A: Entwurfs- und Planungsmethodik

A06 – Bautechnische Integration von aktiven Elementen in die Gebäudestruktur

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

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.

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

Michael  Böhm
Dr. Ing.

Michael Böhm

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Simon Steffen
M.Sc.

Simon Steffen

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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