Was sind strukturelle Werkstoffe?
Strukturelle Werkstoffe sind Materialien, die zur Stützung von Gebäuden und Strukturen verwendet werden.
Es werden hauptsächlich Holz, Stahl, Beton und Stahlbeton verwendet. Sie sind die wichtigsten und grundlegenden Bestandteile eines Gebäudes oder Bauwerks, um dessen Haltbarkeit und Sicherheit zu gewährleisten.
Heutzutage wird CLT (Orthogonal Laminated Timber) als neues struktureller Werkstoff immer häufiger verwendet, ebenso wie die Entwicklung und Erforschung von strukturelle Werkstoffe aus CFK (kohlenstofffaserverstärkter Verbundstoff).
Anwendungen von strukturellen Werkstoffen
Strukturelle Werkstoffe werden zur Stützung des Tragwerks von Gebäuden und Bauwerken verwendet. Sie sind die tragenden Elemente aller Gebäude und Bauwerke, wie Häuser, Gebäude, Brücken, Dämme und Straßen. Die verschiedenen Arten von strukturellen Werkstoffen haben unterschiedliche Verwendungszwecke.
Merkmale von strukturellen Werkstoffen
Vorteile
Geeignete strukturelle Werkstoffe können äußere Kräfte in Gebäuden und anderen Strukturen aufnehmen und das Gebäude zusammenhalten. In Gebäuden zum Beispiel können strukturelle Werkstoffe wie Balken und Säulen das gesamte Gebäude tragen, indem sie äußere Kräfte aufnehmen und die Last verteilen.
Auch im Straßen- und Brückenbau können strukturelle Werkstoffe wie Fahrbahnbeläge, Pfeiler und Brückenträger die Lasten von Fahrzeugen und Menschen tragen und so eine stabile Fahrt und Durchfahrt gewährleisten. Darüber hinaus sind Strukturelle Materialien resistent gegen Naturkatastrophen wie Erdbeben und Taifune, wodurch Schäden an Bauwerken minimiert werden können.
Durch die richtige Auswahl, Planung und Konstruktion von strukturelle Werkstoffe kann die Erdbeben- und Winddruckfestigkeit des gesamten Bauwerks erhöht werden, wodurch das Bauwerk widerstandsfähiger gegen Erdbeben, Taifune und andere Katastrophen wird.
Nachteile
1. Einige Werkstoffe haben eine geringe Haltbarkeit
Einige strukturelle Werkstoffe sind anfällig für Verfall und Korrosion. Jedes Material hat andere Probleme: Holz zum Beispiel ist anfällig für Fäulnis aufgrund von Feuchtigkeit und Nässe, während Stahl anfällig für Rost ist. Bei unsachgemäßer Wartung kann es zu Problemen mit der Haltbarkeit kommen.
2. Genauigkeit in der Konstruktion ist wichtig
Bei der Verwendung von strukturellen Werkstoffen sind exakte Abmessungen und Positionierungen erforderlich. Besonders bei schweren strukturellen Werkstoffen wie Stahl und Beton ist die Genauigkeit der Konstruktion sehr wichtig. Eine fehlerhafte Konstruktion kann die Sicherheit des Bauwerks beeinträchtigen.
3. Verschlechterung im Laufe der Zeit
Mit der Zeit verschlechtert sich die Leistung von strukturellen Werkstoffe. Zum Beispiel kann Holz beim Trocknen anfälliger für Risse werden, und Stahl kann rosten und an Festigkeit verlieren. Darüber hinaus können Naturkatastrophen wie Erdbeben und Wind die strukturellen Werkstoffe belasten und zu deren Verschlechterung führen.
4. Hohe Kosten
Einige strukturelle Werkstoffe sind teuer. Beispielsweise können Stahlrahmen und Stahlbeton die Baukosten aufgrund der hohen Material- und Konstruktionskosten erhöhen. Darüber hinaus kann die Auswahl von strukturellen Werkstoffen eine Kostenherausforderung darstellen, da die Lebensdauer, die Konstruktionsmethoden und die Wartung berücksichtigt werden müssen und eine umfassende Entscheidung getroffen werden muss.
Arten von strukturellen Werkstoffen
1. Holz
Holz ist relativ einfach zu verarbeiten, leicht und einfach zu handhaben. Als natürliches Material ist es umweltfreundlich, und seine Elastizität hilft, die Auswirkungen von Erdbeben zu mildern.
Außerdem hat es hervorragende Wärmedämmeigenschaften, die die Effizienz von Heizung und Kühlung verbessern können. Da es leicht zu verarbeiten ist, kann es frei gestaltet werden. Allerdings ist es anfällig für Feuchtigkeit und Insektenbefall.
2. Stahlrahmen
Stahlrahmen werden für die Stahlkonstruktion von Gebäuden, Brückenträgern und Stahltürmen verwendet. Sie eignen sich für große Gebäude, z. B. für schwere Strukturen und Hochhäuser. Stahlrahmen sind sehr stabil und werden häufig für große Gebäude verwendet.
Sie sind außerdem sehr erdbebensicher und ermöglichen den Bau von erdbebensicheren Gebäuden. Darüber hinaus verfügt er über eine ausgezeichnete Feuerbeständigkeit, die ihn widerstandsfähig gegen Feuer macht. Es hat jedoch den Nachteil, dass es leicht rostet und einen hohen Wartungsaufwand, z. B. durch Streichen, erfordert.
3. Beton
Beton ist ein Baumaterial, das durch Mischen von Zement, Sand und Zuschlagstoffen (Kies oder Schotter) hergestellt wird und für den Bau von Fundamenten, Strukturellen Materialien und Straßenbelägen verwendet wird. Er ist fest, schalldicht, feuerfest und luftdicht.
Er hat eine ausgezeichnete Haltbarkeit und kann über einen langen Zeitraum hinweg verwendet werden. Aufgrund seines Gewichts müssen jedoch die Gewichtsbeschränkungen für Gebäude berücksichtigt werden.
4. Stahlbeton
Stahlbeton vereint die besten Aspekte von Stahl und Beton, indem Stahlstäbe in den Beton eingebettet werden. Er wird in großem Umfang als strukturelles Material in Gebäuden verwendet, z. B. für Balken, Säulen, Bodenplatten und Fundamente.
Wie Stahl ist er extrem stark und hat eine ausgezeichnete Erdbebensicherheit. Außerdem ist er sehr feuerbeständig und kann für den Bau von Gebäuden verwendet werden, die gegen Feuer resistent sind. Der Nachteil ist jedoch, dass es sehr teuer ist.
Auswahl eines geeigneten strukturellen Werkstoffes
Bei der Auswahl eines strukturellen Werkstoffes sollten folgende Punkte sorgfältig bedacht werden:
1. Verwendungszweck
Für verschiedene Anwendungen sollten unterschiedliche strukturelle Werkstoffe ausgewählt werden. Bei Gebäuden, die feuerbeständig sein müssen, wird beispielsweise in der Regel eine Stahlkonstruktion verwendet. Holz kann ebenfalls verwendet werden, wenn Flexibilität erforderlich ist.
2. Nutzungsumgebung
Die Wahl des geeigneten strukturellen Werkstoffes hängt vom Standort und der Nutzungsumgebung des Gebäudes oder Bauwerks ab. Wenn das Gebäude beispielsweise in Küsten- oder Sumpfgebieten errichtet werden soll, sollten korrosionsbeständige Materialien gewählt werden. In erdbebengefährdeten Gebieten ist es ebenfalls notwendig, Materialien mit hoher Erdbebensicherheit zu wählen.
3. Kostenabwägung
Bei der Auswahl von strukturellen Werkstoffen ist es wichtig, ein Gleichgewicht zwischen der Leistung und den Kosten der Materialien herzustellen. Hochleistungsmaterialien bieten eine höhere Haltbarkeit und Festigkeit, sind aber in der Regel auch teurer.
Andererseits kann die Wahl von kostengünstigen Materialien die Kosten senken, aber die Leistungsfähigkeit einschränken.