Holzschale »Stuttgart SmartShell«

Auf Biegen und Belasten

Herkömmliche Tragwerke sind jeweils genau so dimensioniert, dass sie auch im ungünstigsten Lastfall standsicher sind. Der jedoch tritt selten oder oftmals gar nicht ein. Dieser Überdimensionierung und folglich »Materialverschwendung« versuchen Forscher mit adaptiven Tragwerken entgegenzuwirken wie etwa einer extrem dünnen Holzschale mit hydraulisch betriebenen Auflagern, die im Frühjahr an der Universität Stuttgart fertiggestellt wurde.

Text: Christine Fritzenwallner

Eine Dicke von 4 cm bei einer Spannweite von 10 x 10 m sind quasi Traummaße für einen Tragwerksplaner. Mit dieser extremen Schlankheit kann die als »Stuttgart SmartShell« bezeichnete, doppelt gekrümmte Schale auf dem Stuttgarter Universitätscampus in Vaihingen trumpfen – und das bei einem Gewicht von nur rund 1,4 t, also weniger als 20 kg/m2. Das Tragwerk, das allein Forschungszwecken dient und Grundlage für Diplomarbeiten und Dissertationen werden soll, steht seit April gleich neben dem ILEK, dem Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren, das seinerzeit durch Frei Otto entstand. Das ILEK entwickelte das Pilotprojekt gemeinsam mit dem ISYS, dem Institut für Systemdynamik, und mit Hilfe eines Industriepartners, einem Spezialisten für Antriebs- und Steuerungstechnologien. Was das Bauen betrifft, war dieser bislang v. a. an beweglichen Dachkonstruktionen oder fahrbaren Stadionbühnen beteiligt.
Gezielte Manipulation
Um mit wenig Materialeinsatz dennoch bestens auf dynamische Lasten reagieren zu können, wie sie Schnee, Wind oder auch Erdbeben verursachen, wird die Schale manipuliert: An drei ihrer vier Auflagerpunkte erzeugen hydraulische Antriebe (Gegen-)Bewegungen, die Verformungen und Schwingungen des Tragwerks und folglich schädliche Materialbeanspruchungen kompensieren sollen. Zunächst aber messen Sensoren an zahlreichen Punkten der Schale ihren momentanen Belastungszustand. Nahezu zeitgleich werden mögliche Schwingungen und unerwünschte Verformungen prognostiziert, die notwendigen Gegenbewegungen berechnet und an die Hydraulikzylinder weitergegeben. Diese richten die Auflagerpunkte der Schale dann binnen Bruchteilen einer Sekunde so im Raum aus, dass diese optimal positioniert sind und Schwingungen kompensiert werden. Bis zu 15 cm Positionssänderung sind dabei in jede Richtung möglich.
Gebaut wurde die Schale vor Ort unter einem großen Zeltdach. Ihr vierlagiger Aufbau besteht aus bis zu 3 m langen und 5 cm breiten Leistensegmenten aus Fichtenholz, die mittels einer CNC-Fräse zugeschnitten und per Keilzinkenverbindung miteinander verklebt wurden.
Flexibel für die Zukunft
Besonders bei großen Spannweiten, etwa bei Brücken oder Stadien, können adaptive Tragwerke ihre günstigen Eigenschaften perfekt entfalten. Denn adaptive Systeme mit aktiven Schwingungsdämpfern verringern nicht nur das Gewicht, sondern auch die Materialermüdung. Forschungen und Projekte in diesem Bereich sind jedoch immer noch selten. Im Sinne von Dauerhaftigkeit und Ressourcenschonung dürften sie zukünftig aber keine Einzelfälle mehr bleiben. •
Projektbeteiligte:
Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK), Universität Stuttgart: Prof. Werner Sobek, Stefan Neuhäuser, Christoph Witte, Walter Haase
Institut für Systemdynamik (ISYS), Universität Stuttgart: Prof. Oliver Sawodny, Martin Weickgenannt, Eckhard Arnold
Bosch Rexroth, Lohr am Main: Johannes Grobe, André Fella