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Brückenlager.1850-1950
(2010)
Mit der Zunahme von Sanierungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen an bestehenden Brückentragwerken rücken auch die historischen gusseisernen und stählernen Brückenlager wieder in den Fokus der Ingenieure. Das Fehlen verlässlicher Grundlagen für eine statisch-konstruktive Bewertung dieser Lager gab Anlass für die vorliegende Dissertation, die im Wesentlichen drei Punkte bearbeitet: In einem ersten Schritt wird die Geschichte der Brückenlager unter genealogischen Gesichtspunkten von den Anfängen bis zur Gegenwart aufgearbeitet. Aus den Ursachen, die zur Einführung wie auch zur Ablösung der gusseisernen und stählernen Brückenlager führten, werden deren spezifische Vor- und Nachteile abgeleitet. Im zweiten und dritten Schritt der Arbeit stehen ausschließlich die gusseisernen und stählernen Brückenlager im Mittelpunkt, die zwischen 1850 und 1950 wichtiger Bestandteil eines jeden größeren Brückenbauwerks waren. Diese einhundert Jahre bilden prinzipiell den Untersuchungszeitraum der vorliegenden Arbeit. Da die Impulse bei der Entwicklung der gusseisernen und stählernen Brückenlagertechnik vornehmlich aus Deutschland kamen, konnten sich die Untersuchungen auf den deutschsprachigen Raum konzentrieren, ohne jedoch den Blick für entsprechende Arbeiten im Ausland zu verlieren. Auf den Erkenntnissen zur Entwicklungsgeschichte der Brückenlagertechnik aufbauend, werden die gusseisernen und stählernen Brückenlager zunächst typologisch erfasst. Im Anschluss wird der bauaufsichtliche und technikgeschichtliche Hintergrund der Lagerherstellung innerhalb des Untersuchungszeitraumes erläutert. Abschließend fokussiert die Arbeit die hauptsächlichen Problembereiche der historischen gusseisernen und stählernen Brückenlager, die aus der für Brückenlager geforderten Kinematik an den beweglichen Lagern resultierten. Kern der Untersuchungen bilden die zur Sicherstellung der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Lager entwickelten Bemessungsansätze bzw. die in diesem Zusammenhang veranlassten Versuche. Die genannten Punkte werden im Wesentlichen durch Auswertung historischer Literatur sowie ausgewählter Archivmaterialien erarbeitet. Ein der Arbeit beiliegender Katalog fungierte dabei als Hilfsmittel, um bei der Auswertung des umfassenden Quellenmaterials die für diese Arbeit relevanten Inhalte nach spezifischen Kriterien ordnen zu können.
Im Netz der DB AG befinden sich ca. 5.000 Brücken aus Stahl. Etwa die Hälfte wurde zwischen 1880 und 1920 errichtet. Einige stehen wegen ihrer baukulturellen Bedeutung als identitätsprägende Zeugnisse der industriellen Revolution unter Denkmalschutz. Der Erhalt dieser Bauwerke bietet nicht nur aus Sicht der in ihnen gespeicherten Goldenen Energie, den immateriellen Wert eines Bauwerks, ein enormes Potenzial, sondern auch in ökologischer Hinsicht durch die Graue Energie. Darüber hinaus bringt die Weiternutzung der Brücken angesichts steigender Baukosten infolge von Ressourcenknappheit und globalen Krisen ökonomische Vorteile. Dennoch sind zahlreiche historische, stählerne Bahnbrücken abgebrochen und ersetzt worden, da ein Neubau als sicherer, planbarer und wirtschaftlicher gilt. Die Möglichkeit, eine Brücke durch Instandsetzungs- oder Ertüchtigungsmaßnahmen an geänderte Anforderungen anzupassen, wird häufig bereits zu Beginn der Planungen mit Verweis auf technische oder wirtschaftliche Aspekte verworfen. Dies liegt an Finanzierungsbedingungen sowie einem stark monodisziplinären Entscheidungs- und Planungsprozess. Die maßgeblichen Stakeholder werden oft erst spät einbezogen, sodass Änderungen nicht mehr ohne erhebliche Zeit- und Kostenverluste möglich sind. Nicht selten führt dies zu Auseinandersetzungen, die Baumaßnahmen verzögern.
Die Dissertation verfolgt das Ziel, durch die Entwicklung methodischer Grundlagen für eine parametrisierte, wertebasierte Bewertungsmethodik einen ganzheitlichen Vergleich von Interventionsvarianten an denkmalgeschützten, stählernen Bahnbrücken bereits in einer frühen Planungsphase zu ermöglichen. Neben technischen und ökonomischen Kriterien werden Aspekte der Baukultur und Ökologie gleichberechtigt berücksichtigt. Dynamische Steuerungsparameter ermöglichen einen iterativen Entscheidungsprozess, in dem die Stakeholderinteressen transparent gegeneinander abgewogen werden. Ausgehend von einer bautechnikgeschichtlichen Kontextualisierung stählerner Brücken um 1900 sowie der Analyse zentraler Potenziale und Hindernisse für die Integration von Nachhaltigkeitsprinzipien werden Bewertungskriterien für die vier Kategorien formuliert. Im Abgleich mit Kriterien und Verfahren aus Hoch- und Straßenbrückenbau wird ein auf die Anforderungen denkmalgeschützter Bestandsbahnbrücken aus Stahl abgestimmtes, synoptisches Bewertungssystem entwickelt. Die Validierung erfolgt anhand von vier realen Brückenbauprojekten der DB AG, bei denen historische Brücken überwiegend durch Neubauten ersetzt wurden. Für jede Fallstudie werden zwei alternative Erhaltungskonzepte entwickelt und ganzheitlich bewertet. Die Dissertation zeigt, dass ein ganzheitliches Bewertungsverfahren für stählerne, denkmalgeschützte Bestandsbrücken zielführend ist, wenn es frühzeitig und partizipativ integriert wird. Die Fallstudien belegen, dass unter Berücksichtigung baukultureller und ökologischer Kriterien Ertüchtigungsvarianten einem Ersatzneubau häufig ebenbürtig sind.
Im frühen 20. Jahrhundert prägten Steineisendecken als einfach zu erstellende und preiswerte Lösungen maßgeblich den Stockwerksbau. Sie übertrafen hinsichtlich Vielfalt und Verbreitung viele Jahre lang die etwa zeitgleich entwickelten Eisenbetondecken und erlangten vor allem in Verbindung mit Skeletttragwerken weltweit Bedeutung. Der Bedeutung der Steineisendecken steht die weitgehende Unkenntnis über die Geschichte und ihre zeitgenössische Berechnung gegenüber. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf den heutigen Umgang mit historischen Steineisendecken. Aktuelle statische Nachweise sind von unscharfen Randbedingungen geprägt. Ein Ausweg wird häufig in Probebelastungen oder der Verstärkung der Deckenfelder gesucht. Beides ist kostenintensiv, oft resultiert aus der Unkenntnis der noch teurere bauliche Ersatz. Die vorliegende Dissertation untersucht die historisch-konstruktive Entwicklung der Steineisendecken. Erstmals wird eine umfassende Entwicklungsgeschichte erarbeitet, dokumentiert und bewertet. Band 1 der Dissertation wird durch ein Kapitel zur Genealogie der Hohlkörper-Deckentragwerke eingeleitet, welches die Entwicklung der Steineisendecke im technisch-historischen Kontext verortet. Eine anschließende Chronologie der Steineisendecken im Deutschen Reich zeigt deren Herausbildung, Verbreitung und Differenzierung sowie die nachlassende Anwendung bei damit einhergehender Stagnation neuer Entwicklungen auf. Aufbauend auf den gemeinsamen Eigenschaften der Deckensysteme wird eine Typologie erarbeitet, die die Einteilung der Steineisendecken in verschiedene Typen sowie die Charakterisierung der einzelnen Deckensysteme ermöglicht. Im Weiteren werden die zur Herstellung der Steineisendecken verwendeten Baustoffe, die baupolizeiliche Zulassung und das historische Bemessungsverfahren behandelt. Eine Zusammenstellung der ursprünglichen Bemessungsmethoden und -regelungen dient der Bewertung der damaligen Vorgehensweise zur Bemessung von Steineisendecken. Da es im Rahmen heutiger Nachbemessungen üblich ist, auf das n-Verfahren zurückzugreifen und die historischen Steineisendecken nach den zur Erbauungszeit gültigen baupolizeilichen Regelungen zu bemessen, werden erste Vorschläge für die Korrektur der Bemessungsparameter unterbreitet. Die Beschreibung möglicher die Tragfähigkeit der historischen Steineisendecken beeinflussende Befunde bildet den Abschluss des ersten Teils dieser Arbeit. Im 2. Band werden die zahlreichen historischen Steineisendeckensysteme zu einem Katalog aufbereitet. In diesem sind nach Kenntnisstand des Verfassers alle in der historischen Fachliteratur beschriebenen Steineisendecken unabhängig von der Existenz einer Patent- oder Gebrauchsmusterschrift sowie der Anwendung der Decke in der Praxis dokumentiert und zeichnerisch in einheitlichem Maßstab dargestellt. Darüber hinaus wird der zweite Band durch die ausführliche Abhandlung der für die Herstellung jedes Deckensystems nötigen Arbeitsschritte ergänzt. Im 3. Band werden eine repräsentative Auswahl historischer Erlasse und Verfügungen sowie zahlreiche Illustrationen zur Erläuterung von Band 1 und Band 2 zusammengestellt.
Safety evaluation of truss structures depends upon the determination of the axial forces and corresponding stresses in axially loaded members. Due to presence of damages, change in intended use, increase in service loads or accidental actions, structural assessment of existing truss structures is necessary. Precise identification of the stresses plays a crucial role for the preservation of historic truss structures. The assessment measures require non-destructiveness, minimum intervention and practical applicability.
Motivated by the preservation of existing truss−type constructions composed of axially loaded slender members, the present work aims to develop a non-destructive methodology to identify the axial forces or corresponding stress states in iron and steel truss structures. The approach is based on vibration measurements and the finite element method combined with optimization techniques.
After a state of the art review, numerical and experimental studies were carried out in the research work on different partial systems of truss-type structures. The examined aspects included the effects of structural loading on the dynamic performance of truss structures, modelling of joint connections, mode pairing criteria, selection of updating parameters and definition of an objective function, as well as the use of different optimization techniques.
A methodology consisted of a two-stage model updating procedure using optimization techniques was proposed for the determination of multiple member axial forces and estimation of the joint flexibility of truss-type constructions. In the first stage optimization, the validation criterion is based on the experimentally identified global natural frequencies and mode shapes of the truss. Additionally, the axial forces in selected individual members of the truss are used. They are estimated from the natural frequencies and five amplitudes of the corresponding local mode shapes of the members using an analytically−based algorithm. Based on the results of the identified axial forces in the first stage, a second optimization procedure for the joint stiffness is performed. In this stage, the modal parameters of the global natural frequencies and mode shapes are used as validation criterion.
From the results of the investigated systems, the identified axial forces by the proposed methodology agree well with the experimentally measured axial forces. Furthermore, recommendations are given in the work for a guideline of measuring concepts and assessment strategies applied to existing iron and steel truss-type structures.
Die seit 1974 unter Denkmalschutz stehende Fleischbrücke in Nürnberg (erbaut 1596-1598) gilt als das bedeutendste Brückenbauwerk der Spätrenaissance in Deutschland. In der dreibändigen Monographie wird die Fleischbrücke erstmalig mit den Methoden der Bauforschung im historischen Kontext untersucht. Baugeschichte, Bauaufnahme, eine historisch akzentuierte statisch-konstruktive Analyse sowie Modellversuche im Maßstab 1:10 wurden herangezogen (Bd. 1). Den zahlreichen Entwurfsplänen kam besondere Bedeutung zu, weil sie qualitative statisch-konstruktive Überlegungen visualisieren. Die ca. 100 Pläne – über Archive und Einrichtungen vorwiegend der Stadt Nürnberg verstreut – wurden erstmals systematisch erfasst und im „Katalog der Entwurfs- und Konstruktionspläne“ (Bd. 2) aufbereitet. Zum Denkmal gehörende Überlieferungen in Wort und Bild, die dessen Zeugniswert und öffentliche Bedeutung dokumentieren, finden sich als repräsentative Auswahl in der „Materialsammlung“ (Bd. 3). Die Monographie der Fleischbrücke entstand parallel zu Planungsarbeiten für eine konstruktive Instandsetzung seitens des Tiefbauamtes Nürnberg (Realisierung 2004/05).
Die undulierenden Lehmsteinmauern Ägyptens, insbesondere jene des 4. Jh. v. Chr., zählen mit ihren wellenförmig verlaufenden, abwechselnd konkav und konvex gekrümmten Lagerfugen zu den größten Bauwerken des Alten Ägypten und sind im Materialaufwand mit dem Bau königlicher Pyramiden vergleichbar. Dennoch standen sie bislang weniger im Fokus ägyptologisch-bauforscherischer Untersuchungen. Seit den 1960er Jahren wird die bautypologische Wellenform als mythologische Anspielung auf den Urozean gedeutet. Entsprechend wurde der Bautyp vornehmlich symbolisch-religiös interpretiert, während sein technischer Wert dagegen infrage gestellt wurde.
Daher widmet sich diese Arbeit den statisch-konstruktiven Eigenschaften und bautechnischen Voraussetzungen der undulierenden Mauern anhand von zwei Kernthesen: Erstens bietet die Undulation statische Vorteile gegenüber herkömmlichen Lehmsteinmauern; zweitens beschleunigte die Wellenform den Errichtungsprozess.
Grundlage bildet eine eigens erstellte, georeferenzierte Datenbank mit 44 undulierenden Mauern in Ägypten – nahezu doppelt so viele wie zuvor aus der Forschungsliteratur bekannt. Die Umfassungsmauern des Chnum-Tempels von Elephantine und des Atum-Re-Harachte-Tempels von Heliopolis wurden bauforscherisch dokumentiert, ergänzt durch tachymetrische und photogrammetrische Messverfahren sowie einen experimentellen Nachbau im Maßstab 1:10. Eine typologische Analyse hat ergeben, dass der überwiegende Teil der Mauern im landesweiten Bauprogramm der 30. Dynastie (380–343 v. Chr.) unter Nektanebos I. und II. errichtet wurde. Die frühesten Vorläufer treten bereits in der 26. Dynastie im zentralen Nildelta auf.
Die statisch-konstruktive Analyse zeigt, dass der weitgehende Mörtelverzicht im Binnenmauerwerk sowie die konkav-konvexe Segmentierung das Eigenlastverhalten verbesserten: Konvexe Segmente erzeugen seitliche Druckkräfte, denen die konkaven Segmente mit ihrem Eigengewicht als Widerlager entgegenwirken – ein Kräftegleichgewicht, das Baugrundsetzungen kompensieren konnte. Eine Näherungsrechnung nach dem Modell des reibungsfreien Keils bestätigt dies quantitativ.
Aus baubetrieblicher Sicht ermöglichten Mörtelverzicht und Segmentierung eine parallele Bauausführung durch mehrere Arbeitstrupps sowie den Verzicht auf hölzerne Baugerüste zugunsten einer rampenartigen Erschließung. Am Beispiel von Heliopolis (ca. 1 Mio. m³ Bauvolumen, rund 100 Mio. Lehmsteine) zeigte sich, dass die Errichtung theoretisch innerhalb einer einzigen Nilüberflutungsperiode möglich gewesen wäre – deutlich schneller als bisher angenommen.
Die Arbeit ordnet die undulierenden Lehmsteinmauern als ingenieurtechnisch innovative Antwort auf die politisch instabile ägyptische Spätzeit ein: Sie ermöglichten den Königen der 26. und 30. Dynastie, zentrale Kultbezirke rasch zu schützen, und dienten zugleich als monumentale Machtdemonstration. Funktionalität und Symbolik erweisen sich dabei als untrennbar verbundene Aspekte altägyptischer Architektur.
