Ortbetonschalungen –
Eine Definition von komplexen Systemen
1.
Einführung
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.
2.
Gesamtfunktion von Schalungen
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:
–
Wirkgeometrie
– Betrieb
– Ergonomie
– Baukastensystem
– Kosten und
Termine
– Einsatzdisposition
–
Automatisierung.
Die Merkmale
werden nachfolgend
diskutiert.
3.
Wirkgeometrie
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.
4.
Betrieb
Der Betrieb
kann durch folgende Eigenschaften beschrieben
werden:
–
Betriebssicherheit
– Zuverlässigkeit
–
Verschleißeigenschaften
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/)
5. Ergonomie bei der
Anwendung von Systemschalungen
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/)
6. Die Baureihe / Das
Baukastenprinzip
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:
Grundbausteine:
verwirklichen die Grundfunktionen (Muss-Bausteine)
Hilfsbausteine: wirken
verbindend und anschließend (Muss-Bausteine)
Sonderbausteine: erfüllen
ergänzende und aufgabenspezifische Teilfunktionen
(Kann-Bausteine)
Anpassbausteine: dienen der Verbindung mit anderen
Baukastensystemen oder der Verwendung unter besonderen Randbedingungen (Muss-
oder Kann-Bausteine).
Grundbaustein:
Schaltafel
Hilfsbaustein: Richtzwinge
 
Anpassbaustein:
Ausgleichsrichtzwinge
Sonderbaustein: Inneneck-Aussteifer
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.
7. Kosten und
Termine
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/.
8.
Einsatzdisposition
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:
– Projektdatenbank:
Bauteildaten nach geometrischen und materialspezifizierenden Grössen, Leistungsverzeichnisse,
Terminvorgaben, Randbedingungen der
Baustelle
– Kalkulationsdaten:
Kosten
– Schalungsdaten:
– Merkmal-Datenbank: wie
zum Beispiel Schalmethode, Einsatzbereich, Hebezeugabhängigkeit, zulässige
Belastung
– Bild-Makro-Datenbank:
Visualisieren des
Schalungseinsatzes
Sie sind in
folgenden Teilprozessen zu
verarbeiten:
– Verfahrensauswahl:
Welche Systemschalungen sind für die Ausführung
geeignet?
– Dekomposition des
Bauwerkes nach den Bedürfnissen der
Schalung.
– Konstruktion und
Zuordnung: Das Identifizieren von Komplexionen von Schalelementen
im Raum, die technisch ausführbar sind, die wirtschaftliche und terminliche
Anforderungen erfüllen sowie die durch die Bauteilpläne bestimmte Körper
erzeugen.
– Kostenermittlung: Mit
Hilfe von Modellgleichungen, Bestimmung der Kosten und eventuell
Gegenüberstellung verschiedener
Ausführungsvarianten.
Abbildung 6: Beispiel
einer Struktur eines modernen Schalungsplanungssystems (DOKA, aus
/18/)
9.
Automatisierung
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.
10.
Zusammenfassung
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.
11.
Literatur
01. Hoffmann, F.H.:
Schalungstechnik mit System. Bauverlag, Wiesbaden und Berlin,
1993
02. Rathfelder, M.:
Moderne Schalungstechnik. Verlag Moderne Industrie,
Landsberg/Lech,1992
03. Motzko, C.: Ein Verfahren
zur ganzheitlichen Erfassung und rechnergestützten Einsatzplanung moderner
Schalungssysteme. Dissertation am Institut für Baubetrieb, TH Darmstadt. VDI
Verlag, Düsseldorf, 1990
04. Pahl, G.: Grundlagen der
Konstruktionstechnik, in: Dubbel, 18. Auflage, Taschenbuch
für den Maschinenbau, Springer-Verlag 1995
05. Güteschutzverband
Betonschalungen e.V.: Richtlinie "Qualitätskriterien von Mietschalungen",
Eigenverlag, 1999
06. Rohmert, W.; Wakula, J.: Analyse und
Bewertung von Belastungen und Beanspruchungen bei der Bauarbeit als
Determinanten berufstypischer Rückenbeschwerden bei Betonbauern und Verputzern. Forschungsbericht,
Technische Hochschule Darmstadt, 1995
07. Rohmert, W.; Wakula, J.; Schildge, B.: Analyse und
Bewertung von Belastungen und Beanspruchungen bei Fliesenlegern.
Forschungsbericht, Technische Hochschule Darmstadt,
1994
08. Zur Belastung,
Beanspruchung und Arbeitsgestaltung beim Vermauern großformatiger
Kalksandsteine. Forschungsvereinigung "Kalk-Sand" e.V. Hannover
1984
09. Arbeitsgemeinschaft
der Bau-Berufsgenossenschaft: Handhaben von Mauersteinen (Merkblatt), Frankfurt
a.M.
1991
10. Rohmert, W.; Schubert, E.;
Motzko, C.; Bier, M.:
Ergonomische Untersuchung und Bewertung manueller Betonschalungssysteme,
Forschungsbericht, Technische Hochschule Darmstadt,
1989
11. Rohmert, W.; Schubert, E.;
Motzko, C.; Bier, M.; Hager, H.:
Untersuchungen zur Gestaltung von Arbeitsprozessen und Normung von Bauteilen und
Bauhilfsstoffen im Baugewerbe unter besonderer Berücksichtigung von schwerer
körperlicher Arbeit im oberen Bewegungsraum der Arme. Forschungsbericht,
Technische Hochschule Darmstadt, 1991
12. Rohmert, W.: Das
Belastungs-Beanspruchungs-Konzept. In "Zeitung für die Arbeitswissenschaft",
1984/4.
13. Hauptverband der
gewerblichen Berufsgenossenschaften: "Hebe- und Tragetätigkeiten" , Sankt
Augustin, 1995
14. Wengerter H.:
Rationalisierungsmöglichkeiten im Mauerwerksbau durch eine robotergestützte
Wandvorfertigungsanlage, Dissertation am Institut für Baubetrieb, TU Darmstadt,
Mensch & Buch Verlag, Berlin, 1999
15. Keßler, Egbert:
Rationalisierung im Schalungsbau durch Einsatz von Robotern. Dissertation am
Institut für Baubetrieb, TH Darmstadt. VDI-Verlag 1995
16. Güteschutzverband
Betonschalungen e.V.: Merkblatt 3 "Mietschalung". Eigenverlag,
1999
17. Güteschutzverband
Betonschalungen e.V.: Anwendungsbeispiele zum
Merkblatt 3 "Mietschalung". Eigenverlag, 1999
18. Reimann, Jochen,
EDV-Einsatz in der Schalungsplanung. Verlag Moderne Industrie, Landsberg / Lech,
1997
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