Bei dem verwendeten Baumaterial handelt es sich um quaderförmige Bausteine mit den Abmessungen 117mm Länge, 23,4 mm Breite und 7,8 mm Höhe. Die Proportionen entsprechen somit einem Verhältnis von 15:3:1. Dadurch ist es möglich, die Bausteine so zu verbauen, dass entweder 3 zusammengelegte Steine der Breite eines Steines entsprechen oder aber 15 zusammengelegte Steine der Länge eines Steines entsprechen.
Für die Konstruktion hat dies den Vorteil, dass auch bei unterschiedlicher Ausrichtung der Steine solide Blöcke gebaut werden können, die ein hohes Maß an Stabilität erreichen, obwohl es keine Befestigungs- oder Verbindungselemente gibt.
Grundsätzlich gesehen kann man die Bausteine auf 3 Arten ausrichten.
Der Schwerpunkt eines Quaders liegt im Schnittpunkt seiner Raumdiagonalen. Ein statisches Gleichgewicht ist dann gegeben, wenn die horizontale Koordinate des Schwerpunkts auf einer Unterlage liegt. Ist dies nicht der Fall, d.h. ist der Schwerpunkt ohne Unterlage, kippt der Körper aufgrund eines entstandenen Drehmoments.
Liegend erreicht der Baustein seine höchste Stabilität, da der Schwerpunkt möglichst tief liegt und die Kontaktfläche zum Untergrund maximal hoch ist.
Beim Verbauen sind Überstände möglich, die eine Verschiebung der Steine bis zum Schwerpunkt ermöglichen. Liegt der Schwerpunkt außerhalb der Auflagefläche, greift ein Drehmoment um den Schwerpunkt, welcher den Stein zum Kippen bringt.
Bei dieser Konstruktion ist jedoch zu beachten, dass bei Belastung (z.B. durch Spielzeugautos, Spielfiguren u.ä.) der Schwerpunkt verschoben wird und die Stabilität entsprechend leidet. Ist die Verschiebung nicht maximal ausgereizt sondern mehr in Richtung Auflagefläche verschoben, so bildet der Schwerpunkt ein „Gegengewicht“ für etwaige Belastungen.
Will man mit den Bausteinen Höhe gewinnen, so kann man die Bausteine auf die lange Kante stellen. Der Schwerpunkt liegt nun höher und bedingt dadurch, dass die Auflagefläche nur 7,8 mm in der Breite beträgt (der Schwerpunkt ist demnach bei mm 3,9) ist das Bauen in die Höhe instabiler. Für weitere Angriffskräfte (Luftzug…) ist die Angriffsfläche auch entsprechend größer. Nutzt man die Steine in dieser Ausrichtung, so bietet es sich an, die Steine um 90° zu versetzen und auf zwei Unterkonstruktionssteine aufzulegen, z.B. beim Turmbau.
Die geringste Stabilität bietet die hochkante Ausrichtung. Der Schwerpunkt liegt entsprechend hoch über dem Boden, Reibungs- / (Haft-) Kräfte sind äußerst gering, da die Kontaktfläche zum Untergrund auf die schmale, kurze Kante beschränkt ist. Um die Steine zu stabilisieren, ist es sinnig, weitere Steine als Querverbinder oben aufzulegen. Die Verwendung der Steine in dieser Form ist z.B. für den Bau von Brücken hilfreich, da so schnell Höhe gewonnen werden kann.
Merkmale typischer Bauwerke
Türme
Unter einem Turm versteht man ein begehbares Gebäude, dessen Höhe seine Grundfläche um ein Vielfaches überragt. Türme können Teil eines Bauwerkes sein (z.B. Kirchturm, Burgturm) oder aber für sich alleine stehen (z.B. Aussichtsturm, Funkturm).
Als Baumaterialien finden sich in Türmen wie in vielen anderen Gebäuden auch Glas, Beton, Stahl usw. Aus statischen Gründen verjüngen sich Türme oftmals zur Spitze hin.
Der älteste archäologische Turmfund datiert auf ca. 7500 v.Chr. Hierbei handelt es sich um die Überreste des Turms von Jericho. Ist der Zweck des Turms von Jericho unbekannt, so ist überliefert, dass die Hochkulturen Mesopotamiens Türme bauten, um Gott näher zu sein. Zu diesen Türmen zählt auch der Turm zu Babel, dessen Überreste 1913 entdeckt wurden.
Neben theologischen Intentionen waren und sind die Gründe für Turmbauten meist zweckgebundener Natur. Die exponierte Lage verschafft einen Vorteil in Bezug auf Sichtbarkeit und Wahrnehmung (Verteidigung auf Burg- und weiteren Festungsanlagen, Kirchturm mit Uhr und Glockenschlag, Funkturm, Aussichtsturm, Leuchtturm...).
Häuser
Mit Beginn der Jungsteinzeit (ca. 11.500 Jahre v.Chr.) wurden die Menschen sesshaft. Damit ging einher, dass die Bauwerke stabiler wurden und nicht mehr mobil waren im Gegensatz zu Zelten der Nomaden.
Ein Wohnhaus besteht in seiner einfachsten Form aus Wänden und einem Dach und wird auf festem Untergrund errichtet / besitzt ein Fundament.
In Europa wurde als Baumaterial zunächst Holz verwendet, die ersten festen Wohnhäuser waren Pfahlbauten. Erst später wurden Häuser aus Stein gebaut, Kamine und Heizungen ergänzt, Räume unterteilt.
Wie bei den ersten Pfahlbauten wird auch heute noch im Hausbau oftmals Holz im Bereich der Wand-und Dachkonstruktion als Träger und Stützen verwendet. Die einfachste und verbreiteteste Dachkonstruktion ist das Statteldach. Insbesondere in den europäischen Regionen mit verbreitet Wind und Regen war und ist ein Statteldach häufig anzutreffen, da es Wind, Schnee und Regen gut ableitet. Auch die ersten Bauwerke weisen eine Dachneigung auf, auch wenn zunächst auf Stroh oder ähnliche Materialien als Dacheindeckung zurückgegriffen wurde. Alternativ zum Satteldach ist ein einfaches geneigtes Dach auch als Pultdach zu konstruieren, wobei die Schräge zur Wetterseite hin ausgerichtet werden muss. Dies macht also nur dort Sinn, wo das Haus an eine schützende Rückwand herangebaut werden kann.
Flachdächer sind eher in trockneren Gegenden verbreitet, müssen sie doch – damit sie bei häufigen Regen lange halten – abgedichtet und mit Wasserableitungen versehen sein.
Brücken
Brücken werden seit ca. 3500 Jahren von Menschen errichtet und dienen dazu, ein Gewässer, ein tiefer liegendes Gelände oder einen anderen Verkehrsweg zu überqueren.
Nach DIN 1076 muss zwischen den Widerlagern eine lichte Weite von mindestens 2 m vorhanden sein um als Brücke im heutigen Sprachgebrauch zu gelten.
Die Geschichte des Brückenbaus reicht archäologisch gesichert zurück bis ca. 1500 vor Christus. Als Baumaterialien wurde insbesondere Holz, z.T. auch verstärkt durch Steine, verwendet.
Sowohl im antiken Griechenland wie auch von den Römern wurden erste Bogenbrücken gebaut, die aus Stein und „opus caementitium“ – eine Art römischer, frühzeitlicher Beton - gefertigt wurden.
Mit Beginn der Industrialisierung ca. 1800 n Chr. wurde Gusseisen zum Brückenbau eingesetzt und es entstanden erste Eisenbrücken. Im etwa gleichen Zeitraum wurde Zement auch industriell gefertigt und es begann die Zeit des Brückenbaus unter Verwendung von Eisen oder Stahl und Beton. Diese Materialien herrschen auch heute noch beim Brückenbau vor.
Neben den unterschiedlichen Materialien, die beim Brückenbau verwendet werden, gibt es auch unterschiedliche Konstruktionsprinzipien. Am Häufigsten finden sich Balkenbrücken, Bogenbrücken, Hängebrücken und Schrägseilbrücken in der Umgebung. Die einfachste Konstruktion ist eine Balkenbrücke, bei der ein Balken auf Stützpfeilern befestigt wird. Die Spannweite solcher Brücken ist eher gering, da die Gefahr besteht, dass sich die Brücke in der Mitte durchbiegt. Hier wirken recht hohe Druck- und Zugkräfte und schränken damit die Spannweite ein.
In der vorliegenden Unterrichtsreihe ist davon auszugehen, dass lediglich Balkenbrücken von den Kindern konstruiert werden.
