Forschungsprojekt

Bewegungsdesign

Bewegungsentwurf zur biomimetischen Analyse von Pflanzenbewegungen und für den Entwurf adaptiver Strukturen.

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 eingespart werden können. Dementsprechend ist der Entwurf von beweglichen Strukturen von großer Relevanz. Ein Beispiel hierfür sind adaptive Gebäudehüllen, die große Verformungen durchlaufen müssen.

Bisher wird die Beweglichkeit von Strukturen üblicherweise durch lokale Gelenke und Scharniere erzeugt. Diese Lokalisierung führt zu einer großen Schadensanfälligkeit und hohen Wartungskosten. Zusätzlich stellt die Verbindung standardisierter Systeme mit komplexen Gebäudeformen eine große Herausforderung dar.

In der Pflanzenwelt hingegen wird die Flexibiltät durch Steifigkeitsänderungen innerhalb der Struktur erzielt. Dies führt zu einem Bereich, der als Gelenk fungiert, der sogenannten Gelenkzone oder das Strukturgelenk.

Diese Eigenschaft von Pflanzenbewegungen wird 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.

Analyse von Pflanzenbewegungen

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. Mit Finite-Elemente-Simulationen wurden Hypothesen der Biologie unterstützt und mögliche Schnappmechanismen und Aktuierungen identifiziert.

Simulation der Venusfliegenfalle (c)
Simulation der Venusfliegenfalle
Simulation der Wasserfalle (c)
Simulation der Wasserfalle

Bewegungsentwurf

Unabhängig von der Biomimetik können Bewegungen mit bestimmten Eigenschaften mithilfe einer variationellen Formulierung entworfen werden. Werden Anforderungen an das nichtlineare Verformungsverhalten der Struktur gestellt, kann die Bewegung in Abhängigkeit des hierzu erforderlichen Lastkollektivs gefunden werden. So können Strukturen durch eine Variation der Last unterschiedliche Übergänge zwischen zwei Geometrien realisieren und dabei vorgegebene Eigenschaften, wie z.B. eine energieminimale oder möglichst schnelle Bewegung, erfüllen. Dies kann bei dem Entwurf adaptiver Tragwerke und Strukturen in der Architektur sowie der qualitativen und quantitativen Analyse von Pflanzenbewegungen genutzt werden.

Veröffentlichungen

  1. Anna S. Westermeier, Renate Sachse, Simon Poppinga, Philipp Vögele, Lubomir Adamec, Thomas Speck, Manfred Bischoff. How the carnivorous waterwheel plant (Aldrovanda vesiculosa) snaps. Proceedings of the Royal Society B, 285. 2018. DOI: 10.1098/rspb.2018.0012
  2. Manfred Bischoff, Renate Sachse, Axel Körner, Anna Westermeier, Larissa Born, Simon Poppinga, Götz Gresser, Thomas Speck, Jan Knippers. Modeling and analysis of the trapping mechanism of Aldrovanda vesiculosa as biomimetic inspiration for façade elements. Proceedings of the IASS Annual Symposium 2017. Annette Bögle, Manfred Grohmann (eds.) "Interfaces: architecture.engineering.science". 25-28th September, 2017, Hamburg, Germany, 2017. 2017.

Bearbeitung:

Renate Sachse
M.Sc.

Renate Sachse

Akademische Mitarbeiterin

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