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Origami-Bauweise kann leichte Bauwerke stabiler machen
Leichte Dächer und gewölbte Tragwerke sollen stabil sein, ohne viel Material zu verbrauchen. Ein neues Origami-Verfahren setzt auf einzeln gefaltete Metallmodule, die sich zu starren Gitterschalen verbinden. In einer Simulation war eine solche Struktur bis zu 3,5-mal steifer als eine Vergleichsanordnung bei gleicher Masse. Für fertige Gebäude muss das Prinzip noch erprobt werden.
Cambridge (U.S.A.). Weitgespannte Dächer und andere gekrümmte Tragwerke müssen erhebliche Kräfte abfangen. Übliche Konstruktionen benötigen dafür häufig zahlreiche Verbindungselemente oder aufwendige Fertigungsschritte. Beim sogenannten strukturellen Origami sollen dagegen geschickt angeordnete Falten dünne Bleche in tragfähige Raumformen verwandeln.
Doch die Herstellung großer gefalteter Flächen ist schwierig, weil sich viele Knicklinien gleichzeitig in die richtige Stellung bewegen müssen. Zudem soll die fertige Struktur nicht nachgeben, obwohl ihre Bauteile möglichst leicht sind. Ein modularer Aufbau könnte beide Probleme entschärfen.
Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) um Alfonso Parra Rubio haben dafür ein Verfahren entwickelt, das auf geometrischen Faltmustern von Ron Resch beruht. Anders als bei einer einzigen großen gefalteten Fläche berechnen und fertigen sie viele kleinere Einheiten, die anschließend zu einer zusammenhängenden Gitterschale verbunden werden. Die wissenschaftliche Arbeit untersucht deren Geometrie und mechanische Eigenschaften.
Ausgangspunkt jeder Einheit sind zwei dreibeinige, aus flachem Blech gefaltete Zellen. Durch ihre besondere Verdrehung blockieren sie gegenseitig ihre Bewegungsmöglichkeiten, sodass aus zwei zunächst beweglichen Teilen ein starrer Baustein entsteht. Die verbundenen Module bilden ein wabenähnliches Netz aus ineinander verwobenen Hohlträgern.
„Aufgrund der Gestaltung der einzelnen Zellen kann die Struktur nur in einer einzigen Konfiguration existieren. Die Verbindung ist überall gleich, obwohl jede einzelne Zelle anders ist“, erklärt Alfonso Parra Rubio.
Die einzelnen Zellen müssen nicht identisch sein, weil ihre Abmessungen an die gewünschte Krümmung angepasst werden. Ein Rechenverfahren bestimmt dafür lokale Faltmuster, aus denen sich auch einfach oder doppelt gekrümmte Oberflächen zusammensetzen lassen. Zur Fertigung werden die Umrisse und Knicklinien in Metallplatten eingeschnitten oder eingefräst, bevor die Teile gefaltet und verschraubt oder vernietet werden.
Um die Wirkung der Anordnung zu prüfen, verglichen die Forscher zwei unterschiedlich zusammengesetzte Faltgitter in einer Computersimulation. Beide bestanden aus Aluminiumblech, besaßen dieselbe Fläche und eine Masse von jeweils 160 Gramm. Unter einer mittig aufgebrachten Last von 30 Newton war das verwobene System bis zu 3,5-mal steifer als die Vergleichskonstruktion.
Den Vorteil führen die Autoren darauf zurück, dass die Träger über die Knoten hinweg zusammenhängende Querschnitte bilden und Kräfte in drei Richtungen verteilen. Zudem reichen für die geometrische Verriegelung zwei Materiallagen aus, während einige andere Origami-Konzepte dafür drei benötigen. Eine pauschale Materialeinsparung gegenüber üblichen Gebäuden ist daraus noch nicht ableitbar.
„Das hilft uns, stabile Strukturen zu bauen und dabei die eingesetzte Materialmenge zu minimieren“, erklärt Alfonso Parra Rubio.