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1 Einteilung und Benennung von Böden 1
1.1 Bodenmechanische und geologische Begriffe 1
1.1.1 Bezeichnungen 1
1.1.2 Erdaufbau, Erdzeitalter und Gesteinsbildungen 2
1.1.3 Nutzung von Boden oder Fels 4
1.2 Normen und Kriterien zur Einteilung 4
1.3 Einteilung nach Korngrößen und organischen Bestandteilen 7
1.3.1 Kornstrukturen grob- und feinkörniger Böden 7
1.3.2 Einteilung reiner Bodenarten 10
1.3.3 Einteilung zusammengesetzter Böden 11
1.3.4 Einteilung von Böden mit organischen Bestandteilen 15
1.4 Einstufung in Boden- und Felsklassen 16
1.5 Kennzeichnungen nach DIN 4023 17
1.6 Erkennung von Bodenarten mit Hilfe einfacher Verfahren 20
1.6.1 Reibeversuch 21
1.6.2 Schneideversuch 21
1.6.3 Trockenfestigkeitsversuch 21
1.6.4 Konsistenzbestimmung bindiger Böden 22
1.6.5 Plastizität bindiger Böden (Knetversuch) 22
1.6.6 Ausquetschversuch 22
1.6.7 Schüttelversuch 23
2 Wasser im Baugrund 25
2.1 Allgemeines 25
2.2 Regelwerke 26
2.3 Begriffe 26
2.4 Kapillarwasser 28
2.5 Porenwinkelwasser 30
2.6 Hygroskopisches Wasser 31
2.7 Betonangreifende Grundwässer und Böden 31
2.8 Untersuchungen der Grundwasserverhältnisse 33
2.9 Grundwassermessstellen 35
2.10 Wasserdurchlässigkeit von Böden 39
3 Geotechnische Untersuchungen 41
3.1 Untersuchungsziel 41
3.2 Regelwerke 42
3.3 Verantwortung für die Untersuchungen 42
3.4 Planung der Untersuchungen 42
3.5 Untersuchungsverfahren 43
3.6 Untersuchungen von Baugrund und Grundwasser 45
3.6.1 Voruntersuchungen 46
3.6.2 Hauptuntersuchungen 47
3.6.3 Baubegleitende Untersuchungen 48
3.6.4 Baugrund- und Bauwerksüberwachung nach der Bauausführung 49
3.7 Untersuchungen von Boden und Fels als Baustoff 49
3.7.1 Voruntersuchungen 50
3.7.2 Hauptuntersuchungen 50
3.7.3 Baubegleitende Untersuchungen 51
3.8 Geotechnische Kategorien (GK) 51
3.8.1 Geotechnische Kategorie GK 1 51
3.8.2 Geotechnische Kategorie GK 2 52
3.8.3 Geotechnische Kategorie GK 3 54
3.9 Erforderliche Maßnahmen 57
3.9.1 Geotechnische Kategorie GK 1 57
3.9.2 Geotechnische Kategorie GK 2 57
3.9.3 Geotechnische Kategorie GK 3 58
3.10 Geotechnischer Bericht 58
3.10.1 Geotechnischer Untersuchungsbericht 59
3.10.2 Aus- und Bewertung der geotechnischen Untersuchungsergebnisse 59
3.10.3 Folgerungen, Empfehlungen und Hinweise 60
3.11 Geotechnischer Entwurfsbericht 60
4 Bodenuntersuchungen im Feld 61
4.1 Allgemeines 61
4.2 Direkte Aufschlüsse 61
4.2.1 Untersuchungszweck 61
4.2.2 Untersuchungsverfahren 61
4.2.3 Regelwerke 63
4.2.4 Richtwerte für Aufschlussabstände 63
4.2.5 Mindestwerte für Aufschlusstiefen 65
4.2.6 Schurf 70
4.2.7 Untersuchungsschacht 71
4.2.8 Untersuchungsstollen 71
4.2.9 Bohrung 72
4.2.10 Verfahren zur Probenentnahme im Boden 74
4.2.11 Probenentnahme mit Entnahmegeräten aus Schürfen und Bohrlöchern 78
4.2.12 Darstellung von Aufschlussergebnissen 81
4.3 Sondierungen (indirekte Aufschlussverfahren) 83
4.3.1 Allgemeines 83
4.3.2 DIN-Normen 84
4.3.3 Rammsondierungen nach DIN EN ISO 22476-2 84
4.3.4 Drucksondierungen nach DIN EN ISO 22476-1 und -12 86
4.3.5 Bohrlochrammsondierungen nach DIN 4094-2 und DIN EN ISO 22476-3 89
4.3.6 Korrelationen zwischen Sondierergebnissen und Bodenkenngrößen 91
4.3.7 Wahl des Sondiergeräts 96
4.3.8 Flügelscherversuch (Felduntersuchung) 98
4.4 Plattendruckversuch 100
4.4.1 Untersuchungszweck und Versuchsbedingungen 100
4.4.2 DIN-Norm 101
4.4.3 Begriffe 101
4.4.4 Geräte für den Plattendruckversuch 101
4.4.5 Verformungsmodul E V 102
4.4.6 Bettungsmodul ks 104
4.5 Aussagekraft von Bodenuntersuchungen 105
4.6 Beobachtungsmethode 106
5 Untersuchungen im Labor 109
5.1 Mehrphasensysteme des Bodens 109
5.2 Korngrößenverteilung 112
5.2.1 DIN-Normen 113
5.2.2 Siebanalyse 113
5.2.3 Schlämmanalyse (Sedimentationsanalyse) 116
5.2.4 Siebung und Sedimentation 118
5.2.5 Kenngrößen der Körnungslinie 119
5.2.6 Filterregel von Terzaghi 120
5.2.7 Bodenklassifikation nach DIN 18196 und DIN EN ISO 14688-2 121
5.3 Wassergehalt 128
5.3.1 DIN-Normen 128
5.3.2 Definition des Wassergehalts 128
5.3.3 Mit w in Beziehung stehende Kenngrößen feuchter Böden 129
5.3.4 Mit w in Beziehung stehende Kenngrößen gesättigter Böden 130
5.3.5 Bestimmung des Wassergehalts durch Ofentrocknung 130
5.3.6 Bestimmung des Wassergehalts durch Schnellverfahren 131
5.4 Dichte 132
5.4.1 DIN-Normen 132
5.4.2 Definitionen 132
5.4.3 Mit ρ und ρd in Beziehung stehende Kenngrößen 132
5.4.4 Feldversuche nach DIN 18125-2 133
5.4.5 Laborversuche nach DIN EN ISO 17892-2 137
5.5 Korndichte 137
5.5.1 DIN-Normen 137
5.5.2 Definition der Korndichte 137
5.5.3 Bestimmung mit dem Kapillarpyknometer 138
5.6 Organische Bestandteile 140
5.6.1 DIN-Norm 140
5.6.2 Definition des Glühverlustes 140
5.6.3 Versuchsdurchführung und -auswertung 140
5.6.4 Bodenklassifikation nach DIN 18196 141
5.7 Kalkgehalt 142
5.7.1 DIN-Normen 142
5.7.2 Qualitative Bestimmung des Kalkgehalts 143
5.7.3 Bestimmung des Kalkgehalts nach DIN 18129 143
5.8 Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen) 144
5.8.1 DIN-Normen 144
5.8.2 Qualitative Bestimmung der Konsistenzgrenzen 145
5.8.3 Definitionen 145
5.8.4 Bestimmung der Fließgrenze 146
5.8.5 Bestimmung der Ausrollgrenze 148
5.8.6 Bestimmung der Schrumpfgrenze 149
5.8.7 Bodenklassifikation nach DIN 18196 150
5.8.8 Plastische Bereiche und ansetzbarer Sohlwiderstand nach DIN 1054 152
5.9 Proctordichte (Proctorversuch) 153
5.9.1 DIN-Norm 153
5.9.2 Definitionen 154
5.9.3 Geräte für den Proctorversuch 154
5.9.4 Durchführung und Auswertung des Proctorversuchs 155
5.9.5 Anforderungen aus Regelwerken an den Verdichtungsgrad DPr 159
5.10 Dichte nichtbindiger Böden (lockerste u dichteste Lagerung) 162
5.10.1 Regelwerke 162
5.10.2 Definitionen und Einstufungen von Lagerungsdichten 162
5.10.3 Dichte bei dichtester Lagerung (Rütteltischversuch) 166
5.10.4 Dichte bei lockerster Lagerung (Einfüllung mit Trichter) 166
5.11 Wasserdurchlässigkeit 169
5.11.1 Allgemeines 169
5.11.2 DIN-Normen 169
5.11.3 Definitionen 169
5.11.4 Beziehungen der Filtergeschwindigkeit zum hydraulischen Gefälle 171
5.11.5 Temperatureinfluss 172
5.11.6 Versuch im Versuchszylinder mit Standrohren 173
5.11.7 Untersuchung in der Triaxialzelle (isotrope statische Belastung) 175
5.12 Einaxiale Zusammendrückbarkeit 176
5.12.1 Allgemeines 176
5.12.2 DIN-Normen 178
5.12.3 Begriffe (nach DIN 18135) 178
5.12.4 Kompressionsversuch (Oedometerversuch) 179
5.12.5 Steifemodul 184
5.12.6 Modellgesetz für Setzungszeiten 188
5.12.7 Kompressionsbeiwert 189
5.13 Scherfestigkeit 190
5.13.1 Allgemeines 190
5.13.2 DIN-Normen 191
5.13.3 Begriffe nach DIN 18137-1 191
5.13.4 Rahmenscherversuch 195
5.13.5 Triaxialversuch nach DIN 18137-2 198
5.13.6 Auswertung des Triaxialversuchs 201
5.14 Einaxiale Druckfestigkeit 206
5.14.1 DIN-Norm 206
5.14.2 Definitionen 206
5.14.3 Druck-Stauchungs-Diagramm 207
5.15 Charakteristische Werte von Bodenkenngrößen 208
5.15.1 Forderungen von DIN EN 1997-1 und DIN 1054 208
5.15.2 Werte gemäß DIN 1055-2 209
6 Spannungen und Verzerrungen 215
6.1 Darstellungen 215
6.1.1 Koordinatensysteme 215
6.1.2 Spannungs- und Deformationszustände 217
6.1.3 Spannungstransformation in kartesischen Koordinatensystemen 218
6.2 Sonderfälle 219
6.2.1 Hauptspannungen 220
6.2.2 Ebene Spannungs- und Deformationszustände 221
6.2.3 Symmetrie- und Antimetrieebenen 222
6.3 Spannungs-Verzerrungs-Beziehungen 223
6.3.1 Stoffgesetze bei Hooke’schem Material 223
6.3.2 Steifemodul, Elastizitätsmodul und Schubmodul 225
6.3.3 Bilinear-elastische und nichtlineare Stoffgesetze 226
6.4 Rechnerische Druckspannungen im Baugrund 226
6.4.1 Eigenlast aus trockenem oder erdfeuchtem Boden 226
6.4.2 Totale und effektive Druckspannungen 227
6.5 Vereinfachungen zur Lastausbreitung 229
6.6 Halbraum unter vertikaler Punktlast F 230
6.6.1 Spannungen und Deformationen nach Boussinesq 231
6.6.2 Spannungen nach Fröhlich 233
6.7 Halbraum unter horizontaler Punktlast F 235
6.8 Halbraumspannungen infolge vertikaler Linienlast f 237
6.8.1 Spannungen nach Boussinesq 237
6.8.2 Spannungen nach Fröhlich 238
6.9 Halbraumspannungen infolge horizontaler Linienlast f 238
6.10 Halbraumspannungen infolge vertikaler Streifenlast q 239
6.11 Halbraumspannungen unter schlaffen Rechtecklasten 240
6.12 Spannungen σz unter Eckpunkten schlaffer Rechtecklasten 241
6.13 Beiwerte für vertikale Normalspannungen des Halbraums 246
6.14 Spannungen σz infolge beliebiger Lasten 249
7 Berechnungsgrundlagen der aktuellen Normen 253
7.1 Allgemeines 253
7.2 Einwirkungen, geotechnische Kenngrößen, Widerstände 254
7.2.1 Begriffe 254
7.2.2 Einwirkungen 255
7.2.3 Geotechnische Kenngrößen 256
7.2.4 Widerstände 256
7.3 Charakteristische und repräsentative Werte 256
7.3.1 Charakteristische Werte 256
7.3.2 Repräsentative Werte 257
7.4 Grenzzustände 258
7.5 Bemessungssituationen und Teilsicherheitsbeiwerte 260
7.5.1 Allgemeines 260
7.5.2 Bemessungssituationen 260
7.5.3 Teilsicherheitsbeiwerte 261
7.6 Bemessungswerte 264
7.6.1 Allgemeines 264
7.6.2 Bemessungswerte von Einwirkungen 265
7.6.3 Bemessungswerte von geotechnischen Kenngrößen 266
7.6.4 Bemessungswerte von Bauwerkseigenschaften 266
7.7 Rechnerische Nachweisführung der Tragsicherheit 266
7.7.1 Verlust der Lagesicherheit (EQU) 267
7.7.2 Versagen im Tragwerk und im Baugrund (STR und GEO) 267
7.7.3 Versagen durch Aufschwimmen (UPL) 269
7.7.4 Versagen durch hydraulischen Grundbruch (HYD) 269
7.8 Beobachtungsmethode 270
8 Sohldruckverteilung 273
8.1 Allgemeines 273
8.2 Kennzeichnende Punkte und Linien 275
8.3 Bodenpressungen in der Sohlfuge nach DIN-Normen 275
8.3.1 Regelwerke 275
8.3.2 Gleichmäßige Verteilung und ansetzbare Sohlwiderstände nach DIN 1054 276
8.3.3 Geradlinige Verteilung 281
8.4 Sohldruckverteilung unter Flächengründungen 289
9 Setzungen 291
9.1 Allgemeines 291
9.2 Regelwerke 291
9.3 Begriffe 292
9.4 Kennzeichnende Punkte und Linien 294
9.5 Elastisch-isotroper Halbraum mit Einzellast 294
9.6 Elastisch-isotroper Halbraum mit konstanter Rechtecklast σ0 296
9.7 Grenztiefe für Setzungsberechnungen 296
9.8 Halbraum mit konstanter Kreislast σ0 299
9.9 Grundlagen für Setzungsberechnungen nach DIN 4019 299
9.9.1 Erforderliche Berechnungsunterlagen 299
9.9.2 Sohl- und Baugrundspannungen 300
9.10 Zusammendrückungsmodul (Rechenmodul) E* 300
9.10.1 Module des linear-elastischen Halbraums 300
9.10.2 Ermittlung von E* aus Labor- und Feldversuchen 301
9.10.3 Ermittlung von E* aus Setzungsbeobachtungen 302
9.10.4 Wahl von E* für Setzungsberechnungen 302
9.11 Setzungsgleichungen nach DIN 4019 303
9.11.1 Allgemeines 303
9.11.2 Setzung der Eckpunkte schlaffer, konstanter Rechtecklasten 304
9.11.3 Setzung starrer Rechteckfundamente bei zentrischer Belastung 305
9.11.4 Setzungen unter konstanter kreisförmiger Last 311
9.12 Gleichungen für Verdrehungen nach DIN 4019 312
9.12.1 Allgemeines 312
9.12.2 Setzungen bzw Verdrehungen rechteckiger Fundamente 314
9.12.3 Verdrehung starrer Streifenfundamente 317
9.13 Indirekte Setzungsberechnung nach DIN 4019 318
9.13.1 Ablauf der Setzungsermittlung 318
9.13.2 Anwendungsbeispiel mit schlaffer, konstanter Rechtecklast (nach [33]) 319
9.13.3 Setzungen und Verdrehungen infolge lotrechter Baugrundspannungen 321
9.14 Setzungen infolge horizontaler Belastungskomponenten 322
9.14.1 Ansatz waagerechter Lasten und Sohlspannungen 322
9.14.2 Anwendungsbeispiel 323
9.15 Setzungen infolge von Grundwasserabsenkung 324
9.16 Berechnung des Zeitverlaufs von Setzungen 326
9.16.1 Konsolidationssetzung 326
9.16.2 Kriechsetzung 327
9.17 Setzungsproblematik bei Hochbauten 327
9.17.1 Gegenseitige Beeinflussung 328
9.17.2 Mulden- und Sattellage 330
9.17.3 Setzungen bei inhomogenem Baugrund 330
9.18 Beanspruchungsveränderungen infolge von Setzungen 330
9.19 Zulässige Setzungsgrößen 331
10 Erddruck 337
10.1 Allgemeines 337
10.2 Regelwerke 337
10.3 Angaben nach DIN 4085 337
10.3.1 Begriffe 337
10.3.2 Erforderliche Unterlagen 340
10.3.3 Allgemeines zur Erddruckermittlung 340
10.4 Erdruhedruck 342
10.4.1 Unbelastetes horizontales Gelände 342
10.4.2 Unbelastetes geneigtes Gelände 343
10.4.3 Erdruhedruck nach DIN 4085 344
10.5 Wirkungen der Stützwandbewegung 347
10.5.1 Erddruckkräfte 348
10.5.2 Bruchfiguren 349
10.6 Zonenbruch nach Rankine 350
10.7 Linienbruch nach Coulomb 355
10.7.1 Aktiver Erddruck 355
10.7.2 Passiver Erddruck 356
10.8 Verallgemeinerung der Erddrucktheorie von Coulomb 357
10.8.1 Aktiver Erddruck nach Müller-Breslau 358
10.8.2 Passiver Erddruck nach Müller-Breslau 359
10.8.3 Aktiver Erddruck bei Böden mit Kohäsion 360
10.8.4 Passiver Erddruck bei Böden mit Kohäsion 360
10.9 Aktiver Erddruck gemäß DIN 4085 361
10.9.1 Voraussetzungen der Berechnungsformeln 364
10.9.2 Formeln für Erddrücke und Erddruckkräfte aus Bodeneigenlast 366
10.9.3 Verteilung des Erddrucks aus Bodeneigenlast 369
10.9.4 Gleichmäßig verteilte vertikale Last auf ebener Geländeoberfläche 372
10.9.5 Vertikale Linien- und Streifenlasten auf ebener Geländeoberfläche 378
10.9.6 Horizontale Linien- oder schmale Streifenlasten 380
10.9.7 Erddruckanteil aus Kohäsion 381
10.9.8 Mindesterddruck 383
10.10 Passiver Erddruck gemäß DIN 4085 384
10.10.1 Formeln für Erddrücke und Erddruckkräfte infolge Bodeneigenlast 387
10.10.2 Vertikale Flächenlasten auf ebener Geländeoberfläche 392
10.10.3 Erddruckanteil aus Kohäsion 395
10.10.4 Mobilisierbare Erddruckkraft 398
10.11 Grafische Bestimmung des Erddrucks nach Culmann 399
10.12 Sonderfälle gemäß DIN 4085 401
10.12.1 Verdichtungserddruck 401
10.12.2 Silodruck 402
10.12.3 Erddruck bei dynamischen Anregungen des Bodens 403
10.12.4 Erddruck bei vertikaler Durchströmung des Bodens 403
10.13 Zwischenwerte des Erddrucks 404
10.13.1 Erddruck zwischen aktivem Erddruck und Erdruhedruck 404
10.13.2 Erddruck zwischen Erdruhedruck und passivem Erddruck 404
11 Grundbruch 405
11.1 Allgemeines 405
11.2 DIN-Normen 405
11.3 Begriffe 406
11.4 Einflussgrößen und Modelle des Versagenszustands 406
11.5 Theorie von Prandtl 406
11.5.1 Voraussetzungen 406
11.5.2 Spannungs- und Winkelbeziehungen in den Rankine-Zonen 407
11.5.3 Bedingungen in der Übergangszone, Prandtl-Zone 408
11.5.4 Grundbruchformel nach Prandtl, Lösung für die Übergangszone 408
11.6 Verfahren von Buisman 410
11.7 Grundbruchsicherheit nach DIN 1054 und DIN 4017 411
11.7.1 Allgemeines 411
11.7.2 Anwendungserfordernisse 413
11.7.3 Kenngrößen des Baugrunds 413
11.7.4 Nachweis der Grundbruchsicherheit gemäß DIN 1054 und DIN EN 1997-1 414
11.7.5 Einwirkungen 414
11.7.6 Grundbruchwiderstände 416
11.7.7 Grundwerte der Tragfähigkeitsbeiwerte und Formbeiwerte 417
11.7.8 Lastneigungsbeiwerte 421
11.7.9 Geländeneigungsbeiwerte 425
11.7.10 Sohlneigungsbeiwerte 426
11.7.11 Berücksichtigung von Bermenbreiten 427
11.7.12 Durchstanzen 428
11.7.13 Abmessungen von Gleitkörpern unter Streifenfundamenten 429
12 Gleiten und Kippen 433
12.1 Gleiten 433
12.1.1 Allgemeines 433
12.1.2 DIN-Normen 433
12.1.3 Gleitsicherheit von Flach- und Flächengründungen nach DIN 1054 434
12.1.4 Gebrauchstauglichkeit nach DIN 1054 437
12.1.5 Maßnahmen bei nicht erfüllter Gleitsicherheit 438
12.2 Kippen 438
12.2.1 Allgemeines 438
12.2.2 DIN-Normen 440
12.2.3 Kippsicherheit von Flach- und Flächengründungen nach DIN 1054 440
12.2.4 Gebrauchstauglichkeit nach DIN 1054 441
12.2.5 Ungleichmäßige Setzungen bei hohen Bauwerken 444
13 Geländebruch 445
13.1 Allgemeines 445
13.2 DIN-Normen 445
13.3 Begriffe nach DIN 4084 445
13.4 Erforderliche Unterlagen für Berechnungen gemäß DIN 4084 446
13.5 Sonderfall der ebenen Gleitfläche 447
13.6 Lamellenverfahren (schwedische Methode) 449
13.7 Berechnungen nach Normen 451
13.7.1 Anwendungsbereich 451
13.7.2 Grenzzustand, Einwirkungen und Widerstände 452
13.7.3 Grenzzustandsbedingung 454
13.7.4 Arten der Bruchmechanismen und besondere Bedingungen 455
13.7.5 Bruchmechanismen mit einem Gleitkörper oder zusammengesetzt 456
13.7.6 Lamellenverfahren mit kreisförmig gekrümmten Gleitlinien 457
13.7.7 Lamellenfreie Verfahren mit kreisförmigen und geraden Gleitlinien 459
13.7.8 Zusammengesetzte Bruchmechanismen mit geraden Gleitlinien 461
13.7.9 Anwendungsbeispiele (mit Programm berechnet) 463
13.7.10 Gebrauchstauglichkeit nach DIN 1054 und DIN 4084 466
14 Aufschwimmen 467
14.1 Maßnahmen bei zu geringer Sicherheit gegen Aufschwimmen 468
14.2 Regelwerke 469
14.3 Grenzzustand des Aufschwimmens nach DIN 1054 469
14.3.1 Allgemeines 469
14.3.2 Nichtverankerte Konstruktionen 469
14.3.3 Verankerte Konstruktionen 471
14.3.4 Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen nach EAB 474
15 Methode der Finiten Elemente (FEM) 483
15.1 Allgemeines 483
15.2 Weggrößenverfahren 484
15.2.1 Vektoren des Gesamtmodells 485
15.2.2 Einheitsknotenbewegungen am Gesamtsystem 486
15.2.3 Biegestabelement 487
15.2.4 Steifigkeitsmatrix des Gesamtsystems 495
15.3 Stoffgesetze 499
15.3.1 Ebener Deformationszustand 501
15.3.2 Ebener Spannungszustand 502
15.4 Scheibenelemente 503
15.4.1 Einheitsbewegungen der Elementknoten 503
15.4.2 Ansatzfunktionen für Elementverschiebungen 504
15.4.3 Verzerrungs- und Spannungsvektor des Elements 506
15.5 Symmetrische und antimetrische Systeme 507
15.6 Anwendungsbeispiel 508
15.6.1 Aufgabenstellung und Modellierung 508
15.6.2 Berechnungsergebnisse am Gesamtmodell 509
15.6.3 Berechnungsergebnisse am halben Modell 513
15.6.4 Antimetrie und Superposition 515
16 Europäische Normung in der Geotechnik 517
16.1 Allgemeines 517
16.2 Deutsche und europäische Normung 517
16.3 Eurocode 7 519
16.3.1 Nationaler Anhang (NA) 520
16.3.2 Deutsche Normen und Empfehlungen, die DIN EN 1997-1 ergänzen 520
16.4 Europäische geotechnische Ausführungsnormen 521
16.5 Weitere europäische geotechnische Normen 521
16.6 Bauaufsichtliche Einführung 522
Literaturverzeichnis 525
Firmenverzeichnis 541
Stichwortverzeichnis 543
