Forschungsprojekte

2019-2021 PHAP - Phasenwechselndes Pumpspeicherkraftwerk

Gegenstand der Forschungsarbeiten ist die Umsetzung eines phasenwechselnden Pumpspeicherkraftwerks. Bei diesem Speicher für Elektroenergie wird ein in der Dampfphase befindliches Medium als Druckgasspeicher mit Hilfe von Wasser komprimiert. Das Wasser dient gleichzeitig als Wärmespeicher für die Kondensationswärme des Dampfes. Durch ein geeignet gewähltes Speichermedium findet der Vorgang in etwa bei Umgebungstemperaturen statt und ist daher annähernd adiabat. Nach den bisher durchgeführten Analysen nähern sich die erreichbaren Wirkungsgrade denen von Pumpspeicherkraftwerken an. Das Verfahren ermöglicht jedoch eine standortunabhängige Realisierung bei vergleichsweise geringem Bauaufwand.

Ziel des gemeinsamen Antrages der Bauhaus-Universität Weimar und der Hochschule Nordhausen ist, das Verfahren grundlegend und detailliert zu untersuchen, um so die bisherigen Ergebnisse abzusichern und die Basis für eine anschließende industrielle Weiterentwicklung zu legen. Neben der verfahrenstechnischen Entwicklung werden die wirtschaftlichen Eigenschaften und damit mögliche Anwendungsgebiete untersucht.

2016–2018 HiPlast

Forschungsvorhaben »3D gedruckte faserverstärkte Gelenkpunkte für adaptive Faltwerke – HiPlast«

 

Filigrane, materialsparende und wandelbare Fassaden- und Dachkonstruktionen gewinnen zunehmend an Bedeutung. Neben möglicher zu realisierender ikonenhafter Architektur und individueller Ästhetik ist die Realisierung gewollter Formänderungsvorgänge von großem Interesse. Die Motivation einer Formänderung ist häufig vor dem Hintergrund möglicher szenographischer als auch bauphysikalischer-energetischer Aspekte, z.B. der Verschattung bzw. Belichtung aber auch der gebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV), zu verstehen. Die Integration zusätzlicher Funktionen in zukünftige Hüllelementkonstruktionen für Dach- und Fassadenbereich darf dennoch nicht zu höheren Konstruktionsgewichten bzw. Transportabmessungen führen.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer effizienten Hüllelementstruktur. Basierend auf dem am Lehrstuhl von Prof. Ruth entwickelten Patent werden geometrische wie auch materielle Lösungen zur Übertragung auf den Maßstab des Bauwesens gesucht. Speziell die Fügetechnologie der einzelnen Plattenelemente wird unter Anwendung innovativer faserverstärkter 3D-Drucktechnologien (punktuell) weiterentwickelt. Hierbei werden unterschiedliche Materialkombinationen (Glas, Kunststoff, Alu, Stahl) fokussiert.

Die im Forschungsvorhaben fokussierten, leichten, filigranen und formveränderlichen Hüllelementstrukturen sind grundlegend aus ebenen Platten aufgebaut, welche durch eine geeignete Füge- und Falttechnik verschiedene Bewegungsvorgänge realisieren können. Die Ansprüche an die "Fugen" sind aus Gründen der mechanischen Beanspruchung und der Dauerhaftigkeit aus Umwelteinflüssen als sehr hoch einzuschätzen. Der Ansatz des Forschungsvorhabens besteht darin die punktuellen Fügestellen der einzelnen Plattenelemente, welche als schubsteife Elemente, z. B. aus Glas, Kunststoff, Alu und Stahl gefertigt sein können, zu fokussieren. In diesen Bereichen erfolgt die wesentliche Kraftübertragung zwischen diesen Platten. Aufgrund der angestrebten Formänderung sind diese Bereiche über geeignete 3D-Druckverfahren herzustellen, wobei den hohen auftretenden Beanspruchungen Rechnung getragen werden muss. Hierbei wird im Rahmen des Forschungsvorhabens der Einsatz faserverstärkter 3D-Drucksysteme präferiert. Die Antragsteller stehen hierzu mit verschiedenen Forschungseinrichtungen in engem Kontakt. Die Möglichkeit der computergesteuerten Fertigung garantiert eine hohe geometrische Präzision, Formenvielfalt und durch Anwendung der Topologieoptimierung eine effiziente Materialausnutzung. Die entwickelten Knotenpunkte werden sowohl numerisch als auch experimentell untersucht.

2016–2017 CAALA

CAALA – Computer Aided Architectural Life-cycle Assessment

Es mangelt zurzeit an ganzheitlichen Werkzeugen, die Architekten und Planer dabei unterstützen, Gebäudeentwürfe über den gesamten Lebenszyklus hinsichtlich Energiebedarf, Treibhausgasemissionen und Kosten zu optimieren. Mit CAALA können energetische Bilanzierungen, ökologische Lebenszyklusanalysen und Lebenszykluskostenberechnungen von Gebäudeentwürfen in frühen Planungsphasen und in Echtzeit durchgeführt werden. Das schnelle Vergleichen von Varianten erlaubt es Planern, das Optimum einer Vielzahl von möglichen Lösungen zu finden. Im Vergleich zu herkömmlicher Software erfordert CAALA nur ein Zehntel der Eingabe- und Rechenzeit. Der innovative Ansatz und das große Marktpotential dieser Idee wurde bereits von führenden Experten der Branche bestätigt. 

Ab dem 1. Oktober 2016 wird das Gründungsvorhaben von Alexander und Philipp Hollberg, Sebastian Dominguez und Milen Ivanov durch das EXIST-Gründerstipendium des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Mentor an der Bauhaus-Universität Weimar ist Prof. Dr.-Ing. Jürgen Ruth. Das EXIST-Gründerstipendium dient der Unterstützung von Hochschulabsolventinnen, -absolventen, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern sowie Studierenden bei der Vorbereitung ihrer technologieorientierten und wissensbasierten Existenzgründungen. Bringen die Ideen das nötige Potenzial und wirtschaftliche Erfolgsaussichten mit, wird das Stipendium für den maximalen Zeitraum eines Jahres gewährt.

2015–2017 ILCO

Methoden zur systematischen Variantenexpoloration in frühen Phasen der Planung unter Berücksichtigung von Lebenszyklusaspekten

Bei der Planung eines Gebäudes sind verschiedene Einflussfaktoren (Geometrie, Material, TGA) sorgfältig aufeinander abzustimmen. Zwischen diesen Einflussfaktoren existieren jedoch zahlreiche Abhängigkeiten, die eine manuelle Vorgehensweise zur Optimierung schwierig und zeitaufwändig machen. Eine systematische Lösungsraumerkundung ist in realen Planungsprozessen daher oft nicht realisierbar. Mittels computerbasierter Methoden lässt sich in relativ kurzer Zeit eine große Zahl an Planungsvarianten erzeugen und überprüfen. Bislang existieren zahlreiche Ansätze, um Gebäudeentwürfe mit Hilfe dieser Methoden hinsichtlich energetischer Kriterien zu optimieren. Dabei werden jedoch nur einzelne Einflussfaktoren betrachtet. In realen Planungsszenarien ist eine isolierte Betrachtung einzelner Faktoren nicht sinnvoll, da es oft notwendig ist, zahlreiche Einflussfaktoren möglichst gleichzeitig zu betrachten, um zu einem ganzheitlich guten Ergebnis zu gelangen.

Ziel des durch die Forschungsinitiative Zukunft Bau bzw. das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit geförderten Projektes ist es, Methoden zu entwickeln, die es dem Planer ermöglichen, in kurzer Zeit systematisch nach Optima für lebenszyklusgerechte Gebäude zu suchen. Dabei steht die Problematik, dass sich verschiedene Einflussfaktoren gegenseitig beeinflussen und dadurch nicht gleichzeitig optimieren lassen, im Vordergrund. Erreicht werden soll dieses Ziel durch die Koppelung von Methoden zur Optimierung einzelner Einflussfaktoren, der Einbindung von Lebenszyklusanalysen und der Entwicklung einer Methode zur mehrstufigen Variantenbildung und -optimierung. Durch Visualisierungs- und Interaktionsmechanismen, die in einem sogenannten Variantenexplorer vereint werden, soll diese Planungsmethodik für den Planer transparent gemacht werden. Dies soll es erleichtern, bei konkreten Planungsaufgaben ein Verständnis für die komplexen Wechselwirkungen zwischen sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren zu erlangen.

Leitung des Forschungsprojekts

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Ruth (Lehrstuhl Tragwerkslehre, Bauhaus-Universität Weimar)
Prof. Dr.-Ing. Dirk Donath (Lehrstuhl InfAR, Bauhaus-Universität Weimar)

2012–2015 FOGEB

Die »FOGEB Forschergruppe Green Efficient Buildings« wurde vom Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Technologie aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds mit 1,9 Millionen Euro über einen Zeitraum von 3 Jahren finanziert und widmete sich der zukunftsgerechten energetischen Sanierung von Ein- und Mehrfamilienhäusern. Das zehnköpfige Team aus den Fachdisziplinen Architektur, Bauingenieurwesen, Biologie, Design, Informatik und Physik erforschte Maßnahmen zur Energiegewinnung und deren Speicherung an Bestandsbauten sowie deren nachhaltiger Dämmung. Im Zentrum stand die Entwicklung und Erprobung neuer, innovativer Materialien, die recycelbar und damit kreislaufgerecht sind. Zudem spielte die langfristig mögliche Austauschbarkeit energetisch wirksamer Bauteile eine bedeutende Rolle. So wurde angestrebt, dass Bauelemente aufgrund von lösbaren Anbringungen gegebenenfalls später leicht durch leistungsfähigere Materialien zu ersetzen sind oder hinsichtlich neuer Rahmenbedingungen angepasst werden können. Wichtige Inspirationsquellen waren dabei im Sinne der Bionik geeignete Vorbilder aus der Natur. Es wurden Lösungen entwickelt, die aktiv, wandelbar, kreislaufgerecht, aufwandsminimiert und architektonisch ansprechend sind.

An dem interdisziplinären Vorhaben FOGEB waren Professuren aus den Fakultäten Architektur und Bauingenieurwesen der Bauhaus-Universität Weimar beteiligt sowie das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Halle und das IAB Institut für Angewandte Bauforschung Weimar als Forschungspartner.

Weitere Informationen finden Sie auf der Projektwebsite.

2009–2011 BOWOOSS

Das vom BMBF und der DLR geförderte Forschungsprojekt »BOWOOSS – nachhaltige Bausysteme bionisch inspirierter Holzschalenkonstruktionen« war ein Verbundvorhaben mit der HTW des Saarlandes, Fachbereich Architektur, der Paul STEPHAN GmbH + Co.KG in Gaildorf und der Bauhaus-Universität Weimar und lief seit 1. Juli 2009 an der Professur Tragwerkslehre, Fakultät Architektur. Das Forschungsprojekt hatte eine Projektlaufzeit von 28 Monaten und ein Gesamtvolumen von 513.070 Euro.

Im Rahmen von BOWOOSS wurden eine Reihe von Schalen- und Faltkonstruktionen aus der Natur untersucht, die für die technische Umsetzung ausreichend Ansätze boten. Diese Erkenntnisse aus der Biologie dienten als Vorbilder für die Entwicklung von Methoden zur Erzielung optimaler Strukturen. Im Verlauf wurden diese Wirkprinzipien und Elementierungen untersucht und auf technische Anwendbarkeit für Holzbauweisen übertragen. Wesentlich waren hierbei Nachhaltigkeit und Ressourcen schonende Bauweisen, wobei für den Anwender auch ein Mehrgewinn durch einen materialsparenden und umweltschonenden Konstruktionsansatz geschaffen wurde.

2009–2011 AFAS

Das Forschungsvorhaben »AFAS – Aktive Faser-Verbundwerkstoffe für Adaptive Systeme« wurde vom BBR mit 120.000 € über einen Zeitraum von 21 Monaten gefördert. Das Süddeutsche Kunststoffzentrum konnte als beteiligter Partner gewonnen werden.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Entwicklung von ressourcenschonenden und energieeffizienten Bauweisen, Materialien und Technologien unter Anwendung der vorteilhaften Eigenschaften des Leichtbaus in Verbindung mit aktiven Fasern untersucht. Die Anwendbarkeit aktiver Faser-Verbundwerkstoffe in adaptiven Systemen wurden an verschiedenen Verifikationsmodellen numerisch und experimentell untersucht und in Bemessungsmodelle überführt. Zu den Verifikationsobjekten zählten aktiv wandelbare und schwingungsresistente Fassaden- und Dachprofile und Tragelemente freigeformter Schalentragwerke.

2001–2005 FOMEKK

 

Im Rahmen der »FOMEKK Forschungsgruppe Materialgerechtes Entwerfen und Konstruieren mit faserverstärkten Kunststoffen« arbeitete ein interdisziplinäres Team von Architekten und Bauingenieuren mit Faserverstärkten Kunststoffen (FVK) als tragendem, aber auch sichtbarem, gestaltendem Material. Hierzu diente auf der einen Seite die Entwicklung von Bauweisen und konstruktiven Details, die das Potential des Materials ausnutzen und es dadurch konkurrenzfähig machen. Modulare Bauweisen, funktionale Integration und rationelle Verbindungen waren Schwerpunkte. Gleichrangig galt es auf der anderen Seite, eine Gestaltung der Bauteile zu finden, die der Herstellungstechnik zwar gerecht wird, aber dem negativen Image von Kunststoffen entgegen wirkt.

Das durch FOMEKK realisierte Objekt MYKO bietet Platz für ca. 4 Personen. Die neu entwickelten Anschlüsse unterstützen den schnellen Aufbau. Es entstand ein kleines Kino, ein Informationsstand oder auch ein Ruheraum.