Kopierer kråkeboller for å oppnå rekordlange spenn i trekonstruksjoner

Strukturer fra insekter, dyr og planter kan fornye byggenæringen. Sammen med digitalisering gir det muligheter for industriell og automatisert produksjon.

Når byggenæringen diskuterer digitalisering handler det mest om logistikk, om mer omfattende bruk av BIM og papirløse prosjekter.

Når det gjelder selve byggingen skjer det mindre, det som skjer er gjerne digitalisering av anerkjente og gamle produksjonsprosesser som ofte er 100 år gamle, eller vel så det.

Forskere ved Universitet i Stuttgart tenker nytt, og har gjennomført et prosjekt der de i stedet ser på hvordan digitalisering kan brukes til å utvikle nye og mer moderne konstruksjoner og byggemetoder, det inkluderer også materialer som i liten grad er brukt i bærende konstruksjoner i dag.

To unike paviljonger

Institutt for konstruksjonsteknikk og konstruktiv utforming, ITKE, og Institutt for databasert utforming og bygging, ICD, har sammen ført opp to unike paviljonger. En er satt sammen av 376 hule treplater, fire-, fem- og sekskantet. Til sammen er det 17.000 fingerskjøter, ifølge nettsiden til universitetet er samtlige unike. Disse platene er inspirert av kalkskallene som utgjør skjelettet til kråkeboller. Den andre paviljongen har bærende konstruksjoner av glass- og karbonfiber, produsert med høy grad av automatisering. Fibrene er lagt med høypresisjon der den dyrere karbonfiberen kun er brukt der belastningene er store.

I forskningsprosjektet har bygningsingeniører og arkitekter samarbeidet med biologer. Forskerne ser på, og kopierer, måten naturen bruker fiberkompositter på. De har særlig konsentrert seg om kitin, kollagen og cellulose. Kitin er et seigt polysakkarid som er en vesentlig bestanddel i skjelettet til insekter, det er vel egnet som beskyttende panser og finnes også i skallet til krepsdyr. Kollagen består av langstrakte polypeptidkjeder og er den viktigste delen i nettverket av fiberdannende proteiner. Cellulose er et polysakkarid som sammen med blant annet lignin bidrar til å avstive planter.

Krever nøyaktighet

I naturen klarer både dyr og planter å orientere fibrene slik at de får utnyttet styrken maksimalt, og kombinerer dette med bindemidler. Resultatet er ofte svært sterke «konstruksjoner» der det er brukt lite materialer.

En viktig utfordring om vi skal klare å kopiere naturens egne strukturer og overføre dem til moderne byggeri, er høy nøyaktighet.

Nikolas Früh, doktorgradsstipendiat knyttet til prosjektet, sier til VDI Nachrichten at for å få den styrken som er teoretisk mulig må fibrene legges svært nøyaktig, og det må brukes korrekt mengde bindemiddel. Det betyr i praksis robotisert og digitalisert produksjon.

Begge byggverkene har buet form, det er ingen tilfeldighet. I naturen ser man sjelden helt rette strukturer. Früh sier buene er brukt fordi en rett komponent som ligger på to opplagringspunkter vil bli utsatt for bøying på grunn av egenvekten, dette skjer ikke med en buet konstruksjon. Kreftene blir også ført videre på annet vis enn med en rett komponent.

Til tyske VDI Nachrichten sier instituttleder Jan Knippers ved ITKE at han ikke ser for seg at all fremtidig byggevirksomhet skal bli slik, men han understreker også at de får til former og strukturer som ikke hadde vært mulig hverken å designe eller beregne manuelt.