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Stèphane
17 / 11 / 2016

Die mechanischen Eigenschaften

aus 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 für Holz, Stahl, Beton und sogar Bambus-Halbzeuge wie Fußböden und Bambusplatten sind seit langem bekannt, nicht aber für Bambusstangen. 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, Balsa usw. Darüber hinaus können die mechanischen Eigenschaften einer einzigen Bambusart stark variieren. Diese Unterschiede sind zurückzuführen auf die Alter des Bambusstamms, die Feuchtigkeitsgehaltdie Wachstumsbedingungen (Klima, Höhenlage, Bodenbeschaffenheit), und auf welchen Teil des Bambusstamms die Tests durchgeführt werden.

Da die für Bauzwecke am besten geeigneten Bambusarten aus tropischen Ländern stammen, ist es oft schwierig, die genauen Wachstumsbedingungen zu ermitteln und gutes Testmaterial zu erhalten. Infolgedessen kommen verschiedene Studien oft zu unterschiedlichen Ergebnissen, und das Verhalten des Materials in bestimmten Situationen ist noch nicht mit Sicherheit bekannt.

Warum sind mechanische Eigenschaften wichtig?

In Europa gibt es keine Norm (Eurocode) für Bambuspfähle als konstruktives Baumaterial. Das Fehlen einer solchen Bauvorschrift für Bambus erschwert es denjenigen, die mit diesem Material bauen wollen, dies zu tun, so dass dringend klare Regeln und Normen erforderlich sind.

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 Bambusstangen als konstruktives Baumaterial erlassen werden kann. Diese anderen Eigenschaften sind:

  • Nachhaltigkeit
  • Brandsicherheit
  • Auswirkungen auf die Umwelt
  • Benutzerfreundlichkeit
  • Energie-Effizienz

Insbesondere in den Bereichen Feuerbeständigkeit und Dauerhaftigkeit besteht noch weiterer Forschungsbedarf. Dennoch wurden in den letzten Jahren mit der Einführung der internationalen Norm ISO 22157 bedeutende Fortschritte erzielt.

Bambus-Biegetest
Biegeversuch | Foto: Pablo Acevedo

Die Internationale Organisation für Normung (ISO)

Im Jahr 2004 hat die Internationale Organisation für Normung (ISO) eine eigene Norm zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Bambus erstellt. In der Norm ISO 22157 werden nicht nur Durchbiegung, Druck, Zug und Scherung als wichtige Eigenschaften genannt, sondern auch der Feuchtigkeitsgehalt ist ein relevanter Parameter.

In diesem Artikel stellen wir einige Testergebnisse aus verschiedenen Quellen und von verschiedenen Bambusarten vor. Es ist wichtig zu beachten, dass nicht alle Tests nach der ISO-Norm 22157 durchgeführt wurden, aber sie vermittelt ein gutes allgemeines Bild. Für die Bambusart Guadua angustifolia, besser bekannt als der stärkste Bambus der Welt, wurden in Kolumbien Tests nach der Norm ISO 22157 durchgeführt. Die Ergebnisse können Sie etwas weiter unten nachlesen.

Für die Zukunft verweisen wir auf Tabellen mit Informationen zu den Tests. Diese Tabellen sind in der PDF-Datei zu diesem Blog zu finden.


Druckfestigkeit

Um die europäischen Vorschriften zu erfüllen, müssen zwei Arten der Druckfestigkeit nach der Norm ISO 22157 geprüft werden, nämlich die Druckfestigkeit parallel zur Faserrichtung und die Druckfestigkeit senkrecht zur Faserrichtung. Seltsamerweise beschreibt die ISO 22157 nur die Prüfmethode parallel zur Faserrichtung und bietet noch keine Methodik für die Druckfestigkeit senkrecht zur Faserrichtung.

Aufgrund der natürlichen Form des Bambusstamms wird nicht eine Probe eines Stamms getestet, sondern drei verschiedene Proben pro Stamm. Eine Probe wird aus dem unteren Teil des Stammes, aus dem mittleren Teil und aus dem oberen Teil des Stammes entnommen. Dies ist notwendig, weil ein Bambusstamm keinen durchgehenden Querschnitt hat und es Unterschiede in den strukturellen Eigenschaften zwischen dem unteren Teil, der einen größeren Durchmesser hat, und dem oberen Teil, der einen kleineren Durchmesser hat, gibt.

Bambus-Stammkonstruktion
Die Konstruktion eines Kofferraums

Die Probe darf keine Äste enthalten, da die Ergebnisse an diesen Proben kein richtiges Bild ergeben würden. Die Knoten sind nämlich aufgrund der Faserstruktur die stärksten Zonen (wenn sie unter Druck stehen). Eine Probe wird immer zwischen zwei Ästen entnommen, da dies die schwächste Zone des Bambusstamms ist.

Wenn Bambusstangen als Säulen oder Balken verwendet werden, können nur die unteren, mittleren und oberen Abschnitte für diese konstruktiven Anwendungen genutzt werden. Der Kopf und das Rohr des Rüssels werden aufgrund des geringen Außendurchmessers nicht für konstruktive Anwendungen verwendet.

Druckfestigkeit und Elastizitätsmodul von Guadua-Bambus (G. angustifolia)

Im Jahr 2010 hat die Los Andes Universität in Bogota, Kolumbien Die mechanischen Eigenschaften der Bambusart Guadua angustifolia wurden gemäß der Norm ISO 22157 geprüft. Um den Einfluss des Alters der Bambusstämme auf ihre mechanischen Eigenschaften zu untersuchen, wurden zwei, drei, vier und fünf Jahre alte Bambusstämme getestet.

Der jeweilige Feuchtigkeitsgehalt der Bambusstämme betrug 59,3%, 56,5%, 56,7% und 65,2%. Es ist wichtig, diese Feuchtigkeitsgehalte zu erwähnen, weil der Feuchtigkeitsgehalt ein wichtiger Parameter für die Festigkeitseigenschaften des Bambusstamms ist. Der durchschnittliche Außendurchmesser des unteren Teils des Bambusstamms betrug 13 cm, der des mittleren Teils 12 cm und der des oberen Teils 10 cm.

Die maximale Druckfestigkeit für Guadua angustifolia (im grünen Zustand) wurde bei 3-4 Jahre alten Stämmen mit einer durchschnittlichen Druckfestigkeit von etwa 40 N/mm² . Die Druckfestigkeit von 5 Jahre altem Guadua sank um etwa 16% im Vergleich zur Druckfestigkeit von 3-4 Jahre altem Guadua-Bambus.

Prüfung der Druckfestigkeit von Bambus
Die mechanischen Eigenschaften von Bambus 6

Vergleich der Druckfestigkeit von verschiedenen Bambusarten

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Druckfestigkeit der verschiedenen Bambusarten. Es ist wichtig zu beachten, dass nicht alle Ergebnisse mit der in der ISO-Norm 22157 vorgeschriebenen Prüfmethode erzielt wurden. Die Ergebnisse sind als Durchschnittswerte zu verstehen, wobei die Unterschiede im Alter oder in der Höhe des Bambusstamms in der Regel nicht berücksichtigt werden.

Schlussfolgerung

Die Druckfestigkeit der verschiedenen Bambusarten liegt weitgehend zwischen dem 40 und 80 N/mm². Dies ist zwei- bis viermal höher als die Druckfestigkeit der meisten handelsüblichen Holzarten. Die unterschiedlichen Ergebnisse lassen sich durch die verschiedenen Testmethoden und die verwendeten Proben erklären. Es ist jedoch klar, dass das Alter und der Feuchtigkeitsgehalt von Bambusstäben einen wichtigen Einfluss auf ihre Druckfestigkeit haben. Bambuspfähle mit einem niedrigen Feuchtigkeitsgehalt haben eine höhere Druckfestigkeit als Bambusstangen mit einem hohen Feuchtigkeitsgehalt.


Zugfestigkeit

Die maximale Zugfestigkeit von Bambus wird durch Prüfung der Fasern (Bambusstreifen) und nicht des gesamten Bambusstamms ermittelt. Wie bei der Druckfestigkeit enthält die ISO-Norm 22157 Richtlinien für die Zugfestigkeit parallel zur Faserrichtung, aber nicht für die Zugfestigkeit senkrecht zur Faserrichtung.

Um die Zugfestigkeit von Bambus zu messen, werden pro Bambusstamm drei Teststreifen aus dem unteren, mittleren und oberen Teil des Stamms entnommen. Jeder Bambusstreifen ist 100 mm lang, 10 bis 20 mm breit und so dick wie der Bambusstamm.

Jeder Prüfkörper muss einen Knoten enthalten, da die Faserrichtung des Knotens der Faserrichtung des Stamms entgegengesetzt ist. Der Knotenpunkt gilt daher als der schwächste Punkt, wenn er auf Zug belastet wird (bei der Prüfung der Druckfestigkeit ist es genau umgekehrt). Der Feuchtigkeitsgehalt jedes dieser Prüfstücke muss ebenfalls gemäß der Norm ISO 22157 bestimmt werden.

Die folgende Tabelle zeigt die Zugfestigkeit der am häufigsten verwendeten Bambusarten für strukturelle Anwendungen.

Schlussfolgerung

Die durchschnittliche Zugfestigkeit der verschiedenen Bambusarten liegt weitgehend im Bereich der 160 N/mm². Dies ist drei- bis viermal höher als die Zugfestigkeit der meisten handelsüblichen Hölzer.


Scherspannung

Die maximale Scherspannung, die ein Bambusstamm aushalten kann, ist wichtig für die Entwicklung von Verbindungssystemen. Auch hier gibt die Norm ISO 22157 Richtlinien für die Scherspannung parallel zur Faserrichtung vor, nicht aber für die Scherspannung senkrecht zur Faserrichtung.

Wie bei den vorangegangenen Tests werden pro Bambusstamm drei Proben aus dem unteren, mittleren und oberen Teil des Stammes untersucht. Der Unterschied zur Druckprüfung besteht darin, dass bei dieser Prüfung die Hälfte der Prüfkörper einen Knoten enthalten muss.

Bevor die Prüfung beginnt, wird die Probe ausführlich vermessen. Die Höhe des Prüfkörpers und die Dicke des Stiels werden an den vier Scherpunkten gemessen. Dies ist wichtig, da die Dicke des Bambusstamms variieren kann und das Exemplar möglicherweise nicht ganz gerade ist.

Scherbelastung von Guadua-Bambus (G. angustifolia)

An der Universität Los Andes in Kolumbien wurde an denselben Bambusstämmen, an denen die Druckfestigkeit ermittelt wurde, auch die maximale Scherspannung bestimmt, und zwar nach der besprochenen Prüfmethode gemäß ISO 22157. Ebenso wie bei der Druckfestigkeit zeigt die Tabelle, dass der mittlere Abschnitt des Bambusstamms im Alter von drei bis vier Jahren die besten Werte aufweist, und mit zunehmendem Alter nimmt die maximale Schubspannung wieder ab. Guadua-Bambus hat eine maximale Scherspannung von etwa 8 N/mm² (bei einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 56,6%).

Prüfung der Scherfestigkeit von Bambus
Die mechanischen Eigenschaften von Bambus 7

Vergleich der Scherbelastung verschiedener Bambusarten

Die Schubspannungen der verschiedenen Bambusarten sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt. Auch hier sollten die Ergebnisse als Durchschnittswerte betrachtet werden, da wir nicht bestätigen können, dass alle Tests gemäß der Norm ISO 22157 durchgeführt wurden.

Schlussfolgerung

Die Spannung, bei der die Scherung auftritt, ist parallel zur Faserrichtung etwa 10-mal niedriger als die Druckfestigkeit und sogar bis zu 20-mal niedriger als die Zugfestigkeit der gleichen Bambusart. Dennoch ist die Scherfestigkeit der meisten Bambusarten etwa doppelt so hohe Scherfestigkeit wie bei Tropenhölzern (3 bis 6 N/mm²).


Biegefestigkeit

Die Durchbiegung eines Bambusstamms hat einen direkten Einfluss auf das Verhalten der aufgebauten Struktur, daher ist es notwendig, die Durchbiegung jedes Elements in einer Struktur vorherzusagen, bevor sie verwendet wird. Die gebräuchlichste Methode zur Bestimmung der Durchbiegung eines Trägers oder einer Säule ist die Vierpunktdurchbiegungsprüfung. In der Norm ISO 22157 wird dieser Test zur Bestimmung der Biegefestigkeit eines Bambusstamms verwendet.

Biegefestigkeit von Guadua-Bambus (G. angustifolia)

Der in der Norm ISO 22157 vorgeschriebene Vier-Punkt-Biegetest wurde am Universität der Los Andes in Kolumbien. Der Biegetest wurde an denselben Bambusstämmen durchgeführt wie die Tests zur Bestimmung der Druck- und Scherfestigkeit.

Bei der Vier-Punkt-Biegeprüfung wurden der Elastizitätsmodul und natürlich die Biegefestigkeit ermittelt. Die Ergebnisse dieses Tests sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Der Elastizitätsmodul von Guadua angustifolia ist im unteren und mittleren Teil des Stammes im Alter von vier bis fünf Jahren am höchsten. Dies gilt nicht für den oberen Teil des Rumpfes, wo der größte Elastizitätsmodul in einem Alter von drei bis vier 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.

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 zeigt eine Übersicht über die Biegefestigkeit einiger anderer Bambusarten. Nicht alle Ergebnisse wurden mit dem in der ISO-Norm 22157 vorgeschriebenen Vier-Punkt-Biegetest erzielt. Diese Werte können daher eine kleine Abweichung aufweisen, aber sie geben eine Vorstellung von der Größenordnung der Biegefestigkeit verschiedener Bambusarten.

Schlussfolgerung

Die Biegefestigkeit der meisten Bambusarten liegt zwischen 50 und die 150 N/mm² Was ist mit ist doppelt so hoch wie die meisten herkömmlichen Hölzer. Die Abweichungen der Prüfergebnisse in der obigen Tabelle sind wahrscheinlich auf den Feuchtigkeitsgehalt der geprüften Bambusstämme und auf die unterschiedlichen Prüfverfahren zurückzuführen. Ein Bambusstamm mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt hat zum Beispiel eher eine geringere Biegefestigkeit als ein Bambusstamm mit höherem Feuchtigkeitsgehalt.

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