Aktoren zur Aktuierung linearer Tragwerkselemente

Abstract

Ein Ansatz zur Verringerung des Material- und Energieverbrauchs über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes stellen adaptive Strukturen dar. Mittels Sensoren, Aktoren und einer Regelungseinheit sind diese Tragwerke in der Lage, aktiv auf äußere Belastungen zu reagieren. Durch das Aufbringen von Kräften oder Verschiebungen kann der Spannungszustand in der Struktur oder in einzelnen Bauteilen verändert werden. So können dynamische Lasten gedämpft und (quasi-)statische Lasten umverteilt werden. Bisherige Studien zu adaptiven Strukturen fokussieren das Tragverhalten aufgrund der Aktuierung. Die dazu erforderlichen Aktoren sind dabei von untergeordneter Bedeutung. Für eine effektive Aktuierung müssen das Strukturelement und der Aktor gemeinsam betrachtet werden. Dies erfordert eine ganzheitliche Entwicklung. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist es, diese Entwicklung aus Sicht der Aktorik zu unterstützen. Dabei wird das Thema auf die Aktuierung von linearen Strukturelementen beschränkt. Konkret wird die Frage beantwortet, wie durch die Variation bereits bestehender Lösungen für Teile des Gesamtsystems aktuierbare Strukturelemente entwickelt werden können. Hierzu werden zunächst die benötigten Teilfunktionen ermittelt und in Funktionsstrukturen zusammengefasst. Daraus lassen sich Aktuierungskonzepte ableiten, aus denen die Anforderungen an die Aktorik hervorgeht. Die Konkretisierung der ermittelten Teilfunktionen führt zu einer Sammlung von Lösungsprinzipien. Anhand von vier Beispielen wird gezeigt, wie durch Variation der Lösungsprinzipien Aktoren zur Aktuierung linearer Strukturelemente entwickelt werden können. Alle Beispiele wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1244 (SFB 1244) untersucht. Zunächst werden die Anforderungen ermittelt. Die Konzeption erfolgt auf Basis der Lösungsprinzipsammlungen. Die Möglichkeit, durch Variation der Lösungsprinzipien ganzheitliche Konzepte zu erstellen, wird bestätigt. Die Funktion der adaptiven Strukturelemente wird an Prototypen experimentell validiert. Im ersten und zweiten Beispiel sind Aussteifungen und Stützen des Demonstrationshochhauses des SFB 1244 zu aktuieren. Dazu werden hydraulische Aktoren verwendet. Im Falle der Aussteifungen werden die Aktoren direkt in die lastabtragende Struktur eingebaut. Die Stützen bestehen aus Hohlprofilen, in deren Inneren sich die Aktoren befinden. Hier erfolgt die Aktuierung parallel zur äußeren Struktur. Die Funktion der beiden aktuierbaren Elemente wird an einer maßstabsgetreuen Prototypstruktur erfolgreich nachgewiesen. Im dritten Beispiel ist ein biegebeanspruchter Stahlbetonbalken zu aktuieren. Dazu werden in den Balken Druckkammern integriert, die sich aufgrund eines hydraulischen Innendrucks ausdehnen. Das dadurch entstehende Biegemoment wirkt der durch äußere Lasten verursachten Durchbiegung entgegen. Die Funktion wird an ca. 1,2 m langen Prototypen nachgewiesen. Die experimentelle Validierung erfolgt an einem ca. 4,4 m langen Balken. In einem vierten Beispiel ist ein weiterer Balken aus Stahlbeton zu aktuieren. Hierfür wird ein thermomechanischer Aktor entwickelt. Im Gegensatz zum vorigen Beispiel ist kein externes System zur Erzeugung und Leitung hydraulischer Drücke erforderlich. Der Funktionsnachweis erfolgt anhand eines ca. 1,2 m langen Balkens in einem Vier-Punkt-Biegeversuch.