Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Wellershoff

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Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Wellershoff

HafenCity Universität
Bauingenieurwesen, Architectural Engineering

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Bauingenieurwesen, Architectural Engineering

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Wer klassische Musik hört, liebt sie und wer im Hafen arbeitet, sieht sie – und das täglich: Die Elbphilharmonie gehört zu den jüngsten Wahrzeichen der Hansestadt und ist dies nicht zuletzt wegen ihrer markanten Glasfassade. Doch gerade der Bau solch imposanter Fassaden ist von verschiedenen Seiten zu betrachten – aus ästhetischer Sicht sind gläserne Gebäude zwar opulent und lichtdurchflutet, aus technischer Perspektive sind sie jedoch gefährdet bei Stürmen und können ohne genaue Planung die Räume dahinter stark aufheizen.

Konstruktive Entwicklung neuer Fassadensysteme und individueller Gebäudehüllen

Die Tragfähigkeit einer Baukonstruktion muss gewährleisten, dass während der gesamten Nutzungszeit keine Gefahren durch mechanisches Versagen bestehen. Für neue Fassadensysteme sind zumeist auch neue Elementverbindungen zu entwickeln, zum Beispiel für die Nutzung alternativer Fassadenwerkstoffe wie GFK, CFK, Brettschichtholz aus Eiche, oder Baubuche. Gebäudehüllen werden meistens gebäudeindividuell geplant. Neben standortbezogenen Klimabedingungen sind häufig gebäudespezifische Sonderlasten wie Erdbeben oder Explosionsdruckwellen zu beachten. Die Folgen solcher Sonderlasten können durch energievernichtende Crashzonen in der Fassade wesentlich gemindert werden. Professor Wellershoff erforscht im Labor für Baustoffprüfung neue Fassadenwerkstoffe hinsichtlich ihrer Materialcharakteristiken und im Labor für Bauteilprüfung die Tragfähigkeit von Anschlüssen beziehungsweise ganzer Fassadenelemente unter statischen, zyklischen oder stoßartigen Belastungen. Unterstützt wird die Entwicklungsarbeit durch numerische Simulationen, wobei die Computermodelle anhand der Laborversuche verifiziert werden.

Ganzheitliche Raumkomfortplanung

Raumnutzer:innen wünschen sich einen bestmöglichen Raumkomfort, der durch verschiedenste bauphysikalische Größen definiert wird: Temperatur der Raumluft sowie der Raumoberflächen, Luftfeuchtigkeit, Luftbelastungen durch Feinstaub, Stickoxide oder Kohlendioxid, Luftströmungsgeschwindigkeit, Tageslichtversorgung, Blendung am Arbeitsplatz, Schallbelastung durch Außenlärm sowie Raumakustik. Ohne besondere Betrachtung des erforderlichen Energieaufwands wurden seit den 1950 Jahren permanent geschlossene, vollverglaste Fassaden gebaut, die ein Höchstmaß an verfügbarem Tageslicht und hohen Außenlärmschutz gewährleisten. Mit innenliegenden Blendschutz und Klimaanlagen wurden die gewünschten Zielwerte angestrebt. Diese Herangehensweise vernachlässigt jedoch zwei Aspekte: Erstens sind die Nutzer:innen zumeist unglücklich der Klimatisierung ausgesetzt, zweitens ist der Stromverbrauch der Vollklimatisierung sehr hoch. Eine ganzheitliche Raumkomfortplanung strebt daher an, ein gutes Raumklima mit geringstem Energieaufwand zu erzielen. Professor Wellershoff entwickelt mit diesem Gedanken neue Fassadensysteme und Steuerungsroutinen. Hierfür werden numerische Modelle entwickelt, die durch Messungen im Studio für Raumkomfort verifiziert werden.

Expertenwissen für Fassadensysteme und Gebäudehüllen

Die Planungsaspekte einer Fassade beziehungsweise Gebäudehülle – Design, Sicherheit, Nutzerkomfort und energetische Effizienz – hat Professor Wellershoff kritisch im Blick. Allesamt Aspekte, die Spezialwissen in der Architektur, Baukonstruktion, Statik, Dynamik, Bauphysik und Gebäudetechnik voraussetzen. Durch die Entwicklung von ganzheitlichen Konzepten unterstützt Professor Wellershoff mit seinem interdisziplinären Team aus Architekt:innen und Ingenieur:innen die Bauherr:innen sowie Fassadenbauer:innen.

Aktuelle
Forschungsprojekte /
Aktivitäten

Elementfassaden aus Laubholz

Zwei Designtrends prägten den Fassadenbau in den letzten Jahren. Geschosshohe Verglasungen und immer schmalere Fassadenprofile –zumeist aus Aluminium. Professor Wellershoff forscht in diesem Kontext zu alternativen Systemlösungen mit Holzprofilen. Als nachwachsender Rohstoff kann Holz in der Fassade einen nachhaltigen Beitrag für die ökologische Gebäudebilanzierung leisten und bietet alle wesentlichen bauphysikalischen und mechanischen Voraussetzungen. Holz besitzt eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit sowie ausreichende Steifigkeit und Festigkeit. Um bei der ästhetisch gewünschten Querschnittminimierung mitzuhalten, könnten hochfeste Laubhölzer genutzt werden und die Verglasung aussteifend mit den Holzprofilen verbunden werden. So wird es möglich, hochtransparente Gebäudehüllen durch hybride Fassadenelemente aus Holz und Glas zu kreieren.

Projektstatus: Laufend

Planungsleitfaden für natürlich belüftete Doppelfassaden

Aktuell gibt es keine integralen Planungsansätze für natürlich belüftete Gebäude mit Doppelfassaden. Als Folge dessen sind bereits in den frühen Planungsphasen entsprechender Gebäude aufwändige thermische Gebäudesimulationen erforderlich. Diese zeitaufwändigen und teuren Simulationen werden jedoch zumeist nicht mehrfach in den iterativen architektonischen Entwurfsprozess eingebunden, sodass wichtige energetische und bauphysikalische Aspekte erst zu einem späten Entwurfsstand bedacht werden, wenn grundlegende Entwurfsänderungen der Fassade nicht mehr umsetzbar sind. Eine geringfügige Qualität des sommerlichen Wärmeschutzes kann daraus resultieren. Der Planungsleitfaden von Professor Wellershoff soll diese Planungslücke schließen und qualitativ aussagekräftige Informationen für frühe Planungsphasen liefern.

Projektstatus: Laufend

Nachbruchverhalten von Verbundglas

Die Resttragfähigkeit von Verbundglasscheiben wird bestimmt durch viele Einflüsse wie Scheibenformat, Scheibenlagerung, Glasdicke, Vorspanngrade der Glasschichten, Verbundfolienart und Foliendicke sowie der Adhäsion der Verbundfolie zum Glas. Derzeit wird die Resttragfähigkeit durch aufwendige Bauteilversuche im 1:1 Maßstab nachgewiesen. Für eine zukünftige rechnerische Bestimmung der Resttragfähigkeit werden numerische Modelle entwickelt. Zur Verifizierung dieser Modelle werden Bruchversuche mit variierenden Temperaturen und Druckraten durchgeführt.

Projektstatus: Laufend

Wellershoff, F.; Illguth, M.: Numerical prediction concepts for the residual strength of laminated glass applications; Glass Fracture Symposium 2019, 07.06.2019 TU Darmstadt

Wellershoff, F.; Illguth, M.: Verbundglas Bulge Tests, HCU Zwischenbericht 23.11.2018

Qualitätskontrolle von Glasprodukten

Zur Überwachung der Glasqualität eines chinesischen Lieferanten werden im Auftrag einer Fassadenbaufirma regelmäßig Untersuchungen durchgeführt. Die Oberflächenzugfestigkeiten der Produktionschargen werden durch Doppelringbiegeversuche sowie Vierpunktbiegeversuche überprüft. Anhand statistischer Auswertungen kann bestimmt werden, ob das Glas den Europäischen Qualitätsstandards genügt.

Projektstatus: Laufend

Bypass-Doppelfassade: Doppelfassadensystem mit optional getrennter natürlicher Belüftung des Innenraumes und des Fassadenzwischenraumes

Durch die Bypass-Doppelfassade wird ein winterlicher und sommerlicher Wärmeschutz bei ausschließlich natürlicher Lüftung gewährleistet. Besonders an dieser Fassade ist die variable Luftströmung, die über den Fassadenzwischenraum oder alternativ über einen Bypass-Kanal geleitet werden dann. Hierbei wird bei Bedarf das solarthermische Aufheizen der Zuluft im Fassadenzwischenraum vermieden. Ein weiterer Vorteil des Bypasses liegt im gleichzeitigen Lärmschutz während der natürlichen Lüftung. Dies wird erreicht, indem der Kanal wie ein Schalldämpfer ausgebildet wird.

Projektstatus: Abgeschlossen

Wellershoff, F.; Friedrich, M.; Schweers, K.: Design recommendations for bypass double-skin façades, Advanced Building Skins, Bern, 2019, ISBN: 978-3-9524883-0-0

Wellershoff, F.; Friedrich, M.; Schweers, K.: EnOB: Bypass-Doppelfassade – Doppelfassadensystem mit optional getrennter natürlicher Lüftung des Innenraums und des Fassadenzwischenraums, Abschlussbericht, HafenCity Universität Hamburg, 15.02.2019

Wellershoff, F.; Friedrich, M.; Schweers, K.: Natürliche Lüftung und Nutzerkomfort, Glasbau 2017, Seite 17-29, 2017, ISBN: 978-3-433-03171-1

Struck, C.; Almeida, M.; Silva, S.; Mateus, R.; Lemarchand, P.; Petrovski, A.; Rabenseifer, R.; Wansdronk, R.; Wellershoff, F.; de Wit, J.: Adaptive façade systems – review of performance requirements, design approaches, use cases and market needs; 10th Conference on Advanced Building Skins , Bern, 2015

Entwicklung eines 2-fach gekrümmten und tordierten Brettschicht-Holzträgersystems für doppelt gekrümmte Gebäudehüllen inklusive ressourcen-schonender Fertigungstechnik

Das Ziel der Kooperation zwischen der Hafen City Universität und Hess Timber Limitless war die Entwicklung eines einzigartigen Holzträgersystems, das als Basis-Segment für doppelt-gekrümmte Holz-Gitterschalen eingesetzt werden kann. Bei diesen architektonisch beeindruckenden Konstruktionen werden alle Verbindungen zwischen den Brettschichtholzträgern unsichtbar in die Holzquerschnitte integriert.

Projektstatus: Abgeschlossen

Wellershoff, F.; Baudisch, R.; Pocavec, M.: Design optimization of glued-laminated timber freeform structures with multi-objective constraints, IASS Conference Hamburg, 2017, ISSN 2518-6582

Wellershoff, F.; Baudisch, R.; Pocavec, M.: Entwicklung eines 2‐fach gekrümmten und tordierten Brettschicht‐Holzträgersystems für doppelt gekrümmte Gebäudehüllen, inkl. ressourcenschonender Fertigungstechnik / Entwicklung der Trägerstruktur, der Anschlusstechnik und des Bemessungs‐, Planungs‐ und Rückkopplungssystems, BMWi-ZIM Forchungsprojekt ZF4004901WZ5, Abschlussbericht 31.10.2017

Zukunftsvision

Im konstruktiven Bereich würde Professor Wellershoff gerne bauaufsichtlich anerkannte Bemessungsregeln für primäre Tragelemente aus Glas entwickeln oder Fassadensysteme, die als Schwingungsdämpfer die Erdbebensicherheit von Gebäuden verbessern. Im energetischen Bereich sieht Professor Wellershoff hohe Potenziale in der fassadenintegrierten Windenergiegewinnung. Auch der Raumkomfort könnte optimiert werden, durch die Methoden der Künstlichen Intelligenz in der Fassadensteuerung oder durch die Vermeidung von innerstädtischen Hitzeinseln durch Fassadenbegrünung.

Schwerpunkte

  • Energetische Fassaden- und Gebäudetechnik
  • Regenerative Energien im Fassadenbau: Solarthermie, Photovoltaik, Windenergie
  • Raumnutzungskomfort: Steuerung von Wärme, Luft, Licht, Schall
  • Lastkorrelationen im Fassadenbau: Wind, Schnee, Solarstrahlung, Feinstaub
  • Fassadenplanung für besondere Lasten: Feuer, Anprall, Absturz, Explosion, Erdbeben
  • Glasbau und Glashybridbau: Anschlüsse, Tragfähigkeit, Resttragfähigkeit
  • Freiformgitterschalen: Netzgenerierung, Elemente, Verbindungen, Bemessung
  • Elementfassaden aus Stahl, Aluminium, Kunststoff oder Holz
  • Neue Werkstoffe und Produkte im Fassadenbau: Holzverbundwerkstoffe, Glasfaserverstärkte Kunststoffe, Glaskeramik
  • Bauaufsichtliche Zulassungen und Zustimmungen im Einzelfall

Kooperationen

Normungsgremien:

  • NA 005-09-25 AA, Bemessungs- und Konstruktionsregeln für Bauprodukte aus Glas
  • CEN TC 250 / WG 3, structural glass: national representative

Verbandsgremien:

  • Fachverband Konstruktiver Glasbau: Technischer Beirat
  • bauforum Stahl: Arbeitsgemeinschaft Stahl und Glas

Forschungsnetzwerke:

  • COST Action TU0905 “Structural Glass- Novel Design Methods and Next Generation Products”
  • COST Action TU1403 “Adaptive façade network”

Interessiert an

  • Entwicklung adaptiver Fassadensysteme und intelligenter Fassadensteuerungen zur Anpassung an zeitveränderliche Randbedingungen (Lufttemperatur, Luftfeuchte, solare Strahlung, Lärm, Innenraumbelegung)
  • Entwicklung von Fassadensystemen für besondere Belastungen (Explosion, Erdbeben)
  • Nutzung nachwachsender Rohstoffe im Fassadenbau (Holz)
  • Primäre Tragelemente aus Glas (Stützen, Träger, Schubfelder)
  • Hochtragfähige Glasanschlüsse (Bolzen, Klebverbindungen)
  • Fassadenbegrünung
  • Windenergiegewinnung in der Gebäudehülle

Professor Wellershoff verfügt über umfangreiche Erfahrungen in der Zusammenarbeit mit Behörden, Bauunternehmen sowie Architektur- und Ingenieursbüros jeglicher Größenordnung. Er ist offen für Aufträge zu allgemeinen Bauaufsichtlichen Zulassungen (Bauarten und Verbindungsmittel) als auch für Zustimmungen im Einzelfall (Trag- und Resttragfähigkeit, Absturzsicherung, begehbare Verglasungen, Überkopfverglasungen). Kompetenzen sucht er für die Bereiche: Klebtechnik, Fassadenbau, Architekten, TGR-Planer, Windkanal- und Windingenieurtechnik, Thermodynamik sowie Materialtechnologie.

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