Bionik im konstruktiven Ingenieurbau

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1 OSTBAYERISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE REGENSBURG Bionik im konstruktiven Ingenieurbau Bachelorarbeit Wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Engeneering (B.Eng.) Vorgelegt von: Felix Nichelmann Matrikelnummer: Bearbeitungszeit: Betreuer: Drei Monate Prof. Dr.-Ing Othmar Springer Regensburg,

2 Gliederung Eigenständigkeitserklärung Vorwort Bionik Vorbilder aus der Natur Erläuterung Baum Kerbwirkung Baumstützen Anwendungsbeispiele Beispiel 1: Optimierte Kerben Beispiel 2: Baumstützen Termitenhügel Erläuterung Klimaanlage Aufwindkraftwerk Knochenbau Erläuterung Beispiel Eiffelturm Vergleich Eiffelturm-Fernsehturm Vogelknochen Pflanzenversteifungen Erläuterung Versuch: Funktionsmodell Grashalm Versuchsaufbau Durchführung Versuch Durchführung Versuch

3 Versuchsauswertung Anwendungsbeispiele Befestigungselement Straßenlaterne Berechnung Analogie zur Technik Fazit Ausblick Literaturverzeichnis Internetquellen Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang... 52

4 Vorwort Der menschliche Schöpfergeist kann verschiedene Erfindungen machen (...), doch nie wird ihm eine gelingen, die schöner, ökonomischer und geradliniger wäre, als die der Natur, denn in ihren Erfindungen fehlt nichts, und nichts ist zu viel. Dieses Zitat von Leonardo da Vinci zeigt, wie bedeutend die Natur als Vorbild für technische Erfindungen und Optimierungen durch den Menschen ist. Das Thema dieser Arbeit lautet Bionik im konstruktiven Ingenieurbau. In dieser Bachelorarbeit werden natürliche Entwicklungen und evolutionäre Prozesse untersucht und inwieweit diese das ingenieurmäßige Denken und technische Umsetzen prägen. Einige Beispiele zur Nachahmung der Bauweise der Natur sind in der Literatur schon enthalten und behandelt worden, jedoch besteht dafür, speziell im konstruktiven Ingenieurbau, noch ein enormes Optimierungspotential. Unter dem Oberpunkt Vorbilder aus der Natur wird unter anderem auf das Tragverhalten von Bäumen und Knochen eingegangen. Um mögliche technische Verbesserungen zu erfassen und das Tragveralten von Pflanzen zu verstehen, stellte ich einen Versuch an einem Modell eines Grashalmes an. Bionik Abbildung 1: Versuch Die Bionik (auch Biomimikry, Biomimetik oder Biomimese) befasst sich mit der Lösung technischer Fragen nach Vorbildern aus der Natur. Pflanzen und Tiere

5 mussten im Laufe ihrer Entwicklungsgeschichte viele konstruktive Probleme lösen, um durch evolutionäre Prozesse ihre Strukturen, Materialien oder Funktionen zu optimieren. Diese Erfindungen der Natur sind seit jeher für Ingenieure sehr interessant. Mit dem Traum vom Fliegen begann die Geschichte der Bionik analysierte Leonardo da Vinci den Vogelflug und versuchte, seine Erkenntnisse auf Flugmaschinen zu übertragen. Jedoch kann man die Technik der Natur nicht einfach kopieren. Erste Versuche mit flügelschlagenden Flugmaschinen scheiterten meist sehr schnell. Der Erfolg kam erst, als man ein Verständnis dafür entwickelte, wie ein Vogel im Gleitflug fliegen kann. Bionische Prozesse und Entwicklungen stellen meist eine hohe Nachhaltigkeit dar, die es auch im Bauwesen zu erreichen gilt. Ausblick Wie man sieht, gibt es für Ingenieure einige Anhaltspunkte, um sich bei Entwicklungen von Bauwerken oder deren Optimierung an der Natur zu orientieren. Jedoch besteht noch enormes Potenzial, die Natur zu verstehen und sich technisch zunutze zu machen. Die Natur hat über Millionen von Jahren bewiesen, dass es möglich ist, nachhaltig zu konstruieren und gegebenenfalls Lösungen zur Optimierung zu entwickeln. Speziell in der heutigen, rohstoffärmer werdenden Zeit ist es extrem wichtig, das Augenmerk auf die Nachhaltigkeit neuer Entwicklungen zu legen. Damit verbunden ist die Ressourcenschonung, die in den letzten Jahren sehr an Bedeutung gewonnen hat. Besonders das Thema Thermische Konvektion beinhaltet dazu noch deutliche Defizite. Aufwindkraftwerke können noch verbessert und in weiten Teilen der Welt eingesetzt werden. Ein ebenso großes Optimierungspotenzial steckt in der Gebäudeklimatisierung mittels natürlicher Konvektion. In meiner Arbeit konnte nur ein kleiner Teil der Bionik abgehandelt werden.