Hat sich der Gerüstbau seit dem 18. Jahrhundert verändert?

Wie schafft es ein Gerüst, zu stehen, ohne unter seinem eigenen Gewicht oder den darauf einwirkenden Lasten zusammenzubrechen? Wenn Sie noch nie das aufregende Erlebnis hatten, auf einem Gerüst in mehreren hundert Metern Höhe zu stehen und auf ein Gerüstbein mit einem Durchmesser von weniger als fünf Zentimetern hinunterzublicken, sollten Sie es unbedingt einmal erleben.

Hängende Gerüstlasten üben keine axiale Druckbelastung aus, sondern üben eine Biegebelastung am äußeren Ende des Kragträgers aus. (Foto: David Glabe)

Es ist magisch, dass es jede Last tragen kann. Warum hängt ein Hängegerüst dort, ohne umzufallen? Was ist das Geheimnis der Fähigkeit dieser temporären Strukturen, auf so dünnen Beinen und fadenförmigen Drähten erhebliche Lasten zu tragen? Während es für manche ein Rätsel und für andere vielleicht ein Wunder ist, gibt es eine Erklärung.

Die Vorstellung, dass sich die Festigkeit von Materialien berechnen ließe, war Jahrtausende lang unbekannt. Bauen war mehr Kunst als Wissenschaft. Erfahrene Handwerker übten ihr Handwerk aus und nutzten ihre Erfahrung als Leitfaden für zukünftige Arbeiten. Die großen Kathedralen Europas sind Beispiele für diese Methodik: Arbeiter erweiterten die Grenzen des Wissens, indem sie immer größer bauten und erst dann aufhörten, wenn klar war, dass die von ihnen errichtete Struktur die Belastungen nicht mehr tragen konnte.

Stützlasten

Erst im 18. Jahrhundert entwickelten sich Wissenschaft und Mathematik so weit, dass sie die Widerstandsfähigkeit bestimmter Materialien und ihre Tragfähigkeit präzise analysieren und anschließend bestimmen konnten. Damals entdeckte man, dass sich Formeln erstellen ließen, mit denen Konstrukteure nicht nur die Festigkeit eines bestimmten Materials wie Eisen bestimmen, sondern auch die erforderliche Größe eines Bauteils bestimmen konnten, um eine Last zu tragen. Dieses Wissen begründete die sogenannte Ingenieurskunst, und Ingenieure nutzen dieses Wissen für Konstruktion und Analyse. Tatsächlich wird dieses Wissen genutzt, um zu demonstrieren, wie und warum ein Gerüst seine Funktion erfüllt.

Die Tragfähigkeit einer Säule, beispielsweise eines Gerüstbeins, hängt von drei Faktoren ab: der Materialart, der Form des Materials und der unverstrebten Länge der Säule. Für Rahmen- und Systemgerüste ist ein Rundrohr die bevorzugte Form. Rundrohre werden verwendet, weil sie in alle Richtungen gleich stark sind. Im Vergleich dazu ist beispielsweise ein Rechteckrohr in zwei Richtungen stärker und in den anderen beiden schwächer. Quadratrohre, die diesen Unterschied minimieren, sind die zweite Wahl. Deshalb werden auch einige Gerüste mit Quadratrohren verwendet. Warum wird ein Rohr anstelle einer massiven Stange verwendet? Schließlich ist ein Baum massiv.

Durch Forschung wurde festgestellt, dass zur Erzielung der Rohrfestigkeit außen am Rohr deutlich mehr Material benötigt wird als in der Rohrmitte. Da das Material in der Rohrmitte nicht benötigt wurde, wurde es entfernt. Deshalb werden Rohre anstelle von Vollstäben verwendet. Zugegeben, ein Vollstab trägt mehr Last, aber die Wirtschaftlichkeit ist entscheidend, da Rohre zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Können Sie sich außerdem das Gewicht eines Gerüstrahmens mit Vollstäben als Beinen vorstellen?

Manche würden sagen, dass die Ursprünge der Konstruktion, insbesondere was Strukturen und Tragprinzipien angeht, eher Kunst als Wissenschaft waren. (Foto: David Glabe)

Veränderte Formen

Stahl ist das Material der Wahl für die meisten Gerüste. Schon früh in der Entwicklung des Ingenieurwesens stellte man fest, dass die Festigkeit eines Materials je nach Materialzusammensetzung, beispielsweise dem Verhältnis von Kohlenstoff zu Eisenerz, stark variiert. Auch Verunreinigungen waren schädlich. Um Konsistenz zu gewährleisten, wird die Stahlproduktion heutzutage sorgfältig kontrolliert, sodass die Materialfestigkeit gut vorhersehbar ist und der Gerüsthersteller somit ein vorhersehbares Produkt herstellen kann. Natürlich kann ein skrupelloser Hersteller auch minderwertigen Stahl verwenden, aber das ist ein Thema für ein anderes Mal.

Der dritte Faktor, der die Druckfestigkeit einer Säule bestimmt, ist die unverstrebte Länge. Ein unverstrebtes Rohr mit 5 cm Durchmesser ist sehr druckfest, hat aber bei einer Höhe von 6 Metern keinerlei Tragkraft. Leonhard Euler, ein Schweizer Mathematiker und Physiker des 18. Jahrhunderts, stellte als Erster fest, dass neben Material und Form der Säule auch die unverstrebte Länge ein wesentlicher Faktor für deren Festigkeit ist. Anschließend entwickelte er eine Formel, die alle drei Faktoren berücksichtigt. Mit anderen Worten: Seine und andere nachfolgende Säulenformeln berücksichtigen die Beziehung zwischen Form, Materialfestigkeit und unverstrebter Länge. Bei Gerüsten ist die unverstrebte Länge der vertikale Abstand zwischen horizontalen Elementen und der vertikale Abstand zwischen diagonalen Strebenverbindungen.

Gerüstbauer können weder das verwendete Material noch die Form des Gerüstbeins ändern, es sei denn, sie verwenden ein geknicktes oder gebogenes Rohr. Die Verwendung eines gebogenen oder geknickten Rohrs beeinträchtigt die Festigkeit der Säule und erklärt, warum beschädigte Gerüstkomponenten niemals verwendet werden sollten. Gerüstbauer können die ungespannte Länge des Gerüstbeins verändern und tun dies auch häufig. Das häufigste Beispiel sind Rahmengerüste, bei denen die vorderen Querstreben nie montiert werden. Dadurch ändert sich die ungespannte Länge von 1,22 m (dem Abstand zwischen den Querstrebenbolzen) auf 1,98 m (die Nennhöhe eines begehbaren Rahmens). Dadurch verringert sich die Tragfähigkeit des Gerüstbeins um bis zu 50 %. Umgekehrt erhöht sich die Tragfähigkeit des Gerüstbeins deutlich, wenn die Anzahl der horizontalen Streben und der zugehörigen vertikalen Diagonalstreben eines Systemgerüsts erhöht wird und die ungespannte Länge dadurch reduziert wird. Leider sind sich nur wenige Monteure darüber im Klaren, welche Auswirkungen die Verstrebung auf die Tragfähigkeit hat.

Heutzutage wird kein bedeutendes Bauwerk ohne die Nutzung wissenschaftlicher Erkenntnisse entworfen oder gebaut. (Foto: David Glabe)

Auch Hängegerüste werden von Herrn Eulers Forschung beeinflusst, allerdings vielleicht anders als erwartet. Zugstützen werden nicht von der unverspannten Länge beeinflusst, daher können Drahtseile im Verhältnis zu ihrem Durchmesser enorme Lasten tragen. Eulers drei Faktoren kommen insbesondere beim horizontalen Kragarm zum Tragen, an dem das Tragseil befestigt ist. Die Last des Hängegerüsts übt zwar keine axiale Druckbelastung aus, übt aber eine Biegebelastung am äußeren Ende des Kragarms aus. Bei falscher Balkenform, unzureichender Materialstärke oder unzureichender Verstrebung des Balkens rollt, verdreht und verbiegt sich der Balken und kann die Gerüstlast letztendlich nicht mehr tragen, was zu ungünstigen Folgen für die Gerüstnutzer führt.

Die heutige Welt

Die Konstruktion und Analyse von Gerüsten geht auf Forschungen zurück, die vor dreihundert Jahren von Physikern initiiert wurden. Sie brachte Sicherheit in die Konstruktion von Bauwerken und Gerüsten und ermöglichte eine wirtschaftlichere Bauweise. Mit der Zeit beendete sie die Praxis, Bauwerke auf Grundlage der Erfahrung und der bisherigen Leistung des Bauherrn zu errichten.

Heutzutage wird kein bedeutendes Bauwerk mehr ohne die Nutzung der Wissenschaft entworfen oder gebaut, die wir heute als Ingenieurswissenschaft kennen. Mit Ausnahme des Gerüstbaus.

Erstaunlicherweise baut die Gerüstindustrie immer noch Gerüste wie im Jahr 1700. Sie verlässt sich auf Monteure, die das Konzept der ungespannten Länge nicht kennen und nur aufgrund ihrer Erfahrung hoffen, es richtig hinzubekommen. Noch erstaunlicher ist, dass dies als gängige Praxis gilt.