Bauingenieur schreibt Algorithmus für klimafreundlichere Brücken

Zane Schemmer war schon als Kind von der Erhabenheit der Golden Gate Bridge fasziniert. Diese Bewunderung für Brücken prägte seinen beruflichen Weg. Heute arbeitet er als Bauingenieur und Fellow der Morningside Academy for Design (MAD) am renommierten MIT. Sein Ziel: Brücken zu entwerfen, die nicht nur ästhetisch und funktional sind, sondern auch den CO₂-Fußabdruck minimieren.

Klassische Ingenieurskunst in Verbindung mit modernen Technologien

Während seines Studiums entschied sich Schemmer bewusst für das Bauingenieurwesen, da er wissen wollte, wie Brücken nicht nur gebaut, sondern auch optimiert werden können. Sein Ansatz verbindet klassische Ingenieurskunst mit modernen Technologien. Dabei setzt er auf sogenannte Topologie-Optimierungsalgorithmen. Diese Algorithmen helfen, die Kräfte in einer Struktur zu analysieren und Materialien so einzusetzen, dass sie effizient genutzt werden. Das Ergebnis sind Konstruktionen, die weniger CO₂ verursachen und gleichzeitig leicht herstellbar bleiben.

„Das wirklich Neue an unserem Algorithmus ist seine Fähigkeit, mehrere Materialien in einem stark eingeschränkten Lösungsraum zu berücksichtigen, um herstellbare Entwürfe mit einem benutzerdefinierten Kraftfluss zu erstellen“, erklärt Schemmer.

Was macht den Algorithmus besonders?

Schemmers Innovation geht über bisherige Ansätze hinaus. Traditionelle Methoden berücksichtigen oft nur wenige Faktoren wie Materialstärke oder Kosten. Der neue Algorithmus analysiert hingegen den gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks. Vom Materialabbau über Transportwege bis hin zum Recycling wird alles einbezogen. Dadurch lässt sich der sogenannte „verkörperte Kohlenstoff“ – die Summe aller CO₂-Emissionen, die mit der Herstellung und Nutzung einer Struktur verbunden sind – signifikant reduzieren.

Auf dem IASS-Symposium 2024 in Zürich präsentierten Schemmer und seine Kollegin Josephine V. Carstensen ihre Ergebnisse. Mit ihrem Ansatz können sie den CO₂-Ausstoß von Bauwerken wie Brücken um bis zu 20 % senken. Die Auswahl der Materialien spielt dabei eine Schlüsselrolle. Nicht nur deren Stabilität und Ästhetik sind entscheidend, sondern auch Faktoren wie regionale Verfügbarkeit und Transportaufwand.

Der ganzheitliche Ansatz beachtet zudem den Aspekt, dass Architekten sich oft Konstruktionen ausdenken, die sich ingenieurtechnisch nur mit großem Aufwand herstellen lassen. Das lässt sich durch den neuen Algorithmus bereits im frühen Stadium der Planung verhindern.

Beispiel: Stahl versus Holz

Ein anschauliches Beispiel für die Anwendung des Algorithmus ist der Vergleich von Stahl und Holz. Stahl ist zwar extrem belastbar und erlaubt leichte, stabile Konstruktionen. Doch seine Produktion und der Transport verursachen hohe CO₂-Emissionen. Holz hingegen ist regional verfügbar und bindet während seines Wachstums sogar CO₂. Schemmers Algorithmus schlägt daher Hybridkonstruktionen vor, die Stahl durch Holz ersetzen oder den Stahlanteil reduzieren. Dadurch entstehen effiziente, stabile und klimafreundliche Strukturen.

„Die Verwendung desselben Stahls in zwei verschiedenen Teilen der Welt kann zu völlig unterschiedlichen optimierten Designs führen“, erklärt Schemmer. Dies liegt an den unterschiedlichen CO₂-Kosten für Transport und Materialherstellung.

Herausforderungen und Visionen

Trotz der beachtlichen Ergebnisse steht Schemmer vor Herausforderungen. Ein zentrales Problem ist die Komplexität der Anforderungen. Bauwerke müssen nicht nur funktional und sicher sein, sondern auch zahlreiche Vorschriften erfüllen. „Probleme aus der Praxis sind komplex und oft mit vielen Einschränkungen verbunden. Bei traditionellen Formulierungen kann es schwierig sein, eine lange Liste komplizierter Einschränkungen zu berücksichtigen“, sagt er.

Schemmers Vision ist eine Brücke zwischen idealisierten Entwürfen und der Realität. Dabei hilft ihm seine klassische Ingenieursausbildung, die er durch innovative Ansätze ergänzt. Die von ihm entwickelten Algorithmen ermöglichen es, Entwürfe direkt aus dem Computer in die Praxis zu übertragen.

Das MAD Fellowship des MIT spielt eine zentrale Rolle in Schemmers Arbeit. Das Programm fördert interdisziplinäres Denken und vernetzt junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit Experten aus verschiedenen Bereichen. „Es eröffnet neue Perspektiven und inspiriert dazu, über den Tellerrand hinauszuschauen“, sagt Schemmer. So entstehen innovative Ansätze, die nicht nur technischen, sondern auch gesellschaftlichen Herausforderungen gerecht werden.

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