Mechanische Eigenschaften von Bambus von Christoph Tönges

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 1 von 19Mechanische Eigenschaften von BambusGrundlagenEinführungDer Bambus ist in Größe, Leichtigkeit und Festigkeit einextremes Produkt der Natur. Aufbau und Eigenschaftenentsprechen denen eines hochmodernen High-Tech-Werkstoffes:er ist stabil, aber dank seiner Hohlräume extrem leicht undelastisch, wird durch die Trennwände versteift und hatphysikalische Eigenschaften, die denen anderer Materialien wieHolz, Beton oder Stahl teilweise weit überlegen sind. WährendHolz einen harten Kern hat und nach außen immer weicher wird,ist Bambus außen hart und innen weich - ein viel stabilererAufbau.Zum besseren Verständnis seiner mechanischen Eigenschaften,wird zunächst auf die Pflanze selber eingegangen.1 BambushainBambusaeWeltweit gibt es etwa 500 verschiedeneBambusfamilien (Bambusae) mitteilweise hunderten von Unterarten,davon 2500 im tropischen Südamerika.In Kolumbien allein werden in Kunst,Handwerk und Baukonstruktion etwa 25verschiedene Riesenbambusseverarbeitet.2 Verschiedene Phyllostachys-BambusartenDer durch von Humboldt und Kuntbezeichnete "guadua angustifolia"wächst bis 1800 m NN in zweiUnterarten namens guadua macanaund guadua castilla meist in kleinenWäldchen entlang der Bäche, aberauch auf Wiesen oder Hanglagen. Ererreicht eine Höhe von etwa 20-25 mund Durchmesser bis 18 cm. Dabeiwächst jeder Stengel aus einemNetzartigen Wurzelsystem heraus,erreicht in einem Jahr seine volle Höhefile://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 3 von 19FasernDer Rohrwandquerschnitt durch ein Bambusinternodium > 8zeigt eine dekorative Musterung. Die dunklen Punkte sind dieFasern der Gefäßbündel (Leitbündel), die hellen Flächen dieFasern des Grundgewebes. Von innen nach außen ist einekontinuierliche Häufung der Leitbündel zu sehen. Diereißfesteren Faserstränge der Leitbündel liegen dort amdichtesten, wo die statische Beanspruchung am größten sind, inder Randzone > 9 ähnlich der Stahlbewehrung beimStahlbetonbau.8 Bambus-Rohrwandquerschnitt,RandzoneDie moderne Werkstofftechnik spricht bei armierten Materialienvon Faserverbundwerkstoffen. Hochfeste Fasern werden in einefüllende Grundmasse (Matrix) gebettet. Ein Zweig derBetonforschung geht ebenfalls in Richtung Beton mitFaserbewehrung. Die Spezialglasfaser Cemfil liefert schonvorgefertigte Betonteile mit beachtlichen Festigkeitswerten.Im Pflanzenbereich hat die Evolution zu effektivenLeichtbaukonstruktionen geführt: DünnwandigeQuerschnittsformen mit aussteifenden Elementen, so daß dasGesamtträgheitsmoment in der Biegerichtung möglichst großwird > 10.Das Bambusrohr ist ein Musterbeispiel für pflanzlicheLeichtbauweise. In der äußersten verkieselten Randschichtlaufen axialparallel hochelastische Fasern (L= 0,6-3,96 mm; B=0,007-0,036 mm) mit einer Zugfestigkeit bis zu 40 kN/cm 2 .Zum Vergleich: Holzfasern ca. 5 kN/cm 2 , St 37 Baustahl 37kN/cm 2 und Glasfäden bis zu 700 kN/cm 2 .9 Bambus-Rohrwandquerschnitt10 Querschnittsformen von Pfeiffengrasund HolunderDie unbegrenzte Längsspaltbarkeit der Bambusrohrwand in denInternodien ist durch die streng parallel gerichteten Fasernbedingt; in den Nodien aber durchkreuzen sie sich nach allenRichtungen. Diese Verstärkungsknoten mit stark verkieseltenDiaphragmen erhöhen die Spaltfestigkeit und die Knickfestigkeitdes Rohres.Das Bambusgewebe hat keinen radialen Faserverlauf wie dieMarkstrahlen der Dikotyledonen und auch kein Kambium,weswegen ein Dickenwachstum oberhalb des Erdbodensunterbleibt. Der ganze Halmquerschnitt wird ein einziger'Jahresring' > 8, 9. Aus der Mechanik wissen wir, daß beigleichem Materialanteil ein zylindriches Rohr, verglichem miteinem vollem Rundstab, die vierfache Biegesteifigkeit hat. Dieprimitiven Pflanzen sind deshalb ausgestorben. Sie besaßenentlang der Achse nur einen verstärkenden Gewebestrang alsArmierung.Zellen und Leitbündelfile://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 4 von 19ZellenSo 'erfand' die Natur nach und nach denHohlkörper. Alle folgenden Neuerungenbestanden nicht aus neuenBauelementen, sondern nur ausverbesserten und raffiniertenAnordnungen dieser Elemente: denZellen - die kleinste Einheit allerOrganismen.11 Gefäßbündel Laubholz12 Gefäßbündel BambusEin Halm oder Stamm hat nicht nureinen statischen Zweck, sondern erfunktioniert auch noch als kompliziertesOrgan. Er transportiert Wasser undNährstoffe aus der Wurzel in dieentferntesten Blattspitzen, und von dortaus wieder organische Verbindungenzur Wurzel.Das Achsenmaterial darf also nichtausschließlich grobes Baumaterial mitoptimaler Zug-, Druck- undBiegefestigkeit sein.Die Pflanzenzellenwände bestehen aushochkomplizierten Gebilden, ausSystemen von Molekülsorten. Dabei hatdie Zellulose den wichtigsten Anteil.Durch Kombination mit anderenMolekülen (Lignin) lassen sich dieZellenwände differenziert aussteifen. DieZellulose und Teil der Hemizellulosedienen als Gerüstsubstanz, das Ligninals Binde- und Füllmittel. So bestimmtder Zelluloseanteil die Knick- undZugfestigkeit, der Ligningehalt dieDruckfestigkeit eines Gewebes.Diese elastische Stabilität alsleistungsfähiges Konstruktionsprinzip imMikrobereich findet bei den Bauten derEingeborenen mit Bambus als Baustoffund Werkstoff sein Pendant. AlleBauteile werden analog, gegeneinanderbeweglich, miteinander verbunden.LeitbündelDie Zellenbündel nennen wir Fasern. DieFasernstränge eines Leitgewebes(Transportgewebe) sind im Leitbündel(Gefäßbündel) vereint > 11, 12. Gestalt,Richtung, Anzahl und Verteilung derLeitbündel charakterisieren dieanatomische Struktur desBambusgewebes. Sie können auch zurmikroskopischen Bestimmung vonBambusarten und '-abarten' dienen.Die Artbestimmung nach denReproduktiven Strukturen oderphysiologisch vegetativen Merkmalenvorzunehmen ist oft nicht erfolgreich.Eindeutiger sind die signifikantenanatomischen Unterschiede derfile://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 5 von 1913 Bambus Rohrwandquerschnitt14 Bambusrohr QuerschnitteLeitbündel. Kratzsch teilt den Bambus-Rohrwandquerschnitt in vier Zonen ein >13. Die Form der Leitbündel =Gefäßbündel variiert stark von derRohrwandaußenseite zurRohrwandinnenseite hin. In der Zone Iund II sind zwei ungleich große'Bastsicheln' (gepunktet) um zweiTüpfel- und ein Ringgefäß angeordnet >12, 13 r.o.Von der Zone III bis IV formt sich dieBastsichel um den Siebteil, dieTüpfelgefäße und das Ringgefäßlangsam herum, die innere Bastsichelrückt ab und verringert ihren Umfang, sodaß ein vollständiges GefäßbündelvonBambus vulgaris letztlich fünfBastfaserteile besitzt > 13 r.u.Sämtliche Bambusarten zeigen ähnlicheFormvariationen der Gefäßbündel. IhreStruktur, Dichte und Verteilung habeneinen direkten Einfluß aufMaterialeigenschaften undVerwendungsmöglichkeiten des ganzenRohres oder eines Ausschnittes vonZone I bis IV.Umgekehrt lassen sich die Bambusteileeines Werkstückes durch ihrephysiogonomische Charakteristikamikroskopisch diagnostizieren, diebetreffende Bambusart bestimmen undin die Querschnittszone, der sieentstammen, wieder einordnen.Die Spaltstreifen aus Zone I bis II sindhart, steif, feinfaserig bis glatt; dieStreifen aus Zone III bis IV sind weich,geschmeidig, rauh bis grobfaserig undabspanend. Darüber hinaus sind nochweitere Komponenten für dieMaterialunterschiede ausschlaggebend,ob der Bau- oder Werkstoff von ganzjungen, einjährigen, mehrjährigen,dünnwandigen, dickwandigen Rohren >14, aus der Halmbasis, -mitte oder -spitze stammt. Es ergeben sich somitfür die jeweiligen Materialabschnitte und-ausschnitte unterschiedlicheVerwendungszwecke.Bambus im Testfile://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 6 von 19EinführungWir wissen von Massivholz, dass seine mechanischen Eigenschaftendurch Klima- und Bodenverhältnisse, Standort, Alter, Schlagzeit,Feuchtigkeitsgrad etc. beeinflusst werden. Ferner treten größereUnterschiede über die Stammlänge oder den Querschnitt verteilt auf,und außerdem, ob die Kräfte parallel oder senkrecht zur Fasergerichtet sind.Fast noch größer ist die Streuung der Festigkeitswerte bei Bambusals Hohlzylinder mit sehr unterschiedlicher Materialdichte innerhalbder Rohrwand und den Senkrecht dazu stehenden Knotenscheiben.Ein genaues Bild der Werte können nur Angaben von Bambusstäben(Rohrwandstreifen) und Bambusrohren vermitteln.15 guadua angustifoliaStandardisierung16 VierkantbambusDa jeder Bambusstab unterschiedlich ist und sich kaum wie einHolzbauelement zuschneiden läßt, läßt er sich nicht standardisieren.Eine Ausnahme bildet einzig der vierkantige Bambus, der entsteht,indem man über den Bambus-Sprößling eine vierkantige Schalunglegt, in die der Stab hineinwächst > 16, 17. Der Vierkantbambus hatden Vorteil, daß bei Verbindungen größere Kontaktflächen entstehen.In China wurde im 18. Jahrhundert auch von einem Bambus mitdreieckigem Querschnitt berichtet. Auch Baunormen für Bambusfehlen bislang noch, was die Verwendung in Ländern mit strengenBauvorschriften erschwert.Jedoch gibt es einen ersten Entwurf der ISO zum Testen vonBambus: Determination of physical and mechanical properties ofbambooDie mechanischen Eigenschaften von Bambus hängen von derbotanischen Spezies, dem Alter des Stabes bei der Ernte, demFeuchtigkeitsgehalt und natürlich von Durchmesser und Wandstärkeab.17 Herstellungsprinzipfile://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 7 von 19Festigkeitseigenschaften18 Druckfestigkeit von Bambusrohren und -stäbenDruckfestigkeitin kN/cm²Rohrd= 60 d= 32StabParallel zur Faser 6,36 8,63 6,21Senkrecht zur Faser 5,25-9,30Druckfestigkeit von BambusRohrabschnitte mit Nodien haben gegenüberAbschnitten ohne Nodien nur ca. 8% höhereFestigkeitswerte bei Druck parallel zur Faser.Bei Druck senkrecht zur Faser bringen Nodieneine Festigkeitssteigerung bis zu 45%gegenüber nodienlosen Rohrabschnitten.19 Zugfestigkeitswerte von Bambusrohren und -stäbenZugfestigkeitin kN/cm² aus d= 80 aus d= 30Äußere FaserschichtInnere FaserschichtGanze WanddickeBambusrohrabschnittmin 30,68max 32,73min 14,84max 16,33min 16,27max 21,51min 35,74max 38,43min 13,53max 19,47min 23,25max 27,58Nodienhaltig 22,77Nodienlos 29,11Zugfestigkeit von BambusDie Bambusaußenhaut ist wesentlich zugfesterals die Innenhaut, und schlanke Rohre sinddickeren Rohren in Relation zurQuerschnittsfläche überlegen. Mit diesenErgebnissen wird auch die größereBiegefestigkeit von dünnen Rohren gegenüberdicken erklärt; bei dicken Rohren ist derFlächenmäßige Anteil der zugfesterenAußenhautfasern am Gesamtquerschnittgeringer. Bambusmaterial aus dem oberenHalmdrittel besitzt eine um ca. 12% geringereZugfestigkeit als Material aus der Halmbasis.Nodienstellen wirken sich bei Zugbeanspruchungfestigkeitsmindernd aus > 21, 22, 23.20 Zugfestigkeit von einigen organischen Materialien imVergleichArtkN/cm²Nadelhölzer 5-15Laubholz 2-26Seide 35Bambus 12-40Irischer Flachs 60-11021 Elastizitätsmodul von Bambusrohren beiDruckbeanspruchungE DElastizitätsmodul-Druck kN/cm²mm d= 100 d= 80 d= 70min 1.519 1.890 1.650Elastizität von BambusSchlanke Bambusrohre oder Stäbe davon ausder Rohrwand haben dicken Materialiengegenüber höhere Festigkeitswerte in Relationzur Querschnittsfläche. Die Häufung derhochfesten Faserstränge in der Wandaußenzonewirken bei der Elastizität ebenso festigend wiefile://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 8 von 1922 Elastizitätsmodul von Bambusrohren und -stäben beiZugbeanspruchungE ZElastizitätsmodul-Zug kN/cm²mm d= 90 d= 80 - Stabmin 1.700 1.790 1.400 1.700wirken bei der Elastizität ebenso festigend wiebei Zug-, Scher- und Biegebeanspruchungen.Wie bei Massivholz reduziert sich auch derElastizitätsmodul von Bambus mit wachsenderBeanspruchung (5-10%). Für Berechnungen vonKonstruktionen kann ein E-Modul von 2.000kN/cm² eingesetzt werden > 21, 22, 23.max 2.200 2.410 3.160 1.80023 Elastizitätsmodul von Bambusrohren beiBiegebeanspruchungE BElastizitätsmodul-Biegung kN/cm²mmaus d=100aus d=70aus d=30StabaußenfaserzugseitigStabinnenfaserzugseitig1.690 2.270 3.2501.360 1.890 -Bambusrohre 1.700-2.200 -24 Biegefestigkeitswerte von Bambusrohren und -stäben [?]Biegefestigkeit kN/cm² [?]mm d= 100 d= 80 d= 70min 1.519 1.890 1.650Biegefestigkeit von BambusAtrops untersuchte für Baustoffe üblicheBambusmaterialien: Rohrdurchmesser 70-100mm, Wanddicken 6-12 mm bei Stützweiten von3,60 m. Die elastischen Durchbiegungen warenmin=1/25,9; max=1/16,1; Mittel 1:20,1 derStützweite. Dort, wo in der Konstruktion eineDurchbiegung unvermeidbar und störend ist,könnten die frisch geschlagenen Bambusrohreerst einer Vorbiegung (Überhöhung) unterzogenwerden, die sich später unter der Nutzlast wiederausgleicht > 24.25 Scherfestigkeit von Bambusrohren und -stäbenScherfestigkeit kN/cm²Stab min 1,69 max 2,31 Mittel 1,98Rohr min 1,47 max 2,22 Mittel 1,67Scherfestigkeit von BambusrohrVor allem für die Gestaltung derBambusrohrverbindungen ist dieBerücksichtigung des Scherwiderstandeswichtig. Die Angaben unter ‚Stab' betreffenProbekörper als Rohrwandstreifen zweischnittig,unter ‚Rohr' betreffen ganze Rohrabschnittevierschnittig. Der Einfluß desScherflächenabstandes ist unbedeutend, aberdie Scherfestigkeit nimmt bei wachsenderScherflächenlänge ab. Bei 10 mm Wandstärkeist die Scherfestigkeit etwa 11% geringer als bei6 mm Wandstärke; bedingt durch die Verteilungder hochfesten Faseranteile proQuerschnittsfläche, vgl. Druck, Zug, Biegung.Die Tabellenwerte stammen vonInternodienmaterial. Die Werte für Nodienmaterialliegen um ca. 50% höher > 25.file://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 9 von 19Testergebnisse26 Bambus im TestDoktorarbeit von Jules JanssenDownload Promotion im PDF-Format, Englisch, 238 Seiten 4,21MB - ZIP-FileIn seiner Doktorarbeit vom 19. Mai 1981 beschrieb Jules Janssen die enorme Effizienz des MaterialsBambus. Aufschluß über die Nachhaltigkeit von Bambus gibt ein Vergleich der Energiebilanzenverschiedener Baustoffe (also die Energie, die benötigt wird, um eine Einheit eines Baustoffs einerbestimmten Belastbarkeit zu produzieren):27 Energy, needed for production, compared with stress when in usematerialenergy forproductionMJ/kgweight pervolumekg/m³energy forproductionMJ/m³stresswhen inusekN/cm²ratio energyper unit stress(1) (2) (3) (4) (5) (4)/(5)concrete 0,8 2400 1920 0,080 24.000steel 30,0 7800 234000 1,600 150.000wood 1,0 600 600 0,075 8.000bamboo 0,5 600 300 0,100 3.000The figures in table 27 are not exact, they give only an order of magnitude. From last column,however, it can be seen that steel and concrete make a heavy demand on a large part of the energyressources of the 'missile' Earth, contrary to wood and bamboo.In fact this table should be enlarged with the lifetime of the materials concerned.Anhand des folgendem Beispiel vergleicht er die Materialeffizienz unterschiedlicher Baustoffeanschaulich:file://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 10 von 1928 The bridge has been calculated on 0,75 kN plus dead weight29 Efficiency of materials in the bridge of 28materialConcrete(reinforced)stresskN/cm²crosssectionmmdeflectionmmmass ofbridgekg0,10 40x100 9,0 32Bamboo and wood are alsoefficient in bending, becauseonly 5 or 6 kg are requiredcompared with 13 or even 32 kgfor steel or concrete.Steel 1,60 30x30 31,0 13Wood 0,10 35x100 15,0 6Bamboo 0,10 d=80-100 7,5 5Ein weiterer interessanter Aspekt ist das Verhalten von Bambus unter außergewöhnlich hohenBeanspruchungen wie sie bei Erdbeben oder Orkanen festzustellen sind.30 Gaussian curves of stressesThe behaviour of bamboo in anearthquake or a cyclone, whichin fact is a dynamic overloading.It's behaviour in overloading canbe seen in Fig.30, whereGaussian curves are plotted forstresses in concrete, steel andwood plus bamboo, in such away that the 'stress in use' is thesame value in each plot. In caseof an earthquake or cyclone, thestress increases, and from thisfigure it can be seen that steelwill fail before concrete does.Fig.30 is statical only; in fact itshould be enlarged with thedynamic aspects, i.e. thesurface under the stress-straindiagram.When all the steel has failed,and 80 percent of the concrete,only 10 percent of the wood andbamboo has failed, and theremaining 90% is still present.However, sometimesfile://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 11 von 19earthquakes and cyclones arefollowed by fire, due to stovesfalling on the floor, and thisdestroys wood and bamboo aswell.An advantage of bamboo, nottaken into account in theprevious text, is the absorption ofenergy in the joints. In the staticloading on the trusses it will befound that 85% of thedeformation is due to the jointsand only 15% to the elastic ofthe material.31 Baugerüste aus BambusBambus wird auch für große,offene und exponierteKonstruktionen benutzt - etwa fürBaugerüste (> 31),Wellenbrecher,Leitungssysteme, Brücken oderals Überdachung öffentlicherRäume. Manche Völker bauenaus Bambus zeremonielleStrukturen, die einen geheiligtenRaum markieren und alsVersammlungsort dienen.Spektakulär sind die Baugerüsteaus Bambus, wie sie seit jeherin asiatischen Ländern benutztwerden. In boomendenMetropolen wie Hong Kong oderShanghai wachsen dieseGerüste teilweise bis zu 70Stockwerke hoch und fürAußenarbeiten an oberenStockwerken improvisiert manscheinbar frei schwebendeGerüste.Nach einem Taifun sieht man inasiatischen Großstädten oft dasgleiche Bild: die Stahlgerüstesind zerstört, während dieBambusgerüste, zwar etwasverzogen, stehengeblieben sind.Kein Wunder, denn die Gerüsteaus Bambus sind um einVielfaches elastischer alsvergleichbare Strukturen ausStahl.Belastbarkeitstest von guadua angustifolia am Technologischen Institut in Costa Ricaerarbeitet in Zusammenarbeit mit Prof. Janssen vom Eindhoven Technology Institut, 1989Spezifisches Gewicht 0,82relative Feuchte 10%Beanspruchung auf Durchbiegung, MORElastizitätsmodul, MOE14,48 kN/cm²1.760 kN/cm²file://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 12 von 19Belastbarkeitstest von guadua angustifolia an der Universität Valle, Cali mit CIBAM inPalmira, Kolumbiendurchgeführt unter der Leitung von Architekt Oskar Hidalgo Lopez, damals auch an der UniversidadNational Bogota, sowie Ing. Jose Villar y Ing. Patricia Imery.Die Vorgehensweise orientiert sich an der Veröffentlichung von Motoi Otta: 'Studies on the propertiesof Bamboo Stem'.32 TestergebnissekN/cm² min max DurchschnittElastizitätsmodul65 Proben1.350 2.770 2.150Längsdruck, parallel76 Probenohne Knoten: 2,26mit Knoten: 2,627,056,363,93Zugbelastung, parallel163 Probenohne Knoten: ????mit Knoten: 12,1732,1320,6819,19Spaltbarkeit27 Proben0,45 1,44 0,93? Zu diesen Versuchen wurden 13 Exemplare zwischen 9 und 13 cm Durchmesser und 17 bis 23Metern Länge ausgesucht, gewachsen auf etwa 1000 m NN und einem mittleren Wanddurchmesserunten von 22 und auf halber Höhe von etwa 10 mm. Das Alter der Stangen war zwischen 9 Monatenund 7 Jahren, was im wesentlichen den großen Unterschied der Daten erklärt. Aus jeder Stangewurde die Probe aus vier festgelegten Höhen genommen.? Am Schnitt eines solchen Zylinders unterscheidet man eine dunkle äußere Zone mitdichtgedrängten Fasern von etwa 30% und eine weiße, innere, porige Zone von 70%. Die äußereZone ergab eine Zugfestigkeit von 20,52 kN/cm², die innere dagegen nur 7,06 kN/cm².? Im Knotenbereich ist die Faseraufteilung dagegen durchwachsen und ergibt einen Mittelwert von11,75 kN/cm². Dieser Knoten, oder Ring hat auch eine höhere Spaltbarkeit, aber:? Möglicherweise wegen der geringen Höhe der Proben in den Druckversuchen - die Zylinder hatten10-fache Länge des Durchmessers - konnte nicht bestätigt werden, daß der Knoten die Festigkeiterhöht.? Gegen alle Erwartungen und früherer 'Forschungen' nahm die relative Druckfestigkeit mit der Höheüber Grund geringfügig zu, die Basalproben waren am kleinsten.? In den meisten Fällen nahm die Druckfestigkeit mit dem Alter zu. Auf Druck hielten Einjährige 2,61kN/cm² und 6-jährige 7,05 kN/cm² aus. Auf Zug gab es aber Verwunderung bei einem Einjährigen mit32,06 kN/cm². Die Zugfestigkeit nahm bei 5-6 Jährigen deutlich ab.? Veränderungen der Dimensionen bei der Befeuchtung über den Fasersättigungspunkt, zumBeispiel beim Kontakt mit frischem Mörtel, führen insbesondere bei weichen, jungen Fasern zureichlich Wasseraufnahme. Älterer Bambus dagegen variiert erheblich weniger. Die Dimensionen desZylinders variierten maximal 5% und der Wanddurchmesser bis zu 13%, bei 24-stündigerBefeuchtung jedoch nur 2,5% im Zylinder und 5% in der Wand.? Simón Vélez persönlicher Erfahrung nach ist aber nur eine Haarfuge zu sehen und der Schwundist unwesentlich für die Festigkeit der Injektion. Die Gegenwirkung von Rohrumfang undWanddurchmesser könnten die Ursache sein, außerdem übernehmen ohnehin nur die Internodienden Druck des MörtelzylindersZusätzliche Bemerkungen? Die Prüfergebnisse von Costa Rica werden von den Kolumbianischen übertroffen, CIBAM inZusammenarbeit mit der Universidad del Valle, Cali (1000 m über NN) hat ein Elastizitätsmodul von2.130 kN/cm² erarbeitet, andere Proben in Medellin (1800 m) und der Kaffeeregion 1400-1700 m NNweisen noch höhere Werte auf.? Außer der Meereshöhe hat das Alter der Stangen einen großen Einfluß auf die Verkieselung derGefäße und führt zu erheblicher Zunahme der Druckfestigkeit.? Die Lage der an den Baustellen verwendeten Bambussektion im Bezug auf die Gesamthöhe einerGuaduastange, hat großen Einfluß auf Wandstärke und Rißfreiheit, ebenso die Bodenbeschaffenheitund die Feuchtigkeit des Bodens.file://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 13 von 19? Die Hohlkörper des frisch gefällten Bambus stehen manchmal voller Wasser. Für Baumaßnahmenmüssen die Stangen daher erst langsam getrocknet werden und dann je nach Krümmung,Durchmesser, Gewicht und Klangprobe ausgesucht werden.? Konstruktiver Holz- und Bambusschutz ist eine Jahrhundert-Garantie für dieses Material, es gibt inManizales über hundert Jahre alte Bauwerke mit unbeschädigtem Guadua. Die jahrelange Erfahrungder Handwerker und der Architekten, ganz besonders Simón Vélez garantieren die Ausführung unterBerücksichtigung all dieser Konditionen.Doktorarbeit von Oscar Antonio Arce-Villalobosvom 21.Sep.1993Download Promotion in PDF-Format, Englisch, 281 Seiten 6,55MB - ZIP-FileRechtwinklige KrafteinleitungAufgrund der axialen, unidirektionalen Ausrichtung der Fasern ist das Material Bambus nichtbesonders für rechtwinklige Krafteinleitungen geeignet. So beträgt im Durchschnitt derElastizitätsmodus in Querrichtung nur 1/8 des E-Moduls in Richtung der Fasern. Das Material istalso wenig geeignet, um solche Kräfte aufzunehmen, da es sehr schnell aufbricht. Dabei sind dieBambusarten Guadua s.p. und Bambusa Blumeana am ehesten geeignet, quer auftretende Kräfteaufzunehmen. Einen charakteristischen Wert der beiden Spezies zu ermitteln, war jedoch nichtmöglich. Ebenfalls unmöglich war es dem Autor, einen Zusammenhang von aufnehmbarer,quereinwirkender Kraft und der Dichte des Materials herauszufinden. Jedoch steht fest, dass deräußere, dichtere Bereich des Bambushalmes eher in der Lage ist, solche Kräfte aufzunehmen, unddass Risse in dichteren Faserbereichen mehr Energie benötigen, um sich fortzusetzen.33 State of stresses of a specimen under frictionless compressionParallele KrafteinleitungIm Gegensatz zu den quereingeleiteten Kräften, konnte bei axial eingeleiteten Kräften einZusammenhang von Stabilität und Dichte herausgefunden werden. Je dichter die Fasern sind, destowiderstandsfähiger ist das Material. Jedoch weisen die Nodien als schwächstes Glied nur eineFestigkeit von 40% (im Vergleich zu den Internodien) auf. Dafür verleihen die Nodien dem Bambuseine hohe Elastizität, ihr E-Modul ist 40% geringer als das der Internodien. Wird eine Kraft axialeingeleitet, so wird diese vom äußeren Bereich des Bambusquerschnitts aufgenommen. Dieses führtzu ungleichmäßiger Verteilung des Drucks, so dass sich Spannungen aufbauen > 33. Während dieäußere Schicht sich tangential ausdehnt, so zieht sich das Innere zusammen. DieserDruckunterschied kann zu radialen Rissen führen, in Bild 33 oben rechts durch Pfeile angedeutet.Obwohl Arce-Villalobos nicht das Verhalten des gesamten Halms unter senkrechter Krafteinwirkunguntersucht hat, so stellt er jedoch heraus, dass wegen Ausbeulung und Knickgefahr das verbauteMaterial so kurz wie möglich gehalten werden soll. Das Material der Spezies Bambusa Blumeanaweist eine Druckfestigkeit von 27,0 kN/cm² auf, jedoch ist mit diesem Wert keine Berechnung desfile://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 14 von 19gesamten Halmes möglich, da die Nodien (Druckfestigkeit 7,9 kN/cm²) und die Form des Halmes denWert beträchtlich herabsetzen. Es wird geschätzt, dass durch die genannten Beeinflussungen diedurchschnittlichen Werte um bis zu 80% vermindert werden können. Einen positiven Effekt haben dieNodien dennoch, sie vermindern die Ausbeulung des Materials dadurch, dass sich die Fasern,ähnlich einer mehrfachgekrümmten Fläche, zur Halmmitte hin biegen, und somit dem System einegewisse Stabilität verleihen. Versuche, die herausstellen sollten, wie sich das Material unterKompression verhält, gestalteten sich äußerst schwierig. Reibung und Steifigkeit derVersuchseinrichtungen führten oft zu falschen Ergebnissen. Arce-Villalobos achtete dabei sehrdarauf, die Versuche unter möglichst realen Bedingungen durchzuführen, was aber nahezu unmöglichwar. Weitere Forschungsarbeiten sind hier notwendig um das Material exakter bestimmen zukönnen. Besonders die ungleichmäßige Form, die Nodien und die hohe Artenvielfalt seienSchwachpunkte, die das Material noch "unberechenbar" machen.ZERI-Pavillion zur EXPO 2000,Simón Vélez34 ZERI-PavillionDie wesentlichen tragenden Materialien für den Pavillion sindBambus (guadua angustifolia), Holz (aliso), Baustahl, Betonstahlund Beton. Die Baustoffe Stahl und Beton sind geregelteBaustoffe. Für die übrigen Materialien fehlen gesicherteKenntnisse.An der FMPA Stuttgart wurden deshalb Versuche zur Ermittlungfolgender Kennwerte durchgeführt:? mechanische Kennwerte für den Bambus (guaduaangustifolia)? mechanische Kennwerte für das Holz aliso (alnus acuminata)? Tragfähigkeit der Verbindungen der Bambusrohre über Mörtelund Stahl36 Biegeversuch35 ZugversuchAn der FMPA Stuttgart wurden ganze Bambusrohre geprüft undim Mittel mechanische Kennwerte ermittelt > 37.Die Bambusrohre zeigen bei Druckbeanspruchung eingutmütiges Tragverhalten. Es erfolgt kein schlagartigesAusknicken oder Ausbeulen der Wandung.Bei den Biegeprüfungen waren Schubbrüche die häufigsteVersagensart. Diese wurden begünstigt durch extremeTrocknungsrisse parallel zur Stabachse.Im Bereich hoher Schubbeanspruchung wurden daher dieInternodien der Bambusstäbe mit Beton ausgegossen. Im Falleeines Schubversagens verbleibt im ungünstigsten Fall immereine Resttragfähigkeit von zwei Querschnittshälften.Bei fehlenden Schwindrissen wurden Biegetragfähigkeiten vonca. 9,5 kN/cm² erreicht.37 Ermittelte mechanische Kennwerte Guadua und"Vergleichswerte" (Rechenwerte zur Bemessung!)Materialkennwertein kN/cm²GuaduaVollholzNadelholz Baustahl St 37file://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 15 von 19in kN/cm²E-Modul, (Druck ||Faser)E-Modul,(Biegung)E-Modul, (Zug ||Faser)NadelholzS10(DIN 4074T 1)1.840 1.0001.780 302.070 1.000Baustahl St 37(DIN18800/Eurocode)21.000ß D(Druck ||Faser),Lambda= 10 5,6ß D(Druck ||Faser),Lambda= 56 3,90,85 21,8ß D(Druck ||Faser),Lambda= 86 2,7ß B(Biegung) 7,4 1,0 21,8ß T(Schub) 0,43 0,09 12,6ß Z(Zug || Faser)(indirekt ermitteltaus denBiegeversuchen)>=9,5 0,7 21,8Bruchverhalten38 Rissebildung wird in Faserrichtungabgelenkt, BiegebruchDas Bruchverhalten des herkömmlichen Bauholzesunterscheidet sich vom Bruchverhalten des Bambus. Hiererfolgt beim Reißen einzelner Fasern kein spontaner Bruchdurch das ganze Material (Rohr). Die auftretenden Rissewerden sofort in Faserrichtung abgelenkt und beeinträchtigendamit weniger die Festigkeitsgefährdete Stelle > 38. DerEnergiezufluß ist durch Zerstreuung verzögert. Dieentstehenden Längsrisse werden an ihrer Ausbreitung überdie gesamte Rohrlänge durch die Verstärkungsknoten(Nodien, Diaphragmen) gehindert. Besonders die Druck-,Scher- und Spaltfestigkeit wird durch das Knotenmaterialerhöht. Derartige Symptome werden als Steigerungsfaktorender Bruchzähigkeit bezeichnet. In der Forschung beimodernen Verbundwerkstoffen versucht man auch wenigerdie Rissebildung zu unterbinden, als vielmehr einerRisseausbreitung durch geeigneten Materialaufbauentgegenzuwirken. Nach Cooper wird die Brucharbeit vomVerhältnis der Faserfestigkeit zur zur Matrixfestigkeit sowieder Bindefestigkeit zwischen Fasern und Matrix maßgebendbeeinflußt. Dabei muß eine Verbesserung derBruchzähigkeit meistens mit einer Verminderung derFestigkeit quer zu den Fasern erkauft werden (Totalspaltung,file://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 16 von 19unbegrenzte Längsspaltbarkeit von Internodien).39 Schlagabruch in Nodienbereich40 Schlagabruch in InternodienbereichSchlagbruchverhalten von BambusrohrDie zum Durchschlagen eines Bambusrohres verbrauchteArbeit A:f (mkp/cm²) bleibt nahezu gleich, ob der Schlag denKnoten oder den Schaft trifft. Die Brucherscheinung selbstist jedoch ganz verschieden. Beim Schlag auf den Knotenzerspringt das Rohr in axiale Streifen; Bruch infolgeÜberwindung der Festigkeit in Faserquerrichtung > 39. BeimSchlag auf das Internodium erfolgt das eigentlicheAbbrechen; Bruch infolge Überwindung der Zugfestigkeit derFaserlängsrichtung > 40. Die Werte der Bruchschlagarbeit(D=30 mm; d=4 mm) liegen bei 2,65 mkp/cm². Da es sichhier um einen Rohrkörper handelt, wird damit mehr dieGestaltfestigkeit benannt und kann deshalb mit dem Wertvon Fichte (0,5 mkp/cm²) nicht direkt verglichen werden.Zusammenfassung41 Fabrikhalle in Pensilvania (Kolumbien) im Bau, Simón Vélez, 1993Bambusmaterial ist mit seinen mechanisch-technischen Eigenschaften unserem Bauholz weitÜberlegen; aber nur eine sachgerechte, handwerklich saubere Bearbeitung und Anwendung lässtdiese Vorteile zur Wirkung kommen.Noch in den achtziger Jahren verglich der Niederländer Jules Janssen den Erkenntnisstand über diemechanischen und technischen Eigenschaften von Bambus mit der Situation des Holzbaus vor ca.100 Jahren, als eine handwerkliche, auf Tradierung basierende Verwendung von Holz zu stabilen,jedoch oft überkomplizierten und verschwenderischen Bauten führte. Der Schritt von einem Low-Tech-Material zu einem innovationsträchtigen Baustoff, den Holz bereits vollzogen hat, stehe Bambus nochbevor. Eine Vertiefung der Forschung führt dazu, den Materialbedarf zu senken und gleichzeitigStandards für eine sinnvolle Verwendung dieses neuen Materials zu entwickeln.Die in der nebenstehenden Tabelle aufgelisteten Werte sind durchschnittliche Materialkennwerte vonBambus 'guadua angustifolia'. Aus Sicherheitsgründen sollte man annehemen, dass die zulässigenGrenzspannungen zur statischen Berechnung von Tragwerken 50 % unter den Materialkennwerteliegen > 42!file://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 17 von 1942 Durchschnittliche Materialkennwerte von Bambus'guadua angustifolia'kN/cm²E-Modul 2.000Zug 15,0DruckKnicklänge = 3,22 m2,09 m0,37 m2,73,95,6Biegung(bei fehlenden Schwindrissen)10,0Schub 0,9d = 12 cm ; d i= 9 cmA = 50 cm 2W = 100 cm 3I = 700 cm 4Und abschließend noch zwei Tabellen zum Vergleich verschiedener Holzarten (> 43, 44).43 Verschiedene Holzarten im VergleichRohdichteLufttrocken, r15, in g/ccmBrinellhärtebei 10% HolzfeuchteBambus 0,7 4,0Olivenholz 0,84 4,6Rotbuche 0,84 4,6Esche 0,68-0,76 3,2Eiche 0,65-0,76 3,4Birke 0,65-0,73 2,7Walnuß 0,64-0,68 2,8Ahorn 0,61-0,66 2,6Ulme 0,60-0,68 2,7Kastanie 0,56-0,68 1,9Kirsche 0,56-0,68 1,9Kiefer 0,51-0,55 1,9Eukalyptus 0,50-1,10 3,4file://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 18 von 1944 Mechanisch-technologische Eigenschaften von Bambus im Vergleich zu anderen Holzarten in kN/cm²E-Modul Druckfestigkeit Zugfestigkeit Biegefestigkeit ScherfestigkeitBambus 2.000 6,20-9,30 14,84-38,43 7,63-27,60 1,98Hickory 1.670 5,20 15,50 11,90 1,10Birke, gemeine 1.650 4,30 13,70 12,50 1,20Hainbuche 1.620 6,60 13,50 1,30 0,85Rotbuche 1.600 6,30 13,50 12,50 1,50Lärche, europ. 1.380 4,70 10,70 9,90 0,90Mahagoni, amerik. 1.350 5,00 - 9,90 1,04Esche, gemeine 1.340 4,40 16,50 1,20 1,28Eiche 1.300 6,50 9,00 10,00 1,10Teak 1.300 6,80 11,90 10,50 0,90Walnuß, europ. 1.250 7,20 10,00 14,70 0,70Kiefer, gemeine 1.200 5,50 10,40 10,00 1,00Erle 1.170 5,50 9,40 8,50 0,45Ahorn 1.130 5,30 10,00 11,70 0,90Tanne 1.100 4,70 8,40 7,30 0,50Fichte 1.100 5,00 9,00 7,80 0,67Pappel 8,80 3,50 7,70 6,50 0,65Birkenbaum 790 4,60 21,70 8,34 -Linde 740 4,40 8,50 1,06 0,45Okumé 300 3,40 2,50 8,20 -Balsa 260 0,80 7,50 1,60 0,20LiteraturlisteArce-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 1990file://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002

Entwerfen mit Bambus 'Mechanische Eigenschaften von Bambus' von Christoph Tönges Seite 19 von 19Lindemann, 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.Stamm, Jörg: Guadua im Kontext, Brief an Prof. Wilfried Führer, Lehrstuhl für Baukonstruktion II(Tragwerklehre), RWTH Aachen.Urlhttp://www.bwk.tue.nl/bko/research/Bamboo/ vom 08.01.2001, 19:00http://www.h-trade.de/holzverg.htm vom 20.02.00 17:55erstellt am: 8.01.2001 zuletzt geändert am: 13.01.2002 Autor: Christoph Töngesfile://D:\www.bambus\new\de\Referate\mecheigBambus\referat.html 27.10.2002