_Geneigtes Dach

Man kann sich fragen, ob eine Nähmaschine das richtige Gerät ist, um Holzschalen miteinander zu verbinden. Man kann sich auch fragen, ob ein sich in flachen Sandküsten vergrabender Seeigel die geeignete Analogie für eine Pavillon-Konstruktion ist. Die beiden Institute für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung von Achim Menges und für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen von Jan Knippers haben sich für den Forschungspavillon 2015/2016 der Universität Stuttgart genau das vorgenommen und erforscht, wie sich robotische und textile Fertigungsmethoden kombinieren lassen und im Leichtbau von Segmentschalen Anwendung finden. Herausgekommen ist ein Pavillon, der sich zu einer eigenwilligen halb offenen Überdachung auf dem Campus aufschwingt.

Eine Fläche von etwa 85 Quadratmeter überdacht die Konstruktion, die sich aus 151 vorgefertigten Elementen zusammensetzt, die jeweils aus drei laminierten Furnierstreifen aus Buchenholz bestehen und durch textile Verbindungen zusammengehalten werden. Die gesamte Konstruktion wiegt 780 Kilogramm und spannt mehr als neun Meter weit.

Der Pavillon ist Teil einer Reihe von Versuchsbauten, die alljährlich an der Universität Stuttgart entwickelt werden und Möglichkeiten computerbasierter Entwurfs-, Simulations- und Herstellungstechniken in der Architektur ausprobieren. Das Projekt wurde von wissenschaftlichen Mitarbeitern und Studierenden in einem interdisziplinären Team aus Architekten, Ingenieuren, Biologen und Paläontologen geplant und realisiert.

Dach
Zur Entwicklung des Pavillons wurden einerseits in der Biologie vorkommende Schalentragwerke sowie die Möglichkeiten der Übertragung auf die Technik und andererseits Roboter gesteuerte Fertigungsmethoden zum Vernähen dünner Furnierplatten aus Buchenholz untersucht. Für den Entwurf bildete dann die Morphologie des etwa münzgroßen Sanddollars (Clypeasteroida) aus der Klasse der Seeigel die Grundlage. In einem interdisziplinären Forschungsteam wurde eine biomimetisch-technische Umsetzung der Konstruktion des biologischen Systems versucht. Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop halfen dabei, deren komplexe Struktur besser zu verstehen. So fand man heraus, dass die Verbindungen zwischen den Plattensegmenten der Seeigelschale nicht nur aus Fingerzinken bestehen, sondern über zusätzliche Faserverbindungen verfügen. Vermutlich stellen diese elastischen Verbindungen von relativ steifen Platten die Integrität der Schale im Wachstumsprozess sicher. Außerdem wurde festgestellt, dass die Leistungsfähigkeit der Schale des Sanddollars auch auf der Differenzierung der Materialeigenschaften innerhalb einer zweilagigen Struktur beruht.

Es wurden also zunächst Segmentschalen Fingerzinkenverbindungen aus Furnierholz hergestellt, die die zweilagige Struktur des Sanddollars nachbilden. Dafür verwendete man Furnierstreifen, die zu drei bis fünf Millimeter dicken Sperrholzplatten laminiert wurden. Die ebenen Bauteile wurden elastisch so verformt, dass sich eine spezifische Segmentgeometrie mit ungleichmäßigen Krümmungsradien einstellte. Diese wurde dann durch von Robotern ausgeführtes Vernähen unter Spannung und damit in Form gehalten.

Um kontinuierliche und nicht punktuelle Verbindungen zu produzieren, wurden textile Fertigungstechniken eingesetzt, die den Materialaufbau des Holzes kaum schwächen. Während man die Verbindungen von dünnen Furnierholz-Konstruktionen üblicherweise klebt, wurde hier ein robotergesteuerter Fertigungsprozess mit einer Industrie-Nähmaschine versucht. Ein Industrieroboter assistierte auch beim temporären Fixieren der gebogenen Sperrholzstreifen in der gewünschten geometrischen Konfiguration. Während des Nähprozesses führte der Roboter die gebogenen Streifen durch die Nähmaschine und verband sie miteinander. Zusätzlich wurden Membranstreifen als Verbindungselemente zwischen den Segmenten aufgenäht. Beim Aufbau des Pavillons wurden diese dann mit Hilfe von robusten Kevla-Schnüren verbunden.

Äußere Lasten werden durch die zweilagigen Segmente überwiegend durch Normalkräfte und Scherkräfte in der Plattenebene abgetragen. Dies geschieht hauptsächlich in den Verbindungen der Segmente durch die Fingerzinken. Die Zugkräfte werden hingegen durch Reep-Schnüre aufgenommen. So ergibt sich ein leistungsfähiges und komplex geformtes Schalentragwerk aus Furnierstreifen.

Bautafel

Fachwissen zum Thema

Surftipps

• http://www.itke.uni-stuttgart.de/entwicklung.php?lang=de&id=71
• http://icd.uni-stuttgart.de/?tag=researchpavilion2015