Alter Baustoff mit Zukunft

Der Weg zu hoch vorgespannten Betonkonstruktionen

Diplom-Ingenieur Rainer Nobis ist Verfasser des Buches "Illustrierte Geschichte des Zements und Betons". Für die ABZ blickt er nun im dritten Teil seines Aufsatzes zurück und beschreibt den Beginn des heute so unersetzlichen Spannbetons.

Spannbeton Baustoffe
Joseph-Louis Lambot fertigte in Frankreich wahrscheinlich als erste Person überhaupt Betonkörper aus Zement mit Drahteinlagen. Das Ruderboot aus "Fericiment" erhielt 1855 auf der Weltausstellung in Paris größte Aufmerksamkeit. Foto: Wikimedia Commons

Der erste Einsatz betonähnlicher, monolithischen Massen ist von den Römern bekannt. Ihr Opus caementitium wurde aus Kalk und Zuschlägen gefertigt. Er ermöglichte nicht nur großartige, standfeste Bauten, sondern auch ein überaus preisgünstiges und schnelles Bauen.

Heutiger Beton ist natürlich mit seinen physikalischen Eigenschaften nicht mehr mit den römischen Betonen vergleichbar. Er besteht nicht mehr aus Kalk, sondern aus Portland Zement mit definierten Zuschlägen und vor allem genormten Eigenschaften. Seine Festigkeit, Dauerhaftigkeit und hocheffiziente Verarbeitung übertrifft natürlich den historischen Opus caementitium.

Der erste Massenbeton auf Basis von Portland Zement geht auf die erste Hälfte des 19. Jahrhunderts zurück. Es waren vor allem Molen, die zur Sicherung von Hafenanlagen große Blöcke benötigten. Denn die Gewinnung und vor allem der Transport sehr schwerer Gesteinsblöcke war mit vorhandenen Mitteln kaum möglich. Da der frühe Beton aus Portland Zement bereits nach wenigen Minuten begann zu erhärten, bot sich das Gießen künstlicher monolithischer Blöcke aus Portland Zement und Zuschlägen geradezu an. Eine gute Widerstandskraft gegen salzige Wässer bot er außerdem.

Die Vorteile des Eisens im Beton

Als sich Jakob I. Bernoulli, berühmter Schweizer Mathematiker und Physiker, bereits im 17. Jahrhundert mit dem Verhalten belasteter Balken beschäftigte, definierte er die sogenannten "Bernoullischen Annahmen". Sie galten fortan als Grundlage für theoretische Überlegungen über Kraftverläufe in auf Biegung beanspruchten Bauteilen. Zur praktischen Umsetzung kamen sie aber noch lange nicht.

Bereits schon früh gibt es Beispiele von Eiseneinlagen in Betonen. Sie folgten jedoch nicht einheitlichen Regeln oder systematischen Anwendungen und waren überaus selten. Erst in der Mitte des 19. Jahrhunderts, erkannten und kommunizierten frühe Tüftler, dass ein Beton, wenn er mit metallischen Einlagen versehen wird, deutlich bessere Biege- und Zugeigenschaften erreicht als ein reiner Massenbeton.

Joseph-Louis Lambot (1814–1887) war einer von ihnen. Als Gutsbesitzer im Süden Frankreichs experimentierte er mit der Fertigung von nützlichen Dingen für sein Landgut. Er formte sie aus drahtverstärktem Zement und entwickelte so seinen "Fericiment".

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1951 wurde die 62 Meter weit gespannte Lahnbrücke in Balduinstein als Erste im freien Vorbau mit vorgespanntem Ortbeton nach einem Entwurf von Ulrich Finsterwalder errichtet. Bereits zwei Jahre später folgte die Bendorfer-Brücke in Bendorf über den Rhein mit einer Spannweite von 208 Metern. Foto: LandesBetrieb Mobilität Rheinland Pfalz

Sein Ruderboot (siehe Foto oben) aus Fericiment erhielt auf der Pariser Weltausstellung 1855 größte Aufmerksamkeit. Es soll Jahrzehnte im Einsatz gewesen sein. Auch Joseph Monier (1823–1906, siehe kleines Foto ganz oben) produzierte zunächst Kübel und Behälter aus Beton, verstärkt mit Drahtgeweben. Beiden diente das Drahtgewebe im Beton jedoch mehr zur Formgebung ihrer Produkte als zur Erhöhung ihrer Festigkeit. Monier war es jedoch mit seinen späteren Patenten und Projekten, gekoppelt mit einem großen Enthusiasmus für den Stahlbetonbau, Bautechnikgeschichte schrieb. "Monierbau" steht auch heute noch in vielen Ländern für den Stahlbetonbau allgemein .

François Coignet (1814–1888) kann jedoch als der erste wirkliche Pionier des Stahlbetonbaus angesehen werden. Zur Förderung seiner Bautechniken baute er sein eigenes Haus bereits 1853 aus "béton armé" in Paris. Es sollte das erste Haus aus einer Eisenbetonkonstruktion sein. Seine Techniken und Projekte sollten lange Zeit den Trend im Bau weisen. 1884 kaufte die Firma Freytag und Heidschuh, Neustadt a. d. Haardt und die Firma Matenstein & Josseaux, Offenbach bei Frankfurt die Patente Moniers. 1885 erwarb der Ingenieur Gustav Wayss die Patente von der Firma Freytag und Heidschuh. 1890 übernahm er sogar die Firma, die fortan als Wayss & Freytag firmierte.

Die Firma unter Leitung von Gustav Wayss, Conrad Freytag und Mathias Koenen beschäftigten sich von da an intensiv mit armiertem Beton und legten in Deutschland erste theoretische Berechnungen vor, die die Entwicklung des armierten Bauens deutlich weiterbrachten. Die Schrift "Das System Monier", 1887 von Gustav Wayss und Mathias Koenen veröffentlicht, fasste erstmalig das charakteristische Zusammenwirken zwischen Versuchen und Theorie einerseits und Baupraxis zusammen. Es sollte eine vielbeachtete und wegweisende Schrift im Ingenieurbau werden.

Kein einfacher Schritt

Der Sprung zum vorgespannten Beton war jedoch nicht einfach. Früh war man sich darüber klar, dass Holz oder gegossener Stahl, aber auch gemauerte Ziegel und später gegossener Beton möglichst auf Druck und nicht auf Zug zu beanspruchen wäre. Auch war bereits bekannt, dass nach dem Euler-Bernoulli-Prinzip ein horizontaler Balken, wenn er zwischen zwei Lagern mit einem senkrechten Gewicht belastet wird, oberhalb der neutralen Linie mit Druck, unterhalb der neutralen Linie auf Zug beansprucht wird. So sollte der Armierungsstahl wegen seiner hohen Zugkräfte in der zugbeanspruchten Zone, d. h. im Allgemeinen im unteren Teil eines biegebeanspruchten Körpers zu liegen haben. Auf diese Weise nahm der druckfeste Beton den Druck, der zugfeste Armierungsstahl den Zug eines Körpers auf. Der in der Zugzone eingelegte Stahl kann sich unter dem Einfluss der Belastung allerdings ausdehnen. Der Beton kann diese Dehnung nur bis zu einem geringen Maße mitmachen. Sein Ausdehnungskoeffizient ist nämlich um das 20-fache geringer als der des Stahls. Er kann auch nur etwa 10 Prozent seiner möglichen Druckspannung als Zugspannung aufnehmen. Die Folge kann sein, dass der Beton reißt, bevor der Stahl seine wirkliche Fähigkeit zeigen kann. Haarrisse können entstehen, Feuchtigkeit dringt ein und der Armierungsstahl korrigiert, expandiert und sprengt den Beton. Der amerikanische Ingenieur Peter H. Jackson (1829–1908) in San Francisco wird oft als einer der frühesten Erfinder vorgespannter Betonkonstruktionen genannt. In der Zeit zwischen 1858 bis 1888 meldete er eine Vielzahl Patente an, die Vorspannung von Gebäudeteilen vorschlugen. Sie begannen mit vorgespannten Gehwegplatten aus Eisen, mit vorgespannten gemauerten Bögen und endeten mit in ein und zwei Richtungen vorgespannten Geschossdecken. Viele andere Bauingenieure folgten mit ihren eigenen Ideen. Der Bauingenieur und Bauunternehmer C.F.W. Doering und Mathias Koenen in Deutschland, Charles Rabut und Armand Considere in Frankreich, Thomas Lee und Charles R. Steiner in den Vereinigten Staaten waren nur einige frühe Konstrukteure, die sich um den vorgespannten Beton bemühten.

Frühe Versuche scheiterten jedoch meist, weil Spanndrähte mit lediglich 60 Newton pro Quadratmillimeter zur Verfügung standen. Die Vorspannung wurde allein schon durch Schwinden und Kriechen des Betons aufgehoben.

Frühe Förderer

Als einer der größten und wichtigsten Förderer des vorgespannten Betons gilt Eugen Freyssinet (1879–1962) in Frankreich. Er definierte und enddeckte nicht nur das Kriechen und Schwinden des Betons unter Last, sondern war ein Pionier des vorgespannten Betons. Seine von ihm unzähligen Brücken und mutigen Konstruktionen beweisen noch heute von seinem unermüdlichen Tun. Anfang des 20. Jahrhunderts gab es jedoch noch keine Stähle, die die erforderlichen Festigkeiten entsprachen. Es sollte noch mindestens 20 Jahre dauern bis einigermaßen geeignete Stähle entwickelt wurden.

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Joseph Monier war Gärtner und Händler in Paris. Er produzierte zunächst Kübel und Behälter aus dünnwandigem Beton, verstärkt mit Drahtgeweben. Seine vielen Patente und Projekte führten dazu, dass der Stahlbetonbau auch "Monierbau" genannt wird. Foto: Deutsches Museum München

Seine Theorien und praktischen Erkenntnisse ließ Freyssinet sich 1928 in Frankreich und vielen anderen Ländern patentieren. In ihnen forderte er Eisendrähte, die eine Elastizitätsgrenze von mindestens 400 Newton pro Quadratmillimeter aufwiesen. Außerdem müsse der Beton mit optimierten Zuschlägen angemacht, mit angemessener Verschalung beim Gießen versehen sein und intensiv gerüttelt werden. 1933 erhielt er einen Auftrag der Firma Wayss & Freytag in Deutschland für einen vorgespannten Testbalken von 20 Metern Länge. Die Testergebnisse waren hervorragend. Mit der Vermarktung der neuen Technik wartete man noch bis 1935, als man in Deutschland das dazugehörende Patent zugesprochen bekam.

1937 konstruierte Franz Dischinger, Professor an der Technischen Hochschule Berlin, die erste Balken-Spannbeton-brücke Deutschlands. Sie überspannt mit einer Länge von 69 Metern das Bahnhofsgelände in Aue, im sächsischen Erzgebirge. Die Vorspannung erfolge über externe Spannglieder. Die Zusammenarbeit zwischen Freyssinet und der Firma Wayss & Freytag erwies sich als sehr intensiv und erfolgreich. Man baute 1938 die erste vorgespannte Betonbrücke mit Vorspannung im Verbund mit Beton überhaupt über die heutige A 2 in Oelde, im Kreis Warendorf, Nordrhein-Westfalen. Die Oelde-Brücke hat eine Stützweite von 33 Metern und steht als Ingenieurdenkmal unweit ihres ersten Einsatzes.

Danach konzentrierte sich Freyssinet auf den Entwurf unzähliger Brücken. Im Jahr 1941 entwarf er die kühne und sehr flache Zweigelenk-Rahmenbrücke über die Marne bei Lucancy, die jedoch erst nach Beendigung des Krieges fertiggestellt werden konnte. Weitere vier Brücken gleicher Bauart folgten. Das Besondere an diesen Brücken ist, dass sie aus 55 bis 74 Meter langen vorgespannten Betonfertigteilen zusammengesetzt sind. Sie wurden in Betonfertigteilwerken gefertigt, zur Brücke transportiert und dort mit einer eigens angefertigten Art Kabelkran in ihre endgültige Lage gehoben. Danach wurden sie durch lastverteilende Querträger miteinander verspannt. Lehrgerüste oder provisorische Stützen im Fluss waren daher nicht erforderlich. Es war eine überaus fortschrittliche Bauweise.

Neue Brückenkonstruktionen

Nach dem zweiten Weltkrieg begann jedoch der eigentliche Siegeszug der vorgespannten Betonbauweise. Die zerstörte Infrastruktur und sich stark entwickelnde Mobilität, insbesondere in Europe, förderte eine intensive Bautätigkeit. Vor allem neue Straßen und Brücken waren erforderlich (siehe großes Foto). Die Zeit für Ulrich Finsterwalder war nun in Deutschland gekommen. Er erlernte die Mathematik der Statik, während er in französischen Kriegsgefangenenlagern des Ersten Weltkriegs einsaß. Nach dem Krieg war er in der Lage, sein Wissen auch praktisch anzuwenden. Mit sehr umfangreichen Erfahrungen im traditionellen Stahlbetonbau war er spezialisiert auf Bogenbrücken mit dünnen Strukturen. Finsterwalder war später daran interessiert, zu zeigen, dass vorgespannter Beton direkt mit Stahlkonstruktionen konkurrieren kann. Beton sei nicht nur wirtschaftlicher, sondern auch für lange Spannweiten mit minimaler Tiefe geeignet.

Er bewies, dass vorgespannter Beton sicher, wirtschaftlich und elegant sein kann. Sein großer Verdienst war die Entwicklung "doppelter Auslegerbrücken", die im Freivorbau erstellt werden. Der Vorteil dieser Konstruktion ist, dass die Brücken während des Baus nahezu ohne jeglichen Gerüstbau und Unterstützungen auskommen. Der auskragende Brückenbau wird bereits während des Baufortschritts vorgespannt. Seine Technik bewies Finsterwalder bereits 1951 mit dem kühnen Bau der 62 Meter weit gespannten Lahnbrücke bei Balduinstein in Deutschland. Sie sollte die erste Brücke sein, die im freien Vorbau mit vorgespanntem Ortbeton errichtet wurde.

Die technische Entwicklung des vorgespannten Betons und dessen Anwendungsmöglichkeiten waren damit aber bei Weitem noch nicht zu Ende. Besonders in neuerer Zeit hat sich der Spannbeton in einem Siegeszug ohnegleichen alle Gebiete des Bauwesens erobert.

Der Wunsch nach großen, stützenfreien Räumen und Brücken lassen sich nur mittels des Spannbetons realisieren. Konstruktionen werden immer eleganter, leichter, gewagter und vor allem wirtschaftlicher. Ohne die Technik des vorgespannten Betons wäre diese Entwicklung nicht möglich gewesen.

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Teil 1 der Abhandlung erschien in der ABZ 18/21, Teil 2 in der ABZ 33/21. Alle Fotos/Abbildungen sind mit freundlicher Genehmigung von Diplom-Ingenieur Rainer Nobis aus dem Buch „Illustrierte Geschichte des Zements und Betons“ entnommen.

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