01 Fakultät Architektur und Stadtplanung
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Item Open Access Bio-inspired compliant mechanisms for architectural design : transferring bending and folding principles of plant leaves to flexible kinetic structures(2015) Schleicher, Simon; Knippers, Jan (Prof. Dr.-Ing.)This thesis lies at the intersection of architectural design, engineering, and biology. Inspired by flexible and robust structures found in nature, the research explores creative ideas that challenge our present understanding of mechanical constructions and offers an alternative to the prevailing paradigm of rigid-body mechanics. By exploring how the motion principles in flexible plant movements can be understood, abstracted, and transferred into novel design and fabrication processes; this thesis proposes innovative concepts that integrate hitherto neglected structural behaviors, such as bending and buckling. These behaviors are considered potential design drivers in the development of new kinetic structures. The first section offers a comparison between Kinetic Structures in Design and Kinetic Structures in Biology. While at first glance these two areas may seem entirely unrelated, they share much in common. A particularly interesting connection is provided by compliant mechanisms where technical devices obtain their motion by the flexibility of their members and functionalize large elastic deformations. With these characteristics they are not that dissimilar to the motion principles found in plant leaves. The second section on Methodology is devoted to the transfer of knowledge between technology and biology. This section introduces the emerging science of biomimetics and generally discusses its working methods while also outlining its practical use for this research. In the third section of this thesis, a transdisciplinary framework is employed for a series of Case Studies. Here, seven exemplary plant movements are closely investigated and their underlying motion principles are recreated by means of modern computational simulation techniques. Based on these insights various bio-inspired compliant mechanisms are developed and transferred into adaptive facades shading systems. In the following section on Implementations, this technology is utilized for providing sun protection to doublecurved building facades and showcased on three conceptual projects. The thesis concludes with a reflection on the Research Contributions and Future Outlook of this work and thereby invites the next generation of researchers and designers to build up on this work, keeping these newly created bonds between the disciplines alive.Item Open Access Anwendungsmöglichkeiten biobasierter Kunststoffe im Innen- und Außenraum von Gebäuden : beispielhafte Entwicklung(2015) Köhler-Hammer, Carmen; Knippers, Jan (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit stellt Anwendungsmöglichkeiten biobasierter Kunststoffe in Gebäuden dar. Dies erfolgt an beispielhaften Modifikationen von Polylactid, einem Milchsäurekunststoff, zur Anpassung für eine Innen- und für eine Außenanwendung. Kunststoffe werden in der Architektur aufgrund ihrer mannigfachen Gestaltungsmöglichkeit hinsichtlich Lichtdurchlässigkeit, Farb- und Formgebung oder ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit als Baustoff gewählt und finden in dieser Branche zunehmend Absatz. Die Frage, wie sich Biokunststoffe als Baumaterialien einsetzen lassen, stellt eine zeitgemäße Weiterentwicklung dar. Die Rohstoffsituation lässt es sinnvoll erscheinen, Biomasse vor einer direkten energetischen Verwertung zunächst werkstofflich zu nutzen. Nach Gebrauchsende können biobasierte Werkstoffe, abzüglich ihrer Additive, die nicht auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, klimaneutral verbrannt werden. Für die Entwicklung möglichst transparenter Sandwichplatten zur Raumtrennung in öffentlichen Innenräumen, galt es im Rahmen eines von der DBU geförderten Forschungsprojektes einen biobasierten Kunststoff hinsichtlich seines Brandverhaltens und der Wärmeformbeständigkeit zu optimieren. Die akustisch wirksamen Platten sollen nach der Idee des Projektpartners Nimbus Group auf zwei Halbschalen basieren, deren mikroperforierte Deckschicht spritzgegossen wird. Die Compoundierung von Polylactid (PLA) mit verschiedenen Flammschutzmitteln zeigte, dass nur Triphenylphosphat (TPP) die optischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt. Durch Zugabe von sieben Gewichtsprozent TPP war es auf Materialebene möglich, ein selbst verlöschendes Compound zu entwickeln und die Brandklasse UL-94-V0 zu erreichen. Einzig durch Erhöhung der Werkzeugtemperatur auf 100 °C und Verlängerung der Kühlzeit von etwa 25 auf 240 Sekunden bei der Formgebung, konnte mit durchschnittlich 80 °C eine ausreichende Wärmeformbeständigkeit (HDT-B) erzielt werden. Diese Maßnahme zur Erhöhung des Kristallisationsgrades von PLA verteuert durch geringere Stückzahlen pro Maschinenstunden die Fertigungskosten. Der Granulatpreis des Compounds hingegen ist konkurrenzfähig. Der Anteil nachwachsender Rohstoffe im modifizierten Polylactid liegt bei über 90 %. Nach einer fast dreijährigen Innenraum-Lagerung hinter Fensterglas zeigen sich die Probekörper farblich gleich. Auch die mechanischen Eigenschaften des PLA-TPP-Compounds bleiben unvermindert. Untersucht man jedoch die Prüfstäbe, die aus oben genannten Gründen einer längeren Verweildauer im Werkzeug bei höherer Temperatur ausgesetzt waren, so zeigt sich die Streckspannung um ca. 23 % und die Streckdehnung um etwa 11 % vermindert. Thermostabilisatoren würden hier das Compound vor Prozesswärme schützen und die Dauerhaftigkeit erhöhen. Es hat sich gezeigt, dass es möglich ist, Polylactid für eine Innenraumanwendung anzupassen. Die Verbesserung des Brandverhaltens und der Wärmeformbeständigkeit unter Berücksichtigung der Lichtdurchlässigkeit ist realisierbar, jedoch unwirtschaftlich. Bei der exemplarischen Modifikation von Polylactid für Fassadenplatten konnte mit den umweltfreundlichen Flammschutzmitteln Ammoniumpolyphosphat (APP) sowie mit rotem Phosphor auf Materialebene jeweils ein schwer entflammbarer Werkstoff konzipiert werden. Während der 18-monatigen Freibewitterung sinkt die Streckdehnung um etwa 12 %. Die Streckspannung nimmt nicht ab. Die mechanischen Eigenschaftsverluste nach der Alterungssimulation durch Globalstrahlung sind in etwa 9 % höher als Polycarbonat (PC). Die untersuchte PC-Type enthält allerdings neben dem Flammschutz bereits einen UV-Stabilisator. Bei PC wurde eine größere Farb- und Glanzänderung durch die künstliche Alterung ermittelt als beim modifizierten Polylactid, welches kein UV-Schutz enthält.Item Open Access Integrative Planung und Herstellung von freigeformten Verbundtragwerken aus CFK und Beton(Stuttgart : Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart, 2017) Waimer, Frédéric; Knippers, Jan (Prof. Dr.-Ing.)Die geometrische Komplexität von freigeformten Flächentragwerken in der gegenwärtigen Architektur lässt sich kaum noch wirtschaftlich umsetzen. Die Realisierung ist mit hohen Fertigungs- und Planungskosten verbunden und daher nur wenigen Bauvorhaben vorbehalten. Die herkömmlichen Bautechniken, Bauweisen, Materialien und Planungsprozesse sind Ursache für die hohen Kosten. Faserverstärkte Kunststoffe, automatisierte Fertigungsverfahren und digitale Planungsmöglichkeiten scheinen ein hohes Potential zu besitzen, dieser Problematik entgegenzuwirken. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Flächenverbundbauweise, bestehend aus einer verlorenen karbonfaserverstärkten Kunststoffschalung (CFK) und Beton, vorgestellt, die es ermöglicht freigeformte Flächentragwerke effizienter umzusetzen. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung des Tragverhaltens, der Herstellung der freigeformten verlorenen Schalung und der Planung der Bauweise. Die ermittelten mechanischen Eigenschaften der entwickelten kraftschlüssigen Verbindung zwischen Schalung und Beton zeigen, dass auf eine Stahlzugbewehrung verzichtet werden kann. Dies erlaubt es einerseits aufwendige Bewehrungsarbeiten zu vermeiden und andererseits die Schalendicke zu verringern. Die Korrosionsbeständigkeit und Dauerhaftigkeit der CFK-Verbundschalung ermöglicht es dabei, die Bauteile mit einem schlankeren Querschnitt auszuführen. Die Herstellung der Verbundschalung erfolgt durch einen neuen Ansatz in der Faserwickeltechnik. Der Schwerpunkt der Entwicklung liegt dabei auf der geometrischen Ausbildung des Wickelkerns und der Simulation des Wickelvorgangs mittels computergestützter Berechnungsverfahren. Die Integration von zusätzlichen Fertigungsschritten ermöglicht ein Verfahren, das es erlaubt, freigeformte flächige Bauteile zu fertigen. Das Faserwickelverfahren beschränkt sich bisher auf die Herstellung von Bauteilen mit geschlossenen Querschnittsformen. Die Vorteile des klassischen Verfahrens, wie hoher Faservolumengehalt, geringe Fertigungskosten, kurze Prozesszeiten und hohe Ausführungsqualität, sind dabei weiterhin gegeben. Aufgrund der festgestellten starken Wechselwirkung bei der Planung von Geometrie, Tragwerk und Fertigung, ist für die entwickelte Bauweise eine üblicherweise getrennte und in Reihe geschaltete Bearbeitung der Planungsaufgaben nicht zielführend. Um die Vorteile der Flächenverbundbauweise voll auszuschöpfen, wird in dieser Arbeit abschließend eine integrative Planungs- und Optimierungsstrategie vorgestellt. Diese ermöglicht es, die Eigenschaften von Geometrie, Herstellung und Tragverhalten in ein optimales Verhältnis zu bringen. Die verfolgte Strategie führt zusätzlich zu einer Verkürzung der Planungszeit, einer Reduzierung der Kosten für Planung und Fertigung, sowie einer ästhetischen und ressourcenschonenden Konstruktion. Zur Bestimmung der optimalen Lösung wird ein stochastisches, metaheuristisches Optimierungsverfahren entwickelt, dessen Funktionsweise auf der Nahrungssuche der E-Coli Bakterien beruht.Item Open Access Structural optimization of grid shells based on genetic algorithms(2011) Dimcic, Milos; Knippers, Jan (Prof. Dr.-Ing.)In the 21st century, as free form design gains popularity, free-form grid shells are becoming a universal structural solution, enabling merger of structure and facade into a single layer - a skin. The subject of the presented work is the optimization of grid structures over some predefined free form shape, with the goal of generating a stable and statically efficient structure. It is shown how combining design and FEM software in an iterative, Genetic Algorithms based, optimization process, stress and displacements in grid shell structures can be significantly reduced, whereby material can be saved and stability enhanced. Within this research, design and static analysis software are combined in order to perform a statical optimization of grid shells, generated over a given free form surface. A plug-in for Rhinoceros 3D (software based on NURBS geometry representation) is developed, that uses Genetic Algorithms as an optimization method and implements automated iterative calls to Oasys GSA (commercial FEM static analysis software) in order to generate a statically optimal grid shell. To make this possible, within this research some new types of automatic grid generation are developed. Voronoi diagrams were used together with the adapted Force-Density method to develop a new type of grid structure that we called Voronax. In the presented work it was shown that, using the same free form surface, and using the same number of joints and structural members, we can generate much more efficient grid shells, when compared to the standard (uniform) grid structures, simply by modifying the structural grid, i.e., rearranging the structural members of the grid shell. The work presented offers an explanation of the entire method and how it can be constructed. The results of the experiments are there to prove its efficiency and credibility. Once it is proved that the method works, its application can take various forms and be left to the creativity of the user and the requirements of the specific project.Item Open Access Glasfaserverstärkte Kunststoffe unter hoher thermischer und mechanischer Belastung(2009) Ludwig, Carsten; Knippers, Jan (Prof. Dr.-Ing.)Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bieten gegenüber konventionellen Materialien mehrere Vorteile, wie zum Beispiel hohe spezifische Festigkeiten, einen guten Korrosionswiderstand und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Mit der steigenden Verwendung von Glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) für Tragstrukturen, wie sie in diversen Projekten eingesetzt wurden, ist es von großer Bedeutung, den Einfluss hoher Temperaturen im Lastfall Brand auf das mechanische Verhalten abschätzen zu können. Dieser fehlende Nachweis schränkt bisher das Applikationspotential als Werkstoff für Tragwerke erheblich ein. Grundsätzlich lassen sich Faserverstärkte Kunststoffe in ihren Eigenschaften durch die Wahl der Faser und Matrix, über den Herstellungsprozess und die Nachbehandlung innerhalb weiter Grenzen variieren. Für die grundlegenden Untersuchungen in dieser Arbeit wurde jedoch nicht angestrebt, einen bestimmten Verbund für möglichst viele Belastungsfälle umfassend zu charakterisieren, sondern es wurden für drei verschiedene Materialkombinationen (E-Glasfaser/ungesättigtem Polyester-, Vinylester- und Phenolharz) die verbundspezifischen Eigenschaften bei erhöhter Temperatur und unter gleichzeitiger mechanischer Biegebeanspruchung erfasst. Als grundlegende Methode zur Werkstoffdatengenerierung von glasfaserverstärkten Kunststoffen wird in dieser Arbeit die Thermische Analyse angewendet. Um die Verbunde so wenig wie möglich zu schädigen, wurden verschiedene Methoden zur Herstellung der Probekörper evaluiert, da diese erheblichen Einfluss auf die Messungen der Thermischen Analyse haben. Durch die thermische Beanspruchung der Verbunde in den Untersuchungen verändern sich sowohl kalorische und thermogravimetrische, als auch mechanische Eigenschaften. Insbesondere der Elastizitätsmodulverlauf gilt als einer der Hauptindikatoren zur Beurteilung der Strukturintegrität bei hohen Temperaturen. Experimentelle Untersuchungen von glasfaserverstärkten Polyesterharzprofilen an einem Kleinversuchsofen zeigen, dass keine Linearität zwischen der Wahl größerer Trägerquerschnitte mit höheren Widerstandsmomenten und einer längeren Feuerwiderstandsdauer besteht. Die Versuche machen Schwächen von GFK-Tragelementen unter Drei-Punkt-Biegung im Druckbereich deutlich, die vierseitig bei hohen Temperaturen beflammt werden. Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse wurden im Weiteren numerische und analytische Modelle generiert. Die auf die thermische Belastung reduzierten numerischen Modellierungen erlauben eine Auswertung des Einflusses der thermischen Kennwerte und die Angabe von groben Empfehlungen für die Versagenszeiträume in Bezug auf ihren Ausnutzungsgrad. Dies führte zur Aufstellung eines analytischen Modells, welches unter Annahme gleichmäßiger allseitiger Erwärmung in Abhängigkeit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von Isothermen gesetzt werden konnte. Eine auf den experimentellen Ergebnissen basierende numerische Ergebnismodellierung mit thermischer und mechanischer Beanspruchung zeigte geringe Abweichungen von den versuchstechnisch ermittelten Werten. Dabei konnte die Gültigkeit eines linear elastischen Werkstoffverhaltens der GFK-Profilträger in Abhängigkeit von der Zeit und innerhalb eines bestimmten Temperaturniveaus als hinreichend genau bestätigt werden.Item Open Access Fibrx rocking chair : design and application of tailored timber as an embedded frame for natural fibre-reinforced polymer (NFRP) coreless winding(2023) Pittiglio, Alexandra; Simpson, Ailey; Costalonga Martins, Vanessa; Dahy, HanaaThe building industry needs to innovate towards a more sustainable future and can do so through a combination of more renewable material choices and less wasteful fabrication processes. To address these issues, a hybrid material and fabrication system was developed using laminated timber veneer and natural fibre-reinforced composites (NFRPs), two materials that are leveraged for their potential of strategic material placement in additive processes towards programmed material behaviour and performance. The main contribution is in the hybrid fabrication approach, using thin, bent laminated veneer as an embedded frame for coreless filament winding of NFRP, which removes the need for temporary, wasteful formwork that is typically required to achieve structurally performative bent timber or FRP elements. Integrative methods are developed for the design, simulation, and fabrication of a rocking chair prototype that illustrates the architectural potential of the developed fabrication approach.Item Open Access Umgelenkte Lamellen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff als freistehende Spannglieder im Konstruktiven Ingenieurbau(2013) Hwash, Mohamed; Knippers, Jan (Prof. Dr.- Ing.)Vor ca. 60 Jahren begann die Entwicklung der Faserverbundwerkstoffe (FVK). Bereits Anfang der fünfziger Jahre wurden die ersten Karosserieteile für die Corvette aus FVK produziert. Das erste Segelflugzeug wurde aus glasfaserverstärktem Kunststoff an der Universität Stuttgart gebaut. Zwischen 1956 und 1970 wurden ca. 70 unterschiedliche Kunststoffhaustypen entwickelt. Einige der einzigartigen Kunststoffhäuser, wie das Monsantohaus, Futuro, Rondo etc., stehen immer noch als Beweise für diese Zeit (Abb. 1-1, Abb. 1-2). Trotz der enormen Resonanz in der Öffentlichkeit verschwanden diese Häuser in den 70ern wieder. Zum Einen lag das an den baukonstruktiven und bauphysikalischen Problemen und zum Anderen an dem Fehlen einer angemessenen architektonischen Umsetzung [1]. Heute sollen Faserverbundwerkstoffe (FVK) gezielt auf Anwendungen beschränkt werden, in denen sie Vorteile gegenüber herkömmlichen Baustoffen einbringen können. Ihre hervorragenden Werkstoffeigenschaften, die einen erfolgreichen Einsatz im konstruktiven Ingenieurbau versprechen, stehen dem Nachteil der noch recht hohen Kosten dieser Werkstoffe gegenüber. Heute kommt neben der Glasfaser (GFK) die Kohlenstofffaser (CFK) im Bauwesen zum Einsatz. Sie hat in der Luft- und Raumfahrtechnik durch ihre geringe Rohdichte und hohe Zugfestigkeit schon lange interessante Verwendungen gefunden. Auch die Fahrzeugtechnik setzt zunehmend auf die Materialeigenschaften der kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe. Beispielweise besteht die Karosserie eines Mercedes SLR fast komplett aus CFK (Abb. 1-3). In der Bautechnik wurden seit Jahrzehnten alternative Zugelemente mit hoher Korrosionsbeständigkeit gesucht, um Spann- und Bewehrungsstahl zu ersetzen. Hier zeichnet sich CFK gegenüber Spannstahl durch hohe Zugfestigkeit in Faserrichtung, geringes Gewicht, hervorragende Korrosionsbeständigkeit, sowie durch überlegenes Ermüdungs- und Relaxionsverhalten aus. Berücksichtigt man neben den Herstellungskosten auch die Erhaltungskosten, z.B. von Brücken, stellen sie eine wirtschaftlich interessante Variante dar. Vor zwanzig Jahren haben Kohlenstofffaserlamellen ihren Siegeszug im Bauwesen begonnen. Sie haben auf Grund ihrer günstigen Materialeigenschaften und ihrer einfachen Handhabung auf der Baustelle, interessante Anwendungsfelder eröffnet. Sie werden primär zur Sanierung und Verstärkung von Tragkonstruktionen verwendet und stellen hier eine leistungsfähige Alternative zu den bisher üblichen Stahllaschen dar (Abb. 1-4). Nach erfolgreichen Untersuchungen und Gutachten wurden 1995 zum ersten Mal in Magdeburg Loggia-Platten mit Carbo-Dur-Lamellen verstärkt. In Deutschland wurde im Jahr 1997 die erste allgemeine bauaufsichtliche Zulassung für Kohlenstofffaserlamellen erteilt. Nach der Zulassung folgten vielfältige Ertüchtigungen im Hoch- und Brückenbau. Die Lamelle wird i.d.R. mit einem Epoxidharzmörtel schlaff auf die Stahlbetonkonstruktion aufgeklebt. In diesem Fall können etwa 12% ihrer Zugkraft ausgenutzt werden. Aufgrund der immer noch hohen Kosten für CFK-Material bedeutet dies eine spürbare Einschränkung der Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens. Inzwischen konzentrieren sich die Entwicklungen darauf, die Lamelle unter Vorspannung auf die Stahlbetonkonstruktion aufzukleben, um ihre hohe Grenzdehnung und Festigkeit effektiver auszunutzen. Neben den Vorteilen, die diese Werkstoffe besitzen, haben sie aufgrund ihres anisotopen Materialaufbaus jedoch auch einige nachteilige Eigenschaften. In erster Linie ist hier die Empfindlichkeit für Beanspruchung durch Querpressung zu nennen. Aufgrund dessen stellt die Konstruktion der Endverankerung bzw. Umlenkung auf einem Sattel die größte Herausforderung bei der Weiterentwicklung dieser Bauweise zum Einsatz vorgespannter Lamellen dar. Da Kohlestofffasern nahezu dauerschwingfest sind und einen erheblich besseren Ermüdungswiderstand aufweisen als alle metallischen Werkstoffe, liegt der Gedanke nahe, CFK-Lamellen nicht nur für die Verstärkung von Betonbauteilen, sondern auch als freies und externes Zugglied zu verwenden, z.B. für extern vorgespannte Stahlbetonbrücken (Hohlkastenbrücken) oder für unterspannte Decken im Hochbau. Für solche Anwendungen kommen grundsätzlich auch CFK-Paralleldrahtbündel in Frage, wie sie in [86-93] schon verwendet wurden. Allerdings ist die Produktion der unidirektional verstärkten Lamellen im Pultrusionsverfahren einfacher. Außerdem reduziert der fl ache Querschnitt die Querpressungen und ermöglicht eine Schichtung mehrerer Lamellen an der Umlenkung. Die geringe Lamellenstärke erlaubt zudem enge Umlenkradien, wie sie zwar weniger bei extern vorgespannten Hohlkastenträgern, aber bei unterspannten Decken im Hochbau erforderlich sind. Um CFK-Lamellen als externe Spannglieder einsetzten zu können, muss die konstruktive Gestaltung der wesentlichen Konstruktionsdetails vorgespannter CFK- Lamellen, nämlich der Endverankerung und der Umlenkung auf einem Sattel, gelöst werden. Für die Endverankerung liegen bereits Ansätze von verschiedenen Forschungseinrichtungen vor. Was derzeit jedoch noch gänzlich fehlt, sind Kenntnisse über das Tragverhalten von umgelenkten CFK-Lamellen. Ziel dieser Arbeit ist es, erste Erkenntnisse über umgelenkte CFK-Lamellen zu gewinnen, um ihre grundsätzliche Eignung als externe Spannglieder zu beurteilen. Hierzu gliedert sich die Arbeit in zwei wesentliche Teile: Teil 1: Statische Versuche an umgelenkten Lamellen: Der erste Teil besteht aus einer Reihe von Zugversuchen an umgelenkten CFK-Lamellen auf der institutseigenen Prüfanlage. Dabei wurde der Einfl uss elementarer Parameter, wie Umlenkradius und Umlenkwinkel, auf die Bruchlast erfasst. Teil 2: Versuche mit relativer Verschiebung zum Umlenksattel: Mit den in Teil 1 gewonnenen Ergebnissen wurden weitere Versuche in Anlehnung an die ETAG 013 (Ausgabe Juni 2002), die europäische ,,Richtline für die Eignungsprüfung von Spannverfahren für externe Vorspannung“ durchgeführt. Dadurch sollte ein ganz wesentlicher Effekt, nämlich die Reibung während des Vorspannvorganges oder unter auftretender Relativverformung einer Lamelle zum Umlenksattel und der Einfl uss dieser Verformung auf die Bruchlast erfasst werden. Auf Grundlage der gewonnen Erfahrungen wurden konstruktive Vorschläge für die Gestaltung von Anwendungsmöglichkeiten erarbeitet und dargestellt.Item Open Access Tensegrity FlaxSeat : exploring the application of unidirectional natural fiber biocomposite profiles in a tensegrity configuration as a concept for architectural applications(2024) Renner, Markus; Spyridonos, Evgenia; Dahy, HanaaMaterial selection is crucial for advancing sustainability in the building sector. While composites have become popular, biocomposites play a pivotal role in raising awareness of materials deriving from biomass resources. This study presents a new linear biocomposite profile, fabricated using pultrusion technology, a continuous process for producing endless fiber-reinforced composites with consistent cross-sections. The developed profiles are made from flax fibers and a plant-based resin. This paper focuses on the application of these profiles in tensegrity systems, which combine compression and tension elements to achieve equilibrium. In this study, the biocomposite profiles were used as compression elements, leveraging their properties. The methods include geometrical development using physical and digital models to optimize the geometry based on material properties and dimensions. A parametric algorithm including physics simulations was developed for this purpose. Further investigations explore material options for tension members and connections, as well as assembly processes. The results include several prototypes on different scales. Initially, the basic tensegrity principle was built and explored. The lessons learned were applied in a final prototype of 1.5 m on a furniture scale, specifically a chair, integrating a hanging membrane serving as a seat. This structure validates the developed system, proving the feasibility of employing biocomposite profiles in tensegrity configurations. Furthermore, considerations for scaling up the systems to an architectural level are discussed, highlighting the potential to enhance sustainability through the use of renewable and eco-friendly building materials, while promoting tensegrity design applications.Item Open Access Bio-inspired integrated actuation and variable stiffness for compliant mechanisms(Stuttgart : Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart, 2022) Mader, Anja; Knippers, Jan (Prof. Dr.-Ing.)Due to advantages, such as a low mechanical complexity, low weight, and the absence of friction of wear, compliant kinetic systems are increasingly used, including for large-scale applications like facade shading. To exploit the advantages also for the actuation, bio-inspired joint-free actuators were developed within two case studies. Both actuation principles proved their potential to actuate 2-dimenional compliant devices within physical prototypes. Additionally, adaptive stiffness concepts were developed to potentially increase the load bearing capability temporarily. Following a biomimetic top-down approach, the leaf folding of the model plant Sesleria nitida caused by turgor variations within large bulliform cells was investigated using a FEA. The turgor pressure opens the leaf against a present pre-stress. Turgor and volume variation within the bulliform cells that result from fluctuations in water availability generate forces high enough to fold and unfold the leaf. This pressurize-based actuation principle is abstracted to a technical cellular structure constructed from GFRP (glass fibre-reinforced plastic) cells with compliant hinges. An increase in inner cell pressure causes a reconfiguration of the cell and an overall bending motion of the actuator. At the same time, thin-walled plant tissues show a strong turgor dependent stiffness. By adding a second, counteracting cell row that decouples deformation from absolute pressure, this can be realized also in the technical actuator. The bending motion is now determined by the pressure ratio, and the stiffness by the pressure magnitude. Within physical and numerical experiments, the stiffness of a cellular actuator increases by a factor of 2.5 at a pressure increase of 1 bar. Within the second case study, a pneumatic actuation that is fully integrated into a GFRP laminate was developed. The wing vein ultrastructure of Graphosoma lineatum italicum inspired the laminate built-up of the GFRP with an integrated pneumatic pouch. By surrounding the pouch with an elastomeric layer, analogous to the resilin bearing endocuticle within the biological model, a delamination of the laminate layers is prohibited. The approach allows a simple fabrication, and slender, homogenous appearance. Upon an internal pressure increase, the eccentric placement of the pneumatic pouch and the greater compliance of the thinner layer results in a rotation into that direction. This way a folding motion is realized by a pouch placed in a hinge zone of greater compliance. A quasi-uniform bending is created by placing a segmented large-surface pouch integrated in a plate of distributed compliance. The adaptive stiffness is added by an antagonistic actuator set-up inspired by opposing muscles used to control and stiffen skeletal joints. For a GFRP plate an increase in stiffness of 60% was achieved at 1.8 bar internal pressure.Item Open Access Bending-active plates : strategies for the induction of curvature through the means of elastic bending of plate-based structures(Stuttgart : Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart, 2017) La Magna, Riccardo; Knippers, Jan (Prof. Dr.-Ing.)Commonly referred to as bending-active, the term has come to describe a wide variety of systems that employ the large defor-mation of their constituent components as a primary shape-forming strategy. It is generally impossible to separate the struc-ture from its geometry, and this is even more true for bending-active systems. Placed at the intersection between geometry, de-sign and engineering, the principle objective of this thesis is to develop an understanding of the structural and architectural po-tential of bending-active systems beyond the established typolo-gies which have been investigated so far. The main focus is set on systems that make use of surface-like elements as principle build-ing blocks, as opposed to previous and existing projects that pre-dominantly employed linear components such as rods and laths. This property places the analysed test cases and developed proto-types within a specific category of bending-active systems known as bending-active plate structures. The first chapters serve as a general introduction to the topic. An overview of relevant recent projects is presented in the introduction, followed by a discussion on the scope of research on bending-active structures. The following chapters lay the theoretical basis in terms of geometry of surfaces and mechanical behaviour of plates. This dual and complementary description serves as the necessary background to understand the limits and potential associated to the deformability of plate elements. The following chapter delves into the first of the two strategies developed as part of this research. Termed form conversion, this approach establishes a one-to-one relationship between the initial base surface and its bending-active discrete counterpart. The chapter proceeds with the presentation of a series of full-scale prototypes that were realised to test the validity of the form con-version approach. Geometrical and mechanical features are dis-cussed in the conclusion of the chapter. The second developed method, named integral approach, is pre-sented in the next section. This approach takes advantage of the inherent deformation properties of explicitly designed material patterns. The description of the method is followed by the presen-tation and discussion of the prototypes chosen to test the integral approach. Finally, the thesis concludes with a critical discussion of the presented approaches and a discussion on potential developments for future research.