Fundamentals Of The Design Of Bamboo Structures

INTRO

The final goal of structural engineering is the design of effective, save and socially accepted structures. The final goal of the research reported here is to contribute to the design of bamboo structures in that same spirit.

Die Leitgedanken der gesamten Doktorarbeit sind dem Zitat zu entnehmen. So beschäftigt sich Arce-Villalobos in seiner Einleitung mit dem Problem der Akzeptanz von Bambus als Baustoff. Selbst in den Regionen der sogenannten 3. Welt Länder findet Bambus als Baustoff nur wenig Anklang, da die daraus entstehende Architektur als ärmlich angesehen wird. Dazu kommt, dass selbst die Architekten und sonstige Diplom - Ingeneure lieber auf besser erforschte und mehr erprobte Baustoffe ausweichen.

Das schnelle Wachstum von Bambus, seine Stabilität, und vor allen Dingen das Bedürfnis nach kostengünstigen Bauten vor Augen, fordert Arce-Villalobos mehr Akzeptanz für diesen ökologischen Baustoff und leistet mit seiner Doktorarbeit einen weiteren Schritt in Richtung Forschung, die seiner Meinung nach noch viel intensiver betrieben werden muss.

DIE STRUKTUR DES BAMBUSHALMES

TANGENTIALKRÄFTE

AXIALKRÄFTE

Im Gegensatz zu den quereingeleiteten Kräften, konnte bei axial eingeleiteten Kräften ein Zusammenhang von Stabilität und Dichte herausgefunden werden. Je dichter die Fasern sind, desto widerstandsfähiger ist das Material. Jedoch weisen die Nodien als schwächstes Glied nur eine Festigkeit von 40% (im Vergleich zu den Internodien) auf. Dafür verleihen die Nodien dem Bambus eine hohe Elastizität, ihr E-Modul ist 40% geringer als das der Internodien. Wird eine Kraft axial eingeleitet, so wird diese vom äußeren Bereich des Bambusquerschnitts aufgenommen. Dieses führt zu ungleichmäßiger Verteilung des Drucks, so dass sich Spannungen aufbauen (s.h. FIG2). Während die äußere Schicht sich tangential ausdehnt, so zieht sich das Innere zusammen. Dieser Druckunterschied kann zu radialen Rissen führen, in FIG2 oben rechts durch Pfeile angedeutet.
Obwohl Arce-Villalobos nicht das Verhalten des gesamten Halms unter senkrechter Krafteinwirkung untersucht hat, so stellt er jedoch heraus, dass wegen Ausbeulung und Knickgefahr das verbaute Material so kurz wie möglich gehalten werden soll. Das Material der Spezies Bambusa Blumeana weist eine Druckfestigkeit von 270 N/mm² auf, jedoch ist mit diesem Wert keine Berechnung des gesamten Halmes möglich, da die Nodien (Druckfestigkeit 79 N/mm²) und die Form des Halmes den Wert beträchtlich herabsetzen. Es wird geschätzt, dass durch die genannten Beeinflussungen die durchschnittlichen Werte um bis zu 80% vermindert werden können. Einen positiven Effekt haben die Nodien dennoch, sie vermindern die Ausbeulung des Materials dadurch, dass sich die Fasern, ähnlich einer mehrfachgekrümmten Fläche, zur Halmmitte hin biegen, und somit dem System eine gewisse Stabilität verleihen.
Versuche, die herausstellen sollten, wie sich das Material unter Kompression verhält, gestalteten sich äußerst schwierig. Reibung und Steifigkeit der Versuchseinrichtungen führten oft zu falschen Ergebnissen. Arce-Villalobos achtete dabei sehr darauf, die Versuche unter möglichst realen Bedingungen durchzuführen, was aber nahezu unmöglich war. Weitere Forschungsarbeiten sind hier notwendig um das Material exakter bestimmen zu können. Besonders die ungleichmäßige Form, die Nodien und die hohe Artenvielfalt seien Schwachpunkte, die das Material noch "unberechenbar" machen.

KLEBBARKEIT

BAMBUSVERBINDUNGEN

Historische Bambusverbindungen bestehen zumeist aus zusammengeschnürten Bambushalmen. Die Schnüre selbst waren aus einem organischen Material wie zum Beispiel Bambus selbst. Heute noch werden Verbindungen auf diese Weise hergestellt, allerdings ersetzen Kunststoffe oder Metalldrähte die organischen Schnüren. In China beispielsweise werden bis zu 40 Stockwerk - hohe Gerüste auf diese Art und Weise hergestellt. Zwar ist mit diesen Verbindungen ein ausreichendes Ergebnis zu erreichen, aber die Nachteile liegen auf der Hand: Da der Bambus schwindet, löst er sich mit der Zeit aus der Verbindung; die Oberfläche des Bambus ist sehr glatt, somit bereitet die fehlende Reibung Schwierigkeiten; die Verbindung wird durch die Überlappung mehrerer Halme sehr massiv und führt zu exzentrischen Krafteinleitungen, was wiederum Momente erzeugt, welche schlecht vom Material aufgenommen werden können; um eine Überlagerung der Elemente zu vermeiden ist eine handwerklich sehr aufwendige und anspruchsvolle Anpassung der einzelnen Halme aneinander notwendig. Bambusmöbel, die mittels solcher Verbindungen hergestellt werden sind selbst in den Regionen Luxusgüter, in denen der Bambus beheimatet ist, da diese Verbindungen so sehr aufwendig in der Herstellung sind.
Arce-Villalobos listet die zu erzielenden Eigenschaften einer Vebindung auf. In erster Linie ist darauf zu achten, dass das Material nicht durch Bohrungen, Schrauben, Nägel oder Bolzen geschwächt wird. Aufgrund der Bambusstruktur sollten offene Enden gegen ein Zerfasern geschützt sein. Ein Verschließen der Enden ist aufgrund von Schädlingen ebenfalls anzuraten. So wurden früher oft an Eckverbindungen Nodien aneinandergefügt, da diese aufgrund der Faserstruktur eher gegen ein Zersplittern geschützt sind und das Diaphragma ein Eindringen von Schädlingen verhindert. Aufgrund der willkürlichen Lage der Knotenpunkte entlang eines Bambushalmes ist dieses Verfahren jedoch nur schwer zu verwirklichen. Als Leitfaden gilt ebenfalls, sich die positiven Eigenschaften zu Nutzen zu machen. So sollte die Kraft möglichst nicht tangential sondern axial eingeleitet werden um Momente zu vermeiden. Da der Bambus als kostengünstiges und ökologisch sinnvolles Baumaterial zu sehen ist, ist eine Nutzung in ärmeren Regionen anzustreben. Daraus ergeben sich zusätzlich Anforderungen an die einfache Herstellung einer Verbindung, die niedrigen Kosten, die Verfügbarkeit der benötigten Materialien, die Haltbarkeit und an den Wartungsaufwand des errichteten Systems. Zuletzt sei erwähnt, dass die Verbindungen so leicht wie möglich ausgebildet werden sollten. Schließlich ist das geringe Gewicht eine der positiven Eigenschaften des Bambus, welche nicht durch zu schwere Ausführungen von Verbindungen zunichte gemacht werden sollte.
Im Laufe der Zeit wurden einige Alternativen zur Schnürung entwickelt. Der Autor listet hier aber nur wenige auf, um sich später auf eine, ihm am sinnvollsten erscheinende Konstruktion zu vertiefen. FIG3 zeigt einen Knotenpunkt mehrerer Bambushalme, die zwischen zwei Stahlplatten gespannt sind. Hervorzuheben ist hier die Steifigkeit der Verbindung, welche durch die Metallplatten gewährleistet wird. Um eine Schwächung des Materials durch die Verbolzung zu vermeiden ist es sinnvoll, die Halme mittels Schnürungen an die Platten zu fixieren, wobei die Steifigkeit der Verbindung wiederum sehr von der Schnürung abhängt. Auf diese Art und Weise wurde ein Dom in Indien mit zufriedenstellenden Ergebnissen erbaut.
Duff entwickelte die in FIG4 dargestellte Verbindung. Hierbei wurden vier Bambushalme mittels eines vorgeformten Stahlfittings verbunden. Diese Art der Verbindung weist einige Vorteile, wie Steifigkeit, Verschluss und Schutz der Enden auf, jedoch ist die Herstellung der entsprechenden Fittings sehr aufwendig.
Spoer verfüllte 1982 das offene Bambusende mit Mörtel und fixierte damit eine Metallhülse in dem Hohlraum (s.h. FIG5). In dieser Hülse konnte er Schrauben befestigen, um daran weitere Halme anzuschließen. Dem Zerfasern des Endstückes entgegenzuwirken, verstärkte er den gefährdeten Bereich mit einer festen Schnürung.
Als ein optimales System sieht Arce-Villalobos das Verwenden von Wood-Fittings. Wie in FIG6 dargestellt, wird ein vorgefertigtes Holzstück in den Bambushohlraum eingeleimt. Vorteile sind: die Verbindung ist einfach und von ungelernten Arbeitskräften herzustellen, das offene Ende wird vollends geschützt und verstärkt, Verbindungen sind nach einfacher Holzbauweise herzustellen. Eine Vorfertigung der Fittings könnte in kleineren Workshops ebenfalls von ungelernten Kräften geschehen. Der ökonomische Vorteil bei der Verwendung von Holz besteht darin, dass Reststücke der Tropenholzgewinnung benutzt werden können, da die benötigten Abmessungen sehr klein sind. Wichtig ist bei der Herstellung einer solchen Verbindung, dass das Innere des Bambus vor der Verleimung gereinigt wird. Dieses geschieht mit Schleifpapier, das in einer Bohrmaschine eingespannt wird. Auf diese Weise kann auch problemlos der Hohlraum um bis zu einen Zentimeter vergrößert, und somit an die Woodfittings angepasst werden. Zusätzlich muss der Bambus vor Ort abgelängt werden, was sich aber problemlos gestaltet, zumal die Fittings in der Lage sind, größere Toleranzen aufzunehmen, so sind auch keine Schifter- oder Gehrungsschnitte notwendig. Auf diese Weise ist eine Art des Modularen Bauens möglich, wobei der Baustoff Bambus in den Hintergrund tritt. In FIG7-11 sind einige Anschlussmöglichkeiten dargestellt. Hier ist wieder darauf zu achten, dass das Gewicht der Verbindungen nicht unmaßstäblich hoch ist. Die durch Stahlplatten gehaltene Verbindung, abgebildet in FIG11 stellt jedoch nur eine Alternative dar, sie erreicht lange nicht die Steifigkeit, die durch Stahlfittings erreicht werden kann.
Obwohl es generell besser ist, einen Bambus größeren Querschnittes zu verwenden, als mehrere Halme parallel aneinander zu fügen, so reichen in manchen Situationen die Querschnitte nicht aus. In diesem Falle schlägt Arce-Villalobos die in FIG12-13 dargestellten Verbindungen vor. Die hier geforderten Stahlfittings könnten in einem großen Maßstab gefertigt werden und durch entsprechende Einrichtungen vertrieben werden.

EXTRO