B: Systemtechnik und Auslegung

B03 – Methoden und Technologien für ausfallsichere Elemente und Strukturen adaptiver Tragwerke

Adaptive Tragwerksstrukturen unterliegen hohen Anforderungen bezüglich Sicherheit und Zuverlässigkeit. Deshalb ist eine Analyse der Zuverlässigkeit sowie eine zeitnahe Detektion und Diagnose von Fehlerfällen zwingend notwendig.

Fehlerfälle und Ausfälle innerhalb des Adaptionsprozesses können zu einer Schädigung der Gesamtstruktur führen oder beeinträchtigen die Funktion für den Nutzer und müssen daher möglichst vermieden bzw. frühzeitig erkannt werden. Kommt es tatsächlich zu einem Ausfall, darf er keine schwerwiegenden Folgen haben.

Daher werden im Teilprojekt B03 Unsicherheiten, Störgrößen, Fehlerfälle und Ausfallmöglichkeiten intensiv betrachtet. Eine integrierte Überwachung und Fehlererkennung gibt Aufschluss über das Vorliegen von Fehlerfällen. Eine anschließende Fehlerdiagnose zieht Rückschlüsse auf den Fehlerort und die Fehlerursache um Fehlerfälle zu isolieren und frühzeitig zu erkennen. Um das System weniger störempfindlich und robuster gegenüber von Störgrößen zu machen, werden letztere berücksichtigt.  Für eine nachhaltigere Bauweise ist die sicherheits- und zuverlässigkeitsgerechte Auslegung adaptiver Tragwerke von zentraler Bedeutung. Je genauer die zu erwartende Betriebsbelastung bekannt und im Zuverlässigkeitsmodell berücksichtigt ist, umso exakter erfolgt die Bemessung der Tragstruktur. Unsicherheiten durch Ausfälle der Adaptionsfunktion müssen durch ein funktional sicheres System, in welchem die Diagnose wiederum eine wichtige Rolle spielt, vermieden werden.

Es ergeben sich die folgenden zentralen Fragestellungen:

  • Welche Fehlerfälle und Lasten sind für adaptive Tragwerke charakteristisch und wie können diese modelliert werden?
  • Welche Lastkollektive führen zu ausfallkritischen Zuständen und wie ist der Zusammenhang mit Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit adaptiver Tragwerke?
  • Wie kann dieser Zusammenhang unter Berücksichtigung von Fehlern im Adaptionsprozess modelliert werden?
  • Wie können Fehlerfälle von unbekannten Lasten unterschieden und zuverlässig detektiert wie auch isoliert werden?
  • Welche Methoden eignen sich für die Detektion und Isolation von Fehlern in adaptiven Tragwerken?
  • Welche Fehlerreaktionen sind erforderlich um Ausfälle mit fatalen Folgen zu verhindern?
  • Wie hängen Sicherheit, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit adaptiver Tragwerke voneinander ab und wie kann eine ganzheitliche Auslegungsmethode diese zentralen Aspekte berücksichtigen?

Grundlegendes Ziel für die Fehlerdetektion ist die Diagnose von Fehlerfällen in Aktorik und Sensorik von adaptiven Tragwerken, welche von stochastischen und nicht unmittelbar messbaren Lasten beeinflusst werden.

Risikofaktoren von passiven und adaptiven Strukturen
Risikofaktoren von passiven und adaptiven Strukturen

Für die Diagnose muss sichergestellt werden, dass die Fehlerfälle detektierbar und von den Lastfällen unterscheidbar sind. Dazu werden Kriterien erarbeitet, anhand derer sich der Lastfall vom Fehlerfall unterscheiden lässt und die Isolation des Fehlerfalls erlaubt. Für die Detektion und Isolation der Fehlerfälle werden modell- wie auch datenbasierte Methoden eingesetzt.

Die Erhaltung des standsicheren Zustands erfordert die funktionale Absicherung adaptiver Tragwerke durch ausreichend zuverlässige Komponenten und systematische Absicherung der Adaptionsfunktion. Fehler müssen detektiert bzw. vermieden werden.

Residuenverlauf und Fehlerwahrscheinlichkeit für einen Random-Walk Fehler in einem Dehnmessstreifen
Residuenverlauf und Fehlerwahrscheinlichkeit für einen Random-Walk Fehler in einem Dehnmessstreifen

Die Fehlerdiagnose der Elemente wird an die Teilprojekte B02 und B04 übergeben, um die Beobachter und Regler zu rekonfigurieren. Die in B03 entwickelten Zuverlässigkeitsanforderungen werden an C02 ausgetauscht um ein Fluidaktor-Konzept auszuwählen und die Zuverlässigkeit optimieren zu können. Um die Energieversorgung der elektroaktiven Schichtsysteme zuverlässig auszulegen, wird eine Untersuchung dieser an C03 weitergereicht.

 

Faltendes Neuronales Netz zur Klassifikation von Fehlerfällen basierend auf Messreihen
Faltendes Neuronales Netz zur Klassifikation von Fehlerfällen basierend auf Messreihen

Im weiteren Projektverlauf wird der Einfluss der Topologie und die Lage der Aktoren auf die Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit identifiziert und technische Konzepte zur Sicherstellung der Standsicherheit beim Totalausfall der Aktorik entwickelt. Darüber hinaus werden Konzepte zur Aktor- und Sensorplatzierung hinsichtlich der Detektierbarkeit und Fehlertoleranz in Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten entwickelt.

Interdisziplinäre Auslegungsmethode adaptiver Tragwerke
Interdisziplinäre Auslegungsmethode adaptiver Tragwerke

Die Konzepte zur Aktor- und Sensorplatzierung bilden die Grundlage um modell- und datenbasierte Ansätze zur Fehlerdiagnose zu entwickeln und auf unterschiedliche Tragwerkstypen zu verallgemeinern. Diese wird um eine aktive Fehlerdiagnose in der Aktorik ergänzt. Des Weiteren wird ein Prognostics and Health Management zur Zuverlässigkeits- und Nachhaltigkeitssteigerung mit Einflussnahme über die Aktorik entwickelt.

Teilprojektleiter

  • Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Institut für Maschinenelemente
     
  • Prof. Dr.-Ing. Cristina Tarín, Institut für Systemdynamik

Ansprechpersonen

Dieses Bild zeigt  Andreas  Ostertag
M. Sc.

Andreas Ostertag

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Dieses Bild zeigt  Andreas  Gienger
M. Sc.

Andreas Gienger

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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