Piezo-Klett: Entwicklung piezoelektrischer Klettanwendung zur Energieversorgung aktiver Sensorik im Bauwesen

Status

laufend

Ausgangssituation/Motivation

In Anbetracht des hohen CO2-Ausstoßes im Bauwesen und des fortschreitenden Klimawandels gilt es, die Resilienz von Gebäuden und Städten durch eine Steigerung der Anpassungsfähigkeit, Langlebigkeit, Energie- und Ressourceneffizienz zu erhöhen. Die österreichische Klima- und Energiestrategie und der europäische „Grüne Deal" betonen in diesem Zusammenhang die Kreislaufwirtschaft und die Potentiale der Digitalisierung.

Ein resilientes Gebäude erfordert in erster Linie eine entsprechende Ausbildung der konstruktiven Schnittstellen von Primärstruktur (Rohbau) zu Sekundärstruktur (Ausbau) und dem Management tertiärer Strukturen (Technik). Die Anforderungen sind trennbare Verbindungen zwischen kurzlebigen und langlebigen Bauteilen, Instandhaltungsfreundlichkeit, Zugänglichkeit und ein hoher Grad an Standardisierung.

Um die gegebenen Anforderungen gewährleisten zu können ist ein Umdenken im Konstruieren und Planen der Schnittstellen notwendig. Wie die diesem Projekt vorausgehende Sondierung "Klett-TGA" zeigt, erfüllt die Klettverbindung diese Ansprüche besser als konventionelle Methoden. Zusätzlich bietet Klett einfache, saubere und schnelle Montageprozesse, schadensfreie und lösbare Verbindungen und ein einheitliches Verbindungssystem, welches auf nahezu alle Bauelemente unterschiedlicher Zulieferer angewendet werden kann.

Resilienz im Bauwesen erfordert in weiterer Folge intelligente Gebäude. Entsprechende Sensorik im Besonderen aktive Transponder bieten durch eine KI-gestützte Analyse und Aufbereitung von Daten Möglichkeiten des Predictive Modellings bzw. Predictive Maintenance. Es werden wertvolle Erkenntnisse geliefert, die die Resilienz weiter steigern und die Wartung erleichtern. Die Montage der bevorzugten Sensoren ist aufgrund der Verkabelung jedoch aufwendig oder die Lebensdauer aufgrund der fix verbauten Batterie begrenzt.

Inhalte und Zielsetzungen

Zur Lösung dieses Problems schlägt das vorliegende Projekt vor, das Gebäude/Gebäudeteile als Energiegeneratoren zu betrachten und durch die Anwendung von Klettverbindungen in Kombination mit piezoelektrischen Material, ein so genanntes Energy Harvesting zu betreiben.

Durch Vibrationen, Luftströmungen oder Dehnungen auftretende Spannungs- und Lastwechsel in Gebäuden (Windlasten/Fassade, Verformungen; Schwankung bei Hochhäusern, Lastfällen an Konstruktionsknoten; Membrankonstruktionen), kann autark Energie erzeugt werden. 

Aus der Sicht der Planung und Konstruktion (Ingenieursleistung), werden Gebäudeteile für den Piezo-Effekt optimiert. Das Projektziel ist es, Klett nicht nur zum Zwecke der Verbindung, sondern auch als Energieerzeuger, zur autarken Versorgung aktiver Sensorik zu nutzen um anfallende Daten hinsichtlich Predictive Modeling und Übertragungszyklen zu organisieren.

Methodische Vorgehensweise

Das fachübergreifend positionierte Projekt umschließt den Schwerpunkt der Baukonstruktion, der Verbindungstechnik anhand der Klettverbindung, des piezoelektrischen Effektes, der aktiven Sensorik und der Digitalisierung im Bauwesen.

Die Umsetzung erfolgt anhand systematisch aufbauenden Arbeitsschritten wie der fachübergreifenden Recherche und Analyse, der Entwicklung von Konzepten und Anwendungen, der Potentialabschätzung und Überprüfung ausgewählter Konzepte anhand von maschinellen Prüfverfahren sowie der abschließenden Evaluierung der Versuchsergebnisse.

Erwartete Ergebnisse

Das angestrebte Ergebnis besteht in einer Verifikation der Projektidee durch Quantifizierung der gewinnbaren elektrischen Energie in Abhängigkeit des Applikationsfalls sowie in einem umfassenden, fachübergreifenden Erkenntnisgewinn im Hinblick auf Konzepte und Anwendungen in Architektur und Bauwesen.

Projektleitung

Institut für Architekturtechnologie, Technische Universität Graz

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• Labor für Konstruktiven Ingenieurbau, Technische Universität Graz
• Axtesys GmbH, Graz
• NET-Automation GmbH, Zeltweg
• Anja Lund, Chemistry and Chemical Engineering, Chalmers University of Technology, Sweden

Technische Universität Graz,
Institut für Architekturtechnologie
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Architekt Roger RIEWE
Rechbauerstr. 12/I
A-8010 Graz
Tel.: +43 (316) 873 6300
E-Mail: riewe@tugraz.at
Web: http://www.iat.tugraz.at/

Stellvertretende Projektleitung
Dipl.-Ing. Matthias RAUDASCHL
Tel.: +43 (316) 873 6308
E-Mail: matthias.raudaschl@tugraz.at

Stellvertretende Projektleitung
Dipl.-Ing. Toni LEVAK
Tel.: +43 (316) 873 6307
E-Mail: toni.levak@tugraz.at