Forschungsprojekt

Simulation von Pflanzenbewegungen

Kinematik von ebenen und gekrümmten Pflanzenflächen als biologisches Vorbild für bewegliche Strukturen in der Architektur (Sonderforschungsbereich SFB-TRR 141).

Überblick

  • Neue Anforderungen an Bauwerke
  • Pflanzen als Ideengeber für adaptive Strukturen
  • Biomimetische Arbeitsprozesse im SFB-TRR 141

Projektbeschreibung

Neue Anforderungen an Bauwerke

Die dringende Nachfrage nach einer energieeffizienteren und nachhaltigeren Architektur führt zu einem wachsenden Interesse an adaptiven Gebäudehüllen, die sich an veränderte Umweltbedingungen oder Komfortanforderungen anpassen können. Bis heute wurden diese Systeme technisch entweder durch starre Komponenten oder Textilien konzipiert, die entlang einer geraden Translations- und / oder Rotationsachse durch hoch beanspruchte Scharniere oder Gelenke verbunden sind. Diese Konzepte weisen im Bauwesen aus mehreren Gründen Grenzen auf:

  • Insbesondere adaptive planare oder gekrümmte Strukturen in größerem Maßstab, z.B. einziehbare Dächer, sind einzigartige Konstruktionen, die einmalig für spezifische Funktionsanforderungen ohne Prototypen oder umfangreiche Testläufe entworfen werden. Das Gebäude ist der Prototyp und muss beim ersten Versuch funktionieren.
  • Aufgrund des wachsenden Interesses der Architektur an komplexen Geometrien gewinnt die Anpassungsfähigkeit an eine Vielzahl von räumlichen Konfigurationen zunehmend an Bedeutung. Dies ist eine besondere Herausforderung für mittelgroße Bauteile wie z.B. Fassadenelemente. Die Anpassung an unregelmäßige Geometrien kann oft nur mit einer zusätzlichen mechanischen Komplexität erreicht werden, die oft teuer, fehleranfällig und wartungsintensiv ist.

Für kinetische Systeme im Bauwesen sind die Kriterien »Robustheit« und »Anpassungsfähigkeit« meist von großer Bedeutung, während andere Aspekte wie »Genauigkeit« oder »Geschwindigkeit« von geringerer Relevanz sind.

Simulation Wasserfalle (c)
Simulation der Wasserfalle

Simulation Venusfliegenfalle (c)
Simulation einer Hälfte der Venusfliegenfalle

Pflanzen als Ideengeber für adaptive Strukturen

Bewegungen vieler Pflanzenflächen erfüllen diese Kriterien. Blüten und Blätter weisen häufige robuste Bewegungen 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 passiv 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.

Biomimetische Arbeitsprozesse im SFB-TRR 141

Das Projekt zielt darauf ab, das Verständnis der mechanischen Prinzipien, die den Bewegungen von Pflanzenflächen zugrunde liegen, zu verstehen, indem ihre Biomechanik quantitativ analysiert und die Bewegungs- und Aktuierungsmechanismen mit kinetischen FE-Modellen simuliert werden. Die biologischen Vorbilder werden so ausgewählt, dass verschiedene Geometrien enthalten und verschiedene externe und autonome Aktuierungen abgedeckt sind. Parameterstudien an geometrischen und mechanischen Parametern in den FE-Modellen geben einen Einblick in das evolutionäre Form-Struktur-Funktions-Verhältnis der Pflanze. Parallel werden Untersuchungen durchgeführt, ob und wie die Mechanismen abstrahiert, vergrößert und in Strukturen für die Architektur integriert werden können, die sich an die unterschiedlichsten geometrischen und strukturellen Bedingungen anpassen lassen. Die technische Umsetzung erfolgt mit faserverstärkten Kunststoffen mit lokal angepasster Steifigkeit durch unterschiedliche Faserplatzierungen.

Im Rahmen des Projekts wird eine verallgemeinerte und vergleichende Methodik für die Analyse, funktionelle Beschreibung, Simulation und Klassifizierung von Bewegungen ebener, gekrümmter und gewellter Oberflächen in verschiedenen Pflanzenorganen und für den Transfer zwischen der Biologie und der technischen Umsetzung entwickelt.

Projektdaten

Projekttitel:
Kinematische Prinzipien und Bewegungsdesign in formändernden Pflanzenstrukturen (A04)
Förderung:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Transregio SFB-TRR 141 "Entwurfs- und Konstruktionsprinzipien in Biologie und Architektur. Analyse, Simulation und Umsetzung", GEPRIS-Projektnummer 260964992
Projektpartner:
Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE), Universität Stuttgart

Institut für Textiltechnik, Faserbasierte Werkstoffe und Textilmaschinenbau (ITFT), Universität Stuttgart
Plant Biomechanics Group Freiburg (PBG), Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

 

Veröffentlichungen

  1. A. Körner, L. Born, A. Mader, R. Sachse, S. Saffarian, A. S. Westermeier, S. Poppinga, M. Bischoff, G. T. Gresser, M. Milwich, T. Speck and J. Knippers. Flectofold - a biomimetic compliant shading device for complex free form facades. Smart Materials and Structures, 27. 2018. DOI: 10.1088/1361-665X/aa9c2f
  2. 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
  3. Larissa Born, Axel Körner, Gundula Schieber, Anna S. Westermeier, Simon Poppinga, Renate Sachse, Paavo Bergmann, Oliver Betz, Manfred Bischoff, Thomas Speck, Jan Knippers, M. Milwich and Götz T. Gresser. Fiber-reinforced plastics with locally adapted stiffness for bio-inspired hingeless, deployable architectural systems. Proceedings of the 21th Symposium on Composites, Bremen, Germany. 2017.
  4. 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.
  5. A. Westermeier, S. Poppinga, A. Körner, L. Born, R. Sachse, S. Saffarian, J. Knippers, M. Bischoff, G. Gresser, T. Speck. Keine Gelenkbeschwerden – Wie Pflanzen sich bewegen und die Technik inspirieren. In: J. Knippers, U. Schmid & T. Speck (eds.), Baubionik – Biologie beflügelt Architektur, 30 – 39. Stuttgarter Beiträge zur Naturkunde, Serie C, Band 82, Staatliches Museum für Naturkunde Stuttgart. 2017.
    • Simon Poppinga, Axel Körner, Renate Sachse, Larissa Born, Anna Westermeier, Linnea Hesse, Jan Knippers, Manfred Bischoff, Götz T. Gresser, Thomas Speck. Compliant Mechanisms in Plants and Architecture. In: Jan Knippers, Klaus G. Nickel, Thomas Speck (Eds.). Biomimetic Research for Architecture and Building Construction. Volume 8 of the series Biologically-Inspired Systems. Springer. 2016. DOI: 10.1007/978-3-319-46374-2_9

    Bearbeitung:

    Dieses Bild zeigt Sachse
    M.Sc.

    Renate Sachse

    Akademische Mitarbeiterin

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