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Wettbewerb Sommersemester 2007 - fertiges Unterrichtsmodul

Statik der Spaghetti
DI. Reichart Marius, (Statiker)
Lehrer: Renate Rinke,
4. Kl. BRG, Salzburg

Projektbeschreibung

Mit einer Packung Spaghetti und Klebstoff eine Überbrückung mit einer maximalen lichten Weite bauen, die 1 kg aushält.
Ohne Formeln und Berechung das Tragverhalten erkunden.

Übersicht:

1. Doppelstunde:

• Einführung: Ingenieurberuf. Statik. Brückenkonstruktionen.

2. Doppelstunde:

• Erkundungsphase Konstruktion und Material.

3. Doppelstunde:

• Vorbereitung: Skizzen und Entwürfe.

4. – 6. Doppelstunde

• Bauphase

7. Doppelstunde:

• Belastungstest. Reflexion

Erweiterung:

• Mathematische, physikalische , biologische (Bionik) Grundlagen.
• Weiterführende Hinweise im Projekt RaumKonstruktion.

Material:

• Pro Gruppe 1/2 kg Spaghetti, 2 UHU hart
• 1 Grundplatte Spanplatte 25 x 140 cm
• 1 Sperrholz-Platte ca. 10 x 15 für Belastungstest.

Ziele:

• Kennenlernen des Berufsbildes Ingenieur.
• Einführung in Grundlagen der Statik.
• Eigenschaften von Baumaterialien kennenlernen.
• Konstruktionsarten von Brücken erklären können.
• Durch Ausprobieren Grundprinzipien der Statik erforschen.
• Verständnis gewinnen für Formen und Funktionen von Tragwerken.
• Arbeitsabläufe in der Gruppe organisieren.
• Umsetzen von Ideen in Skizzen und Pläne.
• Mit Klebeverbindungen stabile Konstruktionen bauen.
• Überprüfen der Tragfähigkeit durch Belastungstests und Auswertung der Beobachtungen

1.Einführung 1 Doppelstunde

Das Berufsbild Ingenieur:

• Planungen für  Straßen, Brücken, Stromleitungen, Wasser- und Kanalbau.
• Statische Berechnung für die Bauten der Architekten.
• Diese mathematischen Berechnungen sind ein entscheidender Bestandteil der Baukunst. Die solide Berechnung ist wesentlicher Bestandteil für alle Konstruktionen. Das Bewusstsein für diese physikalisch-mathematischen Grundlagen wird aber kaum vermittelt.

Statik:

• Welche Kräfte wirken in einem Bauwerk:
• Die Festigkeitslehre ermittelt durch experimentelle Prüfungen die Festigkeit der Baustoffe und ihr Verhalten bei verschiedenen Belastungsfällen.
• Die Statik versucht, die auftretenden Kräfte und ihren Verlauf in der gewählten Konstruktion vorauszubestimmen und diese entsprechen zu dimensionieren.
• Eine Kraft ist definiert durch Größe, Angriffspunkt und Richtung. In der Konstruktion wirken Kräfte aus verschiedenen Richtungen, vor allem als Druck- und Schubkräfte, aber auch als Zugkräfte, als Torsionskräfte bei Verdrehungen und als Scherkräfte beim Angriff von Kräften in gleicher Ebene, aber gegensätzlicher Richtung
• Wie reagiert die Konstruktion auf die entstehenden Kräfte Zug, Druck, Biegebelastung?
• Welche Verformungen treten durch die Kräfte auf, wie können sie aufgefangen/ abgeleitet werden, damit eine in sich stabile Konstruktion entsteht?
• Klären wichtiger Begriffe:
• Gleichgewicht der wirkenden Kräfte herrscht, wenn die Summe aller Kräfte und Momente (Produkt aus Größe und Kraft und ihrer Entfernung zum Auflager/Drehpunkt) Null ist.
• Jede Kraft wird durch eine Gegenkraft gleicher Größe in Gegenrichtung aufgehoben, zwei aus verschiedenen Richtungen angreifenden Kräfte durch eine Dritte, die Resultierende.
• Das Kräfteverhältnis lässt sich durch ein Dreieck (Krafteck) darstellen. Darin bilden die an einem Punkt unter bestimmten Winkeln angreifenden Kräfte zwei Seiten. Die dritte Seite stellt die Resultierende dar. Aus der Verdoppelung des Kraftecks entsteht als graphische Figur das Parallelogramm der Kräfte.

Materialien und ihre Eigenschaften: Zug- Druck- Biegebelastung

• Holz, Eisen, Stahl
• Lehm, Ziegel, Stein
• Beton
• Spaghetti: zug- und druckfest, empfindlich auf Biegebelastung. Durch Verstrebungen kann die Verformung durch Biegung reduziert werden.

Brückenarten:

• Hängebrücke
• Träger auf Stützen
• Bogenbrücke
• Balkenbrücke
• Schrägseilbrücke
• Erklären, wie die auftretenden Kräfte in den verschiedenen Konstruktionstypen stabilisiert werden.

2. Erkundungsphase

• Gruppen bilden (zu dritt)
• Erkunden der Materialeigenschaften
• Praktische Hinweise zum Herstellen der Klebeverbindungen mit UHU hart.
• Beachten der Hinweise, wie lange der Klebstoff zum Aushärten braucht.
• Erstellen von Skizzen / Zeichungen. Hilfreich sind Pläne im Maßstab 1: 1, auf welche die Spaghettistäbe zuerst aufgelegt und dann gelebt werden.
• Arbeitsteilung
• Abbrechen der Spaghetti für die benötigten Längen
• Auflegen und Kleben
• Herstellen von zwei gleichen, flächigen Verstrebungen
• Verbinden der beiden durch Versteifungen in die Tiefe

Ausprobieren verschiedener Brückenkonstruktionen, die mit Spaghetti gebaut werden können:

• Balkenbrücke
• Schrägseilbrücke
• Bogenbrücke

Besprechen der Probekonstruktionen auf ihre Stabilität und Belastbarkeit hin.
Vorteile, Nachteile der Konstruktionen.

3. Vorbereitung und Planung

• Bereitstellen der Grundplatte 25 x 140 cm, auf welche die Brücke gesetzt werden soll.
• Für die Belastungsprobe wird in die Brücke  eine 10 x 15 cm große Sperrholz-Platte eingebaut/aufgelegt, auf die später das Gewicht für die Belastungsprobe aufgelegt wird. Sie dient dazu, das Gewicht gleichmäßig zu verteilen.
• Die Grundplatte muss nicht in der gesamten Länge ausgenützt werden.
• Die Höhe der Brücke ist selbst festzulegen.
• Aufgabenstellung:
• Entscheidet euch für eine Konstruktionsform.
• Fertigt dafür zunächst Skizzen an. Übertragt diese Skizzen in Pläne im Maßstab 1:1, die dann für die Ausführung verwendet werden.
• Besprecht eure Konstruktionsvorhaben vor der Ausführung mit dem Lehrer/Fachmann.
• Überlegt, wie ihr möglichst einfach, mit wenig Materialaufwand effektiv und schnell bauen könnt.
• Wichtige Kriterien für den Belastungstest: Gewicht und Länge der Brücke.

4. Bauphase

• Umsetzung der erarbeiteten Konstruktionsformen unter Einbeziehung der gesammelten Erfahrungen aus der Erkundungsphase.
• Selbstständige Arbeit mit fachlichen Zwischenbesprechungen.
• Vorbereiten der beiden Wangen
• Verbinden durch Querverstrebungen.
• Optimieren der Konstruktion durch allenfalls notwendige Verstärkungen.
• Es ist nicht gestattet, zur Erreichung einer höheren Stabilität Spaghettistäbe zu Bündeln zusammenzukleben.

5. Belastungstest

• Nach Abschluss der Konstruktionen wird ein Belastungstest durchgeführt.
• Kriterien: Gewicht und Länge der Brücke.
• Besprechen der Konstruktionen im Hinblick auf Vor- und Nachteile.
• Dokumentation der Arbeitsprozesse und Ergebnisse

5. Feedback

Renate Rinke: Das Material Spaghetti hat einen besonderen Reiz. Es geht hörbar zu Bruch und macht elementare statische Eigenschaften unmittelbar erfahrbar. Einerseits ist es elastisch genug, um optisch wahrnehmen zu können, an welchen Stellen in der Konstruktion Druck-, Zug- und Biegebelastungen entstehen. Andrerseits ist es so wenig belastbar, dass bei höherem Druck die Konstruktion sofort zu knicken beginnt. Da di Verformung der Bauteile so gut dosiert sichtbar ist, lassen sich auch statische Verbesserungen unmittelbar überprüfen. Ein Umstand, der den Lernprozess sehr unterstützt.

Die Arbeitstechniken stellen für SchülerInnen eine Herausforderung dar, weil sie ein relativ großes Maß an Geduld und vorausschauendes Planen und Arbeiten erfordern. Die SchülerInnen waren auf die fertigen Brückenkonstruktionen und über die faszinierende Ästhetik, die sie ausstrahlen, sehr stolz.

Die Zusammenarbeit mit einem Ingenieur ist in der Einführungsphase, bei der Erklärung der technischen Grundlagen und bei Zwischenbesprechungen beim Bau unbedingt empfehlenswert.

Die abschließende Präsentation mit Belastungstest in der Kammer der Architekten und Ingenieurkonsulenten fand einhellig Anerkennung.

Am Schluss des Projekts sollte unbedingt eine Präsentation mit Belastungstest organisiert werden.

Aus Zeitmangel konnten die fächerübergreifenden Inhalte nicht realisiert werden. Sie stellen jedoch eine bereichernde und interessante Erweiterung dar.

Reichart Marius: Das Projekt war ein voller Erfolg. Es war faszinierend, mitzuerleben, wie die Schüler mitlebten und sich beeindrucken und leiten ließen. Die Zielsetzung, Statik ohne Formeln näher zu bringen, konnte durch Testen der Verformungen sehr gut nachvollzogen werden. Interessant war, dass die Schüler großteils zu Hängetragwerken tendierten. Erst nach ausführlicher Aufklärung darüber, dass Spaghetti dafür kein geeigneter Werkstoff seinen, konnten wir andere Tragkonstruktionen entwickeln.

Entwurf für ein Schüler Feedback

• Hat dir die Arbeit Spaß gemacht?
• Glaubt ihr, den Wettbewerb zu gewinnen?
• Was hast du gelernt?
• Wissen / Einsichten / Planungserfahrung / Handwerkliches
• Worauf bist du stolz?
• Was war schwierig?
• Was ist zu kurz gekommen / hat gefehlt?
• Hast du eigene Ideen einbringen können?
• Was war der Nutzen des Projekts für dich?
• Was ich noch sagen möchte.