Stahlbeton, von einfachen Töpfen bis zu den höchsten Gebäuden der Welt

Es ist ein so weit verbreitetes Material und wird so oft verwendet, dass die meisten Ingenieure nicht gründlich darüber nachdenken. Für die meisten von uns ist es nur ein Material, das in verschiedenen Formen die erforderlichen Parameter erfüllen muss. Aber wenn Sie damit arbeiten, haben Sie sich jemals gefragt, aus welchem ​​​​Land es stammt? Oder welche Geschichte hat ein Material, ohne das viele weltberühmte Bauwerke gar nicht erst entstanden wären?

Lassen Sie uns für diesen Artikel komplexe technische Probleme, Entwurfs- und Strukturbewertungen, Lastanalysen und die Anwendung von Normen beiseite legen. Lassen Sie uns gemeinsam einen kleinen Ausflug in die Geschichte unternehmen und sehen, woher dieses Material kommt, wie es entstanden ist und wie es sich entwickelt hat, wodurch unglaublich viele zielgerichtete und bewundernswerte Gebäude entstanden sind.

Wie der Name schon sagt, bestand früher Stahlbeton aus zwei wesentlichen Komponenten: Eisen und Beton. Bevor wir auf Stahlbeton selbst eingehen, werfen wir einen kurzen Blick auf Beton. Dies ist der Menschheit seit mehr als 2000 Jahren bekannt.

Die Vorteile von Beton wurden bereits von Römern (einige sagen Ägypter) genutzt. Einige der Gebäude, die sie damit errichteten, stehen noch heute. Ein hervorragendes Beispiel ist die weltweit größte monolithische Kuppel auf dem Pantheon in Rom (Bild unten), die im zweiten Jahrhundert nach Christus in Ortbetontechnik gebaut wurde. Dies ist nicht das einzige Beispiel für die frühe Einführung von Beton: Es gibt viele ähnliche Strukturen auf der Welt.

Es ist daher überraschend, dass die Idee, Beton mit Eisenelementen zu verstärken, erst im neunzehnten Jahrhundert aufkam. Jahrhundert aufkam. Mit einer gewissen Übertreibung kann man diesen Zeitraum als die Zeit der technischen Renaissance bezeichnen. Neben dem Stahlbeton hat auch die Verwendung von Stahl das Bauwesen revolutioniert. Nur kurze Zeit vor dem Stahlbeton kam er in Form von tragenden Elementen in größerem Umfang zum Einsatz.

Im 19. Jahrhundert experimentierten mehrere Pioniere mit Stahlbeton. Zu den ersten und wichtigsten gehörte der Engländer William Boutland Wilkinson, der mit Brandschutzlösungen für den Bau von Gebäuden experimentierte. Im Jahr 1854 verwendete er Stahlstangen und -seile, um den Beton beim Bau eines Hauses für seine Bediensteten zu verstärken. Er patentierte eine Lösung, die sich als erfolgreich erwies.

Ein weiterer Pionier war der französische Industrielle François Coignet, der 1853 in der französischen Stadt Saint-Denis als Erster ein vierstöckiges Gebäude ganz aus Stahlbeton errichtete. Er ließ seine Lösung 1855 auch patentieren.

Der erste "Vorläufer" des Stahlbetons, wie wir ihn heute kennen, der das Beste aus beiden Materialien vereint, nämlich die Druckfestigkeit von Normalbeton mit der Zugfestigkeit von Eisen, kann auf das Jahr 1867 datiert werden. Damals suchte ein französischer Gärtner, Joseph Monier (Bild unten), nach einem Ersatz für Ton- und Holztöpfe. Er versuchte, Töpfe aus Beton herzustellen, die jedoch Risse bekamen, so dass er nach einer Möglichkeit suchte, sie ausreichend stabil zu machen.

Er kam auf die Idee, eine einfache Eisenkonstruktion zu verwenden, die er dann mit Beton überzog. Das Ergebnis übertraf alle Erwartungen, und Joseph Monier ließ seine Lösung am 16. Juli 1867 patentieren.

In jenem Jahr stellte er seine Erfindung sogar auf der Pariser Weltausstellung aus, wo er mit seiner Lösung großen Erfolg hatte. Im Juli dieses Jahres (2022) feierte dieses Patent sein 155-jähriges Bestehen.

In der Folgezeit erlebte der Stahlbeton in der gesamten Baubranche der modernen Welt einen Boom. Noch vor Ende des Jahrhunderts verbreitete er sich in den Vereinigten Staaten.

Schnell wurde er zu einem Material, das in allen Arten von Gebäuden Verwendung fand - von Straßen und Häusern bis hin zu monumentalen Bauten in den größten Ballungszentren der Welt. Hand in Hand mit dieser Expansion sind jedoch auch die Anforderungen an seine Eigenschaften gewachsen. Beton als wesentliches Element hat im Laufe der Jahre eine revolutionäre Entwicklung durchgemacht. Ingenieure haben mit der Zusammensetzung und der Belastung experimentiert, neue Sorten wurden entwickelt, und die Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Umgebungen haben sich erweitert.

So wie sich die Technologie zur Herstellung von Beton weiterentwickelt hat und seine Eigenschaften verbessert wurden, so haben sich auch die Methoden zur Berechnung von Betonstrukturen weiterentwickelt.

Jedes Bauwerk enthält so genannte B- und D-Bereiche, die durch einen anderen Bemessungsansatz gekennzeichnet sind.

Was sind die B-Bereiche?

B-Bereiche können als Regionen definiert werden, in denen die Bernoulli-Navier-Hypothese gilt, die davon ausgeht, dass ein Querschnitt, der vor der Verformung eben ist, nach der Verformung eben bleibt. Für solche Bereiche können die in den Normen angegebenen Lösungen und Beurteilungen sicher verwendet werden. IDEA StatiCa RCS und IDEA StatiCa Beam bieten Lösungen für B-Bereiche, in denen die Balkentheorie gültig ist.

Was sind die D-Bereiche?

Die Stellen, an denen die Bernoulli-Navier-Hypothese nicht gilt, werden als Diskontinuitätsgebiete oder Störungsgebiete bezeichnet: die D-Bereiche. Dabei handelt es sich um Bereiche der Umlagerung, um einzelne Balken, um Stellen mit plötzlichen Querschnittsänderungen, um Löcher usw. Bei der Bemessung von Betonbauwerken stößt man auf eine Reihe anderer D-Bereiche wie Wände, Brückenträger, kurze Ausleger usw.

Trotz der Entwicklung verschiedener Berechnungswerkzeuge in den letzten Jahrzehnten wird die Methode der Zug- und Druckgurte immer noch für manuelle Berechnungen verwendet. Ihre Anwendung auf reale Strukturen ist jedoch zeitaufwändig, da mehrere Iterationen durchgeführt werden müssen und auch mehrere Lastfälle zu berücksichtigen sind. Außerdem ist diese Methode ungeeignet für den Nachweis von Gebrauchstauglichkeitskriterien (Verformung, Rissbreiten, ...).

Diese und andere ähnliche Herausforderungen im Zusammenhang mit der Analyse von Betonstrukturen haben Unternehmen dazu veranlasst, mit der Wissenschaft zusammenzuarbeiten. IDEA StatiCa verfolgte den gleichen Ansatz und entwickelte und testete in Zusammenarbeit mit der ETH Zurich eine Methode namens  Compatible Stress Field Method (CSFM) für die Bemessung von Diskontinuitätsbereichen.

Diese Methode wurde in der Anwendung IDEA StatiCa Concrete IDEA StatiCa Concrete implementiert und basiert auf einer Computerimplementierung eines Spannungsfeldmodells und verwendet die grundlegenden Materialeigenschaften, die in den Betonbemessungsnormen festgelegt sind. CSFM überwindet die Einschränkungen klassischer Ansätze und kann als verallgemeinerte Fachwerkanalogie-Methode betrachtet werden, bei der jedoch die tatsächlich beanspruchten Bereiche anstelle der resultierenden Kräfte berücksichtigt werden.

Beton und Stahlbeton ist damit zu einem Werkstoff geworden, dessen Einsatz oft komplexe Analysen vorausgehen. Die frühen Pioniere, die damit experimentierten, hätten sicher nicht geahnt, welch breites Fundament sie für die Branche legten und wie weit sich das Bauen mit Stahlbeton entwickeln würde.

Was ist die Zukunft des Stahlbetons? Nach Ansicht von Prof. Kolísko, Direktor des Klokner Institutes in Prag, ist Stahlbeton so weit verbreitet und ein so einfach zu handhabendes Material, dass wir nicht damit rechnen können, dass er bald ersetzt wird. Allerdings wird es häufiger zu einer Optimierung von Betonkonstruktionen kommen, die mit einer sparsameren Verwendung von Zement zusammenhängt, der einen wesentlichen Beitrag zum so genannten Kohlenstoff-Fußabdruck leistet.Die Zukunft wird zweifellos in UHPC (ultrahochfester Beton) liegen, mit dem bereits experimentiert wird und der vielversprechende Ergebnisse für die Optimierung von Betonstrukturen liefert.

Wir freuen uns, dass unsere IDEA StatiCa-Anwendung und andere Anwendungen Teil dieser Geschichte sein werden. Seit mehreren Jahren helfen wir Ingenieuren auf der ganzen Welt, Stahl- und Betonkonstruktionen zu entwerfen und zu optimieren, und sparen so Zeit beim Entwurf und der Prüfung von Betonbauteilen.

... Wussten Sie, dass auch Frachtschiffe aus Stahlbeton konstruiert wurden? Aber dazu mehr beim nächsten Mal.