A: Entwurfs- und Planungsmethodik

A06 – Integration aktiver Elemente in Stabtragwerke

Bestehende Methoden zur Dimensionierung von Bauwerken beschreiben die zu erwartenden Maximallasten über die Gesamtlebensdauer des Gebäudes.

In der Bemessung von konventionellen, passiven Hochhaustragwerken dominieren häufig Verformungsgrenzwerte die Bemessung. Untersuchungen in der ersten Förderperiode haben gezeigt, dass durch eine gezielte Verformungsadaption in solchen Fällen teilweise signifikante Masseneinsparungen resultieren [Steffen_BB14_2019]. Weiter wurde zusammen mit den Teilprojekten A04 und B01 herausgearbeitet, dass die Berücksichtigung der Adaptivität im Entwurfsprozess von vornherein effizientere adaptive Tragwerke erzeugt als eine nachträgliche Aktuierung passiv optimierter Tragwerke. 

Da die Adaptierbarkeit von Tragwerken eng mit den verwendeten Aktuierungskonzepten zusammenhängt werden in A06 für Stabtragwerke verschiedene Aktuierungskonzepte (Linear-, bzw. Normalkraftaktuierung, Querkraft- und Momentenaktuierung) erarbeitet und untersucht sowie mögliche Umsetzungen zu Aktorikkonzepten, die für die im Bauwesen erforderlichen Stellwege und Stellkräfte ausgelegt sind.

In einer anschließenden phänomenologischen Untersuchung der Aktuierungskonzepte in Stabtragwerken unterschiedlicher Topologie und Typologie können dann Eigenschaften, Vor- und Nachteile und Anwendungsszenarien der Aktuierungskonzepte erarbeitet werden sowie zeitgleich sinnhafte Typologien adaptiver Tragwerke abgeleitet werden.
Diese abstrahierten adaptiven Stabtragwerke werden abschließend zu praxisnahen optimalen Typologien adaptiver Hochhaustragwerke weiterentwickelt.

Die wesentlichen Ziele des Teilprojekts A06 sind somit:

  • Erweiterung der Aktuierungs- und Aktorikkonzepte für Stabtragwerke
  • Entwicklung bezüglich der Umweltwirkung optimierter Typologien adaptiver Hochhaustragwerke mit inhärenten Aktuierungskonzepten
  • Ableitung einer Systematik in den anzusetzenden Bemessungslasten für adaptive Hochhaustragwerke, sodass bzgl. dem Ressourceneinsatz und Emissionsausstoß (der Umweltwirkung) optimierte Tragwerke resultieren
  • Quantifizierung der Anforderungen an die Aktorik adaptiver Hochhaustragwerke
  • Entwicklung umfassender Auslegungsalgorithmen zur Analyse und Synthese adaptiver Tragwerke anhand deren statischen, dynamischen, linearen und nichtlinearen Eigenschaften

In der ersten Förderperiode wurden bereits verschiedene Ansätze zur Analyse von Tragwerken und deren Adaptionspotential entwickelt, die in dieser Förderperiode weiterentwickelt und um neue Ansätze ergänzt werden sollen.

Zur Bestimmung der optimalen Aktorposition einer definierten Anzahl an Aktoren im Tragwerk wurde die Methode der Gramschen Matritzen angewandt. Die Auswahl der jeweiligen Position erfolgt über gewählte Gütekriterien und einem inversen Greedy-Algorithmus [Wagner_at_2018]. Darauf aufbauend sollen weitere Ansätze, beispielsweise genetische Algorithmen, untersucht werden. 

Um den Einfluss einer Aktuierung eines Elements auf unterschiedliche Tragwerksgrößen (Schnittkräfte, Verformungen, etc.) quantitativ zu ermitteln, wurde die Methode der Einflussmatrizen erarbeitet. Hierbei handelt es sich um eine numerische Programmierung der Methode der Einflusslinien aus der Baustatik. Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Matrizen in die Redundanzmatrizen von Teilprojekt A04 überführbar sind und ebenfalls in der Berechnung der Gramschen Matrizen enthalten sind [Steffen_Frontiers_2020].

Diese Methoden wurden bereits erfolgreich im Entwurf des Demonstrator-Hochhauses angewandt und die Konzepte zur seriellen und parallelen Linearaktuierung unter anderem am Prototyp-Rahmen experimentell validiert [Weidner_IJHRB_2019].

Besondere Herausforderungen bei der Adaption von Hochhaustragwerken sind die globale statische Bestimmtheit (vertikaler Kragträger), die nur eine bedingte Manipulation von Beanspruchungszuständen zulässt, bei gleichzeitig hoher innerer statischer Unbestimmtheit, die einen lokalen Kurschluss von induzierten Kräften zur Folge hat. So kann eine globale Verformungsmanipulation bei ungünstiger Topologie lokal zu unerwünschten oder nachteiligen Beanspruchungen führen.

Weiterhin sind Hochhäuser bei hoher Schlankheit entsprechend schwingungsanfällig. Neben einer quasi-statischen Adaption spielt somit auch die effiziente aktive Schwingungsdämpfung infolge von Windanregung oder Erdbeben eine wichtige Rolle.

Teilprojektleiter 

  • Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Oliver Sawodny, Institut für Systemdynamik
  • Prof. Dr.-Ing. Lucio Blandini, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren

  • Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h.c. Werner Sobek, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren

Dies hat zur Folge, dass Tragwerke für den Großteil ihrer Lebensdauer überdimensioniert sind. Diese Überdimensionierung kann bei adaptiven Tragwerken vermieden werden, indem die Masse durch bei Bedarf kurzzeitig zugeführte Energie ersetzt wird.

Konstruktive Umsetzung eines aktiven Auflagers am Beispiel der Stuttgarter SmartShell

Konstruktive Umsetzung eines aktiven Auflagers am Beispiel der Stuttgarter SmartShell Foto: (c) Bosch Rexroth

Vorderseite des Prototyp-Rahmens – einem Teilausschnitt des Demonstrator-Hochhauses

Vorderseite des Prototyp-Rahmens – einem Teilausschnitt des Demonstrator-Hochhauses Foto: (c) ILEK

Rückseite des Prototyp-Rahmens: ausgestattet mit zwei integrierten, parallelen Linearaktoren in der linken Stütze sowie einem seriellen Linearaktor in der Diagonale

Rückseite des Prototyp-Rahmens: ausgestattet mit zwei integrierten, parallelen Linearaktoren in der linken Stütze sowie einem seriellen Linearaktor in der Diagonale Foto: (c) ILEK

Konzept des seriellen Linearaktors; rot: Kraftpfad im deaktivierten Zustand, blau: Kraftpfad im aktivierten Zustand

Konzept des seriellen Linearaktors; rot: Kraftpfad im deaktivierten Zustand, blau: Kraftpfad im aktivierten Zustand Foto: (c) IKTD

Ergebnisse der Aktorplatzierung bei stationärer Verformungskonpensierbarkeit am Demonstrator-Hochhaus

Ergebnisse der Aktorplatzierung bei stationärer Verformungskonpensierbarkeit am Demonstrator-Hochhaus Foto: (c) ISYS

Ergebnisse der Aktorplatzierung bei Optimierung der Steuerbarkeit am Demonstrator-Hochhaus

Ergebnisse der Aktorplatzierung bei Optimierung der Steuerbarkeit am Demonstrator-Hochhaus Foto: (c) ISYS

Das Teilprojekt A06 verfolgt das Konzept, Gebäude durch den Einsatz von Aktorik und Sensorik in der Tragstruktur hinsichtlich Lastabtrag und Schwingungsreduktion aktivierbar zu gestalten. Ziel ist es, das Gesamttragverhalten der Gebäudestruktur zu optimieren und Baumasse einzusparen.

 Aktuierungsprinzip der Verfomungsminimierung und resultierende qualitative Kraftszustände im Fachwerk

Aktuierungsprinzip der Verfomungsminimierung und resultierende qualitative Kraftszustände im Fachwerk

Um dieses Ziel zu erreichen, werden im Teilprojekt A06 folgende Fragestellungen untersucht:

  • Wie lassen sich adaptive Elemente bautechnisch in Tragsysteme integrieren?
  • Wie können passive Tragsysteme wie Hochhausstrukturen zu aktiv beeinflussbaren Tragwerken weiterentwickelt werden?
  • Auf welche Weise können die ausgelegten Aktoren in den Bauteilen konstruktiv integriert werden, um aktive Elemente zu schaffen?
  • Welche Gütemaße eignen sich für die Wahl und die Platzierung der einzusetzenden Sensoren bzw. Aktoren?

Um Baumasse einzusparen, wird ein Konzept zur Manipulation der Tragstruktur entwickelt werden. Als Grundlage dienen dafür die maßgebenden Lasten, abhängig von der Wahrscheinlichkeit, mit der diese jeweils auftreten. Ausgehend von Aktuierungskonzept und -größen wie Kräften oder Schwingungsamplituden lässt sich bestimmen, wie die Aktor- bzw. Sensorsysteme des adaptiven Tragwerks funktionieren und zu platzieren sind. Zur Quantifizierung der Güte wurden unter anderem Ansätze wie Beobachtbarkeit und Steuerbarkeit aus der Regelungstechnik verfolgt und eine Ausgangskompensierbarkeitsgramsche hergeleitet. Um das passende Aktuierungskonzept mit den relevanten Größen und der idealen Materialbelegung des Tragwerks zu ermitteln, sind Simulationsmodelle unerlässlich. Im Teilprojekt A06 wurden Ansätze zur Erweiterung der klassischen FE-Methode entwickelt, sodass die aktiven Elemente in der Strukturanalyse berücksichtigt werden können.

Erste Untersuchungen wurden an konventionellen Hochhaustragwerkstypologien durchgeführt. Aufgrund des in der Bemessung dominanten Steifigkeitsproblems können durch eine nachträgliche Verformungsadaption des Primärtragwerks Massenreduktionen von bis zu 50 % erreicht werden. Jedoch zeigte sich auch, dass eine weitere Reduktion und damit Optimierung gezielt adaptiv entworfene Typologien erfordert.

Zur Aktuierung der Tragwerke wurden in Zusammenarbeit mit den Teilprojekten A01 und C02 ein serieller und ein paralleler Linearaktor konzipiert.

Die Aktuierungskonzepte  sowie die Ergebnissen der Strukturauslegung dienen zur Erstellung eines Anforderungsprofil für die eingesetzten Sensoren und Linearaktoren, sodass diese im Anschluss optimal ausgewählt werden können.

Basierend auf diesen Arbeiten wurden das modulare Tragwerk des Demonstrator-Hochhauses in enger interdisziplinärer Zusammenarbeit mit Z01 ausgelegt. Zur Validierung der Konstruktionsdetails sowie der Funktionsweise der seriellen und parallelen Linearaktuierung wurde ein Prototyp-Rahmen geplant und gebaut.

Experimentelle Validierung des Aktuierungskonzepts am Prototyp-Rahmen

Experimentelle Validierung des Aktuierungskonzepts am Prototyp-Rahmen

Die gewonnenen Erkenntnisse bei der Erarbeitung der Aktuierungskonzepte dienen als Grundlage, um ein neuartiges, integrales Planungskonzept adaptiver Tragsysteme zu entwickeln.

 

Teilprojektleiter

  • Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h.c. Werner Sobek, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren
     
  • Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Oliver Sawodny, Institut für Systemdynamik

Ansprechpersonen

Dieses Bild zeigt  Michael  Böhm
Dr. Ing.

Michael Böhm

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Dieses Bild zeigt  Simon Steffen
M.Sc.

Simon Steffen

Akademischer Mitarbeiter

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