Mechanismenbasierte Entwicklung und Validierung einer strukturellen Zustandsüberwachung für klima-adaptive architektonische Cottonid-Elemente

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Walther; Professor Dr. Cordt Zollfrank
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325009350

Cottonid ist ein Cellulose-basierter, nachhaltig verfügbarer Werkstoff, der aufgrund der Verknappung endlicher fossiler Ressourcen heute wieder großes Potential birgt. Als Funktion der Materialstärke kann Cottonid sowohl als nachhaltiger klima-adaptiver Funktions- als auch dimensionsstabiler Konstruktionswerkstoff eingesetzt werden, was ideale Voraussetzungen für die Herstellung von architektonischen Elementen für konventionelle strukturelle Anwendungen als auch für die innovative biomimetische Architektur sind. In der ersten Projektphase wurde der grundlegende Einfluss einzelner Herstellungs- sowie Umgebungsparameter auf das Materialverhalten untersucht und der Herstellungsprozess im Hinblick auf eine gesteigerte Hygroskopizität optimiert. Auf Basis der Ergebnisse konnte ein grundlegendes Verständnis der Interaktion von Cottonid mit der Umgebung aufgebaut werden.Im Fortsetzungsantrag wird im Hinblick auf die Anwendung von Cottonid als architektonisches Element die Einbringung von Sensorik in den Werkstoff Cottonid für eine strukturelle Zustandsüberwachung (SHM) erforscht. Das Herstellungsprinzip von Cottonid über zu schichtende Papierlagen birgt großes Potential für die Einbettung zustandsüberwachender Sensorik. Eine der zentralen wissenschaftlichen Fragestellung hierbei ist, in wieweit bspw. faseroptische Sensoren zur Temperatur- und Dehnungsmessung (FBG) den Pergamentierungsprozess überstehen und ihre Funktionsweise erhalten bleibt. Dies soll zunächst mittels physikalisch-chemischer Analysemethoden und anschließend als Funktion der Materialstärke in Aktuationsversuchen bzw. mechanischen Untersuchungen verifiziert werden. Dabei wird auch die elektrische Widerstandsmessung zur Beurteilung der Materialfeuchte betrachtet und weiterentwickelt. Weiterführend wird auch ein innovatives Verfahren zur strukturellen Zustandsüberwachung untersucht, in dem die Cottonid-Proben mit piezoelektrischem Zinkoxid zur intrinsischen Dehnungsmessung modifiziert werden. Über begleitende Langzeitexperimente sollen umwelt- und wetterspezifische Dehnungsspektren von Cottonid aufgenommen werden. Über weitere Proben wird zuletzt die biologische Abbaubarkeit des Materials untersucht. Der in der ersten Projektphase optimierte Herstellungsprozess wird mit dem vorliegenden Fortsetzungsantrag weiterentwickelt, um die anwendungsorientierte Einbringung von Sensorik zur strukturellen Zustandsüberwachung klima-adaptiver architektonischer Cottonid-Elemente zu realisieren. Über weiterführende analytische Untersuchungen sowie Quell- und Ermüdungsexperimente, sollen Funktionalität und Performance überprüft sowie essentielle Erkenntnisse zum Materialverhalten sowie dessen Langzeiteigenschaften unter echten Wetterbedingungen abgeleitet werden. Durch die Einbringung der SHM-Sensorik und die Untersuchung innovativer biomimetischer Verfahren in diesem Bereich, soll mit dem Projekt eine Brücke zur Anwendung von Cottonid-Elementen in Architektur und dem Bauingenieurwesen geschlagen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen