Was ist mechanische Spannung?

Im Bauwesen ist mit Spannung meist die mechanische Spannung gemeint: die Kraft, die pro Flächeneinheit auf ein Material wirkt. Die Formel lautet σ = F / A, mit F als Kraft in Newton und A als Fläche in mm². Die Einheit ist N/mm², was MPa (Megapascal) entspricht. Die Spannung vergleicht der Tragwerksplaner mit der Festigkeit eines Materials: Solange die auftretende Spannung unter dem zulässigen Wert bleibt, hält das Bauteil.

Das Wort Spannung hat im Bauwesen noch weitere Bedeutungen, etwa die elektrische Spannung (Volt). Im Niederländischen steht spanning außerdem für die Spannweite eines Balkens oder Bogens. Dieser Artikel behandelt die mechanische Bedeutung.

Arten der Spannung

Druckspannung. Das Material wird zusammengedrückt, zum Beispiel eine Stütze oder ein Fundament.
Zugspannung. Das Material wird gedehnt, zum Beispiel ein Zugstab oder die Unterseite eines belasteten Balkens.
Schubspannung. Zwei Teile wollen aneinander vorbeigleiten, zum Beispiel am Auflager eines Balkens oder in einer Schraube.
Biegespannung. Bei Biegung entsteht auf der einen Seite Druck und auf der anderen Seite Zug.

Rechenbeispiel

Eine Stütze von 100 × 100 mm trägt 10 kN (10.000 N). Die Fläche beträgt 10.000 mm². Die Druckspannung ist dann 10.000 / 10.000 = 1 N/mm².

Zum Vergleich charakteristische Festigkeiten aus den Normen:

Baustahl S235: Streckgrenze 235 N/mm².
Beton C20/25: charakteristische Zylinderdruckfestigkeit 20 N/mm².
Nadelholz C24: charakteristische Biegefestigkeit 24 N/mm².

Ein Tragwerksplaner rechnet nicht mit diesen Werten selbst, sondern mit Bemessungswerten, in denen Sicherheitsbeiwerte berücksichtigt sind.

Anwendung

Materialien verhalten sich unterschiedlich. Beton und Mauerwerk sind druckfest, aber zugschwach; deshalb erhält Beton eine Bewehrung. Stahl ist sowohl auf Zug als auch auf Druck stark.
Spannungskonzentrationen. An Ecken, Löchern und Aussparungen steigt die Spannung örtlich an. Dort entstehen oft die ersten Risse.
Querschnitt verkleinern = Spannung erhöhen. Ein Schlitz oder Loch in einem Balken oder einer Stütze verkleinert den Querschnitt. Lass das immer beurteilen.

Häufiger Fehler: Spannung und Festigkeit verwechseln. Spannung ist das, was durch die Belastung im Material auftritt; Festigkeit ist das, was das Material maximal aushält.