Lehrbuch des Stahlbetonbaues Grundlagen und Anwendungen im Hoch- und Brückenbau Von Diplom-Ingenieur Prof. Dr. techno Adolf Pucher Graz D ritt e, verbesserte und erweiterte Auflage Mit 324 Textabbildungen Wien Springer-Verlag 1961 Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf photo mechanischem Wege (Photo kopie, Mikrokopie) oder sonstwie zu vervielfältigen. © 1949, 1953 and 1961 by Springer-Verlag in Vienna Softcover reprint of the hardcover 1961 ISBN-13: 978-3-7091-8078-5 e-ISBN-13: 978-3-7091-8077-8 DOI: 10.1007/978-3-7091-8077-8 Vorwort zur ersten Auflage. Die rasche Entwicklung, die die Stahlbetonb auweise seit der Mitte der Zwanziger-Jahre erfuhr, hat auf die Theorie und Praxis von Entwurf und Berechnung außerordentlich befruchtend gewirkt. Der wirtschaftliche Wettkampf, in dem sich die Bauweise durchsetzen und immer aufs Neue bewähren mußte, hat eine Fülle konstruktiver Ideen hervorgebracht, zu deren Verwirklichung eine Vertiefung unserer Erkenntnisse sowohl über die Baustoffeigenschaften, als auch eine Erweiterung und Verbesserung der statischen Methoden zur Berechnung der vielfach ganz neuen Tragwerks formen notwendig war. Diese Entwicklung hat nunmehr - allerdings noch weit entfernt von der Vollendung - eine Stufe erreicht, von der aus rückschauend sich die gesicherten Ergebnisse bereits ordnen und auswählen lassen. In dem vorliegenden Buch ist der Versuch gemacht, aus der Fülle des neu Entwickelten das Notwendigste und in der Praxis Bewährte darzu bieten und sowohl den Studierenden als auch den planenden Ingenieuren Mittel und Hinweise in die Hand zu geben, die ihnen bei den alltäglichen Aufgaben des Stahlbetonbaues und auch etwas darüber hinaus wertvolle Hilfe leisten werden. Der erste Teil befaßt sich mit den Baustoffen und deren physikalischen Eigenschaften nur soweit, als es für das Verständnis des Folgenden und für das Entwerfen und Berechnen der Bauwerke unumgänglich notwendig ist. Eine weitergehende, durch eingehende Versuchsergebnisse belegte Darstellung würde den in Aussicht genommenen Umfang des Buches überschreiten. Die dargestellten Berechnungsverfahren entsprechen dem-derzeitigen Stande der Bestimmungen in den meisten Staaten. Es sind möglichst wenige, dafür aber umso umfassender anwendbare Bemessungsbehelfe entwickelt, die vom Maßsystem und jedem absoluten Festigkeitswert un abhängig sind. Ihre Anwendung ist durch zahlreiche Beispiele erläutert. Die Bemessungsbehelfe enthalten als einzigen Festwert die Verhältnis zahl n = 15. In dem Kapitel "Die erweiterte Anwendung der Bemessungs behelfe" ist ein sehr einfaches Verfahren entwickelt, das ihre Anwendung auch bei n cF 15 ermöglicht und dies ist durch ein Beispiel erläutert. Die entwickelten Bemessungsbehelfe sind daher überall dort anwendbar, wo geradlinige Druckspannungsverteilung im Beton für die Berechnung anzu nehmen ist. Der Schluß des ersten Teiles ist Betrachtungen über die Biegung im plastischen Bereich gewidmet, um dieses für die Beurteilung des tatsäch lichen Tragvermögens so wichtige Gebiet dem Verständnis des Lesers näher zu bringen. Der zweite und dritte Teil ist dem Stahlbetonhoch- und Brückenbau gewidmet. Für das Entwerfen der Stahlbetonbauwerke ist die Kenntnis der statischen Methoden und die Erkenntnis über den Kräftezustand in den verschiedenen Tragwerken ebenso notwendig, als die Beherrschung der IV Vorwort zur ersten Auflage Bemessungsmethoden und der Gestaltungsgrundsätze. Es sind daher bei allen Tragwerksformen die statischen Methoden, die sich zu deren Be rechnung besonders gut eignen, zuerst kurz dargestellt und dann erst die Gestaltung und die hiebei zu beachtenden Gesichtspunkte behandelt. Den Stabtragwerken, die aus Stäben mit veränderlichem Trägheits moment zusammengesetzt sind, ist besondere Aufmerksamkeit gewidmet, da bei größeren Konstruktionen durch Variation der Steifigkeit die Schnitt kräfte sehr stark beeinflußt werden können. Durch Anwendung der ein fachsten Verfahren der praktischen Analysis und der numerischen Inte gration wird die Berechnung solcher Tragwerke kaum mühevoller als die Anwendung der vielfach bekannten Rahmenformeln. Alle Probleme sind so einfach als möglich dargestellt. Der größte Teil des Buches setzt keine größeren mathematischen und statischen Kenntnisse voraus, als sie von einem Hörer der ersten Semester einer Technischen Hoch schule oder einem Absolventen einer höheren technischen Lehranstalt erwartet werden dürfen. Naturgemäß muß bei der Behandlung der schwierigeren Abschnitte, etwa der Probleme der Flächentragwerke oder der Theorie zweiter Otdnung der Bogenbrücken, das angemessene mathe matische Rüstzeug eingesetzt werden, wenn man zu quantitativen Methoden kommen will, die für die Berechnung solcher Bauwerke anwendbar sind. Diese Abschnitte, deren Verständnis etwas größere mathematische Vor kenntnisse erfordern, gehören jedoch nicht zu den alltäglichen Aufgaben des Stahlbetonbaues. So wird nicht nur der Studierende, sondern auch der Fortgeschrittene manche Anregung finden. Langjährige Erfahrungen als Ingenieur der Praxis, als Gutachter und akademischer Lehrer haben mich gelehrt, wo die Studenten und auch viele Ingenieure "der Schuh drückt". Möge dieses Buch dazu beitragen, diese Schwierigkeiten zu überwinden. Die Niederschrift des Manuskriptes, das zunächst in viel kleinerem Um fang für einen anderen Rahmen bestimmt war, wurde vor Jahren begonnen und durch die umwälzenden Ereignisse der verflossenen Pentade oft unterbrochen. Dem verständnisvollen Entgegenkommen des Springer Verlages verdanke ich es, daß das Werk in einem so befriedigenden Umfang erscheinen kann. Hiefür und für die sorgfältige Ausstattung bin ich ihm sehr zu Dank verpflichtet. Bei dem Lesen der Korrekturen haben mich die Herren Dipl.-Ing. V. ] eremejeff und Dr. techno G. Nitsiotas unterstützt, wofür ich ihnen ebenfalls meinen Dank ausspreche. Graz, im Mai 1949. A. Pucher. Vorwort zur zweiten Auflage. Die zweite Auflage bringt Verbesserungen und Ergänzungen des Stoffes, die sich als wünschenswert herausgestellt haben. Besondere Aufmerksam keit wurde hiebei allen Vorgängen im plastischen Bereich gewidmet. Im Abschnitt über mittig gedrückte Säulen wurde eine ausführliche Dar stellung der Theorie von Engesser aufgenommen. Darauf aufbauend wurde auch die Stabilität der schlanken Bogen im plastischen Bereich im Ab schnitt "Brückenbau" eingehend untersucht und bis zur Durchführung des rechnerischen Stabilitätsnachweises solcher Bauwerke entwickelt. Die Theorie der Biegung im plastischen Bereich war schon in der ersten Auflage enthalten. Sie findet nun die Ergänzung durch Bemessungstafeln nach dem "Traglastverfahren" , deren Aufbau und Verwendung sich eng an die Bemessung nach dem "n-Verfahren" anlehnt und damit die Um stellung auf das neue Bemessungsverfahren sehr erleichtert. Diese Be messungstafeln haben die Festlegungen der neu erschienenen, öster reichischen Norm B 4200, 4. Teil "Berechnung und Ausführung der Stahlbetontragwerke" zur Grundlage und. . sind daher im Geltungsbereich dieser Norm für die Bemessung der Bauwerke zugelassen. Die Önorm B 4200, 4. Teil erlaubt erstmalig in Mitteleuropa die Ver wendung des "Traglastverfahrens" im Bauwesen. Voraussetzung ist, daß der planende Ingenieur sich mit den Grundlagen dieses Verfahrens und seiner Durchführung gründlich vertraut macht, bevor er zu dessen An wendung schreitet. Er findet in den Kapiteln über die "Grundzüge der Theor~e der Biegung im plastischen Bereich" und über die "Bemessung nach Önorm B 4200" alles Wissenswerte hierüber. Die endgültige Fassung der Önorm B 4200, 4. Teil wurde erst nach Beginn des Satzes der zweiten Auflage veröffentlicht. Es war daher leider nicht mehr möglich, in den einzelnen Abschnitten neben den Hinweisen auf die Bestimmungen des deutschen Ausschusses für Stahlbeton, Teil AU (DIN 1045) auch solche auf die Önorm B 4200, 4. Teil aufzunehmen. Die Grundlagen für die Bemessung nach dem "Traglastverfahren" wurden mir jedoch vom österreichischen Fachnormenausschuß für Stahlbeton freund licherweise schon früher mitgeteilt, so daß ich die Bemessungstafeln bereits in übereinstimmung mit dieser Norm entwickeln konnte. Seit dem Erscheinen der ersten Auflage hat ein Sondergebiet des Stahl betonbaues, der Spannbeton, eine stürmische Entwicklung erfahren und sich vielfach durchgesetzt. Es wäre verlockend gewesen, dem Lehrbuch einen vierten Teil über Spannbeton hinzuzufügen. Ich habe jedoch davon abgesehen; eine kurze und nur grundsätzliche Darstellung wäre wenig befriedigend, während eine eingehende Behandlung den Umfang des Buches zu sehr vergrößert hätte. Bei den Ergänzungen und Verbesserungen habe ich die zahlreichen Leserzuschriften, die ich erhielt, verwertet. Ich spreche für das rege VI Vorwort zur zweiten Auflage Interesse das seitens der Leserschaft der ersten Auflage meines bescheidenen Werkes entgegengebracht wurde, meinen besten Dank aus. Für die Unterstützung bei der Berechnung der ncuen Bemessungstafeln habe ich Herrn Dipl.-Ing. F. Neumayer, für die verständnisvolle Förderung der Bauunternehmung Ed. Ast & Co., Ingenieure, ebenso zu danken, wie dem Springer-Verlag für das bereitwillige Eingehen auf meine Wünsche und die gewohnt sorgfältige Ausstattung des Werkes. Graz, im November 1953. A. Pucher. Vorwort zur dritten Auflage. In der dritten Auflage sind einige Erweiterungen vorgenommen, die der technischen Entwicklung gerecht zu werden versuchen. In den Betrachtungen über das Knicken im plastischen Bereich ist neben der schon in der zweiten Auflage enthaltenen, eingehenden Dar stellung der Engesserschen Auffassung nun auch die Theorie von Shanley berücksichtigt und die sich für die Berechnung der Tragwerke daraus ergebenden Folgerungen gezogen. Es zeigt sich, daß nach der Theorie von Shanley das Knickkriterium für Stäbe und Bogen in Form einer algebraischen Gleichung darstellbar ist, wenn man für die s-Linie des Betons eine Parabel höherer Ordnung (J - gelten läßt. Eine solche Parabel zweiten Grades sehen die österreichischen Normen nun schon seit Jahren vor. In den deutschen und schweizerischen Normen sind hingegen unstetig differenzierbare s-Linien des Betons ange (J - geben, die sich, wie gezeigt wird, sehr gut durch Parabeln dritten, bzw. vierten Grades ersetzen lassen. Bei Einführung dieser stetig differenzier baren Linien können auch im Geltungsbereich dieser Normen die Knick kriterien in algebraischen Gleichungen dargestellt werden. Der rasche Fluß, in dem sich die Entwicklung der Stahlbeton-Bauweise befindet, spiegelt sich auch in den einschlägigen Bestimmungen der ver schiedenen Staaten. Da es kaum möglich ist, mit den Auflagen des "Lehrbuches" dieser raschen Entwicklung zu folgen, wurden die Hinweise auf die Bestimmungen und Normen unter Weglassung der Paragraphen nur mehr allgemein gehalten. Der Beseitigung der Druckfehler, sowie der Verbesserung einiger Un klarheiten im Text der zweiten Auflage galt meine besondere Aufmerksam keit. Der Bauunternehmung Ed. Ast 0- Co., Ingenieure, habe ich für das ver ständnisvolle Entgegenkommen und dem Springer-Verlag für die sorg fältige Betreuung des Werkes meinen besonderen Dank auszusprechen. Graz, im Feber 1961. A. Pucher. Inhal tsverzeichnis. Erster Teil. Die Grundlagen der Bauweise. Seite Tabellenverzeichnis . . . XII Einleitung. . . . . . A. Die Baustoffe der Stahl beton ba u weise und deren Verarbeitung 2 a) Der Stahl . . . . 2 b) Der Zement . . . 3 c) Sand, Kies und Wasser 4 d) Die Bereitung des Betons. 5 e) Die Festigkeit des Betons 10 B. Die physikalischen Grundlagen der Stahlbetonbauweise 13 a) Die Formänderungen des Stahles . . . . . . . . . . . . . . 13 b) Die bei der Belastung des Betons sofort entstehenden Formänderungen 14 c) Die vom Alter des Betons abhängigen Formänderungen . . . . . 18 d) Die Haftung zwischen Beton und Stahl und die Verbundwirkung 25 C. Festigkeitslehre des Stahlbetons .... 27 a) Die Begriffe Standsicherheit und Bemessung 27 b) Bezeichnungen. . . . . . . . . . . . . 27 c) Stützen bei mittigem Druck . . . . . . 28 1. Stützen mit Bügelbewehrung 29. - 2. Umschnürte Stützen 31. - 3. Die Knicksicherheit der Stützen 34. d) Mittiger Zug. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 e) Balken bei symmetrischer Biegung . . . . . . . . . . . . . 47 1. Die Zustände der Formänderung 48. - 2. Der Rechteckquerschnitt 49. - 3. Der Rechteckquerschnitt mit Druckbewehrung 55. - 4. Beliebige, einfach symmetrische Querschnitte 58. - 5. Der Plattenbalken 60. - 6. Der Plattenbalken mit Druckbewehrung 67. - 7. Querschnitt mit dreieckiger Druckzone 67. - 8. Die graphische Methode bei beliebiger Querschnittsform im Zustand II a 68. f) Die erweiterte Anwendung der Bemessungsbehelfe . 69 g) Momentendeckung und Biegebewehrung . . . . . 72 1. Balken mit konstanter Höhe 72. - 2. Balken mit veränderlicher Höhe 73. h) Schubspannung und Schubbewehrung . . . . .. ...... . 74 1. Die Schubspannung 74. - 2. Schubkraft und bezogene Schubkraft 76. - 3. Schubbewehrung 77. - 4. Bewehrung auf Abscheren 80. i) Haftspannungen . . . . . . . . . . . . . . 81 k) Verdrehung (Torsion) . . . . . . . . . . . . 81 1) Biegung mit Längskraft (große Ausmittigkeit) 85 m) Ausmittiger Druck (kleine Ausmittigkeit). . . 92 n) Ausmittiger Zug (kleine Ausmittigkeit) . . . . . . .. . 95 0) Schubspannung und Schubbewehrung bei Biegung mit Längskraft 96 p) Schiefe Biegung mit und ohne Längskraft . . . . . . . . . 97 1. Berechnung nach Zustand I a 97. - 2. Berechnung nach Zustand II a 99. q) Grundzüge der Theorie der Biegung im plastischen Bereich . . . . . 105 1. Die bei der Biegung maßgebenden physikalischen Grundgesetze 106. - 2. Die inneren Kräfte 107. - 3. Die Gleichgewichtsbedingungen 109. - 4. Die Entwicklung von "Bemessungsformeln" 110. - 5. Die Form änderungslinie und die Bruchstauchung des Betons 111. - 6. Die Bruch- x Inhaltsverzeichnis Seite momente des Rechteckbalkens 114. - 7. Bemessung auf Grund eines Grenzzustandes 117. - 8. Querschnitte mit Druckbewehrung 121. - 9. Diskussion der bisher gewonnenen Ergebnisse 122. r) Die Bemessung nach Önorm B 4200, vierter Teil . . . . . . . . . . 124 1. Die Grundlagen 124. - 2. Die Bemessung bei Biegung 126. - 3. Biegung mit Längskraft 130. - 4. Ausmittiger Druck 135. -- 5. Bemerkungen zu den neuen Bemessungstabellen 139. s) Die Bemessung nach den Vorschriften anderer Länder ....... 140 Zweiter Teil Stahlbeton-Hochbau. A. Die Formen des Stahlbeton-Hochbaues 143 a) Die Stabtragwerke . . . . . . 143 1. Die Durchlaufträger 143. - 2. Die Rahmen 143. 3. Die Fach- werke 143. b) Die ebenen Flächentragwerke . . . . . . . . . . . 144 1. Die Platten 144. - 2. Plattenartige Tragwerke 144. - 3. Die Scheiben 145. c) Die räumlichen Flächentragwerke 145 1. Die Behälter 145. - 2. Die Faltwerke 145.- 3. Die Schalen 146. B. Stabtragwerke .................... . 146 a) Die wichtigsten statischen Methoden für die Stabtragwerke des Stahl beton-Hochbaues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 1. Der Grundgedanke des Cross-Verfahrens 147. - 2. Der Durchlauf träger 151. - 3. Rahmen mit geraden Stäben und unverschieblichem .:setz 158. - 4. Rahmen mit geraden Stäben und verschieblichem Netz mit wenigen Freiheitsgraden 161. - 5. Rahmen mit verschieblichem Netz mit vielen Freiheitsgraden und Rahmen mit gekrümmten Stäben 166.- 6. Rahmen mit Zugbändern 170. b) Die Gestaltung der Stab tragwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 1. Allgemeine Grundsätze für die Gestaltung der Bewehrung 171. -- 2. Die Stützen und deren Grundkörper 173. - 3. Die geraden Träger 175. - 4. Die Rahmen 177. - 5. Feste Gelenke 179. - 6. Dehnfugen und be wegliche Gelenke 181. - 7. Zugbänder 183. C. Platten und Scheiben (Ebene Flächentragwerke) ... 184 a) Die Berechnungsmethoden der Platten . . . . . . . . . . . 184 1. Die Näherungsmethoden 185. - 2. Die Theorie elastischer Platten 192. b) Die Gestaltung der Platten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 1. Platten mit Hauptbewehrung in einer Richtung 203. - 2. Kreuz bewehrte Platten 205. - 3. Pilzdecken 206. - 4. Plattenartige Trag werke 207. c) Die Berechnungsmethoden der Scheiben 209 1. Die Theorie elastischer Scheiben 209. - 2. Das ::\äherungsverfahren für die tragende Wand 212. d) Die Gestaltung der Scheiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 1. Die Formgebung der Scheiben 214. - 2. Die Bewehrung der Scheiben 215. D. Behälter und Schalen. (Räumliche Flächentragwerke) . 217 a) Die prismatischen Behälter . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 1. Die Berechnungsverfahren 217. - 2. Die Gestaltung 222. b) Die Berechnungsverfahren der drehsymmetrischen Behälter und Rota tionsschalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 1. De: zylirldrischc Ik:h~lt(a 224. - 2. Die Ivlembranspannungen der doppelt gekrümmten Rotationsschalen 229. - 3. Die drehsymmetrische Randstörung an der doppelt gekrümmten Rotationsschale 234. c) Die Gestaltung der Rotationsschalen und drehsymmetrischen Behälter 240 1. Der zylindrische Behälter 240. - 2. Die doppelt gekrümmten Rota tionsschalen 241. d) Die Schalentragwerke ................... . 243 1. Die Bauformen der Zylinderschalen 243. - 2. Das Kräftespiel in den Zylinderschalen 247. 3. Die doppelt gekrümmten Schalen 252. Anhang ............................. . 255 Inhaltsverzeichnis. XI Seite Dritter Teil Massiv-Brückenbau. A. Einteilung der Massiv-Brücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 a) Nach dem Baustoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 1. Brücken aus Mauerwerk 258. - 2. Brücken aus Beton 259. - 3. Brücken aus Stahlbeton 260. b) Nach dem Zweck ....................... . 260 1. Die Straßenbrücken und Fußgängerstege 260. 2. Eisenbahn- brücken 260. - 3. Brücken für besondere Zwecke 261. c) Nach der statischen Kennzeichnung des Haupttragwerkes . . . . . . 261 1. Bogen 261. - 2. Rahmen 261. - 3. Balken 261. - 4. Sonderbau weisen 261. B. Die für die Massivbrücken maßgebenden Bestimmungen 262 C. Die Gliederung der Massivbrücken .. 262 D. Die Fahrbahntafel .................... . 263 a) Die bauliche Ausgestaltung der Fahrbahn . . . . . . . . . . . . . 263 1. Die Fahrbahndecke 263. - 2. Radfahr- und Gehwege 264.- 3. Rand steine, Geländer und Entwässerungen 265. b) Die Fahrbahnplatte . . . . . . . . . . . . . . 265 1. Platten mit Hauptbewehrung in einer Richtung 266. - 2. Kreuz bewehrte Platten 268. c) Die Fahrbahnträger . . . . . . . . . . . . . . 272 1. Die Längsträger 272. - 2. Die Querträger 272. E. Die Abstützung der Fahrbahntafel ..... . 273 a) Fahrbahn oberhalb des Haupttragwerkes . . . . . 273 1. Massive Aufbauten 273. - 2. Aufgelöste Aufbauten 273. b) Fahrbahnen unterhalb des Haupttragwerkes 275 F. Bogenbrücken .................... . 276 a) Die Form der Bogenachse . . . . . . . . . . . . . .. ... 276 1. Geometrische und statische Form 276. - 2. Die Ermittlung der Bogen achse als Stützlinie 276. b) Die Statik der Stützlinienbogen . . . . . . . . • . . . . . . . . . 279 1. Der gelenklose (eingespannte) Bogen 279. - 2. Der Zweigelenk bogen 285. - 3. Der Dreigelenkbogen 287. - 4. Bogen mit stützlinien naher Achse 288. c) Die Einflußlinien der Bogentragwerke . . . . . . . . . . . . . . . 290 1. Der gelenklose Bogen 290. - 2. Der Zweigelenkbogen 292. - 3. Der Dreigelenkbogen 293. - 4. Kernpunktmoment-Einflußlinien 293. d) Die Verformungs momente und die Knicksicherheit der Stützlinienbogen . 294 1. Die elastische Verformung der Stützlinienbogen 294. - 2. Die Ver formungsmomente infolge Eigengewicht 296. - 3. Die Knicksicherheit der Stützlinienbogen im elastischen Bereich 299. - 4. Untere Grenz werte der Knicksicherheit 302. - 5. Obere Grenzwerte der Knicksicher heit 303. - 6. Die Knicksicherheit der Stützlinienbogen im plastischen Bereich 305. e) Die Schnittkräfte der Bogen infolge von Querbelastungen . . . . . . 310 1. Die Querbelastungen und deren Angriffe am B<?gentragwerk 310. - 2. Das statisch bestimmte Grundsystem und die Uberzähligen 311. - 3. Die Elastizitätsgleichungen und die Schnittkräfte 313. f) Gestaltung und Ausführung der Bogenbrücken . . . . . . . . . . . 314 1. Wahl des statischen Systems 314. - 2. Form des Bogenquerschnittes 314. - 3. Bogenstärke und Bogenbreite 315. - 4. Die Herstellung der Bogenbrücken 316. G. Balkenbrücken . . .. ......... ......... . 317 a) Statische Systeme der Balkenbrücken . . . . . . . . . . . . . . . 317 1. Der Einfeldbalken 317. - 2. Der gelenklose Mehrfeldbalken 319. - 3. Der Gelenkträger (Gerberträger) 321. b) Die Gestaltung der Balkenbrücken ............... . 322 1. Der Brückenquerschnitt 322. - 2. Die Hauptträger 323.