Eine Philosophie des Tragwerks
Form, Konstruktion und Funktion sind im Bauen – bestenfalls – kein Gegensatz, sondern eine untrennbare Einheit. Die Dinge sind nicht willkürlich, sondern fügen sich sinnvoll ineinander. Dieses Ineinanderfügen erzeugt Baukultur.
Die Art und Weise, wie die Materie im baulichen Sinne genutzt wird, wird durch die Konstruktion bestimmt. Die Konstruktion, also die Art und Weise, wie Bauwerke dauerhaft, funktionell und fest gemacht werden, definiert entscheidend die Gestaltung und die Form.
Konstruktion ist nicht nur ein Fügen von Einzelteilen. Konstruieren ist vor allem auch ein Prozess, der gegen die Schwerkraft gerichtet ist, der die Masse folglich vertikal nach unten und in den Boden führt und dem Menschen die Gewissheit gibt, gegenüber der äußeren Natur abgesichert zu sein.
Das Grundproblem des Konstruktiven ist, dass die Schwerkraft zwar lotrecht zum Erdmittelpunkt gerichtet ist, sich unsere menschlichen Aktivitäten allerdings vorwiegend im horizontalen Raum abspielen, sodass eine Umlenkung der Kräfte durch die Konstruktion notwendig wird.
Im Konkreten werden die Kräfte, die durch die eingesetzten Massen sowie durch die Belastungszustände notwendigerweise entstehen, in jene Richtungen gelenkt, welche die baulichen Funktionen zulassen und die durch das Tragwerk und die Dimensionierung seiner Einzelteile vorgegeben sind. Die wesentliche Funktion des Tragwerkes ist folglich die Umlenkung der einwirkenden Kräfte.
Die Konstruktion ist das Herausbilden einer Möglichkeit unter vielen, die die Gesetze der Naturwissenschaften erfüllt und dabei auch noch einer bestimmten Funktion und einer Form entspricht. Peter Zumthor umfasst die Konstruktion mit den Worten: „Konstruktion ist die Kunst, aus vielen Einzelteilen ein sinnvolles Ganzes zu formen. Gebäude sind Zeugnisse der menschlichen Fähigkeit, konkrete Dinge zu konstruieren. Im Akt des Konstruierens liegt für mich der eigentliche Kern jeder architektonischen Aufgabe. Hier, wo konkrete Materialien gefügt und aufgerichtet werden, wird die erdachte Architektur Teil der realen Welt“ [1].
Durch die bedachte Formgebung wird die Materie unter Berücksichtigung der mechanischen Zusammenhänge in einen Gleichgewichtszustand versetzt. Das äußere entspricht dem inneren Gleichgewicht der Kräfte. Zur Herstellung dieses inneren Gleichgewichtes verlaufen die Kräfte in der Materie entsprechend eines bestimmten Lastpfades und in eine bestimmte Richtung.
Bauen ist die Anordnung von scheinbar lebloser Materie zur beseelten Materie und in der Folge zum baulichen Ganzen. In der Fähigkeit, diese Anordnung intelligent und effizient zu gestalten, besteht die eigentliche Herausforderung eines Bauens, das alles andere als unbedarft und einfältig ist, sondern ambitioniert und mitunter auch agonal und im Wettbewerb um die bessere Idee stehend.
„Ein Objekt wird durch seine Form vermittelt“ schreibt der Architekt Heino Engel [2]. Eine andere Vermittlung ist auch gar nicht denkbar. Die Form steht für eine spezifische Funktion, über welche sich das Objekt als solches definiert. Engel schreibt weiter: „Alle materiellen Objekte in Natur und Technik stellen sich durch die ihnen eigene Form dar“.
Das Wesentliche ist, dass diese Form auch unter Einwirkung der vielfältigen Kräfte Bestand hat. Heino Engel meint zu dieser Qualität: „Das heißt, die Existenz eines Objektes und seiner Form setzt voraus, dass das Objekt diese Kräfte aushalten kann. Sie beruht auf seiner Fähigkeit, unterschiedliche Kräfte zu ertragen. Die Konsistenz, die diese Fähigkeiten verleiht, ist das Tragwerk“.
Das Tragwerk selbst erfüllt drei Anforderungen: Lastaufnahme, Lastübermittlung und Lastabgabe.
Die Beibehaltung der Form ist die Voraussetzung für die Fortdauer der Funktion. Damit kommt die Dauerhaftigkeit ins Spiel. Tragwerke sind Strukturen zur dauerhaften Erhaltung von Objekt-Funktionen.
Tragwerke bewirken im Konkreten die Weiterleitung oder Umlenkung der einwirkenden Kräfte sowie die Herstellung eines Gleichgewichtszustandes mit dem Zweck, eine bestimmte Form zu erhalten oder herzustellen.
Durch die gezielte Anordnung von Materie und Material werden Kräfte aufgenommen, abgeleitet und umgelenkt, sodass sich ein Gleichgewichtszustand und eine Form ergeben.
Effizienz bedeutet in diesem Zusammenhang, durch weniger Material, mehr Objekt-Funktionen zu verwirklichen.
Tragwerksformen
Nach Heino Engel sind vier mögliche Tragmechanismen gegeben. Diese vier Typen stehen für die grundsätzlichen Möglichkeiten, mit den Kräften umzugehen.
Die erste Möglichkeit besteht in der Anpassung der Form an die Kräfte. Die geometrische Form wird so angeordnet, dass sich im Bauteil nur Zug- oder Druckkräfte ergeben. In der Form des unter Zug stehenden Seils oder des Druckbogens – und in Form der vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten und komplexen Lösungen – wird diese Möglichkeit materialisiert. Man kann von „formaktiven Tragsystemen“ sprechen.
Die zweite Möglichkeit besteht in der Aufspaltung der Kräfte. Im Tragwerk wirken sowohl Druck- als auch Zugglieder. Wesentlich ist, dass diese Glieder zu unterschiedlichen Dreiecken angeordnet werden. Das spezifische und einfache Beispiel ist das Fachwerk.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der so genannten „Einsperrung“ der Kräfte im Kontinuum. Im Kontinuum selbst ergibt sich ein komplexer Spannungszustand. Im Wesentlichen ergibt sich ein Biegemoment, welches wiederum in Druck- und Zugkräfte aufgespalten werden kann, welche im Querschnitt wirken. Das einfachste Beispiel ist der Balken, der auf zwei Auflagern liegt und beispielsweise mittig belastet wird, sodass sich ein Drehmoment ergibt. Während sich der obere Teil drückt, wird der untere Teil gezogen.
Letztlich besteht die Möglichkeit in der Zerstreuung der Kräfte durch die Flächenausdehnung und Flächenform. Durch die Krümmung des Tragwerkes wirken hauptsächlich nicht Biegemomente, sondern Druck- und Zugspannungen sowie Scherspannungen, auch Membranspannungen genannt. Das einfache Beispiel ist die mehr oder weniger komplexe Schale als Gewölbe.
Das Gleichgewicht besteht nur so lange, wie das Material die Beanspruchungen aufnehmen, also die Spannungen aushalten, abtragen oder umleiten kann. Das Bauteil steht unter Spannungen. Darunter ist eine Kraft mit einer bestimmten Intensität und Richtung innerhalb der Materie zu verstehen. Sobald das Material lokal versagt, entzieht es sich der Spannungsverteilung. Es stellt sich ein neuer Gleichgewichtszustand ein – oder das System kollabiert.
Spannung und Schönheit
Etwas, das unter Spannung steht, verkörpert einen darüber hinaus gehenden Sinn und eine Bedeutung. Nach Alain de Bottom erachtet darin auch ästhetische Qualitäten und versteht das Schöne im Gebauten als Ergebnis kühner Gestaltung: „Der Eindruck von Schönheit, den ein architektonisches Werk in uns hervorruft, verhält sich offenbar proportional zu der Intensität der Kräfte, denen es standzuhalten hat. Die emotionale Wirkung einer Brücke über einen angeschwollenen Fluss ist dort am stärksten, wo ihre Pfeiler dem bedrohlich emporsteigenden Wasser widerstehen“.
Theoretisch gesehen kann es unendlich viele mögliche Formen geben, weil das Gleichgewicht in seiner mathematischen Formulierung unendlich viele Lösungen zulässt. Faktisch wird es allerdings nur einige wenige Lösungen geben, die die vielfältigen Anforderungen an das Bau- und Tragwerk auch wirklich erfüllen.
Die Formulierung des statischen Gleichgewichtes, die sich in der mechanischen Formgebung äußert, ist folglich eine hochkomplexe Angelegenheit. Insbesondere dann, wenn es darum geht, materialsparende, effiziente und auch günstige Lösungen zu vereinen. Die Formgebung kann dabei gar nicht ohne Weiteres als „richtig“ oder „falsch“ betrachtet werden, weil die an die Lösung gestellten Anforderungen vielfache, teilweise zeitlich und je nach Laststellung wechselnd und mitunter auch widersprüchlich sind.
Die statische Formgebung ist in der Folge immer eine gestalterische Angelegenheit. Letztlich verteilen sich die Kräfte in statisch überbestimmten Systemen – und unsere reale Welt ist immer statisch überbestimmt – entsprechend der Form. Es ist nicht die Form, die der Kraft folgt, sondern die Kraft, die der Form folgt, urteilt etwa auch der Bauingenieur David Billington, und findet, dass die Tragwerksplanung eine „Kunst“ im Sinne von „Structural Art“ sei [4].
Das bedeutet natürlich noch lange nicht, dass sich die Kräfte an jede willkürliche architektonische Form anpassen. Dies wäre zwar schön – und wird manchmal sogar unterstellt -, dann entzieht sich allerdings ein Tragwerksteil der Tragwirkung und versagt. Es kommt folglich auf die intelligente Gestaltung an, die Ästhetik und Form nur gemeinsam denkt.
Tragwerksplanung besteht folglich in dem Vorhaben, der Materie einen höher liegenden Sinn zu geben, die Materie – wenn man so will – mit menschlicher Intelligenz auszustatten. Die „intelligente“ Materie, breitet sich nicht träge am Boden aus, sondern vollendet sich zu einer widerstandsfähigen und dauerhaften Form, die aus dem Boden ragt. Die Materie ist fortan nicht mehr „tot“, sondern lebendig, unter Spannung, „in Form“ und intelligent.
Die in Form und unter Spannung gesetzte Materie besteht aus einer Assemblierung einzelner Bestandteile. Man kann sich diese Bestandteile als Bausteine vorstellen. Die Bausteine stehen in vielfältigen Beziehungen zueinander. Dahinter versteckt sich eine Vielheit geometrischer und mechanischer Beziehungszwänge. Anders als lose Partikel verhält sich die Gesamtheit dieser Bausteine nicht als Ballast, sondern als tragfähiges, geordnetes und erhöhtes Ganzes, als eine Art Organismus.
Die Realität
Die Realität ist heute allerdings vielfach eine andere. Es ist zwar überall von „BIM“ die Rede, wenn allerdings die interdisziplinäre Zusammenarbeit grundsätzlich nicht funktioniert, dann funktioniert diese Zusammenarbeit auch mit der Floskel BIM nicht. Das Tragwerk ist – was Fritz Leonhardt zu Recht kritisierte – häufig nur das „Beiwerk“ zur architektonischen Form, die nicht selten eben nicht der Tektonik entspringt, sondern der Inneneinrichtung und dem so genannten „Design“.
Die Tragwerksplanung ist dann ein reines Verhandlungsthema mit Krisenbewältigungsmoment und Konfliktpotential: Da und dort das Design abändern, da und dort um Kompromisse ringen, da und dort Träume zerstören, weil das Tragwerk von Anfang an nicht Teil einer ganzheitlichen Planung war. Meistens hätte gerade der Bauherr Verständnis für das Tragwerk, weil Bauen ja vor allem eines sein muss: Dauerhaft und fest. Und wenn das Tragwerk von Anfang an mitgeplant wird – und zwar realistisch und auf der Grundlage von Berechnungen und nicht von Ahnungen -, wird möglichst effizient, nachhaltig und billig gebaut.
Literatur:
[1] Peter Zumthor: „Architektur denken“, Birkhäuser Verlag, Basel 2012
[2] Heino Engel: „Tragsysteme / Structure systems“, Deutsche Verlagsanstalt, München 1977
[3] Alain de Botton: „Glück und Architektur. Von der Kunst, daheim zu Hause zu sein“, S. Fischer Verlag, Frankfurt am Main 2008
[4] David P. Billington.: „Der Turm und die Brücke: Die neue Kunst des Ingenieurbaus“, Ernst und Sohn, Berlin 2013
Demanega 