Mechanische Eigenschaften von Bambus - Version 2

Bambus und seine mechanischen Eigenschaften Seite 1 von 11Bambus und seine mechanischen EigenschaftenEinführungDer Bambus ist in Größe, Leichtigkeit und Festigkeit einextremes Produkt der Natur. Er ist stabil und dank seinerHohlräume ein extrem leichter und elastischer Baustoff.Durch Trennwände versteift und durch seine physikalischenEigenschaften ist er anderen Baustoffen weit überlegen.BambusartenWeltweit gibt es etwa 500 verschiedene Bambusfamilien mitteilweise hunderten von Unterarten. In Kolumbien alleinwerden etwa 25 verschiedene Riesenbambussse verwendet.Zu diesen gehört auch der von uns betrachtete "guaduaangustifolia". Er wächst bis 1800 m NN meist in kleinenWäldchen entlang der Bäche, aber auch auf Wiesen oder inHanglagen. Es gibt zwei Unterarten namens guadua castillaund guadua mecana. Er errreicht eine Höhe von etwa 20-25m und einen Durchmesser bis zu 18cm.guadua angustifoliaJeder Stengel wächst aus einem netzartigen Wurzelsystemheraus und erreicht nach einem Jahr bereits seine volleHöhe. Dann beginnen die Leitgefäße zu verholzen und inden nächsten 6 - 8 Jahren gewinnt er durch dieVerkieselung der äußeren Rohrwände an Härte undFestigkeit. Bambus kann auch als ein verholzendesRiesengras bezeichnet werden.Bambuswurzelfile://D:\www.bambus\new\de\referate2\eigenschaften\referat1.html 26.10.2002

Bambus und seine mechanischen Eigenschaften Seite 2 von 11NadelholzfasernDer lignifizierende Zellenaufbau des Bambusgewebes undseine technischen Eigenschften sind dem eingentlichenHolzgewebe sehr ähnlich. Während Holz jedoch einenharten Kern hat (Kernholz) und nach außen hin weicher wird(Splintholz), ist der Bambus außen hart und innen weich,was einen viel stabileren Aufbau zur Folge hat. Von Innennach Außen ist eine kontinuierliche Häufung der Leitbündelzu sehen. Die reißfesteren Faserstränge liegen dort amdichtesten, wo die statische Beanspruchung am größtenist.BambusfasernfasernBambus im TestUm die Materialeigenschaften von Bambus zubestimmen und untereinander zu vergleichenspielt die Herkunft, das Alter, derFeuchtigkeitsgehalt und natürlich derRohrdurchmesser eine große Rolle. Vergleichtman die verschiedenenUntersuchungsergebnisse zu denFestigkeitseigenschaften des Bambus, soerkennt man die große Streuung der Ergebnisse,obwohl alle den gleichen Bambus (guaduaangustifolia) geprüft haben.MaterialprüfungMaterialkennwerteMaterialkennwerteBambuskN/cm²E-Modul 1900Knicken (Druck II Faser)betaD mit Lambda=10 5,6betaD mit Lambda=56 3,9betaD mit Lambda=86 2,7betaB Biegung 7,4Diese Daten lieferte das Stuttgarter InstitutFMPA zur Untersuchung des Zeri-Pavillions.Leider läßt sich aus den Angaben, die in derZeitschrift "Bautechnik 77,2000, Heft 6/7"veröffentlicht wurden, keine genauenMaterialdaten sowie Prüfungsbedingungenbeschrieben. Lediglich wird erwähnt, daß dieStäbe der Art "guadua angustifolia" einenDurchmesser von 10 bis 14 cm und einerWanddicke von 15 bis 20 mm haben sollten, dieangelieferten Stäbe aus Kolumbien jedoch starkvariierten. Daher wurde eine Vorsortierungfile://D:\www.bambus\new\de\referate2\eigenschaften\referat1.html 26.10.2002

Bambus und seine mechanischen Eigenschaften Seite 3 von 11betaB Biegung 7,4betaT Schub 0,43betaZ Zug II Faser >=9,5ähnlich der bei Holz notwendig und es wurdenaus jeder Lieferung mindestens 3 Stäbe geprüft.Genauere Angaben z.B. zur Länge fehlenjedoch.Vergleichstabelle aus DB9/97kN/cm² Fichte Bambus St37E-Modul 1100 2000 21000Druckfestigkeit 4,3 6,2-9,3 14Zugfestigkeit 8,914,8-38,416Biegefestigkeit 6,8 7,6-27,6 14Scherfestigkeit 0,7 2,0 9,2Bei den Biege- bzw. Schub-und Zugversuchenwurde die Bruchgrenze ermittelt; nicht zuverwechseln mit der zul. Grenzspannung. Auchdeshalb ist ein Vergleich mit den üblichenBaumaterialien schwierig.Dennoch ein Versuch.Diese Tabelle stammt aus der DB9/97.DruckfestigkeitDruckfestigkeit RohrkN/cm²parallel z.Fasersenkrechtz.FaserRohrd=60mm d=32mm6,36 8,635,25-9,3Dünnere Rohre haben im Verhältnis zu ihremQuerschnitt eine höhere Druckfestigkeit parallelwie auch senkrecht zur Faser gegenüberdickeren Rohren. Das verhältnismäßig dünnereRohre bessere Materialeigenschaften aufweisen,hängt im wesentlichen damit zusammen, daßbei dickeren Rohren der Anteil der zugfesterenAußenhaut geringer ist. Die unbegenzteLängsspaltbarkeit der Bambusrohrwand in denInternodien ist durch die streng parallelgerichteten Fasern bedingt; in den Nodien aberdurchkreuzen sie sich nach allen Richtungen.Diese Verstärkungsknoten mit stark verkieseltenDiaphragmen erhöhen die Spaltfestigkeit und dieKnickfestigkeit des Rohres. Außerdem wissenwir, daß ein zylindrisches Rohr, verglichen miteinem vollen Rundstab eine vielfacheBiegesteifigkeit hat.Der Ligninanteil bestimmt die Druckfestigkeit.Der hohe Zelluloseanteil dagegen bestimmt dieKnick- und Zugfestigkeit, da er dieGerüstsubstanz darstellt.Zugfestigkeitfile://D:\www.bambus\new\de\referate2\eigenschaften\referat1.html 26.10.2002

Bambus und seine mechanischen Eigenschaften Seite 4 von 11Zugfestigkeit RohrRohrkN/cm² d=80mm d=30mmäußeremin=30,68 min=35,74Faserschichtmax=32,73 max=38,43inneremin=13,53 min=14,84FaserschichtganzeWanddickemax=16,33 max=19,47min=16,27 min=23,25max=21,51 max=27,58Bambus kann wesentlich mehr Zug als Druckaufnehmen. Schlankere Rohre sind auch hierwieder überlegen. In der verkieselten äußerstenRandschicht laufen axialparallel hochelastischeFasern mit einer Zugfestigkeit von teilweise biszu 40 kN/cm². Zum Vergleich: Extrem starkeHolzfasern können nur bis zu 5 kN/cm² Zugaufnehmen und ST37 Stahl im Extremfall(Bruchspannung!) 37kN/cm². Die hervorragendenEigenschaften der Zugfestigkeit des Bambusmacht man sich heute auch in derMaterialforschung zu Nutze. Die hochfestenBambusfasern können bei armierten Materialien(z.B. Stahlbeton) als Bewehrung eingesetztwerden. Dadurch werden extrem dünnwandigeLeichtbaukonstruktionen möglich.ElastizitätsmodulE-ModulaufDruckkN/cm²mm d=100 d=80 d=70min 1519 1890 1650Auch beim E-Modul macht sich der Vorteil derschlankeren Stäbe in bezug auf ihreQuerschnittsfläche bemerkbar. Die Häufung derhochfesten Faserstränge in der Wandaußenzonewirken bei der Elastizität ebenso festigend wiebei der Zug-, Scher- und Biegebeanspruchung.Es gibt eine optimalesRohrquerschnittsverhältnis, wird dieses überbzw.unterschritten fällt der E-Modul wieder. (jegrößer der E-Modul desto hochwertiger derBambus). Wie auch bei Massivholz reduziertsich der E-Modul mit wachsenderBeanspruchung (5-10%). Die durchaus großeElastizität macht Bambus besonders alsBaumaterial in erdbebengefärdeten Gebietensehr nützlich. Auch werden Baugerüste heute inAsien noch aus Bambus hergestellt.E-Modulauf ZugkN/cm²mm d=90 d=80 d=70min 1700 1790 1400max 2200 2410 ?file://D:\www.bambus\new\de\referate2\eigenschaften\referat1.html 26.10.2002

Bambus und seine mechanischen Eigenschaften Seite 5 von 11BambusgerüstE-Modul aufBiegung kN/cm²StabaußenfaserzugseitigStabinnenfaserzugseitigkompl.Rohrdurchmessermm d=100 d=70 d=301690 2270 32501360 1890 -1700-2200BiegefestigkeitBiegefestigkeitkN/cm²mm d=100 d=80 d=70min 1,519 1,890 1,650Atrops untersuchte für Baustoffe üblicheBambusmaterialien: Rohrdurchmesser 70-100mm, Wanddicken 6-12 mm bei Stützweiten von3,60m . Die elastische Durchbiegungen warenmin =1/25,9 und max 1/16,1und im Mittel 1/20,1der Stützweiten. Dort, wo in der Konstruktioneine Durchbiegung unvermeidbar ist und störendwirkt, können die frisch geschlagenen Rohreerstmal einer Vorbiegung (Überhöhung)unterzogen werden., die sich Später unter derNutzlast wieder ausgleicht.ScherfestigkeitScherfestigkeitkN/cm²StabRohrmin=1,69 max=2,31 mittel=1,98min=1,47 max=2,22 mittel=1,67Vor allem für die Gestaltung derBambusrohrverbindungen ist dieBerücksichtigung des Scherwiderstandeswichtig. Die Angaben unter "Stab" betreffenProbekörper als Rohrwandstreifen Zweischnittig,unter "Rohr" betreffenganze Rohrabschnittevierschnittig. Der Einfluss desScherflächenabstandes nimmt bei wachsenderScherflächenlänge ab. Bei 10mm Wandstärke istdie Scherfestigkeit etwa 11% geringer als bei6mm Wandstärke; bedingt durch die Verteilungder hochfesten Faseranteile proQuerschnittsfläche. Die Tabellenwerte stammenfile://D:\www.bambus\new\de\referate2\eigenschaften\referat1.html 26.10.2002

Bambus und seine mechanischen Eigenschaften Seite 6 von 11Querschnittsfläche. Die Tabellenwerte stammenvon Internodienmaterial. Die Werte fürNodienmaterial liegen etwa um 50% höher.BruchverhaltenBruchverhaltenBruchverhaltenDas Bruchverhalten des herkömmlichenBauholzes unterscheidet sich vomBruchverhalten des Bambus. Hier erfolgt beimReißen einzelner Fasern kein spontaner Bruchdurch das ganze Material (Rohr). Dieauftretenden Risse werden sofort inFaserrichtung abgelenkt und beeinträchtigendamit weniger die festigkeitsgefährdete Stelle.Der Energiezufluß ist durch Zerstreuungverzögert. Die entstehenden Längsrisse werdenan ihrer Ausbreitung über die gesamte Rohrlängedurch die Verstärkungsknoten (Nodien,Diaphragmen) gehindert. Besonders die Druck-,Scher- und Spaltfestigkeit wird durch dasKnotenmaterial erhöht. Derartige Symptomewerden als Steigerungsfaktoren derBruchzähigkeit bezeichnet. In der Forschung beimodernen Verbundwerkstoffen versucht manauch weniger die Rissebildung zu unterbinden,als vielmehr einer Risseausbreitung durchgeeigneten Materialaufbau entgegenzuwirken.Nach Cooper wird die Brucharbeit vom Verhältnisder Faserfestigkeit zur zur Matrixfestigkeit sowieder Bindefestigkeit zwischen Fasern und Matrixmaßgebend beeinflußt. Dabei muß eineVerbesserung der Bruchzähigkeit meistens miteiner Verminderung der Festigkeit quer zu denFasern erkauft werden (Totalspaltung,unbegrenzte Längsspaltbarkeit von Internodien).SchlagbruchverhaltenDie zum Durchschlagen eines Bambusrohresverbrauchte Arbeit A:f (mkp/cm²) bleibt nahezugleich, ob der Schlag den Knoten oder denSchaft trifft. Die Brucherscheinung selbst istjedoch ganz verschieden. Beim Schlag auf denKnoten zerspringt das Rohr in axiale Streifen;Bruch infolge Überwindung der Festigkeit inFaserquerrichtung. Beim Schlag auf dasInternodium erfolgt das eigentliche Abbrechen;Bruch infolge Überwindung der Zugfestigkeit derFaserlängsrichtung. Die Werte derBruchschlagarbeit (D=30 mm; d=4 mm) liegenfile://D:\www.bambus\new\de\referate2\eigenschaften\referat1.html 26.10.2002

Bambus und seine mechanischen Eigenschaften Seite 7 von 11Bruchverhaltenbei 2,65 mkp/cm². Da es sich hier um einenRohrkörper handelt, wird damit mehr dieGestaltfestigkeit benannt und kann deshalb mitdem Wert von Fichte (0,5 mkp/cm²) nicht direktverglichen werden.Untersuchungen zur Tragfähigkeitvon Dr. Simon Aicher, Otto- Graf-InstitutDruckfestigkeitDruckfestigkeit E-Modulmittlere Biegefestigkeitmittlere Biegefestigkeit bei idealerTrocknungmittleres Biege-E-Modulmittleres Zug-E-Modul5,6kN/cm²1840kN/cm²7,4 kN/cm²10 kN/cm²1790kN/cm²1900kN/cm²Untersuchungen zur Tragfähigkeit der BambusartGuadua Angustifolia von Dr. Simon Aicher, Otto-Graf-Institut Hier waren die Voraussetzungen,daß die Rohre eine Querschnittsschlankheit von3

Bambus und seine mechanischen Eigenschaften Seite 8 von 11wesentlichen den großen Unterschied der Datenerklärt) (Druckfestigkeit nahm meist mit dem Alterzu. Auf Druck hielten Einjährige 2,61 kN/cm² und6-jährige 7,05 kN/cm² aus. Auf Zug gab es aberVerwunderung bei einem Einjährigen mit 32,06kN/cm². Die Zugfestigkeit nahm bei 5-6 Jährigendeutlich ab)§ Proben aus vier festgelegten Höhen (dunkleäußere Zone mit dichtgedrängten Fasern von etwa30% mit einer Zugfestigkeit von 20,52 kN/cm² undeine weiße, innere, porige Zone von 70% mit einerZugfestigkeit von nur 7,06kN/cm²; imKnotenbereich ist die Faseraufteilung dagegendurchwachsen und ergibt einen Mittelwert von11,75 kN/cm²)§ Veränderungen der Dimensionen bei derBefeuchtung über den Fasersättigungspunkt, zumBeispiel beim Kontakt mit frischem Mörtel, führeninsbesondere bei weichen, jungen Fasern zureichlich Wasseraufnahme. Älterer Bambusdagegen variiert erheblich weniger.ErgebnisWie unschwer zuerkennen ist,variieren diePrüfungsergebnissestark. Ob ein direkterVergleich möglichist, ist fraglich.Besonders weil diePrüfungsbedingungenoft unklar sind.estzuhalten ist, daßalle Prüfergebnissevon denKolumbianischenübertroffen werden,CIBAM inZusammenarbeit mitder Universidad delValle, Cali (1000 müber NN) hat einElastizitätsmodul von2.130 kN/cm²erarbeitet, anderefile://D:\www.bambus\new\de\referate2\eigenschaften\referat1.html 26.10.2002

Bambus und seine mechanischen Eigenschaften Seite 9 von 11bamboo forestProben in Medellin(1800 m) und derKaffeeregion 1400-1700 m NN weisennoch höhere Werteauf. Auch dientersuchungen zuden Druck- undZugfestigkeitenhaben Differenzen.Hier wird bei einigenPrüfungenunterschieden, obRohrabschnitte mitoder ohne Nodiengeprüft wurden oderzwischwen der Dickeder Rohre. Außer derMeereshöhe hat dasAlter der Stangeneinen großen Einflußauf die Verkieselungder Gefäße und führtzu erheblicherZunahme derDruckfestigkeit. DieLage der an denBaustellenverwendetenBambussektion imBezug auf dieGesamthöhe einerGuaduastange, hatgroßen Einfluß aufWandstärke undRißfreiheit , ebensodieBodenbeschaffenheitund die Feuchtigkeitdes Bodens.Vergleich der UntersuchungsergebnissekN/cm² Zugfestigkeit Druckfestigkeit E-Modul BiegefestigkeitDB-Zeitung 14,8-38,4 6,2-9,3 2000 7,6-27,6Dr.S.Eicher - 5,6 1840 7,4-10Dr.H.Lopez 19,19 3,93 2150 -Prof.Janssen - - 1760 14,48Um einen Eindruckzu bekommen , wieunterschiedlich dieverschiedenenPrüfungsergebnissesind und um eineEntscheidung zutreffen, ob sievergleichbar sindoder nicht, hiernochmal eine Tabellemit den wichtigstenErgebnissen derverschiedenenInstitute undPrüfungen.file://D:\www.bambus\new\de\referate2\eigenschaften\referat1.html 26.10.2002

Bambus und seine mechanischen Eigenschaften Seite 10 von 11Ungefähre Richtwerte von Bambus 'guadua angustifoliakN/cm²E-Modul 1800ZugDruck 3,9Biegung 7,6Schub 0,9d=12cm; d=9cmA=50cm²W=100cm³I = 700 cm4Will man trotzdemungefähre Richtwerteangeben, so sollteman sichsicherheitshalber andie niedrigerenFestigkeitswertehalten um in jedemFall auf der sicherenSeite zu sein. Selbstdann garantiert derBambus noch eineoptimale AusnutzungdiesesaußergewöhnlichenBaumaterials.LiteraturlisteArce-Villalobos, Oscar Antonio, -Eindhoven, Faculteit Bouwkunde, Technische Universiteit Eindhoven:Fundamentals of the Design of Bamboo Structures, Thesis Eindhoven. -Met index .ref. ISBN 90-6814-524-XAtrops, J. L.: Elastizität und Festigkeit von Bambusrohren. Der Bauingenieur 44 (1969), Heft 6Janssen, J.A.: Bamboo in Building Structures, Dissertatie Drukkerij Wibro, Helmond, 19.Mai 1981Janssen, J.A.: Bamboo research at the Eindhoven University of Technology, Eindhoven 1990Lindemann, Josef; Steffens, Klaus: Der bambus-Pavillion zur EXPO 2000 in Hannover, Bautechnik 77(2000), Heft 6+7, Verlag Ernst & SohnMitteilungen des Institus für leichte Flächentragewerke IL Nr. 31 (1996), 3. Unveränd. Aufl., KarlKrämer Verlag Stuttgart.NN: Grow your own House, Verlag Vitra Design Museum, Weil a. Rhein 2000, ISBN 3-931936-25-2.Roland, Klaus, Dipl-Ing. Päd., u.a.: Wissensspeicher Holztechnik: Grundlagen, VEB FachbuchverlagLeipzig 1988, 2. Aufl., 1988, S. 43 - 45; Dunkelberg, Klaus, "Bambus als Baustoff", in: Mitteilungendes Institus für leichte Flächentragewerke IL Nr. 31 (1992), 2. Unveränd. Aufl., Karl Krämer VerlagStuttgart.file://D:\www.bambus\new\de\referate2\eigenschaften\referat1.html 26.10.2002

Bambus und seine mechanischen Eigenschaften Seite 11 von 11Stamm, Jörg: Guadua im Kontext, Brief an Prof. Wilfried Führer, Lehrstuhl für Baukonstruktion II(Tragwerklehre), RWTH Aachen.Urlfile://D:\www.bambus\new\de\referate2\eigenschaften\referat1.html 26.10.2002