ERLANGEN. Belastungstest verschiedener Brückenmodelle. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht ERLANGEN Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Luca Kellermann Christian Weppler Schule: Hans-Sachs-Gymnasium Jugend forscht 2013

2 Schüler experimentieren Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Teilnehmer: 1. Luca Kellermann 2. Christian Weppler Betreuende Lehrkraft: Schule: Herr Conrad Hans-Sachs-Gymnasium, Klasse 5b

3 Inhaltsverzeichnis Seite 1. Motivation 3 2. Durchführung der Experimente 3 3. Beobachtungen 9 4. Ergebnisse Schlussfolgerung Literatur 13 Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Seite 2

4 1. Motivation Da in Nürnberg zurzeit viele Brücken gesperrt sind und auf ihren Zustand hin untersucht werden, sind wir auf das Thema Brücken gekommen. Wir haben uns überlegt, dass Schäden auf Grund zu hoher Belastungen entstanden sein könnten. Folgende Fragen haben uns interessiert: 1. Welche Brückenarten kann man testen? 2. Aus welchem Material können wir die Brücken bauen? 3. Womit kann die Belastbarkeit getestet werden? 4. Was bricht zuerst: Die Fahrbahnplatte oder die Pfeiler? 5. Welche Brückentypen würden wir für welchen Zweck einsetzen und warum? 2. Durchführung der Experimente Wir fragten uns, welche Brückentypen wir testen könnten. Im Internet und im Lexikon informierten wir uns über verschiedene Brückenarten. Für folgende typische Bauformen haben wir uns entschieden: Hängebrücke Bogenbrücke Brücke mit Sprengwerk Als erstes hatten wir die Idee, unsere Brücken aus Metall zu bauen. Um eine ausreichende Menge an Bauteilen zu bekommen, hätten wir jedoch mehrere Metallbaukästen kaufen müssen. Dies war uns zu teuer. Dann schauten wir uns vorhandene Schulbausätze an, mit denen verschiedene Brücken errichtet werden können. Hängebrückenmodell Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Seite 3

5 Bogenbrückenmodell Alternatives Bogenbrückenmodell: Kragbogenbrücke Da bei diesen Brückenmodellen jedoch außer bei der Hängebrücke eine Fahrbahn nicht befestigt werden konnte, war eine vergleichende Belastungstestung nicht möglich. Deswegen arbeiteten wir mit diesen Bausätzen nicht weiter. Beim Bau der Modelle fiel uns jedoch auf, dass die Brücken bei Belastung teilweise nicht einstürzten, sondern seitlich nachgaben. Daraus schlossen wir, dass es wichtig war, für die endgültigen Brückenmodelle eine Absicherung gegen seitliches Abrutschen, ein sogenanntes Widerlager, zu berücksichtigen. Wir entschieden uns, die Brücken aus LEGO-Teilen zu bauen, da man mit diesen Steinen viele verschiedene Bauwerke errichten kann. Außerdem verfügten wir über eine ausreichende Anzahl. Zusätzlich haben LEGO-Steine den Vorteil, dass die Funktion des Widerlagers durch die Verbindung der Steine mit Noppen gesichert wird. Lediglich die Bodenplatten mussten mit zusätzlichen Verbindungen gegen Abrutschen gesichert werden. Bei der Hängebrücke waren seitliche Gewichte notwendig, damit sich die Bodenplatten nicht bogen. Wir überlegten uns, dass wir für alle Brücken immer dieselbe Straße verwenden sollten, damit die Testungen vergleichbar sind. Hierfür wollten wir zunächst ein Holzbrett nehmen. Dies war jedoch nicht sinnvoll, da die Befestigung des Brettes an den LEGO-Steinen sehr schwierig gewesen wäre. Außerdem hätte man ein Holzbrett nicht wieder verwenden können, falls es bei einem der Versuche zerbrochen wäre. Stattdessen bauten wir eine Fahrbahn aus zwei verbundenen LEGO-Platten, die wir zwischen den verschiedenen Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Seite 4

6 Modellen wechselten. Daher achteten wir auf einen gleichen Abstand der Pfeiler bei allen Brückenarten. Folgende drei Modelle haben wir gebaut: Hängebrücke Bogenbrücke Brücke mit Sprengwerk Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Seite 5

7 Nun begannen wir mit den Belastungstests. Wir entschieden uns, zur Belastung der Brücke gefüllte 1l Mineralwasserflaschen aus Kunststoff zu benutzen, da diese in ausreichender Anzahl zur Verfügung standen und wir deren Gewicht genau messen konnten. Später bekamen wir das Problem, dass die Belastbarkeit der Brücken und damit die benötigte Anzahl der Flaschen teilweise so hoch war, dass wir diese nicht mehr auf der Brücke unterbringen konnten. Deshalb wogen wir Backsteine und verwendeten sie als Zusatzgewichte zu den Flaschen. Auch diese Kombination reichte nicht immer aus, um die Belastungsgrenze zu erreichen. Belastung mit Flaschen und Backsteinen Deswegen nahmen wir zusätzlich zu den Flaschen beziehungsweise Backsteinen auch Eisengewichte aus einem Gewichtssatz und eine Betonplatte. Belastung mit Eisengewichten und Steinen Belastung mit Eisengewichten Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Seite 6

8 Während der Tests fiel uns auf, dass sich bei manchen Brücken die Fahrbahnplatte sehr durchbog, bei anderen dagegen fast nicht. starke bei geringem Gewicht geringe bei hohem Gewicht Aus diesem Grund untersuchten wir zusätzlich das Ausmaß dieser Verbiegung indem wir bei jeder Belastung den Abstand zwischen Fahrbahnplatte und Boden maßen. Messung des Bodenabstandes Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Seite 7

9 Wir überlegten uns außerdem, dass die Belastbarkeit der Brücken auch von der Verteilung des Gewichtes auf der Fahrbahn beeinflusst werden müsste. Deswegen führten wir bei jeder Brücke die Messungen sowohl mit einer mittigen Belastung der Fahrbahn, als auch mit einer möglichst gleichmäßig über die Fahrbahn verteilten Belastung durch. Belastung mittig Belastung verteilt Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Seite 8

10 3. Beobachtungen Unsere Messungen ergaben folgende Ergebnisse: Tabelle und Diagramm 1: Hängebrücke - Gewichte in der Mitte 0,5 2 2,2 9 3,7 15 4,8 18 0,7 3 2,5 9 3,8 15 4,9 19 0,9 5 2,7 10 3,9 15 5,0 19 1,0 5 2,8 10 4,0 15 5,2 19 1,2 5 3,0 11 4,1 15 5,5 20 1,5 6 3,2 12 4,2 16 5,9 21 1,7 7 3,3 13 4,5 17 6,0 Einsturz 2,0 8 3,5 13 4,7 17 Einsturz durch Bruch eines Pfeilers Tabelle und Diagramm 2: Hängebrücke - Gewichte verteilt 4,0 4 6,0 7 7,0 10 8,0 13 9,0 Einsturz Einsturz durch Bruch eines Pfeilers Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Seite 9

11 Tabelle und Diagramm 3: Bogenbrücke - Gewichte in der Mitte 10,0 1 36,0 4 17,0 2 40,0 4 24,0 3 45,0 4,5 30,0 3 48,5 5 32,0 3 52,0 Einsturz Einsturz des gesamten Bauwerks Tabelle und Diagramm 4: Bogenbrücke - Gewichte verteilt 7,0 1 30,0 2 49,0 3 10,5 1 34,0 2,5 52,0 3,5 14,0 1 38,0 2,5 58,0 3,5 17,0 2 41,0 2,5 60,0 3,5 24,0 2 45,0 3 74,0 Einsturz Einsturz des gesamten Bauwerks Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Seite 10

12 Tabelle und Diagramm 5: Brücke mit Sprengwerk - Gewichte in der Mitte 3,5 1 20,0 7,5 7,0 2 21,0 7,5 10,0 3 22,0 8 13,5 6 23,0 9 17,0 7 24, ,0 7 25, ,0 7 26,0 Einsturz Bruch der Fahrbahnplatte Tabelle und Diagramm 6: Brücke mit Sprengwerk - Gewichte verteilt 17,0 5 33,0 9 44, ,0 6 35, , ,0 6 37, , ,0 7 39, , ,0 8 40, ,0 Einsturz 29,0 8,5 42, ,0 9 43,0 12 Bruch der Fahrbahnplatte Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Seite 11

13 4. Ergebnisse Unter folgenden Gewichten stürzten die Brücken ein: Brückenmodelle Punktuelle Belastung Flächige Belastung Hängebrücke 6 9 Bogenbrücke Brücke mit Sprengwerk Von den drei getesteten Modellen war die Bogenbrücke am stabilsten, die Hängebrücke hingegen am wenigsten belastbar. Die Werte der Brücke mit Sprengwerk kamen denen der Bogenbrücke nahe. Bei allen Modellen haben wir festgestellt, dass die Brücken bei flächiger Belastung ein höheres Gewicht aushielten als bei punktueller Belastung. Die Art der Zerstörung bei Überlastung war abhängig vom Bückentyp, aber nicht von der Art der Belastung: Brückenmodelle Punktuelle Belastung Flächige Belastung Hängebrücke Bogenbrücke Brücke mit Sprengwerk Einsturz eines Brückenpfeilers Bruch von Pfeilern und Fahrbahn Bruch der Fahrbahn Die der Fahrbahnplatte nahm mit zunehmendem Gewicht bei allen Brückentypen gleichmäßig zu. Allerdings war die Stärke der abhängig vom Brückentyp und der Art der Belastung. Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Seite 12

14 5. Schlussfolgerung Auf Grund unserer Messungen haben wir herausgefunden, dass Brücken, die kompakt gebaut sind mehr aushalten als solche, die zierlicher, also mit weniger Material, gebaut wurden. Unserer Meinung nach eignen sich Hängebrücken eher für geringere Belastungen, wie zum Beispiel für Fahrradfahrer und Fußgänger. Eine höhere Stabilität ließe sich wahrscheinlich durch stärkere Brückenpfeiler erreichen, da sich diese bei unseren Messungen als Schwachpunkt herausstellten. Die sehr stabilen Bogenbrücken könnte man bei hohen Belastungen einsetzen wie zum Beispiel bei stark befahrenen Autobahnen, Bundesstraßen und Eisenbahnstrecken. Allerdings ist für das Errichten der Bogenbrücke, wie wir beim Bauen mit den LEGO- Steinen festgestellt haben, der Materialaufwand sehr hoch. Wir fanden, dass die Brücke mit Sprengwerk eine Alternative zwischen Bogen- und Hängebrücke ist. Sie stellt einen Kompromiss bezüglich Materialaufwand und Belastbarkeit dar. Warum war nun die Sprengwerkbrücke ähnlich stabil wie die Bogenbrücke? Die Funktion des Bogens bei der Bogenbrücke ist, dass der Belastungsdruck aus der Mitte der Fahrbahn auf die Seite in die stabilen Pfeiler geleitet wird. Diese Aufgabe erfüllt bei der anderen Brücke das Sprengwerk, bloß mit geringerem Materialverbrauch. Wohin erfolgt die Druckableitung bei der Hängebrücke? Der Druck der Fahrbahn wird umgewandelt in einen Zug an den Seilen. Diese wiederum leiten die Belastung einerseits in die Pfeiler andererseits in ein Widerlager. Die Pfeiler müssen deshalb ausreichend stabil sein. 6. Literatur Meyers Großes Universallexikon, 1981, Bd. 2, S Wikipedia: Stichwort Brückenarten Wikipedia: Stichwort Sprengwerk Belastungstest verschiedener Brückenmodelle Seite 13