C: Integrative Bauelemente

C02 – Integrierte Fluidaktoren

Wie können fluidische Aktoren in ein Tragwerk integriert werden und wie können diese Spannungen und Verformungen reduzieren sowie das Schwingungsverhalten beeinflussen?

Durch die Integration von Fluidaktoren in Tragwerkselemente, wie Balken oder Platten, soll der Lastabtrag optimiert werden. Damit kann eine Tragfähigkeitssteigerung und infolge dessen eine Massenersparnis erzielt werden.

Eine Möglichkeit den Lastabtrag auch bei veränderlichen Einwirkungen zu optimieren stellen adaptive Tragwerke dar. Dabei werden durch Aktoren erzeugte Kräfte gezielt in das Tragwerk geleitet. Auf diese Weise werden Spannungen und Verformungen im Bauteilinneren erzeugt, die den durch die äußeren Einwirkungen hervorgerufenen Spannungen und Verformungen entgegenwirken. Somit verringern sich insgesamt die Spannungen sowie die Gesamtverformung des Bauteils.

Bei den bisher erforschten Aktuierungskonzepten werden die Aktorkräfte an den Oberflächen und Rändern in das Tragwerkselement eingeleitet und manipulieren dieses als Ganzes. Die Integration von Aktoren in das Tragwerkselement bietet die Möglichkeit der lokalen, gezielten Beeinflussung ausschließlich dort, wo Sie notwendig ist.

In der ersten Förderperiode wurde für einen Betonbalken simulativ und experimentell nachgewiesen, dass die lokale Aktuierung mit integrierten Fluidaktoren und unter Last die vollständige Kompensation der Durchbiegung möglich ist.  Da bei biegebeanspruchten Bauteilen häufig die Verformungen für die Dimensionierung der Bauteilquerschnitte maßgebend sind, ist somit eine deutliche Querschnittsminderung oder Laststeigerung möglich.

SLIDER

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Prototyp eines Fluidaktors Foto: (c) Christian Kelleter

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Funktionsmuster eines adaptiven Biegeträgers mit integrierten Fluidaktoren Foto: (c) Christian Kelleter

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Experimentelle Untersuchung eines adaptiven Biegeträgers mit integrierten fluiden Aktoren Foto: (c) Christian Kelleter

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Messung der Durchbiegung bei der experimentellen Untersuchung Foto: (c) Christian Kelleter

In der zweiten Förderperiode sollen die Prinzipien nun für mehraxial spannende Platten erweitert werden. Diese Bauteile umfassen beispielsweise bei einer Skelettbauweise 50-75 % der Bauwerksmasse und bieten damit ein noch größeres Potential zur Einsparung von Ressourcen im Vergleich zu den Betonbalken der ersten Förderperiode. Weiterhin ergeben sich durch die zusätzliche räumliche Dimension neue Fragenstellungen. Integrierte Aktoren, die den spezifischen Anforderungen des mehraxialen Lastabtrags gerecht werden, existieren weder im Maschinenbau noch in verwandten Domänen. Die zentrale Fragestellung im Teilprojekt C02 lautet damit:

Wie müssen Fluidaktoren zur Integration in ein Plattentragwerk ausgeführt werden? Wie können mit diesem System die Spannungen, Verformungen und Schwingungen reduziert werden?

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Maximale Hauptspannungen einer passiven Platte unter Flächenlast Foto: (c) Markus Nitzlader

Innerhalb des SFBs erarbeitet das Teilprojekt C02 ein neuartiges Konzept für die Aktuierung einer primären Tragstruktur. Bei der Erforschung möglicher Konstruktionsprinzipien und bei der Bauteilintegration der Fluidaktoren wird wissenschaftliches Neuland betreten. Die Entwicklung der Fluidaktoren und deren Integration in ein Tragwerkselement sind eng miteinander verbunden und geschieht in Zusammenarbeit der jeweiligen Fachdisziplinen.

Ziel des Teilprojektes ist es, Aktuierungs- und Aktorkonzepte für mehraxial spannende, biegebeanspruchte Tragwerke zu entwickeln und die Manipulation des Lastabtrages experimentell nachzuweisen.

Teilprojektleiter

  • Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz, Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design
  • Prof. Dr.-Ing. M.Arch. Lucio Blandini, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren

Eine Möglichkeit, um auf veränderliche Einwirkungen zu reagieren, stellen adaptive Tragwerke dar. Dabei werden durch Aktoren erzeugte Kräfte gezielt in das Tragwerk geleitet. Auf diese Weise werden Spannungen und Verformungen im Bauteilinneren erzeugt, die den durch die äußeren Einwirkungen hervorgerufenen Spannungen und Verformungen entgegenwirken. Somit verringern sich insgesamt die Spannungen sowie die Gesamtverformung des Bauteils.

Bei den bisher erforschten Aktuierungskonzepten werden die Aktorkräfte über Oberflächen und Ränder in das Tragwerkselement eingeleitet werden und manipulieren dieses als Ganzes. Durch die Integration von Aktoren in das Tragwerkselement ist es möglich dieses lokal zu beeinflussen.

Die zentrale Fragestellung im Teilprojekt C02 lautet damit:

Wie können fluidische Aktoren in ein Tragwerk integriert werden und wie können diese Spannungen und Verformungen reduzieren?

Ziel des Teilprojekts ist es, ein lineares, biegebeanspruchtes Tragwerkselement mit integrierten Fluidaktoren zu entwickeln und die Manipulation des Tragverhaltens experimentell nachzuweisen.

Innerhalb des SFBs erarbeitet das Teilprojekt C02 ein neuartiges Konzept für die Aktuierung einer primären Tragstruktur. Bei der Erforschung möglicher Konstruktionsprinzipien und bei der Bauteilintegration der bauteilintegrierten Fluidaktoren wird wissenschaftliches Neuland betreten. Die Entwicklung der Fluidaktoren und deren Integration in ein Tragwerkselement sind eng miteinander verbunden und geschieht in Zusammenarbeit der jeweiligen Fachdisziplinen.

Stuttgarter SmartShell

Stuttgarter SmartShell Foto: (c) ILEK

Hydraulisch aktuierbare Auflager der Stuttgarter SmartShell

Hydraulisch aktuierbare Auflager der Stuttgarter SmartShell Foto: (c) ILEK

Funktionsmuster eines adaptiven Biegeträgers mit integrierten Fluidaktoren

Funktionsmuster eines adaptiven Biegeträgers mit integrierten Fluidaktoren Foto: (c) Christian Kelleter

Prototyp eines Fluidaktors

Prototyp eines Fluidaktors Foto: (c) Christian Kelleter

Aktuierungskonzept eines Balkens mit integrierten Aktoren

Aktuierungskonzept eines Balkens mit integrierten Aktoren Foto: (c) IKTD/ILEK

Das Adaptionsverhalten eines Betonbiegebalkens mit integrierten Aktoren wurde zunächst simulativ untersucht. Anhand von Versuchen wurde die Simulationsergebnisse experimentell evaluiert. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass die lokale Aktuierung eines Betonbalkens mit integrierten Fluidaktoren möglich ist. Weiterhin konnte die Durchbiegung des belasteten Betonbalkens vollständig kompensiert werden.

Experimentelle Untersuchung eines adaptiven Biegeträgers mit integrierten fluiden Aktoren

Experimentelle Untersuchung eines adaptiven Biegeträgers mit integrierten fluiden Aktoren

Teilprojektleiter

  • Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz, Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design
     
  • Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h.c. Werner Sobek, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren

Ansprechpersonen

Dieses Bild zeigt  Timon Burghardt
M.Sc.

Timon Burghardt

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Dieses Bild zeigt  Christian  Kelleter
Dipl.-Ing.

Christian Kelleter

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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