PCD
Paper Construction and Design

Bauen mit Papier

Die Forschungsgruppe Papier befasst sich mit der Grundlagenforschung auf dem Gebiet des nachhaltigen und ressourcenschonenden Bauens mit dem Material Papier. Im Rahmen des Forschungsprojektes „BAMP-Bauen mit Papier“ sowie im Projekt „Notunterkünfte aus Papier“ wurden bereits Prototypen von Wand-, Decken- und Fußbodenaufbauten entwickelt und zu einem Papierhaus zusammengefügt. In diesem Kontext sind vor allem die Ermittlung eines optimalen Schichtenaufbaus als auch die Untersuchung von verschiedenen Klebeverbindungen Schlüsselkriterien, um den Anforderungen an die Statik sowie den Wärme-, Feuchte- und Brandschutz gerecht zu werden. Aktuell wird die Dauerhaftigkeit der Gebäudekonstruktion in einem Freibewitterungsversuch mittels messtechnischer Verfahren untersucht, um weitere Optimierungsvarianten für Bauteile aus Papier zu entwickeln und somit das ressourcenschonende Bauen zu fördern.

Dr. Nadja Bishara,
Nachwuchsgruppenleiter Bauen mit Papier

Neben konstruktiven Machbarkeitsstudien widmen wir uns experimentellen und numerischen Analysen zum Tragverhalten und zu bauphysikalischen Parametern von Bauteilen aus Papier.

The paper construction and design group is engaged in fundamental research of constructions made out of paper. Main focus of the research is the development of building materials made of paper to promote resource-saving construction possibilities. For this purpose, experimental and numerical analyses of the load-bearing behaviour and building physical performance of paper components are performed.

Papier als Ersatzmaterial bietet ein hervorragendes Potenzial für umweltfreundlicheres und damit nachhaltigeres Bauen. Es ist ein leichtes Material, bei dem die Fasern – im Gegensatz zu Holz – angeordnet und funktionalisiert werden können. Die Herstellung von Papier kann mittlerweile als hocheffizient und optimiert angesehen werden. Bislang wird es im Baubereich nur in einfachen Anwendungen eingesetzt. Bauteile und Fassadenbausysteme sollten weiter erforscht werden mit dem Ziel, innovative Lösungen für die Zukunft zu finden.

Es ist allgemein bekannt, dass zukünftige Generationen auf den Verbrauch von erneuerbaren Ressourcen angewiesen sein werden. Der Bausektor kann nicht nur zur Reduzierung des Verbrauchs natürlicher Ressourcen beitragen, sondern auch zum Recyclingprozess. Um dies an einem Beispiel zu verdeutlichen: Zum einen erfordert die Beheizung von Gebäuden erhebliche Mengen an Energie und zum anderen führen Baustoffe wie Beton oder Styropor zu hohen CO2-Emissionen und Umweltbelastungen. Aufgrund des weltweiten Bevölkerungswachstums werden die mineralischen Baustoffe den Bedarf an Wohnraum hinsichtlich des Energiebedarfs und der Verfügbarkeit auf Dauer nicht mehr decken können.

Hohe CO2-Emissionen und Energieverbräuche sowie ein großes Abfallaufkommen im Bausektor rücken nachwachsende Rohstoffe zunehmend in den Fokus der Bauforschung. Papier hat großes Potenzial in Bezug auf Festigkeit, Dämmeigenschaften und Recyclingfähigkeit. Allerdings fehlt es an wissenschaftlich nachprüfbaren Daten zur Dauerhaftigkeit für bauliche Anwendungen. Aus diesem Grund soll im Rahmen dieses Projektes ein Papiergebäude mit bauphysikalischer Messtechnik ausgestattet werden.

Hintergrund

Papier ist für den Bausektor ein neuartiges Material, für welches bisher keine definierten und genormten Techniken zur Anwendung als Baumaterial existieren. Papier stellt ein kostengünstiges Baumaterial dar und fördert somit das “bezahlbare Bauen”. Darüber hinaus tragen temporäre Papierkonstruktionen zur Bewältigung des demografischen Wandels mittels kreislaufgerechter temporärer Baukonstruktionen bei, um beispielsweise temporär Baulücken zu schließen, Gebäude zu erweitern, also temporären Wohnraum oder auch temporäre Arbeitsplätze zur Verfügung zu stellen. Zur Bestimmung der Dauerhaftigkeit von Papierkonstruktionen ist vor allem der Einfluss von verschiedenen Luftfeuchtigkeiten und Temperaturen entscheidend. Dementsprechend ist es entscheidend ein Monitoring der hygrothermischen Veränderungen der Papierkonstruktion über den Verlauf der Jahreszeiten und den damit einhergehenden klimatischen Bedingungen durchzuführen.

Kernthese

Grundsätzlich geht es darum, bauphysikalische Messtechnik in ein Papiergebäude zu integrieren und die damit generierten Daten auszuwerten, um die Kernthese zu bestätigen, dass sich Papierkonstruktionen bautechnisch für einen gewissen Zeitraum eignen. Diese Messtechnik wird an den relevanten bzw. kritischen Stellen sowohl an den Oberflächen als auch in Bauteilen integriert angebracht. Somit kann überwacht und ausgewertet werden, wie sich die Bauteile aus Papierwerkstoffen auf Dauer verhalten, an welchen Stellen es zu Schwächungen oder sogar Schädigungen des Materials kommt und aus welchem Grund dies geschieht. Sollten Schäden festgestellt werden, ist es möglich noch in der Überprüfungsphase Strategien zum Umgang mit diesen zu erstellen und geeignete Instandhaltungsmaßnahmen in die Wege zu leiten.

Forschungsansatz

Dieses Projekt baut auf dem von Zukunft Bau geförderten Forschungsprojekt 'Notunterkünfte aus Papier' auf, in dem im vergangenen Jahr 2020 ein Prototyp aus Papierwerkstoffen gebaut wurde.

Die zentrale Forschungsfrage ist, wie langlebig eine Konstruktion aus Papierwerkstoffen ist.

  • Wie verhalten sich Papierbauteile bauphysikalisch über einen Zeitraum von 2 Jahren
  • Wie reagiert das Material auf wechselnde Luftfeuchtigkeit, insbesondere über die verschiedenen Jahreszeiten hinweg
  • Kommt es zu Kondenswasserbildung im Bauteil durch mögliche unvorhergesehene Schäden
  • Welche material- oder konstruktionsbedingten Schadensbilder können auftreten und wie könnte eine Wartung während der Nutzung erfolgen

Planungsstrategien

Zur Absicherung der Simulationen und zur frühzeitigen Erkennung von Schwachstellen und Schäden werden Feuchtesensoren sowie Temperatursensoren zur Ermittlung von Wärmebrücken sowohl an den Bauteiloberflächen als auch im Bauteil integriert.

Die dadurch erzeugten Messdaten werden kontinuierlich in bestimmten Zyklen die morgens, mittags und abends, sowie über einen Zeitraum von zwei Jahren im Frühjahr, Sommer, Herbst und Winter ausgewertet.

Natural materials such as wood or paper are being used for thousands of year within the building industry and play an important role in building and the interior design. Examples range from plywood slabs and gypsum fibreboards through to laminates. The available products are mainly based on the experience of the manufacturers. Paper in particular offers excellent potential for biobased applications in the building industry and architecture. It is inexpensive to produce, consists mainly of renewable raw material, offers very good strength properties in relation to its own weight, can be produced as a sheet material but also with high porosity or even as a foam and is relatively easy to be functionalized chemically. Though extensive research is still necessary to fully implement paper for construction.

Leitung

  Name Kontakt
Dr. Nadja Bishara
In Elternzeit | Papier und Energie
+49 6151 16-23031
L5|06 630
Dr.-Ing. Philipp Rosendahl
Strukturmechanik und additive Fertigung
+49 6151 16-23039
L5|06 628

Team

  Name Kontakt
Bianca Biernatek M.A.
Paper Construction and Design | Energy Efficient Construction
+49 6151 16-23017
L5|06 416
A
Dr. Muharrem Aktas
Paper Construction and Design
+49 6151 16-23038
L5|06 414
Dunia Abdullah Agha M.Sc.
Generative Design Lab | Paper Construction and Design
+49 6151 16-23019
L5|06 632
Nihat Kiziltoprak M.Sc.
Paper Construction and Design
+49 6151 16-23038
L5|06 414