Kompetenzen Wissen und Erfahrung in der Gebäudehülle

Die Anforderungen an den Komfort und die Qualität eines Gebäudes steigen stetig. Damit hat sich auch die Rolle der Fassade von der einfachen Schutzhülle zu einem komplexen Bauteil gewandelt. Die Fassade bildet die Schnittstelle des Gebäudes zur Umwelt und bestimmt so massgeblich den Energieverbrauch eines Gebäudes.

2014 hat die FG FM die Aktion „Adaptive Facades Network“ der European Cooperation in Science and Technology COST initiiert. In einem Zeitraum von vier Jahren begleiten und vernetzen die Expertinnen und Experten der Forschungsgruppe existierende Forschungstätigkeiten im Bereich adaptiver Gebäudehüllen in Europa, um daraus neue innovative Lösungen und Technologieansätze für zukünftige Fassaden zu generieren. Von diesem gesammelten Wissen profitieren die Wirtschafts- und Projektpartner der Forschungsgruppe.

Die Zukunft der adaptiven Fassaden sieht vielversprechend aus: Moderne energieeffiziente Gebäudehüllen werden zukünftig auf variierende Umweltbedingungen und Nutzerbedürfnisse reagieren und ihre bauphysikalischen, statischen und schützenden Eigenschaften entsprechend verändern können. Die Entwicklung dieser sogenannten adaptiven oder dynamischen Gebäudehüllen erfordert neben der Entwicklung von Einzeltechnologien wie PV, Lichtlenkung, Lüftungstechnik, Smart-Materials, Wärmespeicher usw. vor allem die geschickte Kombination, Integration und Steuerung dieser Komponenten im Gesamtsystem der Gebäudehülle.

In den letzten Jahren konnten durch die Verwendung von Glas innovative und dank ihrer Transparenz architektonisch einzigartige Tragwerke realisiert werden. Der Baustoff Glas wird immer bedeutender. Inzwischen erlauben grössere Glasformate und optimierte Glasveredelungsmöglichkeiten, Glasscheiben auch zur planmässigen Abtragung von Lasten einzusetzen. Hier setzt die Arbeit der FG FM an. Das Team, bestehend aus Ingenieurinnen und Tragwerksplanern mit langjähriger Erfahrung aus Forschung und Praxis, unterstützt Wirtschaftspartner bei der Umsetzung von Visionen. Dabei reicht das Angebot von Konzeptstudien über die Organisation von Forschungsaufträgen bis hin zu Bauteilversuchen an eigens hergestellten Prototypen aus Glas.

Der moderne Metallbau hat sich längst im Hochbau etabliert und liefert Tragwerke von grosser Komplexität. Die ingenieurtechnischen Fragestellungen sind im Zuge dieser Entwicklung gewachsen und heute entsprechend komplex und vielfältig. 

Die FG FM bietet mit eigenem Know-how und bei Bedarf mit zusätzlicher Kompetenz durch das interdisziplinäre Kooperieren mit anderen Forschungsgruppen und Kompetenzzentren der Hochschule Luzern – Technik & Architektur Leistungen für die Partner aus Forschung und Industrie. Das Team berät die Partner bei der Entwicklung von Tragstrukturen bis zur prüffähigen Baustatik.

Begrünungen in Städten tragen einen wesentlichen Beitrag zur Reduktion des Urban Heat Island Effekt bei, indem die Energie der Sonne direkt durch die Pflanzen absorbiert und nicht in die Oberflächen der Städte eingetragen wird. Das Kompetenzzentrum Gebäudehülle & Ingenieurbau beschäftigt sich mit der Umsetzung von Fassadenbegrünungen. So konzentriert sich die Forschungsarbeit an begrünten Fassaden auf die Ermittlung der Kräfte aus den Pflanzen auf die Tragstruktur infolge Wind, Bewuchs, Schnee und Eigenlasten. Um die Vorteile von Fassadenbegrünungen den Bauherren aufzeigen zu können und den Mehrwert von Fassadenbegrünungen zu untermauern, stehen weitere Forschungsthemen wie die Ermittlung der Verschattungswirkung sowie deren Kühllasten auf die Fassade unterschiedlicher Kletterpflanzenarten im Fokus der Forschungsarbeit. Durch die Ermittlung dieser bauphysikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen Pflanzenarten an der Fassade können die Vorteile auf das Gebäudeklima und die Verringerung des Energiebedarfs aufgezeigt werden.

Reduziertes Bauen, Freiformen und temporäre Bauten verlangen nach angepassten Bauweisen und Baumaterialien. Das Team der FG FM beherrscht das dafür nötige spezielle ingenieurtechnische Wissen sowie die Erfahrung im Planen, Herstellen und Aufrichten dieser speziellen Konstruktionen.

In den Labors der Hochschule Luzern – Technik & Architektur werden Verbindungsmittel aller Art auf ihre Eigenschaften hin geprüft. Die Leistungsfähigkeiten von Schrauben, Nieten, Dübel, Schweissnähten und Verklebungen werden auf ihre Bruchkraft untersucht.

Normen und Fachliteratur bieten heute umfassende und weitgehend einfache Regeln und Informationen darüber, wie die Windkraft die Konstruktion belastet. Trotzdem gibt es bei speziellen Gebäudeformen oder aussergewöhnlichen Standorten immer wieder Diskussionen, welche Werte als plausibel angenommen werden sollen. An diesem Punkt kommen kostspielige Windkanalversuche ins Spiel. Wirtschaftlicher und genauso zuverlässig sind dagegen Strömungssimulationen am Computer. Die FG FM besitzt sowohl die notwendige Hard- und Software als auch die notwendige Kompetenz, um solche CFD-Analysen durchzuführen und die wirkenden Windlasten zu berechnen.

Berechnungen von Produkten mit unterschiedlichen Materialien sowie komplizierten Geometrien stimmen bei Handrechnungen meist nicht mit der Realität überein. Mit der FEM werden in Modellen die realen Begebenheiten exakter berechnet als dies in Handrechnungen möglich ist. Die Schwierigkeit dieser Berechnungen liegt beim Modellieren des realen Bauteils, Eingabe der exakten Werkstoffparameter sowie der Plausibilisierung der Ergebnisse. Die FG FM besitzt das Knowhow und die entsprechende Software, um Bauteile möglichst genau berechnen zu können.