BAMP! - Bauen mit Papier

Material

LOEWE* Schwerpunkt BAMP! – Bauen mit Papier

Künftige Generationen werden ihre Bedürfnisse überwiegend aus nachwachsenden Rohstoffendecken müssen. Die Baubranche ist hierfür ein ganz wesentlicher Bereich, da zum einen zur Beheizung von Gebäuden erhebliche Energiemengen benötigt werden und zum anderen Baustoffe wie Beton oder Polystyrol signifikant zu CO2-Emissionen bzw. zu Schadstoffbelastungen der Umwelt beitragen. Zudem werden aufgrund der weltweiten Bevölkerungsentwicklung die mineralischen Baustoffe hinsichtlich ihres Energiebedarfs und ihrer Verfügbarkeit langfristig nicht mehr geeignet sein, die Nachfrage nach Wohnraum zu befriedigen. Gerade im Bereich temporärer Bauten zeigen sich die Nachteile von bisher üblichen Baustoffen, wie z. B. Beton, die häufig einen hohen spezifischen Energiebedarf für die Materialherstellung haben (so genannte „graue Energie“).

Papier bietet als Substitutionswerkstoff herausragendes Potential für umweltgerechteres und damit nachhaltigeres Bauen. Es ist ein Leichtbauwerkstoff, bei dem die Fasern – im Gegensatz zu Holz – maßgeschneidert angeordnet und funktionalisiert werden können. Die Produktion von Papier kann heute als hoch effizient und optimiert angesehen werden, jedoch wird es bisher nur in einfachen Anwendungen im Baubereich eingesetzt, was u. a. daran liegt, dass die Designfreiheit zur Gestaltung dreidimensionaler Produkte, wie z. B. von Fassadenelementen, mit dem Werkstoff Papier bisher nicht realisierbar ist. Daher ist es das zentrale wissenschaftliche Ziel des LOEWE-Schwerpunktes BAMP!, die Vorteile des Werkstoffes Papier für das Bauwesen systematisch zu erschließen und die notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen zu erarbeiten.

Angaben zur Kooperation und Strukturierten Vernetzung

Dabei umfasst das BAMP!-Projekt die kooperative Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen aus den Bereichen Architektur, Bauingenieurwesen, Chemie und Maschinenbau zur Lösung dieser Herausforderungen.

Die TU Darmstadt bildet als einzige Technische Universität des Landes Hessen die „Wertschöpfungskette“ von der verständnisbasierten Erforschung neuer bzw. verbesserter Materialien über die Entwicklung praxisgerechter Werkstoffe bis hin zu Design, Realisierung und Prüfung von Bauteilen und Systemen hoher Anwendungsrelevanz ab. Im Hinblick auf die Materialgenese im Bereich „Papier“ und „papierbasierte Verbundwerkstoffe“ einerseits und der Bauteilerzeugung sowie Bauteilbemessung/-entwurf andererseits sind die Fachbereiche Maschinenbau, Chemie, Bauingenieurwesen, und Architektur an der TU Darmstadt mit ihren Fachgebieten bereits vielfältig vernetzt. Diese Kompetenzen werden durch die Einbindung der Hochschule Darmstadt (hda) sowie der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM) verstärkt.

ISMD und BAMP!

Das Institut für Statik und Konstruktion (ISMD) trägt in den Teilprojekten Fertigung (TP4), Strukturmechanik (TP5), Konstruktion und Fügung (TP6) und Gestalt und Funktion (TP7) zur Entwicklung von Problemlösungen und damit zum Fortschritt des Gesamtprojektes bei.

TP4 Fertigung

Parallel zu einer Prozessentwicklung der inkrementellen Umformung werden Geometrien für eine Fassadengrundform festgelegt. In der angestrebten Prozesskette ist auch die Fertigung von Fügestellen vorgesehen. Mögliche Fügestellen sind hier die Verbindung einzelner Fassadenelemente als auch die Verbindung zwischen Fassadenelement und Zusatzelementen wie Verglasungen, Türen oder Fenstern. Hierzu sollen die jeweiligen Anforderungen und möglichen Lösungsansätze in Zusammenarbeit mit TP5 und TP6 erarbeitet und hinsichtlich Funktionalität und Herstellbarkeit bewertet werden. Abschließend ist die Fertigung und Prüfung der Fügestellen geplant.

TP5 Strukturmechanik

Ziel des Teilprojektes ist es, die Grundlagen für eine Methodik für die Auslegung von dreidimensional geformten Bauteilen und Baugruppen aus Papier auf Basis von strukturmechanischen Simulationen mit Hilfe der Finite-Elemente-(FE-)-Methode zu entwickeln.

Dabei werden mögliche Materialmodelle analysiert, bewertet und hieraus ein geeignetes Materialmodell gewählt und verifiziert. Parallel zur Materialcharakterisierung werden aus klebegefügten Stellen Proben entnommen und geprüft. Die Auswahl der Fügestelle basiert auf den Ergebnissen des TP6, in dem Fügegeometrien und Verbindungsstoffe ausgewählt und unter Laborbedingungen hergestellt werden. Die durch die Klebung veränderte Festigkeit und das Dauerverhalten können so im Detail untersucht und in der Struktursimulation sowie zur weiteren Optimierung verwendet werden.

An Bauteilen und Baugruppen werden abschließend experimentelle Untersuchungen an komplexen Geometrien unter Laborbedingungen durchgeführt. Somit werden auch mehrachsige Spannungszustände und damit die universelle Gültigkeit des Materialmodells für die Strukturmechanik überprüft.

Die Simulationen erfolgen an der Gesamtstruktur eines im Projekt festgelegten Demonstratorgebäudes, sowie an ausgewählten Baugruppen. Die Entwicklung dieses Modells wird im Laufe des Projekts stetig modifiziert und schließlich durch Simulationen mit dem validierten Materialmodell ergänzt. Abschließend wird das so entstehende Modell durch die Berücksichtigung der Prozesskette komplettiert. Somit wird eine strukturmechanische Auslegung auf dem bauaufsichtlich geforderten Sicherheitsniveau ermöglicht.

TP6 Konstruktion und Fügung

Basierend auf Ingenieurmethoden zur Berechnung und vorliegenden Erfahrungen mit dem Entwurf, der Konstruktion, Prüfung und Ausführung von Bauteilen bei verwandten Bauweisen im Stahl-, Glas-, Membran- und Fassadenbau werden Konstruktions- und Fügeprinzipien für dünnwandige, biegebeanspruchte Profilquerschnitte oder flächig angeordnete und dabei überwiegend zugbeanspruchte Bauteile aus Papier für Baugruppen in Tragstrukturen, funktionsintegrierten Fassaden und Innenausbauten von Gebäuden entwickelt.

In einem weiteren Schritt wird die konstruktive Integration von technischen Elementen für die Energieversorgung, Energieerzeugung, energetische Aktivierung und Speicherung, Belüftung und Belichtung untersucht. Die erforderlichen Konstruktionsprinzipien und Fügetechniken werden hierzu ingenieurmethodisch aus verwandten und adaptierbaren Bauweisen heraus entwickelt, sowie ggf. um neue Methoden ergänzt. Die resultierenden Lösungen haben dem im Bauwesen üblichen und bauaufsichtlich geforderten Sicherheitsniveau an Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit zu entsprechen.

Vor dem Hintergrund der Materialeigenschaften ist ein konstruktiver Einsatz von Papier im Wesentlichen im Bereich der dünnwandigen Profile (z. B. mit bereits kommerziell verfügbaren Rohrprofilen) und flächigen, überwiegend zugbelasteten konstruktiven Komponenten sinnvoll, da so bei geringem Materialverbrauch effiziente Konstruktionen realisiert werden können. Die Baugruppen für das Tragwerk (Skelettkonstruktion mit Profilen, flächige oder integrale Bauteile), Hüllkonstruktion (Fassade und Dach) sowie Innenausbaukomponenten wie Trennwandsystemen, aber auch integrale Module (Sanitäreinheiten, Kücheneinheiten, Haustechnikmontageeinheiten) werden konstruktiv und strukturell entwickelt. Anschließend folgt die Evaluierung hinsichtlich der Funktionalität und des Systempotentials der Konstruktionsprinzipien sowie der konstruktiven Baugruppen.

Zur Unterstützung der Entwicklung der Baugruppen ist es notwendig, neben den Konstruktionsprinzipien auch mögliche Fügetechniken im Detail zu dokumentieren, zu evaluieren und unter Einbeziehung additiver Fertigungsmethoden weiterzuentwickeln. Hierzu wird ein Katalog möglicher Fügetechniken von Papier mit Papier und anderen Materialien entwickelt und Anforderungen und Prinzipien für neue Fügelösungen formuliert.

Ausgewählte Fügetechniken werden hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit in experimentellen Untersuchungen in Testreihen im Labormaßstab untersucht. Diese experimentellen Arbeiten sind erforderlich, da weder im Bauwesen noch in benachbarten Disziplinen hinreichende Ingenieurmethoden zur rechnerischen Bemessung gefügter Bauteile aus Papier vorliegen. Aufbauend auf Vorarbeiten wird davon ausgegangen, dass besonders im Bereich der Fügetechniken Kleben, Formschluss und Hybridverbindungen großes Potential für die Verwendung im Bauwesen liegt.

Für den Nachweis der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit mit den Fügetechniken Kleben und Formschluss sind papierspezifische Ansätze für Ingenieurmethoden für die Bemessung der Fügestellen zu entwickeln, die dem bauaufsichtlich geforderten Sicherheitsniveau an Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit gerecht werden.

TP7 Gestalt und Funktion

Ziel des Teilprojektes Gestalt und Funktion ist die Analyse und Entwicklung von Potentialen für papierbasierte Gebäude mit einfachen Funktionen im Bereich der Architektur. Grundlage dieser Forschung ist die Bedarfsanalyse im Hinblick auf temporäre also in ihrer Nutzung zeitlich begrenzte Wohneinheiten.

Aktuell erfüllen Papierwerkstoffe im Bauwesen nur bedingt dauerhafte Funktionen. Aktuelle Bauprojekte des japanischen Architekten Shigeru Ban, der bereits mit Papier- oder Kartonwerkstoffen (Halbzeugen) arbeitet, sind zumeist nicht dauerhaft einsetzbar für das Bauen z. B. in Deutschland. Die Anforderungen im deutschen Bauwesen, z. B. an Brandschutz und brandhemmende Eigenschaften von Bauteilen für dauerhafte Bauten (Gebäude und Infrastruktur), sind im globalen Maßstab überdurchschnittlich.

Diese Anforderungen im Bereich Brandschutz aber auch zur Sicherheit von Bauprodukten, zu energetischen und statischen Eigenschaften sind aktuell für den Bereich des Bauens mit Papier nicht einzuhalten.

Für eine Weiterentwicklung der Bauprodukte aus Papierwerkstoffe ergeben sich zwei Möglichkeiten: die Entwicklung von Gebäuden und Baumaterialien aus oder mit Papierwerkstoffen, die mit bestehenden öffentlich-rechtlichen Anforderungen vereinbar oder ggf. im Einzelfall prüfbar und abnehmbar sind (Optimierung) oder alternativ die Definition von spezifischen Anwendungsgebieten (Typen) mit entsprechenden Sonderzulassungen und spezifischem Einsatzort und Nutzungsdauer.

In einem iterativen Prozess verschiedener Arbeitsschritte werden die unterschiedlichen wissenschaftlichen Erkenntnisse der Teilprojekte im Entwurfsprozess in die Gestaltung eines temporären Gebäudes einfließen und modellhaft weiterentwickelt.

Die sich aus den unterschiedlichen Nutzungen ergebenden Fragestellungen an Gestaltung und Funktionalität sind grundlegende, rahmengebende Parameter für den Entwurfsprozess. Der Erkenntnisgewinn dieses Prozesses liegt in Form von Gestaltungs- und Konstruktionsgrundsätzen, genauer von Funktionsprinzipien, Standards/ Regelwerk und Aufbaukinematik eines aus Papier gebauten Objektes.

Siehe auch

BAMP! – Homepage

Danksagung

Das vorgestellte Forschungsprojekt wird im Rahmen des LOEWE-Schwerpunktes BAMP! (Bauen mit Papier) bearbeitet. Der LOEWE-Schwerpunkt wird von der Regierung des deutschen Bundeslandes Hessen finanziert.

*LOEWE – „LandesOffensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz"

  • Rebecca Bach
  • Evgenia Kanli
  • Nihat Kiziltoprak