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Organobridge – Bionisch konzipierte Leichtbaubrücke

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Das Ziel der Forschungsarbeit “Bionisch konzipierte Composite-Leichtbaubrücke für Fußgänger – ORGANOBRIDGE”, ist die Entwicklung einer Brücke nach bionischen Konstruktionsprinzipien in Kooperation mit der Fachhochschule Primasens (IKW), Fa. FIBER-TECH Construction GmbH, Fa. Wölfel beratende Ingenieure und Pohl Architekten. Die Brücke soll im Webverfahren  in Faserverbundbauweise, mit einer neuartigen Fertigungsmethodik bewerkstelligt werden soll. Als Grundlage zu diesem Top-Down Prozess wurden in der Methodik ” Pool Research”( VDI 6226) zunächst allgemein die natürlichen Verzweigungen an ausgewählten Dicotyledonen, Monocotyledonen, Sukkulenten und Kakteen untersucht und bewertet. In einem weiteren Schritt wurden ausgewählte Verbindungen auf ihre Innere Strukturierung hin untersucht, aus welchen sich der morphologische Aufbau der biologischen Faserbündel und Grundsätze ihrer Verzweigungen ableiten lassen. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden drei verschiedene bionische Konstruktionsprinzipien für Verzweigungen erarbeitet. 

 

Technische Verzweigung nach dem Konstruktionsprinzip der Dicotyledone mit Sekundär-Wachstum

Aus der Analyse der Morphologie bei Dicotyledonen ergibt sich ein mehrschichtiges System, bei welchem jede Schicht spezifische Aufgaben übernimmt, die je nach Gewebeart und Geweberichtung unterschiedlich ausgelegt ist. Bei diesem System wird wie bei Tragwerken in Haupt- und Neben- träger unterschieden. Der Hauptträger soll einen Kern besitzen, welcher von Anfang bis Ende des Trägers durchläuft. Dieser Kern wird mit einer zweiten Schicht , einer Anschlussschicht umwoben, aus welcher die Nebenträger hevorgehen.   Um ein Ausbrechen der Hauptträger zu vermeiden, werden die Nebenträger nicht am Kern befestigt. Die Dritte Schicht umhüllt das gesamt System. Sie ist verantwortlich für die homogene Kräfte- sowie Schwingungs-Verteilung im Bauwerk und auch an der Oberfläche der Konstruktion.

 

Technische Verzweigung nach dem Konstruktionsprinzip der Dicotyledone mit ungewöhnlichem Sekundär-Wachstum, nach dem System der Säulenkakteen

Bei diesem Konzept sind die Säulenkakteen als Vorbild eingesetzt. Wie beim vorherigen Konzept wird auch hier in Haupt- und Nebenträger unterschieden. Für diese Konstruktionsart würde ein zweischichtiges System ausgebildet werden. Der Kern der Träger soll aus axial verlaufenden, mit ineinander verwobenen Fasern bestehen, welche durch  45° helical angeordnete Fasern verbunden sind. In dieser ersten Schicht sollen die Nebenträger am Kern des Hauptträgers verwoben werden. Die zweite Schicht dient wieder als Deckschicht, bzw. Schutzschicht und erbringt die homogene Verteilung der eingeleiteten Kräfte. Diese Schicht soll aus axial und radial Fasern bestehen, welche an Verzweigungsstellen entsprechende Unterstützungsbereiche (Unterstützung und Kräfte-Aufnahme für Verzweigungen) ausbilden.

 

Technische Verzweigung nach dem Konstruktionsprinzip der Dicotyledone mit ungewöhnlichem Sekundär-Wachstum, nach dem System der Blattkakteen

Das zweite Konzept könnte nach dem System der Blattkakteen entwickelt werden und ist vom Blattskelett der Opuntie abgeleitet. Bei diesem Ansatz wird in primäre, sekundäre und tertiäre Strukturen unterschieden. Diese differenzieren in Länge,  Anzahl der Schichten und in der Höhe.                          

Der Aufbau jeder Schicht besteht aus mehreren übereinander angeordneten Leitbündeln, welche über  Gewebe miteinander verbunden sind. Diese Schichten verlaufen parallel zueinander und sind ebenfalls über Gewebe verbunden. Die Aufgabe der Primärstruktur ist die Ableitung der Lasten in den Hauptwuchskörper und die Verteilung von Nährstoffen an die anschließenden Blätter und Früchte. Primäre Bündel besitzen die maximale Höhe im Vergleich zu den restlichen Bündeln. Sekundärbündel sind im Vergleich weniger hoch, kürzer und bestehen aus einer Schichtung ≤ 3. Diese Bündel gehen aus den Primärbündeln hervor und bilden Verzweigungen zwischen den einzelnen primären. Die tertiären Bündel nochmals in der Höhe reduziert bilden die kleinsten Verzweigungen zwischen Primär- und Sekundär- Bündeln. Sie füllen die Zwischenräume und tragen die kleineren Lasten in der Fläche ab.

 

 

Für nähere Informationen zum Forschungsprojekt stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung:

Prof. Göran Pohl: gpohl@htwsaar.de

B2E3-Institut Johannes Höning:  johannes.hoening@htwsaar.de

Modellvorhaben Effizienzhaus Plus

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Auf der Suche nach Leuchtturmprojekten unterstützte das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) Bauherren beim Bau eines Plusenergie-Hauses (“Effizienzhaus Plus Standard”) im Rahmen eines Förderprogramms.

Die Gebäude sollen deutlich mehr Energie produzieren als verbrauchen, das heißt die produzierte Energie deckt den Bedarf für Heizung, Warmwasser, Beleuchtung und Haushaltsstrom und versorgt darüber hinaus externe Nutzer wie benachbarte Häuser oder Elektrofahrzeuge.

Mittlerweile sind die ersten Modellvorhaben fertig gestellt und werden durch das Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) technisch-wissenschaftlich begleitet.

Informationen zu den Effizienzhäusern und deren Begleitforschung hält das BMVBS auf seiner Internetseite bereit:
fertig gestellte Modellhäuser
geplante Modellhäuser
wissenschaftliche Begleitforschung

 

Plusenergie-Haus-Förderung

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Auf der Suche nach Leuchtturmprojekten hat das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadt-entwicklung (BMVBS) ein Förderprogramm für Gebäude im Plusenergie-Haus-Standard aufgelegt. Unterstützt werden Bauherren (z.B. Privatper-sonen, Institutionen und Unternehmen), die sich zum Bau eines Plusenergie-Hauses entscheiden.

Dabei soll es sich um ein geplantes Wohngebäude handeln, das deutlich mehr Energie produziert als es verbraucht. Ziel ist es, dass die produzierte Energie den Betrieb des Hauses wie Heizung, Warmwasser, Beleuchtung und Haushaltsstrom deckt und darüber hinaus externe Nutzer wie benachbarte Häuser oder Elektrofahrzeuge versorgt.

An die Fertigstellung schließt sich ein zweijähriges Monitoring (Datenerfassung durch Messungen), das von einem Forschungsteam durchgeführt wird. Die Forschungs-ergebnisse werden anschließend veröffentlicht und unterstützen damit die zukünftige Entwicklung von Plusenergie-Häusern. Zum Beispiel im Bereich des Energiemanage-ments, der Gebäudehülle oder der Nutzung von erneuerbaren Energien.

Bei dem Programm handelt es sich um eine Projektförderung. Als nicht rückzahlbarer Zuschuss wird eine Zuwendung von 100 % der entstehenden Kosten, maximal jedoch 70.000 Euro auf Maßnahmen gewährt wie: Planungskonzept zum Plus-Energie-Haus-
Standard und das Monitoring – beides durch eine Forschungseinrichtung.
Außerdem werden 20 % der Investitionskosten bzw. höchstens 300 Euro je Quadratmeter Wohnfläche für innovative Technik bezuschusst. Das können zum Beispiel sein: Dünnschicht-Photovoltaik-Module für die Fassade, elektrische Pufferspeicher oder Komponenten für die Ladung von Elektrofahrzeugen.
Die Förderrichtlinie gilt noch bis zum 31.12.2012.

Das Institut B2E3 für effiziente Bauwerke kann als Forschungsteam die Begleitforschung von Plusenergie-Hausprojekten übernehmen sowie beratend zur Seite stehen.
Sprechen Sie uns an und wir finden gemeinsam einen Weg zu Ihrer Plusenergie-Haus-Förderung.

E-Mail: b2e3@htw-saarland.de
Telefon: 0681 5867-603

Detailinformationen zur Förderung finden Sie hier:
Forschungsinitiative Zukunft Bau

Download einer Informationsbroschüre des BMVBS:
Wege zum Effizienzhaus-Plus

 

Mitarbeiterin für Machbarkeitsstudie

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Seit dem ersten April ergänzt Iris Ghinita-Feth als wissenschaftliche Mitarbeiterin das Institutsteam. Sie wird federführend am Forschungsprojekt Machbarkeitsstudie zu künftigen Folgenutzungen auf dem Gelände des Bergwerks Saar / Halde Duhamel in Ensdorf mitarbeiten.

Ihr Architekturstudium hat Iris Ghinita-Feth mit einem Diplomabschluss an der HTW des Saarlandes absolviert. Sie hat bereits Erfahrung in der Erarbeitung von Umweltprojekten wie die Planung und Realisierung von Solaranlagen auf Dächern sowie auf Konversionsflächen.

zum Profil Iris Ghinita-Feth
zum Artikel Forschungsprojekt Halde Duhamel

 

Zwei Forschungsprojekte

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Eine Machbarkeitsstudie zu künftigen Folgenutzungen auf dem Gelände des Bergwerks Saar / Halde Duhamel in Ensdorf und Tragstrukturen aus Faserverbundstoffen für Kleinwindanlagen mittels Webtechnologie: Diese beiden Forschungsprojekte startet B2E3 Institut für effiziente Bauwerke in den nächsten Monaten. Zwei ganz unterschiedliche Themen mit dem gleichen Ziel: Effizienz.

Nähere Informationen finden Sie unter:

 

Halde Duhamel

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Grundlegendes Ziel des von der HTW des Saarlandes initialgeförderten Forschungsprojekts ist die Erarbeitung einer Machbarkeitsstudie zu künftigen Folgenutzungen auf dem Gelände des Bergwerks Saar / Halde Duhamel in Ensdorf.

Es dient seit dem 18. Jahrhundert der Versorgung der Region, zuletzt bei einer Fördermenge von 1 Mio. Tonnen Kohle und als Arbeitsplatz für 2400 Beschäftigte. Ende Juni 2012 wird auch dieses letzte aktive Bergwerk des Saarlandes als Zeichen des Strukturwandels geschlossen und die Flächen der Tagesanlage werden frei. Die RAG Deutsche Steinkohle bereitet aktuell einen Masterplan für das Gebiet vor.

Im Rahmen dieses Verfahrens ist eine grundlegende Machbarkeitsstudie sinnvoll, die den tatsächlichen Bedarf und Ziele der Kommune und der Region ermittelt – insbesondere um die Rahmenbedingungen für eine, im Saarland einzigartige, Folgenutzung des Bergwerks zu finden.

Die von EU, Bund und Land eingeleitete Energiewende bedeutet eine CO2-Einsparung von 80 % bis 2050 – bereits ab 2020 sollen alle Neubauten klimaneutral sein. Insbesondere die Bauwirtschaft – dabei kleine mittelständige Betriebe – können vom Struktur- und Energiewandel profitieren. Dazu sind neue Prozesse, Technologien und Produkte erforderlich.

Teil der künftigen Folgenutzung auf dem Gelände des Bergwerks Saar könnte ein Zentrum mit dem Schwerpunkt Energieeffizienz im Bauwesen sein, das Wirtschaft und Wissenschaft verbindet. Durch die dort mögliche Nähe zwischen Betrieben und Forschungseinrichtungen würde sich ein regionales Netzwerk bilden, das Start-Ups und Spin-Offs fördert.

Inhalte und Ziele
Ziel der Machbarkeitsstudie ist die wirtschaftliche und städtebauliche Entwicklungsplanung bei folgenden Inhalten wissenschaftlich zu unterstützen: Standortnutzung, Bedarfsanalyse, Infrastruktur, Flächenbedarf, Denkmalschutz, geplante Ziele, Programming, Monitoring etc. Die Ergebnisse können und sollten Teil des Masterplans der RAG Montan Immobilien GmbH werden und Eigner sowie Kommune in ihren Belangen unterstützen.

Artikel über die 1. Bürgerwerkstatt
Artikel über die 2. Bürgerwerkstatt
Artikel über die Präsentation des Masterplans

 

Strukturleichtbau

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Das von der HTW des Saarlandes initialgeförderte Forschungsprojekt bildet den Grundstein für eine geplante, gemeinsame Forschungsgruppe des Instituts B2E3 mit dem Institut für Kunststofftechnik Westpfalz (IKW) der FH Kaiserslautern-Pirmasens.

Beide Institute möchten die Möglichkeiten von last- und formoptimierten Leichtbau-
konstruktionen mit Faserverbundwerkstoffen an dreidimensionalen Verzweigungsprofilen mit Hilfe der Webtechnologie untersuchen und bau-industrielle Anwendungspotenziale ermitteln. Das IKW besitzt die hierfür notwendige Maschinentechnologie in Form einer 3-D-Webmaschine. Bei B2E3 besteht bereits eine umfassende Expertise in der Planung und Umsetzung von Leichtbauweisen und komplexen Geometrien in innovativen Baumaterialien wie Faserverbundwerkstoffen, aber auch Folien, Membranen oder Holz (BOWOOSS). Professor Göran Pohl ist u.a. Herausgeber des Fachbuchs „Textiles, polymers and composites for buildings“ und er hat den Faser-Leichtbau COCOON_FS entwickelt.

Faserverbundwerkstoffe
Faserverbundwerkstoffe (FVW) werden wegen ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften zunehmend für hocheffiziente Leichtbaukonstruktionen eingesetzt. Sie weisen bei meist besseren mechanischen Eigenschaften ein deutlich niedrigeres Gewicht als Stahl auf.

Die gängigsten Bestandteile der Komposite sind Fasern aus Glas, Carbon, Aramid, aber auch Basalt und verschiedene Naturfasern. Die fortschreitende Entwicklung naturfaserverstärkter Biokunststoffe ermöglicht einen deutlich gesteigerten Nachhaltigkeitsbeitrag, der heute bereits in der Automobilindustrie genutzt wird. Auch im Bauwesen ist von einer zunehmenden Verbreitung von Konstruktionen aus FVW auszugehen.

Kleinwindanlagen
Kleinwindanlagen sind bis zu einer Höhe von 10 Metern genehmigungsfrei – für einen Einsatz in bewohnten Gebieten werden Generatoren mit senkrecht stehenden Drehachsen bevorzugt. Diese weisen zwar einen niedrigeren Wirkungsgrad auf als horizontale Windkraftanlagen. Ihre Vorteile sind jedoch, neben dem geringeren Platzbedarf, die Unabhängigkeit von der Windrichtung und eine verbesserte Funktionssicherheit bei stark schwankenden Windgeschwindigkeiten. Dazu kommt, dass die Konstruktionen geräuscharm sind.
Bislang wurden Kleinwindanlagen jedoch nur für entlegene Standorte und Industriezentren entwickelt. Für öffentlich sichtbare Bereiche sind sie aufgrund ihrer rein funktionalen Gestaltung nicht geeignet. Speziell die Tragkonstruktion (der „Fuß“) der Vertikalachsen-Windgeneratoren wird herkömmlich mit einfachen Stahlhalbzeugen erstellt. Damit ist die Verwendung in bewohnten Gebieten und im öffentlichen Raum aus stadtgestalterischen Gründen unbefriedigend.

Ziele und Inhalte
Ein Ziel des Forschungsprojekts sind ästhetische Lösungen, die wirtschaftlich und konkurrenzfähig zu produzieren sind. Die Verwendung von Hochleistungsfasern mit industrieller Herstellung soll zu Techniken individueller Gestaltung bei niedrigen Kosten führen.

 

BOWOOSS

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Bionic Optimized Wood Shells with Sustainability

BOWOOSS ist ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördertes Verbundforschungsprojekt der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW), der Bauhaus-Universität Weimar und der Firma Stephan Holzbau in Gaildorf unter Federführung der HTW. Das Forschungsprojekt möchte mit Hilfe bionischer Ansätze innovative, technische Lösungen im Bau von Schalenkonstruktionen finden und diese am Markt dauerhaft und wirtschaftlich etablieren. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung nachhaltiger, flexibler und demontabler Leichtbaulösungen für Schalen- und Faltwerkkonstruktionen von Dächern aus Holz. Die Entwicklung materialeffizienter Fügetechnologien gehört zu den besonderen Zielen sowie die Übertragung von natürlichen Lebenszyklen auf die Technik.

Forschungsziele
Das Projekt BOWOOSS soll integrative Lösungen für Schalenkonstruktionen entwickeln, welche bisher noch nicht zufriedenstellend umgesetzt wurden. Wichtiger Bestandteil ist daher die Verwendung von Forschungsergebnissen aus benachbarten Wissensbereichen, der Know-How-Transfer in der Ausbildung von Architekten und Ingenieuren, die Einbeziehung von Biologen und der integrative Ansatz der Bionik zugunsten eines Innovationssprungs für zukunftsfähige Holzbaulösungen. Das „reale“ Ergebnis des Forschungsprojekts wird ein Demonstrationsbauwerk sein, das den bionischen Ansatz und das Entwicklungspotenzial integrativer Forschung und Entwicklung verdeutlicht. Der Prototyp wird nach bionischem Vorbild entwickelt und demontabel errichtet.

Bionischer Ansatz
Die Natur hat effektive und leichte Schalen- und Faltkonstruktionen entwickelt, deren Potenzial sich für die technische Anwendung nutzen lässt. Die natürlichen Faltwerk- und Schalenkonstruktionen sind formstabil, gehen effizient mit den verfügbaren Rohstoffen um, sind statisch optimiert, in vielerlei Hinsicht multifunktional und lassen sich durch einfache Wachstumsprozesse aufbauen und vergrößern. Beispiele sind Schalenkonstruktionen von Muscheln, Seeigeln etc., aber auch Faltkonstruktionen von Flächentragwerken bei Blättern oder verschiedenen Palmenarten.
Der Lebenszyklus spielt in der Natur eine besondere Rolle: Gewachsene Strukturen werden entweder von neuen Lebensformen besetzt oder zerfallen in Grundelemente, aus denen neues Leben entsteht. Schalen und Faltwerke in der Bautechnik haben sich im Gegensatz zu „Naturbauwerken“ als Nischenprodukte erwiesen. Auf der Grundlage von Untersuchungen von natürlichen Schalen- und Faltlösungen, werden effiziente Flächentragwerke entwickelt. Die reine technische Betrachtung hat diesen Innovationsschub bislang nicht erbracht.

Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit
Nachhaltige Bauweisen gewinnen einen zunehmenden Stellenwert in der Architektur und Bauindustrie. Angesichts steigender Anforderungen an die CO2- und Energiebilanz und an die Recyclingfähigkeit von Bauten werden in Zukunft Baustoffe und Bauteile aus nachwachsenden Rohstoffen immer wichtiger. Materialökonomisches Bauen findet im Vergleich zum herkömmlichen Bauen eine bisher eher untergeordnete Verwendung. Hohe Produktionskosten durch komplexe Entwicklungsleistung, zusätzliche Fertigungs-
kosten und ein höherer Montageaufwand verhindern eine breite Anwendung nachhaltiger und ressourcen-ökonomischer Leichtbauweisen. Doch gerade im Bereich des Holzbaus zwingt die Ressourcenknappheit zu materialeffizienten Leichtbauweisen. Hierbei haben sich vor allem Schalen- und Faltbauweisen als besonders ressourcenökonomisch erwiesen.

Anwendungspotenzial und Wirtschaftlichkeit
Die zeitgenössische Architektur orientiert sich heute wieder stark an schalenartigen und biomorphen Strukturen. Diese aktuellen Strömungen sind in der traditionellen Bautechnologie nur sehr kostenintensiv umzusetzen.
Trotz der materialökonomischen Vorteile von Schalen- und Faltbauwerken reduzieren auch im Holzbau die hohen und komplexen Herstellungs- und Montageaufwendungen deren Einsatzmöglichkeiten. Die technische Entwicklung fordert neue Impulse, mit denen die Erstellungskosten reduziert, multifunktionale Anforderungen an Bauteile realisiert und darüber hinaus variable Lebenszyklus-Anforderungen vereint werden können.

weitere Informationen und Kontakte:
Website des Forschungsprojekts
Bundesministerium für Bildung und Forschung
Aufbau BOWOOSS-Pavillon
Forschungspavillon
Galerie Forschungspavillon