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

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.

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.

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).

Projektlaufzeit
September 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 Entwerfen,
Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers, Florian Jonas

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

Veröffentlichungen im Rahmen dieses Projekts
Born L, Jonas FA, Bunk K, Masselter T, Speck T, Knippers J et al. Branched Structures in Plants and Architecture. In: Knippers J, Nickel KG, Speck T, editors. Biomimetic Research for Architecture and Building Construction. Cham: Springer International Publishing; 2016, p. 195–215.

Born L, Möhl C, Milwich M, Gresser GT. Textile connection technology for interfaces of fibre-reinforced plastic-concrete-hybrid composites. In: DGM - Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V., editor. Hybrid - Materials and Structures 2018: Proceedings; 2018, p. 28–33.

Born L, Möhl C, Kannenberg F, Melnyk S, Jonas FA, Menges A et al. Semi-automated braiding of complex, spatially branched FRP-structures. Composite Structures 2021;276:114551. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114551.

Bunk K, Jonas FA, Born L, Hesse L, Möhl C, Gresser GT et al. From plant branchings to technical support structures. In: Knippers J, Schmid U, Speck T, editors. Biomimetics for Architecture. De Gruyter; 2019, p. 144–152.

Jonas FA, Born L, Möhl C, Hesse L, Bunk K, Masselter T et al. New branched loadbearing structures in architecture. In: Knippers J, Schmid U, Speck T, editors. Biomimetics for Architecture. De Gruyter; 2019, p. 153–162.

Möhl C, Born L, Küppers S, Jonas FA, Milwich M, Gresser GT. Manufacturing of branched structures for fibre-reinforced plastic-concrete-hybrid composites. In: DGM - Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V., editor. Hybrid - Materials and Structures 2018: Proceedings; 2018, p. 165–170.

Patente im Rahmen dieses Projektes
Born L, Gresser GT, Milwich M. Fibre Compound Component, Hybrid Component and Method for Producing a Fibre Compound Component: EP(3552807B1); 2019.

Jonas FA, Knippers J, Gresser GT, Born L, Milwich M. Branching Node for Building Construction and Method for Producing the Branching Node for Building Construction: EP(3460114 B1); 2018.

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

Weitere Informationen zum Sonderforschungsbereich (SFB) TRR-141