Stahl vs. Holz vs. Beton

Der konstruktive Ingenieurbau hängt von der Kenntnis der Baustoffe und ihrer entsprechenden Eigenschaften ab, damit wir das Verhalten verschiedener Materialien bei der Anwendung auf das Bauwerk besser vorhersagen können. Allgemein, die Drei (3) die am häufigsten verwendeten Materialien im Hochbau sind Stahl, Beton und Holz / Holz. Die Kenntnis der Vor- und Nachteile jedes Materials ist wichtig, um einen sicheren und kostengünstigen Ansatz für die Gestaltung von Strukturen zu gewährleisten. Werfen wir also einen Blick auf die Vor- und Nachteile von Stahl vs. Holz vs. Beton!

Baustahl

Stahl ist eine Legierung, die hauptsächlich aus Eisen und Kohlenstoff besteht. Andere Elemente werden ebenfalls in die Legierung eingemischt, um andere Eigenschaften zu erhalten. Ein Beispiel ist die Zugabe von Chrom und Nickel zur Herstellung von Edelstahl. Das Erhöhen des Kohlenstoffs in Stahl hat den beabsichtigten Effekt, die Zugfestigkeit des Materials zu erhöhen. Durch Erhöhen des Kohlenstoffgehalts wird der Stahl spröder, was für Baustahl unerwünscht ist.

Vorteile von Baustahl

Stahl hat ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. So, das Eigengewicht von Stahlgerüst ist relativ klein. Diese Eigenschaft macht Stahl zu einem sehr attraktiven Baustoff für Hochhäuser, weitspannige Brücken, Strukturen auf dem Boden mit geringer Bodenbelastung und in Gebieten mit hoher seismischer Aktivität.
Duktilität. Stahl kann sich vor dem Versagen stark plastisch verformen, Dadurch wird eine große Reservestärke bereitgestellt.
Vorhersagbare Materialeigenschaften. Die Eigenschaften von Stahl können mit hoher Sicherheit vorhergesagt werden. Stahl zeigt tatsächlich ein elastisches Verhalten bis zu einem relativ hohen und normalerweise genau definierten Spannungsniveau. Im Gegensatz zu Stahlbeton, Die Stahleigenschaften ändern sich mit der Zeit nicht wesentlich.
Geschwindigkeit der Erektion. Stahlbauteile werden einfach in die Struktur eingebaut, für eine sehr kurze Bauzeit. Dies führt normalerweise zu einer schnelleren wirtschaftlichen Amortisation in Bereichen wie den Arbeitskosten.
Einfache Reparatur. Stahlkonstruktionen können im Allgemeinen schnell und einfach repariert werden.
Anpassung der Vorfertigung. Stahl eignet sich hervorragend für die Vorfertigung und Massenproduktion.
Wiederholte Verwendung. Stahl kann nach dem Zerlegen einer Struktur wiederverwendet werden.
Bestehende Strukturen erweitern. Stahlgebäude können einfach durch Hinzufügen neuer Buchten oder Flügel erweitert werden. Stahlbrücken können verbreitert werden.
Dauerfestigkeit. Stahlkonstruktionen weisen eine relativ gute Dauerfestigkeit auf.

Nachteile von Baustahl

Allgemeine Kosten. Stahl ist sehr energieintensiv und natürlich teurer in der Herstellung. Der Bau von Stahlkonstruktionen kann teurer sein als andere Arten von Konstruktionen.
Brandschutz. Die Festigkeit von Stahl wird erheblich verringert, wenn er auf Temperaturen erhitzt wird, die üblicherweise bei Gebäudebränden beobachtet werden. Stahl leitet und überträgt Wärme von einem brennenden Teil des Gebäudes ziemlich schnell. Folglich, Stahlrahmen in Gebäuden müssen ausreichend feuerfest sein.
Instandhaltung. Stahl, der der Umwelt ausgesetzt ist, kann das Material beschädigen und sogar die Struktur durch Korrosion verunreinigen. Stahlkonstruktionen, die Luft und Wasser ausgesetzt sind, wie Brücken und Türme, werden regelmäßig gemalt. Die Anwendung von witterungsbeständigen und korrosionsbeständigen Stählen kann dieses Problem beseitigen.
Anfälligkeit für Knicken. Aufgrund des hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, Stahlkompressionselemente sind, allgemein, schlanker und folglich anfälliger für Knicken als, sagen, Stahlbeton-Druckelemente. Als Ergebnis, Weitere Konstruktionsüberlegungen sind erforderlich, um die Knickfestigkeit schlanker Stahlkompressionselemente zu verbessern.

Abbildung 1. Stahlbau Übersicht

Bewehrter Beton

Beton ist eine Mischung aus Wasser, Zement und Zuschlagstoffe. Das Verhältnis der drei Hauptkomponenten ist wichtig, um eine Betonmischung mit der gewünschten Druckfestigkeit zu erzeugen. Bei der Bewehrung werden Stahlstangen in Beton eingebracht, Die beiden Materialien arbeiten zusammen mit Beton, der die Druckfestigkeit liefert, und Stahl, der die Zugfestigkeit liefert.

Vorteile von Stahlbeton

Druckfestigkeit. Stahlbeton hat im Vergleich zu anderen Baustoffen eine hohe Druckfestigkeit.
Zerreißfestigkeit. Aufgrund der mitgelieferten Verstärkung, Stahlbeton kann auch einer guten Zugspannung standhalten.
Feuer Beständigkeit. Beton hat eine gute Fähigkeit, Bewehrungsstahlstangen für längere Zeit vor Feuer zu schützen. Dies verschafft den Bewehrungsstäben Zeit, bis das Feuer gelöscht ist.
Materialien aus der Region. Die meisten Materialien, die zur Herstellung von Beton benötigt werden, können problemlos vor Ort bezogen werden, Das macht Beton zu einer beliebten und kostengünstigen Wahl.
Haltbarkeit. Das Stahlbetonbausystem ist langlebiger als jedes andere Gebäudesystem.
Formbarkeit. Verstärkter Beton, als flüssiges Material am Anfang, kann wirtschaftlich in einen nahezu unbegrenzten Bereich von Formen geformt werden.
Geringer Wartungsaufwand. Stahlbeton ist robust ausgelegt, Verwenden Sie Materialien mit geringem Wert wie Sand und Wasser, die keine umfangreiche Wartung erfordern. Der Beton soll die Bewehrung vollständig umschließen, so dass die Bewehrung ungestört bleibt. Dies macht die Wartungskosten für Stahlbetonkonstruktionen sehr gering.
In Struktur wie Fundamente, Dämme, Pfeiler usw.. Stahlbeton ist das wirtschaftlichste Baumaterial.
Steifigkeit. Es wirkt wie ein starres Element mit minimaler Durchbiegung. Eine minimale Durchbiegung ist gut für die Gebrauchstauglichkeit von Gebäuden.
Benutzerfreundlichkeit. Im Vergleich zur Verwendung von Stahl in der Struktur, Beim Bau von Stahlbetonkonstruktionen können weniger qualifizierte Arbeitskräfte eingesetzt werden.

Nachteile von Stahlbeton

Langzeitlagerung. Beton kann nach dem Mischen nicht mehr gelagert werden, da der Zement mit Wasser reagiert und die Mischung aushärtet. Die Hauptzutaten müssen separat gelagert werden.
Aushärtezeit. Beton hat eine Aushärtezeit von 30 Tagen. Dieser Faktor wirkt sich stark auf den Bauplan des Gebäudes aus. Dies macht die Geschwindigkeit der Montage von Ortbeton langsamer als die von Stahl, jedoch, Dies kann durch die Verwendung von Betonfertigteilen erheblich verbessert werden.
Kosten für Formulare. Die Kosten der zum Gießen von RC verwendeten Formen sind relativ höher.
Größerer Querschnitt. Bei einem mehrstöckigen Gebäude der Stahlbetonsäulenabschnitt (RCC) ist größer als das Stahlprofil, da die Druckfestigkeit bei RCC geringer ist.
Schwindung. Das Schrumpfen führt zu Rissentwicklung und Festigkeitsverlust.

Abbildung 2. Ein typisches Beispiel für einen Stahlbeton

Bauholz

Holz ist ein Bio, hygroskopisches und anisotropes Material. Es ist thermisch, akustisch, elektrisch, mechanisch, ästhetisch, Arbeiten, etc. Eigenschaften sind sehr gut geeignet zu nutzen, es ist möglich, ein komfortables Haus nur mit zu bauen Holzprodukte. Mit anderen Materialien, Es ist fast unmöglich. Holz ist als Baustoff im Bauwesen offensichtlich sowohl eine gängige als auch eine historische Wahl. Jedoch, in den letzten Jahrzehnten, Es gab eine Abkehr von Holz zugunsten von technischen Produkten oder Metallen wie Aluminium.

Vorteile von Holz

Zerreißfestigkeit. Als relativ leichtes Baumaterial, Holz übertrifft sogar Stahl, wenn es um die Bruchlänge geht (oder Selbsttragungslänge). Einfach gesagt, es kann sein eigenes Gewicht besser tragen, Dies ermöglicht größere Räume und weniger notwendige Stützen in einigen Gebäudeentwürfen.
Elektrische und Wärmebeständigkeit. Es hat einen natürlichen Widerstand gegen elektrische Leitung, wenn es auf den normalen Feuchtigkeitsgehalt getrocknet wird (MC) Ebenen, normalerweise zwischen 7%-12% für die meisten Holzarten. Seine Festigkeit und Abmessungen werden auch durch Hitze nicht wesentlich beeinflusst, Gewährleistung der Stabilität des fertigen Gebäudes und sogar Auswirkungen auf die Sicherheit in bestimmten Brandsituationen.
Schallabsorption. Seine akustischen Eigenschaften machen es ideal zur Minimierung des Echos in Wohn- oder Büroräumen. Holz absorbiert Schall, anstatt es zu reflektieren oder zu verstärken, und kann dazu beitragen, den Geräuschpegel für zusätzlichen Komfort erheblich zu reduzieren.
Lokal bezogen. Holz ist ein Baustoff, der durch natürliche Prozesse sowie durch Wiederbepflanzungs- und Forstwirtschaftsprogramme angebaut und nachgewachsen werden kann. Durch ausgewählte Ernte und andere Methoden kann das Wachstum fortgesetzt werden, während größere Bäume geerntet werden.
Umweltfreundlich. Eine der größten Herausforderungen vieler Baustoffe, einschließlich Beton, Metall, und Kunststoffe, ist das, wenn sie weggeworfen werden, Die Zersetzung dauert unglaublich lange. Wenn es natürlichen Klimabedingungen ausgesetzt ist, Holz wird viel schneller abgebaut und füllt dabei tatsächlich den Boden auf.

Nachteile von Holz

Das Schrumpfen und Quellen von Holz ist einer der Hauptnachteile.

Holz ist ein hygroskopisches Material. Dies bedeutet, dass es umgebende kondensierbare Dämpfe absorbiert und Feuchtigkeit unterhalb des Fasersättigungspunkts an Luft verliert. Ein weiterer Nachteil ist die Verschlechterung. Die Mittel, die die Verschlechterung und Zerstörung von Holz verursachen, fallen in zwei Kategorien: Biotisch (biologisch) und abiotisch (nicht biologisch). Biotika umfassen Fäulnis- und Schimmelpilze, Bakterien und Insekten. Abiotika schließen Sonne ein, Wind, Wasser, bestimmte Chemikalien und Feuer.

Abbildung 3. Ein Holz / Holz-Strukturrahmen

Zusammenfassung

Stahl besser beschreiben, Beton und Holzwerkstoffe an. Lassen Sie uns ihre Hauptmerkmale zusammenfassen, die jedes Material hervorheben würden.

Stahl ist sowohl in Zug als auch in Druck sehr stark und hat daher hohe Druck- und Zugfestigkeiten. Stahl hat eine Endfestigkeit von etwa 400 zu 500 MPa (58 - 72.5 KSI). Es ist auch ein duktiles Material, das vor dem Versagen nachgibt oder sich biegt. Stahl zeichnet sich durch Geschwindigkeit und Effizienz im Bauwesen aus. Das relativ geringe Gewicht und die einfache Konstruktion ermöglichen etwa eine Belegschaft 10 zu 20% kleiner im Vergleich zu einer ähnlichen Betonkonstruktion, die gebaut wird. Stahlkonstruktionen weisen auch eine ausgezeichnete Haltbarkeit auf.

Beton ist extrem stark in der Kompression und hat daher eine hohe Druckfestigkeit von etwa 17 MPa bis 28 MPa. Mit höheren Festigkeiten bis zu oder über 70 MPa. Beton ermöglicht es, sehr robuste und langlebige Gebäude zu entwerfen, Wenn Sie die thermische Masse nutzen, indem Sie sie in der Gebäudehülle aufbewahren, können Sie die Innentemperatur regulieren. Auch in der Bauindustrie werden zunehmend Betonfertigteile eingesetzt, Dies bietet Vorteile in Bezug auf die Umweltbelastung, Kosten und Geschwindigkeit der Konstruktion.

Holz ist beständig gegen elektrische Ströme, Dies macht es zu einem optimalen Material für die elektrische Isolierung. Die Zugfestigkeit ist auch einer der Hauptgründe für die Wahl von Holz als Baustoff; Seine bemerkenswert starken Eigenschaften machen es zur perfekten Wahl für Hochleistungsbaustoffe wie Tragbalken. Holz ist volumenmäßig viel leichter als Beton und Stahl, Es ist einfach zu handhaben und vor Ort sehr anpassungsfähig. Es ist langlebig, führt zu weniger Wärmebrücken als seine Gegenstücke und enthält leicht vorgefertigte Elemente. Die strukturelle Leistung ist sehr hoch und die Druckfestigkeit ähnelt der von Beton. Trotz alledem, Holz wird häufiger für Wohn- und Flachbauten verwendet. Es wird selten als Hauptmaterial für Hochhäuser verwendet.

Dies sind die am häufigsten verwendeten Baumaterialien für den Bau. Jedes Material hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Letztendlich können diese durch Materialien ersetzt werden, die mit den technologischen Fortschritten in der Zukunft kaum oder gar keine Einschränkungen aufweisen. Ungeachtet, Unsere aktuellen Baumaterialien werden noch viele Jahrzehnte relevant bleiben.