Bauweisen. Bauweisen Geschichte, Werkstoffe, Eigenschaften 1/10. Bauhaus Universität Weimar Entwerfen und Baukonstruktion

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1 Geschichte, Werkstoffe, Eigenschaften 1/10 Höhlenmalerei Pferd, ca v. Chr., Lascaux, Frankreich Man wird am besten zu einer Erkenntnis gelangen, wenn man die Dinge vom Ursprung her in ihrem Werden und Wachsen betrachtet. (Aristoteles, v. Chr.) Die ständige Verfeinerung in der Technik der und die Suche nach immer neuen Möglichkeiten durch neue Baumaterialien begründen die Entwicklung der Architektur seit Beginn der Menschheit. Wurden anfänglich noch natürlich geschaffene Behausungen zum Schutz gewählt, wie z. B. Höhlen, so hatten bereits die nomadisch lebenden Menschen die Möglichkeit des Zeltbaus entwickelt mit einer hölzernen Unterkonstruktion, auf der eine Bespannung aufgezogen wurde. Mit den ersten sesshaften Menschen (ca v. Chr.) entstand der erste Ständerbau aus Holz, der zunächst auch nur bekleidet wurde mit Fellen und Zweigen. Später begann man die Ständerkonstruktion auszufachen mit Lehm. Es entwickelten sich parallel die ersten Ziegelbauten aus Lehm. Die frühen Hochkulturen entstanden und mit ihnen die Fähigkeit, repräsentative Gebäude der Macht zu errichten. Es entwickelten sich, je nach Stand der technischen Möglichkeiten, verschiedene Baukulturen. Die konstruktiven Techniken wurden verfeinert. Durch die Entwicklung neuer Techniken des Stahl- und Stahlbetonbaus entstanden neue Möglichkeiten des Konstruierens. Der römische Architekt und Theoretiker Vitruv entwickelte 3 KRITERIEN, denen ein Gebäude Rechnung tragen müsse und die auch heute noch Gültigkeit besitzen: Firmitas = Festigkeit Utilitas = Nützlichkeit Venustas = Schönheit bezeichnet die sinnfällige Baukonstruktion eines Hauses unter Berücksichtigung der Eigenschaften des verwendeten Baustoffes und dessen Möglichkeiten, die sich daraus ergeben. Die Kategorisierung Bauweise kann Bezeichnung für ganz unterschiedliche Eigenschaften eines Bauwerkes sein: 1) Konstruktion und Die Art der tragenden Systeme, der Primärstruktur und die Art der Raumbildung (Massivbauweise, Schotten- und Scheibenbauweise, Skelettbauweise) gibt keine spezifische Materialeinteilung vor, sondern bezeichnet die konstruktiven Merkmale, die auch mit verschiedenen Baustoffen erfüllt werden können. 2) Material und Die verwendeten Materialien und deren Eigenschaften, hinsichtlich bauphysikalischer und statischer Belange, geben bestimmte vor, die materialspezifisch entwickelt wurden im Laufe der Zeit. (Holz-, Backstein-, Beton-, Stahl-, Lehmbauweise). Diese Form der Dialektik zwischen Konstruktion und verwendetem Material bildet den wesentlichen Teil des Begriffes. Grundsätzlich sind für die Funktion eines Gebäudes zwei Dinge notwendig: - Die tragende Konstruktion, die Standsicherheit eines Gebäudes. - Die klimatische Hülle, der Raumabschluss nach außen mit dämmenden Anforderungen. In neuerer Zeit kommt der Schall- und Brandschutz dazu. Hinsichtlich dieser Punkte spielen die Leistungsfähigkeit der verwendeten Baustoffe und den für sie typischen Konstruktionen hierbei die entscheidende Rolle. Das Material wird gemäß seinen Eigenschaften für bestimmte Konstruktionen verwendet. Griechischer Tempel Segesta Tempel, Sizilien, 5 Jh. v. Chr.

2 Geschichte, Werkstoffe, Eigenschaften 2/10 Statik Kräfte und Lasten Die Kräfte, die auf ein Bauteil einwirken und die im Inneren des Bauteils Spannungen erzeugen, werden unterschieden in folgende Kategorien: Zug, Druck, Scheren, Schub, Torsion, Biegung. a) b) c) d) e) f) Kräftearten a) Zug b) Druck c) Scheren d) Schub e) Torsion f) Biegung Standsicherheit Bauwerke müssen in statischer Hinsicht so errichtet werden, dass sie standsicher sind. Das bedeutet, ihre einzelnen Bauteile müssen so dimensioniert sein, dass alle Beanspruchungen Lasten und Kräfte sicher über die Fundamente auf den Baugrund übertragen werden. Dabei ist für die Standsicherheit von Wand- und Skelettbauten wichtig, dass die Bauteile eingespannt bzw. ausgesteift sind. Ein Gebäude ist, grundrisslich betrachtet, in 2 Richtungen auszusteifen (s.s. 4). Aussteifung Bezeichnung für Maßnahmen der Stabilisierung von Bauteilen über seitlich wirkende Stützung, z. B. das statische Zusammenwirken von senkrecht gegeneinander gesetzten und fest miteinander verbundenen Scheiben oder Platten. Gelenkige Stützen, die nicht eingespannt sind, müssen z. B. durch Zugbänder ausgesteift werden. Standsicherheit Schwerkraftmauer, eingespannte Stahlbetonwand, Mauern zwischen Stahlstützen Aussteifende Wirkung durch Geometrie Aussteifende Wirkung durch Diagonalen

3 Geschichte, Werkstoffe, Eigenschaften 3/10 Konstruktive Traditioneller Massivbau Pueblo Mesa Verde, Colorado Konstruktive Als grundsätzlich verschiedene Arten der konventionellen (Wohn- und Bürohäuser) seien der Wand- oder Massivbau und der Skelettbau und die sich daraus ergebenden Mischkonstruktionen, die sogenannten Grundkonstruktionen, genannt. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von Ingenieur-Konstruktionen, die im weiteren Sinne ebenfalls dem Bereich des Skelettbaus zugeordnet werden (Weitgespannte Konstruktionen, Flächentragwerke etc.) auf die nur am Rande eingegangen werden soll. Die beiden Massivbau und Skelettbau definieren in ihrer Bezeichnung - das Verhältnis von Tragwerk und Hülle, im Wandbau vereint, im Skelettbau getrennt, in unterschiedliche Bauteile. Das Tragen wird entweder über die Außenwand oder, wie im Skelettbau, über Stützen (innenliegend) ermöglicht. - die unterschiedliche Art der Lastabtragung. - die unterschiedliche Art der Raumbildung, durch tragende/nichttragende Bauteile. Massivbau Ein und dasselbe Element erfüllt die Aufgabe des Tragens und des Raumabschlusses. Die Elemente sind vorwiegend druckaufnehmend, d. h. gefügte Konstruktionen aus natürlichen oder künstlichen Steinen. Massivbauweise kann mit verschiedenen Baustoffen und den damit verbundenen Konstruktionsarten erstellt werden. Gebräuchlich sind Mauerwerk oder Betonbauweise. Skelettbauten Auflösung der Wand zur Stütze. Die Aufgaben des Tragens und des klimatischen Raumabschlusses wird von verschiedenen Elementen erfüllt. Während im Wandbau Hülle und Tragwerk ein Bauteil sind, funktionieren im Skelettbau diese Grundfunktionen unabhängig voneinander. Der Werkstoff Holz hat die Anfänge des Skelettbaus begründet. Das liegt in der Natur der Holz- Ständerbauweise. Schon in der Antike wurde die Stützenkonstruktion anstelle der Wandbauweise gewählt. Im Mittelalter war es gestalterisches Anliegen der Baumeister, die Querschnitte der Stützen im gotischen Kathedralenbau extrem zu minimieren. Durch die Entwicklung des Stahlbetons in der Mitte des 19. Jahrhunderts wurde die Skelettbauweise im Profanbau vermehrt angewandt. Industriehallen bestehen überwiegend aus Stützen und Trägern oder aus Rahmen, die durch aussteifende Verbände oder Scheiben untereinander verbunden sind. Die Konstruktion betrifft nur minimierte, tragende Teile. Die Hülle wird durch Sekundärkonstruktionen, d. h. nicht tragende Teile erstellt. Die Vorteile eines Skelettbaus gegenüber dem Massivbau sind: - Mehr Stockwerke durch geringere Eigenlast der punktuell zusammengefassten Tragstruktur. Ökonomischere Dimensionierung der Bauteile. - Unabhängigkeit der Raumtrennung vom Tragwerk. Flexibilität der Raumaufteilung. Grundsätzlich eignen sich für Skelettbaukonstruktionen alle Materialien, die Zug- und Druckkräfte aufnehmen können. Besonders Stahl und Stahlbeton kommen zum Einsatz. Wandbau Skelettbau Skelettbau in der Antike Basilika Tempel, Paestum, 4. Jh. v. Chr.

4 Geschichte, Werkstoffe, Eigenschaften 4/10 Tragwerke über größere Spannweiten Rahmensteife Knoten Eingespannte Stützen Aussteifung mit Diagonalkreuzen Statik im Skelettbau Eine Stützenkonstruktion, wdie Lasten in der Vertikalen punktförmig abträgt, ist in hohem Maße anfällig gegen horizontal angeifende Kräfte, wie z. B. Windkräfte. Um diese Kräfte abzufangen, muss das Gebäude ausgesteift sein. Es gibt 4 Systeme, die eine steife Konstruktion gewährleisten: - Biegesteife Ausbildung der Rahmenknoten (Stütze/Träger). - Eingespannte Stützenkonstruktion. - Aussteifende Wände oder Auskreuzungen an den Seiten des Gebäudes. - Die Anordnung eines massiven Kerns innerhalb des Gebäudes. Das Raster im Skelettbau Im Skelettbau wird häufig ein Ordnungsraster für die Planung verwendet.diese Systematik dient der Vereinfachung des Bauvorgangs. Ziel ist es, ein möglichst neutrales Rastermaß anzuwenden, was den räumlichen Bedürfnissen des Gebäudes Rechnung trägt. Die häufigsten Rastermaße liegen zwischen 1,20 m 1,75 m. Mischsysteme Häufig werden Kombinationen aus verschiedenen Prinzipien des Massiv- bzw. Skelettbaus gebildet, um den räumlichen Ansprüchen eines Gebäudes genüge zu tun. Je nach Anforderung werden die jeweils leistungsfähigen Materialien zur Anwendung gebracht. Je komplexer eine Gebäudeanforderung ist, desto eher haben wir es mit Mischsystemen zu tun. Vermittlungskonstruktion bei großen Spannweiten Große Spannweiten erfordern häufig das Prinzip der Vermittlungskonstruktion. Sie dienen dazu, große Spannweiten in sinnvolle Konstruktionsschritte soweit zu reduzieren, dass auch der schwächste Konstruktionsteil nicht überfordert wird. Es findet eine Unterscheidung in primäre, sekundäre und tertiäre tragende Elemente statt. Die Unterteilung kennzeichnet die Wichtigkeit der tragenden Elemente bezüglich der abzutragenden Lasten, also Haupt- und Nebenlasten. Hierbei wird für das Dach oft eine Vermittelnde Konstruktion, also hierarchisch gefügte Systeme aus einzelnen Stäben gewählt, weil sie am effizientesten, materialsparendsten die Anforderungen an das Dach erfüllt. Eine andere Möglichkeit ist eine ebene, massive Platte auszubilden, die die statischen Anforderungen erfüllt. Spannweiten im Mauerwerk Einen über einer Öffnung liegender Balken oder Stein, der die Last überbrückt, nennt man Sturz. Das Bauteil wird auf Biegung beansprucht, d. h. es entstehen im oberen Bereich Druck- und im unteren Bereich Zugkräfte. In der Mauerwerkstechnik, in der nur druckbelastete Tragelemente Anwendung finden, wurden daraufhin der Bogen, Gewölbe und Kuppel entwickelt (s. Decken). Statische Höhe Tragende horizontale Bauteile, wie Träger oder Binder, werden statisch nach ihrer Höhe entgegen der wirkenden Last bemessen. Je größer die statische Höhe ist, desto größere Spannweiten können überspannt bzw. größere Lasten aufgenommen werden. Steife Konstruktionsarten im Skelettbau Kernaussteifung Ingenieurskonstruktionen Im Weiteren existieren sogenannte Ingenieurskonstruktionen, die über große Spannweiten spannen können und in ihren Materialquerschnitten optimal an die jeweilige Situation angepasst sind. Raster im Skelettbau Vermittlungskonstruktion Statische Höhe

5 Geschichte, Werkstoffe, Eigenschaften 5/10 Material und Holzbau Der natürliche Werkstoff Holz hat neben seinen physikalischen und mechanischen Eigenschaften auch Eigenschaften, die die Sinne des Menschen ansprechen. Holz ist weich, warm und haptisch angenehm gegenüber Stahl, Beton oder Ziegel. Holz darf nicht feucht liegen und muss belüftet werden. Holzbau ist eine Skelettbauweise. Der Werkstoff Holz bietet folgende Vorteile: - Gute Dämmeigenschaften, - Günstiges Verhältnis von Gewicht und Festigkeit (Tragfähigkeit). Nachteilig ist die die leichte Entflammbarkeit. in Holz In der Geschichte des Bauens wurden anfänglich einfache Flechtwerk-Konstruktionen aus Ästen mit Baumrinde oder Zweigen bedeckt, oder auch mit Fellen verkleidet. Im Laufe der Jahrhunderte entwickelten sich verschiedene Holzbauweisen. Im Fachwerkbau (ab 13. Jh) wird ein tragendes Gerüst aus Hölzern erstellt. Nach Bedarf werden Außen- und Innenwände durch Ausfachungen hergestellt. Seit etwa 40 Jahren findet eine wiederkehrende umfangreiche Entwicklungs- und Forschungsarbeit statt und markiert den Übergang vom konventionellen Holzbau zum Ingenieur-Holzbau, der Stahl als Verbindungselement einbezieht. Neue Leimtechniken ermöglichten z. B. den Brettschichtträger, der über große Spannweiten trägt. Die Holzbauweise ist ein typischer Vertreter des Skelettbaus. Holz als Fertigteil Im Montagebau werden vorgefertigte, transportable Bauelemente auf die Baustelle gebracht, um sie dann innerhalb kurzer Zeit zusammenzusetzen. Damit wird die Hauptarbeit von den witterungsabhängigen Baustellen in geschützte Werkhallen verlagert und ein höherer Transportaufwand in Kauf genommen. Im Holztafelbau werden Wandelemente für Außen- und Innenwände als geschosshohe Tafeln von 1,00 bis 1,25 m Breite hergestellt. Eine weitere typische Konstruktion ist der Holzständerbau (Plattform-, Balloonbauweise). (s. Holzbau) Als nichttragende Fertigbauteile werden Holzwerkstoffe hergestellt. Zu ihnen zählen auch industriell gefertigte plattenförmige Produkte, die durch Verpressung mit zerkleinertem Holz in Form von Furnieren, Spänen oder Fasern und einem Klebstoff hergestellt werden. Flechtwerk Fachwerk Moderne Holzbauweise Meili & Peter, Holzfachschule in Biel, Schweiz 1993