Entwerfen mit Bambus

Seine Tests auf Biegung führte Janssen mit einer großen Presse bzw. durch fest montierte Biegemaschinen durch. Es handelte sich bei allen diesen Versuchen um dreijährige Bambusholme, gespannt über 7m Länge für Kurzzeittests und 4,5 m für Dauerbelastungstests. Die Lasteinwirkungen wurden durch die im Indischen Standart vorgegebene Weise in den Träger eingeführt.
Es handelt sich hierbei um ein zwei-Punkte bzw. vier Punkte Meßverfahren (im Gegensatz dazu gibt es noch das drei-Punkte Verfahren, welches Janssen aber auf Grund der technischen Meßmöglichkeiten nicht anwenden konnte).
Seine Ergebnisse für Langzeit und Kurzzeittest sahen folgendermaßen aus:

Kurzzeittest	Durchschnitt/Abweichung	Anzahl der Tests
Endgültige Belastbarkeit	84 N/mm² / 26 N/mm²	9
E-Moduli	20500 / 3400	9

Langzeittest	Durchschnitt	Deformation (Langzeit/Bruch)
Endgültige Belastbarkeit	41 N/mm²	1,25 mm / 2,4 mm
Abweichung	10 N/mm²	0,4 mm / 0,57 mm

Einzige Einschränkungen bei seinen Tests waren die zur Verfügung stehende Größe des Raumes und der insgesamt für seine Forschungen freigegebene Bereich.

Scherkräfte sind der Schwachpunkt von Bambus aufgrund seiner biologischen und physikalischen Konstruktion. Bereits 1922 wurde durch Meyer und Ekelund gezeigt, daß im Vergleich zu Holz Bambus zwar genauso gut Biegung und Druck, aber keine Scherbeanspruchung aufnehmen kann.
Alle Aspekt von Scherbeanspruchungen, z.B. bei Verbindungen, sind jedoch noch nie zusammenfassend beantwortet worden, so J.J.A. Janssen. Hier eine kleine Tabelle von Literaturwerten, die er herausgefunden hat; ganz links Janssens Testmethode:

Janssen konnte diese Literturwerte in seinen Versuchen bestätigen und fand auch das Verhältnis zur Masse heraus:
T = 0,021 x G [kg/mm²] (In dieser Formel kann abhängig vom gegebenen Gewicht die Scherkraft ermittelt werden).

Dieses sind die verschiedenen Verbindungstypen, die in Janssens Bindern Anwendung finden. Aus jeder Gruppe an Verbindungen entschied er sich jeweils für einen Typ (erkennbar, wenn auf die Gruppe geklickt wird - das grau hinterlegte Bild ist der gewählte Typ). Eine kleine Erläuterung findet sich unter den Bildern.

Aus dieser Gruppe wurde 1.3 gewählt.
   - 1.1: geklebt, schlecht für Zugkräfte
   - 1.2: geklebt, schlecht für Zugkräfte
   - 1.3: Scherkraftproblem aus 1.2 gelöst
            besser für Zugkräfte
   - 1.4: Größere Verformungen als 1.3
   - 1.5: Seile könnten rutschen/sich lockern
   - 1.6: Festigung des schrägen Endes
   - 1.7: siehe 1.5, häufig mit Metall
   - 1.8: sehr lose und schwach

Aus dieser Gruppe wurde <keine> gewählt.
   - 4.1: Prinzipskizze
   - 4.2: Holzpfropfen mit Bolzen und Metallring
   - 4.3: Russische Lösung: Einbetonierte Stähle

Aus dieser Gruppe wurde 6.5 gewählt.
   - 6.1: Prinzipskizze
   - 6.2: Kleber an Punkt B ist Schwachstelle
   - 6.3: Schwachstelle sind Scherkräfte bei Stäben
   - 6.4: Vertikale Zugfestigkeit ist gering
   - 6.5: "Hörner" für Scherkräfte, Seil für Zug,             Aufliegende Fläche für Druck

   Aus dieser Gruppe wurde 1.3 gewählt.
   - 7.1: Prinzipskizze
   - 7.2: Nur Seil, bekannte Verbindung aus Zäunen
   - 7.3: Nur für Zugkraft im kleineren Bambus             geeignet
   - 7.4: Zug und Druckkraft geeignet
   - 7.5: Stahlbolzen, steiff (Stahl kann substituiert            werden)
   - 7.6: Alternative zu 7.5, simpel und robust
   - 7.7: Alternative zu 7.5, "trauriger Anblick"
   - 7.8: Blöcke mit Stahlbolzen befestigt, nur für            Druck

Hier eine Zeichnung der Träger 1, 2 und 3. Sie unterscheiden sich jeweils nur in Ihren Abmessungen der Bambusrohre.

Ergebnisse des Vergleich der drei getesteten Träger:

Ergebnisse in bestimmten Beziehungen, z.B. Analyse welchen Einfluß hat ein Nodien oder Internodienbereich auf die aufnehmbare Druckkraft, Scherkraft und Biegung. Konstruktives Ergebnis, als Hintergrund für Entwurfstätigkeiten gedachte Betrachung.

Abschließende Zusammenfassung der herausgefundenen Schwachstellen und Stärken von Bambus:

J.J.A. Janssen über die Entstehung dieser Doktorarbeit:

"The reason for the start of my research was a request mady by the volunteers in developing countries. They asked technical advice on how to build bamboo trusses for schools and warehouses."

Da er diese Anfrage nicht genügend genau beantworten konnte, begann er, nach Literatur zu suchen. In den Archiven der holländischen Ost-Asiatischen Armee wurde er fündig. Das gefundene Material war vor allem aus den Jahren 1890 bis 1900 und er befand, das diese Informationen noch immer den Entwicklungshelfern beim Bau verschiedener kleinerer Objekte helfen konnte. Aus diesem Grund veröffentlichte Janssen unter seinem Namen eine Wiederauflage (einige hunder Kopien wurden verteilt oder verkauft).
Auf diesem Wege wuchs sein Interesse am Baustoff Bambus, so daß er ein Forschungsprojekt entwickelte mit dem Verlangen so viel wie möglich über Träger und Binder für Hallen und Brückenkonstruktionen aus Bambus herauszufinden. Seine Zielsetzung lag dabei primär darauf, das Material möglichst soweit auszureizen, wie es, seiner Meinung nach bei Holz bereits der Fall ist. Gesucht: (Fachwerk-)Träger nach einem genormten Schema, universal einsetzbar, günstig und reproduzierbar.

"What is needed is not more reasearch into techniques, but bright ideas about how to get these techniques out of the laboratory and into actual building programmes" - laut Janssen ein häufiger Spruch wenn es um Forschungsarbeiten an Baustoffen geht. Doch das gesamte Wissen über Bambus, nicht mehr als ein paar Aktenordner, können, seiner Meinung nach, kaum zu diesen Baustoffen gehören, denn würde man alle Forschungsarbeiten über Holz zusammensammeln, dann würde man damit gut eine Halle füllen können. Im weiteren zählt er wichtige Aspekte auf, die elementare Gründe für ihn waren, diese Doktorarbeit zu schreiben:

- Umweltaspekt: Bambus kann einzeln nach Alter gefällt werden; jüngere Holme können stehen bleiben. Auf diesem Weg bleibt das Microklima erhalten und auch die Wirtschaft hat einen jährlichen Rhytmus (Holz-Bäume werden dagegen alle 20 bis 40 Jahre gefällt und lassen ganze Flächen brach liegen).

Material	Produktionsenergie	Belastungsfähigkeit	Verhältnis Energie/Belastung
Beton	1920 MJ/m³	8 N/mm²	240
Stahl	234000 MJ/m³	160 N/mm²	1500
Holz	600 MJ/m³	7,5 N/mm²	80
Bambus	300 MJ/m³	10 N/mm² (Schätzung)	30

- Kulturelle Ursprünge: Ziel von J.J.A. Janssen ist es ebenfalls, den Baustoff Bambus wieder "salonfähig" zu machen, da selbst in Heimatregionen von Bambus (und das gleiche gilt für tradionelle Baustoffe wie Lehm und Stroh z.B. in Afrika) dieser kein Ansehen, selbst bei der ärmeren Bevölkerungsschicht, hat.

- Mechanische Eigenschaften: Ein kurzer Vergleich (von links oben nach rechts unten: Spannungen, Effizienz, Normalkräfte, Biegungen)

- Besondere Eigenschaften: Wie z.B. unter Erdbebeneinfluß. Unter Vernachlässigung von der möglichen Brandgefahr bei Erdbeben ergibt sich folgender Ablauf beim Materialversagen: Stahl - Beton - Holz & Bambus, wobei das Holz und der Bambus am längsten einem Erdbeben standhalten können. Daraus ergibt sich auch ein Ansatz für einen späteren Einsatz von Bambusbauten in erdbebengefähdeten Regionen für den Wohnungsbau (eventuell Verbund?)

Dieses Kapitel beschäftigt sich im generellen mit mathematischen Methoden die für den Architekten in ihrer Herleitung nicht entwurfsrelevant sind, somit hier verkürzt Janssens Ergebnisse (alles jeweils Bezogen auf eine einzelne Bambusfaser):
Hier wird in seiner Doktorarbeit ein vereinfachendes mathematische Verfahren aufgezeigt, mit dem die Zugfestigkeit von Bambus annähernd errechnet werden kann (gleichfalls gilt dieses Verfahren auch für Holz). Ebenso errechnet er ein Verfahren um Belastungen sowie Verformungen zu bestimmen. Bei der Ermittlung dieser Verfahren greift er allerdings auf eine größere Menge an Einflußfaktoren zurück (Feuchtegehalt, Größe, Alter, ...), so daß auch sein Ergebnis leider nicht für eine überschlägliche Dimensionierung im Sinne eines Tabellenwerkes herangezogen werden kann.
Ein weiteres Ergebnis von ihm ist, daß die Anzahl der horizontalen gegenüber vertikal verlaufenden Röhren relevant ist (für Zug und Druckverhalten ist dies auch direkt einsichtig), aber die Anzahl der Zellschichten für die Festigkeit und die Beanspruchbarkeit keine Rolle spielen (nicht unbedingt ersichtlich, z.B. Holz im Vergleich zu Brettschichtholz).

Das folgende Dokument soll die wichtigsten Aspekte aus der Doktorarbeit von J.J.A. Janssen aufführen, in spezieller Hinsicht auf das architektonische Verständnis für den Baustoff, die Bemessung und die Verwendung.
Einzelne Aspekte der Doktorarbeit sind vernachlässigt bzw. verkürzt worden, da sie bereits durch andere Referate unseres Seminars hinreichend abgedeckt worden sind (insbesondere Baumaterial Bambus, Mechanische Eigenschaften, sowie Verbindungen); auf das mikrobiologische Kapitel 2 wurde vollständig verzichtet.

Um die Möglichkeiten bei der Verwendung von Bambus herauszufinden mußte J.J.A. Janssen die mechanischen Eigenschaften des Bambus' untersuchen. Wichtig war ihm in diesem Zusammenhang die statistische Analyse sowie das Verhältnis zwischen biologischen Strukturen und dem Tragverhalten. Ein Problem bereitete Janssen bei der Durchführung seiner Untersuchungen die Tatsache, daß es keine genormten Verfahren für Bambus gibt (zumindest keinen einheitlichen - der einzige relativ feststehende Standart war der Indische Standart von 1973). In einem späteren Kapitel gibt er Empfehlungen zu einem - noch zu
definierenden - Standart. Sein Augenmerk lag in den folgenden Absätzen vor allem auf Konstruktionen und Verbindungen sowie
den daraus resultierenden Kräften, da er ja einen speziellen Träger als Universal-Bauteil errechnen wollte.

Einflußfaktoren für seine Testreihen und Vorrausetzungen sind:

- Sorte und Alter des Bambus: dreijähriger Bambusa blumeana aus den Philippinen
- Grün oder Gelagert: jeweils gelagert bis zum einem Feuchtigkeitsequilibrium mit der Luft, z.B. 70%, nur speziell getesteter Grüner Bambus ist frisch geschnitten (Feuchtigkeitsgehlt von 60-100%)
- Feuchtigkeitsgehalt: Die meisten Test wurden in drei Teile gegliedert: 30%, 50% und 70% rel. Feuchtigkeitsgehalt
- Form und Größe
- Knoten (Node) oder Zwischenstücke (Internode), Kennzeichnung bei den Versuchen nur wenn es sich um ein Stück mit Knoten handelt.
- Position am Holm: Oben, Mitte, Unten
- Geschwindigkeit der Belastungen nach DIN oder Indischer Norm
- Lang und Kurzzeitbelastungen

- Masse pro Volumen kann leider nicht als Parameter gewählt werden, somit ist eine größere Feldstreuung bei den Versuchen zu erwarten (Statistik)

In der Maschine links auf dem Bild führte Janssen seine Druckbelastungen von Bambusteilen durch. Er belastete sowohl Stücke mit Knoten, als auch welche ohne. Die genau Tabelle seiner Ergebnisse befindet sich auf der rechten Leiste (Durch Mausklick wird dieses Fenster vergrößert). Zum Vergleich ältere Literaturwerte:

Meyer und Ekelund: 44 N/mm²
Espinosa: 57 N/mm²
McClure: 35 N/mm²
Glenn: 51 N/mm²
Limaye: 44-74 N/mm²
Atrops: 40-43 N/mm²
Sekhar: 46-85 N/mm²

Anmerkung: Es wurden nicht die gleichen Bambusarten getestet - Streuung durch Merkmale der einzelnen Art möglich, auch wenn Janssen dies fast ganz ausschließt (geringe physikalische und biologische Unterschiede zwischen den Pflanzen). Außerdem ist z.T. nicht exakt überliefert worden, wie getestet wurde und unter welchen Zuständen des Bambus (Feuchtigkeitsgehalt, Dauer der Einwirkung, Geschwindigkeit, Alter und Größe des Sproß, ...).

J.J.A. Janssens Ergebnisse lagen - vor einer Analyse der Variationsmöglichkeiten (siehe oben) - alle im Bereich von 60 bis 110 N/mm² mit nur einem statistischem Ausreißer nach 176 N/mm². Unter Einbeziehung der möglichen Abweichungen und Verschiebungen kam er auf 50-79 N/mm² entsprechend etwa 0,094 x G [kg/m³].

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Referat 08.01.2001
'Bamboo In Building Structures'
Tobias Müller
Bambus-Seminar an der RWTH-Aachen
Betreuerin: Evelin Rottke

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Referat 08.01.2001 'Bamboo In Building Structures' Tobias Müller Bambus-Seminar an der RWTH-Aachen Betreuerin: Evelin Rottke

Referat 08.01.2001
'Bamboo In Building Structures'
Tobias Müller
Bambus-Seminar an der RWTH-Aachen
Betreuerin: Evelin Rottke