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Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christoph Motzko,
TU Darmstadt
Inhaltsverzeichnis
01. Einführung
02. Gesamtfunktion von Schalungen
03. Wirkgeometrie
04. Betrieb
05. Ergonomie bei der Anwendung von Systemschalungen
06. Die Baureihe / Das Baukastenprinzip
07. Kosten und Termine
08. Einsatzdisposition
09. Automatisierung
10. Zusammenfassung
11. Literatur
Rohbauarbeiten weisen einen signifikanten Anteil an den Baukosten auf, so beispielsweise im Mittel 35 % im Hochbau. Sie bilden die Voraussetzung, die notwendige Struktur für alle nachfolgenden Gewerke. Für den technischen und wirtschaftlichen Erfolg von Rohbauarbeiten spielt die Schalungstechnik eine mitentscheidende Rolle. Entsprechende Untersuchungen von Hoffmann /1/ und Rathfelder /2/ bestätigen, dass der Anteil der Schalungskosten an den Gesamtrohbaukosten in der Größenordnung von 30 bis 40% beträgt. Dieser Tatasche entsprechend hat eine rasante Entwicklung von Ortbetonschalungen in den letzten drei Jahrzehnten stattgefunden, die im deutschsprachigen Raum eine Technologie schaffte, welche mustergültig und weltweit führend ist. Die neuen Ortbetonschalungen werden als Systemschalungen bezeichnet. Der nachfolgende Schriftsatz behandelt ausgewählte Aspekte des Themenkomplexes Schalungen und exponiert den systemorientierten, stark durch Interdisziplinarität geprägten ganzheitlichen Ansatz.
Schalungen sind technische Gebilde. Ihre Gesamtfunktion im Zusammenhang mit den Rohbauarbeiten ist eine Raumbildung zur Formgebung und Stützung des gestaltlosen, plastischen Frischbetons bis zum Zeitpunkt seiner ausreichenden Erhärtung. Die Formgebung bezieht sich auf die Abmessungen der Bauteile sowie das Bild (Struktur und Färbung) der Betonoberflächen. Der Zeitpunkt der ausreichenden Erhärtung ist dann erreicht, wenn das Bauteil die zum Zeitpunkt des Ausschalens auftretenden Kräfte mit einer vorgeschriebenen Sicherheit aufnehmen kann. Die Gesamtfunktion ist unter der Prämisse des Gesundheit- und Umweltschutzes sowie der Wirtschaftlichkeit zu erfüllen. Dies bedingt die Berücksichtigung einer Vielzahl von Merkmalen, die vom Verfasser wie folgt identifiziert werden:
Die Merkmale werden nachfolgend diskutiert.
Die erste zu betrachtende Grösse ist die Wirkgeometrie, bei der auf physikalische Prozesse abgestellt wird. Die Wirkgeometrie bedeutet die Anordnung von Wirkflächen und Wahl von Wirkbewegungen (s. Pahl /4/). Der Auslöser der entscheidenden physikalischen Effekte für die Schalung im technischen Prozess "Herstellung eines Bauteiles aus Beton" ist der Frischbetondruck sowie die Lasten aus dem Arbeitsbetrieb, ggf. Schneelasten, Windlasten usw. Beim Frischbetondruck ist zu unterscheiden zwischen dem Frischbetondruck bei lotrechten Schalungen gemäss DIN 18 218, bei horizontalen Schalungen entsprechend den Lastannahmen DIN 1055 sowie dem Frischbetondruck bei geneigten Schalungen, für die der Güteschutzverband Betonschalungen, GSV, gegenwärtig einen Vorschlag vorbereitet. Die Wirkflächen werden durch einzelne oder zusammenhängende Schalelemente erzeugt. Die Wirkflächenbestimmung erfogt im Zuge der Einsatzdisposition, auf die unter Ziffer 8 eingegangen wird.
Bei den Wirkbewegungen handelt es sich im Wesentlichen um Verformungen der Schalelemente, die infolge der Einwirkung von Frischbetondruck und der übrigen Lasten entstehen.
Der Betrieb kann durch folgende Eigenschaften beschrieben werden:
Die Betriebssicherheit beinhaltet die Gesamtheit der Maßnahmen zur Unfallverhütung und zum Umweltschutz beim Betrieb eines Objektes. Die Schalungshersteller sind verpflichtet, die Gesetze, Verordnungen und Richtlinien des öffentlich-rechtlichen Arbeitsschutzes sowie das entsprechende Normenwerk zu berücksichtigen. Die erreichten Standards im deutschsprachigen Raum sind sehr hoch und sollen durch eine entsprechende Richtlinie des Güteschutzverbandes Betonschalungen GSV zur Standardausführung von Schalungen weiter begründet werden. Die Zuverlässigkeit drückt die Fähigkeit eines Schalungssystems aus, die Forderungen an das Verhalten der Eigenschaften, welche durch den Verwendungszweck bedingt sind, während einer gegebenen Zeitdauer unter den zu erwartenden Randbedingungen zu erfüllen. Der Verschleiß ist der fortschreitende Materialverlust aus der Oberfläche der Schalelemente. Er resultiert aus der tribologischen Beanspruchung der verschiedenen Schalelementzonen. Von besonderer Bedeutung ist der Verschleiß der Schalungshaut, die entscheidend für die Qualität der Betonoberfläche ist. Durch den Kontakt und die Relativbewegung zwischen dem Festkörper "Schalungshaut" als Grundkörper, dem Haufwerk "Frischbeton" als Gegenkörper, weiterhin dem dazwischen angeordneten Schalungstrennmittel als Zwischenstoff sowie den mechanischen Einwirkungen aus Bewehrunsarbeiten und dem Betoniervorgang, werden unterschiedliche Verschleißerscheinungsformen erzeugt. Der Güteschutzverband Betonschalungen, GSV, hat in der Richtlinie "Qualitätsmerkmale von Mietschalungen" /5/ die zulässigen Ausprägungen der Verschleißerscheinungsformen für Rahmentafelschalungen definiert.
Abbildung 1: Zulässiger Zustand eines Schalelementes für Wände (aus /5/)
Die Entwicklung von Maschinen und Geräten für das Bauwesen sowie die Fortentwicklung der zu handhabenden Arbeitsgegenstände hat zu einer wesentlichen Rationalisierung und Verbesserung der Arbeitsbedingungen geführt. Trotzdem ist die Tätigkeit auf der Baustelle nach wie vor von manuellen Prozessen dominiert. Auch das Schalen ist von Tätigkeiten geprägt, die mit dem Heben und Tragen von Lasten verbunden sind. Die Beachtung ergonomischer und arbeitsmedizinischer Grundsätze ist hier von großer Bedeutung. Der Schalungsentwickler ist verpflichtet, Systeme zu erstellen, mit welchen Arbeitskräfte operieren können, ohne gesundheitlich oder im Leistungsangebot beeinträchtigt zu werden. Der Schalungsanwender ist bestrebt, ein dauerhaftes Produkt zu erwerben oder zu mieten, mit dem eine abgesteckte Leistung erbracht werden kann und welches bei dem eingesetzten Personal eine entsprechende Akzeptanz erfährt. Ergonomische Studien im Bereich des Bauwesens wurden in verschiedenen Bereichen durchgeführt, wie zum Beispiel bei Beton- und Verputzarbeiten von Rohmert/Wakula in /6/, bei Fliesenarbeiten von Rohmert/Wakula/Schildge in /7/ oder im Mauerwerksbau von Landau /8/ sowie in /9/. Im Bereich der Anwendung von Schalungen wurden Studien vom Verfasser /3/ sowie unter seiner Mitwirkung erstellt /10/, /11/. Die Grunldage der Studien im Bereich der Schalungstechnik bildet das Belastungs-Beanspruchungs-Konzept von Rohmert /12/.
Abbildung 2: Belastungs-Beanspruchungs-Konzept nach Rohmert (aus /12/)
Belastungen werden als eine objektive Grösse definiert, die sich subjektiv verschieden in den einzelnen Personen, je nach individuellen Eigenschaften, Fähigkeiten, Fertigkeiten und Bedürfnissen auswirken, das heißt sie rufen unterschiedliche Beanspruchungsreaktionen hervor.
Die Ermittlung von Belastungen und Beanspruchungen bei muskulärer Arbeit wird mit Hilfe von physiologischen Verfahren und Erhebungsverfahren durchgeführt (allgemein dazu s./13/). Ein Beispiel für die Auswertung einer der relevanten physiologischen Grösse, der Herzschlagfrequenz, welche in Versuchen mit kleinflächigen manuellen Deckenschalelementen ermittelt wurde, ist in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 3: Detaillierter Verlauf der Herzschlagfrequenz im Versuch mit einem manuellen kleinflächigen Deckenschalungssystem (aus /3/)
Eine Alternative bei der Ermittlung der physiologischen Beanspruchungsgrössen bilden Rechnermodelle, die den menschlichen Körper in seinen Eigenschaften, Fähigkeiten und Fertigkeiten beschreiben. In der Abbildung 4 ist die Möglichkeit der Ermittlung von Wirbelsäulenbeanspruchungen bei manuellen Schalprozessen dargestellt.
Abbildung 4: Simulation eines manuellen Schalungsprozesses, Anwendung des "Man Model HEINER" (aus /3/)
Moderne Systemschalungen sind vielfach nach dem Baukastenprinzip entwickelt. Das Baukastenprinzip ist hier deswegen gerechtfertigt, da sie nicht nur die Gesamtfunktion, wie unter Ziffer 2. beschrieben, erfüllen, sondern auch andere Gesamtfunktionen erfüllen können, wie zum Beispiel als Temporärbauwerke.
Folgende Bausteinarten können identifiziert werden:
Grundbaustein: Schaltafel | Hilfsbaustein: Richtzwinge |
Anpassbaustein: Ausgleichsrichtzwinge | Sonderbaustein: |
Abbildung 5: Baukastensystematik einer Rahmentafelschalung für Wände, System Manto von Thyssen-Hünnebeck Nach dem identischen Prinzip sind beispielsweise folgende Rahmentafelsysteme aufgebaut: NOEtop, PERI Trio, DOKA Framax, MEVA Mammut, PASCHAL Athlet. Die Systematik lässt sich ebenfalls auf Trägerschalungen übertragen.
Die hohen Investitionen, die mit der Mechanisierung der Bauproduktion verbunden sind, welche auch die Schalungstechnik betreffen, bedingen einen angemessenen Kapitalrückfluss, der entscheidend von der optimalen Nutzung und Abstimmung der Produktionsfaktoren abhängig ist.
Die in der Überschrift angesprochenen Komplexe wurden in der Literatur ausführlich behandelt, zum Beispiel in /1/ und /3/. Für die Optimierung des Einsatzes existieren entsprechende Modellgleichungen (s. /3/), deswegen wird der Inhalt nicht weiter diskutiert. Es wird lediglich darauf hingewiesen, dass das Schalungsmaterial gegenwärtig vornehmlich gemietet wird. Das Mietgeschäft hat sich dadurch zum bedeutendsten Marktsegment für die Schalungshersteller entwickelt. Der Güteschutzverband Betonschalungen GSV hat dieser Tatsache Rechnung getragen und das Merkblatt 3 "Mietschalung" /16/ herausgegeben, in dem eine Definition und Abgrenzung der Leistungen zwischen Mieter und Vermieter des Materials vorgenommen wird. Gleichzeitig werden mögliche Preismodelle in einem gesonderten Schriftsatz dargestellt /17/.
Der Begriff Einsatzdisposition beschreibt und integriert die Teilprozesse der Arbeitsvorbereitung in Bezug auf den Schalungseinsatz. Die Verarbeitung wird integriert mit Hilfe der EDV durchgeführt. Moderne Produkte befinden sich auf dem Markt.
Es gilt die folgenden Datenbestände zu erfassen:
Schalungsdaten:
Sie sind in folgenden Teilprozessen zu verarbeiten:
Abbildung 6: Beispiel einer Struktur eines modernen Schalungsplanungssystems (DOKA, aus /18/)
Eines der Rationalisierungselemente in der Schalungstechnik war die Entwicklung von industriell vorgefertigten, einsatzfertigen Systemschalungen, wie zum Beispiel Rahmentafelschalungen für Wände und Decken. Die Handhabung dieser Systemschalungen ist immer noch von manuellen Tätigkeiten geprägt. Neuere Entwicklungen im Bereich der selbskletternden Schalungen haben eine wesentliche Rationalisierung dahingehend erbracht, dass das Umsetzen der Schalelemente einschließlich der Arbeitsbühnen unabhängig von den Hebezeugen hydraulisch erfolgt.
Abbildung 7: Selbstklettertechnik, System ACS von PERI
Der Ersatz der manuellen Tätigkeiten durch Geräte hat Überlegungen zum Einsatz von Robotern in Deutschland gebracht, die sich bisher in im Wesentlichen auf den Mauerwerksbau und die Erstellung von Betonfertigteilen konzentrierten (s. zum Beispiel /14/). Einen interessanten Beitrag zum Robotereinsatz im Bereich der Schalung liefert Keßler in /15/. Das Ergebnis, welches auf der Grundlage der vorhandenen Systemschalungen aufbaut, ist dahingehend ernüchternd, dass bei Wandschalungen ein wirtschaftlicher Einsatz für unwahrscheinlich angesehen wird. Für den Bereich von Deckenschalungen entwickelt Keßler ein Roboter-Modell, welches den Einsatz bei horizontalen Traggliedern durchaus rechtfertigt. Der Robotereinsatz in Schalprozessen bildet ganz sicher einen interessanten und zukunftsträchtigen Themenkomplex.
Moderne Ortbetonschalungen sind technische Gebilde, die einem vom Stoffumsatz dominierten Prozess dienen. Sie bilden Systeme geordneter und aufgrund ihrer Eigenschaften miteinander über Relationen verknüpfter Elemente. Die Erfüllung der Gesamtfunktion bedingt die Berücksichtigung vieler Merkmale, die selektiv in den Bereichen der Wirkgeometrie, dem Betrieb, der Ergonomie, der Entwicklung als Baureihen/Baukästen, den Kosten und Terminen, der Einsatzdisposition sowie der Automatisierung in dem vorliegenden Schriftsatz beschrieben wurden. Sie entstammen unterschiedlichen Disziplinen und werden bei der Entwicklung und beim Einsatz der Systemschalungen integriert. Dabei handelt es sich um anspruchsvolle und interdisziplinäre Prozesse. Die hohen Standards, die von den Herstellern im deutschsprachigen Raum geschaffen wurden, sind ein wichtiges Argument im Sinne des technischen Fortschritts und der Sicherheit, und ein gewichtiger Vorteil im internationalen Wettbewerb. Diesen international zu wahren und fortzuentwickeln ist eine wichtige Aufgabe.