Projektbeschreibung
Projektziel
Energieeffizienz und Nachhaltigkeit spielen eine immer größere Rolle in der modernen Architektur. Infolgedessen steigt die Nachfrage an adaptiven Strukturen, die sich ihren Anforderungen durch beispielsweise Geometrieänderungen ständig anpassen und somit Tragwerksgewicht und Energie einsparen können. Dementsprechend ist der Entwurf von beweglichen Strukturen von großer Relevanz.
Ein Beispiel hierfür sind adaptive Gebäudehüllen, die große Verformungen durchlaufen müssen, oder ausfahrbare Konstruktionen zum Öffnen und Schließen von Stadiondächern. Dabei muss nicht nur die Geometrie in den unterschiedlichen, z.B. geöffneten und geschlossenen Zuständen bestimmte Anforderungen erfüllen sondern auch der Formübergang. Auch dieser muss so gestaltet sein, dass er die Bedingung der Effizienz erfüllt.
Die Grundidee dieses Forschungsprojekts besteht demnach darin, eine möglichst effiziente Bewegung zwischen zwei geometrischen Konfigurationen einer Struktur, wie z.B. einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand einer Dachstruktur, zu finden.
Pflanzen als Ideengeber für adaptive Strukturen
Bewegungen vieler Pflanzenflächen erfüllen die eingangs genannten Kriterien. Blüten und Blätter weisen häufig robuste Bewegungsmuster auf, die für viele biologische Funktionen relevant sind. Sie basieren auf der lokal angepassten Steifigkeit ihrer Komponenten und vermeiden hochkonzentrierte Beanspruchungen. Ein wichtiger Punkt ist die Identifizierung der Bewegungsmuster und der Aktuierungsprinzipien sowie ihr Zusammenspiel mit der Pflanzenstruktur. Pflanzenbewegungen können durch reversible (nastische) Turgoränderungen und durch irreversibles (tropistisches) Wachstum aktiv hydraulisch aktuiert werden. Passive Aktuierung erfolgt durch hygroskopisches Aufquellen und Schrumpfen oder durch Kohäsionskräfte. Andere Mechanismen nutzen die Freisetzung gespeicherter elastischer Energie in vorgespannten Strukturen oder werden durch äußere mechanische Kräfte ausgelöst.
Diese Eigenschaften von Pflanzenbewegungen werden mit einem biomimetischen Ansatz auf bewegliche Strukturen in der Architektur übertragen. Zusätzlich werden mit den Methoden der Simulation neue Erkenntnisse über das biologische Vorbild gewonnen. Mit Finite-Elemente-Simulationen wurden Hypothesen der Biologie unterstützt und mögliche Bewegungsmechanismen und Aktuierungen identifiziert. Die Simulation erlaubt es verschiedene Bewegungsprinzipien zu isolieren und Parameterstudien durchzuführen, was mit Experimenten an der echten Pflanze nicht möglich ist. Für die Anwendung in der Architektur kommen vor allem die Bewegungen von Orchideenblüten und der Schnappmechanismus von fleischfressenden Pflanzen in Frage. Untersucht wurden die Venusfliegenfalle und ihre Schwester, das Wasserrad.
