Natürliche Einflüsse auf die Statik

Schneefall und Sturm­böen bee­in­flussen die Tragfähigkeit von Gebäu­den und Bauteilen eben­so wie Regen, Hagel und andere natür­liche Gegeben­heit­en der Wit­terung. Welchen Ein­fluss haben diese auftre­tenden Fak­toren auf die Trag­w­erk­s­pla­nung? Worauf acht­en Architek­ten und Inge­nieure für Baus­ta­tik, damit das Trag­w­erk die Bal­ance hält?

Die Architek­tur der Gebäude kom­biniert Ästhetik mit Anspruch. Belast­barkeit und Tragfähigkeit sind die entschei­den­den Schlüs­sel­be­griffe in der Baus­ta­tik. Bei der Trag­w­erk­s­pla­nung ist das Gle­ichgewicht des gesamten Sys­tems entschei­dend. Für den Haus­bau spie­len deshalb die ver­schiede­nen Las­ten, die auf das Haus ein­wirken, eine wichtige Rolle.

Natürliche Einflüsse in der Tragwerksplanung

Bei dem Bau eines Eigen­heims erstellt der Sta­tik­er die Trag­w­erk­s­pla­nung. Die rech­ner­ischen Las­ten sind dabei im beson­deren Maß zu berück­sichti­gen. Dazu zählen eben­falls Ein­flüsse durch Wind und Wet­ter: Wie wirkt sich das Wet­ter auf die Sta­tik eines Haus­es aus?Beispiele, wie Architek­tur und Sta­tik zusam­men funk­tion­ieren, lassen sich in der Natur find­en: Grashalme knick­en nicht im Wind um, weil sie röhren­för­mig sind. Bam­bus ist enorm belast­bar, weil er aus einzel­nen ineinan­der ver­wobe­nen Seg­menten zusam­menge­set­zt ist. Diese Prinzip­i­en machen sich Bauher­ren vor allem bei mod­er­nen Hochbaut­en zunutze.Bauleiter, die Ein­fam­i­lien­häuser oder Mehrfam­i­lien­häuser konzip­ieren, berück­sichti­gen solche Grund­sätze in der Sta­tik­lehre. Sie sor­gen dafür, dass beispiel­sweise das Dach beim näch­sten Orkan nicht davon­fliegt. Solche Ein­flüsse der Natur sind dynamisch und wech­sel­haft. Ihr Ein­fluss ist nicht kon­stant und von Dauer. Stattdessen ändern sich die wit­terungs­be­d­ingten Fak­toren für die Haussta­tik je nach Jahreszeit und örtlich­er Gegeben­heit.

Erdbeben, Windlast, Schneelast und Eislast – natürliche Herausforderungen für die Statik

Für Trag­w­erk­s­plan­er hängt das sta­tisch rel­e­vante Wet­ter vom Stan­dort ab. Generell sind die Ein­flüsse der Natur in fol­gende Las­ten einzugliedern:

• Eis­last oder Eis­druck
• Erd­beben
• Schnee­last
• Wind­last
• Wasser­druck

Schnee und Eis – was bewirken kalte Witterungen?

Eis­druck ist für gewöhn­lich eine sta­tisch rel­e­vante Last. Sie spielt in Küstenge­bi­eten und generell an Gewässern eine Rolle für Bauw­erke. Die Eis­last kommt zus­tande, indem sich die Eis­decke erwärmt. Dabei dehnt sich das Eis aus und übt auf diese Weise Druck auf das jew­eilige Bauw­erk aus. Für das Eigen­heim ist diese Form der Last sel­tener rel­e­vant als zum Beispiel beim Bau von Brück­en oder Kaimauern.

Die Schnee­last auf einem Haus ist für die Sta­tik stärk­er von Bedeu­tung als die Eis­last. Ins­beson­dere die Dachkon­struk­tion muss bei Schneefall der Last stand­hal­ten. Damit das gelingt, ist es für Sta­tik­er wichtig, den Schnee­druck zu ermit­teln. Dieser hängt von zwei Fak­toren ab:

• Schneemenge
• Art des Schnees (Neuschnee, Pul­ver­schnee, Nasss­chnee)

Die Last des Schnees wirkt als Flächen­last senkrecht zur zugrun­deliegen­den Fläche (zum Beispiel dem Dach eines Haus­es). Dabei kön­nen Schnee und Eis ein enormes Gewicht entwick­eln – je nach­dem, wie lange der Schnee liegt und welche Höhe vor­liegt. Eine Eis­fläche mit ein­er Höhe zwis­chen 11 und 12 Zen­time­ter wiegt beispiel­sweise rund 100 kg pro m². Lock­er­er Neuschnee bringt pro m³ immer­hin bis zu 50 kg auf die Waage. Für die Sta­tik eines Haus­es sind solche Ein­flussfak­toren daher maßgebend.

Erdbeben – Standsicherheit in der Tragwerksplanung gewährleisten

Für Trag­w­erk­s­plan­er gel­ten physikalis­che Grund­sätze sowie Bemes­sungskri­te­rien für Erd­beben als grundle­gend für die Pla­nung eines Haus­es.

Was sind Bemes­sungskri­te­rien? Diese gel­ten speziell im Bere­ich der Erd­beben. Sie sor­gen dafür, dass ein Gebäude bei einem Erd­beben sta­bil ste­ht. Die Schä­den durch die Vibra­tio­nen und Schwingun­gen im Erd­bo­den bleiben im Ide­al­fall ger­ing. In der Baus­ta­tik sind die soge­nan­nten Bemes­sungskri­te­rien vor allem beim Hochbau, d. h. bei Hochhäusern, wichtig.

Die fol­gen­den Kri­te­rien unter­stützen den Inge­nieur für Baus­ta­tik bei seinen Berech­nun­gen für Gebäude, bei denen eine Erd­beben­be­las­tung wahrschein­lich ist:

• Wie bedeu­tend ist das Bauw­erk?
• Ist das Gebäude gefährdet und wenn ja, wie stark?
• Reagiert das Gebäude auf Erschüt­terun­gen durch Erd­beben?
• Wie ist der Bau­grund beschaf­fen?

Die DIN EN 1998–1/NA:2011–01 ist inner­halb Deutsch­lands eine Baunorm, die Erd­beben­zo­nen fest­gelegt hat. Es ist eine Regel­norm, die sich mit Hochbaut­en in Gebi­eten beschäftigt, die durch Erd­beben gefährdet sind. Speziell die Abmes­sun­gen der tra­gen­den Bauteile eines Haus­es spie­len hier­bei eine große Rolle. Eben­so macht es einen Unter­schied, ob ein Ein­fam­i­lien­haus (EFH) gebaut wird oder zum Beispiel eine medi­zinis­che Ein­rich­tung.

Wind – wie wirkt er auf die Statik ein?

Im Gegen­satz zu einem Erd­beben ist der Wind bezo­gen auf die Höhe eines Haus­es ein wichtiger Ein­flussfak­tor. Eben­so wie gefal­l­en­er Schnee gilt der Wind als eine Last, die kli­ma­tisch bed­ingt ist. Das bedeutet, die natür­liche Ein­wirkung dieser Last auf ein Gebäude wan­delt sich, sie ist nicht kon­stant. Nor­maler­weise han­delt es sich um eine Flächen­last, die senkrecht auf eine Fläche wirkt. Damit ähnelt die Wind­strö­mung in der Sta­tik der Schnee­last. Allerd­ings übt die Wind­last einen anderen Druck aus. Der größte Unter­schied liegt darin, dass die Strö­mungen haupt­säch­lich aus einem Unter­druck (Sog) und Über­druck (Wind­druck) beste­hen.

Was bedeuten der Wind­druck und Sog für die Haussta­tik? Die Front des Haus­es, die für die Wind­strö­mung ein räum­lich­es Hin­der­nis darstellt, erlebt den Über­druck. An den Seit­en­flächen, den Dachflächen und der Rück­seite des Haus­es entste­hen hinge­gen Sog­wirkun­gen. Weil diese Werte stark schwanken, nutzen Trag­w­erk­s­plan­er die math­e­ma­tis­che Sta­tis­tik und Wahrschein­lichkeit­srech­nung für die sta­tis­chen Berech­nun­gen.

Fazit – natürliche baustatische Einflussfaktoren

Trag­w­erk­s­plan­er ermit­teln die natür­lich vork­om­menden Las­ten für die Tragfähigkeit und Stand­sicher­heit des Haus­es. Solche Las­ten kön­nen sta­tisch oder dynamisch sein. In jedem Fall spie­len das Wet­ter und die Natur all­ge­mein wichtige Rollen in der Trag­w­erk­s­pla­nung. Wind­strö­mungen, Schneefall, Druck durch Eiss­chollen oder Erschüt­terun­gen durch Erd­beben sind bedeu­tende natür­liche Ein­flüsse in der Baus­ta­tik.