Die Wechselbeziehungen zwischen Konstruktion und Fertigung von Stahlbetonfertigteilen, dargestellt an Elementen des Industriehallenbaus [1. Aufl.] 978-3-663-20091-8;978-3-663-20451-0

Table of contents :
Front Matter ....Pages 1-6
Der gegenwärtige Stand der Erkenntnisse über Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen bei der Ortbeton- und Fertigteilbauweise (Horst Hacker)....Pages 7-7
Aufgabenstellung (Horst Hacker)....Pages 7-9
Durchführung der Untersuchungen (Horst Hacker)....Pages 9-35
Literaturangaben (Horst Hacker)....Pages 36-36
Anhang (Horst Hacker)....Pages 37-82
Back Matter ....Pages 83-84

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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN

Nr. 2080 Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt

DK 624.91/691.328.2

Dr.-Ing. Horst Hacker Lehrstuhlund Institut fiir Baumaschinen und Baubetrieb Rhein.-Westf. Techn. Hochschule Aachen

Die Wechselbeziehungen zwischen Konstruktion und Fertigung von Stahlbetonfertigteilen, dargestellt an Elementen des Industriehallenbaus

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1970

Additional material to this book can be downloaded from http://extras.springer.com ISBN 978-3-663-20091-8 DOI 10.1007/978-3-663-20451-0

ISBN 978-3-663-20451-0 (eBook)

Vcrlags-Nr. 012080

© 1970 by Springer Fachmedien Wiesbaden Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, Köln und Opladen 1970 Gcsamtherstellung: Westdeutscher Verlag

Inhalt

Verzeichnis der Formelzeichen und Symbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1. Der gegenwärtige Stand der Erkenntnisse über Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen bei der Ortbeton- und Fertigteilbauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2. Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3. Durchführung der Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Untersuchungen an Einzelelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11 Auswahl der Profile und Ergebnisse der Massenberechnung . . . . . . . . . . . 3.12 Ermittlung des Arbeitsaufwandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.13 Analyse des Arbeitsaufwandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.14 Der Kostenvergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 9 9 10 12 13

3.2 Untersuchungen an verschiedenen Systemen der Dachausbildung bei einfachen Industriehallen ........................................... . 3.21 Gesetzmäßigkeiten und Tendenzen zur Bestimmung des minimalen Arbeitsaufwandes für Fertigteile ..................................... . 3.22 Beschreibung der untersuchten Hallendächer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.23 Vergleich des Baustoffaufwandes der verschiedenen Dachsysteme . . . . . . . 3.24 Ermittlung des Arbeitsaufwandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.25 Gegenüberstellung des Arbeitsaufwandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.26 Der Kostenvergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Untersuchungen an Tragkonstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.31 Beschreibung der untersuchten Tragkonstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.32 Die Ergebnisse der Massenberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.33 Beschreibung der Herstellmethode und der Montage der Fertigteile . . . . . 3.34 Der Arbeitsaufwand für die Herstellung und Montage der Fertigteile . . . 3.35 Zur Frage der wirtschaftlichen Transportentfernung zwischen Fertigteilwerk und Baustelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.36 Der Vergleich der Herstellkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 V er gleich zwischen der Ortbeton- und der Fertigteilbauweise . . . . . . . . . . 3.41 Allgemeine Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14 14 19 20 20 21 22 23 23 25

25 25 27 30 30 30

3.42 Vergleich des Arbeitsaufwandes an ausgewählten Konstruktionselementen des Industriehallenbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.43 Vergleich der Bauzeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4. Literaturverzeichnis

36

5. Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabellen 1-21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abbildungen 1-40.................................................. ...

37 38 63

3

Verzeichnis der Formelzeichen und Symbole

s,I,L

Bauteilabmessungen in m

Iw

wirtschaftliche Bauteillänge in m

b

Breite eines Bauteils in cm, m

d

Dicke eines Bauteils in cm, m

h

Höhe eines Bauteils in cm, m

hR

Rüsthöhe eines Bauteils in m

p

Pfettenabstand in m

w

Transportentfernung in km Querschnitt eines Bauteils in m 2 Umfang eines Bauteils in m 2 Schalfläche eines Bauteils in m2 Grundfläche der Rüstung für ein Bauteil in m 2 Volumen eines Bauteils in m 3 Stahlgewicht eines Bauteils in kg Betonvolumen bezogen auf1m 2 Hallengrundfläche, msjm2 Bewehrungsanteil in 1m3 Beton, kgjms Bemessungsrichtwerte

g

Bdastung in Mpjm2 Wichte des Betons Wichte des Stahls Stahlmassenkoeffizient Verhältniszahl (B für Baustelle, W für Werk) Verhältniszahl Anzahl gleichartiger Fertigteile

V

Haltbarkeit einer Schalung in Zahl der Einsätze

i

Anzahl der Verbindungsstellen

z

Zahl der Arbeitskolonnen

m

Betonierahschnitte

Q

Arbeitsaufwand in Stunden (h)

QE+A

Arbeitsaufwand für Ein- und Ausschalen in h

Qs

Arbeitsaufwand für Schalungsherstellung in h

4

Arbeitsaufwand für Bewehrungsarbeiten in h Arbeitsaufwand für Betonierarbeiten in h Arbeitsaufwand für Herstellen eines Fertigteils in h

qs

Herstellen der Schalung in Stundenfm 2

K

Kosten für ein Bauteil in DM

KJ

Investitionskosten in DM

=

kb

+ qb " dL +gb " dab

kbM

Herstellkosten für Beton in DM/m 3

kbM

Materialkosten für Beton in DMfm 3

qb

Arbeitsaufwand für Betonierungsarbeiten in Stundenfm 3 Mittellohn in DMfh Gerätestunden für Betonierungsarbeiten in Stundenfm 3 Gerätekosten für Betonierungsarbeiten in DM/h

dab ke

=

keM

+ qe · dL + ge · dae

Kosten für Stahl in DMft Materialkosten für Baustahl in DMft

keM

Arbeitsaufwand für Bewehrungsarbeiten in Stundenft Gerätestunden für Bewehrungsarbeiten in Stundenft dae

Gerätekosten für Bewehrungsarbeiten in DMfh

ks

Herstellkosten einer Schalung in DMfm 2 (Neuwert)

k;

Kosten einer Schalung je Einsatz in DMfm 2

kM= qM" JL +gM" daM

Montagekosten für ein Fertigteil in DM

qM

Arbeitsaufwand für Montagearbeiten in Stunden

gM

Gerätestunden für Montagearbeiten

daM

Gerätekosten für Montagearbeiten in DM/Stunden

kv

=

kvM

+ qv · dL + gv · dav

Kosten der Verbindungen je Stoßstelle DM

kvM

Materialkosten der Verbindungen in DM

qv

Arbeitsaufwand für Herstellen der Verbindungen in Stunden Gerätestunden für Verbindungsarbeiten Gerätekosten für Verbindungsarbeiten in DM/Stunde

kp

=

kTa

kTa

+ w • kTe

Transportkosten für Fertigteile in DMft Kosten für Auf- und Abladen der Fertigteile in DMft Transportkosten für Fertigteile in DM/t · km 5

Lohn- und Abschreibungskosten für Rüstungen in DM/ms u. R. Gesamtbauzeit Zeit für Vorbereitungs- und Abschlußarbeiten Bauzeit Arbeitszeit für 1 Betonierahschnitt Erhärtungszeit des Betons Zeit für Herstellen eines Fertigteils Montagezeit für ein Bauwerk Montagezeit für ein Element

M

Masse für ein Bauwerk in m 3 Beton

~~

Herstellzeit für ein m 3 Beton Arbeitsaufwand für Rüstarbeiten in Stundenfm2 Hallenfl. Arbeitsaufwand für Rüstarbeiten in Stundenfm3 u. R.

6

1. Der gegenwärtige Stand der Erkenntnisse über Wirtschaftlichkeitsuntersuchungenbei der Ortbeton- und Fertigteilbauweise Konstruieren im Massivbau ist in erster Linie eine Formungsaufgabe mit dem Ziel, zweckmäßige, tragsichere und wirtschaftliche Bauwerke zu schaffen. Ein Bauwerk ist dann zweckmäßig, wenn es hinsichtlich der Funktion und der Form befriedigt; es ist tragsicher, wenn es allen Belastungen standhält, und es ist wirtschaftlich, wenn es mit dem geringsten Aufwand den größten Nutzen erbringt. Die Forderung nach der Wirtschaftlichkeit einer Konstruktion ist Gegenstand dieser Untersuchung. Der Aufwand für ein Bauteil wird nach der verbrauchten Materialmenge und nach dem erforderlichen Arbeitsaufwand gemessen. Die Summe für beide Leistungen muß klein sein, wenn die obengenannte Forderung erfüllt sein soll. Material- und Arbeitsaufwand stehen in einer engen Wechselwirkung zueinander, mit der sich der Konstrukteur bei der Entwurfsarbeit ständig auseinandersetzen muß. Von den Anfängen der Massivbauweise bis in die jüngste Zeit wurden Tragwerke aus einfachen geometrischen Formen, wie Rechteckquerschnitte und Plattenbalken gewählt, um den Arbeitsaufwand niedrig zu halten. Schon sehr früh wurde außerdem erkannt, daß die Materialmenge durch eine wirtschaftliche Bemessung herabgesetzt werden kann. Die erste Veröffentlichung, die umfassend das Problem der wirtschaftlichen Bemessung im Stahlbetonbau behandelte, erschien bereits 1913 [1]. Später folgten hierüber weitere Abhandlungen [2, 3, 4]. Man ging dabei von dem Gedanken aus, daß die Summe der Aufwendungen für Beton, Stahl und Schalung ein Minimum werden muß. Wird die Höhe eines Balkens vergrößert, so steigen die Kosten für Beton und Schalung, die Kosten für Stahl fallen. Der tiefste Punkt dieser Kostenkurve in Abhängigkeit von der Bauteilhöhe und den Kosten für Beton, Stahl und Schalung kann mathematisch ermittelt werden. Diese Überlegungen wurden von ScHWIRLEY [5] auch auf die wirtschaftliche Gestaltung ganzer Bauwerke übertragen. Mit der Einführung der Fertigteilbauweise im Massivbau sind auf dem Gebiet der Fertigung neue Verhältnisse entstanden, die auch in der konstruktiven Gestaltung ihren Ausdruck fanden. Obwohl die Zahl der Bauwerke aus Fertigteilen und die darüber veröffentlichte Literatur sehr groß ist [12, 17], sind wissenschaftliche Untersuchungen über die Wirtschaftlichkeit dieser Bauweise im allgemeinen und speziell über Fertigteile des Industriebaus nur vereinzelt erschienen [18, 19, 20, 21]. Einen sehr anschaulichen Überblick über den technischen Stand und die Entwicklung der Fertigteilbauweise bringt KONCZ in [22].

2. Aufgabenstellung Das Bauen mit Fertigteilen ist zuerst ein fertigungstechnisches Problem. In Abhängigkeit von der Größe der Serie verläuft die Entwicklung auf zwei Wegen: 1. Bei großen Serien werden neue Methoden der Fertigung angewendet, die sich nicht nur auf die Mechanisierung der Transportvorgänge beziehen, sondern auch den Formungs-und Gestaltungsprozeß für die Bauteile mit erfassen.

7

Die bisher bekannten V erfahren unterscheiden sich hauptsächlich durch die unterschiedliche Lösung der Transportaufgabe, während die Formungsvorgänge praktisch gleich sind. Je nach der Größe der Serie gibt es verschiedene Grade der Mechanisierung, vom einfachen Standverfahren, das sich im Arbeitsablauf und in der Geräteausrüstung praktisch nicht von der monolithischen Betonbauweise unterscheidet, bis zur vollmechanisierten Gleitfertigung, bei der der Transport des Betons, die Schalund Betonierarbeiten in einem Arbeitsgang erledigt werden. 2. Der weitaus größte Teil der Fertigteile wird auch heute noch nach der gleichen Methode hergestellt, wie alle Elemente des monolithischen Betonbaus, nur, daß sich hier der Fertigungsort von einer Dachdecke z. B. auf den Bauplatz oder bestenfalls auf eine Fertigungsbahn verlagert hat. Trotzdem darf nicht verkannt werden, daß eine bessere Arbeitsplatzgestaltung und besonders die ortsfeste Fertigung arbeitstechnische V orteile bieten. Welchen Einfluß die Mechanisierung der Fertigung auf die Kosten bei kleinen Serien hat, soll kurz dargestellt werden: Faßt man das gesamte Bauen nur als einen Transport von Baustoffen auf, so könnten die einzelnen Transportvorgänge auch bei kleinen Serien weitgehend mechanisiert ausgeführt werden. Beim Bauen gibt es aber noch Arbeitsprozesse, die mit Transport wenig zu tun haben, wie Ölen der Schalung, Biegen der Bewehrung und V erdichten des Betons. Auch hierfür könnten zwar Geräte eingesetzt werden, die den Arbeitsaufwand senken, doch erfordern diese Spezialmaschinen Investitionen, die bei kleinen Serien kaum tragbar sind. Welchen Einfluß die Investitionskosten bezogen auf DMfm 3 Fertigteil in Abhängigkeit vom Umfang der Bauaufgabe haben, ist in Abb. 1 *dargestellt. Die Abschreibungswerte in DMfm 3 ergeben sich dabei aus den Investitionskosten KJ, dividiert durch die entsprechende m 3-Zahl. Danach müßten, um nur eine Lohnstunde, die einer Abschreibung von 10 DMfm3 Beton bei einem Stundenlohn einschließlich der Zuschläge von 10 DM entspricht, für die Herstellung von 1 m 3 Fertigteil einzusparen, mindestens 1000 m 3 Fertigteile eines Typs hergestellt werden, wenn für ein Gerät nur 10000 DM als Anschaffungskosten erforderlich werden. Mit steigendem Investitionsaufwand steigt auch sehr schnell die zur Erreichung der Rentabilität der Maschine erforderliche Seriengröße. Gegenstand der weiteren Untersuchung sind Elemente des Industriebaus, die nur in kleinen Serien hergestellt werden, wobei als Seriengröße eine Objektgröße anzusehen ist. Die Untersuchung wird an folgenden Bauteilen durchgeführt:

1. An 1-, T- und I-Profilen wird die Wechselwirkung von Profilgestaltung und Arbeitsaufwand untersucht. Die Gegenüberstellung des Aufwandes für Baustoffe und Lohnstunden soll zeigen, unter welchen Bedingungen feinprofilierte Querschnitte wirtschaftlich sind. 2. An Hand verschiedener Systeme der Dachdeckung für Industriehallen soll die Frage beantwortet werden, ob viele kleine Elemente (Dachplatten, Pfetten und Binder) oder wenige große Fertigteile (Schalen) vorteilhaft sind. Darüber hinaus soll festgestellt werden, wie groß unter den besonderen Verhältnissen der Fertigteilbauweise der wirtschaftliche Binderabstand bei einschiffigen Hallenbauten ist.

* Die Abbildungen und Tabellen im Anhang ab 8

Seite 37

3. An 4 Rahmentragwerken für einschiffige Industriehallen ohne Kranbahn wird besonders der Einfluß der Montage auf den Arbeitsaufwand untersucht. 4. Anschließend wird auf die Frage eingegangen, ob und unter welchen Voraussetzungen die Fertigteilbauweise der Ortbetonbauweise auf dem Gebiet des Industriebaus überlegen ist.

3. Durchführung der Untersuchungen 3.1 Untersuchungen an Einzelelementen Balken aus Stahlbeton müssen folgenden Anforderungen entsprechen: 1. Für eine gegebene Belastung dürfen die zulässigen Biege- und Schubspannungen nicht überschritten werden, wobei der Materialaufwand möglichst klein sein soll. 2. Die Balken müssen einfach herzustellen sein. Diese Forderungen widersprechen sich teilweise, da eine Tragwerksform, deren Querschnitt überall gleichmäßig belastet wird, in der Herstellung stets mit einem höheren Arbeitsaufwand verbunden ist. Die größte Querschnittsbeanspruchung an einem Balken tritt an der Ober- und Unterseite auf, während die Beanspruchung zur Nullinie hin abnimmt. Ein Rechteckbalken bedeutet insofern eine Materialverschwendung. Um den Querschnitt gleichmäßig zu belasten, könnte für die Trägermitte ein Beton minderer Güte eingebaut werden, oder der Querschnitt wird entsprechend den statischen Erfordernissen profiliert, wodurch gleichzeitig das Gewicht des Trägers wesentlich gesenkt wird. Die Verwendung von zwei verschiedenen Betongüten für ein Bauteil hat nur für die serienmäßige Herstellung von Platten Bedeutung, bei der sich der Einsatz von zwei Mischanlagen und Verteilergeräten lohnt. Die Profilierung der Träger erlangte im Hoch- und Industriebau erst durch die Verwendung umsetzbarer Schalungen Bedeutung. Welchen Einfluß das Eigengewicht der Träger im Verhältnis zur Nutzlast bei einem 1-, T- und einem I-Balken von 4 bis24m Spannweite und einer Nutzlast von 1 Mpfm hat, zeigt Abb. 2. Danach wird gegenüber dem vollen Rechteckquerschnitt für ein I-Profil bei einer Spannweite von24m zur Übertragung der gleichen Nutzlast nur etwa Ya des Betons benötigt (Tab. 1). Der Materialaufwand allein ist noch kein Kriterium für die Wirtschaftlichkeit. Durch die Profilierung der Träger wird die Schalung komplizierter, die zur Übertragung der Schubkräfte erforderlichen Bügel müssen der Querschnittsform angepaßt werden und vergrößern damit den Aufwand für das Biegen der Stähle, außerdem wird der Betoniervorgang erschwert.

3.11 Auswahl der Profile und Ergebnisse der Massenberechnung Die Wechselwirkung zwischen dem Baustoff- und dem Arbeitsaufwand soll an 3 Balkenformen: den vollen Rechteckquerschnitt, den T- und den I-Balken untersucht werden. Um den Einfluß des Eigengewichtes zu erfassen, werden Spannweiten von 4, 8, 12, 16, 9

20 und 24 m der Berechnung zugrunde gelegt. Die Balkenbreite ergibt sich aus den Lagerungsbedingungen der Träger, sie steigt mit der Spannweite, sie ist jedoch für alle 3 Profile innerhalb einer Spannweite gleich. Die Stegbreite für das T- und das I-Profil ergibt sich aus dem Raum für die Haupttragbewehrung bzw. für die Bügelbewehrung. Die Ergebnisse der Massenberechnung für die Baustoffgüten B 300 und St IIIb sind in.der Tab. 1 zusammengestellt. Da es im Rahmen dieser Untersuchung nicht auf die absolute Größe dieser Werte ankommt, enthält die Tab. 1 den Aufwand als Prozent der T- und I-Profile im Verhältnis zum RechteckprofiL Die Auswertung erfolgt in den Abb. 3 a und 3 b.

3.12 Ermittlung des Arbeitsaufwandes Bei der Ermittlung des Arbeitsaufwandes werden die für die Baustelleneinrichtung erforderlichen Aufwendungen nicht berücksichtigt, da sie auf das Ergebnis keinen Einfluß haben. Ebenso werden Aufwendungen für die Montage der Elemente in die Untersuchung nicht mit einbezogen. Wie in dem Kapitel 3.2 nachgewiesen wird, ist der Arbeitsaufwand für die Montage in diesem Zusammenhang nicht von Bedeutung. Für die Herstellung von Stahlbetonfertigteilen sind folgende Arbeitsvorgänge erforderlich: Herstellen der Formen

-+

Einschalen der Fertigteile

Vorbereitung der Bewehrung

-+

Herstellung der Betonmischung

-+

Einlegen und Befestigen der Bewehrung t Betonieren der Elemente

t

t

Ausschalen der Fertigteile Bei ni-facher Verwendung einer Schalung ergibt sich folgender Arbeitsaufwand je Element:

Die Kosten der Schalung sind im wesentlichen von ihrer Qualität und ihrer Haltbarkeit abhängig. Zwischen beiden Faktoren besteht die Beziehung: zwischen den Grenzen 1 bis v

ni

Je Einsatz nehmen die Kosten hyperbolisch ab, bis ihre Haltbarkeit erreicht ist. Ist die Zahl der herzustellenden Fertigteile ni größer als die Haltbarkeit einer Schalung (v), muß eine zweite Schalung hergestellt werden. Die Kosten je Einsatz betragen dann:

2 k ' =-·ks ni

ni

v

zwischen den Grenzen

+ 1 bis 2 v

Für die dritte Schalung betragen die Kosten: zwischen den Grenzen 2 V+ 1 bis 3 V

ni

usw. 10

Mit den in der Randtabelle der Abb. 4 angegebenen Neuwerten von 5 Schalungen und der voraussichtlichen Lebensdauer ergibt sich folgender wirtschaftlicher Einsatzbereich dieser Schalungen: Bis zu einer Seriengröße ni = 30 Fertigteile weisen einfache Holzschalungen die niedrigsten Kosten auf, obwohl dafür 4 neue Schalungen gebaut werden müssen. Für Serien von 30 bis 50 Elementen wird man der Holzschalung mit einem Blechbeschlag oder einem Kunststoffbelag den Vorzug geben. Erst bei noch größeren Serien ist die reine Stahlschalung wirtschaftlich. Die hier angegebenen Werte können nur einen Anhaltspunkt geben, da in der Praxis diese starren Grenzen nicht existieren. Denn sowohl die Neuwerte als auch die Lebensdauer sind von vielen Faktoren abhängig, die mit den Baustoffeigenschaften nur mittelbar etwas zu tun haben (Baustellenverhältnisse, Schalungspflege usw.). Die Kosten der Schalung nehmen mit zunehmender Zahl der Einsätze sehr schnell ab. Eine derartige Kostenuntersuchung lohnt sich deshalb besonders dann, wenn nur wenige Elemente herzustellen sind. Ab ni = 50 liegen die Kosten sämtlicher Schalungen sehr dicht beieinander. Hier werden dann die qualitativen Eigenschaften ausschlaggebend für die Wahl des Schalmaterials. Die Kosten der Schalung sind außer von dem Material auch von der Form der Fertigteile abhängig. Die Schalungen für große und ebene Flächen sind einfacher herzustellen als Schalungen für feingliedrige Elemente. Eine Ermittlung der Kosten nach eingeschalten m 2 ist für Vergleichsuntersuchungen von Trägern mit sehr unterschiedlichem Profil nicht möglich, da jede Profilkante einen ungleich höheren Aufwand erfordert, als sich aus dem Umfang der Träger errechnet. Die Zahl der zu bearbeitenden Kanten für ein Rechteckprofil beträgt 2, für ein TProfil6 und für ein I-Profil10. Daraus ergibt sich ein Verhältnis von 1:3:5. Benutzt man die Zahl der Profilkanten als Maßstab für den Arbeitsaufwand, so erhält man für ein T-Profil Qs = 3 · ST · qs I-Profil Qs = 5 · SI · q8 Für die Untersuchung wurde nach [25] qs = 0,6 Stundenfm 2 zugrunde gelegt. Bei der Ermittlung des Arbeitsaufwandes für das Ein- und Ausschalen, für die Bewehrungs- und Betoniervorgänge ist zu untersuchen, von welchen Faktoren der Aufwand abhängt. Um die Besonderheiten der profilierten Träger zu erfassen, wurden die Arbeitsvorgänge wie folgt unterteilt: Ein- und Ausschalen

Bewehrungsarbeiten

Betonierarbeiten

1. Ölen der Schalung 2. Zusammenbau 3. Ausschalen 4. Reinigen

1. 2. 3. 4.

1. Beton herstellen und transportieren 2. Einbringen und Verdichten 3. Glätten der Oberfläche

Schneiden der Stähle Biegen der Stabstähle Biegen der Bügel Verlegen der Bewehrung

In der Tab. 2 ist für die einzelnen Teilvorgänge der spezifische Arbeitsaufwand angegeben, der mit den in der Tab. 1 aufgeführten Flächen- bzw. Massenangaben für die Profile in Abhängigkeit von der Spannweite den Arbeitsaufwand für einen Träger ergibt. Besondere Schwierigkeiten oder eine besondere Sorgfalt bei den T- und IProfilen wurden durch einen Zuschlag berücksichtigt. 11

Die dieser Untersuchung zugrunde gelegten Arbeitszeitwerte gelten für normale zur Zeit erreichbare Arbeitsleistungen und unter den in [14, 24, 25, 26, 27] angegebenen Voraussetzungen. Da aber die Arbeitsleistung im Einzelfall von vielen Faktoren abhängig ist, können die verwendeten Werte nicht in der absoluten Form übernommen werden. Um den Einfluß von Schwankungen im Arbeitsaufwand auf das Vergleichsergebnis festzustellen, wurden im Abschnitt 3.14 einige mögliche Grenzfälle untersucht.

3.13 Ana(yse des Arbeitsaufwandes Der Anteil der Aufwendungen für die einzelnen Arbeitsvorgänge bezogen auf den Gesamtarbeitsaufwand für die Herstellung der Fertigteile ist in Abb. 5 als Mittelwert der untersuchten Trägerlängen dargestellt. Der Herstellaufwand für die Schalung ist bezogen auf den Herstellaufwand eines Fertigteiles ( = 100%) verhältnismäßig hoch. Für ein I-Profil sind es im Mittel68%, für ein T-Profil217% und für ein I-Profil400%. Dieser hohe Aufwand für die profilierten Träger kann nur verringert werden, wenn die Balkenformen genormt oder wenigstens innerhalb einer Firma getypt werden, so daß mit wenigen Schalungen eine große Anzahl von Trägern für unterschiedliche Belastungen und Spannweiten hergestellt werden können. Die größten Variationsmöglichkeiten ergeben sich dann, wenn die Flansche der Balken konstant und nur die Stege verändert werden. Der Arbeitsaufwand der profilierten Träger, bezogen auf das Rechteckprofil, ist in den Abb. 6a und 6b dargestellt. Der Aufwand für die Schalungsherstellung ist dabei nicht berücksichtigt. Bedingt durch die geringeren Betonmengen der profilierten Träger beträgt der Betonieraufwand nur 8G% bei einer Spannweite von 4 m und 50% bei I = 24 m. Der Aufwand für das Herstellen und Einlegen der Bewehrung der T- und I-Träger ist mit 120-100% größer als bei den Rechteckprofilen. Neben den für die T-Balken bis zu I= 16m und für die I-Balken bis zu 12m Länge erforderlichen größeren Stahlbedarf wirkt sich dabei die lohnintensive Herstellung der Bügel für diese Querschnittsformen aus. Auch der Schalaufwand, jedoch ohne die Aufwendungen für die Herstellung der Schalungen, liegt über den Werten für die einfachen Träger, beim I-Balken bis zu 40%. Die in den Abb. 6a und 6b dargestellten Vergleiche gelten nur für sehr große Fertigungsserien, bei denen der Aufwand für das Herstellen der Schalungen keinen Einfluß mehr auf den Gesamtaufwand hat, z. B., wenn sehr stabile Stahlschalungen benutzt werden. Derartige Serien sind jedoch selten; i. d. R. ist der Schalungsherstellaufwand zu berücksichtigen. Die sich aus der Gleichung Q

= Qs + QHerst. ergebenden Aufwendungen sind in der

n,

Tab. 3 zusammengestellt (Abb. 7a und 7b). Die Ergebnisse der Vergleiche des Baustoff- und Arbeitsaufwandes verschieden stark profilierter Träger lassen sich wie folgt zusammenfassen: T- und I-Träger sind ab folgenden Spannweiten wirtschaftlich: bei Betrachtung

T

der Baustoffe: Schalung Stahl Beton

ab I> 15m 'ab I> 18m ab I> Om

des Arbeitsaufwandes

für I > 12m ab n; für I > 20 m ab n; für I > 24 m ab n;

12

I

ab I> 24m ab I> 12m ab I> Om = = =

100 10 3

für I > 20 m ab n; für I > 24 m ab n;

= =

15 7

3.14 Der Kostenvergleich Wie die Zusammenstellung der wirtschaftlichen Einsatzbereiche der Profile zeigt, können aus den Vergleichen des Baustoff- und des Arbeitsaufwandes noch keine endgültigen Schlüsse gezogen werden, da die wirtschaftlichen Balkenlängen bei Baustoffund Aufwandsvergleich verschieden sind. Um eine klare Aussage zu treffen, sind Preisvergleiche erforderlich. Mit den zur Zeit üblichen Baustoffpreisen von 40 DM/m 3 Beton, 700 DMft Baustahl und 20 DM/m 2 Schalung und einem Mittellohn von 7 DM/Stunde einschließlich der Lohnzuschläge erhält man die in den Abb. 8a und 8b dargestellten Kostenkurven (Tab. 5). Danach sind 4 m langeT- und I-Träger stets teurer als volle Rechteckbalken; 12m lange Profilträger sind ab einer Stückzahl von nt = 10 und 20m lange Balken bereits ab nt = 5 wirtschaftlich. Die Kostenvorteile der Profilträger nehmen mit der Trägerlänge zu; sie betragen bei einer Spannweite von I= 24m noch 70-75%. Bei kleinen Serien bis etwa nt = 10 sind die Kosten sehr stark von der Anzahl der Elemente abhängig. Die Grenzkostenkurve für die Wirtschaftlichkeitsschwelle der T- und I-Balken in Abhängigkeit von der Spannweite und der Zahl der gleichen Fertigteile zeigt Abb. 9. Bis zu einer Spannweite von I = 4 m lohnt es sich danach auch bei großen Serien nicht, materialsparende und dafür lohnintensive Trägerformen herzustellen. Erst ab Trägerspannweiten von ca. 8 m sind profilierte Querschnitte wirtschaftlicher, aber auch nur dann, wenn mindestens 30-40 Elemente herzustellen sind. Mit steigender Spannweite nimmt die Seriengröße nt dann sehr schnell ab. Die Kostenvergleiche gelten für das derzeitige Preisniveau in Deutschland. Wie wenig die Ergebnisse bei anderen Kostenrelationen davon abweichen, zeigen die Abb. 10a und lOb. Legt man für die Baustoffe und den Arbeitsaufwand der untersuchten Profile amerikanische Verhältnisse mit den hohen Löhnen und den verhältnismäßig geringen Materialkosten und im Gegensatz dazu ein afrikanisches Preisniveau (Ägypten) mit den sehr geringen Löhnen zugrunde (Tab. 6), so läßt sich ein Unterschied in der wirtschaftlichen Spannweite nur für die stark profilierten I-Profile feststellen (Abb. lOb). In den USA wären demnach I-Träger erst ab 8 m Spannweite dem vollen Rechteckquerschnitt, in Ägypten schon um 4 m Länge überlegen. Für Deutschland liegen die Werte dazwischen. Um den Einfluß der verschiedenen Belastung zu ermitteln, wurde in Tab. 7 ein Kostenvergleich für 1- und I-Träger mit zwei extremen Belastungsfällen (0,5 Mp/m und 2,0 Mpfm) durchgeführt. Die Grenzspannweiten schwanken auch hier zwischen 4 und 8 m Spannweite. Als weitere Variante wurde ein Kostenvergleich mit unterschiedlichem Arbeitsaufwand durchgeführt. Reduziert man den in Tab. 2 angegebenen Arbeitsaufwand für alle Arbeitsvorgänge bei allen Profilen auf die Hälfte bzw. vergrößert ihn auf das Doppelte und vergleicht die sich daraus errechneten Kosten, so erhält man auch hierfür einen Schwankungsbereich von 4 bis 8 m, wobei der Grenzwert für das I-Profil bei einem hohen Arbeitsaufwand bei 8 m liegt, bei einem niedrigen Aufwand bei 4 m (Tab. 8). Im Mittel sind also die vollen Rechteckprofile bis zu einer Spannweite von 6 m wirtschaftlicher, darüber hinaus sind die profilierten Träger im Vorteil. Die Preisunterschiede zwischen den Profilen sind bei den großen Spannweiten erheblich (bei I = 24 m ca. 30%), so daß profilierte Querschnitte mit zunehmender Länge aus wirtschaftlichen Gründen notwendig sind.

13

3.2 Untersuchungen an verschiedenen Systemen der Dachausbildung bei einfachen Industriehallen Unter den Dachsystemen für einfache Industriehallen sollen hier Flachdachkonstruktionen verstanden werden, wie sie für normale Lager- oder auch Werkstatthallen ohne Sonderlasten üblich sind.

3.21 Gesetzmäßigkeifen und Tendenzen zur Bestimmung des minimalen Arbeitsaufwandes für Fertigteile An Konstruktionen aus Fertigteilen werden wegen ihrer besonderen Herstellungsweise auch besondere Anforderungen gestellt [12], die zusammengefaßt lauten:

1. Verwendung vieler gleichartiger Elemente, die sich mit mechanischen Mitteln (Fertiger) herstellen lassen. 2. Je häufiger ein Fertigteiltyp verwendet wird, um so besser kann das Element dem Kräfteverlauf angepaßt werden. 3. Die maximale Größe und das maximale Gewicht der Fertigteile werden durch die Transport- und die Montagegeräte bestimmt. 4. Verwendung möglichst weniger, gleich großer und gleich schwerer Elemente. 5. Anwendung weniger, einfacher und sofort kraftschlüssiger Verbindungen. Diese Grundsätze widersprechen sich teilweise und führen deshalb zu folgenden Extremen: Viele kleine Elemente - wenige große Elemente, wobei die Transport- und die Montagegeräte die maximalen Abmessungen der Fertigteile bestimmen. Diese zunächst sehr allgemeinen Angaben lassen sich mit Hilfe der Aufwandsrechnung genauer formulieren. Ein Bauteil von der Länge L und dem Querschnitt F kann als Ganzes hergestellt und montiert werden oder aber in Teilen, die anschließend wieder zusammenzufügen sind. Ganz allgemein gilt für ein Fertigteil mit den Abmessungen F · I die Kostensumme:

. '1e un d f ür nt = -L F ert1gte1 I Knt = F · L(kb

+ P,e · ke + Yb · kT) + (U ·I+

2

F) · ks

+~

·kM+ ( ~

-1) ·

Da die Gesamtkosten ein Minimum werden sollen, wird Knt nach I differenziert dKnt dl

-- =

14

L U · ks- - · kM -

12

L - · kv = 0

12

kv

Die wirtschaftliche Fertigteillänge beträgt demnach

Iw

=

1 / L . kM

VU

+ kv

ks

oder daraus die optimale Zahl der Fertigteile

die auf eine ganze Zahl auf- oder abgerundet werden muß. Diese Überlegungen gelten für den Fall, daß die Montagekosten je Fertigteil unabhängig von der Größe der Elemente gleich hoch sind. Das trifft bei den Kranen neuerer Bauart, die eine ausreichende Tragkraft besitzen, auch zu. Reicht die Tragkraft eines Kranes nicht aus, muß ein schweres Gerät verwendet oder es müssen mehrere Krane eingesetzt werden. Die Montagekosten nehmen dann stufenförmig mit dem Gewicht der Fertigteile zu. Nach Auswertung der in [13] angegebenen Montagezeiten für gleichartige Elemente kann diese Stufenlinie durch eine Gerade ersetzt werden. Teilt man die Montagezeiten für ein Element in eine vom Gewicht unabhängige Zeit t~ und in eine gewichtsabhängige Zeit t'/.,r, bzw. die Montagekosten in k~ und Yb · Vb · k~ auf, so wird

K

f

=

F(kb

(U ·I+ 2 F) · ks + k~ + Yb · F ·I· k~ + tteke + ybkT) ·I+ _..!._ ni Montagekosten/ Element

Montagezeit I Element

r II

M

l

ti-f +

L-------------~--~

.d . '1e wu Für ni = -L F ert1gte1 I

Kni

=

F · L(kb

L

+ fle · ke + Yb · kp) + (U · l + 2 F) · ks + l

und damit

Iw

=

I

·kM

+ Yb · F · L

II

·kM

.!L k~ + kv VU

ks

Da die Baustoffmengen für das ganze Bauteil konstant bleiben und damit auch die Beton- und Stahlkosten von der Zahl der Fertigteile unabhängig sind, ist die wirtschaftliche Fertigteilgröße nur noch von den Kosten für die Schalung, die Montage und das Herstellen der Verbindungen abhängig.

15

Bei hohen Schalungskosten, wie sie für Sichtbetonflächen und bei komplizierten Profilen entstehen können, werden die Elemente kleiner; sie werden größer, wenn die Montagekosten hoch sind. Nach den gleichen Grundsätzen können auch Flächentragwerke untersucht werden, in dieser einfachen Form aber nur, wenn die Lastabtragung im wesentlichen in einer Richtung erfolgt, wie z. B. bei Boden- oder Dachplatten, Wänden, Kuppelbauten usw. Eine Teilplatte von der Dicke d, der Länge I und der Breite b hat folgende Massen:

·I I

vb =I· b · d

11 Spannrichtung

I I I

Ge

=

S

= =

ß'

+l+l+l+l+

u

-t------- L - - - - - t

=

I· b · d · /ll = ß' · I b · d '/le I· b + (2 I + 2 b) · d

21+2b

Die Kosten für eine Platte K

=

I· b · d · kb

+ I· ß' · ke + _..!.._n [I· b + (2 I + 2 b) · d] · ks + Yb · I· b · d · kT + kM

+ (21 + 2 b) · kv K

= I· b · d · (kb + Yb · kT) +I· ß' · ke + _..!.._ n

+ (21 + 2 b) · kv

[I· b

+ (21 + 2 b) · d] · k

8

+kM

L

Für ni = - Platten I Kni

=

L · b · d(kb L

+ (l -

· ß' · ke +[I· b + (21

+ Yb · kT) + L

, 1) (2 I

+ + 2 b) d] · ks +!::_·kM I

+ 2 b) · kv dKnt = (b dl

-

·b - - · kv + 2 d) · ks--L1 ·kM- 2 · kv- 2L 12 2

+

2 · b · kv) L(kM (b + 2 d) · k 8 - 2 kv

Iw =

nt = 1 jL [(b

V

+ 2 d) · k 8 - 2 kv] kM+ 2 · b · kv

bzw. bei Aufteilung der Montagekosten in k~ und k~ L(kl.t + 2 b · kv) V(b + 2 d) · k 2 kv

Iw = 1 /

8 -

An zwei Beispielen soll der Einfluß der Kostenfaktoren auf die Größe der Fertigteile gezeigt werden. 16

1. Beispiel

Stütze mit den Abmessungen 0,50 · 0,50 · 8,00 m, Stahl Ge = 0,5 t Kostenfaktoren:

kb ke ks

120 DMfm 3 Beton 1200 DMft Stahl 10, 20 und 50 DMfm 2 Schalung

kT

0

kM+ kv = 100,200 DM/Fertigteil Nach der Gleichung

Kni

=

Vb · kb +Ge· ke

+ (U ·I+

2

F) ks

+~kM+(~

-1)

kv

ergeben sich die in der Abb. 11 dargestellten Kostenlinien. 2. Beispiel

Rippendeckenplatte mit einer Gesamtlänge L =50 m, einer Breite von b =10m und einer mittleren Dicke von d = 0,15 m. Die Bewehrung beträgt 10 kgfm 2, entsprechend ß' = 100 kgjlfd. m Breite. Kostenfaktoren:

kb ke k8

100 DM/m 3 Beton 1000 DMft Stahl 50 und 100 DMfm 2 Schalung

kT = 0

k~ = 25 DM/Element und k~ = 5 DMft

k 8 =50 DM/m 2

k 8 = 100 DMfm 2

1 5o . (25 + 20 . 5) V(0,3 + 10) ·50 -10 = 3,52 m 1 1 5o (25 + 20 . 5) Iw = V (0,3 + 10) · 100 -10 = 2' 48 m Iw =

1

Die Bestimmung der optimalen Fertigteilgröße ist nach dieser Methode nur dann möglich, wenn sich mit der Vergrößerung der Elemente die gesamten Baustoffmengen nicht ändern, wie das z. B. bei der Änderung der Spannweite eines Trägers der Fall ist. Bei Dachkonstruktionen mit Pfetten und Bindern hängt die wirtschaftliche Größe dieser Fertigteile von dem Abstand der Binder ab, wenn die Länge, Breite und Höhe einer Halle vorgegeben sind. Als Anhalt für den optimalen Binderabstand genügt oft bereits eine Untersuchung über den Baustoffaufwand. Theoretisch müßten auch die Stützen und Fundamente in diese Untersuchung mit einbezogen werden. Wie V oruntersuchungen ergaben, ist der Einfluß bei normalen Baugrundverhältnissen so minimal, daß er vernachlässigt werden kann. Der geringste Baustoffaufwand für eine Binder-Pfettenkonstruktion eines Hallendaches errechnet sich wie folgt: Eine Pfette mit der Länge I und dem Querschnitt bPf • bPf hat ein Betonvolumen von bPf. bPf • I. 17

Da für die Halle mit der Gesamtlänge L, der Breite s und dem Pfettenabstand p

=

nPf

'

(~p + 1) ~I

erforderlich sind, haben sämtliche Pfetten ein Volumen von

1). ~.

= (~ +

vrr

p

m

I

(~ +

hPf. bPf. I=

und bezogen auf1m 2 Dachfläche vPf

1) .

L. hpf. bpf

+) ·

+

= (:

p

hPf · bPf.

hPf wird, wenn die Pfetten mit g (Mpfm 2) belastet sind und das Eigengewicht vernachlässigt wird hPf

.

=

kh •

V1

-. g

bPf

. p -/2 = I. 8

kh

v1

bPf

Vernachlässigt man außerdem den im Verhältnis zu folgt vPf

=

oc1

·I wenn

oc1

=

kh

1 /bPf. g 8 ·p

In gleicher Weise beträgt das Volumen für

++ ~

=

1/p

= (

)hBi . bBi,

8

sehr kleinen Faktor

1/s,

so

L =I+ 1 Binder:

B'

n;

1

(LI+ ) hB' 1 .

I.

bB'I , s

und bezogen auf1m 2 Dachfläche VBi

. p -1

ist.

V

Bi vni

•g

-

hBi

wobei

=

s ,/11 r , · kh

V

1 • g . - 1 1st. .

~

bBI

8

Vernachlässigt man hier den Faktor 1jL, so erhält man vBi

=

oc2

V~ ,

wenn

oc2

=

s • kh

V

bBi •

g . {- ist.

Das Betonvolumen für die Pfetten und Binder bezogen auf 1 m 2 Dachfläche beträgt dann:

v=

dv dl

- = 18

oc1 •

OCl -

I

1

+ ocz VT 1 -~ ocz • I 2

-

=

0

lopt

l

op

=

t=

V-V 1 · cx 2 4 · cxf

--;

--;;w-·s2 ~ bPf • 4

Der Betonaufwand für die Pfetten steigt linear mit dem Binderabstand I und sinkt bei den Bindern hyperbolisch mit steigendem Abstand /. Der optimale Binderabstand lopt wird mit zunehmender Binderspannweites größer. Verwendet man für die Bestimmung der Bewehrung den Ansatz

und zur Ermittlung des Stahlgewichts für die Pfetten die Gleichung G;'t = ß · Ye · Fe · I und für die Binder G~i = ß · Ye · Fe · S, so kann der Minimalaufwand für Stahl auf die gleiche Weise wie für den Beton bestimmt werden. Die praktische Bedeutung der Ermittlung der optimalen Fertigteilgröße in der dargestellten Form ist jedoch begrenzt. Abgesehen davon, daß der Baustoffaufwand (Beton und Stahl) in Abhängigkeit vom Abstand I formelmäßig nur für einachsig gespannte Elemente möglich ist, nicht dagegen für räumliche Tragwerke, wie Faltwerke und Schalen, sind auch einige Vereinfachungen erforderlich (Vernachlässigung des Eigengewichtes, Annahme einer Proportionalität zwischen Baustoff- und Herstellaufwand), um zu einem überschaubaren Ergebnis zu kommen. Es erscheint deshalb sinnvoller, den Baustoff- und Arbeitsaufwand einer Konstruktion für verschiedene Binderabstände einzeln zu ermitteln und an Hand der Aufwandslinien das Minimum und damit die wirtschaftliche Bauteilgröße zu bestimmen.

3.22 Beschreibung der untersuchten Hallendächer Zur Ermittlung der optimalen Fertigteilgröße werden folgende Dachsysteme untersucht: 1. Pfettendach, bestehend aus Dachplatten, Pfetten und Bindern (Abb. 13a), 2. Kassettendach, bestehend aus Kassettenplatten und Bindern (Abb. 13b), 3. Schalendach (Abb. 13 c). Die Schalen wurden stellvertretend für alle großflächigen Tragelemente, wie Rippenplatten, Faltwerke und sonstige Schalenformen gewählt, da es im Rahmen dieser Untersuchung hauptsächlich darauf ankommt, die Wechselwirkung zwischen einer Konstruktion und deren Herstellaufwand gegenüberzustellen, nicht aber, um von allen möglichen Dachsystemen die billigste Form zu ermitteln. Die Hallen sind einheitlich 20 m breit und 96 m lang, die Hallenhöhe ist in diesem Zusammenhang ohne Belang, da die Stützen und Fundamente nicht berücksichtigt werden. Die Binderabstände betragen beim Pfettendach I = 4, 8 und 12 m, beim Kassettendach I= 3, 6, 9 und12m und die Breiten der Tonnenschalen variieren ebenfalls von A = 3, 6, 9 bis 12 m.

19

3.23 Vergleich des Baustoffaufwandes der verschiedenen Dach.rysteme Der gesamte Bedarf an Beton und Stahl für die Binder, Pfetten und Dachplatten des Pfettendaches, für die Kassettenplatten und Binder des Kassettendaches wurde auf eine Hallengrundfläche von 20 · 96 = 1920 m 2 bezogen und ist in Abhängigkeit von den gewählten Binderabständen bzw. von der Schalenbreite in den Abb. 14a und 14b dargestellt. Da eine 9-m-Teilung bei einer Hallenlänge von 96 m keinen gleichmäßigen Stützenabstand ergibt, wurde der Materialaufwand für das Kassetten- und Schalendach in diesem Falle auf eine Hallenlänge von 90 m bzw. auf eine Grundfläche von 1800 m 2 bezogen (Tab. 9). Mit Ausnahme der Dachpiatten aus Gasbeton bestehen sämtliche Elemente aus der Betongüte B 300 und der Stahlsorte St IIIb. Wie aus der Abb. 14a hervorgeht, wird für das Schalendach die geringste Betonmenge benötigt; das Optimum liegt hier bei der kleinsten gewählten Schalenbreite von I= 3 m. Mit zunehmender Schalenbreite steigt der Betonbedarf fast geradlinig an. Für den Transport der Schalen auf öffentlichen Straßen werden nur Fertigteile mit einer Breite von 2,5 m zugelassen und man wird deshalb diese Breite wählen. Der Betonverbrauch für das Pfettendach liegt mit 0,145 m 3 jm 2 Hallenfläche über dem des Kassettendaches, für das bei einem Binderabstand von I= 6 m nur 0,120m 3 jm 2 benötigt werden. Dabei ist aber zu berücksichtigen, daß in diesem Vergleich der Leichtbeton der Dachplatten enthalten ist, der außer seiner statischen Funktion auch eine wärmedämmende Aufgabe hat. Der Betonaufwand für das Pfettendach variiert mit dem Binderabstand nur wenig. Die in der Abb. 14b dargestellten Aufwandslinien für Stahl in kgjm 2 Hallenfläche ergeben für das Pfettendach ein Optimum bei I = 8 m, für das Kassettendach I = 6 m und für das Schalendach ebenfalls 8 m. Im Vergleich zum Pfetten- und Schalendach liegt der Stahlverbrauch des Kassettendaches mit 19,4 kgjm 2 um ca. 37% höher. Das hat seine Ursache in der starken Profliierung der Kassetten und in dem engen Trägerabstand.

3.24 Ermittlung des Arbeitsaufwandes Die Höhe des Arbeitsaufwandes für eine Teilarbeit ist von vielen Faktoren abhängig. Sie werden einmal durch äußere Verhältnisse, z. B. von der Organisation auf der Baustelle, von den vorhandenen Arbeitsgeräten, von der Gestaltung des Arbeitsplatzes, von der Witterung usw. bestimmt und zum anderen von der menschlichen Arbeitsleistung, die wiederum innerhalb eines Arbeitstages und auch innerhalb eines Jahres erheblich von der Normalleistung abweichen kann. Von den äußeren Verhältnissen beeinflußt besonders die Witterung die Leistung. Dieser Faktor kann bei der heutigen Technologie nicht ausgeschaltet werden. Solange dieser Faktor die Arbeitsleistung weitgehend bestimmen kann, wird es einen für alle Baustellen gültigen Arbeitsaufwand für eine Teilarbeit nicht geben, selbst wenn alle anderen Faktoren gleich wären. Die für die Untersuchung verwendeten Zeitwerte, die auf Erfahrungswerten der Industrie beruhen, können deshalb nicht im üblichen kalkulatorischen Sinne für andere, wenn auch ähnliche Bauwerke, verwendet werden, da sie die jeweiligen örtlichen Verhältnisse nicht berücksichtigen. Es ist nicht Ziel der Untersuchung, festzustellen, welches der gewählten Dachsysteme das wirtschaftlichste ist, sondern es soll ermittelt werden, von welchen maßgebenden Faktoren der Arbeitsaufwand für sehr unterschiedliche Fertigteilgrößen abhängt und 20

in welcher Größenordnung sich die einzelnen Teilarbeiten zum Gesamtaufwand verhalten. Zum anderen soll festgestellt werden, wo die optimale Bauteilgröße liegt. Zur Lösung dieser Aufgaben bedarf es keiner Untersuchung, die allen möglichen Baustellenverhältnissen Rechnung trägt, sondern es genügen Mittelwerte.

3.25 Gegenüberstellung des Arbeitsaufwandes Der Arbeitsaufwand für die Ein- und Ausschalarbeiten, die Bewehrungs- und Betoniervorgänge wächst proportional mit der Schalfläche, dem Stahl- und Betonbedarf der Fertigteile. Diese Faktoren bestimmen deshalb auch den Verlauf und die Höhe der über den Binderabstand bzw. der Schalenbreite aufgetragenen Linien des Arbeitsaufwandes (Abb. 15 a, b, c). Die Tiefpunkte der Kurven 1, 2 und 3 der Abb. 15 stimmen im wesentlichen mit den Baustoffaufwandslinien überein. Der Arbeitsaufwand für die Montagearbeiten einschließlich der Arbeiten für das Herstellen der Verbindungen (Kurve 4) nimmt bei allen 3 Dachkonstruktionen mit steigender Größe der Fertigteile ab, während der Aufwand für das Herstellen der Schalungen bezogen auf 1m 2 Hallenfläche mit der Verringerung der Zahl der Fertigteile oder der Vergrößerung des Binderabstandes bzw. der Schalenbreite steil ansteigt. Die Abb. 16a und 16b zeigen den gesamten Arbeitsaufwand bezogen auf1m 2 Hallenfläche für die einzelnen Dachformen, mit und ohne Aufwand für die Schalungsherstellung. Die Gegenüberstellung des Arbeitsaufwandes für die Herstellung der drei Hallendächer zeigt eindeutig die Überlegenheit der großflächigen Bauweise. Sie ergibt sich aus der wesentlich kleineren Schalfläche, dem geringeren Material- und Montageaufwand (Abb. 17). Den prozentualen Anteil der einzelnen Arbeitsvorgänge am Gesamtaufwand für jedes Hallendach zeigt Abb. 18. Die größten Aufwendungen erfordert die Herstellung der Schalung (11-25%), die Bewehrungsarbeiten (21-29%) und die Betonierungsarbeiten (19-26%), deren Höhe durch die Größe der Oberfläche und dem Volumen der Fertigteile bedingt ist. Bei den dargestellten Vergleichen des Arbeitsaufwandes wurde von den ermittelten Baustoffmengen für die drei Dachformen ausgegangen. Um den Einfluß des Aufwandes für die Schalungsherstellung und die Montage in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Größen der Fertigteile besser darzustellen, erscheint es sinnvoller, von konstanten Baustoffmengen für alle Dächer auszugehen. In der Tab. 15 wurden die Aufwendungen für verschiedene Hallenlängen analysiert und auf die entsprechenden Werte des Pfettendaches bezogen (Abb. 19). Der Arbeitsaufwand für die Schalungsherstellung ist beim Kassetten- und dem Schalendach höher, da für die Fertigung der Elemente für das Pfettendach nur wenige Schalungen erforderlich werden (Dachplatten schalungslos). Zum anderen werden für die Kassettenplatten sehr viele und aufwendige Matrizen erforderlich, um alle Elemente in einer gleichen Bauzeit herstellen zu können. Der Montageaufwand ist beim Schalendach 28% niedriger als beim Pfettendach. Insgesamt betrachtet ist der Unterschied im Arbeitsaufwand trotz der Verschiedenartigkeit der Fertigteile sehr gering, wenn man von gleichen Baustoffmengen ausgeht. Bei der herkömmlichen Fertigungstechnik ist eine Senkung des Arbeitsaufwandes nur durch eine Verringerung des Baustoffaufwandes möglich, der allerdings durch die damit verbundene Vergrößerung der Oberfläche Grenzen gesetzt sind. Für große Serien kann der Arbeitsaufwand, insbesondere der Schal- und Betonieraufwand mit Hilfe von Gleitfertigern gesenkt werden. Durch den Wegfall der Teilvorgänge für den Zusammenbau und das Entfernen der Schalung, durch Senkung des Aufwandes für das Einbringen

21

und Verdichten des Betons von 1,5 hfm 3 auf 1,0 hfm 3 und durch einfachere Abclichtungsarbeiten eines ebenen Daches (z. B. Plattenbalken) könnte der Arbeitsaufwand von 1,38 hfm 2 Hallenfläche für 3m breite Schalen (Tab. 13) auf 1,20 hfm 2 gesenkt werden, was einer Einsparung von 15% entspricht. Voraussetzung für mechanisierte Fertigungsverfahren sind jedoch Bauelemente, die den verschiedenen Bedürfnissen Rechnung tragen und damit in großen Stückzahlen hergestellt werden können. Für den Hallenbau eignen sich dazu besonders die großformatigen Plattenbalken mit Mittel- oder Randträger, die auf langen Bahnen in verschiedenen Breiten und Höhen betoniert werden.

3.26 Der Kostenvergleich Aus den Untersuchungen über den Baustoff- und den Arbeitsaufwand ergeben sich für die Dachformen verschiedene optimale Binderabstände bzw. Schalenbreiten und damit unterschiedliche wirtschaftliche Fertigteilgrößen für ein Dach: Optimale Binderabstände/Schalenbreite Pfettendach Kassettendach Schalendach Beton (Abb. 14a) Stahl (Abb. 14b) Arbeitsaufwand (Abb. 16b)

6-9m Sm 6-Sm

6m 6m Sm

3m 6-Sm 3m

Durch die Ermittlung der Kostensumme für den Baustoff- und den Arbeitsaufwand ist der optimale Bereich eindeutig bestimmbar. Mit den in der Tab. 14 angegebenen Preisen für Deutschland (BRD) erhält man für das Pfettendach einen optimalen Binderabstand von l = 8 m, für das Kassettendach l = 6 m und für das Schalendach eine optimale Schalenbreite von l = 3 m. Abweichungen von ± 1 m vom Minimum der Kostenkurve führen nur zu geringfügigen Kostensteigerungen. Die Schalen wird man meistens nur 2,5 m breit ausbilden, um sie gegebenenfalls auch auf der Straße transportieren zu können. Wie die Aufteilung der Gesamtkosten nach Tab. 16 zeigt, bestimmen die Kostenfaktoren kb und k 6 den Verlauf der Kostenkurven. Da der Arbeitsaufwand für die Betonierungs- und Bewehrungsarbeiten im wesentlichen von den Baustoffmengen Beton und Stahl abhängt, bestimmen diese Massen auch den Verlauf der Kostenkurven. Dagegen haben die Aufwendungen für die Herstellung der Schalungen, für die Montage und das Herstellen der Verbindungen darauf keinen Einfluß, zumal ihre Anteile an den Gesamtkosten nur 15-20% ausmachen. Für die Bestimmung der wirtschaftlichen Bauteilgröße sind zwei Fälle zu unterscheiden:

1. Bei der Teilung eines Bauwerks oder Bauteiles ändern sich die gesamten Baustoffmengen nicht. Dann ist für die Bestimmung des Minimalaufwandes nur der Aufwand für die Schalungsherstellung, für die Montage und die Verbindungsarbeiten maßgebend, während die Kosten für den Beton und Stahl einschließlich der V erarbeitungskosten konstant bleiben. Der Minimalaufwand kann analytisch mit Hilfe einer Kostengleichung nach Abschnitt 4.21 bestimmt werden. 22

2. Ändern sich bei der Teilung eines Bauwerks oder Bauteils die gesamten Baustoffmengen, was bei allen mehrachsig gespannten Tragwerken zutrifft, dann ist neben der Bestimmung des minimalen Baustoffaufwandes auch die Ermittlung des entsprechenden Arbeitsaufwandes erforderlich. Wegen der schwierigen Erfassung des Baustoffaufwandes in Abhängigkeit von der Bauteilgröße in Form von Gleichungen wird die Lösung praktisch numerisch für einige ausgezeichnete Systemgrößen (Binderabstand, Schalenbreite) durchgeführt. Die Abb. 20 und 21 verdeutlichen die beiden Fälle. Um den Einfluß unterschiedlicher Material- und Lohnkosten auf die optimale Größe der Fertigteile zu untersuchen, wurden auch hier die Kosten in verschieden hoch entwickelten Ländern, Deutschland (BRD), USA und Ägypten zugrunde gelegt (Tab. 14). Das Ergebnis ist in Abb. 22 dargestellt. Abgesehen von der absoluten Höhe der Kosten ist der Kostenverlauf in allen Vergleichsländern ähnlich. Bei hohen Lohnkosten (USA) erhält man ein ausgeprägtes Optimum für die wirtschaftliche Bauteilgröße mit dem Trend zu kleineren Fertigteilen, während bei niedrigen Löhnen der Kurvenverlauf flacher ist und damit der Streubereich größer wird. Insgesamt gesehen ändert sich das Kostenbild bei den extremen Preisverhältnissen nur wenig. Abb. 22 läßt auch erkennen, daß die Kosten je m 2 Hallenflächetrotz der unterschiedlichen Materialmengen bei den niedrigen Löhnen (Ägypten) für alle Dachformen annähernd gleich sind. Bei den amerikanischen Preisen sind dagegen die Baustoffmengen von ausschlaggebender Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit einer Konstruktion. Nach Abb. 23 beträgt der Anteil der Lohnkosten etwa 50% der Gesamtkosten für derzeitige Preisverhältnisse in der BRD. Da etwa 65% des Arbeitsaufwandes auf die Vorfertigung der Elemente entfällt (Abb. 18), sind auch in Deutschland alle Konstruktionen im Vorteil, die den geringsten Baustoffaufwand erfordern. Den großen Einfluß der Baustoffmengen auf die Wirtschaftlichkeit einer Konstruktion zeigt die Aufteilung der Gesamtkosten in die einzelnen Kostenfaktoren (Tab. 16). ke), während nur 15-20% spezifische 80-85% entfallen auf die Vorfertigung (kb Aufwendungen der Fertigteilbauweise sind (k 8 , kM und kv).

+

3.3 Untersuchungen an Tragkonstruktionen

3.31 Beschreibung der untersuchten Tragkonstruktionen In der monolithischen Massivbauweise werden die Tragkonstruktionen für Hallenbauten hauptsächlich nach konstruktiven und ästhetischen Gesichtspunkten bestimmt. In fertigungstechnischer Hinsicht besteht nur die Forderung nach einer einfachen und unkomplizierten Schalung. Je nach den statischen Gegebenheiten werden eingespannte Rahmen, Zwei- oder Dreigelenkrahmen als Tragsystem gewählt, während das System mit eingespannten Stützen und frei aufliegenden Bindern bei dieser Bauweise seltener angewendet wird. Die Dreiteilung des Arbeitsaufwandes bei der Fertigteilbauweise (Vorfertigung, Transport und Montage) stellt an die Konstruktionen zusätzliche Anforderungen. Auch bei kleinen Serien können die Schalungen häufiger wiederverwendet werden, so daß der Aufwand für die Herstellung komplizierter Schalungen bei materialsparenden Konstruktionen auf größere Einheiten umgelegt werden kann. Da Fertigteile stets transportiert werden müssen, sollten die Elemente in der Regel stabförmig sein, während 23

alle rahmenförmigen Elemente nur mit einem hohen Aufwand vom Fertigungsort zur Montagestelle bewegt werden können. Aus der Montage ergibt sich die Forderung nach großen Fertigteilen, die die Hebezeuge voll auslasten und wenige V erbindungsstellen aufweisen. Diesen Forderungen entspricht das Tragsystem mit eingespannten Stützen und frei aufgelegtem Riegel. Die Einzelelemente lassen sich im Werk oder auch auf der Baustelle einfach herstellen, leicht transportieren und ohne Gerüste montieren. Es sind hierbei jedoch 3 Einzelelemente mit sehr unterschiedlichem Gewicht je Rahmen erforderlich. Demgegenüber haben alle anderen Rahmensysteme den wesentlichen Nachteil der großen Abmessungen mit den Schwierigkeiten beim Transport, wenn die Rahmen nicht an den Ecken getrennt werden, was wiederum einen zusätzlichen Aufwand für das Schließen der Stoßstellen erfordert. Um neben diesen allgemeinen Angaben eine genauere Aussage über die Auswirkungen der unterschiedlichen Aufwendungen für die Fertigung und Montage zu ermöglichen, werden 4 im Industriehallenbau übliche Tragsysteme unter konstanten statischen und fertigungstechnischen Bedingungen untersucht (Abb. 24). Um den Einfluß des statischen Systems auf den Baustoffaufwand zu berücksichtigen, werden die Rahmen mit 3 Spannweiten (16, 20 und 24m) und einem konstanten Rahmenabstand von 8 m bei einer Regelbelastung berechnet. Die lichte Hallenhöhe beträgt 5 m, für die Baustoffe werden B 300 und St IIIb zugrunde gelegt. Die Labilität der Rahmen in Hallenlängsrichtung muß durch besondere Windverbände aufgehoben werden, deren geringer anteiliger Materialmehraufwand im Rahmen dieser Untersuchung außer acht gelassen werden soll. Zur Einsparung von Gewicht werden die Riegel als I-Balken ausgebildet, die Stiele jedoch wegen der geringen Hallenhöhe als volle Rechteckquerschnitte. Die einfachste Form einer biegesteifen Verbindung von Stützen und Fundament stellen die Hülsenfundamente dar, in die die Stützen eingesetzt und durch Holzkeile vorerst gehalten werden, bis der Vergußmörtel genügend erhärtet ist (Abb. 25a). Auch für die gelenkige Verbindung der Stützenfüße wird eine flache Hülse gewählt, die horizontale Bewegungen der Stiele verhindern (Abb. 25b). Die gelenkige Verbindung von Stützen und Binder der Konstruktion 18 a soll hier dadurch erreicht werden, daß die aus den Stützen herausstehenden Längseisen in Öffnungen der Binder eingreifen, die später vergossen werden (Abb. 26a). Die Scheitelgelenkausbildung erfolgt am einfachsten durch 2 Stahlplatten mit Dorn und Öffnung (Abb. 26b). Durch die gewählten Verbindungen ist es bei den Konstruktionen a, b und d möglich, durch einfaches Zusammenführen der Elemente ohne komplizierte Nacharbeiten die Fertigteile in ihrer gegenseitigen Lage ausreichend zu befestigen und zu sichern. Die Konstruktion c hat den Nachteil, daß die Stoßstellen gerade an den Stellen liegen, die statisch am meisten beansprucht werden und die Herstellung der Verbindung deshalb besondere Sorgfalt erfordert. Da die einfachen Haftlängen für Zulagestähle an den Eckpunkten aus Platzgründen nicht ausreichen, bleiben als zugfeste Verbindungen bei normal bewehrten Elementen nur Schweiß- oder Schraubverbindungen. In der Regel wird der Schweißverbindung der Vorzug gegeben; Schraubverbindungen erlauben nur geringe Taleranzen und die empfindlichen Gewinde werden auf den Baustellen schnell beschädigt und führen dann zu zeitraubenden Nacharbeiten. In der Abb. 26c ist die gewählte Verbindungsart dargestellt.

24

3.32 Die Ergebnisse der Massenberechnung Eine Zusammenstellung der Ergebnisse der Massenberechnung enthält die Tab. 17. Werden der Beton- und Stahlaufwand der Konstruktion a getrennt nach Fundamenten, Rahmen und Fundamenten und Rahmen gemeinsam gleich 100% gesetzt und die Massen der Konstruktionenbund d darauf bezogen (die Massen des Rahmens c entsprechen denen des Rahmens b ), so ergeben sich die in der Abb. 27 a-f dargestellten Aufwandslinien. Die V ergleichswerte der gesamten Aufwendungen für die Fundamente und Rahmen in Beton (Abb. 27 e) und in Stahl (Abb. 27 f) ergeben einen Vorteil der Zweigelenkrahmen ab einer Spannweite von etwa 20 m, für den Dreigelenkrahmen erst bei 25-28 m, während der Beton- und Stahlverbrauch bei einer Spannweite von 16m mit 28 bzw. 17% deutlich darüber liegt. Der höhere Betonaufwand des Dreigelenkrahmens hat seine Ursache darin, daß die Stiele, die bei dieser Konstruktion einen hohen Massenanteil haben, als Vollquerschnitt ausgebildet sind und durch die Längs- und Biegekraft nicht überall voll beansprucht werden. Ein Massenvergleich verschiedener Konstruktionen ist nicht immer objektiv durchführbar, wie sich schon bei den Untersuchungen über die wirtschaftlichen Dachformen zeigte, da viele Teile einer Konstruktion nur konstruktive nicht aber rein statische Aufgaben haben, die allein einen exakten Vergleich ermöglichen. Es können deshalb hier nur optimale Bereiche angegeben werden, da es eine starre Grenze nicht gibt.

3.33 Beschreibung der Herstellmethode und der Montage der Fertigteile Um für alle Fertigteile die gleichen Voraussetzungen zu schaffen, wird zunächst davon ausgegangen, daß die Elemente auf der Baustelle direkt neben dem Einbauort hergestellt werden. Die Vorfertigung der Elemente erfolgt in der üblichen Weise durch Einschalen, Bewehren, Betonieren und Ausschalen, wobei die Teile auf dem bereits betonierten Hallenboden auf einer Papierunterlage gefertigt werden sollen. Für die Montage der Binder muß neben den Stützen ein leichtes Arbeitsgerüst errichtet werden, von dem aus die Binder justiert und befestigt werden können. Diese Arbeitsgerüste, die meist aus Leichtmetallstäben bestehen, werden vom Kran entsprechend dem Arbeitsfortschritt umgesetzt. Für die Montage der Dreigelenkrahmenteile ist in Rahmenmitte ein Traggerüst erforderlich, das absenkbar ausgebildet werden muß. A '.Ich dieses Gerüst wird vom Montagekran versetzt. Während die Stützen und die Binder der Konstruktion a ohne Abstützung in ihrer Lage gehalten werden können, müssen die gelenkig gelagerten Halbrahmen und Rahmen während der Montage durch teleskopartig verschiebbare HUfsstützen gesichert werden. Zu diesem Zweck werden die Stützen und Riegel mit Montageöffnungen versehen, durch die Gewindebolzen gesteckt werden und die die HUfsstützen so lange halten, bis der Windverband eingebaut ist.

3.34 Der Arbeitsaufwand für die Herstellung und Montage der Fertigteile Die Ermittlung des Arbeitsaufwandes erfolgt unter den gleichen Voraussetzungen wie bei den Untersuchungen über wirtschaftliche Hallendächer, wobei auch hier von idealisierten Baustellenverhältnissen ausgegangen wird. Da die örtlichen Besonderheiten jeweils verschieden sind, können die angegebenen Arbeitszeitwerte nicht verallgemeinert werden. 25

Der Arbeitsaufwand für die Herstellung der Fundamente und der Rahmenteile ist nach den in der Tab. 18 angegebenen Bauleistungswerten ermittelt worden. Dazu ist folgendes zu bemerken: Zur Ermittlung des Arbeitsaufwandes für die Montage und das Herstellen der Verbindungen werden die Vorgänge, die mit dem Kran ausgeführt werden müssen oder von ihm direkt abhängig sind, getrennt von den Vorgängen ermittelt, die unabhängig vom Kran durchgeführt werden können. In der Tab. 19 sind die vom Kran abhängigen Vorgänge mit 1 bis 6 bezeichnet. Es wird auch hier davon ausgegangen, daß die Montagezeit unabhängig von dem Gewicht für einen Fertigteiltyp gleich lang ist. Die Zeit für das Absteifen der Stützen einschließlich der Zeit für das Einmessen wurde bei der Konstruktion a mit 0,3 Stunden angenommen, für die schwereren Rahmenstützen der Konstruktion c mit 0,5 Stunden. Die Montagekolonne für einen Kran besteht aus 5 Arbeitskräften. Die Vorgänge 7-11 werden von 3 Arbeitskräften ausgeführt. Bei der Aufgliederung des Montagevorganges in einzelne Teilprozesse wurde so vorgegangen, daß alle Vorgänge eliminiert wurden, die bei der Untersuchung keine Rolle spielen, also keinen Einfluß auf das Ergebnis haben. Hierzu zählen insbesondere alle Vorgänge zur Vorbereitung der Montage, wie das Heranschaffen der Hebezeuge, Erdarbeiten zur Herstellung eines Planums, auf dem die Fahrzeuge fahren können usw. Die Aufteilung in Teilprozesse wurde auch nur soweit vorgenommen, wie sich Unterschiede bei den einzelnen Konstruktionen ergeben, da eine weitere Unterteilung durch das Abschätzen der Dauer der Vorgänge zu größeren Ungenauigkeiten führt. Die Untersuchung über die Montage der Rahmen zeigt, daß einteilige Konstruktionen den mehrteiligen vorzuziehen sind, soweit Hebezeuge mit ausreichender Tragkraft zur Verfügung stehen. Größere Fertigteile erfordern weniger Handgriffe als viele kleine Elemente. So sind beim einteiligen Zweigelenkrahmen nur 5 Arbeitsvorgänge für die Montage nötig, für die Rahmenform a dagegen 19. Die Montagezeit ist für den Rahmen b mit 2,1 Stunden die kürzeste und steigt bei der Form c auf das 3%-fache. Die Abb. 29 zeigt die Aufteilung des Montageaufwandes in die drei Hauptvorgänge Rüsten, Montieren und Verbinden. Für den einteiligen Zweigelenkrahmen entfallen die Rüstarbeiten, während sie beim Dreigelenkrahmen fast Ya des Montageaufwandes ausmachen. Der Aufwand für die Verbindung der Fertigteile ist beim Rahmen b sehr gering, da nur eine einfache Gelenkverbindung der Stiele mit den Fundamenten herzustellen ist. Für die Konstruktion c beträgt dieser Aufwand fast 50%. Ein Vergleich des Arbeitsaufwandes für die Herstellung der Rahmen und der Fundamente bezogen auf die Konstruktion a ist in Abb. 30 dargestellt. Die Fundamente für die gelenkige Lagerung der Rahmen erfordern nur 50-80% des Aufwandes für eingespannte Stützen (Abb. 30a). In der Vorfertigung ist bis etwa20m die Form a günstiger, darüber hinaus die Rahmen c und b (Abb. 30b). Bei der Untersuchung des Montageaufwandes wurde davon ausgegangen, daß die Montagezeit nur von der Zahl der Elemente, nicht dagegen von dem Gewicht der Fertigteile, abhängt. Um den Einfluß steigender Fertigteilgewichte auf den Montageaufwand darzustellen, wurde neben der Zeitermittlung nach Tab. 19 die Montagedauer in der Weise bestimmt, daß die Zeiten für die Rahmenteile von20m Spannweite doppelt so hoch sind wie bei den Teilen von 16m Spannweite. Die Elemente für I= 24m benötigen danach die dreifache Zeit. Das Ergebnis ist in Abb. 30 c in Form des doppelten Kurvenzuges dargestellt. Da die angenommene Steigerung der Montagedauer sehr hoch ist, dürften die wahren Werte zwischen diesen Linien liegen. Auch für diesen Fall ist der Aufwand für den Rahmen b kleiner. Der Gesamtaufwand für das Herstellen der Elemente, für die Vorfertigung und die Montage ist, bezogen auf den Aufwand für den Rahmen a, maximal nur 10% vonein26

ander verschieden (Abb. 30d). Da der Anteil des Montageaufwandes an den Gesamtaufwendungen nur 7-13% beträgt (Abb. 29), wirken sich die Mehraufwendungen für die Montage der Rahmen c und d kaum aus. Welche große Bedeutung auch bei diesen Konstruktionen die Baustoffmengen für die Wirtschaftlichkeit einer Konstruktion hat, zeigt ein Vergleich, bei dem von konstanten Baustoffmengen und damit auch von gleich großen Aufwendungen für die Vorfertigung der vier untersuchten Rahmen ausgegangen wird. Trotz des erheblichen Unterschiedes im Montageaufwand beträgt der Unterschied im Gesamtaufwand maximal nur 6%. Die Aufwendungen für die Konstruktionen a, b und d liegen sogar nur um 3% auseinander. Daraus folgt, daß auch bei diesen Systemen der System

a

b

c

d

Arbeitsaufwand für Vorfertigung (h) Montageaufwand (h) Gesamtaufwand (h)

181,23 15,05 196,28 100

181,23 13,10 194,33 99

181,23 24,85 206,08 105

181,23 18,70 199,93 102

(%)

Materialaufwand die Wirtschaftlichkeit einer Konstruktion entscheidet, wenn ausreichend große Hebezeuge zur Verfügung stehen und für das Herstellen der Verbindungen keine außergewöhnliche Aufwendungen erforderlich werden. Diesen Untersuchungen liegt eine Fertigung direkt auf der Baustelle zugrunde. Da von den 4 Rahmenformen nur 2 auf öffentlichen Straßen transportiert werden können, wird der Arbeitsaufwand für die Zwei- und Dreigelenkrahmen unendlich groß, wenn sie aus besonderen Gründen in einem Werk hergestellt werden. Ab wann eine stationäre Fertigung vorteilhafter sein kann, wird im folgenden Kapitel untersucht.

3.35 Zur Frage der wirtschaftlichen Transportentfernung zwischen Fertigteilwerk und Baustelle Montagebaustellen, bei denen man die Fertigteile in unmittelbarer Nähe der Montagestelle herstellen kann, bilden nicht die Regel, da dazu große ebene Flächen nötig sind. Häufig müssen deshalb die Fertigteile auf besonderen Lagerplätzen hergestellt und anschließend zur Einbaustelle transportiert werden. Sind ausreichend tragfähige Krane vorhanden, ist der Baustellentransport kein besonderes Problem, der Arbeitsaufwand wird dadurch nur unwesentlich erhöht. Die Tendenz bei der Fertigteilbauweise geht heute eindeutig zur Fertigung in stationären Werken. Da die Fertigteile dann auf öffentlichen Straßen transportiert werden müssen, sind die in einem Guß hergestellten Rahmen nicht mehr geeignet- ihr Transportaufwand würde theoretisch oo groß werden-. Von den hier untersuchten Rahmenformen kommen nur die Konstruktionen a und c in Betracht. Ob eine Werkfertigung sinnvoll ist, ist hauptsächlich eine wirtschaftliche Frage. Die Fertigungsmethoden im Betonwerk unterscheiden sich bei Fertigteilen, die nicht in großen Serien hergestellt werden, nicht von denen auf der Baustelle. In beiden Fällen wird nach dem einfachen Standverfahren gearbeitet mit den gleichen Betonmisch-, Stahlschneide- und Biegemaschinen und Kranen. Unter sonst gleichen Voraussetzungen müßte folglich auch der Herstellaufwand gleich sein, bzw. die werksgefertigten Bauteile um die Transportkosten teurer sein. Dennoch ergeben sich Unterschiede sowohl beim Arbeitsaufwand als auch bei den Kosten, da der Fertigungsablauf in einem stationären

27

Werk besser organisiert werden kann und weil auch die stündlichen Lohnkosten auf der Baustelle durch die Zuschläge höher sind. Die sich daraus ergebenden Unterschiede sollen mit Hilfe der Kostengleichung ermittelt und graphisch ausgewertet werden. Unter der Voraussetzung, daß die äußeren Arbeitsbedingungen (Fertigung im Freien) gleich sind, kann die Kostengleichung für ein Bauteil mit dem Index W für Werkfertigung und B für Baustellenfertigung wie folgt angegeben werden:

+ q/f · d]; + g},V · d{J(,) + Ge(keM + qeW' dJ!" + g:V · d[fe) + S · k + Yb' Vb' (kra + kre) + (qM' df + gM' deM) + i(k VM + qy' d~ + gV' dev) KB = Vb(kbM + qf 'd~ + gf' df;b) + Ge(keM + q~ 'd~ + g~ 'df;e) + S' ks + (qM · df + gM ·deM) + i(kvM + qv · d~ + gv · dev) KW

=

Vb(kbM

5

W'

Für gleiche Bauteile besteht Kostengleichheit, wenn KW = KB ist. Da die Schal-, Montage- und V erbindungskosten in beiden Fällen gleich sind, wird

+ G,(keM + qeW · dJ!" + &W · dlfe) + Yb · Vb(kra + Vb(kbM + qf 'd~ + zl · dßh) + Ge(keM + q~ 'df + g~ · dße)

Vb(kbM + q/f · d]; + g/f · d[f;,) =

W •

kre)

Werden gleiche Baustoffpreise bei Werk- und Baustellenfertigung vorausgesetzt, ergibt sich mit Ge = fle · Vb folgende Gleichung als Grenzwert für die wirtschaftliche Transportentfernung: 1V

1

= ---

Yb · kre

[(qf 'd~- qtV' df')

+ (qf 'df;h- g/f' d[f;,) + fle(q~' d~- q;v' df)

+ fle(g~' df;e- g:V' dlfe)- Yb' kra] Da in der Regel auch die Bewehrungsarbeiten in beiden Fällen gleich sein werden, ergibt sich w zu :

Die wirtschaftliche Transportentfernung ist damit nur noch von der Differenz der Lohn- und Gerätekosten für die Betonherstellung und -Verarbeitung abhängig. Faßt man die Gerätekosten als Zuschlag zu den Lohnkosten auf, so folgt mit

qh ' dL

+ gh ' deb =

({J '

qh ' dL

1 [rp(qf · d~- q/f · d[V)- Yb · kra] Yb · kre

w = - --

Setzt man für den Arbeitsaufwand auf der Baustelle den .;-fachen Wert der im Werk benötigten Stunden an .; =

B

!!!!_ qlf

und für den Mittellohn den 17-fachen Satz d~

1]=-

df!"

28

lautet die Gl(!ichung w

=

w=

1 Yb ' kTe

[cp(~ · 'fJ • qlf · d f - qlf' df)- Yb 'kTa]

qlf·df

k~

Yb ' kTe

kTe

- - cp(~ ·n - 1 ) - -

(km)

Die Auswertung der Gleichung mit kTa = 8 DMft, kp 6 = 0,12 DMft km, /'b = 2,5 tf m 3, df = 6 DMfh, 'fJ = 1,1 und cp = 1,5 zeigt die Abb. 31 a. Danach hängt die wirtschaftliehe Transportentfernung einmal von dem Quotienten

~

= -q~ ab und zum qlf

anderen von der absoluten Größe des Arbeitsaufwandes für die Betonarbeiten im Werk. Da der Faktor ~ bei den getroffenen Voraussetzungen (gleiche Fertigungsmethode) über 1,3 nicht hinausgehen wird, ist die Werkfertigung nur für sehr komplizierte Teile, die einen hohen Lohnaufwand benötigen, rentabel. Für qlf = 6 bis 8 Stundenfm 3 liegt w zwischen 10 und 30 km. Nur bei bester Arbeitsorganisation(~ = 1,5) kann w auf 50 bis 80 km steigen. Wenn aus Witterungsgründen auf der Baustelle nicht gearbeitet werden kann (q~ = oo), ist eine Werkfertigung unabhängig von der Transportentfernung stets wirtschaftlich. Eine Werkfertigung ist auch immer dann wirtschaftlich, wenn auf einer Baustelle erst komplizierte Anlagen, z. B. die Einrichtung eines Spannbettes für nur wenige Spannbetonelemente, errichtet werden müßten. Der Arbeitsaufwand bezogen auf 1m3 Fertigteil würde im Verhältnis zum Aufwand im Werk sehr groß. Mit zunehmender Mechanisierung der Werkfertigung, ausgedrückt durch den Faktor cp, steigt auch der Bereich der wirtschaftlichen Transportentfernung. Unter den Voraussetzungen der Abb. 31 a, aber mit cp = 2,0, steigt w auf 40 bis 70 km. Unterschiedliche Materialpreise beeinflussen die Transportentfernung. Die Zement- und Stahlpreise werden in der Regel nicht oder nur wenig variieren, dagegen können die Preise für die Zuschlagstoffe in einem stationären Werk bei günstiger Lage zu einem Baustofflieferanten unter Umständen erheblich niedriger liegen, als für entlegene Baustellen. Ohne Stahlkosten lautet die Kostengleichung:

Die Gleichung für die wirtschaftliche Transportentfernung: w=

w=

1 /'b ' kTe qlf' df Yb ' kTe

[keM-k/it+cp·qlf·df(~·n-1)-yb·kTal cp(~. 'fJ -

1)

LJkbM kTa +--/'b ' kTe

kTe

Die Auswertung dieser Gleichung ist für kTa = 8 DM/t, kTe = 0,12 DMftkm, df = 6DM/h, 'fJ = 1,1, cp = 1,5 in der Abb. 31 b dargestellt. Dabei wurde weiter angenommen, daß die Preise der Zuschlagstoffe im Werk nur 50% der Preise der Baustelle betragen: LlkbM

=

keM-kfu

= 54,10-43,20 = 10,90 DMfm 3

Für qlf = 6 bis 8 hfm 3 und bei cp = 1,3 erhöht sich

w

auf 50 bis 75 km. 29

3.36 Der Vergleich der Herstellkosten Die Wirtschaftlichkeitsgrenzen der 4 Rahmenformen ergeben sich aus dem Vergleich der Herstellkosten. Legt man auch hier wieder das unterschiedliche Kostenniveau der Länder USA, Deutschland und Ägypten zugrunde, so erhält man folgende Lösungen: In Deutschland ist der Zweigelenkrahmen, unabhängig davon, ob er einteilig oder mehrteilig hergestellt wird, ab etwa 18m Spannweite wirtschaftlicher als das System der eingespannten Stützen mit frei aufliegendem Binder. Die Grenze würde sich in den USA auf 20m, in Ägypten auf16m verschieben. Das Ergebnis zeigt auch, daß bei den in der Fertigungsmethode sehr verschiedenen Rahmenkonstruktionen b und c das gleiche Kostenverhalten gegenüber der Form a vorhanden ist. Der Dreigelenkrahmen bietet nach diesen Vergleichen keinen Vorteil (Abb. 32). Die Lohn- und Baustoffkosten für die Rahmen sind in den Vergleichsländern im V erhältnis zu den Gesamtkosten unterschiedlich (Abb. 34). Für amerikanische Verhältnisse beträgt der Lohnanteil 75%, für Ägypten nur 6-8% der Gesamtkosten. Eine Senkung der Baukosten bedeutet in den USA daher in erster Linie eine Senkung des Arbeitsaufwandes, was bei den herkömmlichen Fertigungsmethoden nur durch eine Reduzierung des Baustoffaufwandes möglich ist. Da dieser Reduzierung baustofftechnische Grenzen gesetzt sind, ergibt sich hier stärker als in den anderen Ländern die Notwendigkeit einer weiteren Rationalisierung der Fertigung. In den Entwicklungsländern können die Baukosten hauptsächlich durch materialsparende Konstruktionen gesenkt werden. Der Lohnanteilliegt für deutsche Verhältnisse bei ca. 45%; es sind deshalb alle Maßnahmen von Vorteil, die sowohl Baustoffe als auch an Löhnen sparen. Wie bereits die vergleichende Betrachtung über die Höhe des Arbeitsaufwandes für die einzelnen Tragsysteme zeigte, bestehen trotz der Verschiedenartigkeit der Ausführung nur geringe Unterschiede, wenn von gleichen Baustoffmengen für alle Konstruktionen ausgegangen wird. Bei einem Lohnanteil von 45% (BRD) ergeben sich aus der Fertigung Kostenunterschiede von 1 bis 3% . Das heißt, auch bei diesen Konstruktionsformen bilden die Baustoffmengen das Kriterium für die Wirtschaftlichkeit, während die Fertigung bei normalen Bauwerken nur einen geringen Einfluß auf die Gesamtkosten hat. Erst wenn es gelingt, neue V erfahren auch für die Herstellung von Fertigteilen für den Industriebau anzuwenden, können die Gesamtkosten auch durch die Fertigung herabgesetzt werden. 3.4 Vergleich zwischen der Ortbeton- und der Fertigteilbauweise

3.41 Allgemeine Betrachtung Schwieriger als Vergleiehe von verschiedenen Konstruktionsformen, die nach demselben Verfahren hergestellt werden, sind Vergleiche verschiedener Bauweisen. Jede Bauweise hat ihre Besonderheiten, die sich durch einen Kosten- oder Zeitvergleich nicht alle erfassen lassen. So setzt z. B. der Einsatz von Spezialgeräten neue Maßstäbe für die Qualität von Bauteilen, die Fertigteilbauweise stellt durch die ständige Wiederholung gleicher Arbeitsvorgänge geringere Anforderungen an die Qualifikation der Arbeitskräfte, eine ortsfeste Fabrik schafft bessere Voraussetzungen für die Sozialbetreuung der Arbeiter, durch die Serienfertigung sind neue Bauformen möglich geworden, die in einer Einzelfertigung zu aufwendig wären, usw. Diese Faktoren müssen in jedem Fall einzeln betrachtet werden. Sie können unter Umständen den Ausschlag für die Wahl der einen oder der anderen Bauweise geben. Einige der genannten V orteile der Fertigteilbauweise sind bereits auf die Ortbetonhauweise übertragen worden, so z. B. die Wiederverwendung der Schalungen, die Mechani-

30

sierung von Transport- und anderen Arbeitsvorgängen. Sie können deshalb bei einer vergleichenden Betrachtung unberücksichtigt bleiben. Die Seriengröße selbst kann kein Maßstab für die Wirtschaftlichkeit der Fertigteilbauweise sein, solange die Investitionskosten für die Fertigung nicht höher sind, als im Ortbetonbau. Auch beim Wohnungsbau in der BRD ist die Serie noch so gering, daß vollmechanisierte Anlagen, wie das Gleit- oder das Walzverfahren, nicht ausgelastet wären. Nach den Untersuchungen von PEER [6] können auch wenige Einzelelemente für den Wohnungsbau als Fertigteile rentabel sein. Dagegen kommt PoTTHOFF in [28] zu dem Ergebnis, daß für die Herstellung von Wand- und Deckenelementen bei einer Serie von 2 WEfTag die Ortbetonbauweise wirtschaftlicher ist. Es kommt offenbar auf die Voraussetzungen an, die den Vergleieben zugrunde liegen. Als Beitrag zur Klärung dieser Fragen werden im folgenden Baukosten und Bauzeit als die wichtigsten Faktoren für beide Bauweisen gegenübergestellt. Die allgemeine Kostengleichung für ein Fertigteil lautet:

KFt = Vb · kft

+ Ge · ke + 5 · ks + Yb · Vb · kp + Yb · Vb ·kM + Vb · kv

und entsprechend die Kostengleichung für ein Bauteil in der Ortbetonbauweise: K0

= vb. kg

+ G,. k, + s. ks +FR. hR. kR

Der Arbeitsaufwand für die Bewehrungsarbeiten unterscheidet sich bei den Bauweisen nicht, da in der Regel die Bewehrungskörbe auf dem Biegeplatz hergestellt und diese anschließend an der Schalung befestigt werden. Teilt man die Kostenfaktoren für Beton kf1 bzw. kg (Kopfzeiger Ft für Fertigteile und 0 für Ortbeton) auf in Materialkosten kbM> in die Lohnkosten kf:Lo bzw. kgLo und faßt die Gerätekosten für die Betonierungsarbeiten als Teil der Lohnkosten auf, so gilt für Bauteile, die ohne Rüstung hergestellt werden können, wie z. B. Fußbodenplatten, Wände usw., für den Fall, daß die Fertigteile wirtschaftlicher sind, folgende Ungleichung:

Vb(kbM

+ kfLo) + s. ks + Yb.

Vb(ky +kM)

+ vb. kv