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by Jana Heidenreich
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Tragwerkslehre - Tragwerke und Berechnung von klassischen Tragwerkssystemen

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SHELLS FOR SHELTER
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Die Notunterkunft „shells for shelter“ wurde im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundforschungsvorhabens BOWOOSS entwickelt. Zu den Projektbeteiligten zählten die Bauhaus-Universität Weimar, die HTW des Saarlandes und die Paul Stephan GmbH & Co KG.

SHELLS FOR SHELTER | NOTUNTERKÜNFTE FÜR KRISENGEBIETE

Die Notunterkunft „shells for shelter“ wurde im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundforschungsvorhabens BOWOOSS entwickelt. Zu den Projektbeteiligten zählten die Bauhaus-Universität Weimar, die HTW des Saarlandes und die Paul Stephan GmbH & Co KG.
Das Ziel des Verbundforschungsprojektes BOWOOSS lässt sich so zusammenfassen, mit Hilfe bionischer Ansätze zu übertragungsfähigen technischen Lösungsansätzen in der Konstruktion von Schalen aus Holz zu gelangen, und diese am Markt dauerhaft und wirtschaftlich umzusetzen.

1 | KLIMATISCHE RAHMENBEDINGUNGEN
Betrachtet man die letzten Jahre hinsichtlich Häufigkeit und Verteilung von Naturkatastrophen, wie auch politischen Unruhen mit Flüchtlingsbewegungen, treten diese vor allem in subtropischen und tropischen Klimazonen auf. Erschwerend kommt hinzu, dass dort besonders viele Schwellen- sowie Dritte-Welt-Länder liegen, die selbst weder über große finanzielle Kapazitäten, noch eine ausreichende Organisation verfügen, um derartige Krisensituationen ohne Hilfe von außen zu bewältigen.
Die klimatischen Rahmenbedingungen, die den Aufbau der „shells for shelter“ also maßgeblich beeinflussten, sind in starkem Maße bestimmt von hohen Temperaturen, damit verbunden meist starker Sonneneinstrahlung, sowie einer hohen Diskrepanz zwischen sehr großen Niederschlagsmengen in kurzen Perioden oder keinerlei Niederschlägen über lange Zeiträume hinweg.
Zentrale Anforderungen waren also Schutz vor Niederschlag und ausreichend Verschattung, bei gleichzeitig genügender natürlicher Durchlüftung sowie Belichtung des Innenraums.

2 | ENTWURFSBESCHREIBUNG
Der Entwurf „shells for shelter“ ist geprägt von der Idee, mit einfachsten Mitteln eine feste Notunterkunft in Krisengebieten für den schnellen und unkomplizierten Einsatz zu entwickeln, deren Stabilität auch einen längeren Nutzungsgebrauch möglich macht. Wichtig dabei war die einfache Erweiter- und Rückbaubarkeit (Modularität) und die Bedingung, dass es die Konzeption der Konstruktion zulässt, regional vorhandene, natürlich nachwachsende Materialen zur Erneuerung einzusetzen. Das beinhaltete, dass die Konstruktion aus selbsterklärenden Elementen aufgebaut sein musste, die ohne einen hohen technologischen Produktionsaufwand herstellbar sind
Die Nutzung als Schulgebäude oder Krankenstation wäre für die entwickelte Hülle ein idealer Anwendungsbereich. Ebenso ist der Einsatz als Notunterkunft für Flüchtlingslager oder in Katastrophengebieten denkbar.

3.1 | STABILITÄT
3.1.1 | GRUNDKONZEPT
Die Suche nach natürlichen Vorbildern führte zu den Diatomeen, die sich zum Schutz vor äußeren Feinden eine „harte Schale“ zulegen. In ihrem Evolutionsprozess bildeten sich eine Vielzahl von Schalentypen heraus, die nicht nur äußerst ästhetisch anzusehen sind, sondern ein hoch effizientes Konstruktionsprinzip bei minimalem Materialverbrauch, die Leichtbauweise, vorweisen.
In mehreren Schritten wurde das Prinzip der Diatomeen analysiert und in eine Tragstruktur umgesetzt, wobei man die natürliche Grundform zugunsten der Einfachheit der Konstruktion hin zu einer doppelten Ebenensymmetrie abänderte.

3.1.2 | OBERFLÄCHE
Die Dachhaut der Hülle ist einer geschuppten Oberfläche, wie sie z.B. bei Fischen zu beobachten ist, ähnlich. Hintergrund hier war allerdings nicht die Verminderung der Reibung äußerer Einflüsse auf die Dachhaut, sondern vielmehr die Suche nach einer geeigneten Form, die sich aus dem Material Holz kostengünstig und materialsparend herstellen lässt und der Gesamtstruktur auch bei einer gewissen Lichtdurchlässigkeit Steifigkeit verleihen sollte. So besteht die Dachhaut aus ebenen Holzelementen, die sich pro Feld aus drei dreiecksförmigen, nach oben zulaufenden Einzelelementen zusammensetzt. Die Anordnung und der Aufbau der Hautverschalung wurden so gewählt, dass der Innenraum be- und entlüftet sowie belichtet werden kann. Zusätzlich dient die Holzschalung zur Längsaussteifung der gesamten Konstruktion. In Querrichtung ist die Schale als weniger steif zu bezeichnen und weist ein stärkeres Verformungs- und Beulverhalten auf. Durch die Anordnung von Rippen in Schalenquerrichtung kann die Steifigkeit signifikant gesteigert werden. Vor allem unsymmetrische Lastfälle (Wind, einseitiger Druck von außen) können auf diese Weise sehr gut abgetragen werden.

3.1.3 | ÖFFNUNGEN
Öffnungen in der Hülle sind bedeutsam für eine nutzertaugliche Umsetzung. Zu beachten ist, dass die schalenartige Tragwirkung durch Eingriffe in die Schalenstruktur gestört wird. Öffnungen am Ende der Schale bzw. Öffnungen, die halbseitig in eine Schalenhälfte eingebracht wurden, sind aus statischer Sicht eher als ungünstig zu betrachten. So fiel die Entscheidung auf eine durchgehende Fuge und die damit verbundene Teilung des Objektes in zwei sich selbst tragende Halbschalen. Das eröffnete zusätzlich die Möglichkeit, mit einem eingeschobenen Mittelteil die Struktur additiv und variabel zu gestalten.

3.2 | BRAUCHBARKEIT
Bei Verwendung eines eingeschobenen Mittelteils ergibt sich ein lichter Raum von 4 x 18 x 2 m, der uneingeschränkt genutzt werden kann. Durch Einschub weiterer bogenförmiger Zwischenelemente kann sich dieser beliebig erweitern lassen. Durch einfache Querschotten wäre es zudem möglich, Räume innerhalb der Hülle abzugrenzen. Diese einfache und stabile Bauweise macht den Entwurf besonders prädestiniert für die Verwendung als Notunterkunft bzw. Schutzhülle in Krisengebieten.

4 | EINFACHE MONTAGE
Die Einfachheit des Aufbaus wurde anhand eines Probebogens im Maßstab 1:3 analysiert, bei dem lediglich zwei Plattenstärken von 24 mm für die Rippenkonstruktion sowie 12 mm für die Hautelemente verwendet wurden.
Neben der Ermittlung gleicher Einzelteile zur Rationalisierung der Herstellung wurden die innovativen Möglichkeiten der computergesteuerten Fertigung schon im Planungsprozess eingesetzt. Neben den Sägewinkeln zur Fügung wurden die Einzelteile evolutionär auf den zur Verfügung stehenden Bauraum der CNC-Fräse angepasst. Auf diese Weise kann mit minimalem Verschnitt ein Maximum an hergestellten Bauteilen erzielt werden.
Durch den ebenensymmetrischen Aufbau der Hülle ergaben sich insgesamt lediglich 156 unterschiedliche Einzelelemente (ohne Rippen). Davon befinden sich allein im Kopfelement schon 144 unterschiedliche Teile und nur 12 Stück im Mittelteil. Das macht nochmals deutlich wie stark die Unterschiedlichkeit der Einzelsegmente durch Mehrfachsymmetrien reduziert werden können.

5 | TRANSPORT
Durch die Anwendung der CAD-Technik können diese Daten auf einfachem Wege holzverarbeitenden Firmen übergeben werden, die im Idealfall in möglichst geringer Entfernung zum Einsatzgebiet liegen. Dadurch lassen sich weite Transportwege vermeiden, und gleichzeitig kann die Produktion in den meist strukturschwachen Regionen selbst stattfinden.
Die Fertigung erfolgt also bauteilübergreifend aus Holzplatten, deren Größe durch das Verarbeitungsformat der CNC-Fräse begrenzt wird. Standardisierte Formate für Transportbehältnisse (Europoolpaletten, ISO-Container) können als Bemessungsgrundlage für eine einheitliche Plattengröße dienen.

6 | NACHHALTIGKEIT
Während die Hüllelemente in sich starr und geschlossen sind, sind sie über Öffnungen koppelbar. Diese Bereiche dienen erstens als Eingangssituation und zweitens als Energiedissipationszone. Die Ausbildung der Fugen bzw. Öffnungen erfolgt in Abhängigkeit der Region und möglicher Erdbebenstärke geöffnet, gekoppelt oder vollflächig geschlossen.
Aufgrund der geplanten Nutzung als mobile Notunterkunft wurden im Weiteren verschiedene Materialien bzw. Konstruktionsarten für die Fugenausbildung in Betracht gezogen und rechnerisch überprüft. Dies ist vor allem für eine eventuelle Nutzung des Objektes in Erdbebenregionen von Relevanz.
Für die Fugenausbildung wurden verschiedene Varianten überprüft. Zunächst wurde eine Variante mit Plattenwerkstoffen und stiftförmigen Verbindungsmitteln betrachtet. Es kann davon ausgegangen werden, dass derartige Plattenwerkstoffe überall verfügbar sind. Die Verbindung sollte über Nagel- oder Dübelverbindungen erfolgen, wobei diese stiftförmigen Verbindungsmittel die SollBruchstelle in der Fuge darstellen. Wenn es zu einem Schaden kommt, kann die Fuge mit einfachen Mitteln und Handgriffen repariert werden kann. Einen weiteren Lösungsansatz stellt die Ausbildung der Fuge über Wellblech dar, welches in einer speziellen Führungsnut in die Rippen eingeschoben wird. Auf diese Weise können die Wellblechelemente die Wetterschutzfunktion übernehmen und gleichzeitig die auftretenden Kräfte im Bereich der Fuge abtragen.

7 | GESTALTERISCHER BEZUG ZUR UMWELT
Die natürliche Schalenform der „shells for shelter“ soll die Schutzwirkung, welche sie auch für die Diatomee als Hülle darstellt, auf die Verwendung als Notunterkunft übertragen. Im Gegensatz zu Kunststoffen oder Metallbekleidungen erzeugt Holz als primäres Material eine natürliche Haptik, und artikuliert sich dadurch nicht als Fremdkörper in seiner Umwelt. Gleichzeitig bleibt durch die Öffnungen in der Faltwerksschalenhaut stets der Bezug zur Außenwelt gewahrt.