Neue Bautechnik könnte Material für Brücken um 90 Prozent reduzieren

Eine neue Bautechnik könnte bis zu 90 Prozent des üblicherweise im Brückenbau benötigten Baumaterials einsparen. Grundlage ist ein Verfahren namens „Topologie-Optimierung“, das bisher etwa schon im 3D-Druck eingesetzt wird und an Spinnennetze erinnert. Die Konstruktionsmethode könnte laut den Forschenden bei großflächiger Anwendung mehrere Gigatonnen an CO2-Emissionen einsparen.

Bisher galt das Konstruktionsprinzip der Topologie-Optimierung als zu aufwendig und komplex für praktische Bauaufgaben wie Brücken oder Gebäude. Derartige Bauwerke wären damit aufgrund ihrer geometrischen Komplexität für den realen Bau von Brücken oder Gebäuden bisher schlicht zu teuer und unpraktisch. 

Theorie und Praxis

Die MIT-Forscher lösen dieses Dilemma, indem sie den Optimierungs-Algorithmus mit realistischen „Baugrenzen“ füttern, wie sie in ihrem Paper beschreiben. Statt unbaubarer Freiformen erlaubt es ihr neuer Ansatz, dem Computer von vornherein praktische Bauregeln vorzugeben.

Die Topologieoptimierung wird damit von einem akademischen Spielzeug für den 3D-Druck zu einem skalierbaren Werkzeug für Bauingenieure, das Ästhetik und radikale CO₂-Einsparung mit den harten wirtschaftlichen Realitäten von Budget und Bauzeit vereinbar macht.

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„Beim 3D-Druck ist das Zusammenfügen der Teile einfach“, sagte die Forscherin Josephine Carstensen in einem Blog-Artikel. „Im Bauwesen ist das nicht der Fall. Beim Bauen mit Holz gelten bestimmte Regeln, beim Bauen mit Stahl hingegen ganz andere.“

Algorithmus vereinfacht Wahl

Für ihr Praxis-Modell nutzten die MIT-Forscher Gleichungen, die man als Mixed-Integer-Algorithmen bezeichnet und die Ja/Nein-Entscheidungen ermöglichen, welche Bauteile man verwendet und wie man sie am besten verbindet.

„Man kann ein Bauteil nicht zu 72 Prozent aus Holz und zu 28 Prozent aus Stahl herstellen“, sagte der Forscher Zane Schemmer. „Stattdessen legt das Modell fest: ‚Dieser Fachwerkträger oder dieses Seil wird aus diesem Material gefertigt.‘ Anschließend wird auf Grundlage dieser Entscheidung geprüft, wie sichergestellt werden kann, dass alle Verbindungen die erforderlichen Festigkeitsanforderungen erfüllen.“

Ihr Berechnungsmodell zeigt, wie viele Bauteile an einem Knoten zusammentreffen dürfen, wie groß einzelne Elemente mindestens sein und in welchem Winkel die Bauteile zueinander ausgerichtet werden müssen. 

Außerdem sagt es, welche Bauteile man in einer bestimmten Situation verwenden soll. Holz eignet sich etwa besser, wenn man die CO2-Emissionen möglichst niedrig halten möchte. Stahl bietet aber ebenfalls Vorteile, etwa in Gegenden, wo die Luftfeuchtigkeit hoch ist. Fallweise kann man auch beide Materialien kombinieren.

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Berechnungen auf MacBook Pro

Die Forscher konnten mit ihrer Studie zeigen, wie man den Ansatz tatsächlich in der praktischen Bauwirtschaft anwendbar macht.

Die dazu erforderlichen Berechnungen könnten Baufirmen selbst auf einem leistungsstarken Gerät wie einem MacBook Pro durchführen. Die Forschenden glauben, dass die Möglichkeiten sogar noch steigen, wenn die Rechenleistung von gewöhnlichen Geräten zunimmt.