Kraftübertragung und Antrieb im Übergangsbereich zwischen stabförmigen und flächigen Baukomponenten

Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst (MWK)

01.07.2019 - 30.06.2021

Die gebaute Umwelt steuert fast 40% zum globalen Energieverbrauch bei und die Wichtigkeit der Entwicklung energiebewusster Entwurfs- und Konstruktionsstrategien ist bekannt. Gebäudefassaden, als Mittler zwischen Innen- und Außenklima, sind von speziellem Interesse, und kinetische Gebäudehüllen haben ein hohes Potential, die Energieeffizienz zu verbessern.

Frühere Beispiele kinetischer Fassaden verließen sich auf Starrkörper-Mechanik, um Bewegung zu erreichen. Diese komplexen Systeme werden meisten entlang von geraden Translations- und Rotationsachsen geführt, was zu geometrischen Einschränkungen führt.

Sie sind kostspielig in der Herstellung, anfällig für Versagen, schwierig zu unterhalten und deshalb aus wirtschaftlicher Sicht nicht machbar.

Allerdings hat die aktuelle bionische Forschung Strategien entdeckt, die Bewegung durch die Nutzung elastischer Verformung von Fasermaterialien möglich machen, um die Transformtion anzutreiben. Diese kinetischen, elastischen Systeme (Verformungsmechanismen) haben das Potential, die mechanische Komplexität kinetischer Elemente dramatisch zu reduzieren, während sie eine große Vielzahl komplexer Bewegungen, anpassbar an komplexere Gebäudegeometrien ermöglichen. 

Um etwas zum Bereich Verformungsmechanismen (compliant mechanisms) für architektonische Anwendungen beizutragen, ist das Ziel dieses Projekts, die Untersuchung und Entwicklung von Übergangszonen zwischen stabförmigen- und ebenen konstruktiven Elementen, in welchen die mechanischen Eigenschaften der Materialsysteme (speziell ihre Steifigkeit) und die Komponntengeometrie kontrolliert und an verschiedene externe und Umweltbedingungen (besonders Wind) angepasst werden können.

Quelle von Ideen und Inspirationen für diese Herausforderung liefern die Organe von Pflanzen, die permanent stabförmige und flache Elemente verbinden mit graduellen Übergängen ihrer Geometrie, ihre innere Struktur und mechanischen Eigenschaften. Hinzu kommt, dass sie ihre Steifigkeit an sich ändernde Umweltbedingungen anpassen können (z.B. variierende Windlasten). Außerdem erzeugen sie Bewegungen durch die Nutzung elastischer Verformung, ohne klassische mechanische Verbindungen, wie Gelenke zu benötigen.

Im architektonischen Kontext können solche anpassungsfähigen Konstruktionselemente und Materialsysteme mit graduellen Übergängen zwischen den Baukomponenten die Grundlage für Gebäudestrukturen und Fassaden bilden, die inder Lage sind durchgehend auf ständig wechselnde physikalische Bedingungen der Umgebung zu reagieren. Sie haben das Potential, die Nachhaltigkeit und die Effektivität von Architektur zu verbessern. 

Das Hauptziel dieser Kooperaionsprojekts ist es, großmaßstäbliche Oberflächen zu entwickeln, wie verstärkte Kompositkomponenten, welche die im Kompositmaterial integrierten pneumatischen Aktuatoren (hydraulischer und osmotischer Druck der biologischen Modelle wird für die technische Anwendung zu pneumatischem Druck abstrahiert), um Bewegung zu erzeugen, ebenso zur Adaption von Steifigkeit. Das bedeutet, dass flache Kompositkomponenten entwickelt werden, die durch pneumatischen Druck ihre Steifigkeit erhöhen können, wenn sie außergewöhnlichen externen Kräften ausgesetzt sind, z.B. Windlasten.

Dieser Ansatz  erlaubt es, die Panele  so zu entwerfen und herzustellen, dass sie normalen, alltäglichen Lastsituationen  standhalten und außerdem, ihre Geometrie und Steifigkeit  anpassen können, wenn die Belastung ein bestimmtes Maß übersteigt.  Für die technische Umsetzung ist die Übergangszone von der Stabförmigen zur flachen Komponente von speziellem Interesse, da Punktlasten auf Stützen und Auflagern sich oft als kritisch für die Konstruktion dünner faserverstärkter Kompositkomponenten erweisen. 

Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen
Axel Körner, Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers

Institut für Textil- und Verfahrenstechnik
Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser

Plant Biomechanics Group Freiburg, Universität Freiburg
Dr. rer. nat. Olga Speck

Das Projekt gehört zum Exzellenzcluster IntCDC (more about here)