5 Dinge, die uns Jenga über Bautechnik beibringen kann

Menschen sind geborene Bauingenieure. Wenn Sie das kaum glauben können, sehen Sie einem kleinen Kind zu, wie es mit einem Satz einfacher Holzklötze spielt. Ohne Anweisungen von außen – und durch viel energisches Ausprobieren – wird er oder sie schließlich lernen, dass die stabilste Art, nach oben zu bauen, darin besteht, einen horizontalen Balken über zwei vertikale Säulen zu legen.

Die intuitive Logik des Kindes ist die gleiche, die die mykenischen Architekten des 13. Jahrhunderts v. Chr. dazu inspirierte, das berühmte Löwentor aus zwei Steinsäulen und einem leicht gewölbten Balken zu bauen. Es ist das gleiche strukturelle Gespür, das den alten Ägyptern sagte , dass man, wenn man etwas Großes aus Stein bauen will, weit unten anfangen muss. Und es ist derselbe geborene Ingenieur in uns allen, der sagt: „Alter, wenn du bei Jenga gewinnen willst, lass keine einzige Stütze am Fuß des Turms!“

Jenga ist eines der beliebtesten Spiele der Welt, nach Monopoly und Scrabble an dritter Stelle in der Anzahl der verkauften Einheiten [Quelle: Little ]. Das Ziel des Spiels ist einfach: Sie beginnen mit einem Stapel von 54 Blöcken – drei Blöcke breit, 18 Ebenen hoch. Jede Blockebene sollte senkrecht zur darunter liegenden Ebene stehen. Jeder Spieler muss einen Block von der Unterseite des Turms entfernen und ihn mit nur einer Hand auf die Spitze legen. Schließlich wird der Turm gefährlich instabil. Wenn Sie derjenige sind, der es schließlich umwirft, verlieren Sie.

Jenga wurde von Leslie Scott erfunden, einer britischen Staatsbürgerin, die in Kenia und Tansania geboren und aufgewachsen ist. (Jenga bedeutet „bauen“ auf Suaheli.) Scott spielte das Spiel jahrelang mit ihrer Familie in Afrika; Sie verließ schließlich einen Job bei Intel, um Jenga 1983 auf einer Spielwarenmesse vorzustellen, wo es zu einem sofortigen Gaming-Phänomen wurde [Quelle: Little ].

Ein Teil von Jengas Charme ist seine Einfachheit; nichts als Holzklötze und Schwerkraft . Aber selbst dieses einfache Spiel kann uns viel über die komplexere Welt der Bautechnik lehren. Schließlich sind Gebäude anfällig für die gleichen Kräfte, die einen Jenga-Turm umstürzen können – Kräfte wie Lasten, Spannung, Kompression, Torsion und mehr. Ein zufälliger Stoß des Spieltisches ist eine hervorragende maßstabsgetreue Version eines katastrophalen Erdbebens .

Beginnen wir unsere Erkundung der Bautechnik von Jenga mit einem Blick auf die Lasten.

1. Ladungen
2. Stiftungen
3. Zug und Druck
4. Rotationskraft
5. Erdbebenkräfte

Eines der wichtigsten Prinzipien der Bautechnik ist die Belastung . Haben Sie schon von einer tragenden Wand gehört? Es ist normalerweise eine Innenwand (wie die, die Ihre Küche und Ihr Wohnzimmer trennt), die auch als Säule dient, die den zweiten Stock oder das Dach trägt. Wenn Sie eine tragende Wand entfernen, ist die Struktur möglicherweise nicht in der Lage, ihr eigenes Gewicht zu tragen – und das bedeutet Ärger.

Bei Jenga werden keine zwei Holzklötze auf exakt die gleichen Maße geschnitten, was bedeutet, dass die Klötze ungleichmäßig aufeinander liegen [Quelle: Smith ]. Einer der Haupttricks von Jenga besteht darin, die "losen" Teile zu lokalisieren, die sich leichter entfernen lassen, ohne die Integrität des Turms zu beeinträchtigen. Wenn ein Teil lose ist, wissen Sie, dass es nicht tragen kann.

Was lehrt uns das also über die Bautechnik? Bei der Planung eines Gebäudes müssen Ingenieure den Lastpfad von der Gebäudespitze bis zum Fundament berücksichtigen. Jede Ebene der Struktur muss die Kräfte unterstützen, die von den darüber liegenden Ebenen nach unten aufgebracht werden. In einem Gebäude treten drei Arten von Lasten auf:

Ingenieure müssen sorgfältige Berechnungen durchführen, um sicherzustellen, dass tragende Wände, Decken und Dächer toten, lebenden und sogar dynamischen Lasten standhalten können, insbesondere beim Bauen in erdbebengefährdeten Zonen.

Das nächste wichtige Prinzip, das Jenga über die Bautechnik lehrt, ist die Bedeutung eines Fundaments.

Jede Familie hat ihre Lieblingsoberfläche, auf der sie Jenga spielen kann. Der schwache Kartentisch kommt nicht in Frage, da der kleinste Stoß von einem fehlerhaften Ellbogen Ihren Turm zum Einsturz bringen wird. Der robuste Küchentisch ist eine solide Wahl, weil er nicht so leicht herumpoltert wie der Kartentisch, aber nichts geht über einen guten Parkettboden. Sie können es nicht seitwärts stoßen, es ist verdammt flach und die einzige Bedrohung für die Stabilität ist das gelegentliche Krabbeln von Babys oder Haustieren.

Tragwerksplaner müssen auch die Oberfläche berücksichtigen, auf der sie ihre Struktur aufbauen. Wenn Sie ein 15-stöckiges Gebäude auf losen Boden werfen, kann sich die Struktur ungleichmäßig setzen und Risse in den Wänden oder sogar einen Einsturz verursachen. Selbst wenn ein Gebäude auf festem Fels errichtet wurde, könnte es durch ein Erdbeben zur Seite geschleudert werden, wodurch es ein paar Meter die Straße hinunterrutscht und alles auf seinem Weg zerquetscht. Aus diesem Grund werden alle modernen Gebäude , ob klein oder hoch, auf Fundamenten errichtet.

Eine Stiftung dient mehreren wichtigen Zwecken. Erstens überträgt es die Last der Struktur in den Boden. (Wir haben auf der letzten Seite über Lasten gesprochen.) Je höher und schwerer ein Gebäude ist, desto mehr Last wird nach unten getrieben. Wenn das Gebäude flach auf der Oberfläche aufliegt, müssten die untersten Elemente der Struktur die kombinierte Last aller darüber liegenden Elemente tragen. Aber mit einem richtig konstruierten Fundament geht die Last der gesamten Struktur durch die untersten Elemente und wird in die darunter liegende Erde verteilt.

Fundamente dienen auch dazu, die Struktur physisch am Boden zu verankern. Dies ist eine entscheidende Rolle in sehr hohen Gebäuden. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, einen Zollstock an einem Ende auszugleichen. Sie können es vielleicht auf einer extrem flachen Oberfläche abziehen, aber selbst ein Ausatmen würde es umkippen. Aber was passiert, wenn Sie den Meterstab nach hinten nehmen und ein Ende ein paar Zentimeter in den Boden rammen? Jetzt können Sie darauf tippen oder sogar treten, ohne dass es umkippt. Ein Fundament vergräbt einen Teil des Gebäudes im Erdreich und verleiht ihm dadurch eine erhöhte Stabilität gegenüber dynamischen Lastwechseln.

Bei hohen Gebäuden, die auf lockerem Boden oder Sand errichtet wurden, treiben Ingenieure Stahlpfähle tief in die Erde, bis sie das Grundgestein erreichen. Dann bauen sie ein Stahlbetonfundament um die Stahlpfähle herum, um einen festen Anker zu schaffen, auf dem gebaut werden kann.

Als nächstes schauen wir uns an, was uns hölzerne Jenga-Blöcke über Baumaterialien beibringen können.

In der Bautechnik wirken in jedem Strukturelement zwei grundlegende Kräfte: Druck und Zug. Kompression ist die Kraft, die ausgeübt wird, wenn zwei Objekte zusammengedrückt werden. Denken Sie an einen Stapel schwerer Steine. Die Kraft, die auf den unteren Stein drückt, ist Kompression. Spannung ist die Kraft, die ausgeübt wird, wenn ein Objekt gezogen oder gedehnt wird. Ein gutes Beispiel ist die Oberfläche eines Trampolins. Wenn jemand auf das Trampolin springt, dehnt sich das Material.

Ingenieure sprechen von der Zugfestigkeit von Materialien. Dies ist die maximale Kraft, die auf ein Material ausgeübt werden kann, ohne es auseinanderzuziehen. Bündel aus Stahlseilen haben eine unglaublich hohe Zugfestigkeit, weshalb sie in den längsten und schwersten Hängebrücken der Welt verwendet werden . Selbst ein einzelnes Stahlseil mit einem Durchmesser von nur 1 Zentimeter kann das Gewicht von zwei ausgewachsenen Elefanten tragen [Quelle: Yes Mag ].

Lassen Sie uns nun über eine typische Struktur in Jenga nachdenken. Wenn Sie das Mittelstück in einer Reihe entfernen, erstellen Sie zwei einfache Balken-und-Säulen-Strukturen auf beiden Seiten des Turms. Ein über zwei Stützen gelegter Balken erfährt gleichzeitig Druck und Zug. Das Gewicht, das auf die Oberseite des Balkens drückt, drückt ihn nach innen in Richtung der Mitte des Balkens. Und obwohl Sie es mit bloßem Auge nicht sehen können, wird die Unterseite des Balkens nach außen gestreckt.

Stellen Sie sich vor, der Balken wäre aus Gummi . Das Gewicht würde es in eine "U"-Form strecken. Deshalb ist Gummi ein so mieser Baustoff. Bauingenieure wählen (und entwerfen manchmal) Materialien mit den besten Druck- und Spannungseigenschaften für die Aufgabe. Stein ist ausgezeichnet unter Druck, aber bemerkenswert leicht auseinander zu ziehen. Deshalb hält ein Steinbogen viel länger als ein Steinbalken. Stahlbeton ist ein idealer Baustoff , da ihm der Beton Druckfestigkeit und die eingebetteten Stahlstäbe Zugfestigkeit verleihen.

Jenga-Türme werden nicht groß genug oder schwer genug, um ernsthafte Druck- oder Zugkräfte auf die Holzteile auszuüben, sodass es kaum Bedenken gibt, einen Balken zu spalten. Aber in echten Bauprojekten müssen Ingenieure die Stärken und Schwächen jedes Elements sorgfältig abwägen.

Jetzt erklären wir, warum es immer besser ist, zwei Stützen am Boden des Jenga-Turms zu lassen.

Erfahrene Jenga-Spieler wissen, dass der schnellste Weg zu einem fallenden Turm darin besteht, die beiden äußeren Teile der unteren Reihe wegzuziehen und die gesamte Struktur auf einem einzigen schmalen Holzblock balancieren zu lassen. Mit nur einer Stütze an der Unterseite wird jede Unebenheit und jeder Stoß des Turms vergrößert, wodurch er gefährlich von einer Seite zur anderen schwankt. Aber was genau sind die Kräfte, die auf eine Struktur mit einer so schmalen Stütze wirken? Und was macht sie so gefährlich?

Bauingenieure sprechen nicht davon, ein Gebäude „im Gleichgewicht“ zu halten. Sie sprechen über die Aufrechterhaltung des Rotationsgleichgewichts . Stellen Sie sich ein hohes Gebäude als langen Hebelarm vor, bei dem der Großteil des Arms über der Erde und ein kleinerer Teil (das Fundament) unter der Erde liegt. Der Punkt, an dem das Gebäude auf den Boden trifft, ist der Drehpunkt des Hebels. Stellen Sie sich nun vor, dass das Gebäude leicht nach rechts oder links kippt. Anstatt nur umzufallen , können Sie sich vorstellen, dass es sich um den Drehpunkt dreht. Ingenieure und Physiker haben zwei Namen für diese Rotationskraft: Moment oder Drehmoment .

Ein Grundprinzip der Bautechnik ist, dass das Moment umso größer ist, je länger Ihr Hebelarm ist (oder je weiter er vom Drehpunkt entfernt ist). Um das Moment eines sehr hohen Gebäudes zu verringern, müssen Sie breite Stützen bauen. Je breiter die Stützen, desto geringer das Moment. Um dies zu verstehen, versuchen Sie, mit weit gespreizten Füßen zu stehen, und lassen Sie einen Freund versuchen, Sie seitwärts zu schieben. Es erfordert viel Kraft. Setzen Sie Ihre Fersen zusammen und versuchen Sie dasselbe. Ihr Freund muss Sie kaum berühren und Sie kippen sofort um. Eine Struktur mit einer schönen breiten Basis ist von Natur aus stabiler als ein Gebäude mit einer schmalen Basis.

In der letzten von Jenga gelernten bautechnischen Lektion werden wir über Erdbeben sprechen.

Der höchste Jenga-Turm aller Zeiten war 40 Stockwerke hoch und wurde mit dem originalen Jenga-Set erreicht, das von Leslie Scott selbst entworfen wurde [Quelle: Museum of Childhood ]. Die meisten Spieler haben Glück, wenn sie mehr als 30 Level schaffen, bevor das Ganze zusammenbricht. Der Grund, warum der Turm mit zunehmendem Wachstum immer instabiler wird, liegt an der ungleichmäßigen Gewichtsverteilung. Wenn sich zu viel Gewicht an der Spitze der Struktur befindet, beginnt es, wie ein umgekehrtes Pendel zu wirken, das auf seiner schmalen Verbindung zur Erde hin und her schwingt [Quelle: FEMA ]. In Jenga ist das Ergebnis eine zweiminütige Bereinigung. Im wirklichen Leben hättest du eine Katastrophe .

Wenn Statiker sich entscheiden, in einer seismisch aktiven Region zu bauen, müssen sie die Auswirkungen seitlicher Schwingungen auf ihr Gebäude berücksichtigen. Wenn seismische Wellen durch die Erde rauschen, rütteln sie Gebäude auf und ab und hin und her. Die Auf- und Abbewegungen sind nicht so gefährlich wie die seitlichen Bewegungen, die eher zum Zusammenbruch führen [Quelle: Association of Bay Area Governments ].

Diese Vibrationen von Seite zu Seite werden in unterschiedlichen Abständen vom Boden unterschiedlich wahrgenommen. Je höher man ein Gebäude hochfährt, desto ausgeprägter sind die Vibrationen. Wenn Sie Gewicht in die Gleichung werfen, können die Auswirkungen katastrophal sein. Laut dem wegweisenden Text „Why Buildings Fall Down“ wachsen Erdbebenkräfte proportional zum Gewicht der Struktur und zum Quadrat ihrer Höhe [Quelle: Levy ].

Eine kopflastige Struktur vibriert mit einer viel längeren Periode – die Zeit, die benötigt wird, um eine vollständige Vibration zu durchlaufen – als ein bodenlastiges Gebäude. Ein längerer Zeitraum bedeutet auch eine größere physische Verschiebung. Nehmen Sie das Beispiel eines zweistöckigen Gebäudes. Wenn ein Erdbeben eintritt, schwankt das Gebäude 2 Zoll (51 Millimeter) von der Mitte. Wenn Sie der Spitze desselben Gebäudes Gewicht hinzufügen (selbst wenn es sich um etwas Einfaches wie ein schweres Ziegeldach handelt), erhöht sich die Schwankung auf 3 Zoll (76 Millimeter) außerhalb der Mitte [Quelle: Association of Bay Area Governments ].

Wir hoffen, Sie haben ein paar Dinge darüber gelernt, warum Gebäude einstürzen – und was Sie tun können, um Ihre Schwester bei Jenga endlich zu schlagen. Für viele weitere Informationen über Familienspiele und Alltagswissenschaft springen Sie zu den Links auf der nächsten Seite.

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