Handbuch für Bauingenieure

K. Zilch · C. J. Diederichs · R. Katzenbach · K. J. Beckmann (Hrsg.)

Handbuchfür Bauingenieure

Technik, Organisation und Wirtschaftlichkeit

2., aktualisierte Auflage

123

Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h. Konrad Zilchem. Ordinarius für MassivbauTechnische Universität München80290 München

Prof. Dr.-Ing. C. J. Diederichs, FRICSAllinger Straße 5982223 Eichenau

Prof. Dr.-Ing. Rolf KatzenbachDirektor des Instituts und der Versuchsanstalt für GeotechnikTechnische Universität DarmstadtPetersenstraße 1364287 Darmstadt

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus J. BeckmannWissenschaftlicher Direktor und Institutsleiter Deutsches Institut für Urbanistik gGmbHZimmerstraße 13–1510969 Berlin

ISBN 978-3-642-14449-3 ISBN 978-3-642-14450-9 DOI 10.1007/978-3-642-14450-9Springer Heidelberg Dordrecht London New York

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Planung: Thomas Lehnert / Sigrid Cuneus, BerlinProjektmanagement: Grit Kern, Heidelberg; Peter Grumbach, WürzburgEinbandentwurf: WMXDesign GmbH, HeidelbergSatz, Reproduktion und digitale Bildbearbeitung: Fotosatz-Service Köhler GmbH – Reinhold Schöberl, Würzburg

Gedruckt auf säurefreiem Papier

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(eBook)

Vorwort zur 2. Auflage

Bauingenieurinnen und Bauingenieure gestalten unsere Umwelt. Sie sind ganz vorne mit dabei, wenn es darum geht, die globalen Probleme unserer Zeit zu lösen.

Dieses Zitat im Internet unter www.werde-bauingenieur.de als Initiative des Hauptverbandes der Deutschen Bauindustrie (2009) und führender Hochschu-len macht das Selbstverständnis deutlich, das sich im Berufsbild von Bauinge-nieurinnen und Bauingenieuren akzentuiert.

Bauingenieurinnen und Bauingenieure planen, errichten und betreiben bau-liche Anlagen aller Art, insbesondere Wohn-, Gewerbe-, Kultur-, Gesundheits- und öffentliche Gebäude sowie Ingenieur- und Industriebauwerke, Infrastruk-tur- und Verkehrsanlagen und Wasserbauten. Sie übernehmen dabei Verant-wortung für die Nachhaltigkeit und den gesamten Lebenszyklus der erstellten Bauwerke und Anlagen. Zunehmend gehören dazu auch die Projektentwick-lung, die Finanzierung und das Facility Management.

Zu den Aufgabenfeldern der Bauingenieurinnen und Bauingenieure zählen auch der Klimaschutz und die Klimafolgenbewältigung, die Trinkwasser-versorgung, die Abwasserbewirtschaftung und -reinigung, die Verwertung von Abfällen und die Entsorgung von Altlasten, die sichere und CO2-arme Energieerzeugung und -verteilung – insbesondere von alternativen Energien aus Offshore-Windparks, Geothermie, Solar- oder Wasserkraftwerken –, der Schutz vor Naturgewalten durch Deiche und Dämme sowie die Gestal-tung der Folgen des demografischen Wandels, u. a. durch Stadtumbau und -rückbau.

Bauingenieurinnen und Bauingenieure leisten damit innovative Beiträge zur Gestaltung einer zukunftsfähigen Gesellschaft, einer funktionierenden Wirtschaft sowie für unseren Lebensstandard und unseren Wohlstand.

Die 2. Auflage des Handbuches für Bauingenieure steht daher wieder maß-geblich unter der Zielsetzung, die Studierenden des Bauingenieurwesens durch ein kompaktes Wissensangebot auf diese komplexen Aufgaben vorzubereiten und sie auf Vertiefungsmöglichkeiten hinzuweisen. Den Praktikern bietet das Handbuch den Nutzen, ihren Wissensstand insbesondere auch auf solchen Ge-bieten zu aktualisieren, die nicht zu ihrem Alltagsgeschäft gehören.

Zahlreiche Änderungen und Anpassungen von Normen an internationale Vorgaben, insbesondere an den Eurocode und an EU-Richtlinien, erforderten darüber hinaus eine sehr sorgfältige Aktualisierung.

Den mehr als 70 Autoren danken die Herausgeber ausdrücklich sehr herz-lich für ihre Arbeit und das gegenseitige Verständnis in der Zusammenarbeit.

Dem Springer-Verlag und seinen Mitarbeitern, darunter vor allem Frau Sigrid Cuneus und Herrn Thomas Lehnert, sei gedankt für die Koordination und das geduldige Mahnen, die Zusammenstellung des Manuskriptes, die Drucklegung, die Veröffentlichung und den Vertrieb.

VI Vorwort zur 2. Auflage

Ein herzlicher Dank gebührt auch Mitarbeitern wie Frau Anneliese Spitz-auer (TU München), Herrn Dipl.-Ing., M. Sc. REM + CPM Stefan R. Frank (DSB + IQ-Bau, Eichenau/München) und Frau Dipl.-Ing. Isabel M. Wagner (TU Darmstadt) für ihre tatkräftige Mithilfe bei der Herausgebertätigkeit.

K. Zilch C. J. Diederichs R. Katzenbach K. J. Beckmann

1 Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Bauinformatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.2 Der vernetzte Rechnerarbeitsplatz des Ingenieurs . . . . . . . . . 2 1.1.3 Mengen und Abbildungen als Grundlagen der Informatik . . . . . 9 1.1.4 Geometrische Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.1.5 Computer-Aided Drafting (CAD) . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.1.6 3D-Modelliersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.1.7 Building Information Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.1.8 Softwareentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.1.9 Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 1.1.10 Prozessmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 1.1.11 Informationssysteme im Bauwesen . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 1.1.12 Schlusswort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 1.2 Ingenieurgeodäsie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 1.2.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 1.2.2 Bezugsflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 1.2.3 Koordinatensysteme, Koordinaten transformationen . . . . . . . . 62 1.2.4 Höhen und Höhensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 1.2.5 Richtungs-, Distanz- und Höhenmessung . . . . . . . . . . . . . 67 1.2.6 2D-Positionsbestimmung mit Theodolit und Distanzmesser . . . . 74 1.2.7 Optische 3D-Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 1.2.8 3D-Positionsbestimmung mit Satelliten verfahren . . . . . . . . . 81 1.2.9 Grundprinzip der Ausgleichungsverfahren . . . . . . . . . . . . . 83 1.2.10 Absteckung von Bauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 1.2.11 Deformationsmessungen an Bauwerken . . . . . . . . . . . . . . 87 1.2.12 Navigation von Fahrzeugen und Baumaschinen . . . . . . . . . . 88 1.3 Bauphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 1.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 1.3.2 Wärmeschutz und Energieein sparung bei Gebäuden . . . . . . . . 89 1.3.3 Feuchteschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 1.3.4 Schallschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 1.4 Bauchemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 1.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 1.4.2 Chemie der anorganischen Bindemittel . . . . . . . . . . . . . . 158 1.4.3 Organische Bindemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 1.4.4 Zusatzmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 1.4.5 Chemische Schadensprozesse in Baustoffen . . . . . . . . . . . . 199 1.5 Theorie der Tragwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 1.5.1 Festigkeitslehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 1.5.2 Statik der Stabtragwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 1.5.3 Die Methode der Finiten Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 1.5.4 Dynamik der Tragwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 1.6 Zuverlässigkeit von Tragwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 1.6.1 Das Sicherheitsproblem im konstruktiven Ingenieurbau . . . . . . 337 1.6.2 Grundlagen der stochastischen Modellierung von Unsicherheiten . 340 1.6.3 Zeitinvariante, Zuverlässigkeitsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . 346 1.6.4 Zuverlässigkeit von Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 1.6.5 Berechnung von bedingten Wahrscheinlichkeiten . . . . . . . . . 357

Inhaltsverzeichnis

VIII Inhaltsverzeichnis

1.6.6 Zeitvariante Zuverlässigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 1.6.7 Optimierung als Ziel eines Tragwerksentwurfs im Hinblick auf Zuverlässigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 1.6.8 Anwendung in der Normung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

2 Bauwirtschaft und Baubetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 2.1 Bauwirtschaftslehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 2.1.1 Volkswirtschaftliche Grundlagen für die Bauwirtschaft . . . . . . 380 2.1.2 Betriebswirtschaftliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . 410 2.1.3 Arbeits- und Tarifrecht in der Bauwirtschaft . . . . . . . . . . . . 427 2.1.4 Unternehmensrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 2.1.5 Baubetriebsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467 2.1.6 Nachtragsprophylaxe und Claim-Management . . . . . . . . . . 499 2.1.7 Wirtschaftlichkeitsberechnungen (WB) und Nutzen-Kosten- Untersuchungen (NKU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522 2.1.8 Unternehmensfinanzierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541 2.2 Unternehmensführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569 2.2.1 Unternehmensziele und -philosophien . . . . . . . . . . . . . . . 569 2.2.2 Grundlagen der strategischen Unternehmens führung . . . . . . . . 575 2.2.3 Personalmanagement und Organisations entwicklung . . . . . . . 585 2.2.4 Managementsysteme für Qualität, Arbeitssicherheit und Umweltschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597 2.2.5 Controlling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603 2.2.6 Risikomanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607 2.2.7 Unternehmensbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611 2.3 Immobilienmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622 2.3.1 Projektentwicklung in engeren Sinne (PE i. e. S.) . . . . . . . . . . 623 2.3.2 Projektmanagement (PM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 2.3.3 Facility Management (FM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718 2.4 Privates Baurecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765 2.4.1 Das BGB und verwandte Rechtsvorschriften als Grundlagen für Privatrechtsverhältnisse im Bauwesen . . . . . . . . . . . . . 766 2.4.2 Vergaberecht für öffentliche Auftraggeber in der Bauwirtschaft . . 772 2.4.3 Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen (VOB) . . . . . 781 2.4.4 Verdingungsordnung für freiberufliche Leistungen (VOF) . . . . . 822 2.4.5 Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI) . . . . . 831 2.4.6 Entscheidung von Streitigkeiten über die Vergütung für Planungs- und Bauleistungen durch Adjudikation . . . . . . . . . . . . . . . 845 2.5 Baubetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853 2.5.1 Baustellenorganisation, Baustellenmanagement . . . . . . . . . . 853 2.5.2 Bauarbeitsvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 856 2.5.3 Baustelleneinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 862 2.5.4 Arbeitsschutz und Unfallverhütung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 869 2.6 Bauverfahrenstechnik und Bau maschineneinsatz . . . . . . . . . . . . . 874 2.6.1 Bauverfahren und Maschineneinsatz im Erdbau . . . . . . . . . . 874 2.6.2 Bauverfahren und Maschinen einsatz für Baugruben umschließungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 886 2.6.3 Auswahl und Einsatz von Hebezeugen . . . . . . . . . . . . . . . 897 2.6.4 Betonschalungen und Gerüste im Hochbau . . . . . . . . . . . . . 904 2.6.5 Bauverfahren und Maschineneinsatz 2.6.6 Bauverfahren und Maschinen einsatz 2.6.7 Leitungsbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956

Inhaltsverzeichnis IX

3 Konstruktiver Ingenieurbau und Hochbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966 3.1 Baustoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966 3.1.1 Holz und Holzwerkstoffe für tragende Bauteile . . . . . . . . . . 966 3.1.2 Bindemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 980 3.1.3 Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988 3.1.4 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1016 3.1.5 Nichteisenmetalle (NE-Metalle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1027 3.1.6 Bauglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1029 3.1.7 Bitumen, Asphalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1031 3.1.8 Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1032 3.2 Grundlagen für Nachhaltiges Bauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1038 3.2.1 Instrumente und Bewertungs systeme in Deutschland . . . . . . . 1038 3.2.2 Nachhaltiges Bauen mit Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1049 3.3 Massivbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1066 3.3.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1066 3.3.2 Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1068 3.3.3 Betonstahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1077 3.3.4 Spannstahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1079 3.3.5 Verbundbaustoff Stahlbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1079 3.3.6 Statisch bestimmte Balken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086 3.3.7 Statisch unbestimmte Balken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114 3.3.8 Scheiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124 3.3.9 Platten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1128 3.3.10 Einfluss zeitabhängiger Verformungen . . . . . . . . . . . . . . . 1135 3.3.11 Spannbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1138 3.3.12 Stabilität und Theorie II. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 1150 3.3.13 Brandschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1157 3.3.14 Ermüdung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1159 3.4 Stahlbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1167 3.4.1 Allgemeines, Normen und Genehmigungs verfahren . . . . . . . . 1167 3.4.2 Werkstoffeigenschaften und Grenzzustände . . . . . . . . . . . . 1169 3.4.3 Grundlagen der Bemessungsregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . 1181 3.4.4 Tragfähigkeitsnachweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1187 3.4.5 Ermüdungsnachweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1216 3.4.6 Fertigung und Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1225 3.5 Verbundbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1229 3.5.1 Einleitung, Regelwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1229 3.5.2 Grundlagen der Bemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1230 3.5.3 Verbundträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234 3.5.4 Verbunddecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1274 3.5.5 Verbundstützen und Rahmentragwerke . . . . . . . . . . . . . . . 1279 3.5.6 Brandschutztechnische Bemessung von Verbundbauteilen . . . . . . 1293 3.6 Mauerwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1301 3.6.1 Baustoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1301 3.6.2 Bemessung von Mauerwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1344 3.7 Holzbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1372 3.7.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1372 3.7.2 Bautechnische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1373 3.7.3 Normen, Zulassungen und Vorschriften . . . . . . . . . . . . . . 1378 3.7.4 Holzschutz, Dauerhaftigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1381 3.7.5 Systeme aus Holz- bzw. Holzwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . 1382 3.7.6 Nachweise für Holz- und Holzwerkstoffbauteile . . . . . . . . . . 1384 3.7.7 Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1394 3.7.8 Träger aus nachgiebig miteinander verbundenen Teilen . . . . . . 1399

X Inhaltsverzeichnis

3.7.9 Beanspruchung rechtwinklig zur Faser . . . . . . . . . . . . . . . 1407 3.7.10 Platten aus Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1410 3.8 Glasbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1414 3.8.1 Allgemeine Werkstoffeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . 1414 3.8.2 Gläser im Bauwesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1415 3.8.3 Bemessungskonzepte für Glas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1421 3.8.4 Besonderheiten der Bemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425 3.8.5 Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1429 3.8.6 Konstruktive Durchbildung von Glasbauteilen . . . . . . . . . . . 1433 3.8.7 Prüfung/Überwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1436 3.9 Befestigungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1440 3.9.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1440 3.9.2 Befestigungssysteme – konstruktive Ausbildung, Wirkungsprinzipien und Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1440 3.9.3 Tragverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1450 3.9.4 Definition von Anwendungen in statisch bestimmten und statisch unbestimmten Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1457 3.9.5 Definition von gerissenem und ungerissenem Beton . . . . . . . . 1458 3.9.6 Langzeitverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1458 3.9.7 Dauerhaftigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1459 3.9.8 Baurechtliche Vorschriften und Anwendungsbedingungen . . . . . 1460 3.9.9 Planung, Bemessung und Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . 1467 3.9.10 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1470 3.10 Baugrund-Tragwerk-Interaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1471 3.10.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1471 3.10.2 Grundlagen zum Materialverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . 1472 3.10.3 Gründungen und Stützbauwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475 3.10.4 Modellierung der Baugrund-Tragwerk-Interaktion . . . . . . . . . 1481 3.10.5 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1488

4 Geotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1491 4.1 Boden- und Felsmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1491 4.1.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1491 4.1.2 Bodenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1492 4.1.3 Boden als mehrphasiges Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . 1500 4.1.4 Grundwasserbewegung im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . 1508 4.1.5 Setzungsermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1516 4.1.6 Grenzzustände im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1529 4.2 Baugrunddynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1547 4.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1547 4.2.2 Schwingungen einfacher Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . 1548 4.2.3 Bodenverhalten bei dynamischer Belastung . . . . . . . . . . . . 1553 4.2.4 Wellenausbreitung im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1555 4.2.5 Messung von dynamischen Bodenkennwerten . . . . . . . . . . . 1561 4.2.6 Schwingungen von Fundamenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1564 4.3 Grundbau, Baugruben und Gründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1568 4.3.1 Baugrunderkundung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1568 4.3.2 Baugrundverbesserung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1581 4.3.3 Flächengründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1591 4.3.4 Pfahlgründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1597 4.3.5 Senkkästen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1615 4.3.6 Baugruben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1619 4.3.7 Stützkonstruktionen aus bewehrter Erde . . . . . . . . . . . . . . 1636

Inhaltsverzeichnis XI

4.4 Umweltgeotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1640 4.4.1 Einführung, Grundlagen und Begriffsdefinitionen . . . . . . . . . 1640 4.4.2 Altlasten, Altstandorte und Altablagerungen . . . . . . . . . . . . 1654 4.4.3 Deponiebau, Geotechnik der Deponien . . . . . . . . . . . . . . 1665 4.5 Oberflächennahe Geothermie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1683 4.5.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1683 4.5.2 Technologien der oberflächennahen Geothermie . . . . . . . . . . 1685 4.5.3 Geothermische Erkundung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1691 4.5.4 Dimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1694 4.5.5 Qualitätssicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1695 4.5.6 Rechtliche Aspekte und Genehmigung . . . . . . . . . . . . . . . 1696 4.6 Maschineller Tunnelbau mit Tunnelvortriebsmaschinen . . . . . . . . . . 1699 4.6.1 Einteilung der Tunnelvortriebsmaschinen . . . . . . . . . . . . . 1699 4.6.2 Tunnelbohrmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1699 4.6.3 Schildmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1700 4.6.4 Tunnelsicherung beim Schildvortrieb . . . . . . . . . . . . . . . 1717 4.6.5 Bodenseparation beim Schildvortrieb mit hydraulischer Bodenförderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1722 4.6.6 Die wichtigsten rechnerischen Nachweise . . . . . . . . . . . . . 1725 4.6.7 Prozess-Controlling und Datenmanagement . . . . . . . . . . . . 1731

5 Wasserbau, Siedlungswasserwirtschaft, Abfalltechnik . . . . . . . . . . . 1739 5.1 Technische Hydraulik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1739 5.1.1 Allgemeine Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1739 5.1.2 Hydrostatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1741 5.1.3 Kinematik der Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1747 5.1.4 Grundgleichungen der Hydromechanik . . . . . . . . . . . . . . 1750 5.1.5 Berücksichtigung der Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . 1763 5.1.6 Potentialströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1771 5.1.7 Grundwasserströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1777 5.1.8 Ausfluss und Überfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1781 5.1.9 Rohrhydraulik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1788 5.2 Hydrologie und Wasserwirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1816 5.2.1 Hydrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1816 5.2.2 Wasserwirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1835 5.3 Wasserbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1855 5.3.1 Stauanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1855 5.3.2 Flussbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1880 5.3.3 Wasserkraftanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1885 5.4 Wasserversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1895 5.4.1 Rechtliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1895 5.4.2 Wasserbeschaffenheit, Wassergüte . . . . . . . . . . . . . . . . . 1896 5.4.3 Wasserdargebot, Wassergewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 1899 5.4.4 Wasseraufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1908 5.4.5 Wasserbedarf, Wasserverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1922 5.4.6 Wasserförderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1925 5.4.7 Wasserspeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1927 5.4.8 Wassertransport, Wasserverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . 1931 5.4.9 Energieoptimierung und Kosteneinsparpotentiale . . . . . . . . . 1935 5.4.10 Automatisierungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1936 5.4.11 Trinkwasserinstallation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1937

XII Inhaltsverzeichnis

5.5 Abwassertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1943 5.5.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1943 5.5.2 Naturnahe Abwasserbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1944 5.5.3 Mechanische Reinigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1946 5.5.4 Biologische Reinigungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1953 5.5.5 Abwasserfiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1964 5.5.6 Gemeinsame Behandlung von gewerblichem bzw. industriellem mit häuslichem Abwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1965 5.5.7 Bemessungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1968 5.5.8 Entwässerungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1969 5.5.9 Abwasseranfall und Kanalnetzberechnung . . . . . . . . . . . . . 1970 5.5.10 Kanaldimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1978 5.5.11 Sonderbauwerke der Ortsentwässerung . . . . . . . . . . . . . . . 1983 5.5.12 Erhaltung von Entwässerungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . 1993 5.6 Abfalltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2002 5.6.1 Abfallrechtliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2002 5.6.2 Abfallwirtschaftliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2004 5.6.3 Biologische Abfallbehandlungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . 2006 5.6.4 Thermische Abfallbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2012 5.6.5 Deponierung von Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2018 5.6.6 Behandlung von Bauabfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2025

6 Raumordnung und Städtebau, Öffentliches Baurecht . . . . . . . . . . . . 2031 6.1 Raumordnung, Landes- und Regionalplanung . . . . . . . . . . . . . . . 2031 6.1.1 Entstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2031 6.1.2 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2032 6.1.3 Methoden und Instrumente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2033 6.1.4 Beteiligte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2036 6.1.5 Rechtliche und organisatorische Grundlagen . . . . . . . . . . . . 2036 6.1.6 Fachplanungen und Raumordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2038 6.2 Städtebau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2039 6.2.1 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2039 6.2.2 Bedarfsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2040 6.2.3 Städtebauliche Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2042 6.2.4 Stadtentwicklungsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2043 6.2.5 Ablauf der Bauleitplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2045 6.2.6 Erschließung und Bodenordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2047 6.2.7 Stadtsanierung und Städtebauliche Entwicklung . . . . . . . . . . 2049 6.2.8 Fach- und Sektoralplanungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2050 6.2.9 Aufstellungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2050 6.3 Städtebaurecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2052 6.3.1 Städtebaurecht des Bundes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2052 6.3.2 Bauleitplanung und ihre Sicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2052 6.3.3 Zulässigkeit von Bauvorhaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2055 6.3.4 Bodenordnung, Enteignung, Erschließung . . . . . . . . . . . . . 2055 6.3.5 Städtebauliche Sanierungs- und Entwicklungsmaßnahmen . . . . 2056 6.3.6 Stadtumbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2057 6.3.7 Soziale Stadt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2057 6.3.8 Private Initiativen der Stadtentwicklung . . . . . . . . . . . . . . 2057 6.3.9 Erhaltungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2058

Inhaltsverzeichnis XIII

6.4 Bauordnungsrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2058 6.4.1 Einordnung des Bauordnungsrechtes . . . . . . . . . . . . . . . . 2058 6.4.2 Bauordnungsrechtliche Normenhierarchie . . . . . . . . . . . . . 2059 6.4.3 Allgemeines Bauordnungsrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2062 6.4.4 Besonderes Bauordnungsrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2066 6.4.5 Bauverwaltungsverfahrensrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2077 6.4.6 Baulasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2079 6.5 Planungsrecht für Verkehrsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2084 6.5.1 Straßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2084 6.5.2 Eisenbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2092 6.5.3 Binnenwasserstraßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2092 6.5.4 Flughäfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2093 6.5.5 Straßenbahnen, U-Bahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2093 6.5.6 Bundesregierung plant Änderung des Planungsrechts . . . . . . . 2093

7 Verkehrssysteme und Verkehrsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2097 7.1 Überblick über Verkehrs systeme und ihre Integration . . . . . . . . . . . 2097 7.1.1 Aufgaben des Verkehrs – Systemfunktionen . . . . . . . . . . . . 2097 7.1.2 Verkehr als Teilsystem – Systemumgebung . . . . . . . . . . . . 2098 7.1.3 Struktur von Verkehrssystemen – Systemelemente, Systemrelationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2098 7.1.4 Integration im Systembereich Verkehr . . . . . . . . . . . . . . . 2100 7.1.5 Teilsysteme des Verkehrsangebots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2103 7.2 Öffentliche Verkehrssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2108 7.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2108 7.2.2 Einflussnahme der EU auf den ÖV . . . . . . . . . . . . . . . . . 2108 7.2.3 Gesetzliche Grundlagen und Organi sationsformen des ÖV in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2111 7.2.4 Grundlagen der Schienenbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2114 7.2.5 Fahrdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2141 7.2.6 Linienführung und Trassierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2150 7.2.7 Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2155 7.2.8 Kapazität, Leistungsfähigkeit und Qualität . . . . . . . . . . . . . 2161 7.2.9 Leit- und Sicherungs einrichtungen von ÖV-Anlagen und Fahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2162 7.3 Individualverkehr – Straßenentwurf und Straßenbau . . . . . . . . . . . . . 2169 7.3.1 Individualverkehrssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2169 7.3.2 Anlagen des Straßenverkehrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2198 7.4 Verkehrswasserbau – Wasserstraßen und Hinweise zu Häfen . . . . . . . 2229 7.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2229 7.4.2 Wasserstraßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2234 7.4.3 Flussregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2239 7.4.4 Stauregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2245 7.4.5 Schifffahrtskanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2246 7.4.6 Abstiegsbauwerke (Schiffs schleusen und Schiffshebewerke) . . . 2254 7.4.7 Häfen – Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2259 7.4.8 Anlagen für die Sport- und Freizeitschifffahrt . . . . . . . . . . . 2267 7.4.9 Schifffahrtszeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2267 7.5 Flughafenplanung, -bau und -betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2271 7.5.1 Luftverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2271 7.5.2 Flughäfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2278 7.5.3 Auswirkungen auf die Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2295

XIV Inhaltsverzeichnis

7.6 Leitungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2297 7.6.1 Unterbringung von Leitungen in öffentlichen Flächen . . . . . . . 2297 7.6.2 Gasversorgungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2299 7.6.3 Fernwärmeversorgungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2300 7.6.4 Energieversorgungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2300 7.6.5 Informations- und Kommunikationsnetze . . . . . . . . . . . . . 2301

Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2305

Autorenverzeichnis

Arslan, Ulvi, Prof. Dr.-Ing., TU Darmstadt, Institut für Werkstoffe und Mechanik im Bauwesen, Abschn. 4.1, arslan@iwmb.tu-darmstadt.de

Bandmann, Manfred, Prof. Dipl.-Ing., Gröbenzell, Abschn. 2.5.4, manfred.bandmann@online.de

Bauer, Konrad, Abteilungspräsident a.D., Bundesanstalt für Straßenwesen/Zentralabtei-lung, Bergisch Gladbach, Abschn. 6.5, kkubauer@t-online.de

Beckedahl, Hartmut Johannes, Prof. Dr.-Ing., Bergische Universität Wuppertal, Lehr- und Forschungsgebiet Straßenentwurf und Straßenbau, Abschn. 7.3.2, beckedahl@uni-wuppertal.de

Beckmann, Klaus J., Univ.-Prof. Dr.-Ing., Deutsches Institut für Urbanistik gGmbH, Berlin, Abschn. 7.1 und 7.3.1, kj.beckmann@difu.de

Bockreis, Anke, Dr.-Ing., TU Darmstadt, Institut WAR, Fachgebiet Abfalltechnik,Abschn. 5.6, a.bockreis@iwar.tu-darmstadt.de

Böttcher, Peter, Prof. Dr.-Ing., HTW des Saarlandes, Baubetrieb und Baumanagement Saarbrücken, Abschn. 2.5.3, boettcher@htw-saarland.de

Brameshuber, Wolfgang, Prof. Dr.-Ing., RWTH Aachen, Institut für Bauforschung, Abschn. 3.6.1, brameshuber@ibac.rwth-aachen.de

Büsing, Michael, Dipl.-Ing., Fughafen Hannover-Langenhagen GmbH, Abschn. 7.5, m.buesing@hannover-airport.de

Cangahuala Janampa, Ana, Dr.-Ing., TU Darmstadt, Institut WAR, Fachgebiet, Wasser-versorgung und Grundwasserschutz, Abschn. 5.4, a.cangahuala@iwar.tu-darmstadt.de

Corsten, Bernhard, Dipl.-Ing., Fachhochschule Koblenz/FB Bauingenieurwesen, Abschn. 2.6.4, b.corsten@web.de

Dichtl, Norbert, Prof. Dr.-Ing., TU Braunschweig, Institut für Siedlungswasserwirtschaft,Abschn. 5.5, n.dichtl@tu-braunschweig.de

Diederichs, Claus Jürgen, Prof. Dr.-Ing., FRICS, DSB + IQ-Bau, Sachverständige Bau + Institut für Baumanagement, Eichenau b. München, Abschn. 2.1 bis 2.4, cjd@dsb-diederichs.de

Dreßen, Tobias, Dipl.-Ing., RWTH Aachen, Lehrstuhl und Institut für Massivbau, Abschn. 3.2.2, tdressen@imb.rwth-aachen.de

Eligehausen, Rolf, Prof. Dr.-Ing., Universität Stuttgart, Institut für Werkstoffe im Bauwesen, Abschn. 3.9, eligehausen@iwb.uni-stuttgart.de