SFB-TRR 141 A06

Verzweigungen und Achsen von ausgewählten Pflanzenarten als Vorbilder für Gelenke mit hohem Lastaufnahmevermögen für verzweigte Gebäudestrukturen

Entwicklung einer bio-inspirierten Knotenstruktur in Faserverbund-Beton-Bauweise

Innerhalb des Projektes A06 des Sonderforschungsbereiches Transregio 141 werden pflanzliche Verzweigungsprinzipien, hauptsächlich Stamm-Ast-Verbindungen, hinsichtlich ihrer Funktionsprinzipien und deren Übertragbarkeit auf technische Anwendungen untersucht. Die im Rahmen des Projekts vorgesehenen Anwendungen sind Tragstrukturen für die Bauindustrie. Der Herstellungsprozess für Knotenstrukturen, wie sie für Tragwerkskonstruktionen benötigt werden, ist sehr aufwändig. Jede Geometrie benötigt eine Form zur Herstellung der Stahlhülle, deren Herstellung sehr kostenintensiv ist, so dass Flexibilität, Materialeinsparungen sowie Ressourceneffizienz an dieser Stelle unberücksichtigt bleiben und standardisierte Geometrien Anwendung finden.

Als besonders vielversprechender biologischer Ideengeber wurde innerhalb des Projektes die Verzweigung der Schefflera arboricola und ihre fingerartige Verzweigungsstruktur erachtet.

Biologisches Vorbild Strahlenaralie (Schefflera arboricola) und betongefüllter, geflochtener Verzweigungsknoten (c)
Biologisches Vorbild Strahlenaralie (Schefflera arboricola) und betongefüllter, geflochtener Verzweigungsknoten

Ein speziell adaptierter Flechtprozess erlaubte, unter Nutzung eines triaxialen Geflechts mit angepasster Faserorientierung, die Herstellung einer Faserverbundhülle, welche den Anforderungen an Materialeffizienz und Flexibilität in Bezug auf Geometrieanpassung entspricht. Die FVK-Hülle dient als verlorene Schalung für die Betonfüllung (Patent angemeldet). Innerhalb des Hybrid-Verbund-Bauteils ergänzen sich die Materialien optimal: Im Anwendungsfall nimmt die Hülle durch ihre Faserverstärkung die auftretenden Zugkräfte und der Beton die Druckkräfte auf.

Getuftete Verstärkungsstifte zur Gewährleistung eines Kraft- und Formschlusses zwischen FVK-Hülle und Betonfüllung (c)
Getuftete Verstärkungsstifte zur Gewährleistung eines Kraft- und Formschlusses zwischen FVK-Hülle und Betonfüllung

Diese Form der Materialkombination ist nur effizient, wenn Kraft- und Formschluss zwischen FVK-Hülle und Betonfüllung gewährleistet ist. Durch das Einbringen von Verstärkungsstiften wird die Anbindung des Betonkerns an die Faserverbundkunststoffhülle sichergestellt. In diesem Zusammenhang wurde das aus der Teppichindustrie bekannte Tufting-Verfahren adaptiert (Patent angemeldet).

Verzweigungsstruktur Großdemonstrator

© ITKE, ITFT, PGB

Dieses Video zeigt biomechanische Untersuchungsmethoden für verzweigte Pflanzenproben am Beispiel von Schefflera arboricola sowie Konzeptstudien, Design und Herstellung des Großdemonstrators von Projekt A06: Eine geflochtene verzweigte Struktur, die eine Fläche von ca. 6 x 6 m² aufspannt und im Rahmen der Sonderausstellung "Baubionik – Biologie beflügelt Architektur" in Schloss Rosenstein des Museums für Naturkunde Stuttgart ausgestellt wurde.

Projektlaufzeit

Oktober 2014 - Juni 2018

Projektteam

ITFT Institut für Textil- und Fasertechnologien, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser, Larissa Born, Claudia Möhl

ITKE Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives, Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers, Florian A. Jonas

PBG Plant Biomechanics Group, Universität Freiburg
Prof. Dr. Thomas Speck, Tom Masselter, Katharina Bunk, Linnea Hesse

Förderung

Dieses Forschungsvorhaben wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) als Teil des Sonderforschungsbereiches (SFB/Transregio) 141 "Biologisches Design und integrative Strukturen" / Projekt A06 gefördert.

Ansprechpartner

 

Larissa Born, M. Sc.

Wissenschaftliche Mitarbeiterin

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