Titel: Thurston, über Festigkeit und Elasticität von Nadelholz.
Autor: Thurston, R. H.
Fundstelle: 1882, Band 244 (S. 281–285)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj244/ar244113

Ueber den Einfluſs der Anstrengungsdauer auf die Festigkeit und Elasticität des Nadelholzes; von R. H. Thurston.

Vor etwa 40 Jahren fand Hermann Haupt1) , daſs Holz bei lange andauernder Belastung durch weit geringere Spannungen zerstört werde, als wenn der Versuch in gewöhnlicher Weise nur einige Minuten währt. Indem er Stäbe von 152,40 × 7,62 × 2,54cm (= 60 × 3 × 1 Zoll engl.) einerseits horizontal festspannte, andererseits mit P belastete, ergaben sich für die gröſste Biegungsspannung:

(L, b, h = Länge, Breite, Höhe des Stabes) folgende Werthe in k für 1qc

Tabelle I.

Holzart s Zeit Bemerkungen
1) Weiſstanne (White Pine) 160 10 Minuten Verletzt
109 16 Tage
2) Hemlocktanne (Hemlock) 184 5 Minuten
114 16 Tage
3) Gelbtanne (Yellow Pine) 200 5 Minuten
127 16 Tage
4) Schotendorn (Locust) 387 2 Minuten Unverletzt
253 3,5 Tage Verletzt
162 16 „
5) Weiſseiche (White Oak) 299 16 Minuten Unverletzt
506 15 „ Verletzt
256 40 Stunden Unverletzt
287 48 „ Verletzt

1) Pinus Strobus. 2) Abies Nigra. 3) Pinus australis. 4) Robinia pseudoacacia. 5) Quercus Alba.

Neuerdings hat Prof. R. H. Thurston in Hoboken unter Mitwirkung von J. E. Denton und A. Riesenberger in gleicher Richtung Versuche angestellt, welche Haupt's allgemeines Resultat bestätigten.

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Ein im October 1879 bei Jacksonville geschnittenes Gelbtannenscheit (Yellow Pine) wurde Anfangs 1880 übernommen und zunächst 6 Monate der Luft ausgesetzt, die letzte Zeit in bedecktem Raum. Aus der Mitte dieses 731,52 × 30,48 × 10,16cm (288 × 12 × 4 Zoll) messenden Stückes wurde sodann ein Brett von 731,52 × 7,62 × 7,62cm (288 × 3 × 3 Zoll) gewonnen und hieraus vorläufig 10 Stäbe von 101,60 bis 137,16cm (40 bis 54 Zoll) Länge und 3,16 bis 7,62qc (5/4 bis 3 Quadratzoll) Querschnitt hergestellt, welche zur Ermittelung des Elasticitätsmoduls und der Festigkeit bei vorübergehender Belastung dienten. Die für den einfachen frei aufliegenden Balken von rechteckigem Querschnitte gültige Formel beim Bruche s = 770 bis 840k/qc (11000 bis 12000 Pfund auf 1 Quadratzoll), während der Elasticitätsmodul zwischen 140600 und 158200k/qc (2 bis 2,25 Million Pfund auf 1 Quadratzoll) schwankte. Die Dichtigkeit variirte von 0,75 bis 1,00 und hielt sich gewöhnlich um 0,85. Durch mäſsiges Ausdörren wurde die Dichtigkeit jedenfalls nur unwesentlich geändert, während der Elasticitätsmodul auf 173700 (2,5 Million) stieg und die Festigkeit um etwa 20 Proc. wuchs.

Von dem unverwendet gebliebenen Theile des Brettes wurden 3 weitere Stäbe rechteckigen Querschnittes geschnitten, auf 2 Stützen von 101cm,598 (40 Zoll) Entfernung horizontal aufgelegt und in der Mitte durch P belastet. Die Linien der Jahresringe bildeten mit den Querschnittskanten Winkel von etwa 45°. Es ergaben sich folgende Einsenkungen und Bruchgewichte in cm und k:

Tabelle II. Gewöhnliche Versuchsmethode. Stützweite 101cm,598.

Stab A Stab B Stab C
b = 2,827 h = 2,807 b = 2,812 h = 2,812 b = 2,794 h = 2,794
P Einsenkung P Einsenkung P Einsenkung
22,7 0,5402 22,7 0,5169 22,7 0,5557
Nach 5 Min. 0,5496 Nach 5 Min. 0,5397 Nach 5 Min. 0,5667
45,3 1,1021 45,3 0,9995 45,3 1,1501
Nach 5 Min. 1,1120 Nach 5 Min. 1,0160 Nach 5 Min. 1,1742
68,0 1,6700 68,0 1,4744 68,0 1,7356
Nach 5 Min. 1,7008 Nach 5 Min. 1,4821 Nach 5 Min. 1,7653
90,6 2,2819 90,6 1,9405 90,6 2,3617
Nach 5 Min. 2,3230 Nach 5 Min. 1,9634 Nach 5 Min. 2,4088
113,4 2,9342 113,4 2,4460 113,4 3,0627
Nach 5 Min. 3,1206 Nach 5 Min. 2,4828 Nach 5 Min. 3,1579
136,1 3,8376 136,1 2,9984 136,1 3,9745
Nach 5 Min. 4,0464 Nach 5 Min. 3,0937 Nach 5 Min. 4,2450
„ 6 „ 4,0713 158,8 3,7350 „ 6 „ 4,2882
158,8 4,9095 Nach 5 Min. 3,9067 147,4 4,7162
172,4 Bruch „ 6 „ 3,9877 154,2 Splitterung
186,0 Bruch 156,5 Bruch

Der Stab B scheint nach der geringen Einsenkung und groſsen Bruchlast ausnahmsweise steif und fest gewesen zu sein und, da Stab C |283| durch Zersplitterung brach und etwas schwächer als Stab A und B war, so nimmt der Verfasser etwa 170k (375 Pfund) als durchnittliche Bruchlast für Stäbe obiger Abmessungen an.

Um jetzt den Einfluſs der Anstrengungsdauer festzustellen, wurden 9 Stäbe in gleicher Weise wie die vorigen aufgelegt und belastet, jedoch zu je dreien mit nur 158,1, bezieh. 136,4 u. 113k,6 (350, 300, 250 Pfund), also mit etwa 95, 80, 65 Procent der angenommenen

Tabelle III. Zeitversuch: Belastung P = 158k,1. Stützweite 101cm,598.

Stab A Stab B Stab C
b = 2,794 h = 2,794 b = 2,845 h = 2,845 b = 2,794 h = 2,794
Zeit in Stdn. Einsenkung Zeit in Stdn. Einsenkung Zeit in Stdn. Einsenkung
0,3975 0,4331 0,4597
0,4068 4,3624 5,1561
18 5,9397 zwischen 27 ¼ 5,9681
43 Bruch und 30½ Bruch zw. 4½ Bruch
und 13½

Tabelle IV. Zeitversuch: Belastung P =136k,4. Stützweite 101cm,598.

Stab A Stab B Stab C
b = 2,819 h = 2,743 b = 2,794 h = 2,845 b = 2,794 h = 2,845
Zeit in Stdn. Einsenkung Zeit in Stdn. Einsenkung Zeit in Stdn. Einsenkung
0,4168 0,3734 0,4802
3,6730 2,8486 4,2381
1 4,0589 ½ 3,0060 1 4,7396
3 4,2331 3 3,1419 2 4,8132
5 4,3982 3,2346 18½ 5,7022
22½ 4,8694 5 3,2435 44 6,4642
47½ 5,3305 21¾ 3,6271 50 6,5836
54 5,4042 46¾ 3,9331 66½ 6,9366
70½ 5,7293 69¾ 4,1605 zwischen 79½ 7,6198
78½ 6,2881 77¾ 4,5059 und 88½ Bruch
95½ 6,9967 94¾ 4,7002
118½ 7,7587 117¾ 4,9174
121 Bruch 141¾ 4,9809
165¾ 5,0367
189¾ 5,0927
238 5,1510
262 5,1917
286 5,2272
310 5,2399
335 5,2857
359 5,3619
406 5,4127
430 5,6159
454 5,7962
478 6,2407
502 6,4794
526 6,5709
598 6,7144
622 6,7360
646 6,7563
719 Bruch
|284|

Maximalbruchlast. Die Einsenkungen wurden sofort nach Eintritt der Ruhe und dann in Zwischenpausen mittels eines Mikrometers gemessen, der Ablesungen bis nahe 0cm,00025 (0,0001 Zoll) gestattete. Nach Tabellen III und IV brachen die Stäbe der ersten Gruppe sämmtlich innerhalb 2 Tagen, die der zweiten innerhalb 3½, 5, 30 Tagen.

Der Verfasser hält es für wahrscheinlich, daſs die Verschiedenheit der Zeiten bis zum Bruche mehr in verschiedener Festigkeit der einzelnen Stücke als in der Verschiedenheit des Einflusses der Anstrengungsdauer lag. Jedenfalls zeigt sich, daſs bei der üblichen Festsetzung des Sicherheitsmoduls je nach der Anstrengungsdauer ganz verschiedene Sicherheiten entstehen können.

Das Verhalten der letzten Gruppe Stäbe, welche mit etwa 65 Procent des Maximalbruchgewichtes am geringsten belastet waren, zeigt Tabelle V. Die Einsenkung nahm bei allen 3 Stäben mit der Zeit langsam und stetig zu. Wie ihr übereinstimmendes Verhalten und eine

Tabelle V. Zeitversuch: Belastung P = 113k,6. Stützweite 101cm,598.

Stab A Stab B Stab C
b = 2,743 h = 2,794 b – 2,743 h = 2,794 b = 2,794 h = 2,794
Zeit in Stdn. Einsenkung Zeit in Stdn. Einsenkung Zeit in Stdn. Einsenkung
0,3407 0,3891 0,3277
2,6209 2,6423 2,4945
91 3,2834 90 3,4942 89 3,2247
161⅓ 3,5474 160½ 3,8435 159½ 3,5041
185½ 3,5755 184½ 3,9120 183½ 3,5752
210½ 3,6161 209½ 3,9603 208½ 3,6184
233½ 3,6504 232½ 4,0289 231½ 3,6692
258½ 3,7952 257½ 4,2168 256½ 3,8597
281½ 3,8676 280½ 4,3286 279½ 3,9753
305½ 3,9057 304½ 4,3730 303½ 3,9969
329½ 3,9489 328½ 4,4200 327½ 4,0274
353½ 3,9768 352½ 4,4429 351½ 1,0731
402 4,0124 401 4,4861 400 4,1188
426 4,0378 425 4,4962 424 4,1366
450 4,0530 449 4,5343 448 4,1518
474 4,0632 473 4,5394 472 4,1645
499 4,0886 498 4,5801 497 4,1925
523 4,1292 522 4,6055 521 4,2255
570 4,2207 569 4,7325 568 4,2966
594 4,3299 593 4,7833 592 4,4033
618 4,4238 617 4,9585 616 4,4820
642 4,5153 641 5,0753 640 4,5887
666 4,6194 665 5,1668 664 4,6878
690 4,6601 689 5,2125 688 4,7157
762 4,7439 761 5,2963 760 4,7919
786 4,7693 785 5,3166 784 4,8122
810 4,7820 809 5,3420 888 4,8325
1195 5,0372 1194 5,5427 1193 5,0560
2107 5,5313 2106 6,0736 2105 5,5107
2923 5,7802 2922 6,3288 2921 5,7596
6715 7,4413 6066 ± Bruch 6713 6,7096
8899 ± Bruch 11100 Bruch
|285|

Vergleichung der anfänglichen Einsenkungen mit den unter gleichem Gewichte bei den ersten Versuchen (Tabelle II) erhaltenen lehrt, konnten die Versuchsstücke als Muster einer guten Qualität Yellow Pine gelten. Kein auſsergewöhnlicher Vorfall beeinfluſste den Bruch. Der Stab, welcher anfangs die gröſste Einsenkung gezeigt hatte, brach zuerst nach etwa 6000 Stunden (die genaue Zeit ist unsicher), derjenige von mittlerer Steifheit hielt 9000 Stunden oder 1 Jahr aus und der letzte brach am 31. Juli 1881 nach 15monatlicher Belastung. Bei Untersuchung der gebrochenen Stücke ergab sich kein Anzeichen einer Festigkeitsverringerung durch Abnutzung; alle Stücke waren vollkommen gesund und die Bruchstellen lieſsen vorzügliches Material erkennen.

Die letzte Tabelle zeigt, daſs 65 Procent der gewöhnlichen Bruchlast nicht beliebig lange mit Sicherheit ausgehalten wird; doch scheint es, daſs eine nur wenig kleinere Last unbeschränkt lange oder bis zur Abnutzung des Holzes getragen worden wäre. Rechnet man die wahrscheinliche Bruchlast bei dauernder Anstrengung zu 50 Proc. derjenigen bei vorübergehender und wendet einen Sicherheitsmodul von 2 an, so ergibt sich 4 als Sicherheitsmodul nach der gewöhnlichen Festsetzung auf Grund der Festigkeit bei vorübergehender Belastung.

Der Verfasser nimmt an, daſs Holz wie die „Zinnklasse“ der Metalle (vgl. 1877 225 17. 1880 237 10) bei dauernder Belastung eine Abnahme der normalen Reihe von Elasticitätsgrenzen erfährt und würde eine vollständige Erforschung dieser Erscheinung an Hölzern von verschiedenen Dimensionen und allen bei Bauconstructionen verwendeten Arten für sehr werthvoll halten. Sicher sei einstweilen, daſs Yellow Pine-Holz bei Beanspruchungen von über 60 Procent der gewöhnlichen transversalen Festigkeit während langer Zeit stetig nachgab und schlieſslich nach einer Periode brach, welche bei den geringeren Belastungen 1 Jahr überschreiten konnte.

Selbst wenn die Eigenschaften des Holzes genau bekannt seien, solle für absolut ruhende Belastung ein Sicherheitsmodul von mindestens 4 verwendet werden. Der Verfasser würde wenigstens 5 wählen. Wenn jedoch die Unsicherheiten der gewöhnlichen Praxis bezüglich der Eigenschaften des Materials, besonders aber Erschütterungen und bewegte Lasten in Betracht kommen, soll man nicht unter 8 bleiben und für viele der gewöhnlichen Constructionen auf 10 gehen. – Dies ist übrigens in Deutschland schon jetzt der Fall, wenn auch allerdings auf die besonderen Umstände der Beanspruchung wenig Rücksicht genommen wird.

W–h.

|281|

Vgl. H. Haupt: Bridge Construction. New-York 1856 S. 61.

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