Der Stoff der Zukunft

Forschung als Fundament

15. November 2021 Anpassbarkeit von Gebäuden

Wohin die Reise im Bauwesen gehen könnte, zeigt der Sonderforschungsbereich „Adaptive Hüllen und Strukturen für die gebaute Umwelt von morgen“ seit 2017. Und dies mit so großem Erfolg, dass im Berichtsjahr seine zweite Förderphase bewilligt worden ist.

Hochhaus

Es geht um Konstruktionen, die es Gebäuden möglich machen, sich an veränderliche äußere Belastungen wie Wind und Wetter individuell anzupassen. Bisher müssen Tragwerke statisch auf den „worst case“ ausgerichtet sein – mit der Folge, dass ein Gutteil der verbauten Masse an Beton und Stahl im Normalbetrieb überflüssig ist. Wenn es eine Lösung gäbe, die auf Umwelteinflüsse flexibler reagieren könnte, wären in diesem Bereich erhebliche Ressourcen einsparbar. 

Eine solche Lösung haben die Forscherinnen und Forscher des Sonderforschungsbereichs nun gefunden. Sie setzen auf bewegliche Konstruktionselemente etwa bei Flächentragwerken wie Betondächern oder Fassaden. „Im Vorfeld haben Werner Sobek und ich gezeigt, dass bei einer Schale – einem gekrümmten Flächentragwerk – erhebliche Masseneinsparungen möglich sind“, sagt SFB-Sprecher Oliver Sawodny vom Institut für Systemdynamik der Universität Stuttgart. „Und dies nur dadurch, dass wir die Auflagepunkte dieses Flächentragwerks verschiebbar gestaltet haben und so die Belastungsspitzen auf weitere Bereiche der inneren Verformung verteilen konnten. Diese Effekte derart adaptiver aktiver Elemente wollten wir im Sonderforschungsbereich in größerem Maßstab erforschen.“

Was sich so „in größerem Maßstab“ im Bauwesen erreichen lässt, wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Bauwesens und der Architektur, der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, des Maschinenbaus und der Produktionstechnik, der Informatik und Bauphysik, der System- beziehungsweise Elektrotechnik und der Chemie, aber auch der Sozial- und Verhaltenswissenschaften mit einem eigens entwickelten Hochhaus zeigen. Darin sind 24 Aktoren mit Hydraulikzylindern vorgesehen, mit deren Hilfe sich Stützen je nach Belastung dehnen oder stauchen lassen, um den Schwingungs- und Verformungszustand des Gebäudes aktiv steuern zu können. Derzeit ist es im Bau, 2021 soll es fertig sein. Dann wird sich das Hochhaus 36 Meter in die Höhe strecken – bei nur 25 Quadratmetern Grundfläche. „Das ist ein sehr ungünstiges Verhältnis für ein solches Gebäude, das wir aber ganz bewusst so gewählt haben“, sagt Sawodny. „Schließlich wollen wir ja erforschen, wie sich Erkenntnisse aus dem Labormaßstab hochskalieren lassen.“

Um seinen Plan zu verwirklichen, ist das aus 14 Instituten stammende Team von „Adaptive Hüllen und Strukturen für die gebaute Umwelt von morgen“ ein großes Risiko eingegangen. Denn jedes Hochhaus unterliegt den gängigen baurechtlichen Vorschriften – selbst, wenn es „nur“ zu wissenschaftlichen Demonstrationszwecken errichtet worden ist. Und am Ende muss es eben von einem Prüfingenieur abgenommen werden, der es gewohnt ist, die Sicherheit eines Gebäudes mit den üblichen statischen Parametern zu berechnen. „Und dieser Prüfingenieur bekommt nun plötzlich ein aktives Tragwerkskonzept vorgesetzt, für das all diese Regeln und Prüfkriterien nicht entwickelt worden sind, rechtlich aber natürlich trotzdem gelten.“

Glücklicherweise habe der für das Hochhaus des Sonderforschungsbereichs zuständige Prüfingenieur selbst eine Professur inne: „Er hat unser Interesse deshalb besser verstehen können und wir konnten in eine intensive Diskussion gehen.“ Auch ein maßstabsgetreuer Prototyprahmen und die daran vorgeführten Experimente konnten etwaige Zweifel zerstreuen. Am Ende soll dann laut Sawodny etwas stehen, das nicht nur nachhaltig gebaut ist, sondern auch nachhaltig bleibt. Trotz der für die Aktoren zusätzlich benötigten Energie bleiben nämlich noch etwa 50 Prozent an Einsparungen übrig. „Und es ist ein schöner Nebeneffekt, dass wir durch unsere ressourcenschonende Bauweise auch die Lebensdauer des Gebäudes verlängern.“

In einer zweiten Phase des SFB wollen die Forscherinnen und Forscher nun buchstäblich noch mehr in die Breite gehen – in die Breite der Fassade, um genau zu sein. „Bisher haben wir uns vor allem auf Stabtragwerke beschränkt“, sagt Sawodny. „Von flächigen Hüllenkonstruktionen erhoffen wir uns diesbezüglich ganz andere, für den Hochbau noch vorteilhaftere Möglichkeiten.“ Da wird es dann um wasserspeichernde oder aktiv temperierende Fassadenelemente gehen – oder um Energiespeicherung etwa mit Brandkalk.

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