James Gordon spricht in "Structures: or Why Things Don't Fall Down" davon, dass Bäume mit vorgespannter Außenseite und komprimierter Innenseite vorgespannt werden. Warum macht es einen Baum stärker, wenn er an der Oberfläche gespannt und im Kern zusammengedrückt wird, und wie lese ich die Grafik im ersten Bild unten?
Auch im dritten Bild geht es darum, das Gegenteil mit einem Betonbalken zu tun. Wie können Sie mit Bewehrungsstäben Spannungen erzeugen?
Antworten:
Die Diagramme sind Spannungsverläufe in Abhängigkeit von der Position. Die Spannung ist die Kraft pro Flächeneinheit, die auf ein Material ausgeübt wird. Positive Werte sind Spannung und negative Werte sind Kompression.
Das erste Diagramm (ganz links) zeigt die normale Spannung gegenüber der Position, die beim Biegen zu erwarten wäre, wenn keine Vorspannung vorhanden wäre. Das mittlere Diagramm zeigt die Vorspannung des Baumes. Die Darstellung ganz rechts zeigt die Überlagerung oder Summe der Biegespannung und der Vorspannung.
Festigkeit ist im Maschinenbau die maximale Beanspruchung, die ein Werkstoff aushalten kann, bevor er versagt. Jedes Material hat einzigartige Festigkeitsgrenzen, die als Endfestigkeit bezeichnet werden . Bei einigen Materialien ist dies in Bezug auf Zug und Druck gleich, bei anderen sind die endgültigen Zug- und Druckfestigkeiten unterschiedlich. Die meisten Metalle haben ungefähr die gleiche Zug- und Druckfestigkeit, aber Materialien wie Holz und Beton fallen in die letztere Kategorie, in der sich die Zug- und Druckfestigkeit erheblich unterscheiden.
In dem von Ihnen angegebenen Artikel heißt es, dass die Endzugfestigkeit von Holz größer ist als die Enddruckfestigkeit. Wenn der Baum nicht vorgespannt wäre, würde die vom Wind abgewandte Seite immer zuerst versagen, da die maximale Zug- und Druckfestigkeit beim Biegen ohne Vorspannung, wie aus der ersten Kurve hervorgeht, gleich ist. Durch die Zugvorspannung an der Außenseite des Baumes kann der Baum die maximale Druckspannung reduzieren und so stärkeren Winden standhalten. Beachten Sie, dass als Konsequenz von Newtons drittem Gesetz sowohl eine Zug- als auch eine Druckvorspannung vorliegen muss, um die Kräfte auszugleichen.
Im Beton ist die Situation anders, da Beton im Wesentlichen keine Zugfestigkeit aufweist. Spannbeton vermeidet ein Versagen, indem der Bewehrungsstahl in einem Zustand der Zugvorspannung und der Beton in einem Zustand der Druckvorspannung gehalten wird. Dies kann entweder durch Strecken der Bewehrung während des Betonierens oder durch Gießen von Beton um beschichtete Kabel erreicht werden, um zu verhindern, dass der Beton am Kabel haftet. Im letzteren Fall werden die Kabel angezogen, um den Beton nach dem Aushärten vorzuspannen.