Universität Stuttgart
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Item Open Access Editorial - transformable structures and envelopes in architecture and civil engineering(2023) Phocas, Marios C.; Matheou, MariaItem 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.Item Open Access Regelungskonzepte für schaltbare Verglasungen zur Optimierung des Innenraumkomforts(2019) Husser, Marzena; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)Die Fassade, als Schnittstelle zwischen dem Innen- und dem Außenraum, wird mit zahlreichen Anforderungen konfrontiert. Wird im Innenraum eine thermische und eine visuelle Behaglichkeit angestrebt, so ist dies allein durch die Auslegung traditioneller Fassadenverglasungen mit invarianten Eigenschaften, ohne zusätzliche Funktionselemente und Energieeinsatz, meistens nicht möglich. Bei adaptiven Verglasungen kann die Licht- und Energietransmission in bestimmten Wellenlängenbereichen verändert werden, was neue bauphysikalische Potentiale zur Folge hat. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine elektrisch steuerbare Verglasung auf Flüssigkristallbasis (s.g. TN-Verglasung) behandelt. Das Ziel der Arbeit war die Untersuchung der Möglichkeiten einer Komfortsteigerung (Optimierung sowohl des visuellen als auch des thermischen Komforts) bei gleichzeitiger Minimierung des Raumenergiebedarfs durch die Anwendung unterschiedlicher Regelungsstrategien der genannten Verglasung.Item Open Access A novel transformation model for deployable scissor-hinge structures(2010) Akgün, Yenal; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.)Primary objective of this dissertation is to propose a novel analytical design and implementation framework for deployable scissor-hinge structures which can offer a wide range of form flexibility. When the current research on this subject is investigated, it can be observed that most of the deployable and transformable structures in the literature have predefined open and closed body forms; and transformations occur between these two forms by using one of the various transformation types such as sliding, deploying, and folding. During these transformation processes, although some parts of these structures do move, rotate or slide, the general shape of the structure remains stable. Thus, these examples are insufficient to constitute real form flexibility. To alleviate this deficiency found in the literature, this dissertation proposes a novel transformable scissor-hinge structure which can transform between rectilinear geometries and double curved forms. The key point of this novel structure is the modified scissor-like element (M-SLE). With the development of this element, it becomes possible to transform the geometry of the whole system without changing the span length. In the dissertation, dimensional properties, transformation capabilities, geometric, kinematic and static analysis of this novel element and the whole proposed scissor-hinge structure are thoroughly examined and discussed. During the research, simulation and modeling have been used as the main research methods. The proposed scissor-hinge structure has been developed by preparing computer simulations, producing prototypes and investigating the behavior of the structures in these media by several kinematic and structural analyses.Item Open Access A method for 3D printing bio-cemented spatial structures using sand and urease active calcium carbonate powder(2020) Nething, Christoph; Smirnova, Maya; Gröning, Janosch A. D.; Haase, Walter; Stolz, Andreas; Sobek, WernerThe substitution of Portland cement with microbially based bio-cement for the production of construction materials is an emerging sustainable technology. Bio-cemented building components such as bricks have been fabricated in molds, where bacteria-containing aggregates solidify when treated with a cementation solution. Thisrestricts component size due to the limitedfluid penetration depth and narrows options for component customization. The use of additive manufacturing technologies has the potential to overcome those limitations and toexpand the range of bio-cement applications. In the present work an automated process for the production ofspatial structures has been developed, in which sand and urease active calcium carbonate powder were selectively deposited within a print volumeand treatedwith a cementation solution.This method provided conditionsfor calcite precipitation in the powder-containing areas, whereas areas of pure sand served as removable supportstructure allowing improvedfluid exchange. The 3D printed structure was geometrically stable and had sharplydefined boundaries. Compressive strength tests on cylindricalspecimens showed thatthe used powder-sandmixwas suitable for the production of high-strength bio-cemented material. The present work demonstrates an application of bio-cement in an additive manufacturing process, that can potentially be used to produce resourceefficient sustainable building components.Item Open Access Branding im Industriebau am Beispiel der Automobilfertigung : eine gebäudetypologische Betrachtung(2009) Schönbeck, Dewi; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing.)In der Automobilbranche nimmt das so genannte Branding zur Schaffung einer unverwechselbaren Markenidentität einen immer höheren Stellenwert ein. Dabei stellt auch die Architektur eines Unternehmens ein Medium zur Vermittlung von Markenwerten dar, das ein dreidimensionales, räumlich erfahrbares Markenerlebnis bietet. Gerade beim Lifestyle-Produkt Auto tritt die ursprüngliche Transportfunktion mehr und mehr in den Hintergrund. Vielmehr will der Kunde damit auch Lebensphantasien, sinnliche Werte und Sozialprestige einkaufen. Umso mehr kann deshalb die Unternehmensarchitektur dieses diffuse Kundenverlangen mit im eigentlichen Sinne begreifbaren Werten ästhetisch umsetzen und damit zu einer innigeren Kundenbindung entscheidend beitragen. Längst haben die Automobilhersteller die Architektur als Medium zur Vermittlung ihrer Markenwerte entdeckt. Beispiele wie der BMW "Vierzylinder" in München, die Autostadt Wolfsburg, das Mercedes-Benz Museum in Stuttgart sowie zahlreiche spektakuläre Mikroarchitekturen im Messebau zeigen, dass das Markenerlebnis durch Architekturerfahrung im Wettbewerb um den Kunden unverzichtbar geworden ist. Der bewusste Einsatz von Markenarchitektur im Industriebau ist jedoch nach wie vor eher ungewöhnlich und nur an vereinzelten Bauten realisiert worden. Pilotprojekte wie die Gläserne Manufaktur in Dresden oder der Zentralbau des BMW Werks in Leipzig geben eine Tendenz zu einer vollkommen neuartigen Gebäudeform im Industriebau vor. Die Automobilfabrik ist bei diesen Projektbeispielen nicht mehr als reine Produktionsstätte zu sehen, in der Mensch und Maschine möglichst effizient zusammenarbeiten, sondern bezieht den Kunden emotional in den Produktionsprozess mit ein. Diese Entwicklung hat zur Konsequenz, dass die Fabrik in Zukunft nicht mehr nur als reine Produktionsstätte fungiert, sondern gleichzeitig als Kunden-Erlebniszentrum gestaltet werden kann. Durch die theoretische Analyse der veränderten architektonischen Anforderungen sowie der Untersuchung von realisierten Beispielen wird in dieser Arbeit eine neuartige, funktionshybride Gebäudetypologie definiert und entsprechende Planungskriterien abgeleitet.Item Open Access Integration of LCA in the planning phases of adaptive buildings(2019) Schlegl, Friederike; Honold, Clemens; Leistner, Sophia; Albrecht, Stefan; Roth, Daniel; Haase, Walter; Leistner, Philip; Binz, Hansgeorg; Sobek, WernerThe high consumption of resources in the building industry requires a significant reduction of material in buildings and consequently a reduction of emissions over all phases of the life cycle. This is the aim of the Collaborative Research Centre 1244 Adaptive Skins and Structures for the Built Environment of Tomorrow, funded by the German Research Foundation (DFG), which addresses research on the development and integration of adaptive systems in building structures and skins. New approaches in building planning are required for the implementation of adaptive buildings. Therefore, a multidisciplinary team from various fields such as architecture, civil and mechanical engineering, and system dynamics is necessary. The environmental impacts of the whole life cycle have to be considered for an integral planning process for adaptive buildings right from the beginning. For the integration of the Life Cycle Assessment (LCA), four temporal and content-related interfaces were identified in the planning process. Inputs and outputs of the LCA were defined for the relevant planning stages in order to enable the greatest possible benefit for the planners and to minimize the environmental impacts as far as possible. The result of the research work is a methodology that can be used in the future to reduce life cycle-related environmental impacts in the planning process of adaptive buildings (ReAdapt).Item Open Access Grundlagen für die Planung von ressourcenminimalen urbanen Strukturen(2020) Weidner, Stefanie; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)Was zunächst als provokante Frage an seinen Schützling gedacht war, entwickelte sich zu seinem wohl berühmtesten Zitat. Bereits in den 1960er Jahren fragte Richard Buckminster Fuller: „How much does your building weigh?“ In den vorangegangenen Nachkriegsjahren stellte der Leichtbau bzw. das leichte Bauen eine Notwendigkeit dar, die für den Bausektor von essentieller Bedeutung bei der Bewältigung der bevorstehenden Herausforderungen war. Mit Einzug des Wohlstands stieg der Ressourcen- und Rohstoffverbrauch global und vor allem in den Industrienationen deutlich an und erreicht nun durch einen gleichzeitigen immensen Anstieg der Weltbevölkerung jährlich neue Höchstpunkte. Ausgehend vom Jahr 2019, werden bis 2050 weltweit 2,46 Mrd. zusätzliche Menschen in den Städten leben. Für diese Fülle von neuen Stadtbewohnern müssen dort mit den vorhandenen, begrenzten Rohstoffen und Ressourcen Lebensräume geschaffen werden. Es stellt sich die Frage, wie für mehr Menschen mit weniger Material gebaut werden kann. Daher liegt der Fokus dieser Arbeit in der Erforschung von Grundlagen zur Planung von ressourcenminimalen urbanen Strukturen zu Wohnzwecken. Die Forschungsfragen, die sich daraus ergeben, lauten: a) Welche Parameter sind für eine ressourcenspezifische Betrachtung urbaner Strukturen relevant? b) Wie verändert sich in Abhängigkeit von der Bebauungsstruktur der Ressourcen- und Flächenverbrauch von Verkehrsanlagen und Gebäuden, bei einheitlicher baulicher Dichte? c) Wie verändern sich diese Ergebnisse bei veränderter baulicher Dichte? Dazu werden die Parameter Ressourcenverbrauch Gebäude, Ressourcenverbrauch Verkehrsanlagen, Flächenverbrauch, Bebaute Dichte, Gebäudetypologie und Bebauungsstruktur als relevant in Hinblick auf eine ressourcenbezogene Betrachtung identifiziert und auf einem 1 km² großen Betrachtungsfeld in Bezug zueinander gesetzt. Dafür werden drei urbane Dichten von 400, 4.000 und 20.000 Einwohnern pro Quadratkilometer durch fünf unterschiedliche Bebauungsweisen gebildet. Diese bestehen aus einer sortenreinen Bebauung durch Einfamilienhäuser, 4-geschossige Mehrfamilienhäuser, 6-geschossige Mehrfamilien-häuser, 20-geschossige Hochhäuser und 40-geschossige Hochhäuser. Eine Untersuchung von 15 daraus entstehenden Szenarien liefert zum einen Kenntnisse über die zu berücksichtigenden Variablen und deren Auswirkungen und gibt zum anderen Aufschluss darüber, welche Bebauungsstrukturen und Gebäudetypologien unter den hier gewählten Rahmenbedingungen am ressourcenschonendsten sind. Ziel ist es, Grundlagen und -kenntnisse dafür zu schaffen, dass Städteplaner und Architekten in die Lage versetzt werden, die ressourcenspezifischen Auswirkungen unterschiedlich gewählter Bebauungsstrukturen und städtebaulicher Dichten zu begreifen. Es zeigt sich, dass unabhängig von der Dichte, eine Bebauung durch 6-geschossige Mehrfamilienhäuser stets die ressourcenschonendste Bebauungsart darstellt. Obwohl Hochhäuser durch ihren geringen Grund- und Verkehrsflächenbedarf die Ressource Boden am wenigsten beanspruchen, fallen sie aufgrund ihrer schlechten Nutzungsflächeneffizienz und durch den erhöhten Materialverbrauch hinter die Mehrfamilienhausbebauung zurück.Item Open Access Structural systems for highrise buildings(1985) Sobek, WernerThe report was written in the United States under the first Fazlur R. Khan Fellowship in 1984 and it was completed in Germany afterwards. "Highrise Buildings" was selected by the author as the draft-title for the activities during the fellowship. Under this theme the author studied the single aspects of highrise buildings as for example planning methods, architectural considerations, structuraI systems. This was done by working at the offices of Skidmore, Owings and Herrill in Chicago and San Francisco, it was done by studying at the Illinois Institute of Technology, by visiting and discussing with different people and firms and by visiting lectures at different places. The paper presented here is a condensed result of the studies done during the fellowship with a special view at different places.Item Open Access New perspectives in architecture through transformable structures : a simulation study(2023) Matheou, Maria; Phocas, Marios C.; Christoforou, Eftychios G.; Müller, AndreasStructures enabling transformability of buildings, components and materials at different levels gain significance in view of a sustainable built environment. Such structures are capable of obtaining different shapes in response to varying functional, environmental or loading conditions. Certain limitations of classic tensegrity and scissor-like structures, applied so far in an architectural and engineering context, are attributed to a limited number of possible configurations and a big number of actuators required. In this context, rigid-bar linkages offer a promising alternative with regard to constructability, modularity, transformability and control components integration. In achieving improved flexibility and controllability with a reduced number of actuation devices, a kinematics principle has been previously proposed by the authors that involves the reduction of the system to an externally controlled one degree-of-freedom mechanism in a multistep transformation process. The paper presents application of the kinematics principle in two classes of a transformable spatial rigid-bar linkage structure. Investigation of the system kinematics was conducted using parametric associative design. The kinematics principle is applied on a torus-shaped spatial structural system composed of planar interconnected linkages. Alternative motion sequences of multiple transformation steps by the planar linkages can be implemented for the stepwise adjustment of the joints to their desired values. The actuators employed are positioned at the ground supports and are detached from the main structural body. Thus, minimum structural self-weight, simplicity and reduced energy consumption become possible. The transformation approaches using parametric associative design are exemplified based on a selected motion sequence pattern. The case study demonstrates the high degree of control flexibility and transformability of the system.