Kunst
Grundlagen der Baustatik: Statik, Lasten, Spannungsformen
Errichtung eines HausesStahl gehört zu den Grundbaustoffen moderner Architektur.Bauwerke müssen oft großen Lasten widerstehenDruckspannung an einer Säule und Zugspannung an einem verdrillten StahlseilScherspannungWalt Whitman Bridge (Delaware River)Konstruktion eines Fachwerkträgers, quadratisches Gerüst und Tragverhalten eines Balken

Statik, Festigkeitslehre, Lasten
Statik und Festigkeitslehre bilden die wissenschaftlichen Grundlagen der Bautechnik.

Baustoff
Druckfestigkeit
Zugfestigkeit
Hochbaustahl
30 000 N/cm
60 000 N/cm
Gusseisen
80 000 N/cm
20 000 N/cm
Granit
15 000 N/cm
580 N/cm
Beton
4 000 N/cm
300 N/cm
Nadelholz
3 000 N/cm
7 000 N/cm

Die auf ein Bauwerk einwirkenden inneren und äußeren Kräfte bezeichnet man als Lasten. Man unterscheidet:


Bauwerke müssen oft großen Kräften widerstehen und ihnen doch standhalten. Als Grundlage der Bautechnik gelten Trägheits- und Wechselwirkungsgesetz (erstes und drittes Newtonsches Axiom).

Spannungsformen
Die o. g. Gesetze sind die Grundlage für die Ermittlung von Spannungen und Formänderungen an Bauwerken bzw. ihren Bauteilen. Die auf einen Körper wirkenden Lasten/ Kräfte rufen in diesem Spannungen hervor, die ein Maß für die inneren Kräfte sind. Unter Dehnung oder Stauchung versteht man die Größe der von der auftretenden Spannung hervorgerufenen Verformung. Man unterscheidet verschiedene Spannungsformen:

Druckspannungen bewirken, dass Körper zusammengedrückt - gestaucht - werden und sich dabei möglicherweise verkürzen. Diese Spannungsart tritt bei allen Bauwerken - von den Pyramiden bis zu modernen Hochhäusern - auf, denn sie wird durch das Eigengewicht und eventuelle Zusatzbelastungen ausgelöst (Bild 3). Eine aufrecht stehende Stütze, auf die eine senkrechte Kraft wirkt, ist stets druckbelastet (Bild 4). Sie widersteht der Belastung, wenn ihr Querschnitt genügend groß ist und geeignetes Material verwendet wurde. Marmor, Granit und Beton besaßen bis zur Einführung von Stahl die höchste Druckfestigkeit.

Zugspannungen entstehen durch sogenannte Zugbeanspruchung und bewirken die Verformung von Körpern, indem sie diese dehnen. Sie haben besondere Bedeutung seit der Verwendung von Stahlkabeln (Bild 4) zum Bau von Hängebrücken, Zeltdächern für Stadien und Flughafenterminals.

Von Scherspannung spricht man, wenn zwei gleich große entgegengesetzt gerichtete Kräfte so auf einen Körper wirken, dass sich die innere Ebene gegeneinander verschiebt oder zu verschieben versucht (Bild 5).

Bauwerke sind häufig Variationen und Überlagerungen dieser drei Spannungsarten ausgesetzt (Bild 6). Die Statiker müssen nicht nur wissen, welche Spannungen wann auf einzelne Elemente eines Bauwerkes wirken, sondern auch berechnen, mit welchen Baustoffen und Konstruktionsformen Kräfte und Spannung in ausgeglichenem Zustand gehalten werden können. Bestimmte Konstruktionsformen halten bestimmten Spannungen besser stand als andere. So sind z. B. Stützen und Träger zur Aufnahme von Druckspannungen sehr gut geeignet und jahrhundertelang benutzt worden. Das Problem bestand darin, dass man zum Abfangen eines großen, schweren, waagerechten Trägers viele senkrechte Stützen benötigte ("Säulenhalle" in Karnak, Parthenon in Athen). Jahrhundertelang konnte man z. B. aus statischen Gründen keine großen Innenräume stützenfrei überspannen. Erst mit der Erfindung des sogenannten Gussmauerwerkes im antiken Rom wurde das durch den Kuppelbau möglich.

In Abhängigkeit von der Funktion des Bauwerkes werden die Probleme der Lasten und Kräfte statisch berechnet. Die statische Berechnung der Bauteile und die Festigkeit der verwendeten Materialien haben Konsequenzen auf Konstruktion bzw. Dimensionierung der Bauteile und die Ästhetik der Architektur (Bild 7). Vier Grundaufgaben sind zu berücksichtigen:

Überspannen Stützen Aussteifen Gründen

horizontaler, geneigter oder gekrümmter oberer Raumabschluss:

Balken und Platten, Hängewerke, Bogen, Gewölbe und Kuppeln, Faltwerke und Schalen

stabförmige Trage-
elemente:

Säulen, Pfeiler;

flächige Trage-
elemente:

Stütze und Wand, Rahmen

Ableitung von horizontalen Lasten (Wind, Erddruck, Anprallasten):

Scheiben, Rahmen, Fachwerke, Abspannungen

Lasten in den Baugrund durch Gründungs-
körper ableiten:

Flach-
gründungen, Tief-
gründungen.

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