Browsing by Author "Sobek, Werner (Prof. Dr. Dr. E.h. Dr. h.c.)"

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Open Access
Faltstrukturen in der textilen Gebäudehülle : eine Erweiterung tradierter Entwurfsgrundlagen unter Berücksichtigung schall- und lichttechnischer Aspekte
(2018) Zapala, Ewelina; Sobek, Werner (Prof. Dr. Dr. E.h. Dr. h.c.)
Die vorliegende Arbeit zeigt auf, wie textile Oberflächen mithilfe von Faltstrukturen gestaltet werden können, wenn sie zu ästhetischen Qualitäten und zur Verbesserung der schalltechnischen Eigenschaften textiler Gebäudehüllen bei gleichzeitiger Erhaltung einer hohen Lichttransmission beitragen sollen. Da Faltstrukturen in der textilen Gebäudehülle wenig erforscht sind, ist diese Arbeit explorativ ausgerichtet. Den Ausgangpunkt bildet die phänomenologische und architekturtheoretische Einordnung der Faltung. Dabei werden potentiell auf das Bauwesen übertragbare Faltprinzipien und ihre realen Anwendungen aus verschiedenen Fachdisziplinen herausgearbeitet. Im Bauwesen interessiert die Faltung aufgrund ihrer technisch-konstruktiven und ihrer räumlich-plastischen Wirkung. Reale „Meilensteine“ in beiderlei Hinsicht werden aufgezeigt. Die architekturtheoretische Betrachtung setzt an der Theorie der Bekleidung und des Ornaments von Semper an. Des Weiteren wird auf die kritische Haltung zum Ornament von Loos, sowie auf die weitreichende Analyse der Mannigfaltigkeit der Falte von Deleuze eingegangen. Abschließend werden die zeitgenössischen Tendenzen in der Architekturtheorie herausgearbeitet und mit realen Beispielen unterlegt. Um Faltstrukturen analysieren und ihre Anwendungsmöglichkeiten für das Textile Bauen entdecken zu können, ist ihre systematische Einordnung aus architektonischer Sicht notwendig. Eine ebensolche Systematisierung wird in der vorliegenden Arbeit in Form eines Morphologischen Kasten vorgestellt, welcher definierte Merkmale und ihre Merkmalsausprägungen umfasst. Mit der gewählten Darstellungsmethode kann man das enorme Spektrum an möglichen Faltstrukturen analysieren und, davon ausgehend, neue Formen finden. Nach dem einordnenden und systematisierenden Teil widmet sich die vorliegende Arbeit in ihrem experimentellen Teil den Fragestellungen, welche Faltstrukturen sich auf textile Gebäudehüllen übertragen lassen, inwieweit sie dabei zur Verbesserung der schalldämmenden Eigenschaften textiler Gebäudehüllen beitragen, und inwieweit sie dabei schalltechnisch aktiviert werden können, ohne gleichzeitig die Lichtdurchlässigkeit der Oberfläche zu beeinträchtigen. Die Arbeit präsentiert im Rahmen von experimentellen Gestaltungsstudien entstandene, unterschiedliche Längst- und Facettenfaltungen, die allesamt prototypisch im Maßstab 1:1 umgesetzt wurden. Die Faltstrukturen deuten das große Spektrum der möglichen Erscheinungsformen von Faltungen an, die sich auf textile Gebäudehüllen übertragen lassen. Sie werden im Hinblick auf den Herstellungsprozess der Faltung und ihre Applikation auf die textile Gebäudehülle zu technisch-funktionalen als auch ästhetischen Aspekten (ggf. in Kombination) analysiert und diskutiert. Somit können sie als Grundlage für weite Variationen dienen. Die durchgeführten Messungen im Akustiklabor zeigen, dass bestimmte Oberflächenmodifikationen einen Beitrag zur Verbesserung der Schalldämmwerte leisten können. So bieten facettierte Faltungen die Möglichkeit, die Oberflächenstruktur zu befüllen und somit die akustischen Eigenschaften der Oberfläche zu aktivieren. Die Verbesserung ist auf die Erhöhung der Masse und die Kopplung der beiden Membranlagen zurückzuführen. Die experimentellen Untersuchungen ergaben u.a., dass das sehr leichte Silicat-Aerogel-Granulat besonders effizient wirkt im Vergleich zum sehr schweren Polycarbonat-Granulat. Die durchgeführten Messungen zur solaren Transmission zeigen, dass bestimmte Kombinationen von Faltstruktur, Gewebe und Befüllung weder die Lichtdurchlässigkeit, noch die Leichtigkeit des Systemaufbaus beeinträchtigen. Folglich können Synergien zwischen der akustischen Wirkweise und einer hohen Lichtdurchlässigkeit erzielt werden. Insgesamt stützen die erzielten Messergebnisse die Intention, die textile Gebäudehülle mithilfe von Faltstrukturen zu einem anpassungsfähigen System auszubauen. Vor dem Hintergrund der bisherigen Ergebnisse geht die vorliegende Arbeit abschließend der Frage nach, welche neuen Entwurfsansätze mit der Anwendung von Faltstrukturen bei textilen Gebäudehüllen einhergehen. Insbesondere die Dualität, die aus der Verschmelzung von Ästhetik und Funktionalität resultiert und im Sinne einer neuen Falt-Ornamentik zu verstehen ist, bereichert die architektonische Sprache textiler Gebäudehüllen. Voraussetzung für Dualität ist das Verlassen tradierter Entwurfsansätze und die Entbindung der Hüll- von der Tragfunktion. Die damit einhergehende Emanzipierung der Oberfläche, die nicht mehr nur technische und funktionale Aspekte zu erfüllen hat, sondern auch eine sinnliche Inszenierung der Oberfläche zulässt, bedingt allerdings besonderen Augenmerks auf die Dimensionierung von Faltstrukturen.
Open Access
Zero-waste sand formworks for lightweight concrete structures
(2025) Kovaleva, Daria; Sobek, Werner (Prof. Dr. Dr. E.h. Dr. h.c.)
To address the growing urgent need to reduce resource consumption, embodied energy, and waste in construction, this thesis presents a new method for the zero-waste production of lightweight concrete structures using water-soluble sand formwork. The application of lightweight construction principles allows the creation of efficient and expressive structures with minimal material consumption and, consequently, an ecological footprint. Due to its ability to take any conceivable shape, concrete provides architects and engineers with virtually unlimited design freedom and is ideal for putting these principles into practice. However, despite the wide availability of design solutions known since the middle of the 20th century, lightweight concrete structures are still not widely used due to the lack of adequate sustainable production methods. This often involves formwork manufacturing, which is still labor-intensive and wasteful and accounts for over two-thirds of the production budget. Digital production methods, such as additive and subtractive manufacturing, enable highly precise creation of geometrically complex objects. However, their broader application in formwork production is limited by their narrow specialization in the types of geometry produced, the generation of waste during processing, and the use of toxic and non-recyclable formwork materials. Therefore, the emergence of a flexible and environmentally friendly formwork method suitable for producing geometrically complex structures is necessary for the broader application of lightweight construction with concrete. Offering a comprehensive approach to the above-described problem, this thesis proposes a novel zero-waste technology to produce lightweight concrete structures using additive manufacturing of a specially developed water-soluble sand and binder mixture. The powder-bed-based 3D printing of granular materials gives the greatest freedom in terms of geometric complexity, while the water-soluble nature of the formwork material mix allows it to be fully recycled after casting and reused in further production cycles. Following the overall goal of promoting lightweight concrete construction, this technology also has an inverse effect on designing lightweight structures. It makes it possible to realize structural morphologies that would be inefficient or even impossible to produce with conventional formwork methods. The water solubility of the formwork material allows the creation of structures with geometrically complex external shapes and internal configurations. This enables not only improved structural performance but also the integration of other functional elements, such as MEP systems, acoustic and thermal insulation. The work on the thesis includes the conceptualization of a closed-loop production cycle, the creation of an automated manufacturing process based on 3D printing of sand molds with a specially developed material mix, and the development of necessary accompanying CAD-CAM tools. The proposed technology is validated in the production of formworks for lightweight concrete structures of various scales, from small-scale prototypes to architectural demonstrator.