Allgemein :
Fundamente haben die Aufgabe, das Gewicht des Bauwerks auf den Boden zu
übertragen. Die dabei unweigerlich auftretenden Senkungen (Setzungen)
des Bauwerks sollten gleichmäßig erfolgen. Außerdem sollte
es "möglichst" an seinem Ort stehen bleiben ("Grundbruchsicherheit").
Die Bemessung der Fundamente richtet sich nach der Belastbarkeit des Bodens.
Diese wiederum ist abhängig von Grundwasser (-druck) und Frostgefahr,
Anteil an Feinstkorn (bindiger / nichtbindiger Boden), der Sieblinie (Kornverteilung)
und anderen Faktoren. Zuerst muß also immer der Baugrund eingeschätzt
werden. In gewisser Weise ist dies tatsächlich eine Schätzung,
da man einige Faktoren einfach nicht vorhersehen oder gar messen kann.
Die Fundamente müssen so großflächig ausgeführt werden,
daß der Boden sich nicht zu stark bzw. ungleichmäßig zusammendrückt
("die zulässige Bodenpressung nicht überschritten wird").
Fundamente sind erst
bei schweren Holz und Steinbauten erforderlich. So erhielt z.B. die Tempelanlage
von Gizeh eine Fundamentierung. Die Gräben für die Fundamente
wurden mit losem Material, Schutt, groben Steinblöcken, etc. ohne
Mörtel gefüllt. Dabei läßt in diesen "alten" Kulturen
keinerlei quantitative Bestimmung der nötigen Dicken und Materialien
nachweisen. In Griechenland und Rom wurden die Erfahrungswerte allerdings
schon schriftlich festgehalten und in Schulen weitergegeben. So hieß
es bei Vitruv, daß die Gräben für die Fundamente bis auf
den "tragfähigen" Grund auszuheben sind. Für weichen Boden wurden
Pfahlroste (z.B. Eichenpfosten) empfohlen. Wohnhäuser aus luftgetrockneten
Ziegeln wurden auf Bruchsteinfundamente gestellt. Bei größeren
Bauten, wie dem Palatin in Rom oder der Basilika des Konstantin wurden
die Fundamente auch aus Beton
gegossen. Die Fundamentierung im
Mittelalter
war prinzipiell dieselbe. Es wurde ein Schnurgerüst
eingemessen, die Gräben ausgehoben und verfüllt. Offenbar fehlten
vor allem in der Gotik ausreichende Erfahrungen, um die hoch aufstrebenden
Kathedralen mit ihren größeren Lasten auf kleinerer Fläche
(Wandquerschnitte) ausreichend zu gründen. Pfahlgründungen im
Grundwasser waren offenbar nicht überall bekannt. So sind die Fundamente
Hauptschwachpunkt vieler gotischer Kirchen. Häufig weisen Risse der
Gewölbekappen auf ungleichmäßige Setzungen oder Bewegungen
der Türme hin. Die nachgewiesenen Fundamente belegen sehr oft einen
schlechten Verbund der Steine oder/und zuschwache Ausführung. Somit
ist keine ausreichende Lastverteilung gewährleistet. Lorenz Lacher
schlägt in seinem Musterbuch
Grundmauern in 1,5- facher Dicke der Turmmauern vor. Dies sind Richtwerte,
die sich sicher auf örtliche Erfahrungen stützten, aber den neuen
Anforderungen der gewaltigen Kathedralen oft nicht gerecht wurden. Man
findet teilweise Fundamente, die weniger als einen halben Meter tief gelegt
wurden! Das Freiburger Münster hat auf Grund des nichtbindigen
Bodens (Flußkies und -sand im Rheintal) relativ günstige
Bodenbedingungen. Allerdings sind auch hier die Fundamente , wie in Abb.701
zu sehen, nicht mehr die stabilsten.
Heute wird
dem Gebiet der Untersuchung des Baugrunds "nicht mehr alles" der Erfahrung
überlassen. Trotzdem sind auch heute Erfahrungen der Nachbarn eine
wichtige Hilfe zur Erkundung. Weitere Aufschlüsse können Pflanzenwuchs,
Hangformen und Feldversuche (Reibeproben usw.) geben. Neben diesen traditionellen
Methoden werden geologische Karten, Rammsondierungen (Festigkeitsprobe
in entsprechende Tiefen) oder aber direkte Bohrungen und Schürfungen
eingesetzt.
Wenn der Baugrund
zuverlässig hinsichtlich seiner Belastbarkeit beurteilt werden kann,
geht es an die Bemessung. Neu, gegenüber dem Mittelalter, sind unsere
Kenntnisse der theoretischen Mechanik. Diese ermöglichen eine Berechnung
der Fundamente und der zu erwartenden Setzungen. Für einfache Fälle
existieren Tabellen, an Hand derer die nötige Fundamentbreite direkt
abgelesen werden kann.
Allgemein
: Gewölbe sind eine Möglichkeit, große Raumhöhen
und -spannweiten zu erzielen. Man versucht, bildlich gesprochen, der Durchbiegung
eines Balkens "zuvorzukommen". Gewölbe verteilen die von oben
auf Öffnungen oder Räume drückende Lasten nach den
Seiten hin, auf Wände oder Stützen. Diese müssen so dimensioniert
werden, das sie diesen zusätzlichen Belastungen standhalten. Vor allem
bei sehr hohen und schlanken Gebäuden, wie den gotischen Kathedralen,
sind die Kräfte nach den Seiten das statische Hauptproblem. Dieser
"Horizontalschub" ist umso größer, je flacher eingewölbt
wurde.
Die Technik des Wölbens
war schon den Ägyptern vor einigen Tausend Jahren bekannt. Sie setzten
diese anfangs fast nur für kleine Tonnengewölbe im Grabbau ein
(Krag- , oder sog. "falsche" Gewölbe/siehe unten). Erst später
(1200 v. Chr.) wurden auch Räume raumdeckend überwölbt (Spannweiten
bis ca. 4,8 m). Da Bauholz knapp war, wurden häufig Lehmziegel und
diese meist freihändig vermauert. Die Griechen wölbten auf prinzipiell
gleiche Art. Abb.510 zeigt links unter (a) Kraggewölbe (jeder Stein
"kragt" ein Stück über den darunterliegenden und wird von den
darüberliegenden gehalten). Die "Spalten" (b) zeigen verschiedenste
Formen von sogenannten "falschen" Gewölben (Bogen nur in Sturz eingehauen,
oder 2 Steine gegeneinander gestützt).
Dort, wo entsprechende
Steinbalken fehlten, mauerten die Römer ihre (Entlastungs-)Bögen
auch aus scheitrechten, verzahnten Ziegeln oder Steinen, Abb.513 zeigt
2 Beispiele. Eine Entwicklung des Tonnengewölbes bestand
in versetzt gemauertem Keilsteinbögen( "Kufverband") siehe Abb.514.
Dafür waren natürlich kräftige Schalungen nötig. Andere
Techniken, um Gerüste zu sparen sind in Abb.517 dokumentiert. Das
obere Bild zeigt eine Bogen-Lehre an der Giebelseite, an die Schicht
für Schicht mit schnellabbindendem Gipsmörtel "angeklebt" wurde
(Mitte). Unten eine andere Möglichkeit, um freihändig zu wölben.
Die Schichten werden geneigt vermauert. Eine weitere, gerüstsparende
ist die am Pont du Gard (Südfrankreich) angewandte Methode. Für
die einzelnen Brückenbögen wurden schmale Lehrbögen hergestellt,
die dann Reihe für Reihe verschoben wurden. "Die Römer" entwickelten
noch einige Methoden mehr, bei der Größe des Imperiums ja auch
kein Wunder.
Eine bemerkenswerte
Neuerung war die Anwendung von Rippenkonstruktionen im Gewölbebau.
Die zweite Kuppel der berühmten "Hagia Sophia" in Konstantinopel (heute
Istanbul) wurde mit 66 m Scheitelhöhe erbaut - als Rippenkuppel. Dies
war materialsparend (dünnwandige Haut) und ermöglichte das Einschneiden
von Fenstern, die das Gewicht weiter verringerten !!
Die erste, wahrscheinlich 6 m flachere Kuppel war eingestürzt. Dies
leitet zur Planung über. Trotz einiger gegenteiliger Stimmen, ist
kein Beweis erbracht, daß in der Antike in irgendeiner Form berechnet
worden wäre. Die Konstruktionen fußten auf ausschließlich
Erfahrungen - in römischen Schriften wird allerdings auch die Erprobung
von Modellen empfohlen.
Mittelalter :
Die römisch/byzantinische Gewölbetechnik beeinflußte
romanische. Einige Kirchen, wie die justinianische Apostelkirche in Konstantinopel,
bildeten direkte Vorbilder für romanische Bauten.
Es wurden steinerne
Tonnen-, Kuppel- und in Seitenschiffen auch Kreuzgratgewölbe errichtet.
Abb.519 zeigt ein typisches romanisches Tonnengewölbe mit Gurtbögen.
Letztere entstehen bei Durchdringung zweier Tonnengewölbe. Beim Kreuzgratgewölbe
wird die gesamte Last über die diagonalen Grate auf die 4 Eckpfeiler
abgetragen. Grate, Gurte und Pfeiler müssen entsprechend (form-) genau
gehauen sein, um die Kräfte aufnehmen zu können. Die Grate und
Gurte, als die eigentlich lastabtragenden Elemente wurden immer stärker
herausgearbeitet. Sie bildeten ein System von Rippen, die als sogenannte
Dienste (sie hatten wortwörtlich statische Dienste zu verrichten)
in die Pfeiler liefen. Abb.211
zeigt einen solchen "Bündelpfeiler" des Freiburger Münsters.
Dessen Chorgewölbe ist bereits in spätgotischer Zeit entstanden.
Dieses sogenannte "Netzgewölbe" (Abb.204)
hatte keine statische Funktion mehr, es war "nur" noch Ornament. Die Abb.709
zeigt einen Schnitt durchs Freiburger Münster, an dem man die statische
Notwendigkeit des Strebewerks zur Stützung der Hochschiffwände
sieht. Die Strebebögen (rot) leiten den seitlichen Druck auf die Strebepfeiler
(blau). Die Auflast (grün) ist nötig, das seitliche Ausbrechen
der Strebepfeiler zu verhindern. Um auch beim Bauen ausreichende Stabilität
zu erreichen, wurde zuerst der Chor, dann die Langhauswände und zuletzt
das "Westwerk" errichtet.
Entwicklung
: In der Renaissance wurde versucht, das statische Problem der Gewölbebemessung
durch geometrische Zusammenhänge zu lösen. Abb.524
zeigt eine Faustformel aus einer Schrift L. B. Alberti`s. Bis Ende des
17.Jh blieben die Forschungen der Wissenschaftler ohne nennenswerten Einfluß
auf das Bauwesen. Dimensionierungsangaben, wie die "Blondelsche Regel"
(Abb.528), stellten das Ergebnis
der "konstruktiven Intuition" der Erbauer dar. Im ausgehenden 17.Jh wurde
die Entsprechung von Stützlinie und Kettenlinie erkannt. Inwiefern
diese praktische Methode schon vorher zur Formfindung von Gewölben
verwendet wurde, läßt sich nicht sagen. Beschrieben wurde sie
das erste Mal von R. Hooke und etwa zeitgleich wurden auch die mathematisch-/physikalischen
Nachweise geführt. Antoni Gaudi entwarf mit Hilfe eines solchen Kettenmodells
(Abb.602) die Schiffe seiner "Sacrada Familia" (Abb.601).
Da Gewölbeform und Stützlinie zusammenlaufen, entfällt die
statische Notwendigkeit der gotischen Strebepfeiler.
In
Renaissance und Barock wurden großen Kuppelbauten, wie der Petersdom
in Rom, der Florentiner und der Mailänder Dom errichtet. Dabei wurden
verstärkt Eisen in Form von Zug- oder Ringankern und mehrschalige
Kuppelkonstruktionen eingesetzt.
Die
Probleme mit der Standsicherheit des Petersdomes führten in den Jahren
1743 - 48 dazu, daß Ingenieure herbeigerufen wurden, um Maßnahmen
zur Abhilfe zu suchen. Die Herausbildung dieser Arbeitsteilung zwischen
Architekt und Ingenieur kann getrost als ein "Meilenstein" in der Entwicklung
zur heutigen Situation bezeichnet werden.
Die weitere Entwicklung
wurde durch die industrielle Revolution bestimmt. Dabei waren es vor allem
Brückenbogen und Maschinenhallen (z.B. Abb.533,
Paris, 1889), die die größten Anforderungen hinsichtlich der
Spannweite stellten. Ergebnisse waren die Einführung von schmiedeeisernen
Profilen und der Einsatz von Gelenken. Später wurden daraus räumliche
Tragwerke mit universellen Knotenpunkten (modulares System).
Der Stahlbeton ermöglicht
eine Vorfertigungs-Bauweise, die relativ dünnwandig und damit leicht
ist. Ein Höhepunkt dieser Bautechnik war der Deutsche Pavillon zur
Weltausstellung 1967 (Abb.536),
Montreal, von Frei Otto und R. Gutbrod.
Weitere Forschungen
laufen zu Konstruktionen, die hauptsächlich dort Material vorsehen,
wo es (statisch) nötig ist, bzw. die den Pflanzen und Tieren ihren
"Bau" abschauen, - was häufig auf das selbe ´rausläuft.
Praktische Ergebnisse sind Muschelschalen-Dächer oder Raumtragwerke,
die die Verästelung von Bäumen nachbilden.
Allgemein :
Dachtragwerke sind vielleicht diejenigen Bauteile, die sich im Laufe der
Jahrtausende am wenigsten geändert haben. Auch heute noch dürfte
(mengenmäßig) Holz den größten Anteil an (geneigten)
Dachkonstruktionen ausmachen. Bei den Decken sieht es ähnlich aus,
allerdings wurde das Holz in den letzten Jahrzehnten weitestgehend vom
Stahlbeton verdrängt. Ebenso erfordern moderne weitgespannte
Dachkonstruktionen andere Materialien und Formen. Mehr dazu im Absatz "Heute"
(unten).
Die traditionellen
Holzverbindungen waren schon den Ägyptern bekannt. Der griechische
Holzbau war ebenfalls sehr weit entwickelt. Die griechischen Zimmerer hieben
für die Dachstühle der großen Tempel mächtige Pfetten
(waagerechte Hölzer, auf denen die Sparren aufliegen) von durchaus
30 cm x 50 cm zurecht.
Von den Römern
sind bereits Dachtragwerke in Form von Hängewerken bekannt. Abb.809
zeigt das Prinzip eines einfachen Hängewerks. Der waagerechte Balken
kann sich auf diese Art nicht so stark durchbiegen und somit können
größere Spannweiten überbrückt werden.
Mittelalter :
In der Romanik wurden vorrangig Pfettendächer gebaut. Dabei liegen
die Sparren auf Fuß- und First- und/oder Mittelpfetten auf. Diese
tragen die Dachlasten senkrecht ab. Es treten keine waagerechten Kräfte
in den Auflagern (Wände) auf. Das spätere Mittelalter baute hauptsächlich
Kehlbalkendächer oder Kombinationen aus Pfetten- und Sparrendächern.
Als Letzteres kann man den Dachstuhl des Freiburger Münsters
bezeichnen, Abb.207 zeigt ein
Foto und Abb.523 Konstruktion
und statisches System. Offenbar war die statische Funktion des Zugankers
nicht allen Baumeistern klar. Beim Einwölben des Langhauses waren
einige dieser Balken im Weg, sie wurden kurzerhand entfernt, was die Stabilität
des Daches gefährdete.
Entwicklung :
Im Holzbau haben sich konstruktiv einerseits die Verbindungsmittel verändert.
Der traditionelle Holzbau mit Überblattung, Zapfen usw. (siehe Zimmerer
- Heckmann) ist zu arbeitsintensiv, zu teuer. Man verwendet stattdessen
Metalldübel, -nägel, -formteile, -nagelplatten usw. , die häufig
auch per Druckluft oder Automat eingeschossen werden.
Eine andere Entwicklung
ist die der Leimbinder (Leisten bzw. Bretter werden zu gewünschten
Querschnitten verklebt). Mit ihnen sind größere Querschnitte
und spezielle Formen möglich. Dies hat auch zu einigen interessanten
Lösungen im Kirchenbau geführt. Abb.402 zeigt die Heilig-Geist-Kirche
in Schaftlach/Obb., Architekt H. Busso von Busse, 1965.
Eine Möglichkeit,
größere Spannweiten zu überbrücken, besteht in der
Anwendung von Gitter-, Strebe- bzw. räumlichen Tragwerken. Eine einfache
Anwendung dessen ist obengenannter römischer Dachbinder. Heute sind
sind Eisenkonstruktionen geläufiger (Eiffelturm, Krane, Dachtragwerke).
Begonnen hat die Entwicklung weitgespannter Träger meist im Brückenbau.
Abb.532 zeigt einen Ausschnitt
solch einer Konstruktion aus der Mitte des 19. Jahrhunderts. Man erkennt
(hoffentlich) die Stützen (Gußeisen, druckaufnehmend,
billiger) und die Zugbänder (Schmiedeeisen, zugaufnehmend,
teurer). Im Hochbau wurden große Hallenbauten geplant, profitierend
von der Entwicklung der Glasverarbeitung, . Ein Beispiel ist folgendes
"Dach" einer Maschinenhalle (Abb.533)
von 1889, Paris. Der Wunsch nach wirtschaftlichen, größeren
Spannweiten führte zum Spannbeton und der Untersuchung von Kunstfasergeweben.
Im Bereich der (Wohnungs-)
Decken hat sich, unter anderem aus Gründen des Schallschutzes, ebenfalls
der Stahlbeton durchgesetzt.