Forschungsprojekt

Charakterisierung und Modellierung adaptiver Tragwerke

(Teilprojekt B01 im Sonderforschungsbereich SFB 1244)

Überblick

  • Hintergrund
  • Charakterisierung adaptiver Tragwerke
  • Modellierung der Aktuierung

Projektbeschreibung

Hintergrund

Seit den frühen 70er Jahren wird in den USA an Strukturen geforscht, die selbständig auf äußere Einflüsse reagieren können. An diesen Entwicklungen war hauptsächlich die Luft- & Raumfahrtbranche interessiert, da Gewichtseinsparungen wesentlich für wirtschaftliches Fliegen sind. Seit einigen Jahren spielen Gewichtseinsparungen aus Kosten- und Nachhaltigkeitsgründen auch im Bauwesen eine größere Rolle, deshalb rücken hier zunehmend adaptive Systeme in den Fokus der Forschung. Unter anderem sind der Ausgleich bemessungsrelevanter Spitzenbeanspruchungen, die Homogenisierung von Spannungszuständen und die Verringerung von auftretenden Verformungen Anwendungsbereiche, in denen adaptive Systeme sehr effiziente Lösungen bieten.

Adaptivität (von lat. adaptare: anpassen) beschreibt im Zusammenhang mit Tragwerken die Fähigkeit, autonom auf äußere Einflüsse zu reagieren. Diese Reaktion kann auf verschiedene Arten erfolgen. Änderungen an Geometrie, Kräften oder Materialeigenschaften können durch Aktoren vorgenommen werden. Die Steuerung und Regelung der Aktorik benötigt eine Sensorik, die in der Lage ist, die Auswirkungen der Umgebungseinflüsse auf das Tragwerk zu erfassen. Daraufhin kann eine gesteuerte oder geregelte Reaktion der Aktorik erfolgen und das Tragwerk optimal für die vorherrschende Situation konfigurieren.

Stuttgarter Träger Adaptivität (c)
Simulation des "Stuttgarter Trägers" (ILEK): Verringerung der vertikalen Verformung unter der Einzellast durch Horizontalverschiebung des rechten Lagers. Passiver Zustand oben, aktiver Zustand unten.

Charakterisierung adaptiver Tragwerke

Für die Arbeit mit adaptiven Tragwerken ist eine genaue Definition eines adaptiven Tragwerks unerlässlich. Dazu nötige Begriffe müssen aus dem Maschinenbau, der Regelungstechnik und dem Bauingenieurwesen übernommen und zusammengeführt werden. Weiterhin sollen möglichst objektive Maße für die Güte eines adaptiven Tragwerks erarbeitet werden. Diese können zum Beispiel mit Hilfe von Redundanzanteilen und Gramschen Steuerbarkeitsmatrizen quantifiziert werden. Daraus können zusätzlich Rückschlüsse auf eine optimierte Platzierung von Aktoren gezogen werden, die für die Performance einer adaptiven Struktur sehr wichtig ist. Ein erster Schritt ist die Unterteilung der Einsatzbereiche adaptive Strukturen. Bei klassischerweise steifigkeitsdominierten Problemstellungen, wie zum Beispiel Eisenbahnbrücken oder Hochhäuser, können durch den Einsatz aktiver Elemente die maßgebenden Verformungen oder Beschleunigungen manipuliert werden und dadurch ein signifikanter Anteil der Masse in der Primärstruktur eingespart werden.

Strukturoptimierung aktiv passiv (c)
Vergleich der Ergebnisse von Strukturoptimierungen eines passiven (links) und eines adaptiven Tragwerks (rechts). Die maximalen Ausnutzungsgrade (a) sind unter denselben Randbedingungen an Verformungen und Spannungen deutlich größer und dadurch werden die benötigten Querschnitte (b) deutlich kleiner und somit leichter.

Modellierung der Aktuierung

Ein weiterer Schwerpunkt dieses Forschungsbereichs liegt in der Modellbildung und Simulation von adaptiven Systemen. Um exakte Analysen adaptiver Tragwerken durchführen zu können, müssen die Aktorik, Sensorik und Regelungstechnik in die Modelle integriert werden. Somit kann das reale Verhalten in die Analyse des adaptiven Systems eingebunden werden. Dies ist zudem hilfreich bei der Entwicklung und dem Test der Algorithmen, die die Steuerung und Regelung des Systems übernehmen. Mit dem Ziel einer effizienten Simulation adaptiver Strukturen mithilfe der Finite-Elemente-Methode werden in einem ersten Schritt nötige finite Aktor-Elemente entwickelt, um Aufwand bei der Verwendung von bspw. Temperaturlastfällen oder anderen Zwangslastfällen zu vermeiden.

Aktorelement (c)
Einfahrendes aktives finites Stabelement.

Projektdaten

Projekttitel:
Teilprojekt B01 - Charakterisierung, Modellierung und Reduktion adaptiver Tragwerke
Projekt-Website
Förderung:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Sonderforschungsbereich SFB 1244 "Adaptive Hüllen und Strukturen für die gebaute Umwelt von morgen", GEPRIS-Projektnummer 324663295
Projektpartner:

Institut für Technische und Numerische Mechanik (ITM), Universität Stuttgart

Veröffentlichungen

  1. Benjamin Fröhlich, Jan Gade, Florian Geiger, Manfred Bischoff, Peter Eberhard. Geometric element parameterization and parametric model order reduction in finite element based shape optimization. Computational Mechanics, 63. 2019. DOI: 10.1007/s00466-018-1626-1
  2. Stefanie Weidner, Christian Kelleter, Paula Sternberg, Walter Haase, Florian Geiger, Timon Burghardt, Clemens Honold, Julia Wagner, Michael Böhm, Manfred Bischoff, Oliver Sawodny, Hansgeorg Binz. The implementation of adaptive elements into an experimental high-rise building. Steel Construction, 11. 2018. DOI: 10.1002/stco.201810019
  3. Julia Laura Wagner, Jan Gade, Michael Heidingsfeld, Florian Geiger, Malte von Scheven, Michael Böhm, Manfred Bischoff and Oliver Sawodny. On steady-state disturbance compensability for actuator placement in adaptive structures. at – Automatisierungstechnik, 66. 2018. DOI: 10.1515/auto-2017-0099

Bearbeitung:

Florian Geiger
M.Sc.

Florian Geiger

Akademischer Mitarbeiter

Jan Gade
M.Sc., B.Sc.

Jan Gade

Akademischer Mitarbeiter

Malte von Scheven
Dr.-Ing.

Malte von Scheven

Stellv. Institutsleiter, AOR

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