Zusammenpressen oder dehnen?

Jeder Teil einer Struktur wird von seinen Nachbarteilen gedrückt oder gezogen. Ingenieurinnen und Ingenieure teilen diese inneren Kräfte in einige Arten ein:

• Druck: Das Material wird zusammengedrückt. Eine Säule unter einem Dach, ein Bücherstapel unter einer Hand.
• Zug: Das Material wird gedehnt. Ein Seil, das eine Lampe hält, ein Brückenkabel, ein gedehntes Gummiband.
• Scherung: Schichten des Materials versuchen, aneinander vorbeizurutschen, wie beim Schneiden von Papier mit einer Schere.
• Biegung: Ein Balken hängt durch, sodass seine obere Kante zusammengedrückt und seine untere Kante gedehnt wird.

Eine Kraft allein sagt dir nicht, ob ein Teil standhält. Entscheidend ist, wie sich die Kraft über die Fläche verteilt, die sie trägt. Das ist Spannung: stress = force ÷ area, gemessen in Pascal (Pa) oder Megapascal (MPa, Millionen Pascal). Eine Last von 1 kN (etwa das Gewicht einer Masse von 100 kg), die an einem Stab mit einem Querschnitt von 100 mm² hängt, ergibt 1 000 N ÷ 0.0001 m² = 10 MPa.

Materialien sind nicht für beide Aufgaben gleich gut geeignet. Stein, Ziegel und Beton sind bei Druck fest und bei Zug schwach. Als grobe Faustregel gilt: Ihre Zugfestigkeit beträgt etwa ein Zehntel ihrer Druckfestigkeit oder oft noch weniger. Ziehst du an einem Steinbalken, bekommt er lange bevor ein gleich großer zusammengedrückter Steinblock nachgeben würde Risse. Stahl und Seil verhalten sich genau andersherum: Stahl ist in beide Richtungen fest, und ein Seil oder Kabel ist bei Zug hervorragend, aber bei Druck nutzlos, weil ein Seil einfach schlaff wird, wenn du es schiebst.

Es gibt noch einen weiteren Haken. Ein schlankes Teil, das zusammengedrückt wird, wird nicht zuerst zerquetscht, sondern knickt aus und biegt sich seitlich – wie ein Lineal, das an beiden Enden zusammengedrückt wird. Deshalb sind Steinsäulen dick, und deshalb werden Druckteile aus Stahl als Rohre oder hohe Profile statt als dünne Stäbe hergestellt.

Die Lehre für Konstrukteurinnen und Konstrukteure ist: Die Form einer Struktur entscheidet, welche innere Kraft sie nutzt. Oft kannst du die Form so wählen, dass ein bei Zug schwaches Material nur Druck aushalten muss. Genau das macht ein Bogen. Und wenn du ein zugfestes Material hast, ist ein Kabel die leichteste mögliche Lösung, um eine Last über eine Lücke zu tragen.