Die mechanischen Eigenschaften von Bambus
Was sind die mechanischen Eigenschaften von Bambus? Dies ist wahrscheinlich eine der am häufigsten gestellten Fragen von Architekten, Ingenieuren und Bauherren, die an der Verwendung von Bambus als Baumaterial interessiert sind. Die Materialeigenschaften von Holz, Stahl, Beton und sogar von Bambushalbzeugen wie Fußböden und Bambusplatten sind seit langem bekannt, nicht aber die von Bambusrohren. Und warum?
"Die Festigkeitseigenschaften von Bambus sind oft zwei- bis dreimal besser als die von herkömmlichem Holz. Allerdings erschweren Rechtsunsicherheiten in Bezug auf Bauvorschriften und Normen die Verwendung von Bambusstäben als Baumaterial in Europa."
Bambus ist ein Sammelname für mehr als 1575 verschiedene Pflanzenarten, die zur Familie der Gräser (Gramineae) gehören. Jede dieser Bambusarten hat unterschiedliche strukturelle und mechanische Eigenschaften, genau wie herkömmliche Holzarten wie Teak, Eiche usw. Darüber hinaus können auch die mechanischen Eigenschaften einer einzigen Bambusart stark variieren. Diese Unterschiede sind auf das Alter des Bambusstamms, den Feuchtigkeitsgehalt, die Wachstumsbedingungen (Klima, Höhe, Bodenbeschaffenheit) und den Teil des Bambusstamms zurückzuführen, an dem die Prüfungen durchgeführt werden.
Da die für Bauzwecke am besten geeigneten Bambusarten aus tropischen Ländern stammen, ist es oft schwierig, die genauen Anbaubedingungen zu ermitteln und gutes Testmaterial zu erhalten. Infolgedessen kommen verschiedene Studien oft zu unterschiedlichen Ergebnissen, was bedeutet, dass das Verhalten des Materials in bestimmten Situationen noch nicht völlig sicher ist.
Warum sind
die mechanischen Eigenschaften so wichtig?
In Europa gibt es noch keine Normung (Eurocode) für Bambusrohre als Baumaterial. Das Fehlen einer solchen Bauvorschrift für Bambus erschwert denjenigen, die mit diesem Material bauen wollen, so dass ein dringender Bedarf an klaren Regeln und Normen besteht.
Die bereits durchgeführten Tests zur Druck-, Zug- und Biegefestigkeit von Bambus sind vielversprechend und zeigen in der Regel deutlich bessere Ergebnisse als herkömmliche Baumaterialien. Es gibt jedoch noch weitere Faktoren, die untersucht werden müssen, bevor eine gesetzliche Bauvorschrift für Bambuspfähle als Baumaterial erlassen werden kann.
Anderen
Mechanischen Eigenschaften
Diese anderen Eigenschaften sind:
- Dauerhaftigkeit
- Brandsicherheit
- Umweltverträglichkeit
- Benutzerfreundlichkeit
- Energie-Effizienz
Insbesondere in den Bereichen Feuerbeständigkeit und Langlebigkeit besteht noch weiterer Forschungsbedarf. Dennoch wurden in den letzten Jahren mit der Einführung der internationalen Norm ISO 22157 bedeutende Fortschritte erzielt.
Bambus
Zugfestigkeit
Bambusstreifen
Die maximale Zugfestigkeit von Bambus wird durch Prüfung der Fasern (Bambusstreifen) und nicht am gesamten Bambusstamm ermittelt. Wie bei der Druckfestigkeit gibt die Norm ISO 22157 Richtlinien für die Zugfestigkeit parallel zur Faserrichtung vor, jedoch nicht für die Zugfestigkeit senkrecht zur Faserrichtung.
Proben
Zur Messung der Zugfestigkeit von Bambus werden pro Bambusstamm drei Proben geprüft, die aus dem unteren, mittleren und oberen Teil des Stamms stammen. Jeder Bambusstreifen ist 100 mm lang, 10 - 20 mm breit und die Dicke entspricht der Dicke des Bambusstamms.
Knoten
Jede Probe sollte einen Knoten enthalten, da die Faserrichtung des Knotens der Faserrichtung des Stammes entgegengesetzt ist. Daher gilt der Knoten als der schwächste Punkt bei Zugbelastung (bei der Druckfestigkeitsprüfung ist es genau andersherum). Der Feuchtigkeitsgehalt jedes dieser Prüfkörper sollte ebenfalls gemäß der Norm ISO 22157 bestimmt werden.
Schlussfolgerung
Die durchschnittliche Zugfestigkeit der verschiedenen Bambusarten liegt größtenteils bei 160 N/mm2. Dies ist drei- bis viermal so hoch wie die Zugfestigkeit der meisten handelsüblichen Holzarten.
Bambus
Biegefestigkeit
Die Durchbiegung eines Bambusstamms hat einen direkten Einfluss auf das Verhalten des gebauten Bauwerks. Daher ist es notwendig, die Durchbiegung jedes Elements eines Bauwerks vor dessen Verwendung vorhersagen zu können. Die gebräuchlichste Methode zur Bestimmung der Durchbiegung eines Balkens oder einer Säule ist die Vierpunkt-Durchbiegungsprüfung. Die Norm ISO 22157 schlägt daher diesen Test für die Bestimmung der Biegefestigkeit eines Bambusstamms vor.
Bambus
Biegefestigkeit von Guadua-Bambus
Der in der ISO-Norm 22157 vorgeschriebene Vier-Punkt-Biegeversuch wurde an der Universität Los Andes in Kolumbien durchgeführt. Der Biegeversuch wurde an denselben Bambusstämmen durchgeführt wie die Tests zur Bestimmung der Druck- und Scherfestigkeit.
Bei der Vier-Punkt-Biegeprüfung wurde der Elastizitätsmodul und natürlich die Biegefestigkeit bestimmt. Die Ergebnisse dieser Prüfung sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Der Elastizitätsmodul von Guadua angustifolia ist im unteren und mittleren Teil des Stammes am höchsten, und zwar dann, wenn der Stamm ein Alter von 4 - 5 Jahren hat. Dies ist nicht der Fall für den oberen Teil des Stammes, wo der größte Elastizitätsmodul bei einem Alter von 3 - 4 Jahren erreicht wird, genau wie bei der Bestimmung des Elastizitätsmoduls im Druckversuch.
Auch die Biegefestigkeit des Bambusstamms ist nicht für alle drei Teile gleich, der obere Teil des Bambusstamms hat eine größere Biegefestigkeit als der untere Teil. Die Biegefestigkeit nimmt mit der Höhe des Stammes zu. Die Biegefestigkeit von Guadua angustifolia beträgt etwa 100 N/mm2.
Bambus
Vergleich der Biegefestigkeit von verschiedenen Bambusarten
Die Biegefestigkeit von Guadua angustifolia liegt in der gleichen Größenordnung wie die Biegefestigkeit anderer häufig verwendeter Bambusarten. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Biegefestigkeit einiger anderer Bambusarten. Nicht alle Ergebnisse wurden mit dem Vier-Punkt-Biegetest ermittelt, wie er in der Norm ISO 22157 vorgeschrieben ist. Daher können diese Werte eine kleine Abweichung aufweisen, aber sie vermitteln einen Eindruck von der Größenordnung der Biegefestigkeit verschiedener Bambusarten.
Schlussfolgerung
Die Biegefestigkeit der meisten Bambusarten liegt zwischen 50 und 150 N/mm2 und ist damit etwa doppelt so hoch wie die der meisten herkömmlichen Holzarten. Die Abweichungen bei den Prüfergebnissen sind wahrscheinlich auf den Feuchtigkeitsgehalt der geprüften Bambusstämme und die unterschiedlichen Prüfverfahren zurückzuführen. So hat ein Bambusstamm mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt wahrscheinlich eine geringere Biegefestigkeit als ein Bambusstamm mit höherem Feuchtigkeitsgehalt.
