Betonbauwerke
Beton ist eine Mischung aus Zement, Sand, kleinen Steinen (Zuschlag) und Wasser. Er ist zuerst ein dicker Brei und härtet dann wie Stein aus.
Zwei Arten von Kraft sind wichtig. Druck ist ein Zusammendrücken. Zug ist ein Dehnen. Beton hält Druck sehr gut aus. Zug hält er schlecht aus: Er verträgt nur etwa ein Zehntel so viel Zug wie Druck.
Deshalb nimmt man unbewehrten Beton (ohne Stahl) dort, wo die Last vor allem drückt: bei Fundamenten, dicken Wänden, Staumauern, Kanalauskleidungen, Hofwegplatten auf festem Boden und kleinen Sperren.
Unbewehrter Beton reißt, wenn er sich biegt. Darum bauen wir ihn dick und kurz, nie als langen dünnen Balken.
Stahlbetonbauwerke (RCC)
Wenn sich ein Balken biegt, wird seine Unterseite gedehnt und seine Oberseite zusammengedrückt. Wir legen Stahlstäbe (Bewehrung) nahe an die gedehnte Seite. Stahl ist stark bei Zug. Der Beton hält die Stäbe fest, trägt den Druck mit und schützt den Stahl vor Rost.
Warum klappt das? Beton greift fest um den Stab, und beide dehnen sich bei Wärme und Kälte fast gleich stark aus. So wirken sie wie ein einziger Körper.
Die Stäbe brauchen eine Betonschicht ringsum, die Betondeckung. Sie hält Wasser und Luft fern, damit die Stäbe nicht rosten. Üblich sind etwa 2 bis 5 cm, bei Wassertanks mehr.
Auf dem Hof nutzt man Stahlbeton für Wassertanks, Silos, Brücken, Durchlässe, Kanalschütze, Absturzbauwerke, Stallböden und Gebäude mit Balken und Decken.
Stahlbauwerke
Ein Stahlbauwerk besteht aus gewalzten Stahlteilen wie Winkeln, U-Profilen und I-Trägern, die mit Schrauben, Nieten oder Schweißnähten verbunden sind. Stahl ist stark bei Druck und bei Zug.
Vorteile: Er ist für sein Gewicht sehr stark, schnell aufzubauen, überspannt weite Lücken, und alte Teile kann man wiederverwenden. Nachteile: Er rostet, wenn er nicht gestrichen oder verzinkt ist, er verliert bei starkem Feuer an Festigkeit, und lange dünne Teile können knicken (seitlich ausweichen), wenn man sie drückt.
Ein Fachwerk verbindet Stäbe zu Dreiecken. Ein Dreieck kann seine Form nicht ändern, also bleibt der Rahmen steif. Verwendung auf dem Hof: Rahmen für Gewächshäuser und Viehställe, Getreidesilos, Wasserturmgestelle, Stützen für Beregnungsrohre und Tore.
Die Wahl zwischen den dreien
- Meist Druck, schwer, lange Lebensdauer: unbewehrter Beton.
- Biegung, Wasserdruck, stark und haltbar, wird später nicht versetzt: Stahlbeton.
- Weite Lücke, geringes Gewicht, schnelle Arbeit, kann versetzt oder erweitert werden: Stahl.
Denke auch an Kosten, regionale Baustoffe, den Boden darunter und die gewünschte Lebensdauer.
Probier es aus: der Keks-Test
Nimm einen trockenen Keks. Drücke ihn flach zwischen deinen Handflächen: Er lässt sich kaum zerdrücken. Halte ihn nun an beiden Enden und biege ihn: Er bricht schon bei einer kleinen Biegung. Ein Keks ist wie Beton: gut bei Druck, schwach bei Biegung. Trockne jetzt eine Lehmplatte, in deren Unterseite ein dünner Stab gedrückt ist, und biege sie: Sie hält länger. Der Stab spielt die Rolle der Stahlstäbe.
Wichtige Formeln und Definitionen
- Druck = Zusammendrücken; Zug = Dehnen
- Unbewehrter Beton: stark bei Druck, schwach bei Zug
- Stahlbeton = Beton + Stahlstäbe in der gezogenen Zone
- Betondeckung = Betonschicht um den Stab (schützt vor Rost)
- Stahl: stark bei beidem; leicht im Verhältnis zur Stärke; rostet und knickt
Gelöste Beispiele
1. Eine Hofwegplatte liegt auf festem Boden und trägt nur ein Fahrzeug, das von oben drückt. Unbewehrter Beton oder Stahlbeton?
Der Boden stützt die Platte auf ganzer Länge, sie biegt sich also kaum. Für leichten Verkehr reicht unbewehrter Beton. Ein wenig Stahlmatte kann Risse begrenzen.
2. Eine Brücke über einen Kanal ist ein Balken auf zwei Mauern. Welche Seite des Balkens wird gedehnt, und wo kommen die Stäbe hin?
Ein Balken auf zwei Stützen biegt sich nach unten durch. Die Unterseite wird gedehnt. Also kommen die Hauptstäbe nahe an die Unterseite.
3. Ein Kragarm (ein Balken, der an einem Ende fest und am anderen frei ist) trägt eine Last. Wo kommen die Hauptstäbe hin?
Ein Kragarm biegt sich so, dass die Oberseite gedehnt wird. Also kommen die Hauptstäbe nahe an die Oberseite, in der Nähe der festen Einspannung.
4. Ein Landwirt möchte eine 12 m breite Halle ohne Stützen im Inneren, schnell gebaut. Welches Bauwerk?
Ein Stahlfachwerkrahmen. Er ist leicht, überspannt eine weite Lücke und ist schnell aufgestellt.
5. Ein Balken ist 300 mm breit und braucht auf jeder Seite 40 mm Betondeckung. Wie breit ist der Raum zwischen den Deckungen?
300 - 40 - 40 = 220 mm.
6. Unbewehrter Beton hält 3 N pro mm2 Zug aus, bevor er reißt. Die Unterseite eines Balkens wird mit 5 N pro mm2 gedehnt. Reißt er? Was hilft?
5 ist mehr als 3, also reißt er. Stahlstäbe nehmen den Zug auf, sodass der Beton ihn nicht mehr tragen muss.
Häufige Fehler
- Zu denken, Beton sei in jeder Hinsicht stark. Er ist nur bei Druck stark.
- Die Stäbe in die Mitte oder nach oben eines frei aufliegenden Balkens zu legen. Sie gehören nahe an die gedehnte Unterseite.
- Zu wenig Betondeckung zu lassen, sodass der Stahl rostet und der Beton abplatzt.
- Zu glauben, Stahl versage nie. Dünner Stahl knickt, rostet und verliert im Feuer an Festigkeit.