Entropie und die Normen
Februar 18, 2007 in: Sonntags-Kolumne Autor: J. Lorch
Eigentlich wollte ich mich für den Rest des Jahres mit den Nagelverbindungen und den Durchbiegungen im Holzbau auf der Grundlage der DIN 1052:2004 beschäftigen. Die beiden Punkte sind ein weites Feld, das bestellt werden muss. Aber die Ereignisse in den letzten Wochen waren Anlass, in der heutigen Sonntagskolumne Themen anzusprechen, die für Sie bei der täglichen Arbeit von Bedeutung sind.
Entropie ist eine physikalische Größe, die ein Maß für die Ordnung eines thermodynamischen Systems ist. Sie ist eine Zustandsfunktion, die aus dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik abgeleitet wird.
Mit der Entropie wird die Irreversibilität eines thermodynamischen Vorgangs in einem geschlossenen System beschrieben. In einem irreversiblen System nimmt die Entropie zu, anders formuliert, das Chaos nimmt zu.
Ein gutes Beispiel ist unser Universum. Nach derzeitiger Lehrmeinung wird in 1033 Jahren der Protonenzerfall eintreten. Die Entropie ändert sich nicht mehr. Salopp formuliert, das Chaos ist vollkommen.
Wenn ich die Normen im Bauwesen als geschlossenes System betrachte, so habe ich den Eindruck, dass die 1033 Jahren schon vergangen sind und dass das Chaos dank des semiprobabilistischen Sicherheitskonzepts perfekt ist.
Ab hier bitte weiterlesen:
Auf der Website http://www2.nabau.din.de kann man folgende Randnotiz lesen:
Der zuständige Ausschuss behandelte die eingegangenen Kommentare und beschloss, noch offene Punkte in einer weiteren Sitzung am 13. Dezember 2006 zu beraten. Es wurde festgelegt, alle inzwischen zusätzlich aufgeworfenen Fragen in einer zweiten Änderung zur DIN 1052 zunächst der Fachöffentlichkeit bekannt zu machen und, nach einer Behandlung der Stellungnahme, die beiden Änderungsmanuskripte in eine Neufassung der DIN 1052 zu übernehmen.
Nachdem die Werte für fv,k in den Tabellen F5 und F9 der DIN 1052:2004-08 wesentlich nach unten korrigiert wurden und diese Nachricht in den Einführungserlass dieser Norm aufgenommen wurde, hat man neuen Handlungsbedarf entdeckt. Dieses Szenarium erinnert mich an die Einführung der DIN 1045-1 und der DIN 1054. In beiden Fällen musste der leidgeprüfte Tragwerksplaner sich eine neue Version der Norm besorgen oder die vielen Berichtigungen aus dem Internet herunterladen. Eine Arbeitsbeschaffungsmaßnahme für den Beuth-Verlag, der diese beiden neuen Versionen nicht kostenlos abgibt. Der Tragwerksplaner musste überprüfen, ob seine EDV-Programme auf dem neuesten Stand sind und in seine Fachbücher musste er in mühsamer Kleinarbeit diese Änderungen nachtragen. Dies ist neben dem Studium der Normen eine kostenträchtige Beschäftigung, für die er niemand in Regress nehmen kann.
Die Erfahrung lehrt, dass erst durch den täglichen Gebrauch einer DIN-Norm von tausenden Bauingenieuren, die Schwachpunkte aufgedeckt werden. In diese Phase sind wir jedoch bei der DIN1052:2004 noch gar nicht eingetreten. Ich habe schon vor einem Jahr behauptet, dass diese Norm für eine Auslegungsorgie gut ist. Ich hoffe, dass dieser Alptraum nicht Wirklichkeit wird. Bekanntlich stirbt die Hoffnung zuletzt.
Ein besonderes Stück aus dem Tollhaus wird zur Zeit auf der Normenbühne DIN 4102 Teil 4 aufgeführt. Das Drama nennt sich „die Leiden der jungen Tabelle 31“. Aufgeführt wurde es im Dezember 2006 mit der Veröffentlichung der Anlage 3.1/10 in der Liste der Technischen Baubestimmungen (LTB). Diese LTB können Sie in der Ingenieurbox auf unserer Website herunterladen.
Im Jahr 2000 hat eine Arbeitsgruppe begonnen die DIN 4102-4 an die veränderten kalten Bemessungsnormen anzupassen. Seither musste der Tragwerksplaner seine Bemessungskonzepte den ständig ändernden Vorgaben des Normenausschusses anpassen. Man scheute sogar nicht zurück, die alte DIN 1045 wieder aufleben zu lassen. Kaum hat die Tabelle den gesetzlichen Segen, liest man, dass diese Tabelle überarbeitet werden soll. Auf der Website der TU Braunschweig kann man unter der Adresse:
http://ibmb19.ibmb.bau.tu-bs.de/homepage/fg-brand/download/richter.pdf
die neue Tabelle herunterladen. Man hat jetzt überraschend, nach sechs Jahren Arbeit, festgestellt, dass die in der LTB veröffentlichte Tabelle 31 für übliche Geschosshöhen im Hochbau sehr unwirtschaftliche Bewehrungsgrade in den Stahlbetonstützen erzeugt.
Die Tabelle 31 wurde nun überarbeitet, um diesen Missstand zu beheben. Leider ist die neue Tabelle mit dem Hinweis versehen „ die Bauaufsicht muss zustimmen“. Also vorläufig für den täglichen Gebrauch nicht nutzbar. Welcher Tragwerksplaner hat für ein paar Stützen pro Projekt die Zeit, ein Gutachten von Braunschweig einzuholen und es dann der Baurechtsbehörde vorzulegen, um eine Zustimmung zu erhalten.
Abschließend sei darauf verwiesen, dass auch die neue Tabelle 31 nicht bei Kragstützen angewendet werden darf. Stützen ohne horizontale Halterung am Kopf mit Anforderungen an den Brandschutz können weiterhin nur mit aufwändigen Verfahren berechnet werden.
Der Klimawandel auf der Erde steht zur Zeit auf der Agenda. Der Ausschuss für Erdbeben hat auf seiner letzten Sitzung auch einen Beitrag zum Klimaschutz geleistet. Passivhäuser, die auf einer Dämmschicht ohne Scherfestigkeit gemäß Zulassung gegründet werden, sind in der Erdbebenzone 1 bis 3 nicht mehr zulässig. Die Dämmschicht soll nach Ansicht der Experten im Fall der Einwirkung von Erdbeben „zerbröseln“. Ich habe starke Zweifel, ob diese Haltung, wenn der politische Druck zunimmt, Bestand hat.
Es wird empfohlen, auf jeden Fall vor der Berechnung der Gründung die entsprechenden Zulassungen zu überprüfen und eine Internetrecherche durchzuführen. Der Markt wird sich sicherlich den neuen Gegebenheiten schnell anpassen. Eine Mängelrüge durch den Bauherrn oder Bauträger, aus welchen Gründen auch immer, ist in diesem Fall eine teure Angelegenheit.
Vor 6000 Jahren begannen unsere Vorfahren in Unteruhldingen am Bodensee in der Erdbebenzone 2 leichtfertig Pfahlbauten zu errichten. Man kann sie heute noch teilweise besichtigen. Im Jahr 2007 können wir für diese Bauweise, was die DIN 4149 betrifft, nur auf die Spruchweisheit von Sokrates verweisen:
„Ich weiß, dass ich nichts weiß“.
Eine endgültige und verbindliche Aussage für den Gründungshorizont der Gebäude mit Pfahlgründung steht noch aus.
Im Gegensatz zur Vorgehensweise in DIN 1055-100, bei der zur Schnittgrößenermittlung die Einwirkungen erhöht werden, müssen nach DIN 1054 die Schnittgrößen mit den Teilsicherheitsbeiwerten erhöht werden. Es sind also grundsätzlich andere Teilsicherheitsbeiwerte im Grundbau zu beachten. Dies klingt einfach, ist aber in der Praxis zum Teil mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden und man muss sich in eine andere Philosophie hineindenken.
Einzige Ausnahme: beim Nachweis nach Abschnitt 7.7 – aufnehmbarer Sohldruck in einfachen Fällen – wird sich am Nachweisverfahren wenig ändern. Dies ist erfreulich.
Man muss bei einer linear elastischen Berechnung der aufgehenden Bauteile die Bemessungseinwirkung Ed wieder aufteilen und sie durch die jeweiligen Teilsicherheitsbeiwerte dividieren. Hat man mehrere veränderliche Einwirkungen, so sind die mit dem Kombinationsbeiwert Ψ reduzierten veränderlichen Einwirkungen um diesen Faktor zu bereinigen. Anschließend kann man die charakteristischen Einwirkungen in eine ständige und eine veränderliche Einwirkung zusammenfassen. Die Schnittstellenproblematik ist gegenüber dem globalen Sicherheitskonzept wesentlich aufwändiger geworden, aber mit Fleiß noch beherrschbar.
Weitaus schwieriger wird es, wenn die statische Berechnung auf nichtlinearer Basis (z.B. der häufig vorkommende Fall der eingespannten Stütze nach TH.II.O.) mit Bemessungsgrößen durchgeführt wurde, weil sich beim Endergebnis nicht mehr die ständige Einwirkung und die veränderlichen Einwirkungen trennen lassen. Liest man die entsprechende Fachliteratur durch, so findet man häufig den Hinweis, dass es in dieser Angelegenheit Interpretations-spielräume gibt.
Vorsichtig formuliert, kann man sagen, hier wurde nicht nach dem Motto gehandelt „wir machen Ihnen den Weg frei“, sondern es wurde uns aufgezeigt, wie viele Varianten es gibt, um das semiprobabilistische Sicherheitskonzept zum Wohle der Allgemeinheit umzusetzen. Die DIN 1053 ist noch in Arbeit, vielleicht erleben wir eine weitere Variante.
Der Trivialfall, die eingespannte Kragstütze mit Einzelfundament, wird bei Anwendung der DIN 4102-4 und der DIN 1054 zum „Problembär“.
Wenn man die Ausführungen von Herrn Bernd Ziesemer, in seinem Buch „Eine kurze Geschichte der ökonomischen Unvernunft“, erschienen im Campus Verlag Frankfurt am Main, auf die Normen im Bauwesen überträgt, kann man folgende Aussage treffen:
Schuld an der Misere ist die Komplexitätsfalle. Eine bürokratische Überregulierung führt zur Paralyse. Jede weitere Reform macht das Regelwerk noch komplizierter. Die Normenausschüsse können die Wirkungen der Regeln gar nicht mehr abschätzen.
Dem muss nichts mehr hinzugefügt werden.
Es wurden 8 Kommentare abgegeben.
am 16. Februar 2007 um 21:51
Zur neuen Tab. 31 zu DIN 4102
Nach einigen Testbeispielen habe ich den Eindruck, dass das bemessungsergebnis bei dicken Stützen günstiger ist als früher, bei normalen Hochbaustützen (18-25 cm) aber deutlich ungünstiger.
am 19. Februar 2007 um 09:03
Wer sitzt denn in den Ausschüssen für die Normen ?
Theoretisierende, sebstherrliche und selbsternannte Fachleute, die niemals selbst
Statiken erstellt haben und daher gar nicht wissen, was sie uns Praktikern eigentlich zumuten. Fachliche Widersprüche, die unser Haftungsrisiko erhöhen, enorme Kosten für Software, ohne die die neuen Normen gar nicht mehr anwendbar sind, Zeitintensivere Eingaben bei den neuen Softwareprogrammen (> als der 4-fache Zeitaufwand pro Position), Ergebnisse, die viel schwerer kontrollierbar sind usw.
Herbert am 19. Februar 2007 um 10:26
Die Geschichte mit dem Schneemann ganz am Anfang auf http://www.physik.as mit der Überschrift: “Nichts kann fehlerfrei sein” beschreibt die Problematik recht deutlich.
am 06. März 2007 um 09:45
Wenn man die Entwicklung betrachtet, die Herr Lorch treffend und umfassend beschrieben hat, kann man nur von einem Irrweg sprechen. Es bleibt zu hoffen, daß diese Auswüchse bald korrigiert werden. Erforderlich ist dazu die Einsicht, daß es sich um eine Fehlentwicklung handelt. Wahre Größe zeigt sich darin, daß man solche Fehlentwicklungen korrigiert.
“Jedem Menschen unterlaufen Fehler, doch nur die Dummen verharren im Irrtum” (Marcus Tullius Cicero, ca. 50 v. Chr.)
Ingenieure werden durch die unüberschaubare Zahl von Kombinationsbeiwerten noch mehr zu Zahlenknechten degradiert, die Konstruktionen werden dadurch nicht besser. Bereits 1971 schreibt Wommelsdorff im Vorwort zu seinem Büchlein “Stahlbetonbau”:
“Schließlich kann man seit einiger Zeit eine zunehmende Zahlengläubigkeit der jungen Ingenieure beobachten. Dies ist keineswegs allein auf die Ausbildungsstätten beschränkt und führt dazu, daß häufig das Konstruieren gegenüber der Berechnung in extremer Weise als untergeordnete Tätigkeit eingestuft wird. Dabei ist doch evident, daß die optimale rechnerische Lösung einer Entwurfsaufgabe nur bei sehr guten konstruktiven Grundlagenkenntnissen möglich ist.”
Dem gibt es nichts hinzuzufügen, als Prüfingenieur kann man das täglich erfahren. Vor lauter Beiwert “Orgien” geht der Überblick verloren, die Konstruktionen werden schlechter.
Auch ist es ein Märchen, daß das Sicherheitniveau dadurch einheitlicher und besser wird. Ein wesentlicher Parameter fehlt nämlich im neuen Sicherheitskonzept: der Teilsicherheitsbeiwert für Anwenderfehler. Diese zusätzliche Sicherheitselement müßte noch ergänzt werden, da die Fehlerwahrscheinlichkeit mit zunehmender Komplexität der Rechenmodelle zunimmt und das Sicherheitsniveau dadurch absinkt. Ein Gamma-A (A für Anwender) , abgestuft nach Berechnungsmethode und -transparenz müßte in jedem Fall noch nachgeschoben werden.
Ich habe nicht gezählt, wie oft ich im Durchschnitt an einem Tag die Frage stellen muß: reden wir von 1,0 fachen Lasten oder von gamma-fachen. Und oft genug bekomme ich Durchbiegungsberechnungen mit gamma-fachen Lasten. Die Fehleranfälligkeit liegt auf der Hand.
Der praktischen Anwendung hat man mit dem Konzept der fiktiven Lasten und Beanspruchbarkeiten keinen Gefallen getan.
am 08. März 2007 um 13:05
Langsam wird es Zeit, daß die Praktiker unter den Bauingenieuren die Herrschaft über die Theoretiker bekommen ! M.E. sollte es ein Kremium von Praktikern geben, die den “Mist”, den die Normenausschüsse verzapfen, auf praktische Anwendbarkeit überprüft. Wenn eben “Mist” dabei heraus kommt, geht es zurück in den Ausschuss mit der Möglichkeit nachzuarbeiten.
Wolfgang Sander am 14. März 2007 um 08:43
Wenn der letzte Architekt verhungert und der letzte Ingenieur irre geworden ist werden Sie merken, dass man mit Normen allein nicht bauen kann ...
am 30. Juli 2007 um 08:09
Das Problem hat zwei Seiten, die Eine ist, das die DIN Kommission aus Fachleuten besteht, oder anders gesagt, Leuten die in Ihrem jeweiligen Gebiet Ihr Steckenpferd reiten, dafür grenzenloses Interesse aufbringen und als Professoren natürlich auch die entsprechende Zeit haben sich z.B. über Teilaspekte der Rippung von Betonstahl jahrelang Gedanken zu machen. Die andere ist, das der DIN Kommission kein entsprechendes Gremium von Ingenieurseite gegenübersteht (z.B. ein Normen- Kontrollausschuss der Bundes Ingenieurkammer), das die Befugnis hat die Einführung von Normen zu verhindern, wenn diese unpraktisch, widersprüchlich, unausgegoren und überkomplex sind. Solange aber die Ingenieure einfach nur leiden und jammern und ihren „Hintern nicht hochkriegen“ wird der Zustand der Normierung im Bauwesen sich dem Zustand der Steuergesetzgebung immer mehr annähern, jeder macht wie er denkt und hinterher entscheiden Gutachter und Gerichte was richtig gewesen wäre. Na denn Prost! --> Jörg Schulze - Berlin
am 24. September 2007 um 16:59
Abfangtisch über Gleisen. Träggerrost längs und quer vorgespannt. Quer 2 Baumstützen, längs 16 Stützenachsen jeweils auf schwimmenden Großbohrpfählen gegründet. Einwirkungen: Alles, was die Palette zu bieten hat.
Eigen-, Ausbau-, Nutz-, Wind-, Schneelast. Vorspannung, Schwinden, Kriechen, Temperatur, Erdbeben, Imperfektionen (z.B. Pfahlschiefstellungen in jeder denkbaren Richtung), Zuganprall an jeder Stütze möglich, alleine aus unterschiedlichen Pfahlsetzungskonstellationen ca. 12.000 Lastfallkombinationen. Und nun suche man in Stütze X im Stützenast Y an der Stelle Z das max./min. Torsionsmoment mit den zugehörigen Schnittkräften im räumlichen System. Weiter max./min N, etc. etc. etc. etc. etc. etc.
Berechnung und Bemessung nach SIA 162 (schweizer Stahlbetonnorm war bereits Anfang der 1990-er Jahr auf das neue Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte umgestellt, das Bauwerk steht am Bahnhof Luzern). Eine Woche in Klausur mit dem privatrechtlich von der SBB eingeschalteten Prüfingenieur. Einverständliches Ergebnis: Die SIA 162 erlaubt in “einfachen” Fällen einen “globalen” Sicherheitsbeiwert von 1,6 (auf der Einwirkungsseite). Das Bauwerk wurde als einfacher Fall definiert. Nur so war der Sache überhaupt beizukommen, um sich nicht heillos in Tonnen von bedrucktem EDV-Papier zu verirren.
Fazit: In einfachen Fällen, das berühmte Beispiel einer banalen 2-Feld-Brücke kommt man mit geteilten Sicherheitsbeiwerten noch einigermaßen überschaubar zurecht. In komplizierten Fällen nicht !!!!
Von einer dringend erforderlichen Vorbemessung zur Variantenuntersuchung und Ausschreibung mal ganz abgesehen.
Und seien wir mal ehrlich. Wer wertet eine etwas wirre Deckengeometrie bei einer Finite-Elemente-Berechnung mittels Einflussflächen für jede Bemessungsstelle danach aus, wo eine Last am abgelegenen Ende günstig oder ungünstig wirkt?
Die Sache ist ein wissenschaftlich gut gemeinter Ansatz, der sich in der lebenspraktischen Anwendung aber leider nicht ohne Vereinfachungen und “verschmierte” Ungenauigkeiten zu Ende bringen lässt. Nur sollte man die Sache auch zu Ende denken und nicht mit einem Anspruch antreten, der nicht durchzuhalten ist. Von Ingenieurwissenschaftlern sollte man wenigstens Grundwissen in der mathematischen Disziplin Kombinatorik und der, daraus erwachsenden, Potenzierung des Aufwands erwarten dürfen.
In Kombination mit den sprachlich und fachlich in Windeseile fehlerhaft zusammengengepfuschten Normen, stellt die devot folgsame Anwendung der neuen Normengenerationen ein nicht verantwortbares Sicherheitsrisiko dar.
M. Kitzlinger
