung der Forderung nach Dauerhaftigkeit zu verstehen sowie auch gewisse Besonderheiten der Bautechnik, wie beispielsweise die trotz heute verfügbarer hoch entwickelter Technologien immer noch dem Standard entsprechende, vergleichsweise einfache und robuste Ausführung (☞). Konstruktionsregeln zur Vermeidung von Korrosion und Zersetzung von Baustoffen sind sehr alt und bilden einen Teil des überlieferten entwurflichen und bautechnischen Wissensfundus, der indessen mit dem Aufkommen moderner Bauweisen zum großen Teil in Vergessenheit geriet bzw. auf die neuen Werkstoffe und Bautechniken einfach nicht mehr anwendbar war. Dies war beispielsweise an den Betonbauwerken der 70er Jahre zu beobachten, bei denen mangelnde Betonüberdeckung, technisch unzulängliche Fugenausbildung und unzureichende Wärmedämmung zu weit reichenden Schäden führte. Die volkswirtschaftlichen Kosten für die Sanierung waren enorm. Ebensowenig soll jedoch verschwiegen werden, dass bereits in der Konstruktion angelegte Dauerhaftigkeit zwar viel mit richtiger Konzeption und Planung zu tun hat, meistens aber auch mit erhöhten Kosten zusammenhängt. Auch aus derartigen (teilweise vielleicht überspannten) Qualitätsansprüchen – neben den exponentiell gestiegenen Komfortansprüchen – sind auch die in den letzten 25 Jahren explodierten Baukosten zu erklären, die inzwischen einen kritischen

6. Dauerhaftigkeit

621

Denkprozess in Gang gesetzt haben. Ungeachtet dieser Gesichtspunkte, deren nähere Untersuchung den Rahmen dieses Werks sprengen würden, soll im Folgenden das Augenmerk auf einige fundamentale Regeln des konstruktiven Umgangs mit den wichtigsten Werkstoffen gerichtet werden. Im Vordergrund der Betrachtung stehen insbesondere Zersetzungsprozesse infolge Witterungseinflüssen, in erster Linie Feuchte, sowie auch biologische Zerstörungsprozesse organischer Werkstoffe wie Holz.

1 Sockel eines rund 110 Jahre alten Gründerzeithauses in der Stuttgarter Innenstadt. Der insgesamt ausgezeichnete Zustand dieser Bausubstanz ist beeindruckend.

2 Walserhütte im kleinen Walsertal, Österreich. Die Hütten sind als Streusiedlungsbauten über das Tal verteilt. Viele dieser Holzhütten sind mehrere 100 Jahre alt, die ältesten wurden um 1500 errichtet.

3 Versagen eines Spannbetonträgers durch Korrosion der Spannstäbe.

622

2.

V Funktionen

Korrosion von metallischen Werkstoffen & Innenministerium des Landes Baden-Württemberg (Hg.) (1990) „Eisen rostet - Informationen für Bauherren, Architekten und Ingenieure“ Nürnberger, Ulf „Korrosion“ Spannung in Volt -2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

+0,5

+1

+1,5

Magnesium -2,37

Aluminium -1,66

Zink -0,76

Chrom -0,71

Das Verhalten von Metall verändert sich grundlegend, wenn es sich unter Elektronenabgabe in ein Ion verwandelt. Das Metallion verliert die feste Bindung zum Strukturgitter des Metalls und geht im Elektrolyten in Lösung. Diese Metallauflösung wird Korrosion genannt ( 4). Die freien Elektronen werden bei der Bildung von Hydrox-Ionen aus Sauerstoff und Wasser gebunden. Der Ort der Metallauflösung ist die Anode (anodische Teilreaktion), die Stelle des Elektronenverbrauchs die Kathode (kathodische Teilreaktion). Wenn Anode und Kathode zusammenliegen, spricht man von einer Mischelektrode. Das Zusammentreffen unterschiedlicher Metalle führt im Bauwesen häufig zu Korrosionsproblemen. Unterschiedliche Metalle haben unterschiedliche elektrische Potenziale und werden nach der Größe ihres Potenzials in die sog. Normalspannungsreihe eingeordnet ( 5). Die aufgeführten Metalle werden mit zunehmendem Potenzial edler, d.h. ihre Neigung zur Korrosion nimmt ab.

Eisen -0,44

Blei -0,13

4e-

O2

Wasserstoff-Elektrode

Elektrolyt

Kupfer +0,34

2Fe Silber +0,80

Gold +1,42

2Fe++

2H2O + O2 + 4e-

2.1

4(OH)Kathodische Teilreaktion

2Fe++ + 4(OH)Eisen-Ionen + Hydroxid-Ionen

Unedle Metalle Edle Metalle

2H2O

Anodische Teilreaktion 1. Korrosionstufe 2. Korrosionstufe

4e-

2Fe(OH)2 + _12 O2

2Fe(OH)2 Eisenhydroxid z.B. Fe2O3 . H2O

5 Normalspannungsreihe

4 Galvanisches Element und Vorgänge bei der Stahlkorrosion.

Typische Korrosionsformen

Die Ausbildung von Mulden führt zum Ansammeln von Feuchtigkeit und Wasser an der tiefsten Stelle und erhöht damit die Korrosionsanfälligkeit einer Konstruktion. Hinzu kommt hier die Anreicherung mit Schmutz- und/oder Schadstoffen aus der Atmosphäre (z. B. Schwefeldioxid) ( 6)

2.1.1 Korrosion in Mulden

2.1.2 Kontaktkorrosion

Werden elektrisch leitende Metalle miteinander verbunden (durch Berührung und einem vorhandenen Elektrolyten – ohne einen solchen kann sich kein galvanisches Element ausbilden und somit auch keine Korrosion stattfinden!) stellt sich beim unedleren Metall Korrosion ein – z. B. zwischen Zink und Kupfer. Die Korrosionsvorgänge laufen i. d. R. um so stärker ab, je weiter die in Kontakt

6. Dauerhaftigkeit

623

stehenden Metalle in der Normalspannungsreihe auseinander liegen. Deshalb müssen metallische Verbindungsmittel (Schrauben, Niete) immer aus dem edleren Metall gefertigt sein. Wären sie aus dem unedleren Material gefertigt und damit die Anode, könnten sie innerhalb kurzer Zeit vollständig zerstört werden ( 7, 8).



Wasserfilm

Muldenkorrosion

6 Korrosion in Mulden am Beispiel eines HEA-Profils

7 Kontaktkorrosion zwischen einem Schraubenkopf aus Stahl und einer galvanisch verzinkten Unterlegscheibe.

Kontaktkorrosion Wasserfilm

8 Kontaktkorrosion beim Kontakt zweier unterschiedlich edler Metalle.

624

V Funktionen

2.1.3 Korrosion im Wassertropfen

Korrosionsvorgänge können auch durch unterschiedlichen Sauerstoffgehalt im Elektrolyten ausgelöst bzw. gesteuert werden, man spricht hier von einem Belüftungselement. An der Korrosion im Wassertropfen kann dies am einfachsten gezeigt werden. Die unterschiedliche Tiefe des Tropfenwassers führt zu ungleichmäßigen Sauerstoffanteilen in diesem (im Randbereich kann Sauerstoff leichter zur Metalloberfläche durchtreten). Die Kathode bildet sich als Ring im Randbereich des Wassertropfens aus, diese Randzone wird durch das alkalische Milieu der OH-Ionen sogar passiv, der Bereich der Anode liegt im Zentrum ( 9).

Korrosion Wassertropfen 9 Korrosion im Wassertropfen.

Ähnliches gilt auch für die Spaltkorrosion. 2.1.4 Spaltkorrosion

✏ vgl. mit den Vorgängen bei der Korrosion in Mulden

Sie tritt auf, wenn zwischen eng anliegenden Metallteilen – Laschen, zusammengesetzten Stahlprofilen etc. – ein Elektrolyt eintritt und hier zur Korrosion führt, wobei hier ebenfalls sauerstoffarme, saure Reaktionsbereiche mit einem niedrigen ph-Wert und sauerstoffreiche, alkalische Reaktionsbereiche mit direktem atmosphärischen Kontakt entstehen ( 9). Wenn sich in diesen Spalten weiterhin Schmutz, Ablagerungen oder aggressive Schadstoffe ansammeln und anreichern, säuert sich dieser Elektrolyt an und es kann zur Auslösung schneller Korrosionsvorgänge kommen (✏) ( 10). Eine vergleichbare Reaktion läuft auch bei der sogenannten Lochkorrosion ab.

6. Dauerhaftigkeit

625

Wasser Spaltkorrosion 10 Schema zur Spaltkorrosion.

Auch hier gilt, dass bei Vertiefungen oder kleinen Fehlstellen im Material der Elektrolyt durch ein Sauerstoffgefälle ansäuert und sich hier anodische Bereiche (Loch bzw. Lochgrund) ausbilden, die einem extrem großen kathodischen Bereich gegenüberstehen. Am Lochgrund kann der Korrosionsprozess unbemerkt sehr schnell ablaufen ( 11).

2.1.5 Lochkorrosion

11 Lochkorrosion an einem Stahlprofil.

626

2.2

V Funktionen

Korrosionsschutzmaßnahmen

Es gilt: Wirksamer Korrosionsschutz beginnt bei der Planung des Bauwerks und den gestalterischen Details! 1

2.2.1 Planungsaspekte zum Korrosionsschutz

Auch gezielte Korrosionsschutzmaßnahmen sind Planungsmaßnahmen. Insbesondere zu berücksichtigen sind: • Die Witterungsverhältnisse • Die Dauerhaftigkeit der Korrosionsschutzmaßnahme • Sinnvolle und mögliche Instandhaltungsintervalle • Zugänglichkeit von Bauteilen ( 12-15)

2.2.2 Konstruktive Maßnahmen

Abhalten von Wasser von metallischen Werkstoffen durch Überdeckung, Verkleidungen oder: • Ausbildung von ausreichendem Gefälle auf bewitterten Bauteilen (z. B. Attikableche). Das abfließende Wasser soll soviel Schleppkraft besitzen, dass Schmutzteilchen weggespült werden ( 12, 16). • Befestigungsmittel sind immer aus dem edleren Metall zu wählen • Vermeidung von Fugen. Wahl entsprechend geeigneter Profile ( 17, 18)

☞ Kap. IV-3, Abschn. 1.2.3 Wetterfeste Baustähle und 1.2.4 Nicht rostende Stähle auf S. 289

2.2.3 Bauphysikalische Maßnahmen

• ggf. Einsatz von erweiterten Korrosionsschutzmaßnahmen oder wetterfesten bzw. nicht rostenden Stählen (☞) Das primäre Ziel der Planung ist das Fernhalten, das Vermeiden bzw. das schnelle Ableiten von Wasser oder Wasserdampf. Als grundlegende Maßnahmen gelten dabei: • Der richtige Betrieb von Innenräumen! (Lüften und Heizen). • Wärmedämmung – Anordnung möglichst auf der kälteren Seite/ Außen. • Vermeidung von konstruktiven Wärmebrücken • Anordnen von Dampfsperren • Ausreichende Hinterlüftung, Abführung von angefallenem Kondenswasser

6. Dauerhaftigkeit

627

12 Detail eines Brückenauflagers. 13 Untersicht eines Stahltragwerks mit zugänglichen Schraubenverbindungen.

14 Auflager einer frühen Stahlbrücke.

15 Aus der Spritzwasserzone herausgehobener Stützenfuß der AEG-Turbinenhalle Berlin von Peter Behrens.

17 Stahlprofile, die sich bei Korrosionsbelastung ungünstig verhalten.

16 Beispiel Stützenfuß auf Stahlbetonfundament, Wasser darf sich nicht stauen, sondern muss umgehend abfließen.

18 Stahlprofile, die sich bei Korrosionsbelastung günstiger verhalten.

628

2.3

V Funktionen

Korrosionsschutzverfahren

2.3.1 Schutzanstriche

Mittels eines Schutzanstriches wird der Übergang von MetallIonen in den Elektrolyten verhindert ( 19). • einfaches und preiswertes Verfahren • begrenzte Haltbarkeit • Kontrollen und Erneuerung notwendig

2.3.2 Metallische Überzüge

• edle Überzüge

Das zu schützende Metall wird mit einem edleren Metall überzogen, z. B. Chrom, das eine Passivschicht aus Chromoxid ausbildet. • sehr guter zeitlich unbegrenzter Korrosionsschutz • sorgfältige Ausführung notwendig • verchromte Überzüge empfindlich gegen mechanische Beschädigung, Nachbehandlung schwierig



• unedle Überzüge & zu Feuerverzinken siehe DIN 50976

19 Korrosionsschutz durch Anstrich bei einer Eisenbrücke

Das zu schützende Metall wird gleichmäßig mit einem unedlen Metall überzogen, in der Regel Zink ( 20). Es bildet sich an der Oberfläche Zinkoxid aus, das mit Kohlensäure aus der Atmosphäre zu Zinkcarbonat wird. Zinkcarbonat stellt eine ausreichend dichte und stabile Passivschicht dar. Der Überzug erfolgt im Tauchbad (Feuerverzinkung). Die Feuerverzinkung stellt in der Reihe der Korrosionsschutzes eine vergleichsweise einfache, kostengünstige und ausreichend dauerhafte Maßnahme dar und wird heute in vielfältiger Form angewandt. Die Größe der Stahlbauteile im Zinktauchbad ist begrenzt und muss bei der Planung berücksichtigt werden. Ggf. müssen verzinkte Einzelteile durch Verschraubung zu einem Bauteil addiert werden ( 21-23). Stahlbreitband kann dagegen im sog. Sendzimirverfahren endlos durch das Zinkbad geführt werden ( 24). Das Zink ist nach dem Erhärten auf der Oberfläche nicht stabil und verbindet sich mit CO2 aus der Atmosphäre zu Zinkcarbonat ZnCO3 zu einer passiven selbstheilenden Oberfläche. Im Vergleich zum sog. Feuerverzinken als Schmelztauchverfahren können folgende, weniger beständige Methoden der Verzinkung unterschieden werden: • im galvanischen Zinkbad sind keine dauerhaften Schichtdicken zu erreichen. • Zinkstaubfarbe (Kaltverzinken) eignet sich lediglich zum Ausbessern von Fehlstellen oder Nachstreichen von Anschlusspunkten ( 25).

20 Dacheindeckung bei einem historischen Gebäude mit Titanzinkblech

Vorteile der Feuerverzinkung im Zinktauchbad:

6. Dauerhaftigkeit

629

24 Feuerverzinkte Oberfläche.

21 Korrosionsschutz bei einem Stahltragwerk durch eine Feuerverzinkung.

22 Ungünstige Profilquerschnitte zur Feuerverzinkung.

23 Günstige Profilquerschnitte zur Feuerverzinkung.

25 Verschweißen nach dem Feuervererzinken und Anstrich mit Zinkstaubfarbe. Der Anstrich ist nur begrenzt dauerhaft.

Freihalten der Eckaussteifungsbleche, damit im Zinkbad beim Eintauchen die Luft entweichen und beim Herausnehmen das flüssige Zink ablaufen kann.

630

V Funktionen

• die Dauerhaftigkeit ist von der Schichtdicke der Feuerverzinkung abhängig • kleinere Beschädigungen können leicht ausgebessert werden • Überwachung der verzinkten Bauteile ist notwendig • besonders im sog. Duplex-System wird ein besonders wirksamer, dauerhafter Korrosionsschutz erreicht. Es wird hierbei ein Schutzanstrich auf einen unedlen Überzug aufgebracht. 2.3.3 Passivierung

☞ Kap. IV-3, Abschn. 1.2.3 Wetterfeste Stähle, S. 289

2.3.4 Nicht rostende Stähle

☞ Kap. IV-3, Abschn. 1.2.4 Nicht rostende Stähle, S. 289

Verschiedene Metalle (Aluminium, Blei, Kupfer und Zink) bilden unter atmosphärischen Bedingungen Passivschichten, die ähnliche Qualitäten wie ein Schutzanstrich erreichen können ( 26). Baustähle, die eine passive Oberfläche ausbilden, werden allgemein als wetterfeste Stähle bezeichnet und bei normaler Witterungsbeanspruchung verwendet. Die Resistenz ergibt sich aus einem relativ hohen Kupferanteil. Sie bilden an der Atmosphäre eine oxidische Deckschicht aus. In den ersten Jahren muss der Rostablauf auf andere Bauteile beachtet werden (übliche Handelsnamen bei Stahl: COR-TEN ®, Resista ®) ( 27) (☞). Bei großer Korrosionsgefahr bzw. hohen Ansprüchen an Dauerhaftigkeit werden hochlegierte Chrom-Nickel-Stähle und ChromNickel-Molybdän-Stähle verwendet. An der Oberfläche entsteht mit der Reaktion von Sauerstoff Chromoxid, das einen schützeneden Film über der Stahloberfläche ausbildet (übliche Handelsnamen: V2A ®, Nirosta®) ( 28, 29) (☞). • nicht rostender Stahl wird im Bauwesen bei hoher Korrosionsbelastung und unzugänglichen Bauteilen eingesetzt • hohe Material-, aber geringe Instandhaltungskosten • sehr dauerhafte Korrosionsschutzmaßnahme

2.3.5 Kathodischer Schutz

Schutzmaßnahme für Behälter, Rohre und Brückenteile, die teilweise nicht mehr zugänglich sind. Durch die Anordnung von Opferanoden wird gewährleistet, dass sich das zu schützende Bauwerk im kathodischen Bereich befindet. Die Opferanode muss nach deren Auflösung periodisch ersetzt werden.2 • Schutz von unzugänglichen Fehlstellen möglich. • regelmäßige Wartung notwendig, Opferanoden oder Gleichstromquellen müssen leicht zugänglich sein.

6. Dauerhaftigkeit

28, 29 Max-Eyth-Steg in Stuttgart: Beispiel für den Einsatz von nicht rostendem Stahl im Brückenbau.

631

26 Oxidiertes Kupfer.

27 COR-TEN-Stahl (voroxidierte Stahlbleche) als Fassadenverkleidung.

632

3.

V Funktionen

Korrosion im Stahlbeton ☞ Kap. III-1, Abschn. 9.1.2 Künstliches Gestein > hydraulische Bindemittel, S. 100 sowie Kap. III-7, Abschn. 5. Dauerhaftigkeit, S. 195

& Innenministerium des Landes Baden-Württemberg (Hg.) (1990) „Eisen rostet - Informationen für Bauherren, Architekten und Ingenieure“ Nürnberger, Ulf: „Korrosion“

Im Normalfall sind die in Beton eingebetteten Stahleinlagen ausgezeichnet gegen Korrosion geschützt. Durch das im Porenwasser des Betons gelöste Calcium-Hydroxid Ca(OH)2 entsteht ein alkalisches Milieu (pH-Wert: 12,5 - 13,5) ( ☞). Dieses bewirkt auf den Stahloberflächen der Bewehrung die Bildung einer dünnen Passivschicht aus Eisenoxid, welche die weitere Korrosion verhindert. Die Bewehrung im Stahlbeton kann aber dann korrodieren, wenn die sie umgebende Passivschicht bereichsweise aufgelöst wird. Folgende Gründe können hier ausschlaggebend sein: • Carbonatisierung • Chlorideinwirkung • Rissbildung

3.1

Carbonatisierung

Kohlendioxid aus der Atmosphäre wird über die Poren des Betons aufgenommen und verbindet sich mit Porenwasser gelösten Calciumhydroxid zu unlöslichem Calciumcarbonat (Carbonatisierung des Betons) Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

31 Randabstandshalter im Stahlbetonbau.

32 Stützenfußpunkt einer Stahlbetonstütze, durch die Volumenvergrößerung des Stahls infolge Korrosion wurde die äußere Betonschale abgesprengt.

Calciumhydroxid und Kohlendioxid ergeben Calciumcarbonat und Wasser. ( 30) Carbonatisierte Betonbereiche haben einen pH-Wert von nur noch 8 - 9. Erreicht die Carbonatisierung die Stahleinlage, wird die Passivschicht zerstört, es tritt eine gleichmäßig flächige Korrosion ein. Da die Korrosionsprodukte ein viel größeres Volumen als das ursprüngliche Metall aufweisen, wird die Betondeckung abgesprengt ( 31-34). Der Carbonatisierungsvorgang betrifft maximal die äußeren 2,5 cm von Betonbauteilen, deshalb sollte die Betonüberdeckung von Bewehrungseinlagen heute 3-4 cm betragen (bei bewitterten Betonbauteilen).

33 Großflächige Zerstörung der Betonoberfläche an einem Verkehrsbauwerk, ursächlich durch zu geringe Bewehrungüberdeckung und Chlorideinwirkung.

6. Dauerhaftigkeit

1

633

Regen/H2O

O2

Regen/H2O

O2

34 Carbonatisierungstiefe im Betonbau.

H2O + CO2

Porenwasser (Elektrolyt) Kathode

2

carbonatisierter Bereich

Bewehrung (Betonstahl)

3

Kathode

Anode

Carbonatisierter Betonbereich Atmosphäre

carbonatisierter Bereich

30 Fortschreitende Carbonatisierung und Betonstahlkorrosion in Einzelschritten.

30 (Detail) Schemadarstellung Betonkorrosion: Der extreme Flächengegensatz von anodischen und kathodischen Teilbereichen führt zu einem schnellen Fortschreiten der Korrosion.

634

V Funktionen

3.2

Chlorideinwirkung

In den letzten Jahren gab es vor allem durch chloridhaltige Tausalze schwere Schäden an Brücken- und Verkehrsbauten. Wenn an der Stahloberfläche ein kritischer Chloridgehalt überschritten wird, können Chloride lokal die Passivschicht von Stahl zerstören,- der Stahl wird durch Korrosion angegriffen. Da die weiterhin alkalische Umgebung passiviert bleibt, aber eine große Kathode ausbildet, führt dies zur Lochkorrosion mit rascher Eisenauflösung ( 35).

3.3

Rissbildung

Insbesondere zugbeanspruchter Beton weist in der Regel kleine Risse auf ( ☞). Der Bewehrungsstahl korrodiert in solchen Rissen erst, wenn die Carbonatisierung des Betons bis zum Stahl vorgedrungen ist oder eine Chloridbelastung vorliegt. Naturgemäß schreitet die Carbonatisierung im Bereich von Rissufern sehr viel schneller voran und führt mit der Korrosion zu den typischen Rostfahnen, die aus den Rissen austreten ( 36).

☞ Kap. III-7, Abschn. 2. Mechanische Eigenschaften, S. 192

35 Beispiel zur Chlorideinwirkung auf Stahlbetonbauteile. 36 Beispiel zur Rissbildung und Korrosion im Riss.

3.4

Instandsetzung von Beton

( 37-41) • Sandstrahlen und Entrosten der freigelegten Bewehrung und des Betonuntergrundes • Aufbringen eines Epoxidharzanstriches als Korrosionsschutz auf die Bewehrung • Aufziehen einer vollflächigen Haftbrücke auf die Flanken der Betonbruchstelle • Ausbessern der Schadstelle mit Reparaturmörtel • evtl. Feinspachteln der Oberfläche als Haftbrücke für eine Imprägnierung oder Beschichtung • evtl. Imprägnieren oder Beschichten der Oberfläche

6. Dauerhaftigkeit

635

37 Freilegen der korrodierten Bewehrung. 38 Reinigen der Schadstellen.

39 Sandstrahlen und Entrosten der Bewehrung. 40 Aufbringen eines Korrosionsschutzanstrichs aus Epoxydharz und einer Haftbrücke für den Reparaturmörtel.

41 Ausbessern/Auffüllen der Schadstelle mit Reparaturmörtel.

636

4.

V Funktionen

Holzschutzmaßnahmen & Herzog, Th.; Natterer, J. ; Volz, M.: (1991) „Holzbau Atlas Zwei“, S. 58-61

Holz als organischer Baustoff muss vor atmosphärischen Einwirkungen geschützt werden, die es ansonsten in der Folge schädigen oder langfristig zerstören würden. Dies sind vor allem: Sonne, Wind , Wasser, aber auch Einwirkungen aus metallischen Bauteilen und Chemikalien. Zielsetzung sämtlicher Holzschutzmaßnahmen ist: • die Vermeidung von Feuchteanreicherung, • die Verzögerung der Feuchteaufnahme bzw. Belüften zur Feuchteabgabe, • die Verminderung der Volumenänderungen durch Quellen und Schwinden, • Schutzmaßnahmen gegen Pilz- und Insektenbefall, die zu Fäulnis und Holzzerstörung führen ( 42-44), und insgesamt: Erhöhung der Dauerhaftigkeit des Bauholzes als Summe von holzschützenden Einzelmaßnahmen!

4.1

Vorbeugende Schutzmaßnahmen

& DIN 68800-1 bis -5

Der Holzschutz im Hochbau ist in der DIN 68800 geregelt. Unterschieden werden: • Materialgerechte Verwendung von Holz und Verbindungsmitteln • Organisatorischer Holzschutz • Baulich-konstruktiver Holzschutz • Chemischer Holzschutz • Biologischer Holzschutz

4.1.1 Materialgerechte Holz- und Verbindungsmittelverwendung

Bedeutet die Auswahl geeigneter Holzarten und Hilfsstoffe unter Berücksichtigung ihrer Materialeigenschaften. Beispiele:

& Natürliche Dauerhaftigkeit verschiedener Holzarten in DIN 68364 und DIN EN 350-2

• Verwendung von Holzarten mit günstigen mechanischen Eigenschaften und erhöhter Resistenz – z. B. das Kernholz der meisten Tropenhölzer. • Berücksichtigung von Feuchtegehalt von Holz und späterem Umgebungsmilieu und der Feuchteaufnahmebereitschaft ( 45) • Vermeiden wassergefährdeter horizontaler Hirnholzflächen

6. Dauerhaftigkeit

637

• Schützen von Hirnholzflächen – z. B. durch Abschrägen oder Abdecken. • Entlastungsnuten zur Verminderung von Schwind- und Quellspannungen. • Planung der Formgebung von Bauteilen unter Berücksichtigung von Anisotropie oder Jahresringverlauf. 42 Holzbefall durch echten Hausschwamm.

43 Typisches Wachstum von Blättlingen aus Trockenrissen.

45 Nass verbaute Balken mit extremer Rissbildung.

Das Koordinieren der Be- und Verarbeitungsstufen des Holzes, Vermeiden von Feuchtigkeitsanreicherungen während des Transports, der Lagerung und des Einbaus ( 45) sind in der Bauphase wichtige Beiträge zur Ausbildung dauerhafter Holzkonstruktionen. Beispiele: • richtige Lagerhaltungsmaßnahmen – abgelöst vom Boden und mit einer Abdeckung gegen Feuchtigkeit und UV-Strahlung. • Abdecken von Holzschalung durch Folienbahnen durch die Zimmerleute nach der Ausführung der Zimmerarbeiten. • Vermeidung von Kondensatbildung innerhalb diffusionsdichter Verpackungen aus Kunststofffolien. • Schutz vor Baufeuchte aus Beton, Mauerwerk, Mörtel oder Putz durch Sperrschichten oder adäquate Terminkoordination.

44 Holzbockkäfer (Hausbock od. Holzbock).

4.1.2 Organisatorischer Holzschutz

638

V Funktionen

4.1.3 Baulich-konstruktiver Holzschutz

Der baulich-konstruktive Holzschutz ist außerordentlich vielseitig ( 46-48). Geeignete Maßnahmen wurden über Jahrhunderte erfolgreich angewendet. Es handelt sich um eine Fülle teilweise altbekannter Einzelmaßnahmen, die um moderne Schutz- und Hygienemaßnahmen ergänzt wurden.3

& Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg (Hg.) (1994) "Holzschutz-Informationen für Architekten, Bauherren und Ingenieure"

Zu einem Holzbau in Böningen, Schweiz ( 46) heißt es: ...Um das Gebäude gegen die Bodenfeuchtigkeit zu schützen, ist es vom Boden abgehoben und nur durch einzelne Pfosten unterstützt; das Dach ist mit Schindeln bedeckt; und diese sind durch große Steine gegen das Abheben durch Stürme gesichert... 4

Beispiele: • Schutz gegen Niederschläge und Spritzwasser durch überstehende/auskragende Dächer ( 49, 50) 46 Käsespeicher in traditioneller Holzbauweise.

• schnelles Ableiten von Wasser durch geneigte Oberflächen, Tropfkanten, Wasserspeier etc. ( 51) • Schutz gegen Feuchteleitung aus dem Wasser, Erdreich oder angrenzenden Baustoffen durch die Anordnung von Sperrschichten (Früher: Steinebenen, Bleibleche/Heute: Sperrbahnen) • Schutz gegen Tauwasserbildung im Bauteil durch Wahl einer nicht tauwassergefährdeten Konstruktion, geeignete Schichtenfolge ggf. raumseitige Dampfbremse, -sperre

47 Traditionelle Fußpunktausbildung: Walliser Speichergebäude (links); Holzstütze, Japan (rechts)

• Schutz der Holzoberfläche vor UV-Stahlung ( 52, 53) • Hinterlüften von Verschalungen ( 54) • Anordnen von Insektenschutzgittern • richtiger Gebäudebetrieb: Lüften und Beheizen von Innenräumen

48 Moderne Ausbildung eines Stützenfusses mit 15 cm Spritzwasserfreiheit.

49 Traditionelle Holzbrücke im Ötztal mit einem geneigten Dach zum Schutz der eigentlichen Brückenkonstruktion vor Bewitterung.

6. Dauerhaftigkeit

639

50 Grobgutlagerhalle mit einem weit auskragenden Dach als maßgebliche konstruktive Schutzmaßnahme der empfindlichen Holzfassade.

53 Durch Bewitterung und UV-Strahlung partiell vergraute Holzfassade eines Wohnbaus.

51 Abdeckung/Schutz von Hirnholzflächen.

52 Vergraute Holzschindeln bei einer Scheune mit traditioneller Holzschindeldeckung. Die UV-Strahlung zersetzt das Lignin im Holz und führt langfristig zu Vergrauung, Rissebildung, Durchfeuchtung und Zerstörung.

54 Hinterlüftungsbereich mit Unterkonstruktion und Wetterhaut aus Holzschindeln. Holzschalungen sind grundsätzlich zu hinterlüften, wenn die Gefahr eines Wasserdurchtritts durch die Schalung besteht.

640

V Funktionen

4.1.5 Chemischer Holzschutz

Anwendung von chemischen Holzschutzmitteln zum vorbeugenden Schutz vor Pilz- und Insektenbefall. Diese sollen verhindern, dass Pilze und Insekten in das Holz eindringen und das Holz als Nahrung oder Wachstumsgrundlage verwenden und somit zerstören. Es handelt sich dabei durchweg um biozide Verbindungen (von griech. bios = Leben und lat. occidere = töten)



Chemische Holzschutzmittel sind aus einem oder mehreren bioziden Wirkstoffen und einem sog. Transportmittel aufgebaut (wasseroder lösemittelhaltig). Weitere Zusatzstoffe können enthalten sein (Farbpigmente, Korrosionsschutz etc.). Es wird immer darauf hingewiesen, dass vor dem Einsatz chemischer Holzschutzmittel die breite Palette baulich-konstruktiver Holzschutzmaßnahmen auszuschöpfen ist. Die Problematik des chemischen Holzschutzes liegt in der Eingrenzung der Wirkung der Biozide auf die sog. Zielorganismen, also die Holzschädlinge. Unerwünschte Nebenwirkungen können auch die sog. Nicht-Zielorganismen, wie Tiere oder den Menschen, treffen. Erfahrungen der letzten 30 Jahre haben zu einer Sensibilisierung und erhöhten Vorsicht im Umgang mit chemischen Holzschutzmitteln geführt. Die Anwendung ist heute exakt festgeschrieben und eingegrenzt, Einbringverfahren genau auf Notwendigkeit (Art und Schwere des Befalls) und Anwenderkreis (Heimwerker, Fachfirma) abgestimmt.



• Holzschutzmittel

Man unterscheidet: • wasserlösliche bzw. wasserbasierte Holzschutzmittel: Überwiegend anorganische, aber auch organische Mittel, die mithilfe von Wasser in das Holz eingebracht werden. Sie werden bei frischem, halbtrockenem und trockenem Holz verwendet und stellen eine einfache und kostengünstige Maßnahme des chemischen Holzschutzes dar. Es werden unterschieden: •• nicht fixierende Salze (hier Bor- und Flurverbindungen): Diese bleiben wasserlöslich, das Holz darf daher weder in der Phase der Herstellung noch nach der konstruktiven Anwendung befeuchtet werden. •• fixierende Salze: Sie sind für eine spätere direkte Befeuchtung geeignet, können also auch bei Außenbauteilen eingesetzt werden. Allen Salzen kann ein Farbstoff zugesetzt werden, damit die Schutzbehandlung nach außen erkennbar wird. • Holzschutzmittel auf öliger Basis: Missverständliche Bezeichnung für meist organische Holzschutzmittel, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sind. Sie werden bei trockenem und

6. Dauerhaftigkeit

641

halbtrockenem Holz verwendet. Ölige Holzschutzmittel können auch als Anstrichmittel verwendet werden. Folgende Einbringverfahren von Holzschutzmitteln können unterschieden werden: • Druckimprägnierung



• Einbringen von Holzschutzmitteln



• Tauchimprägnierung • Oberflächenbehandlung Einbringmenge und -tiefe des Holzschutzmittels in das Bauteil unterscheiden sich nach angewandten Verfahren und Holzsorte. Splintholz ist aufnahmefähiger als Kernholz, Fichtenholz und Douglasie sind schwer tränkbar, nasses Holz kann nicht mit öligen Holzschutzmitteln behandelt werden. Verfahren: Kesseldrucktränkung, Vakuumtränkung: Das Holzschutzmittel wird durch Druckgefälle in das Holzbauteil eingebracht. Kernholz wird im Randbereich durchtränkt, Splintholz kann je nach Verfahren auch vollständig durchtränkt werden. Aufwändiges Verfahren, das sich aber insbesondere für schwer zu behandelnde Holzarten eignet (z. B. Fichtenholz). Holzbauteile, die in dauerndem Kontakt mit Erde oder Wasser stehen, müssen mit diesem Verfahren imprägniert werden. Kesseldruckimprägnierungen können nur von speziell ausgestatteten Imprägnierbetrieben durchgeführt werden.



• Kesseldruckimprägnierung

Verfahren: Tauchimprägnierung, T. i. im Langzeitverfahren: Schnittholz wird in Bündeln über mehrere Stunden oder sogar Tage in Trogtränkanlagen mit der Holzschutzmittellösung gelegt. Eine Eindringtiefe von mehreren Millimetern bis zu mehreren Zentimetern kann dabei erreicht werden.



• Tauchimprägnierung

Verfahren: Kurzzeitiges Tauchen, Spritzen oder Streichen: Das Holzschutzmittel dringt maximal nur wenige Millimeter in das Holzbauteil ein. Eine einfache Maßnahme, bei der lediglich die Oberfläche mit Holzschutzmittel behandelt wird.



• Oberflächenbehandlung

Das Anstreichen von Holzoberflächen stellt eine weitere Form der Oberflächenbehandlung dar. Es muss nach dem Zweck der Maßnahme unterschieden werden:



• Anstrich von Holzoberflächen

• Ein deckender Anstrich – z. B. mit einem Kunststofflack – hat auch einen gestalterischen Zweck und schützt das Holz vor Vergrauung und direkter Bewitterung, womit freilich auch ein Schutz des Holzes vor Schädlingsbefall erreicht wird, wenngleich keine direkten Schutzmittel gegen Schädlinge aufgebracht wurden.



642

V Funktionen



• Anstriche können auch eine kombinierte Schutzfunktion gegen Bewitterung und Schädlingsbefall aufweisen. Hierfür werden Holzschutzgrundierungen und Holzschutzlasuren verwendet.

4.1.5 Biologischer Holzschutz

Einsatz natürlicher Feinde oder Lockstoffe. Schutzmaßnahmen oder Präparate, von denen angenommen wird, dass sie das Wohlbefinden des Menschen nicht beeinträchtigen. Diese Maßnahmen sind oftmals nur bedingt wirksam, bzw. zur wirklichen dauerhaften Abwehr von Holzschädlingen an gefährdeten Bauteilen ungeeignet. Beispiel: Wachsen von Holzoberflächen mit Bienenwachs, Bestreichen mit Holzessig.



Anmerkungen

1 2 3 4

Zitat aus Innenministerium BW (1990) Eisen rostet, S. 35 Innenministerium BW (1990) Eisen rostet, S. 48 ff Herzog et al. (1991) Holzbauatlas Zwei, S. 58-61; auch Frick et al. (1992) Baukonstruktionslehre Teil 1, S. 566 Zitat und  46 aus: Warth (1900) Die Konstruktion in Holz, S. 68 und Tafel 9

ANHANG

INDEX



LITERATURVERZEICHNIS BILDNACHWEIS

644

Anhang

A a siehe Wärmedehnzahl A-Schallpegel siehe bewerteter Schallpegel Abbinden 144 Abbindewärme 102 Abbranddicke 583, 596 Abdichtung siehe Sperrbahn Abmessung siehe Maß Abplatzen 124, 129 Abschrecken 176, 182 Absorptionsfläche 566 Abstandshalter 522 Abstrahleffekt 572 abwehrender Brandschutz 580 Achssystem 60, 65, 66 Achtelmeter 53, 55 Acrylglas siehe Polymethylmethacrylat addierte Funktionsschale 574 Adhäsion 142, 146 Adobe 192 Adsorption 96, 110 Aerogele 324, 326, 328 Akustik 339, 360 Aluminiumoxid 92, 100 amorph 620 amorphe Struktur 88 Amplitude 550, 551 Anatomie 50 Anhydrit 100 Anisotropie 94, 104, 123 Anmachwasser 98f, 101f Anode 622-624 Anstrich 641 äquivalenter bewerteter Norm-Trittschallpegel 568 Aramid 136, 202, 215, 222 Arbeitsfuge 30 Arbeitsteilung 30 aromatisches Polyamid siehe Aramid Aspdin 154 Atom 80, 86, 92f, 113, 129 Atombindung siehe kovalente Bindung Atomgitter 620 Atomhülle 80f, 85 Atomkern 80 Atomrumpf siehe Ion Aufgabenteilung 25 aufgehende Hüllbauteile siehe nicht erdberührte Hüllbauteile Auflager 370-374, 394, 396, 400-445, 460, 491 Auflast 139, 146, 150f, 367-370, 392, 452, 464, 468, 491 Ausarbeiten 8 Ausbaumaß 53 Ausbeulen 480 siehe auch Beulen Ausdruckskraft 20f Ausführungsplanung 3 Ausknicken 446f, 474-479, 486-489 siehe auch Knicken Auskragung 394, 430-435 Auskreuzung 480 Außenbauteil 349

Außenhülle siehe hier: Hülle Außenlärm 550 Außenwand siehe hier: Hülle äußere Belastung 363, 367-370, 394, 396, 400-412, 416, 420-426, 430-435 äußere Hülle siehe hier: Hülle Aussteifung 10, 186f, 278, 312, 353, 474, 478-482, 494, 594, 598 Automatisierung 36, 40, 44 Avogadro-Zahl 80 axiale Belastung 119, 149, 166, 379-382, 376 siehe auch Belastung

B Backstein siehe Ziegelstein bauakustisch 550, 556, 558, 564, 566, 570-576 Baufeuchte 542 Bauform 4 Baufurniersperrholz siehe Sperrholz Bauhalbzeug siehe Halbzeug Baukastensystem siehe Bausystem Bauplatz siehe Baustelle Bauprinzip 19, 27-29 Baurationalisierung siehe Rationalisierung Baurecht 579, 581 Baurichtmaß 52 Baurundholz siehe hier: Holz Bauschalldämmmaß 554, 567 Baustahl 118-122 Baustein 140 Baustelle 30 Baustellenfertigung 47 Baustoffklasse 579, 586, 593, 602 Bausystem 620 Bauteil 27f, 31, 33 Bauteilbezug 60, 62 Achsbezug 60-63 Grenzbezug 60-63 Mittellage 61f Randlage 60f Bauteilfuge siehe Fuge Bauweise 1, 11, 15 Bauwirtschaft 36 Beanspruchung 374-390, 447, 460, 466, 480, 482, 490, 506 Befestigung 382, 480, 486 Behauen 140 Belastung 367-370, 371-374, 378-383, 390416, 420-435, 447, 450, 458f, 464, 466, 476, 482-494, 504, 506 Beleuchtung 345, 348 Belichtung 345 Belüftung 127 Benetzung 110 Bergersches Massengesetz 556 Beschichtung 524f, 589 Bessemerkonverter 286 Beständigkeit 90f, 106 Beton 92, 94, 98, 102, 114-123, 126, 129, 154-160, 450f, 495 Abstandshalter 193 Armierung siehe Bewehrung

Betondeckung siehe Betonüberdeckung Betonüberdeckung 195f, 341, 620 Betonverdichtung 620 bewehrter Beton 620 Bewehrung 620 Faserbeton 191, 204 Glasfaserbeton 191, 200-202 glasfasermodifizierter Beton 191, 200 Hochleistungsbeton 191, 198-200 kunststofffasermodifizierter Beton 191, 200, 204 Mindestüberdeckung 193 siehe auch Betonüberdeckung Rissbreite 203 Stahlfaserbeton 191, 200-203 stahlfaserverstärkter Beton 200 textilbewehrter Beton 191, 200-202 ultrahochfester Beton 199 Betonstahl 285, 300f Betonstabstahl 300f Betonstahlfasern 285, 300f Betonstahlmatten 300f Bewehrungsdraht 300f Profilierung 193 Stahlbetonmatten 301 Betonsteine 240, 252f Hohlblöcke aus Beton 252 Vollblöcke aus Beton 252 Vollsteine aus Beton 252 Vormauersteine aus Beton 252 Beulen 282, 446, 480, 499 bewegliche Systeme 363, 380, 500 bewegte Luftschicht 511 siehe auch Hinterlüftung bewehrt 154f bewehrter Beton siehe hier: Beton Bewehrung 192-196, 200-202, 207, 209, 451 Schlaufenbewehrung 193 Schwindbewehrung 193f bewerteter Norm-Trittschallpegel 568 bewerteter Schallpegel 554 bewertetes Bauschalldämmmaß 554 bewertetes Schalldämmmaß 554 bewertetes Trittschall-Verbesserungsmaß 568 Biegedruckspannung 166, 188, 193, 377, 380, 450, 466, 484, 498-500, 614 Biegeknicken 486f Biegelinie 394, 398, 400, 412, 416, 424-433 Biegemoment siehe Moment biegesteife Systeme 363, 380 Biegezugspannung 377, 380, 466, siehe auch Biegedruckspannung Biegung 376f, 379-381, 383-390, 432-435, 446, 450-453, 460-462, 466f, 471, 478f, 482f, 486, 488-490, 494f, 502 Biegung zweiachsig 322, 432-434, 450452, 460, 468, 486-498, 588, 617 siehe auch System ungerichtet Bindemittel 86, 90, 94, 98, 100 Binderverband siehe Kopfverband Bindungsart 86 Blendschutz 345

Index

Blockverband 56f Boden 388 Bodenmechanik 112 Bogen 363, 408f, 468, 470 Bogenstich 408 Borke 164 Brand 81, 128f, 580-588 Brandabschottung 590, 594 Brandbeanspruchung 587 Brandlast 128f, 583 Brandschutz 580-617 abwehrende Maßnahmen 580 Achsabstand 590, 592 Bekleidung 584, 589, 598, 602, 604-607 Bemessung 589, 598 Kühlung 589 vorbeugende Maßnahmen 580-582 Brandschutzmaterial 584, 610, 612 Brandverhalten 114, 128, 579-584, 587 Brandversuch 585 Brandzeit 129 Branntkalk 98 brennbare Baustoffe 582 Brennbarkeit 128, 581, 583 Brennen 144 Bretterschalung 460 Bronze 174 Bruch 77, 81, 85f, 122f, 378f Bruchspannung 378 Ermüdungsbruch 122 Trennbruch 120-123 Verformungsbruch 122 Bruchfläche 122f Bruchgrenze 177, 184 Bruchspannung 149 Bruchsteinmauerwerk 138f Bündel siehe Seil Butylkautschuk siehe Polyisobutylen

C CAD 45f CAD/CAM 45f siehe auch CNC Calciumcarbonat 98, 632 siehe auch Kalkstein Calciumoxid 96, 98, 100 Calciumsilicathydrat 102 Calciumsulfathydrat 100 Carbonatisierung 98f, 101, 126, 619, 632634 Celluloid 106 Cellulose 90, 106 chemische Bindung 80 chemischer Aufbau 78 Chinesische Mauer 151 Chlorideinwirkung 619, 632, 634 Chlorophyll 90 CNC 45 siehe auch CAD/CAM Coulombsche Kraft 85 Curtain Wall 308

645

D Dach 26, 135, 251, 271, 276, 280, 293, 296, 333, 340, 342, 352, 356, 362, 472, 506, 511, 518, 520, 526, 528, 538540, 602-608, 610, 638 Dämmstoff 230, 234, 236, 325-327, 333, 335, 528, 532, 534, 558-560, 566, 572, 601, 603 Dampf siehe Wasserdampf Dampfdiffusion 358, 508, 511, 515f, 524, 530, 532, 540, 542 Dampfdruckausgleichsschicht 620 Dampfdruckgefälle 349, 358 Dampffalle 509, 518, 526, 548 Dauerhaftigkeit 132, 134, 619f, 626, 630, 632, 636 Decke 10, 13, 16, 22f, 27, 34, 50, 135, 163, 261, 247, 275, 279-281, 291, 194, 308, 314, 322, 344, 346, 352, 360, 364, 366f, 450, 466-469, 471, 489, 528, 558, 564-575, 586, 592f, 596, 600, 602, 607-616 Deckenscheibe 450, 466 Dehnung 114, 116, 407, 410 Diagenese 94 Diagonalstab 480 Diagonalverband 476, 479, 482, 489 siehe auch Auskreuzung Diagonalversteifung 481, 489 siehe auch Auskreuzung Dicalciumsilicat 101 Dichtigkeit 47, 99, 132, 143, 158, 314, 508-511, 515, 518, 522, 526-530, 536-540, 544, 574, 597, 601, 603 Dichtprinzip 513, 544 Differenzialbauweise siehe Differenzialprinzip Differenzialprinzip 28f, 68, 184-188 Differenzierung 24-27, 30, 38, 42, 44 digital 35, 45 Dimensionierung 366, 370, 380, 383 Dipol 84 Direktreduktionsverfahren 287 Doppelmembrane 382, 501 Doppelstegplatte 335 Dränplatte 542f Dreifeldträger 363, 402, 405 Dreigelenkrahmen 363, 416, 419 dreiseitig beflammt 592, 602, 605 Drillverformung 452-455 Druck 377-389, 406, 408, 420-422, 450f, 458-465, 468, 470, 474f, 478, 480, 484, 488, 498 Druckbeanspruchung 376, 446, 459, 463, 479, 480, 484 Druckdifferenz 382, 500 Druckfestigkeit 119, 123, 144f, 149-152, 167, 182, 193, 199, 209, 212, 214, 232, 242f, 247, 258, 450 Druckgurt 484f Druckspannung 26f, 139, 141, 149, 318, 376, 382, 466, 599 Druckstab 363, 376f, 406 drückendes Wasser 354, 540

Druckfestigkeit siehe hier: Druck Druckimprägnierung 641 Druckspannung siehe hier: Druck Duktilität 134, 176, 186 Dünnbettmörtel 239, 244, 246, 249, 251, 256-259 Durchfeuchtung 526 Durchwärmungsgeschwindigkeit 604 Duromer 108, 110f, 212, 335f Duroplast siehe Duromer dynamische Steifigkeit 570

E E-Modul siehe Elastizitätsmodul Ebene 367-375, 386, 392-396, 400, 402, 408-412, 416, 432-434, 464, 466, 476-479, 489-495, 500-504 Edelgaskonfiguration 82, 84f Eigenfrequenz siehe Resonanzfrequenz Eigengewicht siehe Eigenlast Eigenlast 139, 146, 151, 364, 392f, 421, 469, 472, 498 Einfachmembrane 382 Einfeldträger 363, 394-404, 412, 416 Einhüllen 24f Einlagerungsmischkristall 175 Einscheibensicherheitsglas siehe hier: Glas einseitige Brandbeanspruchung 580f, 583592, 596, 598, 604-608, 615 Einspannung 400, 420-426, 435, 446, 464f, 468, 489, 491 einstufige Dichtung 508 Einzahlwert 554, 568f Einzelanfertigung 42 Einzelfunktion 19, 25 Einzellast 368, 375, 381, 393, 406f, 461, 474-476, 486-488, 503 Einzelmaß 52 Eis 86f, 117-119 Eisen 40, 119f, 135, 154, 174-176, 268, 286f, 296 Eisengewinnung 286 Eisenoxid 100, 177, 179, 243, 632 elastisch 99, 110, 114 Elastizitätsgrenze 119, 183 Elastizitätsmodul 91, 114f, 149, 183, 195, 274, 446 siehe auch jeweils unter Kennwerten elektrische Leitfähigkeit 86 Elektrizität 40 Elektrolyt 126 Elektronegativität 84, 90 Elektronengas 85-87, 123 Elektronenpaarbindung siehe kovalente Bindung Elektrostahlverfahren 287 Element (chem.) 80-82 Elementarzelle 89, 92, 119, 121 Elementfuge siehe Fuge Empfangsraum (akustisch) 550, 554, 562, 568 endotherm 94, 98, 102 Energieverbrauch 94

646

Anhang

Entflechtung 46, 64, 66, 511 Entwerfen 1, 4, 8, 9 siehe auch Entwurf Entwicklungsstand siehe Entwicklungsstufe Entwicklungsstufe 36 Entwurf 4, 6, 8-10, 13, 15, 21, 44, 50, 60, 133-135, 308, 620 siehe auch Entwerfen Entwurfsidee 13 erdberührte Hüllbauteile 356, 358 Erddruck 350, 352f Erdöl 40 Erdreich 346, 354-358 Erfindungsgabe 17 Ermüdung 120 Ersatztechnologie 36 Ersatzwert 149 Erscheinungsbild 132 Erstarren 82, 88, 92, 104 Erstarrungspunkt 88 Erwärmen 116 ESG siehe Einscheibensicherheitsglas Ester 212 Ethen siehe Ethylen Ethylen 212, 216, 218 Euler 446f, 464, 476 exotherm 95, 98, 102, 248, 250 expandierter Polystyrolhartschaum 332 Experimentierfreude 13, 17 externe Belastung siehe äußere Belastung extrudierter Polystyrolhartschaum 332 Exzentrizität 475, 478, 480

F Fachwerk 46, 186, 188, 606, 620 Fachwerkkonstruktion 188, 262 Fadenmolekül siehe Kettenmolekül Faser 92, 106, 122f, 133, 136, 162f, 165f, 169, 171, 175, 200-204, 192, 198, 209, 223, 230, 258, 268, 270-280, 300-303, 334-336, 379, 459, 536, 560, 600-602 Faserrichtung 166-168 Fäule 163f federweich 559 Federwirkung 553, 570 Fehlstelle siehe Gitterbaufehler Feinblech 290 Feinstblech 290 Feld 394-398, 486 Feldmitte 394, 412, 416, 428-433, 476, 486 Feldmoment 396, 398, 400- 404, 412, 416 Feldspat 96, 98 Fernordnung 85-90, 118 Fertigung 2, 8, 13 Fertigungsgerechtigkeit 343 Fertigungsstätte siehe Werk Fertigungsverfahren 2 Feststoff 81, 88, 96, 104, 112 Feuchtemilieu 126 Feuer 91 siehe auch Brand feuerbeständig 585 feuerhemmend 585

Feuerverzinkung 628-630 Feuerwiderstandsdauer 585-589, 594, 597, 602, 604 Feuerwiderstandsklasse 579, 585f, 592-596, 610-617 Fibrillenbündel 164f Filtervlies 542f flächenbezogene Masse 555-559, 564 Flächenlast 363, 368f, 393, 421, 424-445, 453, 469, 483-487, 491, 498, 500, 504 Flächenmoment siehe Flächenmoment 2. Ordnung Flächenmoment 2. Ordnung 381, 446, 474, 478, 484 Flacherzeugnisse 285, 290 Fladerung 163 flankierende Bauteile 553, 560, 564, 572 Flexibilität 22, 50 Fließen 119, 181, 183f, 187, 194, 206f Fließgrenze 183 Floatglas 309-311, 316, 318 Flugschnee 354 Form 20, 24, 30, 33, 363, 366, 370, 374383, 390, 396-404, 410, 458, 479, 485, 488 Formstabilität 177, 183 freies Wasser 112, 115, 117 Frequenz 550f, 554-557, 559 Frischherd 174 Frühholz 106 Fügen 2, 27, 47, 68, 138, 197 Fuge 138-141, 145f, 458-466, 469-471 Fügung siehe Fügen Funktion 6, 13, 15f, 20-31, 45f, 50, 60, 64, 78, 91, 106, 124, 132, 142, 194f, 201f, 242, 250, 264, 242, 276, 278, 294, 296, 308-312, 320-324, 337, 340-362, 364-367, 383, 390, 448, 460, 468, 474, 482, 499-503, 508-546, 550-575, 584f, 595-601, 620, 642 Funktionsschale 574 Funktionszuweisung 25

G g-Wert siehe Gesamtenergiedurchlassgrad Gas 82 Gasbetonsteine siehe Porenbetonsteine Gasdruckgefälle 80 Gebäudeaussteifung siehe Aussteifung Gebäudekonzept 20 Gebäudenutzung 24 siehe auch Nutzung Gebäudetechnik 25 siehe auch Ver- und Entsorgungssystem gebäudetechnische Ausstattung siehe Verund Entsorgungssystem Gebrauchstauglichkeit 78, 80f, 364, 381, 504 Gefüge 86-90, 98, 101, 106, 110, 118, 130 siehe auch Materialgefüge unter Material Gelenk 394, 396, 400, 402, 412, 416, 428,

430 Generalist 14 Geometrie 3, 8, 10 gerichtetes System siehe System gerichtet gerichtetes Tragwerk siehe System gerichtet Gerippe 482 Gesamtenergiedurchlassgrad  311-315 Gestaltkonzept 13 Gestaltungskodex 11 Gestein 77, 86, 92-103 Gewerk 30f, 53 Gewölbe 383, 464, 470 Gießharz 576 Gips 94, 100 Baugips 100 Chemiegips 100 Naturgips 100 Gipskarton-Feuerschutzplatte 606 Gitterbaufehler 89, 119 Gitterrost siehe Trägerrost Glas 40, 310 Aufschließen 228 Basisglas 310, 312, 318 Betonglas 307, 322 Bruchwahrscheinlichkeit 232 Designglas 310 Drahtglas 307, 310, 316-319 Einscheibensicherheitsglas (ESG) 123, 233, 316, 318f elektrooptische Gläser 326 Floatglas 309-311, 316, 318 Floatverfahren 228 Füllung mit Edelgasen 313 Gussglas 310, 315, 318 Isolierglas 307, 312 Isolierverglasung mit Lichtumlenkung 315 lineare Lagerung 234 Normalglas 230f, 233 Profilglas 310 punktuelle Lagerung 234 Resttragfähigkeit 235 Rohglas 310 Schallschutzglas 307, 314 Schaumglas 230f Sicherheitsglas 307, 316 Sichtschutzglas 307, 316 Sonnenschutzglas 307, 314 Spontanbruch 232 teilvorgespanntes Glas (TVG) 307, 318 thermochrome Gläser 326 thermotrope Gläser 326 U-Glas 307, 320f, 325 Vakuumverglasung 314 Verbundsicherheitsglas (VSG) 235, 307, 316-318 Wärmeschutzglas 307, 312f Glassteine, Glasbausteine 307, 322f Glaswolle 228-237 Gleichgewicht 370, 375f, 378, 384, 386, 388, 464, 502-504 Gleichgewichtsfeuchte 168 Gleitebene 117-121, 175 Gleiten 96, 104, 116-119, 122f, 130 Gleitlager 394, 396, 400, 402, 428, 430

Index

Gleitlinie siehe Translationsstreifung Gleitmodul 116 Gleitprozess siehe Gleiten Gletscher 118 Gliederung 19-24, 27, 30f Glimmer 96 Glucose 106 Glühen 176, 182 Gore-Tex 520 Granulat 382 Greifmaß 53, 55 Greimbinder 267, 282 Grenadierschicht 145 Grenzfläche 81, 110, 113, 484 Grenzfrequenz 556-559 Grobblech 290 Grobgefüge 95, 104, 123 Großgefüge siehe Grobgefüge Grundfunktion 339-346 Grundmodul 50, 53, 55, 58, 60 Gründung 458 Guss 118 siehe auch Gusswerkstoffe Gusseisen 285f 297-299 siehe auch Gusswerkstoffe Gussglas siehe hier: Glas Gusswerkstoffe 285, 297 Grauguss 297 Gusseisen mit Kugelgraphit 285, 297-299 Gusseisen mit Lamellengraphit 285, 297-299 Stahlguss 285, 297-299 Temperguss 285, 297f Gutmütigkeit 120

H Haarriss siehe Mikroriss Haftscherfestigkeit 470f Haftung (phys.) 86, 262, 337, 464, 470f, 591, 607 Haftung (rechtl.) 31 Halbzeug 29, 33, 176, 178, 188, 290, 300 Haltepunkt 88 Handarbeit 38, 45 Handwerk 36, 48 Handwerkssparte siehe Gewerk Härte 85, 101, 106, 108, 120 Hartfaserplatte 268 Haufwerk 104, 122 Hauptspannungstrajektorien 192 Haupttragrichtung 452f HEA - Träger 292 Hebelarm 499 Hersteller 30, 34 Herstellungsprozess siehe Herstellungsverfahren Herstellungsverfahren 2, 11 siehe auch Fertigungsverfahren Hierarchie 32, 34 hierarchisch geordnetes System siehe System gerichtet Hinterlüftung 324, 509, 511, 516, 520, 532-536, 639 Hintermauerung 26

647

Hirnholz 163 Hirnholzfläche 636, 637, 639 HOAI 3, 4, 5 hochfester Beton siehe Hochleistungsbeton unter Beton hochfeuerhemmend 585 Hochlochziegel 244, 246 hochmolekular siehe Polymer Hochofen 174 Hohlraumdämpfung 560, 562, 572 Holz 27, 91, 104-107, 116f, 122f, 126-129, 136, 162-172, 177, 179, 183, 186, 188f, 214, 233, 268-283, 458, 516, 556, 582f, 596, 636, 640f Balken 268, 271f, 276 Bauholz 162, 167f, 170 Brett 268 Brettschichtholz 267, 272, 276 Fällung 169 Holzbau 460 Holzwerkstoff 276 Rundholz 268-270, 276 Schnittholz 267, 270, 272, 283 Sortierung 270f Stehvermögen 168f Vollholz 276 Holzbalkendecke 601 Holzbau 38 Holzleimbauträger 267, 282f Holzschutz 619, 636, 640 baulich-konstruktiver Holzschutz 619, 636, 638 biologischer Holzschutz 619, 636, 642 chemischer Holzschutz 619, 636, 640 Holzschutzmittel 640f materialgerechte Verwendung von Holz und Verbindungsmitteln 636 organisatorischer Holzschutz 619, 636f Holzwerkstoff 116, 170, 268-283, 536, 556f, 582, 598-603 Flachpressplatte 277, 279 Furnierschichtholz 275f Furniersperrholz 267, 274f harte Holzfaserplatte 279 Holzfaserplatte 278f Holzspanwerkstoff 274 Mehrlagen-Massivholz 267, 276 Oriented Strand Board 277 poröse Holzfaserplatte 279 Schichtholz 267, 274 Spanplatte 279 Verbundwerkstoff 274 zementgebundene Flachpressplatte 279 homöopolare Bindung siehe kovalente Bindung Hookesches Gesetz 114 Hülle 22, 24f, 34 äußere Hülle 26, 36, 349, 262, 244, 274, 295, 343, 346, 350f, 360, 366, 494, 498, 504-520, 528, 530, 536-544, 560, 574 innere Hülle 360 Hüllsystem siehe Hülle Hüttensteine 239, 254

Hydratation 86, 100-102, 117 hydrophob 113, 333, 337, 510 hydrostatischer Druck 352f

I Individualisierung 179, 188 industrielle Fertigungsmethoden siehe industrielle Fertigungsverfahren industrielle Fertigungsverfahren 24, 30, 4044, 47, 68 industrielle Herstellung siehe industrielle Fertigungsverfahren industrielle Produktion siehe industrielle Fertigungsverfahren Industrielle Revolution 35f, 40 Informationstechnologie 36 Innenklima 341, 345 innere Hülle siehe hier: Hülle Instandsetzung von Beton 634 Integralbauweise siehe Integralprinzip Integralprinzip 27-30 integrierende Bauweise siehe integrierendes Prinzip integrierendes Prinzip 27 Ion 81, 85, 90, 92, 118, 123, 126, 622 Ionenbindung 77, 82, 84-86, 88, 118 Ironie 134f irreversibel (Verformung) 116f, 119 Isolierglas siehe hier: Glas Isotropie 88, 104, 143f, 155, 166, 183, 388, 448 Iteration 4, 8f Iterationsschritt siehe Iteration

J Jahresring 163, 165

K k-Wert siehe Wärmedurchgangskoeffizient Kabel siehe Seil Kalk siehe Calciumcarbonat Kalkhydrat 98 Kalknatronglas 230 Kalksandstein 239, 248f Kalkstein 94, 98, 102 siehe auch Calciumcarbonat Kaltprofilieren 180 Kaltverformung 173, 175, 180-183 Kaltwalzen 180, 290, 292 Kambium 162, 164 Kaolinit 118 Kapillarität 110 Karbonat siehe Carbonat Karbonatisierung siehe Carbonatisierung Kassette 294 Katalysator 212 Kathode 622, 624, 634 Kellersohle 507, 544f, 547 Kern 448, 499f Kernholz 162f, 168 Kessedruckimprägnierung siehe Kessel-

648

Anhang

drucktränkung Kesseldrucktränkung 641 Kettenmolekül 106, 109 Kettenstruktur 93, 104 Kevlar siehe Aramid Kippen 469, 479, 482f, 486f Klaffen 458, 460, 464, 467 Kneten 175 Knicken 381, 446, 464f, 474, 476, 499 Knickgefahr 177, 183, 446f, 478 Knicklast 446f, 464, 476f, 488 siehe auch kritische Knicklast Knoten 488-492, 497 Kohäsion 104, 117, 146 Kohle 40 Kohlendioxid 98, 100-102, 112 Kohlensäure 98 Kohlenstoff 89-91, 104, 119f, 174-176, 230, 286-289, 297f Koinzidenz-Grenzfrequenz 556, 559 Komplexität 44, 48 Komposition 21 Kondensation 82, 212f, 337, 516, 519f, 532-534, 544 Konditionierung 340, 344f Konstruieren 1, 3, 4, 8f Konstruktion 2-12, 20-23, 26, 45, 47, 68, 80, 124, 133-138, 145, 167, 177, 196, 308, 322, 342-349, 358, 365-367, 379f, 470-472, 480, 498, 508-528, 536-540, 548 Konstruktionsprinzip 11f Konstruktionsweise siehe Bauprinzip Kontakt 138, 140, 143 Kontaktkorrosion siehe hier: Korrosion Kontinuum 24, 363, 388 Konvektion 235, 313f, 325, 512-514, 522, 576 Konzipieren 6 Koordinatensystem 366f, 383 Koordination 50, 53f, 58, 64, 66, 68, 73 Koordinationsmuster 22 siehe auch Koordination Kopfverband 56 Körnung 92 Körperschall 360, 550, 552f, 566 Korrosion 79, 100, 104, 124, 126, 127, 619, 620-624, 632-634 Korrosion im Stahlbeton 619, 632 Carbonatisierung 619, 632-634 Chlorideinwirkung 619, 632, 634 Rissbildung 619, 632, 634, 637 Korrosion von metallischen Werkstoffen 622 Kontaktkorrosion 126, 619, 622f Korrosion in Mulden 619, 622-624 Lochkorrosion 619, 624f, 634 Spaltkorrosion 624f Korrosionsschutz 178, 619, 626 kathodischer Schutz 630 Opferanode 630 metallische Überzüge 628 edle Überzüge 628 unedle Überzüge 628

nichtrostende Stähle 619, 630 Passivierung 630 Schutzanstrich 619, 628 Kosten 10, 22, 27, 40-45, 68, 95, 135, 142, 179, 182, 202, 240, 247, 282, 286f, 309, 321, 327, 331, 514, 620, 628, 630 kovalente Bindung 81, 90 Kovalenzbindung siehe kovalente Bindung Kraft 80f, 85, 113, 119, 124, 364-370, 374, 376, 390, 462, 466, 471, 478, 491, 498, 500-506 Kraftmaschine 36 Kraftumleitung 342 Kragarm 363, 394, 396-398, 422 Kragträger 363, 400f Kreuzverband 56f Kriechen 116f, 156, 194 Kristall 88, 118 Kristallgefüge 98, 104 Kristallgitter 85, 88, 100, 121 Kristallit 89 Kristallpalast 40f Kristallwachstum 88, 92, 102 kritische Knicklast 446 Krümmung 116, 380-383, 432f, 464, 470, 501 Krümmung antiklastisch siehe Krümmung gegensinnig Krümmung gleichsinnig 501 Krümmung gegensinnig 382, 500, 504 Krümmung synklastisch siehe Krümmung gleichsinnig Kufverband 468 Kugelpackung 175 Kühle 348 künstliche Beleuchtung siehe Beleuchtung künstliches Gestein 77, 86, 92-98, 100, 102 künstliche Steine 240 Kunststoff 106-110, 212-225, 290, 330-337 Antistatika 214 Farbmittel 213 flammhemmender Zusatz 214 Füllstoff 213 Gleitmittel 213 Nukleierungsmittel 214 Polyamid 329, 334 Polycarbonat 329, 335 Polyethylen 329f Polyisobutylen 329, 336 Polymethylmethacrylat 329, 333 Polypropylen 329f Polystyrol 329, 332 Polytetrafluorethylen 329, 333 Polyurethan 329, 334f Polyvinylchlorid 329, 331 Quervernetzung 212 Silikon 329, 336 Starter-Substanz 212 Treibmittel 213, 219 ungesättigtes Polyesterharz 329, 336 Vernetzungsgrad 213 Kunststoffverbinder 524f Kybernetik 36

L l-Wert siehe Wärmeleitzahl Ladungsschwerpunkt 84, 86 Ladungswolke 85 Lager 363, 370, 420-428, 435, 452, 491 Lagerfläche 140 Lagerfuge 140, 146-151, 462-469 Lagerung 151, 363, 365, 370-374, 378, 380, 383, 390, 394, 396, 400, 402, 406-408, 410, 412, 416, 420-424, 426-435, 446f, 452f, 458-468, 474, 482-484, 489, 494, 501, 506 Lamellenfenster 307, 320 Landwirtschaft 36 Langlochziegel 244 Längswellen siehe Longitudinalwellen Last 117, 120, 365, 367-370, 374, 380f, 392, 400, 424, 426, 430, 446, 450, 464f, 468, 469, 473, 484-487, 490, 495, 498, 501, 503, 505 Lastfall 375 lastabhängige Verformung 114, 148, 156, 169, 183, 194 Lastabtragung 13 Lastabtragung zweiachsig siehe Biegung zweiachsig lastunabhängige Verformung 148, 156, 168, 183, 194 Läuferverband 54, 57 Lautstärke 550f, 554 Lebensdauer von Bauwerken 620 Legierung 174 Lehm 96, 242 Leichtbau 177, 515 Leichtbetonsteine 252 Hohlblöcke aus Leichtbeton 252 Hohlwandplatten aus Leichtbeton 252 Vollblöcke aus Leichtbeton 252 Vollsteine aus Leichtbeton 252 leichtentflammbare Baustoffe 582 Leichthochlochziegel 244f Leichtmörtel 239, 245f, 256 Leim 29, 272-278, 282, 596 Leimpresse 272 Leistungsphasen 3 Lignin 90, 106, 126 Lignin-Matrix 164 Lochziegel 144 Lohnkosten 42, 44 Longitudinalwellen 114 Löschen 98 Lösungskonzept 6 Lösungsprinzip 6 lotrecht 146, 148, 342, 366f, 449, 464, 469 Luft 78, 80, 98, 100, 102, 382, 500f, 506 Luftschall 360 Luftschalldämmung 554, 569, 572, 574 Lumen 163 Lunker 158f Luppe 174, 286

Index

M Makromolekül siehe Riesenmolekül Makroriss siehe hier: Riss Makrostruktur 143 siehe auch Grobgefüge Mantelbausteine 254 Marmor 144 Martensit 176 Maserung 163 Maß Grenzabmaß 70f Größtmaß 70 Istabmaß 70 Istmaß 70 Kleinstmaß 70 Nennmaß 53, 70 Stichmaß 70f Maßabweichung siehe Toleranz Masse 96, 118, 129 Masse-Feder-Masse-System siehe MasseFeder-System Masse-Feder-System 559, 566, 572 Massenproduktion 40 Maßordnung 50, 52f, 55, 69, 150 Maßstab 21, 23 Maßsystem 53f Maßtoleranz siehe Toleranz Material 376, 378f, 381, 450, 454, 458, 482, 495, 499f siehe auch Werkstoff Materialgefüge 448, 450, 500 siehe auch Gefüge Materialausnutzung 23 Materialdämpfung 558, 560 Materialgerechtigkeit 131, 133-135 Materialkontinuum 27f Materie siehe Stoff Matrix 85, 87, 98, 102, 106 Mauer 468f Mauermörtel 239, 255, 258 Baustellenmörtel 255, 262 Mehrkammer-Silomörtel 256 Dünnbettmörtel 239, 244, 246, 249, 251, 256f, 259 Kalkmörtel 256, 260 Kalkzementmörtel 256, 260 Leichtmörtel 239, 245f, 256 Mittelbettmörtel 246, 258 Normalmörtel 239, 256f Vormauermörtel 258 Werkmörtel 255f, 260, 262 Werk-Frischmörtel 256 Werk-Trockenmörtel 255f Werk-Vormörtel 255f Zementmörtel 256, 260 Mauertafelziegel 246 Mauerverband siehe Verband Mauerwerk 137-142, 146, 148-151 Maximum 394-402, 421, 424-430 MBO siehe Musterbauordnung mechanische Beschädigung 510, 542 Mechanisierung 36, 40, 42 Megalith 138 Mehrscheiben-Isolierglas siehe Isolierglas Mehrscheibenisolierverglasung siehe Iso-

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lierglas Mehrscheibenverglasung siehe Isolierglas mehrseitige Brandbeanspruchung 587 Membrane 380-383, 448f, 500-505 Mergel 100 Metallbindung 77, 82, 85-88, 118 metallischer Gusswerkstoff siehe Gusswerkstoffe Metamorphose 144 Meter 52 Micelle 106f, 165 Mikroriss siehe hier: Riss Mikrostruktur 143 Mimese siehe Mimesis Mimesis 135 Mischelektrode 622 Mittelbleche 290 Mittelfeld 404f modulare Ordnung siehe Modulordnung Modulor 51f Modulordnung 50, 53, 58f Molekül 81, 84, 91, 93, 108 Molekularbindung 82 Moment 375-378, 394, 396, 398, 402, 404, 412, 416, 428, 430, 452, 466, 494 siehe auch Biegung Momentennullpunkt 394, 396 Monier 192 Montage 2, 8, 13 Montagegerechtigkeit 343 Montagezustand 47 Montmorillonit 97, 118 Mörtelfuge 53 Multimodul 58, 60 Musik 21, 34 Musterbauordnung 581, 618

N Nacharbeit 44 Nagelplattenbinder 267, 282 Natron siehe Soda Natron-Kalk-Glas siehe Kalknatronglas Naturkautschuk 213 natürliche Belichtung siehe Belichtung natürliche Belüftung 345 Naturstein 94 siehe auch Gestein Nennmaß 53, 70 Netz 380 nicht-kristallin siehe amorph nichtbrennbare Baustoffe 582 nicht erdberührte Hülbauteile 358 Niederschlag 344, 349, 354, 358 Niederschlagswasser 127 Niet 184 Norm-Trittschallpegel 566, 568f normalentflammbare Baustoffe 582 Normalfestigkeit 119 Normalformat 55 Normalkraft 375, 381 siehe auch axiale Belastung Normalmörtel 239, 256f Normalspannungsreihe 622 Normung 38, 581, 618

Normzahlenreihe 52 Nutzung 339-341, 346, 348, 352 Nutzungskomfort 12 Nylon siehe Polyamid NZ-Format 53

O Oberflächenspannung 110, 113 Ökonomie 343 Oktameterordnung siehe oktametrisches Maßsystem oktametrische Maßordnung siehe oktametrisches Maßsystem oktametrisches Maßsystem 53-55, 243, 253 Opferanode 630 opus caementitium 38, 147, 154, 192, 240 opus reticulatum 147 Ordnung 19-22 Ordnungsprinzip 20f Ordnungssystem 50, 60 Organismus 106 OSB siehe hier: Holzwerkstoff Oxid 112

P PA siehe Polyamid Parabel 394-404, 408, 412, 416, 430 Parallelogramm 478 Passgenauigkeit 69 Passivschicht 196 PC siehe Polycarbonat PE siehe Polyethylen Perlon siehe Polyamid Perrot 228 Pfropfpolymerisation 108 pH-neutral 100 Phenolharz 213 Photosynthese 90 PIB siehe Polyisobutylen Pilkington 228 Pilz- und Insektenbefall bei Holz 636, 640 Planen 1, 4, 8 siehe auch Planung Planung 3f, 10-14, 20, 27, 29, 31, 42, 45-8, 50-53, 58, 60, 64, 68, 194, 342, 346, 352, 356, 446, 513, 517, 620, 628, 637 Planungsphase 4 plastisch 99, 108, 114, 118 Plastomer 333f Platte 363, 392f, 424-445, 448-457, 460, 472-475, 478-485, 490f, 495, 498f, 506 Plattenstreifen 452-456, 484, 490 Plattenwirkung 470f Plexiglas siehe Polymethylmethacrylat PMMA siehe Polymethylmethacrylat Pneu 112, 382, 448, 451, 500f, 504 Poisson-Zahl 114 Polarität 81, 84f, 108, 110, 123 Polyaddition 108, 212f, 223 Polyamid 211, 215, 222, 334 Polycarbonat 211, 223, 335

650

Anhang

Polyethylen 211f, 216, 330 Polyisobutylen 211, 223, 336 Polykondensation 212f, 222-224 Polymer 108 Polymerisation 90, 108 Abbruchreaktion 212 Polymethylmethacrylat 211, 220, 333 Polypropylen 211f, 217, 330 Polysaccharid 106 Polysiloxan siehe Silikon Polystyrol 211f, 219, 329-333 PS-E-Polystyrol 219 PS-X-Polystyrol 219 Polytetrafluorethylen 221, 333 Polyurethan 211, 223, 334f Polyvinylchlorid 211f, 218, 331 Poren Makroporen 155f Mikroporen 155f Porenbetonsteine 239, 250f Porenbeton-Bauplatte 250 Porenbeton-Blockstein 250 Porenbeton-Planbauplatte 250 Porenbeton-Planelemente 250 Porenbeton-Planstein 250 Pozzuoli 154 PP siehe Polypropylen Präzision 177, 180 Preis siehe Kosten Pressen 179f Primärsystem 24 Primärtragwerk 64, 363-366, 383 siehe auch Tragwerk Prinzip 1, 13, 15f, 376, 448, 451, 458, 478, 482, 498 Produktion 35, 36, 40, 42 siehe auch Fertigung Produktionsmethode siehe Fertigungsverfahren Produktionsverfahren siehe Fertigungsverfahren Produktivität 40, 42, 44f Profilerzeugnisse 285, 290-292 Profilglas 310 projektspezifisch 34 projektunspezifisch 34 Proportionalitätsgrenze 183 Prüfzeugnis 586, 590 PS siehe Polystyrol PS-E siehe expandierter Polystyrolschaum PS-X siehe extrudierter Polystyrolhartschaum PTFE siehe Polytetrafluorethylen PU siehe Polyurethan Puddelofen 286 PUR-Sandwichelement 285, 296 Putz 260-265, 528, 530, 606f, 616f, 637 Putz- und Mauerbinder 255, 260 Putzmörtel 260 Anhydritmörtel 260 Außenputze 239, 260, 262 Gipsmörtel 260 Innenputze 239, 260, 262 Kalkmörtel 256, 260 Kalkzementmörtel 256, 260

Kunstharzputze 239, 260, 265 Mineralputze 239, 260 Zementmörtel 256, 260 Putzsystem 262 Putzweise 262 PVC siehe Polyvinylchlorid

Q Qualität 44, 48 Quantenmechanik 82 Quarz 84, 92f, 96 Quellen 100, 156, 168, 171, 183, 524, 636 Querbiegung 432-435 Querdehnung 406-410, 420f Querdehnungszahl siehe Poisson-Zahl Querdruck 462-469 Querkontraktion 407 Querkraft 375, 383-389, 450f, 458, 464, 480, 488 Querpressung 458 Querriegel 476f Querschnitt 376, 379, 381, 420, 451, 474, 486, 490, 501-506 Querverteilung 450, 485, 488, 489 Querwellen siehe Transversalwellen

R Radialschnitt 163 Rahmen 363, 390, 412-419, 448f, 474, 488f, 494, 498, 501f, 504 Rahmenwirkung 480f, 488, 494 Randeinspannung 560-562 Randglied 474f, 479, 481f, 488 Randstab 476, 482-484, 486, 490f, 494 siehe auch Randglied Randverbund 312, 314, 320, 522, 547 Raster 50, 58, 60-62, 64, 67, 72 Achsraster 62, 65-67, 74 Ausbauraster 60, 62, 66 Bandraster 62, 65-67 Flächenraster 60 Installationsraster 60 Konstruktionsraster 60, 66 Nutzungsraster 60 Planungsraster 60 Raumraster 60 Rationalisierung 38, 40, 42, 44 Rauchgasentschwefelung 100 Raumabschluss 308 Raumakustik 360f raumakustische Konditionierung siehe Raumakustik Raumgitter 85-89, 92, 112, 116, 118f Raumluftfeuchte 345 Raumorganisation 21 Reaktion 370, 482f, 503 Realkristall 89 Recycling 22, 160, 172 Referenzmoment 396, 398, 402, 404, 412, 416, 430 Referenzsystem 432 regellos 105

regenerierbar 172 Rehydratation 156 Reibschluss 146-148, 150 Reibung 138, 140, 459f, 462, 468 Rekristallisation 194 Rennfeuer 286 Rennofen 174 Resonanz 555 Resonanzfrequenz 559, 561 Rhythmik 21 siehe auch Rhythmus Rhythmus 20 Riegel 364, 412f, 416f, 477 Riesenmolekül 85 Ringbalken 466 Rippe 474-476, 478-482, 484-492 Rippenelement 473f, 481f, 484-491, 494f Rippenquerschnitt 474, 476f Rippenschar 474-479, 482f, 485f, 488 Rippensystem 475, 479f, 484f, 488f, 495, 498 Riss 123 Makroriss 120, 122 Mikroriss 120, 122 Rohbaumaß 52 Rohdichte 80 siehe auch jeweils unter Kennwerten Rohstoff 31 Rollschicht 145 Rost siehe Trägerrost Rückführung siehe Recycling Rundholz 268-270

S s-Bindung 84f s-e-Diagramm siehe Spannungs-DehnungsDiagramm S-Kurve 36f Sandwich 448, 499f, 518f, 528 Sandwichelement 335 siehe auch PURSandwichelement Sandwichpaneel siehe Sandwichelement Sättigungsdruck 358 Sauerstoff 91, 112, 126 Saugfähigkeit 163 Schachtelbauweise 11f Schale 450f, 470, 498 Schalenabstand 559, 563, 566f Schall 549f, 552f, 560, 562, 568, 578 Schaumbeton siehe Porenbetonsteine Scheibe 363, 392f, 420-423, 450, 470f, 494, 498f Scheibenwirkung 450, 464f, 470f, 478, 490, 494 Scheibenzwischenraum 312, 314-316, 522f Scheitelpunkt 400, 402, 408-412, 416, 424-434 Schichtgestein siehe Sedimentgestein Schiefer 144 Schlankheit 177, 183, 186 Schmelze 88, 90, 104 Schmelzpunkt 86, 88 Schmieden 174, 180 Schneelast 352

Index

Schnittkraft 383f, 386, 388, 506 Schrauben 184 Schub 383, 478, 480, 498 Schubaussteifung 460 Schubbeanspruchung 458, 461, 478-480, 483 Schubfestigkeit 458, 460, 466, 484, 500 Schwachstelle 104, 122 Schweißen 47, 94, 182-188, 298, 300, 333, 612, 631 schwerentflammbare Baustoffe 582 Schwerkraft 366, 470 Schwinden 100, 142, 156f, 168, 171, 183, 194, 636 Schwindprozess 148 Sedimentgestein 92-95, 123, 143f Segmentierung 22, 30 Seil 285, 303-305, 363, 380, 410f (stat.), 502 offene Spiralseile 303, 304 Rundlitzenseile 304 Seillinie 410 Seilstich 410 Spiralseile 303f vollverschlossene Spiralseile 304 Sekantenmodul 149 Sekundärsystem 24 Sekundärtragwerk 364 selbstverdichtender Beton Blockierneigung 191, 207 Fließfähigkeit 191, 207f Frühfestigkeitsentwicklung 208 Gefügestabilität 191, 207 Selbstentlüftungsfähigkeit 191, 206f Selbstnivellierungsfähigkeit 191, 208 Sichtbetoneignung 191, 208 semikohärent (Korngrenze) 104 Senderaum (akustisch) 550, 562 senkrecht siehe lotrecht Serienfertigung 22, 42, 44f Serienproduktion siehe Serienfertigung SFB siehe Stahlfaserbeton Shape-Memory-Effekt 116 SI siehe Silikon Sicherheitskonzept 581 Sichtbeton 158 Sichtmauerwerk 54 Sichtschutz 345 Silicium 104 Siliciumdioxid 92f, 129 Siliciumoxid siehe Siliciumdioxid Silikon 211, 224 Einkomponenten-Kaltsilikone 337 Zweikomponenten-Kaltsilikone 337 Silizium siehe Silicium Sinusfunktion 550f Sklerenchym 106 Soda 228f, 232 Sog siehe Windsog solare Wärmegewinne 345 Solvatwasser 112 Sonnenenergie 343 Sonnenschutz 345 Spannbetonbau 285, 303 Spannrichtung 460f, 482, 504

651

Spannstähle 285, 303 Spannung 376, 379, 466 Spannungs-Dehnungs-Diagramm 114f, 148f, 156f, 169, 171, 183-285, 233, 288 Spannungs-Dehnungs-Kurve siehe Spannungs-Dehnungs-Diagramm Spannungs-Dehnungs-Linie siehe Spannungs-Dehnungs-Diagramm Spannweite 381, 424-430, 434, 498 Spätholz 106 Sperrbahn 526-529, 542-545 Sperrholz 268, 274, 282 Sperrschicht siehe Sperrbahn Spezialisierung 25, 38, 40, 42, 48 spezifische Wärmespeicherfähigkeit 80 Splintholz 163, 168 Spritzbewurf 262f Sprödbruch siehe Trennbruch unter Bruch spröde 110, 118, 120, 122 Sprödigkeit 85, 134 Spuranpassungseffekt 555 Stabachse 384, 394, 396, 400, 402, 406f, 416, 458-461, 490 Stabilität siehe Knicken Stablage siehe Stabschar Stabschar 474-479, 482-486 Stahl 174-189, 286-288, 290f, 293-296, 298, 300f, 304 Anlassen 176 Bandstahl 176, 179 Baustahl 176-178, 183-185, 189 Betonstahl 177 Breitflachstahl 176, 180 Breitflanschstahl 285, 292 Drähte 300, 302-304 Edelstahl 176 Federstahl 177 Formstahl 176, 179, 285, 292 Grundstahl 176 Gussstahl 179 HE - Reihe 292 Hohlprofilerzeugnisse 285, 290-292 IPB - Träger 292 IPE - Profil 285, 292 Kaltprofile 285, 293 legierte Edelstähle 289 Litzen 303-305 nichtrostender Stahl 288 niedriglegierter Qualitätsstahl 289 Profilstahl 177, 179 Qualitätsstahl 176 schweißgeeignete Feinkornstähle 285, 288f Stabstahl 176, 179, 285, 292, 300 Stahlblech 176, 180 Stahldraht 179f, 182f unlegierter Grundstahl 289 unlegierter Qualitätsstahl 289 Walzdraht 177 warmgewalzter unlegierter Baustahl 285, 288f Werkzeugstahl 176f wetterfester Baustahl 288f Stahlbeton siehe bewehrter Beton

Bewehrungsdichte 205 Kraft- Dehnungsdiagramm 195 Stahldraht Ziehen 179-183 Stahlfaserbeton siehe hier: Beton Stahlfasern 301 Blechfasern 303 Drahtfasern 302 gefräste/gespänte Fasern 303 Stamm 168f Stammachse 162-164, 166f Stammkörper 162, 164 Stampflehm 96 standardisierte Träger 300 Standardisierung 50 Stand der Technik 13 Standfestigkeit 81, 123, 364, 500 stationäre Werksvorfertigung 68 statisches System 370, 374, 378, 394, 396, 400, 402, 408, 410, 412, 416 Stauchung 148, 406, 408, 420f, 475 Staudinger 212 Staudruck 513 stehende Luftschicht 522-524 Steifigkeit 116, 378, 380f, 446, 460, 470, 476-478, 486 Stein 92-94, 102, 118, 122, 138-152 Steinbau 462 Steinfuge 145 Stich 376, 394, 398, 400, 404, 430-435 Stiel 412f, 416 Stirnholz siehe Hirnholz Stoff 80-82, 89, 92, 103, 114, 117 Stoffgefüge siehe Gefüge Stoffstruktur siehe Gefüge Stoßfuge 460-462, 465 Stoßstellendämpfung 562 Strahlungsreflexion bei Glas siehe g-Wert stranggepresste Profile 298 Strecken 104 Streckenlast 363, 368f, 375, 393-405, 408410, 412, 415f, 419f, 422f, 462, 476, 503 Streckgrenze 183 Strömungswiderstand 560 Strukturprinzip 386, 390, 448, 450, 458 Stützlinie 380, 408, 460 Stützmedium 500f Stützmoment 396, 398, 430 Stützweite siehe Spannweite Styrol 212, 218f subjektives Hörempfinden 553 Subsystem siehe Teilsystem Syloxan siehe Silikon Systemachse 396, 398, 402, 404, 408, 412, 453 System gerichtet 460, 472-475, 482-488, 495 System hierarchisch geordnet siehe System gerichtet  System ungerichtet 475, 488-495 SVB siehe selbstverdichtender Beton SZR siehe Scheibenzwischenraum

652

Anhang

T Tangentialschnitt 163, 168 Tauchimprägnierung 641 Taupunkttemperatur 514, 516 Tauwasser 514 technische Gebäudeausrüstung siehe Verund Entsorgungssystem Technologie 36 Teflon siehe Polytetrafluorethylen Teilegruppe 31, 33 Teilfunktion 26f teilkohärent siehe semikohärent Teilsystem 20, 24, 28, 31, 34 teilvorgespanntes Glas siehe hier: Glas Tempel 39 Temperaturdehnung 77, 81, 114 siehe auch Wärmedehnzahl Temperaturgefälle 78, 110 Tertiärsystem 24 Tertiärtragwerk 364 Tetracalciumaluminat 101 Tetracalciumaluminatferrit 101 thermische Konditionierung 344 thermischer Ausgleich 345 thermische Trennung 524 thermisch vorgespanntes Glas 233 thermochrome Gläser siehe hier: Glas thermohygrische Schutzfunktionen 508-548 Thermoplast siehe Plastomer thermotrope Gläser siehe hier: Glas Toleranz 31, 48, 53, 68-71, 170, 177, 234, 287, 350 Ebenheitstoleranz 70 Winkeltoleranz 70f Ton 96, 100, 118 Tonhöhe 550f Torsion 486, 490f, 494 Torsionssteifigkeit 460, 495 Tragen 24f, 339, 342f Träger 471 Trägerhierarchie 472 Trägerrost 473, 486, 488, 495, 300 Tragfähigkeit 135 Tragsystem 370, 375, 378 Tragwerk 24f, 340-346, 364, 374, 382 siehe auch Primärtragwerk Tragwerksprinzip 13 Translationsebene siehe Gleitebene Translationsstreifung 119 Transmission 514 transparente Wärmedämmung (TWD) 307, 324 Transparenz 235 Transportmaße 30 Transversalwellen 114 Trapezblech 293 Trennbruch siehe hier: Bruch Trennung der Gewerke 31 Trennung der Subsysteme 24, 31 Trennung der Teilsysteme siehe Trennung der Subsysteme Tricalciumaluminat 101 Tricalciumaluminatferrit 101

Tricalciumsilicat 102 Trigonit siehe Holzleimbauträger Trittschall 360, 566-574 Trittschalldämmmaß 549, 566 Trittschalldämmschicht 570 Trittschallschutz 549, 564, 566, 570-572 Trocknung 144 TVG siehe teilvorgespanntes Glas unter Glas Typologie 13

U U-Wert siehe Wärmedurchgangskoeffizient U/A-Wert 604f Überbindemaß 54f Überdeckung siehe Betonüberdeckung unter Beton Überdimensionierung 23 Überdruck 382 Überdrucksystem 382 Überdrücken 147, 151, 464, 468, 470 Übergreifung 54, 363, 460, 462, 470f Übermaß 68 Umformprozess 34 Umkehrdach 507, 528 Umkristallisation 176 Ummantelung 584 Umwandlungsprozess 78 unbewehrt (Beton) 154f ungerichtetes System siehe System ungerichtet ungerichtetes Tragwerk siehe System ungerichtet ungesättigtes Polyesterharz 224 Unterdach 540 Unterdecke 566, 572f Unterdruck 382, 500 Unterspannbahn 538, 539f UP siehe ungesättigtes Polyesterharz Urformen 2 Urzeit 36 UV-Strahlung 91, 126

V Vakuumtränkung 641 Vakuumverglasung 236 van-der-Waals-Bindung 86 Varianz 8, 16 Ver- und Entsorgen 24f Ver- und Entsorgungssystem 22-25, 64, 342-348 Verband 363, 462-469, 506 Verbundbauweise siehe Verbundprinzip Verbunddeckenprofile 285, 294f Verbundkonstruktion 587 Verbundprinzip 27f Verbundsicherheitsglas siehe hier: Glas Verdrehung 412, 416, 432-434, 453, 455, 468, 490, 492, 494 Verdrillung 384-389, 451-453, 460, 468, 486, 490, 493, 496 Verfestigung 95, 120, 122 Verformung 378, 390, 394, 398, 400-412,

416, 420-435, 452f, 457, 461, 475, 479, 480-497, 504 Fließverformung 186 Verkehrslast 352f Verkrallen 119 Verputz siehe Putz Versagen 120, 122, 124, 128f, 364f, 374, 378, 446f, 464-469 Versagensmechanismus 446f Versatz 146 Verschiebung 412, 416 Versetzung 119, 123 Versetzungsblockierung 119, 121 Versteifung 479, 482 Verwerfen 106 Verzahnung 138, 146-148, 150, 462-465 siehe auch Verband Verzerrung 422 Verziehen 116 Verzweigungsdämmung 562 vierseitig beflammt 592, 596, 605 Vinylchlorid 218 VOB 31 Vollziegel 243f vorbeugender anlagentechnischer Brandschutz 580 vorbeugender baulicher Brandschutz 580f vorbeugender betrieblicher Brandschutz 580 Vorfertigung 50, 68 siehe auch Werksvorfertigung Vorhangfassade siehe Curtain Wall Vormauersteine 248, 252, 254 Vorrecken 175, 183f Vorspannung 380, 382, 500-502 VSG siehe Verbundsicherheitsglas

W w/z-Wert siehe Wasserzementwert Wand 458 Wandbauweise 150 Wärme 508, 514, 524 Wärmebrücke 214, 245, 256, 516, 532-544, 589, 626 Wärmedämmschicht 26 Wärmedämmverbundsystem 260, 507, 520, 530 Wärmedämmvermögen 91, 94 Wärmedehnzahl siehe jeweils unter Kennwerte Wärmedurchgangskoeffizient 311, 313, 315, 320, 536, 576 Wärmefalle 232 Wärmeleitfähigkeit 86, 175, 179, 195, 253, 256, 326, 514, 583f, 604 Wärmeleitzahl siehe jeweils unter Kennwerte Wärmeschutz 339, 343, 345, 349, 356f Wärmespeicherkapazität 129 Wärmestrahlung 78, 584, 612 warmgewalzte Baustahlerzeugnisse 285, 290 Flacherzeugnisse 285, 290 Hohlprofilerzeugnisse 285, 290-292

Index

Profilerzeugnisse 285, 290, 291, 292 Warmverformung 173, 175, 179f Warmwalzen 104, 179f, 290-292, 298, 300 Wasser 78, 84, 86, 94-102, 110, 112, 115, 117, 124, 126f wasserabweisend siehe hydrophob Wasserbindung 96, 99, 112, 117 Wasserdampf 80, 112, 260, 264f, 334, 358f, 521f, 542, 626 wasserfest 96 Wasserglas 229 wasserlöslich 100 Wasserstoffbrückenbindung 82, 86f Wasserzementwert 102 Wellenlänge 550f Wellstegträger 267, 282f Weltausstellung 40 Wendepunkt 394, 396 Werk 40, 44 Werksfertigung 2 Werksteinmauerwerk 140-142 Werkstoff 3, 4, 8, 10, 110, 116, 120, 122, 126, 128, 132-136, 378f, 450, 458 Faserwerkstoff 209 Primärwerkstoff 192 Verbundwerkstoff 133 Werksvorfertigung 44, 46f Wetterhaut 294, 507, 511-513, 517, 520, 530, 532f, 536f, 639 Wind 508, 513, 515, 522, 524, 526, 536, 538, 540 Winddruck 344, 354, 356 Windschutz 339, 343f, 349, 356f Windsog 356 Windsperre 513, 536 Windverband siehe Auskreuzung Wirkprinzip 6 Witterung 11, 26, 44, 47, 91, 96, 123f, 132, 144, 170, 178, 189, 208, 223, 258, 260, 264, 274-278, 308, 316, 324, 333, 335, 340-342, 348, 499, 510f, 515, 574, 621, 626, 630, 641f Witterungseinfluss siehe Witterung

Z zäh 119, 123 Zähigkeit 176, 182, 186 zähplastisch 122 Zeitperiode 550 Zellkleid 162-164 Zelllumen siehe Lumen Zellmantel siehe Zellkleid Zement 94, 102, 250, 252, 254-256 Zementleim 155, 199, 544 Zementstein 101, 102, 117 Zerfall 81 Zerreißgrenze 184 Zerreißlänge 189 Zersetzung 108, 126f Ziegel 239, 240-254 siehe auch Ziegelstein Formziegel 240, 245, 247 Hochlochziegel 244, 246 Keramikklinker 246

653

Langlochziegel 244 Planziegel 244 porosiertes Ziegelmauerwerk 244 Vollklinker 246 Vollziegel 243f Vormauerziegel 246 Ziegelelementdecken 247 Ziegelmontagedecken 247 Ziegelformate 239, 243, 245, 248 Ziegelstein 27, 50, 53, 94, 141, 144, 152, 244-254, 286, 510 siehe auch Ziegel Ziehen 179f, 182f Zinkstaubfarbe 628f Zug 377-389, 407, 410, 422, 450f, 458, 460, 464f, 468, 478, 480, 488, 498, 502 Zugbeanspruchung 379-382, 450f, 459, 464, 479f 488, 498, 502 siehe auch Zugspannung Zugfestigkeit 450, 484 Zuggurt 484f Zugspannung 376, 380, 448, 502 siehe auch Zugbeanspruchung Zugstab 363, 377, 407 Zusammenbau 47 Zusatzmittel 154 Zuschlag 94, 99 Zuschnitt 382 Zwängungen 365, 374 zweiachsige Biegung siehe Biegung zweiachsig unter Biegung Zweifeldträger 363, 400, 403 Zweigelenkrahmen 363, 412, 415 Zyklopenmauerwerk 139f

654

Anhang

I KONSTRUIEREN

II-2

Industrielles Bauen

• Ashby MF (1992) Materials Selection in Mechanical design. Ox• Ackermann, K (1983) Grundlagen für das Entwerfen und Konstruieren. Krämer, Stuttgart • Ackermann, K (1988) Tragwerke in der konstruktiven Architektur. DVA, Stuttgart • Bögle A, Schmal PC, Flagge I (2003) leicht weit - Leight Strctures Jörg Schlaich Rudolf Bergermann. Prestel, München, Berlin, London • Cziesielski E (Hrsg.) (1997) Lehrbuch der Hochbaukonstruktionen. 3. überarb. Aufl. Teubner, Stuttgart • Deplazes A (Hrsg.) Architektur konstruieren, vom Rohmaterial zum Bauwerk. Birkhäuser, Basel • Dierks K, Schneider KJ, Wormuth R (Hrsg.) (2002) Baukonstruktion. 5. neubearb. u. erw. Aufl. Werner, Neuwied • Hauschild M (2003) Konstruieren im Raum - Spatial Construction. Callwey, München • Frick O, Knöll K, Neumann D, Weinbrenner U (2002) Baukonstruktionslehre Band 1. 33. überarb. Aufl. Teubner, Stuttgart • Frick O, Knöll K, Neumann D, Weinbrenner U (2003) Baukonstruktionslehre Band 2. 32. überarb. Aufl. Teubner, Stuttgart • Mittag M (2000) Baukonstruktionslehre - Ein Nachschlagewerk für den Bauschaffenden über Konstruktionssysteme, Bauteile und Bauarten. 18., überarb. Aufl. Vieweg, Braunschweig, Wiesbaden • Pahl G, Beitz W (1997) Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung. 4. neubearb. und erw. Aufl. Springer, Berlin; Heidelberg • Pfeiffer G, Ramcke R, Achtziger J, Zilch K (2001) Mauerwerk Atlas. Bikhäuser, Basel

ford • Beukers A, van Hinte Ed (2001) Lightness: the inevitable renaissance of minimum energy structures. 3. ed. 010 publishers, Rotterdam • Choisy A (1873) L‘art de båtir chez les Romains. Ducher, Paris • Fitchen J (1988) Mit Leiter, Strick und Winde - Bauen vor dem Maschinenzeitalter. Birkhäuser, Basel, Boston, Berlin • Graefe R (Hsg.)(1989) Zur Geschichte des Konstruierens. DVA, Stuttgart • Kimpel D, Suckale R (1995) Die gotische Architektur in Frankreich 1130-1270. Hirmer, München • Kotulla B, Urlau-Clever B-P, Kotulla P (1984) Industrielles Bauen. 1. Aufl. Werner, Düsseldorf • Moro JL (Hrsg.)(2002) Antoni Gaudí 1852-1926. Katalog zur Ausstellung. Fachgebiet Planung und Konstruktion im Hochbau. Erschienen im Selbstverlag, Stuttgart • Müller-Wiener W (1988) Griechisches Bauwesen in der Antike. Beck, München • Parmee IC (2000) Evolutionary Design and Manufacture, Selected Papers from ACDM ‘00. London • Pfarr K (1983) Geschichte der Bauwirtschaft. Deutscher ConsultingVerlag, Essen • Scheidegger F (1990) Aus der Geschichte der Bautechnik, Band 1. Birkhäuser, Basel, Boston, Berlin • Scheidegger F (1992) Aus der Geschichte der Bautechnik, Band 2. Birkhäuser, Basel, Boston, Berlin

• Schaffarra, Birgit (2001) Morphologie über das Fügen und Verbin-

• Schodek D, Bechtold M, Griggs K, Kao KM, Steinberg M (2005)

den. Diplomarbeit am Fachgebiet für Grundlagen der Planung und

Digital Dessign ans Manufacturing - CAD/CAM Applications in

Konstruktion im Hochbau • Schmitt H, Heene A (2001) Hochbaukonstruktion. 15. überarb. Aufl. Vieweg, Braunschweig, Wiesbaden

Architecture and Design, New Jersey • Sennett R (2008) Handwerk, Berlin-Verlag • Vajma S (1997) CAD/CAM-Systeme - Leistungsstand und Entwicklungsrichtungen. In: VDI Berichte 1357, Neue Generation von CAD/

II

STRUKTUR

CAM-Systemen, Erfüllte und Enttäuschte Erwartungen. München • Weller K (1985) Industrielles Bauen 1, Grundlagen und Entwicklung

II-1

Ordnung und Gliederung

• Pahl G, Beitz W (1997) Konstruktionslehre. Methoden und Anwendung. 4. neubearb. und erw. Aufl. Springer, Berlin; Heidelberg • Vitruv: Zehn Bücher über Architektur (De architectura libri decem), Darmstadt, 1981 • Weller K (1985) Industrielles Bauen 1, Grundlagen und Entwicklung

des industriellen, energie- und rohstoffsparenden Bauens. Kohlhammer, Stuttgart, Berlin, Köln, Mainz, • Weller K (1989) Industrielles Bauen 2, Industrielle Fertigung und Anwendung von Montagebauweisen aus Stahlbeton, Stahl, Holz und Entwicklung zum umweltbewussten Bauen, Kohlhammer, Stuttgart, Berlin, Köln

des industriellen, energie- und rohstoffsparenden Bauens. Kohlhammer, Stuttgart, Berlin, Köln, Mainz,

II-3

Maßordnung

• Weller K (1989) Industrielles Bauen 2, Industrielle Fertigung und

• Belz, Gösele, Hoffmann, Jehnisch, Pohl, Reichert (1991) Mauer-

Anwendung von Montagebauweisen aus Stahlbeton, Stahl, Holz und

werk-Atlas. Institut für Internationale Architektur-Dokumentation,

Entwicklung zum umweltbewussten Bauen, Kohlhammer, Stuttgart,

München. 3. Aufl. Deutsche Gesellschaft für Mauerwerksbau,

Berlin, Köln • Wittkower R (1983) Grundlagen der Architektur im Zeitalter des Humanismus. dtv wissenschaft, München

Bonn • DIN 4172 Maßordnung im Hochbau, Ausg. Juli 1955 • DIN 18000 Modulordnung im Bauwesen, Ausg. Mai 1984 • DIN 18201 Toleranzen im Bauwesen, Ausg. April 1997

Literaturverzeichnis

• DIN 18202 Toleranzen im Hochbau – Bauwerke, Ausg. November 2004

655

2002 • DIN V 105, Mauerziegel, Teil 2: Wärmedämmziegel und Hochloch-

• DIN 18203-1 Toleranzen im Hochbau – Teil 1: Vorgefertigte teile aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton, Ausg. April 1997 • DIN 18203-2 Toleranzen im Hochbau – Teil 2: Vorgefertigte teile aus Stahl, Ausg. November 2004 • DIN 18203-3 Toleranzen im Hochbau – Teil 3: Bauteile aus Holz und Holzwerkstoffen, Ausg. August 1984 • DIN ISO 2768-1 Allgemeintoleranzen, Teil 1, Toleranzen für Längenund Winkelmaße ohne einzelne Toleranzeintragung, 1989 • DIN ISO 2768-2 Allgemeintoleranzen, Teil 2, Toleranzen für Form und Lage ohne einzelne Toleranzeintragung, 1989 • Le Corbusier (1985) Der Modulor, Darstellung eines in Architektur und Technik allgemein anwendbaren harmonischen Maßes im menschlichen Maßstab. DVA, Stuttgart • Le Corbusier (1990) Der Modulor 2, 1955, (Das Wort haben die Benützer) Fortsetzung von «Der Modulor» 1948. DVA Stuttgart • Wittkower R (1983) Grundlagen der Architektur im Zeitalter des Humanismus. dtv wissenschaft, München

ziegel der Rohdichteklassen ≥ 1,0, (Vornorm, Ersatz für DIN 105-2), Juni 2002 • DIN 105, Mauerziegel, Teil 3: Hochfeste Ziegel und hochfeste Klinker, Mai 1984 • DIN 105, Mauerziegel, Teil 4: Keramikklinker, Mai 1984 • DIN 105, Mauerziegel, Teil 5: Leichtlanglochziegel und Leicht langloch-Ziegelplatten, Mai 1984 • DIN V 105, Mauerziegel, Teil 6: Planziegel, Mai 1984 • DIN 1053, Mauerwerk, Teil 1: Berechnung und Ausführung, November 1996 • DIN 1053, Mauerwerk, Teil 2: Mauerwerksfestigkeitsklassen aufgrund von Eignungsprüfungen, November 1996 • DIN 1053, Mauerwerk, Teil 3: Bewehrtes Mauerwerk – Berechnung und Ausführung, Februar 1990 • DIN 1053, Mauerwerk, Teil 4: Fertigbauteile, Februar 2004 • DIN 1053, Mauerwerk, Teil 100: Berechnung auf der Grundlage des semiprobabilistischen Sicherheitskonzepts, August 2004 • Otto F (1994) Alte Baumeister - Ancient Architects. IL 37, Institut

III

STOFFE

III-1

Materie

• Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Makromoleküle, Polymere • Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Gefüge 2 • Cuny KH (1967) Einführung in die Chemie: Wir experimentieren mit Aufbauteilen. Weinheim, Beltz • Knoblauch H, Schneider U (1992) Bauchemie. - 3., neubearb. und erw. Aufl.. - Werner, Düsseldorf • Krenkler K (1980) Chemie des Bauwesens, Band: 1, Anorganische Chemie. Springer, Berlin, Heidelberg • Mägdefrau K (1951) Botanik. Winter, Heidelberg • Navi P, Heger F (2004) Combined Densification and Thermo-HydroMechanical Processing of Wood. In: MRS Bulletin, May 2004, Vol. 29, No. 5 • Petersen C (1994) Stahlbau. Grundlagen der Berechnung und baulichen Ausbildung von Stahlbauten - 3., überarb. u. erw. Aufl., korr. Nachdr..-

für leichte Flächentragwerke. Universität Stuttgart, Stuttgart III-4

Beton

• DIN 1045: Beton und Stahlbeton; Bemessung und Ausführung, Juli 1988 • DIN 1045 A1: Beton und Stahlbeton; Bemessung und Ausführung, Änderung A1, Dezember 1996 • DIN 1045, Teil 1: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton; Bemessung und Konstruktion, Juli 2001 • DIN 1045, Teil 3: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton; Ergänzende Regeln für die Herstellung und die Konformität von Fertigteilen, Juli 2001 • DIN 1045, Teil 4: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton; Bemessung und Konstruktion, Juli 2001 • Sinn B (1994) Und machten Staub zu Stein. Die faszinierende Archäologie des Betons von Mesopotamien bis Manhattan. Beton-Verlag, Düsseldorf

Vieweg, Braunschweig, Wiesbaden • Volland K (1999) Einblicke in die Baustoffkunde für Architekten; Natursteine, Bindemittel - Zuschläge - Mörtel - Beton, künstliche Wandbausteine, Holz, Wärmedämmstoffe, Metalle, Glas, Kunststoffe, Dachbeläge, Estriche, Bodenbeläge - 1. Aufl.. - Werner, Düsseldorf

III-5

Holz

• Halász R v, Scheer C (1996) Holzbautaschenbuch Band 1. 9. Aufl. Ernst & Sohn, Berlin • Mägdefrau K (1951) Botanik. Winter, Heidelberg • Navi P, Heger F (2004) Combined Densification and Thermo-Hydro-

III-2

Werkstoff

• Graefe R (1989) Zur Geschichte des Konstruierens. DVA, Stuttgart

Mechanical Processing of Wood. In: MRS Bulletin, May 2004, Vol. 29, No. 5

• Hackelsberger C (1988) Beton: Stein der Weisen? Nachdenken über einen Baustoff. Vieweg, Braunschweig, Wiesbaden III-3

Stein

III-6

Stahl

• DIN V 105, Mauerziegel, Teil 1: Vollziegel und Hochlochziegel der

• Althaus D (1999) Fibel zum konstruktiven Entwerfen. Über den

Rohdichteklassen ≥ 1,2, (Vornorm, Ersatz für DIN 105-1), Juni

spielerischen Umgang mit Physik und Materie - 1. Aufl.. - Bauwerk

656

Anhang

Verag, Berlin

III-8

Kunststoff

• Brockhaus Enzyklopedie, Stw. Stahl

• Bauen mit Kunststoffen E&S

• Krenkler K (1980) Chemie des Bauwesens, Band: 1, Anorganische

• Benedix R (1999) Chemie für Bauingenieure. Teubner, Stuttgart,

Chemie. Springer, Berlin, Heidelberg • Petersen C (1994) Stahlbau. Grundlagen der Berechnung und baulichen Ausbildung von Stahlbauten - 3., überarb. u. erw. Aufl., korr. Nachdr..Vieweg, Braunschweig, Wiesbaden

Leipzig • Beukers A, van Hinte Ed (2001) Lightness: the inevitable renaissance of minimum energy structures. 3. ed. 010 publishers, Rotterdam • IBK Darmstadt (Hrsg.) (2004) Jahrbuch Kunststoffe • Volland K (1999) Einblicke in die Baustoffkunde für Architekten;

III-7

Bewehrter Beton

• Brameshuber W (2003) Hochleistungsbetone. In: Detail 04/2003, S. 374-383

Natursteine, Bindemittel - Zuschläge - Mörtel - Beton, künstliche Wandbausteine, Holz, Wärmedämmstoffe, Metalle, Glas, Kunststoffe, Dachbeläge, Estriche, Bodenbeläge - 1. Aufl.. - Werner, Düsseldorf

• Curbach M (2000) Textilbewehrter Beton – Entwicklung eines innovativen Verbundwerkstoffes. In: Deutscher Beton- und Bautechnik-

III-9

Verein E.V. – Vorträge Betontag 1999, Berlin 2000 S. 443-451

• Benedix R (1999) Chemie für Bauingenieure. Teubner, Stuttgart,

• Curbach M, Hegger J, Sasse SR, Wulfhorst B (1998) Sachstands-

Glas

Leipzig

bericht zum Einsatz von Textilien im Massivbau. In: Schriftenreihe

• Flachglas-Markenkreis GmbH (2003) Glas Handbuch, S. 202

des Dt. Ausschusses für Stahlbeton. Heft 488, Berlin 1998.

• Knoblauch H, Schneider U (1992) Bauchemie. - 3., neubearb. und

• Curbach M, Offermann P (1998) Textilbewehrter Beton – Erkenntnisstand, Chancen und Möglichkeiten. In: Wissenschaftliche Zeitschrift der Technischen Universität Dresden, 5+6/1998. • Fachvereinigung Faserbeton (1994) Glasfaserbeton – Konstruieren und Bemessen. Beton-Verl., Düsseldorf • Fürstenberg H (1995) Eine runde Sache: Integrierte Schalungen aus Glasfaserbeton. Beton 45 • Grübl P, u.a (2001) Überprüfung der Leistungsfähigkeit von selbstverdichtendem Beton (SVB). Schlußbericht. Technische Universität

erw. Aufl.. - Werner-Verlag, Düsseldorf • Krenkler K (1980) Chemie des Bauwesens, Band: 1, Anorganische Chemie. Springer, Berlin, Heidelberg • Schittich C (1998) Glasbau-Atlas. Inst. für Internat. Architekturdokumentation, Edition Detail, München • Sobek W (2002) Bauen mit Glas. Informationen für Bauherren, Architekten und Ingenieure. Bearb.: Institut für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren (ILEK). - 1. Aufl.. - Wirtschaftsministerium BadenWürttemberg, Stuttgart

Darmstadt, Institut für Massivbau, FG: Baustoffe, Bauphysik, Bauchemie]. Fraunhofer-IRB-Verl., Stuttgart

IV

BAUPRODUKTE

IV-1

Künstliche Steine

• Guthardt W Selbstverdichtender Beton-Innovation am Beispiel “PHAENO“Science Center Wolfsburg. Beton-Information Spezial. • König G, Holschemacher K, Dehn F (2001) Selbstverdichtender Beton. Bauwerk-Verl., Berlin • König G, Nguyen T, Zink M (2001) Hochleistungsbeto. Bemessung, Herstellung und Anwendung. Ernst & Sohn, Berlin • Probst K (2001) Selbstverdichtender Beton (SVB). Fraunhofer IRBVerl., 2000, Stuttgart • Reinhardt HW (2001) Sachstandsbericht selbstverdichtender Beton (SVB). Beuth, Wien, Berlin, Zürich • Reichel A (2001) Vielfalt mit System - Fassaden aus Glasfaserbeton. In Detail 4/2001. • Richter T (1999) Hochfester Beton - Hochleistungsbeton. Verl. Bau und Technik, Düsseldorf • Schnell J (2000) Gedanken zur Zukunft der Betonbauweise. In: Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V. – Vorträge Betontag 1999, Berlin 2000 S. 489-497. • Straub H (1975) Die Geschichte der Bauingenieurkunst. - 3. Aufl.. Birkhäuser, Basel • Weber J, Konrad Z (1999) Pilotprojekt Buchloe – Brückenbauwerk mit Hochleistungsbeton B 85. In: Deutscher Beton- und BautechnikVerein E.V. – Vorträge Betontag 1999, Berlin 2000 S. 525-535.

• Belz, Gösele, Hoffmann, Jehnisch, Pohl, Reichert (1991) Mauerwerk Atlas. München • DIN 105-1, Mauerziegel, Teil 1: Vollziegel und Hochlochziegel, Juni 2002 • DIN V 105-1, Mauerziegel, Teil 1: Vollziegel und Hochlochziegel der Rohdichteklasse ≥ 1,2, Juni 2002 • DIN 105-2, Leichthochlochziegel, August 1989 • DIN V 105-2: Wärmedämmziegel und Hochlochziegel der Rohdichteklasse ≤ 1,0, Juni 2002 • DIN 105-3: Hochfeste Ziegel und hochfeste Klinker, Mai 1984 • DIN 105-4: Keramikklinker, Mai 1984 • DIN 105-5: Leichtlanglochziegel und -Ziegelplatten, Mai 1984 • DIN V 105-6: Planziegel, Juni 2002 • DIN 4156, Ziegel für Decken und Vergusstafeln, statisch mitwirkend, Oktober 1999 und Berichtigung 1 im Juni 2000 • DIN 4160, Ziegel für Decken, statisch nicht mitwirkend, April 2000 • DIN 278, Tonhohlplatten (Hourdis) und Hochziegel, September 2000 • DIN 106-1, Kalksandsteine: Vollsteine, Lochsteine, Blocksteine, Hohlblocksteine, September 1980

Literaturverzeichnis

• DIN 106-2, Kalksandsteine: Vormauersteine und Verblender, November 1980 • E DIN 106-1, Kalksandsteine: Voll-, Loch-, Block-, Hohlblock-, Plan-, Fasen-. Formsteine, Planelemente, Bauplatten, Mai 2000 • E DIN 106-2, Kalksandsteine: Vormauersteine und Verblender, Mai 2000 • E DIN EN 771-1: Festlegungen für Mauersteine, Teil 1: Mauerziegel, August 2002 • E DIN EN 771-2: Festlegungen für Mauersteine, Teil 2: Kalksandsteine, August 2002 • E DIN 4165, Porenbetonsteine: Plansteine, Planelemente und Formsteine, März 2001 • DIN 4166, Porenbeton-Bauplatten und Porenbeton-Planbauplatten, November 1997 • E DIN 4223-1, Vorgefertigte bewehrte Bauteile aus dampfgehärtetem Porenbeton: Herstellung, Eigenschaften, Übereinstimmungsnachweis, Juni 2000 • DIN 771-1 bis 20, Prüfverfahren für Mauersteine, August 2000 • DIN 18148, Hohlwandplatten aus Leichtbeton, Oktober 2000 • DIN 18151, Hohlblöcke aus Leichtbeton, September 1987 • E DIN 18151/A1, Hohlblöcke aus Leichtbeton, Änderung A1, Dezember 1998

657

teln, Ausführung, Januar 1985 • DIN 18550-3, Putz: Wärmedämmputzsysteme aus Mörteln mit mineralischen Bindemitteln und expandiertem Polystyrol (EPS) als Zuschlag, März 1991 • DIN 18550-4, Putz: Leichtputze, Ausführung, August 1993 • DIN 18557, Werkmörtel: Herstellung, Überwachung und Lieferung, November 1997 • DIN 18350, Putz- und Stuckarbeiten, Dezember 2000 • Frick, Knöll, Neumann, Weinbrenner (1992) Baukonstruktionslehre Teil 1. Teubner, Stuttgart • Häring R, Klausen D, Hoscheid R (2003) Technologie der Baustoffe - Handbuch für Studium und Praxis. Müller, Heidelberg • Neuberger A (1919) Die Technik des Altertums. Voigtländers, Leipzig • Opderbecke, A (1910) Der Maurer. Voigtländers, Leipzig • Pfeiffer G, Ramcke R, Achtziger J, Zilch K (2001) Mauerwerk Atlas. Bikhäuser, Basel • Scheidegger F (1990) Die Geschichte der Bautechnik. Birkhäuser, Basel • Schumacher F (1920) Das Wesen des neuzeitlichen Backsteinbaus. Callwey, München • Wienerberger Ziegelindustrie GmbH, Firmenunterlagen

• DIN 18152, Vollsteine und Vollblöcke aus Leichtbeton, April 1984 • E DIN 18152/A1, Vollsteine und Vollblöcke aus Leichtbeton, Änderung A1, Dezember 1998 • DIN 18162, Wandbauplatten aus Leichtbeton, unbewehrt, Oktober 2000 • E DIN EN 771-3, Festlegungen für Mauersteine, Teil 3: Mauersteine aus Beton, August 2000 • DIN 18153, Mauersteine aus Beton (Normalbeton), September 1989 • E DIN 1813/A1, Mauersteine aus Beton (Normalbeton), Änderung A1, Dezember 1998 • E DIN EN 771-3, Festlegungen für Mauersteine, Teil 3: Mauersteine aus Beton, August 2000

IV-2

Holzprodukte

• Arbeitsgemeinschaft Holz e.V. (Hrsg.) (1997) Holzbau-Handbuch Reihe 4, Baustoffe, Düsseldorf • Cheret P, Radovic B, Heim F (1997) Holzbau-Handbuch, Reihe 4-Baustoffe. Informationsdienst Holz, Düsseldorf • Götz KH, Hoor D, Möhler K, Natterer J (1980) Holzbau Atlas. Institut für Internationale Architektur-Dokumentation, München. - Sonderausgabe der Arbeitsgemeinschaft Holz. - Holzwirtschaftl. Verl. d. Arbeitsgemeinschaft Holz, Düsseldorf • von Halász R, Scheer K (1996) Holzbau-Taschenbuch - Band1: Grundlagen, Entwurf, Bemessung und Konstruktion. Berlin • Natterer J, Herzog T, Volz M (1991) Holzbau Atlas Zwei. Institut

• DIN EN 772-1 bis 20, Prüfverfahren für Mauersteine, Okt. 1998

für Internationale Architektur-Dokumentation, München. - Son-

• DIN 1164, Zemente mit besonderen Eigenschaften: Zusammenset-

derausgabe der Arbeitsgemeinschaft Holz. - Holzwirtschaftl. Verl.

zung, Anforderung, Übereinstimmungsnachweis, November 2000 • DIN EN 450, Steinkohleflugasche • DIN 398, Hüttensteine: Vollsteine, Lochsteine, Hohlblocksteine (weitgehende Anlehnung an die DIN 106 Kalksandsteine), Juni 1976 • DIN 1053-1, Mauermörtel Anhang • DIN 4226-1 bis 3, Gesteinskörnungen • DIN 1060 (Kalk) • DIN EN 197-1, Zement: Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien von Normalzement, Februar 2001 • DIN EN 197-2, Zement: Konformitätsbewertung, November 2000 • DIN 18550-1, Putz: Begriffe und Anforderungen, Januar 1985 • DIN 18550-2 , Putz: Putze aus Mörteln mit mineralischen Bindemit-

d. Arbeitsgemeinschaft Holz, Düsseldorf • Neuburger A (1919) Die Technik des Altertums. Voigtländers, Leipzig • Neuhaus H (1994) Lehrbuch des Ingenieurholzbaus. Teubner, Stuttgart • Nutsch W (2003) Holztechnik Fachkunde. Bearb. von Lehrern an beruflichen Schulen und Ingenieuren, Lektorat: Wolfgang Nutsch - 19. Aufl. - Verl. Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten • Pfeifer, Liebers, Reiners (1998) Der neue Holzbau : aktuelle Architektur, alle Bausysteme, neue Technologien. Callwey München • Scheidegger F (1990) Aus der Geschichte der Bautechnik, Band 1. Birkhäuser, Basel, Boston, Berlin • Scheer C, Muszala W, Kolberg R (1993) Der Holzbau, Material-

658

Anhang

Konstruktion-Detail. - 3. Aufl.- Verlagsanstalt Alexander Koch, Leinfelden-Echterdingen • www.fh-eberswalde.de

• DIN EN 572 Glas im Bauwesen – Basiserzeugnisse aus Kalk-Natronsilicatglas – Teil 7: Profilbauglas mit oder ohne Drahteinlage, September 2004 • DIN EN 572 Glas im Bauwesen – Basiserzeugnisse aus Kalk-Natron-

IV-3

Stahlprodukte

• Betschart AP (1993) Konstruieren mit Gusswerkstoffen. In: Bauen und Gestalten mit Stahl, S. 58 ff. Expert-Verlag, Ehningen • Brockmann G u.a. (1996) Stahlfaserbeton - Ein neuer Baustoff und seine Perspektiven. Verl. Moderne Industrie, Landsberg/Lech • dtv-Lexikon, Schlagwort: Eisen • Hart F, Henn W., Sonntag H (1982) Stahlbau Atlas. Inst. f. Internat. Architektur-Dokumentation, München • Häring S, Günthere K, Klausen K (2003) Technologie der Baustoffe. Handbuch für Studium und Praxis - 14., neu bearb. u. erw. Aufl. Müller, Heidelberg • Klöckner & Co AG (Hrsg.) (1996) Klöckner-Konstruktionshandbuch, Duisburg • Möller R (1993) Bauelemente aus Stahlblech. In: Bauen und Gestalten mit Stahl , S. 98 ff. Expert-Verlag, Ehningen • Petersen C (1994) Stahlbau. Grundlagen der Berechnung und baulichen Ausbildung von Stahlbauten - 3., überarb. u. erw. Aufl., korr. Nachdr..Vieweg, Braunschweig, Wiesbaden • Schneider K (Hrsg.) (2004) Bautabellen für Ingenieure - mit Berechnungshinweisen und Beispielen. 16. Aufl. Werner, München • Wendehorst R (1998) Baustoffkunde / begr. von R. Wendehorst. Hrsg.: D. Vollenschaar. 25., überarb. Aufl.. - Vincentz, Hannover

silicatglas – Teil 8: Liefermaße und Festmaße, August 2004 • DIN EN 572 Glas im Bauwesen – Basiserzeugnisse aus Kalk-Natronsilicatglas – Teil 9: Konformitätsbewertung/Produktnorm, Januar 2005 • DIN EN 673 Glas im Bauwesen, Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) – Berechnungsverfahren, Juni 2003 • DIN EN 1279 Glas im Bauwesen, Mehrscheiben-Isolierglas – Teil 1: Allgemeines, Maßtoleranzen und Vorschriften für die Systembeschreibung, August 2004 • DIN EN 1279 Glas im Bauwesen, Mehrscheiben-Isolierglas – Teil 2: Langzeitprüfverfahren und Anforderungen bezüglich Feuchtigkeitsaufnahme, Juni 2003 • DIN EN 1279 Glas im Bauwesen, Mehrscheiben-Isolierglas – Berichtigung zu DIN EN 1279-2, April 2004 • DIN EN 1279 Glas im Bauwesen, Mehrscheiben-Isolierglas – Teil 3: Langzeitprüfverfahren und Anforderungen bezüglich Gasverlustrate und Grenzabweichungen für die Gaskonzentration, Mai 2003 • DIN EN 1279 Glas im Bauwesen, Mehrscheiben-Isolierglas – Teil 4: Verfahren zur Prüfung der physikalischen Eigenschaften des Randverbundes, Oktober 2002 • DIN EN 1279 Glas im Bauwesen, Mehrscheiben-Isolierglas – Teil 5: Bewertung der Konformität, Oktober 2001 • DIN EN 1279 Glas im Bauwesen, Mehrscheiben-Isolierglas – Teil

IV-4

Glasprodukte

• Bundesinnungsverband des Glaserhandwerks (Hsg.): Technische Richtlinien des Glaserhandwerks, Nr. 1 Glaserarbeiten, Dichtstoffe für Verglasungen und Anschlussfugen, Düsseldorf, 2002

6: Werkseigene Produktionskontrolle und Auditprüfungen, August 2004 • DIN EN 1096 Glas im Bauwesen, Beschichtetes Glas – Teil 1: Definitionen und Klasseneinteilung, Januar 1999

• DIN EN 356 Glas im Bauwesen, Sicherheitssonderverglasung – Prüf-

• DIN EN 1096 Glas im Bauwesen, Beschichtetes Glas – Teil 2: An-

verfahren und Klasseneinteilung des Widerstandes gegen manuellen

forderungen an und Prüfverfahren für Beschichtungen der Klassen

Angriff, Februar 2000

A, B und S, Mai 2001

• DIN EN 410 Glas im Bauwesen, Bestimmung der lichttechnischen

• DIN EN 1096 Glas im Bauwesen, Beschichtetes Glas – Teil 3: An-

und strahlungsphysikalischen Kenngrößen von Verglasungen, De-

forderungen an und Prüfverfahren für Beschichtungen der Klassen

zember 1998 • DIN EN 572 Glas im Bauwesen – Basiserzeugnisse aus Kalk-Natronsilicatglas – Teil 1: Definitionen und allgemeine physikalische und mechanische Eigenschaften, September 2004 • DIN EN 572 Glas im Bauwesen – Basiserzeugnisse aus Kalk-Natronsilicatglas – Teil 2: Floatglas, September 2004 • DIN EN 572 Glas im Bauwesen – Basiserzeugnisse aus Kalk-Natronsilicatglas – Teil 3: Poliertes Drahtglas, September 2004 • DIN EN 572 Glas im Bauwesen – Basiserzeugnisse aus Kalk-Natronsilicatglas – Teil 4: Gezogene Flachglas, September 2004 • DIN EN 572 Glas im Bauwesen – Basiserzeugnisse aus Kalk-Natronsilicatglas – Teil 5: Ornamentglas, September 2004 • DIN EN 572 Glas im Bauwesen – Basiserzeugnisse aus Kalk-Natronsilicatglas – Teil 6: Drahtornamentglas, September 2004

C und D, Mai 2001 • DIN EN 1096 Glas im Bauwesen, Beschichtetes Glas – Teil 4: Konformitätsbewertung/Produktnorm, Januar 2005 • DIN 1249 Flachglas im Bauwesen – Teil 10: Chemische und physikalische Eigenchaften, August 1990 • DIN 1249 Flachglas im Bauwesen – Teil 11: Glaskanten; Begriff, Kantenformen und Ausführung, September 1986 • DIN 1249 (z. Z. Entwurf) Flachglas im Bauwesen – Teil 12: Einscheiben-Sicherheitsglas; Begriff, Maße, Bearbeitung, Anforderung • DIN EN 1863 Glas im Bauwesen, Teilvorgespanntes Kalknatronglas – Teil 1: Definition und Beschreibung, März 2000 • DIN EN 1863 Glas im Bauwesen, Teilvorgespanntes Kalknatronglas – Teil 2: Konformitätsbewertung/Produktnorm, Januar 2005 • DIN EN ISO 12543 Glas im Bauwesen, Verbundglas und Verbund-

Literaturverzeichnis

Sicherheitsglas – Teil 1: Definitionen und Beschreibung von Bestandteilen, August 1998 • DIN EN ISO 12543 Glas im Bauwesen, Verbundglas und VerbundSicherheitsglas – Teil 2/A1: Verbund-Sicherheitsglas, Dezember 2002

659

• Collins GR (1968) The Transfer of Thin Masonry Vaulting from Spain to America. In: Journal of the Society of Architectural Historians, Bd. 27, Nr. 3, 1968, S. 176-201) • Drüsedau, H (1983) Lufthallenhandbuch= Air hall handbook. IL 15. Institut für leichte Flächentragwerke, Universität Stuttgart (Hsg.).

• DIN EN ISO 12543 Glas im Bauwesen, Verbundglas und VerbundSicherheitsglas – Teil 3: Verbundglas, August 1998 • DIN EN ISO 12543 Glas im Bauwesen, Verbundglas und VerbundSicherheitsglas – Teil 4: Verfahren zur Prüfung der Beständigkeit, August 1998 • DIN EN ISO 12543 Glas im Bauwesen, Verbundglas und Verbund-Sicherheitsglas – Teil 5: Maße und Kantenbearbeitung, August 1998 • DIN EN ISO 12543 Glas im Bauwesen, Verbundglas und VerbundSicherheitsglas – Teil 6: Aussehen, August 1998 • DIN EN 1051 Glassteine und Betongläser • DIN 18175 Glassteine, Produktion • DIN 4243 Betongläser • Knaack U (1998) Konstruktiver Glasbau. Rudolf Müller, Köln • Sobek W (2002) Bauen mit Glas. Informationen für Bauherren, Architekten und Ingenieure. Bearb.: Institut für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren (ILEK). - 1. Aufl.. - Wirtschaftsministerium BadenWürttemberg, Stuttgart • Schittich C, Steib G, Balkow D, Schuler M, Sobek W (1998) GlasbauAtlas. Inst. für Internat. Architekturdokumentation, Edition Detail, München

Kraemer, Stuttgart • DE DIN 1055: Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 1: Wichten und Flächenlasten von Baustoffen, Bauteilen und Lagerstoffen; 2002 • DE DIN 1055: Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 2: Bodenkenngrößen; Entwurf, Februar 2003 • DE DIN 1055: Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 3: Eigen- und Nutzlasten für Hochbauten; Oktober 2002 • DE DIN 1055: Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 3-A1: Eigen- und Nutzlasten für Hochbauten; Änderung A1, Entwurf, Mai 2005 • DE DIN 1055: Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 4: Windlasten, März 2005 • DE DIN 1055: Lastannahmen für Bauten, Teil 5: Verkehrslasten, Schneelast und Eislast; Juni 1975 • DE DIN 1055: Lastannahmen für Bauten, Teil 5 A1: Verkehrslasten, Schneelast und Eislast; April 1994 • DE DIN 1055: Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 6: Einwirkungen auf Silos und Flüssigkeitsbehälter; März 2005 • DE DIN 1055: Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 7: Temperatureinwirkungen; November 2002 • DE DIN 1055: Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 8: Einwirkungen während der Bauausführung; Januar 2003

IV-5

Kunststoffprodukte

• Bauen mit Kunststoffen, Jahrbuch 2002, • Benedix R (1999) Chemie für Bauingenieure. Teubner, Stuttgart, Leipzig • Brockhaus Enzyklopädie, Stw. Polytetrafluorethylen; Stw. Polytetrafluoräthylenfasern; Stw. Polyurethanfasern • Volland K (1999) Einblicke in die Baustoffkunde für Architekten; Natursteine, Bindemittel - Zuschläge - Mörtel - Beton, künstliche Wandbausteine, Holz, Wärmedämmstoffe, Metalle, Glas, Kunststoffe, Dachbeläge, Estriche, Bodenbeläge - 1. Aufl.. - Werner, Düsseldorf

• DE DIN 1055: Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 9: Außergewöhnliche Einwirkungen; August 2003 • DE DIN 1055: Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 10: Einwirkungen infolge Krane und Maschinen; Juli 2004 • DE DIN 1055: Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 100: Grundlagen der Tragwerksplanung, Sicherheitskonzept und Bemessungsregeln; März 2001 • Herzog T (1976) Pneumatische Konstruktionen - Bauten aus Membranen und Luft. Hatje, Stuttgart • Moya Blanco L (2000) Bóvedas tabicadas, Madrid • Otto F (1990) Das hängende Dach. Gestalt und Struktur. Mit Nach-

V

FUNKTIONEN

V-1

Spektrum

worten von Frei Otto, Rainer Graefe u. Christian Schädlich. - Nachdr. d. 1954 im Bauwelt-Verl. ersch. Ausg. DVA, Stuttgart

• von Weizsäcker EU, Lovins AB, Lovins LH (1995) Faktor vier: dop-

V-3

Thermohygrische Funktionen

pelter Wohlstand - halbierter Naturverbrauch; der neue Bericht an

• Bläsi W (2004) Bauphysik. Europa-Lehrmittel

den Club of Rome. Droemer Knaur, München

• Biasin K u.a.(1991) RWE Energie Bau-Handbuch. Energie-Verlag, Heidelberg

V-2

Kraft leiten

• Berger H (1996) Light structures - Structures of Light - The Art and Engineering of Tensile Architecture. Birkhäuser, Basel, Boston, Berlin • Brinkmann G (1990) (Hsg.) Leicht und Weit - Zur Konstruktion weitgespannter Flächentragwerke. Weinheim

• Cziesielski E (Hrsg.)(2005) Bauphysik-Kalender 2005. Ernst & Sohn, Berlin • Daniels K (1991) RWE Technologie des ökologischen Bauens. Birkhäuser, Basel, Boston, Berlin • Gösele K, Schüle W (1989) Schall, Wärme, Feuchte. 9. überarb. Aufl. Bauverlag, Wiesbaden, Berlin

660

Anhang

• Lutz P, Jenisch R, Klopfer H u.a. (2002) Lehrbuch der Bauphysik. 5. überarb. Aufl. Teubner, Stuttgart • Zürcher C, Thomas T (2004) Bauphysik - Bau und Energie, Leitfaden und Praxis. vdf Hochschulverlag, Zürich

• DIN 4102, Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen, Teil 3: Brandwände und nichttragende Außenwände, Begriffe, Anforderungen und Prüfungen; Ausgabe September 1977 • DIN 4102, Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen, Teil 4: Zusammensetzung und Anwendung klassifizierter Baustoffe,

V-4

Schallschutz

• Becker K, Pfau J, Tichelmann K (1998) Trockenbau Atlas. Müller, Köln

Bauteile und Sonderbauteile; Ausgabe März 1994 • DIN 4102, Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen, Teil 4/A 1: Zusammensetzung und Anwendung klassifizierter Baustoffe,

• Bläsi W (2002) Bauphysik - 3. Aufl. - Haan-Gruiten : Verl. EuropaLehrmittel Nourney, Vollmer • DIN 4109, Schallschutz im Hochbau, Anforderungen und Nachweise; Ausgabe November 1989 • DIN 4109, Beiblatt 1/A1, Schallschutz im Hochbau, Ausführungsbeispiele und Rechenverfahren; Änderung A1; Ausgabe September 2003 • DIN 4109, Beiblatt 2, Schallschutz im Hochbau, Hinweise für Planung und Ausführung; Vorschläge für einen erhöhten Schallschutz; Empfehlungen für den Schallschutz im eigenen Wohnoder Arbeitsbereich; Ausgabe November 1998 • DIN 4109, Beiblatt 3, Schallschutz im Hochbau, Berechnung von R‘w,R für den Nachweis der Eignung nach DIN 4109 aus Werten des im Labor ermittelten Schalldämmmaßes Rw; Juni 1996 • DIN 4109/A1, Schallschutz im Hochbau, Anforderungen und Nachweise; Änderung A1; Ausgabe Januar 2001 • DIN EN ISO 717-1, Akustik – Bewertung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen, Teil 1 Luftschalldämmung; Jan.1997

Bauteile und Sonderbauteile; Änderung A 1; Ausgabe November 2004 • DIN EN 1634, Brandschutzverglasungen • Häger A (1996) Bautechnik und Brandschutz. Kohlhammer, Stuttgart, Berlin, Köln • Jäde H (2003) Musterbauordnung (MBO 2002). Textsynopsen der Fassungen Dezember 1997 und November 2002 mit Begründung. Beck, München • Klingsohr K (1997) Vorbeugender baulicher Brandschutz. 5. überabr. Aufl.; Dt. Gemeindeverl., Kohlhammer, Stuttgart • Löbbert A, Pohl KD, Thomas KW (2004) Brandschutzplanung für Architekten und Ingenieure. Mit beispielhaften Konzepten für alle Bundesländer. 4. überarb. Aufl.. - Müller, Köln • Promat-Handbuch Bautechnischer Brandschutz A2.1, 07/2003 • Promat-Glashandbuch Bautechnischer Brandschutz V2, 07/2003 • Schneider U (2004) Ingenieurmethoden im Baulichen Brandschutz. 3. neu bearb. und erw. Aufl. expert verlag, Renningen • Schüco-Broschüre Brand- und Rauchschutzsysteme, 01/2005

• DIN EN ISO 717-1/A1, Akustik – Bewertung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen, Teil 1 Luftschalldämmung, Ände-

V-6

rung 1: Rundungsregeln für Einzahlbewertungen und Einzahlanga-

• Innenministerium des Landes Baden-Württemberg (Hrsg.) (1990)

ben; Ausgabe August 2004 • DIN EN ISO 717-2, Akustik – Bewertung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen, Teil 2 Trittschalldämmung; Ausgabe Januar 1997 • DIN EN ISO 717-2/A1, Akustik – Bewertung der Schalldämmung

Dauerhaftigkeit

Eisen rostet - Informationen für Bauherren, Architekten und Ingenieure. Innenministerium des Landes Baden-Württemberg, Stuttgart • Frick, Nöll, Neumann, Weinbrenner (1992) Baukonstruktionslehre Teil1. B.G. Teubner, Stuttgart

in Gebäuden und von Bauteilen, Teil 2 Trittschalldämmung, Ände-

• Herzog T, Natterer J, Volz M (1991) Holzbau Atlas Zwei. Institut

rung 1: Rundungsregeln für Einzahlbewertungen und Einzahlanga-

für Internationale Architektur-Dokumentation, München. - Son-

ben; Ausgabe August 2004

derausgabe der Arbeitsgemeinschaft Holz. - Holzwirtschaftl. Verl.

• Gösele K, Schüle W (1985) Schall, Wärme, Feuchte. Bauverlag, Wiesbaden, Berlin • Lutz P, Jenisch R, Klopfer H, Freymuth H, Krampf, Petzold K (2002) Lehrbuch der Bauphysik, Schall – Wärme – Feuchte – Licht – Brand – Klima. Teubner, Stuttgart, Leipzig, Wiesbaden • Flachglas MarkenKreis GmbH (Hg.) (2003) GlasHandbuch

d. Arbeitsgemeinschaft Holz, Düsseldorf • Nürnberger U (1995) Korrosion und Korrosionsschutz im Bauwesen. Band 1 Grundlagen und Betonbau. Bauverlag, Wiesbaden , Berlin • Nürnberger U (1995) Korrosion und Korrosionsschutz im Bauwesen. Band 2 Metallbau und Korrosionsprüfung. Bauverlag, Wiesbaden , Berlin

V-5

Brandschutz

• DIN 4102, Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen, Teil 1: Baustoffe; Ausgabe Mai 1998 • DIN 4102, Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen, Teil 2: Bauteile, Begriffe, Anforderungen und Prüfungen; Ausgabe September 1977

• Warth O (1900) Die Konstruktionen in Holz. Leipzig

Bildnachweis

661

Alle hier nicht aufgelisteten Zeichnungen und schematischen Darstel-

II-3

Maßordnung

lungen wurden am Institut für Entwerfen und Konstruieren gezeich-

1

Murray P (1989) Weltgeschichte der Architektur - Renais-

Veröffentlichung derselben ist nur mit ausrücklicher Genehmigung

2

Le Corbusier (1985) Der Modulor, S. 51

erlaubt.

3

Mislin M (1988) Geschichte der Baukonstruktion und

net, welchem die Urheberrechte zustehen. Eine Reproduktion oder

sance, S. 27

Bautechnik, S. 17; dort Hinweis auf: Mackay, Proportion Squares in the Theban Necropolis, JEA

Trotz unserer großen Bemühungen bei der Bildrecherche blieben einige Bilder ohne Bildquellenangabe, weil es uns nicht gelang, die Autoren

4

Wittkower R (1983) Grundlagen der Architektur im Zeitalter

entschieden, auch diese Bilder im Buch einzusetzen. Wir bedanken uns

5

Quelle nicht ermittelbar

bei den unbekannten Eigentümern und bitten um ihr Verständnis.

49-57 Fritz Haller Bauen und Forschen GmbH

zu ermitteln. Im Interesse der Anschaulichkeit haben wir uns dennoch

des Humanismus, S. 179

59, 60 Konstruktionsbüro Gartner, Gundelfingen 62, 63 Kunstmuseum Basel, Renzo Piano II

STRUKTUR

II-1

Ordnung und Gliederung

1

III

STOFFE

Wittkower R (1983) Grundlagen der Architektur im Zeitalter

III-1

Materie

des Humanismus

1,2

Badische Stahlwerke, Kehl

2

Torroja E (2000) Logik der Form, S. 107

3

Prof. Dr.-Ing. habil. Ulf Nürnberger

3

IEK - Die Autoren

4

Christian Büchsenschütz

7

Koloniales Bildarchiv d. Universitätsbibliothek Frankfurt/M

21

Bräunlichs Geologieseite (http://www.kristallin.de/ge-

9

Stahl- Zentrum

10

Weller K (1989) Industrielles Bauen 2, S. 60

33 - 34 Alexandra Schieker

11

Stahl- Zentrum

35

Christian Büchsenschütz

12, 13

Möller R (1993) Bauelemente aus Stahlblech, S. 116, S. 117

41

Ivan Sgualdini

14

IEK - Die Autoren

42

Alexandra Schieker

15

Möller R (1993) Bauelemente aus Stahlblech, S. 115

43

Pfarr (1983) Geschichte der Bauwirtschaft, S. 23

16

Institut zur Förderung des Bauens mit Bauelementen aus

44

Quelle nicht ermittelbar

Stahlblech e.V. (1980) Stahltrapezprofil im Hochbau, S. 53

49

Julian Lienhard

50

Prof. Dr.-Ing. habil. Ulf Nürnberger

steine/minerale.htm)

II-2

Industrielles Bauen

51

Norvlit Werbeagentur, Düsseldorf

3, 4

Scheidegger F (1990) Aus der Geschichte der Bautechnik 1,

52

Rheinkalk GmbH, Wülfrath

S. 145, 116

78

BASF, 2002

Kimpel D, Suckale R, Ernstmeier-Hirmer I, Hirmer A (1995)

81

Alexandra Schieker

Die gotische Architektur in Frankreich, S. 369, S. 36

86

Gian Antonio d‘Addetta (2004) Discrete models for cohe-

solaren Architektur, S. 93

86

Eisner (2003) Elemente Chemie 1, S. 171

Scheidegger F (1990) Aus der Geschichte der Bautechnik 1,

87

Alexandra Schieker

S. 114

95

Gian Antonio d‘Addetta (2004) Discrete models for cohe-

96

Interpane Glasindustrie AG

103

Universität Stuttgart, Institut für Baukonstruktion 1, Prof.

5, 6 7 8 9

Behling S, Behling S (1996) Sol Power - Die Evolution der

sive frictional materials

Quelle nicht ermittelbar

10-11, 12 Scheidegger F (1990) Aus der Geschichte der Bautechnik 1, S. 131, S. 45 13

Picon A (1997) L‘art de l‘ingénieur, S. 143

14

Scheidegger F (1990) Aus der Geschichte der Bautechnik 1, S. 241

sive frictional materials

Peter Cheret, Fotografen: Ing.-grad. Hans-Joachim Heyer, Boris Miklautsch, Dipl.-Ing. Florian Heim 104

IEK - Die Autoren

15-17 Picon A (1997) L‘art de l‘ingénieur, S. 143

105

Prof. Dr.-Ing. habil. Ulf Nürnberger

18

Weller K (1985) Industrielles Bauen 1, S. 39

106

IEK - Die Autoren

19

Wachsmann K (1959) Wendepunkt im Bauen, S. 13

107

Christian Büchsenschütz

26

Betschart AP (1985) Neue Gusskonstruktionen in der Archi-

108-109 Berufsfeuerwehr 1 der Stadt Stuttgart

tektur, S. 69

662

Anhang

III-2

Werkstoff

20

Oederlin Giesserei AG, CH

1

Helmut Schulze-Trautmann

24

Schmiedel K (1993) Bauen und Gestalten mit Stahl, S. 70

2

Museum of Modern Art, New York, Katalog zur Ausstellung

34

Tilmann Raff

in Berlin 2004 3

Choisy A Histoire de l‘architecture

III-7

Bewehrter Beton

5

Christian Büchsenschütz

1

Martin Synold

7

Alexandra Schieker

4-6

IEK - Die Autoren

10

Wacker Construction Equipment AG Badische Stahlwerke GmbH, Kehl

III-3

Stein

11

1

Helmut Schulze-Trautmann

12

Faber C (1965) Candela und seine Schalen

8

Martin Synold

13

IEK - Die Autoren

10

IEK - Die Autoren

15

Saint Gobain

12 - 13 Alexandra Schieker

16

Schlaich, Bergermann & Partner

15

Klaas H, Schulz E (2002) Schädenfreies Bauen Bd.13, S.136

17

IEK - Die Autoren

22

Alexandra Schieker

18

Brockmann G, Dahl J, Hansel D, Jonas W, Riech H Stahlfa-

25

Lamprecht HO (1996) Opus Caementitium, Bautechnik der 19

IEK - Die Autoren

Römer, S. 28

serbeton, ein neuer Baustoff und seine Perspektiven, S. 40

31, 32 IEK - Die Autoren

20,21 König G, Holschermacher K, Dehn F Selbstverdichtender

III-4

Beton

22, 23 Phaeno Science Center Wolfsburg, Bauherr: Stadt Wolfs-

1

Helmut Schulze-Trautmann

burg vertreten durchNeuland Wohnungsgesellschaft mbh,

2

Sinn (1994) Und machten Staub zu Stein, S. 172

Wolfsburg, Architekten: Architektengemeinschaft Science

3

Prof. Dr.-Ing. habil. Ulf Nürnberger

Center Wolfsburg, Zaha Hadid ltd & Mayer Bährle freie Ar-

4

Quelle nicht ermittelbar

chitekten bda

6-11

IEK - Die Autoren

III-5

Holz

1

Miller, Merrell (2000) Häuser aus Holz, S. 21

2-4

Christian Büchsenschütz

Beton

III-8

Kunststoff

6

Institut für Werkstofftechnik und Werkstoffprüfung, Univer-

7

CPA Ingenieurbüro für Kunststofftechnik und Faserver-

sität Magdeburg

15, 17 Manuela Fernandez - Langenegger 20

bundwerkstoffe (http://www.cp-analytik.de.jpg)

Gebr. Thonet GmbH, Frankenberg, Eder

21, 23 Manuela Fernandez - Langenegger

III-9

Glas

1

Glasfabrik Lamberts GmbH & Co. KG

III-6

Stahl

6

http://www.frankenfilter.de/ produkte/prozesst.html

1, 2

Neuburger A Die Technik des Altertums, S. 27, S. 29

7

Deutsches Museum, Bonn

4

Hüttenwerke Krupp, Mannesmann

8

Fachbereich Architektur, Technische Universität Darmstadt

5

Stahl - Zentrum

12

Interpane Glasindustrie AG

6

Petersen Ch (1994) Stahlbau, S. 55

13, 14 Okalux GmbH

7

Hüttenwerke Krupp Mannesmann

15

Brüder Eckelt & Co. Glastechnik GmbH

8

Badische Stahlwerke GmbH, Kehl

16

Verroplan, Ingenieurbüro für Glasanwendungen

10

Klingsohr (1997) Vorbeugender baulicher Brandschutz S. 31

11

Schlaich J, Bergermann R (2003) leicht weit - light struc-

IV

BAUPRODUKTE

tures, S. 230 12

Hüttenwerke Krupp, Mannesmann

IV-1

Künstliche Steine

13

Picon A (1997) L‘art de l‘ingénieur, S. 183

2, 3

IEK - Die Autoren

14

Stahlhammer Bommern, Gebr. Schneider KG, Hamm

8-16

Wienerberger Ziegelindustrie GmbH

15

Stahlwerke Bremen GmbH

17-20 Kalksandstein Informations-GmbH

16

Schmiedel K (1993) Bauen und Gestalten mit Stahl, S. 116

21-24 Bundesverband Porenbeton

17

BLETEC Blechverarbeitung GmbH, Eschenburg

25-28 IEK - Die Autoren

18

Institut für Metallurgie, TU Clausthal

30-34 Wienerberger Ziegelindustrie GmbH

Bildnachweis

663

35 - 39 Sto AG

43

40

IEK - Die Autoren

49, 50 Saint Gobain Deutsche Glas

wie Abb. 31

42

Wienerberger Ziegelindustrie GmbH

43

Kalksandstein Informations-GmbH, Knauf Gips KG

IV-5

Kunststoffprodukte

44-45 Sto AG

1

OBS Begrünungssysteme (http://www.obs.de)

46

2

Waldservice Wittgenstein (http://www.rentkammer-witt-

3

http://www.shop.woge-aktiv.de

Informationsdienst Holz

47, 51 Sto AG

genstein.de/waldservice)

IV-2

Holzprodukte

4

F. Jannone AG, Leister Vertrieb (http://www.jannone.ch)

1

Neuburger (1919) S. 71

5

Aidt Miljø A/S, Kongenbrovej (http://www.aidt.dk)

2

Quelle nicht ermittelbar

12

BASF AG

3

IEK - Die Autoren

13

Hans Fischer Kunststoffverarbeitungs-GmbH, Köln

14

Gutta Werke GmbH

Peter Cheret, Fotografen: Ing.-grad. Hans-Joachim Heyer,

16

Rae Systems Inc.

Boris Miklautsch, Dipl.-Ing. Florian Heim

19

HEWI Deutschland, Bad Arolsen

Informationsdienst Holz

21

Friedrich Stier GmbH & Co KG, Frankfurt/Main

19-29 wie Abb. 13

22

www.exporevue.com/magazine/fr/panton_verner.html

31, 34, 35 Informationsdienst Holz

23

Designerlampe.com

13, 14, 17 Universität Stuttgart, Institut für Baukonstruktion 1, Prof.

18

24

Gutta Werke GmbH

IV-3

Stahlprodukte

25

Plustape Co. Ltd., Korea

1

Werner E (1980) Technisierung des Bauens, S. 12

26

QBM Distributors Ltd.

2

Reuleaux F (1886) Chemische Behandlung der Baustoffe

27

http://www.d-no.de

3

Dickmann (1967) Eisen bewegt die Welt

28

Fiberdur-Vanck (http://www.fbv.fh-frankfurt.de)

4

wie Abb. 2, S. 86

29

Essmann GmbH, Bad Salzuflen

5

Stahl-Zentrum

30

goebel fliesen gmbh (http://www.goebel-fliesen.de)

8

Badische Stahlwerke Kehl

13

Möller R (1993) Bauelemente aus Stahlblech, S. 116

V

FUNKTIONEN

V-5

Brandschutz

32

DuPont Performance Coatings GmbH & Co. KG

26-28 IEK - Die Autoren

V-6

Dauerhaftigkeit

29

1

Alexandra Schieker

2

IEK - Die Autoren

19, 20 Schlaich, Bergermann & Partner 21-23 Betschart AP (1985) Neue Gusskonstruktionen in der Architektur, S. 24-26 24-25 Badische Stahlwerke Kehl Schlaich, Bergermann & Partner

IV-4

Glasprodukte

3, 7, 11 Prof. Dr.-Ing. habil. Ulf Nürnberger

1

Quelle nicht ermittelbar

12, 13 IEK - Die Autoren

2

Tilmann Raff

19-21 Prof. Dr.-Ing. habil. Ulf Nürnberger

3

Hedrich Blessing Photographers

24

IEK - Die Autoren

6

Glasfabrik Lamberts GmbH & Co. KG

25

Prof. Dr.-Ing. habil. Ulf Nürnberger

7

Quelle nicht ermittelbar

26, 27 Quelle nicht ermittelbar

15-18 Okalux GmbH

28, 29 Prof. Dr.-Ing. habil. Ulf Nürnberger

21, 22 Fink + Jocher, München

31, 32 IEK - Die Autoren

23, 24 Okalux GmbH

33-41 Prof. Dr.-Ing. habil. Ulf Nürnberger

25

Steindl Glas GmbH

42-44 Wirtschaftsministerium Baden Württemberg Holzschutz,

26

Quelle nicht ermittelbar

29

Interpane Glas Industrie AG

31

Glasfabrik Lamberts GmbH & Co. KG

32

Glasbau Hahn

Seite16 / Archiv Grosser, München 45

Wirtschaftsministerium Baden Württemberg Holzschutz, S.

46

Warth O (1900) Die Konstruktionen in Holz

33, 34, 37, 38 wie Abb. 31

52

IEK - Die Autoren

40, 41 Saint Gobain Oberland AG / Division Bauglas

54

Wirtschaftsministerium BW Holzschutz, S. 24

34 / Archiv BFH, Hamburg

Sponsoren

665

Für die freundliche Unterstützung durch die Freigabe von Architecural Desktop Software bedanken wir uns recht herzlich bei Autodesk® Niederlassung München. Für die freundliche Freigabe von Fotos, Planunterlagen und Detailzeichnungen gilt unser bester Dank an: Architekten und Ingenieure: Atelier 5, Bern, CH, Prof. Fritz Haller, Bauen und Forschen GmbH, Solothurn, CH, Prof. Dr.-Ing. Jörg Schlaich, SBP Stuttgart, Prof. Peter C. von Seidlein, Prof. Dr.-Ing. habil. Ulf Nürnberger, Prof. Peter Cheret, Institut für Baukonstruktion 1, Uni Stuttgart, Dr.-Ing. Annette Bögle,

Freisinger Fensterbau GmbH, Ebbs, Österreich

Hermann + Bosch, Freie Architekten BDA, Stuttgart, Christian Büch-

Glasfabrik Lamberts GmbH & Co. KG, Wunsiedel - Holenbrunn

senschütz, Magdalene Jung, Manuela Fernandez - Langenegger, Julian

Gutta Werke GmbH, Schutterwald

Lienhard, Tilman Raff, Alexandra Schieker, Elisabeth Schmitthenner,

Halfen - Deha Vertriebsgesellschaft mbH, Langenfeld

Helmut Schulze-Trautmann

Hüttenwerke Krupp Mannesmann, Duisburg Ing. Erwin Thoma Holz GmbH, Goldegg, A

Stiftungen und Organisationen:

Interpane Glasindustrie AG, Lauenförde

Brandenburgisches Landesamt für Denekmalpflege und

Joh. Sprinz GmbH & Co., Ravensburg

Archäologisches Landesmuseum, Zossen

Josef Gartner GmbH, Gundedlfingen

Bundesverband der Deutschen Kalkindustrie e.V.. Köln

Knauf Gips KG, Iphofen

Deutsches Architekturmuseum Frankfurt, Dr. Voigt

Lignatur AG, Waldstatt, CH

Feuerwache 1 Stuttgart

maxit Deutschland GmbH, Breisach

Informationsdienst Holz

Okalux GmbH, Marktheidenfeld

Stiftung Archiv der Akademie der Künste, Abteilung Baukunst, Berlin

PERI GmbH Schalung und Gerüste, Weißenhorn

Stahl - Zentrum, Düsseldorf

Pfeifer Holding GmbH & Co. KG, Memmingen

Studiengemeinschaft Holzleimbau e.V., CTT Council of Timber Tech-

Promat GmbH, Ratingen

nologie, Wuppertal

Rehau AG + Co. Rehau

Verein Süddeutsche. Kalksandsteinwerke e.V., Bensheim

Rheinzink, GmbH & Co.KG, Datteln

Ziegel Zentrum Süd e.V., München

Saint Gobain Glasindustrie Division Bauglas, Wirges Saint Gobain Deutsche Glas GmbH, Kiel

Firmen:

Schaefer Kalk GmbH & Co. KG, Diez

Adolf Würth GmbH & Co.KG, Künzelsau-Gaisbach

Schneider Fensterbau GmbH &Co.KG, Stimpfach

Badische Stahlwerke GmbH, Kehl

Schöck Bautele GmbH, Baden-Baden

Bauglasindustrie GmbH, Schmelz/Saar

Schüco International KG, Bielefeld

Bohrenkömper GmbH, Bünde

SFS intec AG, Heerbrug, CH

Cobiax Technologies AG, Darmstadt

Stahlton AG, Zürich, CH

Corus Bausysteme GmbH, Koblenz

Stahlwerke Bremen GmbH, Bremen

Dow Deutschland GmbH & Co. KG, Stade

Sto AG, Stühlingen

DuPont Performance Coatings GmbH & Co. KG, Vaihingen / Enz

Verlag Bau + Technik, Düsseldorf

Erlus AG, Neufahrn/NB

Vdd Industrieverband Bitumen- Dach- und Dichtungsbahnen e.V.,

Eternit AG, Heidelberg

Frankfurt am Main

Finnforest Deutschland GmbH, Bremen

WERU AG, Rudersberg

Finnforest Merk GmbH, Aichach

Wienerberger Ziegelindustrie GmbH, Hannover

Fischer Holding GmbH & Co. KG, Waldachtal

Xela International GmbH, Duisburg