Projektförderung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Sonderforschungsbereich Transregio SFB-TRR 141: Biologisches Design und integrative Tragwerke - Analyse, Simulation und Umsetzung in der Architektur
Förderperiode
01.10.2014 – 30.06.2018
Beschreibung
Das vornehmliche Ziel des Projekts ist die Entwicklung neuartiger, bionisch optimierter Knotenpunkte für Faserkomposit-Tragstrukturen in Architektur und Konstruktivem Ingenieurbau. Biologische Konzeptgeneratoren werden baumartige und krautartige Pflanzen, wie Dacanaeen, Yucca, Nolina, Pandanus und Freycinetia sein, die Fasermatrix-Strukturen in ihren Verzweigungen aufweisen, welche sich auffallend von denen holziger Pflanzen unterscheiden (Fig.1), und Verzweigungen von leichten Monokotyledon-Stämmen, wie z.B. Semiarundinaria für den Anschluss von Trägersegementen. Andere interessante Konzeptgeneratoren sind Seggen und Gräser, wie Carex oder Secale, bei denen die Blätter durch eine Blattscheide verbunden sind, die den Stamm umgreift.
Außerdem werden auffallende Verzweigungen bei Dykotylen, z.B. Schefflera und Angelica und periphere Verstärkungsstrukturen untersucht, wie sie unter Anderem in der Minzfamilie (Lamiaceae) vorkommen.
Diese Pflanzen sind alle leicht und evolutionär dahingehend entwickelt, statische und dynamische Lasten zu tragen. Deshalb eignen sie sich gut, als Konzeptgeneratoren für hoch belastete Knotenpunkte und anschließende Trägersegmente in Faserkomposit-Tragstrukturen in Architektur und Konstruktivem Ingenieurbau. Wie es bei vielen Pflanzen der Fall ist, müssen technische Verzweigungsverbindungen steif, duktil und dämpfend sein, um den verschienartigen und komplexen Belastungen in der gesamten Konstruktion standzuhalten.
Bisher erfordert die Herstellung verzweigter Knotenpunkte komplexe, teure Schalungselemente für Beton oder Stahlguss oder aufwändige Schweißarbeiten bei Stahlstäben. In diesem Projekt werden neue Materilaien, neue Konstruktionen und neue Herstellungsmethoden für bionisch inspirierte verzweigte Konstruktionen entwickelt und kombiniert.
Das neuartige Konzept besteht aus einer Leichtbau-Verzweigung aus faserverstärkten Kunststoffen (FRP) mit lastangepasster Faserorientierung, die als äußere Schalung (hier jacket genannt) für eine Betonfüllung und als Zugstab dient, der Torsions- und Zugkräfte aufnimmt. Um faserverstärkte Knotenpunkte herzustellen, kann eine neue Webtechnik genutzt werden, mit welcher gewebte, verzweigte Hohlstrukturen entwickelt werden, in denen die Fasern hauptsächlich ringförmig und in Längsrichtung verlaufen.
Mit einer neuen Flechttechnologie werden wir fähig sein, lastangepasste Faserverstärkungen zu entwickeln, in denen Fasern entsprechend der Faserorientierung der höchst lastangepassten biologischen Konzeptgeneratoren ausgerichtet werden können.
Die neuartige Kombination von zwei textilen Prozessen kreiert einen neuen Typ einer faserverstärkten, Zugkräfte aufnehmenden Hülse für die Stabilisierung verzweigter Betonkonstruktionen in der Architektur. Unsere Forschung soll auch die konstruktive Verbindung zwischen GFK-Jacket und Betonfüllung verbessern. Diese Techniken können später auch außerhalb des TRR 141 für die Herstellung bionischer Verzweigungen genutzt werden.
Eine Voraussetzung für solche technischen Anwendungen in der Architektur ist ein detailliertes Verständnis der grundlegenden Mechanismen, die der Belastbarkeit von Verzweigungsverbindungen und ihrer hohen Tragfähigkeit zugrunde liegen, was umgekehrt auch als Ausgangspunkt für ein detailliertes mechanisches Verständnis biologischer Organismen mit speziellen Eigenschaften (umgekehrte Bionik) dienen kann.
Dies wird mit Finite-Element-Simulationen von Modellen für biologische Konzepgeneratoren angestrebt. Eine darauf folgende quantitative Analyse dieser Simulationen schließt auch die Untersuchung funktionaler Belastbarkeit unter Beachtung ungenauer Modell-Parameter durch stichprobenbasierte Herangehensweise mit ein.
Projektteam
Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE), Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers, Florian Jonas
Institut für Textiltechnik, Faserbasierte Werkstoffe und Textilmaschinenbau (ITFT), Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Götz Gresser, Larissa Born, Claudia Möhl
Plant Biomechanics Group (PBG), Botanischer Garten, Universität Freiburg
Dr. rer. nat. Tom Masselter, Katharina Bunk