Geschichte der Baustatik
Beschreibung
Was wissen Bauingenieure heute über die Herkunft der Baustatik? Wann und welcherart setzte das statische Rechnen im Entwurfsprozess ein? Wir ahnen wohl, dass die Entwicklung von Berechnungsmethoden und -verfahren im engen Zusammenhang mit der Entdeckung neuer Baumaterialien und der Hervorbringung und Entfaltung von Tragformen stehen.
Das vorliegende Buch zeichnet die Entstehung von Statik und Festigkeitslehre als die Entwicklung vom geometrischen Denken der Renaissance über die klassische Mechanik bis hin zur modernen Strukturmechanik nach. Eine Einführung eröffnet mit kurzen Einblicken in zwölf verbreitete Berechnungsverfahren den Zugang zu über 500 Jahren Geschichte der Baustatik aus der Berechnungspraxis der Gegenwart. Beginnend mit den Festigkeitsbetrachtungen von Leonardo und Galilei wird der Herausbildung einzelner baustatischer Verfahren und ihrer Formierung zur Baustatik nachgegangen. Dabei gelingt es dem Autor auch, die Unterschiedlichkeit der Akteure hinsichtlich ihrer technisch-wissenschaftlichen Profile und ihrer Persönlichkeiten plastisch zu schildern und das Verständnis für den jeweiligen gesellschaftshistorischen Kontext zu erzeugen. 243 Kurzporträts maßgeblicher Protagonisten der Mechanik, Mathematik, des Maschinen- und Flugzeugbaus und der Baustatik sowie eine umfangreiche Bibliografie machen das Werk zusätzlich zu einer unschätzbaren Fundgrube.
Mit diesem Buch liegt der Fachwelt das einzige geschlossene Werk über die Geschichte der Baustatik vor. Es lädt den Leser zur Entdeckung der Wurzeln der modernen Rechenmethoden ein. Die 1. Auflage von 2002 war schnell vergriffen. Für die 2. Auflage ergänzte der Autor sein Werk um wichtige Reisen in die Geschichte der Disziplinbildung: Erddrucktheorie, Traglastverfahren, historische Lehrbuchanalyse, Stahlbrückenbau, Schalentheorie, Computerstatik, Finite-Elemente-Methode, Computergestützte Graphostatik, Historische Technikwissenschaft.
Rezensionen / Stimmen
Über die 1. Aufl. 2002Karl-Eugen Kurrer zieht einen Vorhang nach dem anderen auf, er läßt uns diesen "Entwicklungsroman" wie auf einer Bühne im Zeitraffer erleben. (...) die Darstellung der Zusammenhänge und der Entwicklungsstränge (...), vor allem aber der Beteiligten mit der Einbindung in ihre Zeit und den daraus entstehenden Antrieben, machen das Buch zu einer Fundgrube und zu einem Lesebuch gleichermaßen. (...) Kurrer betritt Neuland. (...) er hat dies ohne Forschungsauftrag getan, aus eigenen Mitteln: eine herauszuhebende Leistung in einer Zeit, die den "Privatgelehrten" kaum noch kennt und anerkennt.
Dr.-Ing. Klaus Stiglat, Karlsruhe
Über die 1. Auflage, 2002
Karl-Eugen Kurrers Buch zur Geschichte der Baustatik ist der für den deutschen Sprachraum längst überfällige Versuch, vor allem die moderne Geschichte dieser Disziplin aufzuarbeiten. Kurrer unterzieht sich mit seiner Arbeit der Mühe, institutionelle Entwicklungen, Zeitschriftengeschichte, Fortschritte der Technik wie auch biographische Details in die Geschichte der Theorieentwicklung sehr stark einzubeziehen und damit - unwillkürlich fokussiert auf die deutsche Entwicklung - eine moderne Statikgeschichte systematisch überhaupt erst bearbeitbar zu machen.
Das Anliegen des Buchs wird im Geleitwort von Ekkehard Ramm kurz vorgestellt: Die Vorliebe Kurrers für eine eher systematische als chronologische Gliederung wird treffend hervorgehoben. Das erste der zehn Kapitel des Buches zur Historiographie der Baustatik hat den Charakter einer kurzen Einleitung und führt den Begriff der "Disziplinbildung" ein. Für den Leser mit Kenntnissen des Fachgebietes bietet die Geschichte der Statik ein Kompendium zum Blättern und Nachschlagen, für den interessierten Laien einen Einstieg in die Problemvielfalt dieser Disziplin vor allem an der Wende vom 19. und 20. Jahrhundert.
Prof. Dr. Andreas Kahlow, Fachhochschule Potsdam
1st English Ed. 2008
Dr.-Ing. Kurrer is an established scholar who is also editor-in-chief of the influential structural engineering journal Stahlbau. This major book covers the history of structural analysis from 1575 to the present, although, as Dr Kurrer shows, structural analysis proper only starts in about 1825 (...).
Stress analysis - the study of local conditions in a structure - is something different from the study of overall structural behaviour. The history of this subject seems to have been studied in its own right only for about half a century - Straub's history of civil engineering (German edition 1949; in English, 1952) goes back for the first time to the ancient world of Greece and Rome, before proceeding through Romanesque and Gothic to the construction of Renaissance bridges and domes, and so to the developments in structural engineering of the last two or three centuries. The same ground is partly covered by the great theoretical engineer Timoshenko; his 1953 History uses the words "strength of materials" in its title, but deals also with the development of tools of structural analysis. The latest of these comprehensive accounts of the history of structural mechanics may be found in the second of Benvenuto's two volumes of 1991, which deals with vaulted structures and elastic systems. Thus the history of stress analysis, embracing elasticity and strength of materials, is reasonably well developed; by contrast, the history of the science of structures has undiscovered material of very great interest. It is this rich field that Dr Kurrer explores.(...) Much of the early development of analytical method for hyperstatic structures took place in nineteenth century Germany, and these advances are given extensive discussion; Maxwell and Castigliano are not ignored. Nor is the British work on plasticity, and John Baker is placed with Telford and Rankine as among the greatest British structural engineers.
Each chapter is prefaced by a dozen lines of almost personal reflection on the author's involvement with the subject under discussion. Equally attracti
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Über 150 Zeitschriftenaufsätze und Buchbeiträge sowie mehrere Monographien, z. B. "Geschichte der Baustatik", 1. Aufl. 2002 und "The History of the Theory of Structures. From Arch Analysis to Computational Mechanics", 2008.
Inhalt
Vorwort zur 2. Auflage
Vorwort zur 1. Auflage
1 Aufgaben und Ziele der Historiografie der Baustatik
1.1 Wissenschaftsinterne Aufgaben
1.2 Ingenieurpraktische Aufgaben
1.3 Didaktische Aufgaben
1.4 Kulturelle Aufgaben
1.5 Ziele
1.6 Einladung zur Suche nach dem Gleichgewicht von Tragwerken in Zeitreisen
2 Lernen aus der Geschichte: Zwölf Einführungsvorträge in die Baustatik
2.1 Was ist Baustatik?
2.2 Vom Hebel zum Fachwerk
2.3 Die Entwicklung der höheren technischen Bildung
2.4 Eine Studie über Erddruck auf Stützmauern
2.5 Einblicke in den Brückenbau und die Baustatik des 19. Jahrhunderts
2.6 Industrialisierung des Stahlbrückenbaus von 1850 bis 1900
2.7 Einflusslinien
2.8 Der elastisch gebettete Balken
2.9 Deformationsverfahren
2.10 Theorie II. Ordnung
2.11 Traglastverfahren
2.12 Baugesetz - Statisches Gesetz - Bildungsgesetz
3 Die ersten technikwissenschaftlichen Grundlagendisziplinen: Baustatik und Technische Mechanik
3.1 Was ist Technikwissenschaft?
3.2 Die Aufhebung des Enzyklopädischen im System der klassischen Technikwissenschaften: Fünf Fallbeispiele aus der Technischen Mechanik und der Baustatik
4 Vom Gewölbe zum Bogen
4.1 Das Gewölbegleichnis
4.2 Das geometrische Denken in der Theorie gewölbter Brücken
4.3 Vom Keil zum Gewölbe - oder: das Additionstheorem der Keiltheorie
4.4 Von der Bruchbildanalyse in Gewölben zur Kantungstheorie
4.5 Die Stützlinientheorie
4.6 Die Durchsetzung der Elastizitätstheorie
4.7 Die Traglasttheorie der Gewölbe
4.8 Finite-Elemente-Methode
4.9 Die Untersuchungen von Holzer
4.10 Zum epistemologischen Status der Gewölbetheorien
5 Geschichte der Erddrucktheorie
5.1 Stützmauern im Festungsbau
5.2 Erddrucktheorie als Gegenstand des Militäringenieurwesens
5.3 Erweiterungen der Coulombschen Erddrucktheorie
5.4 Der Beitrag der Kontinuumsmechanik
5.5 Die Erddrucktheorie von 1875 bis 1900
5.6 Experimentelle Erddruckforschung
5.7 Erddrucktheorie in der Disziplinbildungsperiode der Geotechnik
5.8 Erddrucktheorie in der Konsolidierungssperiode der Geotechnik
5.9 Erddrucktheorie in der Integrationsperiode der Geotechnik
6 Die Anfänge der Baustatik
6.1 Was ist Festigkeitslehre?
6.2 Zum Entwicklungsstand der Statik und Festigkeitsbetrachtung in der Renaissance
6.3 Galileis "Discorsi"
6.4 Die Entwicklung der Festigkeitslehre bis 1750
6.5 Das Bauingenieurwesen im ausgehenden 18. Jahrhundert
6.6 Die Herausbildung der Baustatik: Eytelwein und Navier
6.7 Rezeption von Naviers Analyse des Durchlaufträgers
7 Die Disziplinbildungsperiode der Baustatik
7.1 Clapeyrons Beitrag zur Herausbildung der klassischen Technikwissenschaften
7.2 Die Vollendung der Technischen Balkentheorie
7.3 Von der graphischen Statik zur Graphostatik
7.4 Die Vollendungsphase der Baustatik
7.5 Die Baustatik am Übergang von der Disziplinbildungsperiode zur Konsolidierungsperiode
7.6 Lord Rayleighs Werk "The Theory of Sound" und Kirpichevs "Grundlegung der klassischen Baustatik"
7.7 Die Berliner Schule der Baustatik
8 Vom Eisenbau zum modernen Stahlbau
8.1 Die Torsionstheorie im Eisenbau und in der Baustatik von 1850 bis 1900
8.2 Der Kranbau im Schnittpunkt von Maschinenbau, Elektrotechnik, Eisenbau und Baustatik
8.3 Die Torsionstheorie in der Konsolidierungsperiode der Baustatik (1900-1950)
8.4 Auf der Suche nach der wahren Knicktheorie im Stahlbau
8.5 Stahlbau und Stahlbauwissenschaft von 1925 bis 1975
8.6 Exzentrische Bahnen - Verlust der Mitte
9 Die Stabstatik erobert die dritte Dimension: Das Raumfachwerk
9.1 Die Entstehung der Theorie des Raumfachwerks
9.2 Das Raumfachwerk im Zeitalter seiner technischen Reproduzierbarkeit
9.3 Dialektische Synthese von individueller Baugestaltung und serieller Fertigung
10 Der Einfluss des Stahlbetonbaus auf die Baustatik
10.1 Das erste Bemessungsverfahren im Stahlbetonbau
10.2 Der Stahlbetonbau revolutioniert das Bauwesen
10.3 Baustatik und Stahlbetonbau
10.3.1 Neuartige Tragwerke des Stahlbetonbaus
10.3.1.3 Die erste Synthese
10.3.2 Statisch-konstruktive Selb
Zum Geleit
Dreizehn Jahre nach der 1. Auflage erscheint Kurrers Geschichte der Baustatik in wesentlich erweiterter Form, nunmehr mit dem Untertitel Auf der Suche nach dem Gleichgewicht. Der Zusatz weist natürlich auf die Bedeutung des wichtigsten aller mechanischen Grundsätze hin: Ohne Gleichgewicht keine tragende Struktur. Er drückt aber auch die ständige Suche nach der Balance zwischen der Baustatik als Wissenschaftsdisziplin und ihrer zentralen Aufgabe in der praktischen Anwendung aus, ganz im Sinne von Leibniz' Theoria cum Praxi. Dieses Wechselspiel hat beide Seiten zu allen Zeiten ganz wesentlich befruchtet, was sich als roter Faden durchgängig im gesamten Buchwerk zeigt.
Neue Inhalte der 2. Auflage sind: Erddrucktheorie, Traglastverfahren, historische Lehrbuchanalyse, Stahlbrückenbau, Leichtbau, Platten- und Schalentheorie, Computerstatik, Computergestützte Graphostatik und Historische Technikwissenschaft.
Gleich zu Anfang lesen wir, dass die erste Tagung über die Geschichte der Baustatik 2005 in Madrid stattgefunden hat. Das Thema, in Teilbereichen vielfach behandelt, wartet geradezu auf eine umfassende Darstellung. Das vorliegende Werk ist allerdings kein Geschichtsbuch, in der die Beiträge unserer Vorfahren zum Thema in chronologischer Folge aufgelistet und systematisch beschrieben werden. Es ist Kurrers Geschichte der Baustatik mit seinen Interpretationen und Einordnungen; glücklicherweise, denn so ist es eine spannende Zeitreise geworden, stark subjektiv geprägt, eher thematisch und nur grob chronologisch gegliedert, mit einer Vorliebe zum Wissenschaftstheoretischen, eben die Beschreibung der Evolution einer wichtigen technikwissenschaftlichen Grundlagendisziplin mit ihren vielen Facetten in Lehre, Forschung und vor allem Praxis.
Und was ist überhaupt Baustatik? Der Begriff in dieser Kurzform wird wohl erst am Beginn des 20. Jahrhunderts entstanden sein. Gerstners erstes Buch aus dem Jahr 1789 spricht noch von der statischen Baukunst; Emil Winkler verwendet um 1880 den Begriff Statik der Baukonstruktionen. Darin schließt Winkler auch die Erddrucktheorie ein, deren Entwicklungsgeschichte Kurrer von 1700 bis heute erstmals im umfangreichen Kapitel 5 gültig zusammenfasst. Die Geschichte der Baustatik ist zunächst einmal eine Geschichte der Mechanik und der Mathematik, die sich ja früher als ausgesprochen angewandte Wissenschaften verstanden. Kurrer nennt diesen Zeitraum von 1575 bis 1825 die Vorbereitungsperiode, die für den Bauwerksentwurf noch stark von der Empirie beherrscht wird. Dennoch müssen wir feststellen, dass hier die Grundlagen vieler Tragwerkstheorien gelegt werden. Gemeinhin wird das statische Gutachten der drei Mathematiker zur Sanierung der Peterskuppel (1742/43) als erste statische Berechnung im heutigen Sinne betrachtet, bei der eine Bauaufgabe durch Anwendung wissenschaftlicher Methoden angegangen wird, bezeichnenderweise begleitet durch den wohl ewig anhaltenden Streit zwischen Theorie und Praxis (s. Abschnitt 13.2.5). Heute belegen wir den Jahrhunderte alten Vorgang der gedanklichen Abstraktion natürlicher und technischer Prozesse in fast allen wissenschaftlichen Disziplinen mit den Vokabeln Modellierung und Simulation, so als ob er erst mit dem Aufkommen des Computers und der Informationsverarbeitung eingeführt worden sei, dabei war er schon lange Triebkraft menschlichen Denkens und Handelns. Die Abbildung der tragenden Eigenschaften von Baukonstruktionen in ein Gedankenmodell ist ein typischer Fall. Als klassisches Beispiele seien die Entwicklung der Gewölbe-, Bogen- und Kuppeltheorien (s. Kapitel 4) sowie die kontinuumsmechanischen Erddruckmodelle eines Rankine und Boussinesq (s. Abschn. 5.4 und 5.5) genannt. Es hat sich eingebürgert, diesen rechnerorientierten Teilbereich in den einzelnen Wissenschaften mit dem Zusatz Computational zu bezeichnen, hier eben Computational Mechanics.
Das Jahr 1825 als der Beginn einer Disziplinbildungsperiode der Baustatik (s. Kapitel 7) ist sicher treffend gewählt. Baustatik reduziert sich nicht auf das Lösen einer Gleichgewichtsaufgabe und einen Rechenprozess. Navier, dessen Bedeutung als »Mechaniker« wir heute noch mit seinem Namenszusatz bei zahlreichen Theorien anerkennen (Naviersche Spannungsverteilung, Navier-Lamé- und Navier-Stokes-Gleichungen u. a. m.), war ein ausgesprochener Praktiker. Als Professor für Angewandte Mechanik an der École des Ponts et Chaussées hat er die Gebiete der Angewandten Mechanik und Festigkeitslehre zusammengeführt, um sie auf praktische Aufgaben des Bauwesens anzuwenden. So beschreibt er in seiner Mechanik der Baukunst 1826 die Arbeit der Ingenieure: nachdem das Project eines Werkes entworfen und aufgezeichnet ist, untersuchen sie, ob sie allen Bedingungen genügt haben, und verbessern ihren Entwurf so lange, bis dies geschehen ist. Unter diesen Bedingungen ist die Oekonomie eine der wesentlichsten; die Solidität und die Dauerhaftigkeit sind nicht weniger wichtig (.) (s. Abschnitt 2.1.2.1). Mit Navier hob die Durchsetzung der Baustatik als eigenständige wissenschaftliche Disziplin an. Wichtige Tragwerkstheorien und Berechnungsmethoden werden in der Folgezeit entwickelt, verbunden mit Namen wie Clapeyron, Lamé, Saint-Venant, Rankine, Maxwell, Cremona, Castigliano, Mohr, Winkler, um nur einige zu nennen. Die graphische Statik von Culmann und ihre Weiterentwicklung zur Graphostatik sind Meilensteine in der Geschichte der Baustatik.
Bereits an dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Entwicklung nicht immer ohne Kontroversen abging, sei es aus inhaltlichen Gründen, aus einem disziplinären Wettbewerb oder einem Prioritätenstreit. Das spannende Thema wird an 13 Beispielen in Kapitel 13 vertieft.
Die Methodenentwicklung der Baustatik bekam in den folgenden Jahren eine starke Ausrichtung auf spezielle Tragwerksysteme und damit auch in natürlicher Weise auf die eingesetzten Baustoffe wie Eisen (Stahl) und später den Eisenbeton (Stahlbeton) (s. Kapitel 8, 9 und 10). Eigenständige werkstoffspezifische Systeme und Methoden wurden entwickelt; vereinfacht ausgedrückt: Der Stahlbau konzentrierte sich aufgrund seiner Modularität und der Fertigungsverfahren zuerst auf Stabtragwerke, erst seit den 1950er-Jahren kamen die Flächentragwerke dazu. Dagegen entfaltete der Betonbau seine ihm eigene Sprache in Form von flächenhaften Tragwerken wie Platten, Scheiben und Schalen. So erfahren in der 2. Auflage des vorliegenden Werkes die Kapitel 8 und 10 eine starke Erweiterung durch Flächentragwerke. Die in Kapitel 9 behandelten räumlichen Fachwerke stellen gewissermaßen ein Scharnier dar.
Die werkstofforientierte Trennung spiegelte sich auch bei der Lehre der Baustatik in getrennten Lehrveranstaltungen wider. Erst sehr viel später wurden die Teile zu einer einheitlichen Baustatik zusammengeführt, dann allerdings häufig »neutralisiert«, d. h. nicht mehr auf die besonderen Eigenschaften der Werkstoffe bezogen; eine Entwicklung, die aus heutiger Sicht kritisch zu beurteilen ist. Natürlich sind die Methoden der Baustatik im Grundsatz werkstoffübergreifend: Sie müssen aber im konkreten Fall die besonderen Eigenschaften der Werkstoffe mit einbeziehen.
Nach Kurrer geht die Disziplinbildungsperiode mit ihren großen Erfolgen durch die Graphische Statik und die Systematisierung der Berechnungsmethoden der Stabstatik in Gestalt des Kraftgrößenverfahrens um 1900 in eine Konsolidierungsperiode (bis 1950) über; diese ist geprägt durch Verfeinerung und Erweiterung, wie beispielsweise die Zuwendung zu den Flächentragwerken und die Berücksichtigung nichtlinearer Effekte. Erst dann beginnt die »Moderne« der Baustatik, hier Integrationsperiode genannt. Sie ist gekennzeichnet durch den Einsatz des Computers und leistungsfähiger numerischer Methoden: Die Baustatik wird in den Tragwerksplanungsprozess Entwurf - Analyse - Bemessung - Konstruktion - Ausführung integriert. Ist damit die Evolution abgeschlossen? Verliert die Baustatik etwa mit dieser Entwicklung als eigenständige Technikwissenschaft ihr Profil und ihre Berechtigung? Die Tendenzen der letzten Jahre zeigen allerdings das Gegenteil.
Die Geschichte von gestern und heute ist auch die Geschichte von morgen. Die Baustatik hat durch die Daten- und Informationsverarbeitung eine rasante Entwicklung durchgemacht, verbunden mit zahlreichen Paradigmenwechseln. Nicht mehr der Rechenprozess und Verfahrensfragen, sondern Grundlagen, Modellbildung, Realitätsnähe, Qualitätssicherung u. a. m. stehen im Mittelpunkt. Zum Aufgabengebiet gehören neben der Statik die Dynamik, Flächentragwerke spielen eine mindest ebenso große Rolle wie die Stabtragwerke, die Berücksichtigung realen Werkstoffverhaltens ist heute zwingend. Die Baustatik war in ihrer Lebensgeschichte immer ein Aushängeschild des konstruktiven Ingenieurbaus; sie war nie die Disziplin von Rechenknechten, auch wenn dies bei Einführung einschlägiger Rechenprogramme gelegentlich so verkündet wurde und noch wird. Sie spielt auch heute noch eine wichtige Mittlerrolle zwischen der Mechanik einerseits und den entwerfenden konstruierenden Fächern andererseits in der Lehre, Forschung und Anwendung. Die Statik und Dynamik sind mittlerweile zu dem avanciert, was man international als Computational Structural...
