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A: Entwurfs- und Planungsmethodik

A04 – Formfindung, Strukturoptimierung und Systemoptimierung

Im Zusammenhang mit dem Leichtbau werden, um ein möglichst günstiges Verhältnis von Tragfähigkeit zu Gewicht (bzw. allgemein Leistungsfähigkeit zu Kosten) zu erhalten, häufig mathematische Optimierungsmethoden eingesetzt.

Bei leichten Flächentragwerken wie Membranen kann auch deren geometrische Formfindung als Optimierungsproblem formuliert werden. In diesem Fall werden neben mathematischen auch experimentelle Methoden eingesetzt. Ein echtes globales Optimum kann dabei entweder überhaupt nicht oder bestenfalls für einen einzigen formbestimmenden Lastfall gefunden werden. Für mehrere Lastfälle und deren Kombinationen können im Rahmen der Mehrkriterienoptimierung „optimale Kompromisse“ (z. B. Pareto-Optimum) gefunden werden. Neben der geometrischen Form kann im Rahmen der Strukturoptimierung auch die Topologie eines Tragwerks gesucht bzw. optimiert werden.

Der Ultraleichtbau mit anpassungsfähigen Strukturen bietet die Möglichkeit, einen für die jeweilige Situation optimalen Zustand zu erwirken. Unterschiedliche Situationen können durch unterschiedliche Lastfälle, aber auch beispielsweise durch unterschiedliche Anforderungen (Zielfunktionen) und sich verändernde Systemeigenschaften charakterisiert sein. Diese Flexibilität fehlt passiven Konstruktionen und spielt deshalb bei den gängigen Methoden zur Form- und Strukturoptimierung häufig keine Rolle.

Für den Optimierungsbegriff ist in diesem Zusammenhang wichtig, zwischen der Optimierung des Systemverhaltens durch Adaption und der Optimierung des adaptiven Systems als Ganzes zu unterscheiden. Ziel des Teilprojektes ist die Weiterentwicklung etablierter Methoden und die Entwicklung neuer Methoden zur Formfindung sowie Form- und Strukturoptimierung für adaptive Tragwerke.

Ziel des Teilprojektes A04 ist es, etablierte Methoden zu verbessern und neue Vorgehensweisen zu entwickeln, mit denen sich Form und Struktur adaptiver Tragwerke bestimmen sowie optimieren lassen. Für A04 ergeben sich folgende Fragestellungen und Ziele:

  • Wie können Formfindungsmethoden auf Systemfindungsmethoden erweitert werden?
  • Weiterentwicklung von Methoden zur Beurteilung, Quantifizierung und Optimierung der punktweisen sowie flächenhaften Adaptierbarkeit von Stab- und Flächentragwerken.
  • Erweiterung und Übertragung analytischer und numerischer Optimierungsmethoden auf adaptive Tragwerke.
  • Wie ist die Effizienz und Robustheit der entwickelten Optimierungs- und Adaptionsmethoden unter Anwendung auf die Stuttgart SmartShell zu beurteilen?
  • Welchen Einfluss haben Ungenauigkeiten beim Bau und bauliche Veränderungen der Strukturen bei deren Aktivierung?

Das vorliegende Teilprojekt betrachtet das aktivierbare System im Rahmen einer ganzheitlichen Systemoptimierung. Neben den vorwiegend zu untersuchenden Flächentragwerken werden auch Stabtragwerke sowie kombinierte Stab- und Flächentragwerke analysiert.

Die wissenschaftlichen Ziele beschränken sich nicht auf die Entwicklung von Optimierungsalgorithmen. Sie streben vor allem an, das Optimierungsproblem im Kontext adaptiver Systeme geeignet zu formulieren. Unabhängig von der Art des Optimierungsalgorithmus werden so wichtige methodische Grundlagen für innovative Entwurfs- und Konstruktionsmethoden adaptiver Tragwerke als neue archetypische Systeme geschaffen.

Indem es die bestehenden Konzepte weiterentwickelt, verbindet das Teilprojekt A04 theoretische und methodische Arbeiten mit experimentellen Methoden und deren baulicher Realisierung. Es besteht ein gegenseitiger Austausch relevanter Informationen mit vielen anderen Teilprojekten innerhalb des SFB 1244.

Teilprojektleiter

  • Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Bischoff, Institut für Baustatik und Baudynamik
     
  • Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h.c. Werner Sobek, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren

Ansprechpersonen

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M.Sc., B.Sc

Jan Gade

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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M. Eng.

Markus Nitzlader

Wissenschaftlicher Mitarbeiter