Welche mechanischen Eigenschaften hat Bambus?

Welche mechanischen Eigenschaften hat Bambus?Das ist wahrscheinlich eine der am häufigsten gestellten Fragen unter europäischen oder amerikanischen Architekten, Ingenieuren und Bauherren. Solche Informationen lassen sich für Holz, Stahl, Beton oder sogar technische Bambusprodukte wie Böden und Platten leicht finden, für Bambusstangen jedoch nicht.Warum?

„Die mechanischen Eigenschaften von Bambus sind oft zwei- bis dreimal so hoch wie bei herkömmlichem Bauholz. Rechtliche Unsicherheiten rund um einheitliche Regeln und Normen verhindern jedoch in vielen Teilen der Welt einen Bambus-Boom.“

Bambus umfasst viele verschiedene Arten, und jede dieser Bambusarten hat unterschiedliche strukturelle und mechanische Eigenschaften – genau wie bei Bäumen, wo Teak, Eiche oder Balsa ebenfalls nicht dieselben Eigenschaften haben. Darüber hinaus kann eine einzelne Bambusart sehr unterschiedliche Testergebnisse zeigen, abhängig vondem Alter unddem Feuchtigkeitsgehalt der getesteten Bambusstange, ihrerHerkunft (Boden, Höhenlage, Klimabedingungen) sowie demTeil des Halms , der getestet wird (unterer, mittlerer oder oberer Teil des „Baums“).

Ein weiterer wichtiger Grund für den Mangel an Informationen ist die Tatsache, dass Bambusstangen als Baumaterial in Europa oder Nordamerika noch relativ unbekannt sind (teilweise weil primärer Bambus in Baugüte in tropischen Ländern wächst). Erst in den letzten 30-35 Jahren wurden die mechanischen Eigenschaften von Bambus wissenschaftlich getestet.

Warum sind mechanische Eigenschaften wichtig?

Biegeprüfung von Bambus

Die meisten Länder haben keine standardisierten Baunormen für Bambus, was es all jenen erschwert, die das Material im Bauwesen einsetzen möchten. Es besteht eine Art rechtliche Unsicherheit bei der Bestimmung bestimmter Bambuseigenschaften wie Brandbeständigkeit, Festigkeitseigenschaften, Haltbarkeit usw., weshalb ein dringender Bedarf an Regeln und Normen besteht.

Die Festigkeitseigenschaften von Bambus wurden bereits von Universitäten auf der ganzen Welt getestet und zeigen hervorragende Ergebnisse, die in vielen Fällen weit besser sind als bei herkömmlichen Baumaterialien. Bauvorschriften erfordern jedoch mehr als nur Festigkeitseigenschaften; weitere zu berücksichtigende Eigenschaften sind:

  • Haltbarkeit
  • Brandschutz
  • Umweltauswirkungen
  • Nutzersicherheit
  • Energieeffizienz

Brandbeständigkeit und Haltbarkeit sind Bereiche, die noch weiterer Forschung bedürfen, bevor eine einheitliche Baunorm für Bambus festgelegt werden kann. Dennoch wurden mit der Einführung einer internationalenISO-22157-Norm für die mechanischen Eigenschaften von Bambus wichtige Fortschritte erzielt.

Die Internationale Organisation für Normung (ISO)

Die Internationale Organisation für Normung, bekannt als ISO, entwickelte 2004 eine eigene Norm zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Bambus. Dies ist ein erster und sehr wichtiger Schritt, um Bambusstangen überall als Baumaterial anerkennen zu lassen.

Die ISO-22157-Norm beschreibt, wie Biegefestigkeit, Druck, Zug, Scherfestigkeit und Haltbarkeit bestimmt werden sollen. Interessierte finden die Richtlinienhier.

In diesem Artikel stellen wir mehrere Testergebnisse aus verschiedenen Quellen und zu verschiedenen Bambusarten vor. Es ist wichtig zu beachten, dass nicht alle Tests gemäß der ISO-22157-Norm durchgeführt wurden, doch sie vermitteln einen allgemeinen Eindruck von den mechanischen Eigenschaften von Bambus.

Druckfestigkeit

Teile eines Bambushalms

Gemäß der ISO-22157-Norm sind zwei Arten von Druckfestigkeit zu testen: Druckfestigkeit parallel zur Faser und Druckfestigkeit senkrecht zur Faser. Interessanterweise beschreiben die ISO-22157-Richtlinien nur die Testmethodik für die Druckfestigkeit parallel zur Faser, liefern jedoch keine Methode für die Druckfestigkeit senkrecht zur Faser. Wir behandeln daher nur Erstere.

Aufgrund der natürlichen Form eines Bambus-„Baums“ müssen 3 verschiedene Teile des Halms getestet werden: der untere, der mittlere und der obere Teil. Das ist notwendig, weil ein Bambushalm keinen durchgehend gleichbleibenden Querschnitt hat und es strukturelle Unterschiede zwischen dem unteren Teil mit größerem Durchmesser und dem oberen Teil mit kleinerem Durchmesser gibt.

Testproben dürfen keinen Knoten enthalten, da die Ergebnisse solcher Proben nicht genau wären – die Knoten sind die stärksten Bereiche eines Bambushalms. Proben werden daher aus dem Abschnitt zwischen zwei Knoten (Internodium) entnommen, da dies der schwächste Teil einer Bambusstange ist.

Für konstruktive Zwecke können nur der untere, mittlere und obere Teil als Stützen oder Balken verwendet werden. Der „Spitzen“- und „Zweig“-Teil des Bambushalms gilt aufgrund seines geringen Durchmessers als für das Bauwesen ungeeignet.

Druckfestigkeit von Guadua angustifolia

Die mechanischen Eigenschaften der Art Guadua angustifolia wurden gemäß den ISO-22157-Normen an derUniversität Los Andes in Bogotá, Kolumbien, getestet , und zwar im Jahr 2010. Drei Proben von 2, 3, 4 und 5 Jahre altem Guadua-Bambus wurden verwendet, um den Einfluss des Alters auf seine mechanischen Eigenschaften zu bestimmen.

Drucktest von Bambus
Aufbau des Drucktests für Bambus

Der durchschnittliche Feuchtigkeitsgehalt der Bambusproben (ein wichtiger Parameter) betrug 59,3 %, 56,5 %, 56,7 % bzw. 65,2 %. Der durchschnittliche Außendurchmesser betrug im unteren Teil 13 cm, im mittleren Teil 12 cm und im oberen Teil 10 cm.

Druckfestigkeit von Guadua angustifolia
Alter der Bambusstangen (Jahre)
2 3 4 5
Unten E (N/mm2) 15500 16500 17400 15200
σ (N/mm2) 39,9 38,1 37.6 32,1
Mitte E (N/mm2) 14900 18000 16800 16500
σ (N/mm2) 27.2 42,1 41,5 34,7
Oben E (N/mm2) 20000 17000 17500 18200
σ (N/mm2) 20,4 42,6 42,1 39,0

Die maximale Druckfestigkeit für Guadua angustifolia wurde bei 3-4 Jahre alten Halmen beobachtet, mit einem Durchschnitt von40 N/mm2 (im grünen, also frisch geschnittenen Zustand). Die Druckfestigkeit von 5 Jahre altem Guadua sank um etwa 16 % im Vergleich zur Festigkeit von 3-4 Jahre altem Guadua.

Vergleich der Druckfestigkeit verschiedener Bambusarten

Die folgende Tabelle bietet einen Überblick über die Druckfestigkeit verschiedener Bambusarten. Es ist wichtig zu beachten, dass nicht alle Testergebnisse der ISO-22157-Norm entsprechen. Die in der Tabelle gezeigten Werte sind Durchschnittswerte und berücksichtigen daher keine Unterschiede in vertikaler Richtung oder nach Alter.

Druckfestigkeit verschiedener Bambusarten
Art σ (N/mm2) E (N/mm2) ρ (kg/m3) MC (%) Quelle
Bambusa balcooa 39,4 – 50,6 – – grün Kabir et al.
51 – 57,3 – – lufttrocken
69 – 820 8.5 Naik
Bambusa bambos 61 – 710 9.5
39,1 – 47 – – – Gnanaharan
Bambusa nutans 75 – 890 8 Naik
46 – – 87 Sekhar
85 – – 12
44,7 – – 88.3 Inbar
47,9 – – 14
Bambusa pervariabilis 45,8 15200 – – Yuen
79 10300 – <5 Yu & Chung
35 6800 – > 20
Bambusa polymorpha 32,1 – – 95,1 Inbar
Bambusa spinosa 57 – – – Espinosa
Bambusa tulda 40.7 – – 73,6 Inbar
68 – – 11.9
79 – 910 8.6 Naik
Dendrocalamus giganteus 70 – 740 8
Dendrocalamus hamiltonii 70 – 590 8.5
Dendrocalamus membranaceus 40.5 – – 102 Inbar
Gigantochloa apus 21,7 – 26,5 – – 54.3
27,3 – 48,6 – – 15.1
Gigantochloa atroviolacea 23.8 – – 54
35,7 – – 15
Gigantochloa atter 24,8 – 28 – – 72,3 Prawirohatmodjo
31 – 32,9 – – 14.4
Gigantochloa macrostachya 71 – 960 8 Naik
Guadua angustifolia 42 27000 – – Sotela
63,6 – – – RWTH Aachen
86,3 – – –
62 – 93 – – – DB Magazine
56 18400 – 15 Eicher
63,3 15190 – – Laroque
28 15000 – – Trujillo
56,2 17860 – – Caori
38 14500 – – Uribe
Melocanna baccifera 69.9 – – 12.8 Inbar
Phyllostachys bambusoides 51 – – – Glenn
63 – 730 8 Naik
44 – – 64 Limaye
40 – – 61
71 – – 9
74 – – 9
54 – – 12 Sekhar
Phyllostachys edulis 44,6 11300 – – Yen
67 – – 50 – 99 Ota
71 – – 14 – 17
108 – – 5 – 7
147 – – 0,1 – 0,3
117 9400 – <5 Yu & Chung
44 6400 – > 30
60.3 – 603 12.5 Kaho
Phyllostachys praecox 79,3 – 827 28,5
Thyrsostachys oliveri 46,9 – – 53 Inbar
58 – – 7.8

Fazit:

Die Druckfestigkeit von Bambus liegt in etwa zwischen40 und 80 N/mm2, waszwei- bis viermal so hoch ist wie bei den meisten Holzarten . Die Unterschiede in den Ergebnissen lassen sich durch die verschiedenen Testmethoden und Proben erklären. Es ist jedoch deutlich, dass Alter und Feuchtigkeitsgehalt der Bambusproben einen erheblichen Einfluss auf die Druckfestigkeit von Bambus haben. Bambus mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt hat einehöhere Druckfestigkeit als Bambus mit hohem Feuchtigkeitsgehalt.

 


 

Zugfestigkeit

Die maximale Zugfestigkeit von Bambus wird durch das Testen der Fasern (Bambusstreifen) bestimmt, nicht anhand ganzer Halmproben. Wie bei der Druckfestigkeit liefert die ISO-22157-Norm Richtlinien für die Zugfestigkeit parallel zur Faser, jedoch nicht für die Zugfestigkeit senkrecht zur Faser.

Zum Testen der Zugfestigkeit von Bambus werden 3 Streifen aus dem unteren, mittleren und oberen Teil des gesamten Bambushalms entnommen. Jeder Streifen ist 10-20 mm breit, hat die Dicke der Bambushalmwand und ist 100 mm lang. Der Feuchtigkeitsgehalt jeder Probe muss bestimmt werden, und die Proben müssen einen Knoten enthalten. Da die Faserrichtung am Knoten der inneren Faserrichtung entgegengesetzt ist, gilt der Knoten hier als der schwächste Punkt des Halms (beim Testen der Druckfestigkeit ist es umgekehrt).

Die folgende Tabelle zeigt die Zugfestigkeit der beliebtesten Bambusarten, die für konstruktive Anwendungen verwendet werden.

Zugfestigkeit verschiedener Bambusarten
Art σ (N/mm2) E (N/mm2) ρ (kg/m3) MC (%) Quelle
Bambusa balcooa 164 – 820 8.5 Naik
Bambusa bambos 121 – 710 9.5
Bambusa nutans 208 – 890 8
Bambusa tulda 207 – 910 8.6
Dendrocalamus giganteus 177 – 740 8
Dendrocalamus hamiltonii 177 – 590 8.5
Dendrocalamus strictus 160 17500 – 11.4 Janssen
Gigantochloa apus 294,1 – – 54.3 Prawirohatmodjo
298,9 – – 15.1
Gigantochloa atroviolacea 237,4 – – 54
237,4 – – 15
Gigantochloa atter 273 – 299,8 – – 72,3
247 – 332 – – 14.4
Gigantochloa macrostachya 168 – 960 8 Naik
Gigantochloa pseudoarundinacea 177,9 27631 690 – Arce-Villalobos
149,4 19643 629 –
Guadua angustifolia 148 – 384 – – – DB Magazine
191,9 – – – Lopez
90 – – – Trujillo
162,7 17900 – 24100 – – Laroque
Phyllostachys bambusoides 140 – 730 8 Naik
120 – – 12 Janssen
Phyllostachys edulis 115 – 309 8987 – 27397 553 – 1006 4,9 – 7,8 Yu

Fazit:

Die durchschnittliche Zugfestigkeit von Bambus liegt bei etwa160 N/mm2, was oftdreimal so hoch ist wie bei den meisten traditionellen Konstruktionshölzern .

 


 

Scherfestigkeit

Die maximale Scherspannung von Bambus ist ein wichtiger Faktor bei der Konstruktion geeigneter Verbindungen und Anschlüsse. Scherspannungen können auf zwei Arten auftreten: parallel zur Faser und senkrecht zur Faser. Auch hier liefert die ISO-22157-Norm nur Richtlinien zur Messung der Scherspannung parallel zur Faser.

Es werden drei Proben aus dem unteren, mittleren und oberen Teil des Bambushalms getestet. Der Unterschied besteht diesmal darin, dass die Hälfte der Testproben einen Knoten enthalten muss und die andere Hälfte keinen.

Jede Probe wird vor dem Test sorgfältig vermessen. Die Höhe des Prüfkörpers und die Dicke der Halmwand werden an den 4 Stellen gemessen, an denen die Scherung auftritt. Das ist wichtig, da ein Bambushalm keine gleichmäßige Wanddicke hat und die Querschnitte der Probe möglicherweise nicht perfekt ausgeführt sind.

Scherfestigkeit von Guadua angustifolia

Auf die gleiche Weise, wie sie die Druckfestigkeit von Guadua angustifolia getestet haben,Universität Los Andes in Bogotá wurden dieselben Guadua-Proben auch auf Scherspannung nach der Norm ISO 22157 untersucht.

Einige Bilder des Testaufbaus sind unten dargestellt:

Test der Scherfestigkeit von Bambus
Aufbau des Bambus-Schertests

Die Scherfestigkeit von Guadua angustifolia in Abhängigkeit von Alter und Position der Testprobe ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

Scherfestigkeit von Guadua angustifolia
Alter der Bambusstangen (Jahre)
2 3 4 5
Unten τ (N/mm²) 7.2 7.4 7.5 6.6
Mitte τ (N/mm²) 7.5 8.2 8,0 7.4
Oben τ (N/mm²) 7.2 8.1 7.6 8,0

Ähnlich wie bei den Druckfestigkeitswerten bietet Guadua den größten Widerstand gegen Scherung im mittleren und oberen Teil eines 3-4 Jahre alten Halmabschnitts. Die durchschnittliche Scherfestigkeit von Guadua angustifolia beträgt8 N/mm²  (bei einem Feuchtigkeitsgehalt von ca. 56,6 %).

Vergleich der Scherfestigkeit verschiedener Bambusarten

Die Scherfestigkeit verschiedener Bambusarten ist in der folgenden Tabelle aufgeführt. Auch hier können wir nicht bestätigen, dass alle Tests gemäß der Norm ISO 22157 durchgeführt wurden, aber sie geben einen allgemeinen Einblick.

Scherfestigkeit verschiedener Bambusarten
Art τ (N/mm²) ρ (kg/m3) MC (%) Quelle
Bambusa balcooa 11.9 820 8.5 Naik
Bambusa bambos 9.9 710 9.5
Bambusa nutans 10.5 890 8
6.7 – – Sekhar
7.7 – –
7.9 – –
9.8 – –
7.9 – –
Bambusa pervariabilis 10.3 – 12 Janssen
8.7 – 12
Bambusa tulda 9.9 910 8.6 Naik
Dendrocalamus giganteus 10.6 740 8
Dendrocalamus hamiltonii 6.7 590 8.5
Gigantochloa apus 6 – 7,7 54.3 Prawirohatmodjo
7,5 – 7,7 15.1
Gigantochloa atroviolacea 6,4 – 11,3 54
7,9 – 9,5 15
Gigantochloa atter 5,8 – 10,8 72,3
9,5 – 10,8 14.4
Gigantochloa macrostachya 9.6 960 8.1 Naik
Guadua angustifolia 4 – 5 – – Trujillo
16.7 – – RWTH Aachen
Phyllostachys bambusoides 8.7 730 8 Naik
Phyllostachys edulis 8,9 – 12,5 – 12.5 Ota
8.9 – grün Dickerson

Fazit:

Die Scherspannung parallel zur Faser ist etwa 10-mal niedriger als die Druckfestigkeit und sogar 20-mal niedriger als die Zugfestigkeit derselben Bambusart. Dennoch ist die Scherfestigkeit von Bambus oftdoppelt so hoch wie der Wert gängiger Holzarten .

 


 

Biegefestigkeit

Die Biegefestigkeit hat einen direkten Einfluss auf die Konstruktion eines Bauwerks. Es ist notwendig, die Durchbiegung jedes Elements einer Struktur vorherzusagen, bevor sie gebaut wird. Die am häufigsten verwendete Methode zur Bestimmung der Durchbiegung eines Balkens oder einer Stütze ist der Vier-Punkt-Biegeversuch.

Biegefestigkeit von Guadua angustifolia

Der Vier-Punkt-Biegeversuch, wie in der Norm ISO 22157 gefordert, wurde durchgeführt an derUniversität Los Andes in Kolumbien . Die Prüfung wurde an denselben Bambusstangen durchgeführt wie beim Test zur Bestimmung der Druck- und Scherfestigkeit.

Aufbau des Bambus-Biegetests
Aufbau des Bambus-Biegetests

Bei diesem Vier-Punkt-Biegeversuch werden der Elastizitätsmodul (MOE) und der Biegebruchmodul (MOR) untersucht. Die Ergebnisse dieses Tests sind in der folgenden Tabelle dargestellt.

Biegefestigkeit von Guadua angustifolia
Alter der Bambusstangen (Jahre)
2 3 4 5
Unten MOE (N/mm²) 16900 16700 17000 18000
MOR (N/mm²) 93,6 88.8 86,9 86,3
Mitte MOE (N/mm²) 17700 15800 17000 18700
MOR (N/mm²) 84,7 91,6 103,7 86,9
Oben MOE (N/mm²) 16100 19400 18300 15500
MOR (N/mm²) 107,3 97,8 103,8 107,0

Der Elastizitätsmodul 5 Jahre alter Guadua-angustifolia-Stangen ist im unteren und mittleren Teil des Halms am größten. Im oberen Teil des Halms wird der höchste Elastizitätsmodul gemessen, wenn die Stangen 3-4 Jahre alt sind. Der Biegebruchmodul ist im oberen Teil des Halms am höchsten. Generell lässt sich sagen, dass Guadua angustifolia eine durchschnittliche Biegefestigkeit von100 N/mm² .

Vergleich der Biegefestigkeit verschiedener Bambusarten

Die folgende Tabelle fasst die Biegefestigkeit mehrerer Bambusarten zusammen. Die Ergebnisse können leichte Abweichungen aufweisen, da nicht alle Daten mit dem in der Norm ISO 22157 definierten Vier-Punkt-Biegeversuch ermittelt wurden. Dennoch vermitteln sie einen allgemeinen Eindruck von der Biegefestigkeit verschiedener Bambusarten.

Biegefestigkeit verschiedener Bambusarten
Art MOR (N/mm²) MOE (N/mm²) ρ (kg/m3) MC (%) Quelle
Bambusa balcooa 62,4 – 85 7200 – 10300 – grün Kabir et al.
69,6 – 92,6 9300 – 12700 – lufttrocken
151 13603 820 8.5 Naik
Bambusa bambos 143 14116 710 9.5
35 – 39,3 1500 – 4400 – – Gnanaharan
Bambusa nutans 52,9 6700 – 88.3 Inbar
52,4 10700 – 14
56 – 79 8800 – 10000 – grün Sekhar
76 – 100 9300 – 16000 – lufttrocken
216 20890 890 8 Naik
Bambusa pervariabilis 37 16400 – > 20 Yu & Chung
80 22000 – <5
Bambusa polymorpha 28.3 3100 – 95,1 Inbar
35.5 4100 – 13.9
Bambusa spinosa 55,4 – – lufttrocken Espinosa
44,9 – – lufttrocken
55 10300 – lufttrocken Teodoro
Bambusa tulda 51,1 800 – 73,6 Inbar
66,7 1000 – 11.9
194 18611 910 8.6 Naik
Dendrocalamus giganteus 193 16373 740 8
Dendrocalamus hamiltonii 89 9629 590 8.5
Dendrocalamus membranaceus 26,3 2400 – 102 Inbar
37,8 3700 – 7
Dendrocalamus strictus 68 12000 – grün Limaye
107 15600 – lufttrocken
92 – 97 13700 – 16000 – 12
105 13200 – 61
98,5 13600 – 55
Gigantochloa apus 102 – – 54.3 Prawirohatmodjo
87,5 – – 15.1
Gigantochloa atroviolacea 92,3 – – 54
94,1 – – 15
Gigantochloa atter 87,9 – 108,1 – – 72,3
117,7 – 127,7 – – 14.4
Gigantochloa macrostachya 154 14226 960 8 Naik
Guadua angustifolia 53,5 7400 – – Gnanaharan
144,8 17600 – – Janssen
74 – 100 17900 – 15 Eicher
46 11800 – – Trujillo
82 12500 600 12.6 De Vos
72,6 17608 640 11.4 Inbar
Melocanna baccifera 57.6 12900 – 12.8
Phyllostachys edulis 55 9600 – > 30 Yu & Chung
51 13200 – <5
83 8400 530 10.3 De Vos
Thyrsostachys oliveri 61,9 9700 – 53 Inbar
90 12200 – 7.8

Fazit:

Die Biegefestigkeit der meisten Bambusarten variiert zwischen50 und150 N/mm² und beträgt im Durchschnittdoppelt so stark wie die meisten konventionellen Holzkonstruktionen . Abweichungen innerhalb derselben Art werden durch unterschiedliche Testmethoden, die Probenqualität und den Feuchtigkeitsgehalt des getesteten Bambus verursacht.