Simulation Wie ein Gartenzaun Überflutungen verhindert

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Er sieht aus wie ein Weidenzaun, doch dahinter steckt mehr – ein nachhaltiges Entwässerungssystem, das in Kopenhagen Regenwasser sammelt und ableitet. Durch einen simulationsgestützten Entwurfsprozess wurde diese Struktur zu einem Multitalent.

Bodenkunde, Wasserchemie sowie die Wechselwirkung zwischen Boden, Wasser, Pflanzen und Mikroorganismen – das sind die Fachgebiete von Prof. Jensen. Durch ihren Forschungsschwerpunkt auf städtischem Wohnraum arbeitet sie mit Planern und Landschaftsarchitekten zusammen und richtet ihre Karriere auf eine ganzheitliche menschliche Perspektive des Stadtlebens aus.

In Kopenhagen müssen dabei die häufigen Regenfälle in einer dicht bebauten Umgebung berücksichtigt werden. Da das Regenwasser nicht im Boden versickern kann, wenn es auf Dächer, Straßen und andere undurchlässige Flächen fällt, können starke Regenfälle Abwasserkanäle und Kläranlagen überfordern und die Straßen mit einer Mischung aus Regen und Abwasser überfluten. Um diese Risiken besser zu bewältigen, arbeiten Prof. Jensen und ihr Team an der Entwicklung nachhaltiger Stadtentwässerungssysteme (sustainable urban drainage system, kurz: SUDS).

Von einem Dach zum anderen

Im Rahmen einer von der Regierung geförderten Initiative begann 2013 ein multidisziplinäres Team damit, ein 5-Jahre-SUDS-Programm für ein dicht besiedeltes Kopenhagener Viertel zu entwickeln. Die Idee war, das gesammelte Regenwasser nicht in die Kanalisation zu leiten, sondern es von dem Dach eines Gebäudes mittels der Schwerkraft an die Oberkante einer freistehenden Wandstruktur zu drücken, um es dort verdunsten zu lassen.

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Wie eine Art vertikale Pfütze hält die „Green-Screen“-Struktur das Wasser über dem Boden, wo es durch Verdunstung verteilt werden kann. Das nach oben gedrückte Regenwasser fließt über eine offene, perforierte Rinne weiter nach unten in den Körper des Screens, wo es von Mineralwollblöcken absorbiert wird. Dieses Material fungiert im als Schwamm, der das Wasser vom Dach aufnimmt und dann nach und nach an die Luft abgibt. Sind die Mineralwollblöcke durch Regenfälle vollständig gesättigt, wird ein Teil des Wassers aus der Struktur abgegeben und in einer Erd-Kammer aufgefangen, wo es zur Bewässerung von Weinreben und Zierpflanzen dient. Das sorgt für eine üppige Vegetation und fördert die Artenvielfalt.

Positive Nebeneffekte des Systems

„Die Struktur leitet möglichst viel Wasser ab und beansprucht dabei so wenig Platz wie möglich“, erklärt Kristoffer Ulbak, Bauingenieur mit Schwerpunkt Wassermanagement im Green-Screen-Projekt. „Und wir lösen damit nicht nur das Wasserproblem. Der Green Screen dient als Lärmschutzwand und könnte möglicherweise auch Feinstaub absorbieren“, sagt er. Außerdem entsteht durch die Verdunstung ein Ort, wo sich die Menschen abkühlen können, und der Wärmeinseleffekt, bei dem es in Städten oft deutlich wärmer ist als auf dem Land, kann so abgeschwächt werden.

Die Menschen im Fokus

Neben den funktionalen Anforderungen musste das Team auch die „ganzheitliche menschliche Perspektive“ berücksichtigen. Eine hohe, massive und mit verdunstendem Wasser gefüllte Wand mag zwar funktionale Vorteile bringen, wäre aber in den Vorgärten der Menschen nicht willkommen. Einige Anwohner befürchteten, dass es sich durch die Wand wie ein Gefängnis anfühlen würde.

Anlagen in einem Wohngebiet sollten also nicht nur der Infrastruktur dienen, sondern auch architektonisch ansprechend sein. Daher sind der Stahlrahmen und die Mineralwollblöcke weitgehend unsichtbar, so dass der Urban Green Screen wie ein Holzzaun und nicht wie eine Mauer aussieht. Unterstützt wird dieser Eindruck mit Sitzbänken, Fenstern und einer Wiesenvegetation.

Weidenzaun sorgt für natürlich Anmutung

Als der beratende Bauingenieur und Simulationsspezialist Tim Larsen zu dem Projekt stieß, um mit seinen Erfahrungen mit Infrastrukturprojekten das Team bei der Bewältigung der Herausforderungen des Green Screens zu unterstützen, lagen viele Ideen auf dem Tisch. Damit die Konstruktion dem Wind standhalten würde, machte Larsen den Vorschlag, sich an Pilebyg zu wenden. Pilebyg, dessen Name sich aus den dänischen Wörtern für „Weide“ und „Gebäude“ zusammensetzt, baut seit über 30 Jahren innovative Strukturen aus Weidenbäumen. Dabei werden Weiden so kultiviert, dass ihre Stämme zu gebogenen Formen heranwachsen, deren geschlagene Stämme dann um einen Stützrahmen aus Stahl oder anderen Holzarten geflochten werden können.

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Simulation unterstützt den Design- und Modellierungsprozess

Pilebyg-Lärmschutzwände sind ein vertrauter Anblick entlang dänischer Autobahnen, aber das Unternehmen hatte zuvor noch nie einen Zaun gebaut, der ein Entwässerungssystem verbarg. Tim Larsen entwickelte verschiedene Entwürfe, um Materialien und Funktionen zu einer robusten und harmonischen Struktur zu kombinieren und analysierte diese anschließend mit der Software Comsol Multiphysics.

Tim Larsen nutzte die Simulation, um sicherzustellen, dass die Struktur für die klimatischen Bedingungen in Kopenhagen stabil genug war. Mit Hilfe der Strukturanalyse überprüfte er, ob das Gebäude dem Winddruck, den unterschiedlichen Belastungen durch Wasser, das durch die poröse Außenseite fließt, und dem Wasser, das den Mineralwollkern durchtränkt, standhalten kann.

Als sich das Projekt der Fertigstellung näherte, wurden die Bilder der Comsol-Modelle mit anderen Beteiligten ausgetauscht. Dieselben Schemata, die den Bauarbeitern zur Verfügung gestellt wurden, halfen auch den Organisationen, die das Projekt finanzierten, bei der Erklärung der Konstruktion. „Die Simulation war ein Analysewerkzeug, das auch unsere Designdiskussionen unterstützte, und jetzt hilft es uns, das Konzept bei anderen zu bewerben“, sagt Kristoffer Ulbak.

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Green Screen übernimmt mehrere Funktionen

Der 2019 fertig gestellte Green Screen berücksichtigt die Prioritäten aller, die an seiner Gestaltung mitgewirkt haben – auch derjenigen, die eine Barriere aus Glas bevorzugt hätten. Eine Reihe von vertikalen Fenstern unterbricht die mit Weiden verkleidete Fläche und sorgt für „Augen auf der Straße“, um die Sicherheit der Nachbarschaft zu gewährleisten.

Die Struktur kann sowohl die Feuchtigkeit verteilen als auch den Verkehrslärm für die Bewohner dämpfen. „Die Verdunstungskühlung könnte dazu beitragen, den städtischen Wärmeinseleffekt zu verringern. Um dies zu bestätigen, brauchen wir mehr Tests“, sagt Prof. Jensen. „Und wir wollen beobachten, wie die Menschen den Raum nutzen und wahrnehmen, und die Bewohner befragen, die jeden Tag mit der Struktur leben.“

Ein Beleg für die Akzeptanz des Green Screens zeigt sich bereits jetzt: Er zieht keine Graffiti an. Vibe Gro von Pilebyg ist nicht überrascht:

Dossier Simulation

Wie Simulation die Produktentwicklung verbessert

* Alan Petrillo, Content Writer, Comsol

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