Research Focus

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PlanktonTech

Evolutionary principles leading to high performance lightweight constructions in marine planktonic organisms – fundamentals and technical applications

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Members of PlanktonTech 

Alfred Wegener Institute Bremerhaven (AWI)Harvard University
Rutgers University
Universities of Kiel
University of Freiburg
University of Technology of

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Berlin
ITV Denkendorf
Institute of Lightweight Construction Jena

 


 

PlanktonTech is a Helmholtz Virtual Institute founded in 2008 at the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Science by the Helmholtz Society, the largest science organization in Germany. PlanktonTech concentrates on the fundamentals of evolutionary mechanisms leading to the optimization of lightweight structures in marine plankton organisms. The most up-to-date methods in microscopy and modern computer engineering can help to
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understand the function and development of these structures. Additionally, their complex geometries will be combined with composite materials and applied to prototypes of technical lightweight structures. Helmholtz Virtual Institutes are typically international, interdisciplinary and inter-institutional. The Alfred Wegener Institute, Harvard University, Rutgers University, the universities of Kiel and Freiburg, the University of Technology of Berlin, the ITV Denkendorf, and the Institute of Lightweight Construction Jena are all members of

Additionally, a 404 Not Found PlanktonTech.


The research within the virtual institute of PlanktonTech focuses on the remarkable shells of diatoms and radiolarians, which are highly stable with minimal application of material. Using modern microscopic techniques, the shells can be transferred into 3D models that can be subsequently analyzed with different calculation and optimization tools, allowing the investigation into biomechanical qualities and principles of evolution of the sea organisms. The 3D - data are also to be used for lightweight constructions in industrial applications. The combination of lightweight forms with composite materials is yet another main focus. This combination is intended to lead to the development of new products in numerous fields, such as architecture, car design, and medical technology.

PlanktonTech plays an important role in the new scientific and technical approach called "Bremerhavener Schule für Leichtbau" ("Bremerhaven school for lightweight construction"), including, amongst others, the Institute for Marine Resources (Imare) and the Friedrich Hustedt Diatom Centre, one of error was encountered while trying to use an ErrorDocument to handle the request.

the world's largest collections of diatom shells.

 

Die Natur bietet ein unerschöpfliches Arsenal an Beispielen für «lebende Strukturen», die in Funktion und Gestaltung an Architektur erinnern und welche die Architekten nicht erst heute, sondern bereits in den vergangenen Jahrhunderten inspirierten. Bereits von Brunelleschi (1377 – 1446), dem berühmten Architekten, Baumeister und Künstler der Renaissance wird berichtet, er habe sich bei der Gestaltung der Kuppel von Santa Maria del Fiore von der Form eines Hühnereis inspirieren lassen. Leonardo da Vinci (1452 – 1519) wird selbstverständlich unterstellt, er habe die Natur untersucht und sei auf diesem anlaytischen Wege zu seinen Inspirationen gelangt. 

Künstler und Architekten ließen sich zu Beginn des 20. Jahrhunderts von Biologen inspirieren und ahmten die Natur mit floralen Mustern und geschwungenen Baukörpern nach. Beispiel für die Umsetzung der „natürlichen“ Kunstformen und die Orientierung am Ornament ist das Eingangstor der Pariser Weltausstellung 1900 von René Binet, das einem Radiolarenskelett nachgebaut ist. Der Jenaer Biologe Ernst Haeckel hatte in seinen damals aufsehenerregenden Büchern «Kunstformen der Natur» (1899 – 1904) und «Kunstformen des Meeres», einen globalen Einfluß bis nach Amerika («art forms in nature»).

Aus den USA ist Buckminster Fuller einer der bekanntesten Ingenieure, der sich bereits in den 1950er Jahren mit biologischen Wirkungsmechanismen befasst hat. Fullers bekannteste Markenzeichen waren die geodätischen Kuppeln, die er u.a. anlässlich der Weltausstellung 1976 in Monteal errichtete. Sie erinnern in ihrer filigranen, materialminimierten Bauweise den Skeletten von Planktonlebewesen, den Radiolarien und Diatomeen, welche schon Haeckel untersuchte. Sozusagen als Vorläufer und Inspiration für Fullers Leichtbauentwicklungen, entstand bereits 1924-1925 in Jena der Kuppelbau für das Planetarium der Firma Carl Zeiss (Entwurf: W. Bauersfeld, Dyckerhoff und Widmann). Das dreiläufige Raumstabwerk wurde anschließend mit Beton ausgegossen.


 

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Beteiligte:

Julia und Göran Pohl im Rahmen von PLANKTONTECH Virtuelles Institut der Helmholtz- Gesellschaft, mit LEICHTBAUINSTITUTJena, POHL ARCHITEKTEN und mit Unterstützung des Alfred Wegner Instituts in Bremerhaven

Faserverbundbau: Fa Fiber-Tech Products GmbH

Beleuchtung: Jenoptik AG und Dilitronics GmbH


 

J.G. Helmcke als Biologe und Frei Otto als Architekt haben in den 1950er und 1960er Jahren darüber diskutiert, ob Ähnlichkeiten zwischen lebenden und gebauten Strukturen zufällig sind oder  ob den lebenden Strukturen Gesetzmäßigkeiten zugrunde liegen, die mit natürlichen Strukturen vergleichbar sind. Mit einem Sonderforschungsbereich SFB 64 „Weitgespannte Flächentragwerke“ wurden 1970 – 1985 unter der Leitung von Frei Otto Untersuchungen an natürlichen Strukturen durchgeführt, die international hohe Anerkennung fanden. Diese Forschung befasste sich mit Netzen in Natur und Technik, Pneus in der Lebenden Natur und mit Biologie und Bauen. Ab 1984 bis 1995 folgte mit dem Sonderforschungsbereich SFB 230 „Natürliche Konstruktionen“ ein auf Architektur, Städtebau, Baukonstruktion und Gestaltung ausgelegtes Forschungsprogramm.

Ausgehend von dieser langen Erkenntnishistorie über natürliche Bauweisen nutzen Architekten, Ingenieure und Designer in der heute globalisierten Welt die moderne Rasterelektonenmikroskopie und Computersimulationswerkzeuge, um biologische Hochleistungsstrukturen auf ihr Potential zu untersuchen. Sie entdecken völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten und entwickeln Material- und Energiesparende Bauelemente nach natürlichen Inspirationsquellen. Am Beispiel des internationalen Forschungsnetzes PLANKTONTECH, geleitet von Dr. Christian Hamm am Alfred- Wegener- Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven, wird die internationale Know- How- Vernetzung deutlich: Neben nationalen Forschungseinrichtungen betreiben Biologen der Harvard- University in den USA Grundlagenforschung an Diatomeen – an der Übersetzung in Architektur und Design ist eine Expertengruppe bestehend aus Architekten, Textil- und Verfahrenstechnik beteiligt, geleitet von Julia und Göran Pohl am Leichtbauinstitut in Jena. Gemeinsam haben die Forscher Leichtbauweisen in Hierarchischen Strukturen entdeckt und entschlüsseln Zug um Zug die Geheimnisse der natürlichen Minimalbauten.

BOWOOSS - Forschungspavillon

BOWOOSS ist ein Verbund- Forschungsprojekt über bionisch inspirierte Bauweisen, gefördert im Rahmen des Förderprogramms BIONA durch das BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung).

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Informationen:

B2E3 Institut für effiziente Bauwerke
Prof. Göran Pohl

Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes
Fakultät für Architektur und Bauingenieurwesen
Schule für Architektur Saar - S A S -
Waldhausweg 14
D-66123 Saarbrücken

Tel.: ++49 (0)681 / 5867569
Fax: ++49 (0)681 / 5867570

Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Projektteam HTW/B2E3:

Prof. Göran Pohl
Niko Feth
Kim Ahrend
Jens Otten
Xenia Alve
Frank Stolz
B2E3 Institut für effiziente Bauwerke
HTW des Saarlandes, Saarbrücken 

Beteiligte Projektpartner:

B2E3 Institut für effiziente Bauwerke an der HTW des Saarlandes, Saarbrücken, Prof. Göran Pohl (Projektleitung)
Bauhaus- Universität Weimar, Professur Tragwerksplanung, Prof. Dr. Jürgen Ruth
Fa. Stephan- Holzbau
Alfred- Wegener- Institut Bremerhaven
Pohl Architekten, Abt. Leichtbauinstitut Jena


 

Abmessungen:

Länge ca. 16m
Breite ca. 8m
Höhe max ca. 4m

Material:
BS- Holz und Furnierschichtholz

Forschung: 2009-2011 Beteiligte Projektpartner
Planung: 2011/2012 Projektteam HTW/B2E3
Fertigung: April 2012 Projektpartner Stephan
Errichtung: Mai 2012
Aufbauzeit: 2 Tage
Temporärer Pavillon Mai 2012 bis Oktober 2012
Nutzung: Sommerpavillon der HTW Saarbrücken

Forschungspartner sind das B2E3 Institut für effiziente Bauwerke an der HTW des Saarlandes, Saarbrücken, Prof. Göran Pohl (Projektleitung), Bauhaus- Universität Weimar, Professur Tragwerksplanung, Prof. Dr. Jürgen Ruth, Fa. Stephan- Holzbau, Alfred- Wegener- Institut Bremerhaven, Pohl Architekten, Abt. Leichtbauinstitut Jena

Das Projekt sucht nach Anwendungspotentialen der Bionik, die in die Architektur effizienter Leichtbauweisen unter Verwendung von Holz übertragbar sind. Das Demonstrationsbauwerk BOWOOSS ist das Ergebnis der Projektforschung. Bei dem Forschungsansatz werden moderne Formfindungs- und Optimierungsverfahren eingesetzt. Die numerische Übersetzung dieser Ergebnisse auf die Fertigung geschieht computerbasiert (CIM) direkt auf Grundlage des Optimierungsergebnisses. Ein im Ergebnis vergleichbarer Optimierungs- und Komplex- Ansatz ist in der Natur bei Schalenkonstruktionen zu. BOWOOSS dient weiterhin der Ermittlung geeigneter Entwurfswerkzeuge und Schnittstellen in die Produktion, der Auswahl und Erprobung von Materialien, als auch der Rückkoppelung über Fertigung, Transport und Errichtung.

Anisotropic Skins: Fibre reinforced composites (FRC) for building skins

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Building skins are mostly made of added systems that show the same attitude in the entirely surface. High requirements concerning energy efficiency and material efficiency will not match with this construction typus. Natural solutions, for example  in diatom frustule, in plants like bamboo or in deep sea sponges provide functional, structural and design solutions that are interesting to be translated in architectural products, especially for complex three dimensional geometries. Fibre reinforced composites in nature built even envelopes in a mostly smart sense and could stand as paradigms for technical composites in architectural hulls.

Facades are until now developed in a technical understanding of combining raw materials by means of adding profiles. In nature, materials are growing while producing for example fibres and pneus, each specified and in a volume that is adopted to exterior and interior loads and additional functional needs. In comparison, technical and natural development lines focus on equal goals, but end up with different material consumption. The raising need of material efficient constructions is one of the most important targets in the decades of limited resources.

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Within the façade research group at TU Delft, natural and technical solutions for fibre reinforced systems in skins, envelopes and supporting structures are examined. In the methodical approach of


pool research in biomimetics, natural systems will be brought in furthermore deep examinations. Therefore, identifying the

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complex functional systems in natural solutions will be necessary (e.g. load bearing, protecting, semipermeability, detecting…). Classification of the “ideal” natural models using biogenetic fibre reinforcement tend to be ideal potential for manmade productions. Within the façade research, one aim will be to implement the understanding of biological solutions to fibre reinforced systems for new facades in architecture. Anisotropic skins using fibres will, with the help of natural examples, be able to build smart facades that integrate load optimized construction systems and 404 Not Found embed extra functions in skins for the overall need of next generation architecture. In: (Pohl, TU Delft, 2013).

Bionik

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Die Funktionalität und Ästhetik natürlicher Formen und Konstruktionen entdeckt unsere technologisch geprägte Wirtschaftswelt erst in jüngster Zeit. Dabei haben Menschen die Funktionsprinzipien der Natur in allen Kulturen schon immer intuitiv genutzt: Speicherung des Wassers mit dem Anlegen von Terrassenfeldern, Nutzung des Windes zur Trennung der Spreu vom Weizen, oder natürliche Klimatisierung von Wohngebäuden durch Erdhäuser mit Aufwindkühlung in heißen Regionen. In der Natur ist darüber hinaus Funktion zumeist eng mit Ästhetik verknüpft.

 „…trotzdem bauen wir immer noch die widernatürlichen Gebäude vergangener Epochen. Unsere Zeit verlangt leichtere, energiesparendere, mobile, anpassungsfähige, kurz gesagt natürliche Häuser….Dies führt folgerichtig zur Weiterentwicklung des Leichtbaus, des Bauens von Zellen, Schalen, Segeln und luftgetragenen Membranen.“ (Frei Otto)

Was lehrt die Natur über Gestaltung und Funktion? Natürliche Lebensformen zeichnen sich dadurch aus, dass Bauteile und Funktionsgruppen der Natur multifunktional für unterschiedlichste Anforderungen konzipiert sind: Hüllen, Wärmen, Klimatisieren, Energiegewinnung, Tragen, Verpacken, Entfalten, Transportieren, Fortbewegen, Wachsen. Das sind nur einige der Aufgaben, welche von der Natur in unzähligen Beispielen und Varianten erfüllt werden. Diese „technischen“ Entwicklungen des Lebens sind Antworten auf Gesetze von Physik und Chemie, auf die Notwendigkeit von Wachstum und Fortpflanzung, die Reaktion und Nutzung. Die Natur hat dabei Produkte erschaffen und diese optimiert, deren Marktreife erprobt und das „Profil“ des Produkts marketinggerecht für seine Nische geschärft sowie die Produkte optimiert gestaltet.

Auch Architekten haben es bei ihren Aufgaben mit einer der Natur vergleichbaren Anforderungsvielfalt zu tun, stehen jedoch vor den Schwierigkeiten der schöpferischen Umsetzung. Hemmnisse ergeben sich aus Materialien, die lediglich einen Zweck erfüllen können (entweder tragen oder ableiten) bis zu Bestellern von Gebäuden, deren Anforderungen („nur schön“) auf eben dieser Beschränkung stehen bleiben. Integrativ zu entwerfen bedeutet das Implizieren der gesamten Vielfalt des Anforderungsspektrums innerhalb der Entwürfe mit komplex agierenden Materialien. Dies beinhaltet im Bereich Architektur auch die Erfüllung ästhetischer Empfindungen, als soziale Verpflichtung an die Gestaltung unserer Umwelt.

Fibre reinforced polymers (FRP) for buildings

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In modern architecture, fibre reinforced resins are applied in growing needs, since it this material achieves free formability, one can fashion using 3D CAD software. The possibilities of the usage of textiles and fibres in construction have developed themselves into fields of application, from geotextiles to fibre-reinforced façade elements, concrete reinforcing, furniture made of fibre-reinforced polymers, textile membranes. Products are emerging as constructions made of fibre-reinforced polymers match multifunctional demands in multi-layered composites.

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The research in FRP focuses on fibrous materials that can used for buildings to develop new products.

(Pohl, TU Delft, 2013)

Letzte Änderung am Montag, 16 Juni 2014 08:04

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