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An actuator concept for adaptive concrete columns
(2021) Steffen, Simon; Nitzlader, Markus; Burghardt, Timon; Binz, Hansgeorg; Blandini, Lucio; Sobek, Werner
The building industry accounts for half of the global resource consumption and roughly one third of global CO2 emissions. Global population growth and increasing resource scarcities require engineers and architects to build for more people with less material and emissions. One promising solution are adaptive load-bearing structures. Here, the load-bearing structure is equipped with actuators, sensors, and a control unit which allows the structure to adapt to different load cases, resulting in substantial material savings. While the first prototypes use industry standard actuators to manipulate deformations and stress states, it is essential to develop actuator concepts which fit the specific requirements of civil engineering structures. This paper introduces new concepts for linear actuators, developed within the Collaborative Research Centre (SFB) 1244 Adaptive Skins and Structures for the Built Environment of Tomorrow, which can be used as adaptive concrete columns. The concept of an actuator which actuates a concrete column by external compression through hydraulic pressure is discussed in further detail. This concept allows for controlled axial extension while also increasing the compressive strength of the concrete column.
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Aktoren zur Aktuierung linearer Tragwerkselemente
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Burghardt, Timon; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
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.
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D1244: Design and construction of the first adaptive high-rise experimental building
(2022) Blandini, Lucio; Haase, Walter; Weidner, Stefanie; Böhm, Michael; Burghardt, Timon; Roth, Daniel; Sawodny, Oliver; Sobek, Werner
An interdisciplinary research team of the University of Stuttgart has been working extensively since 2017 on the development and integration of adaptive systems and technologies in order to provide solutions for a more sustainable built environment. An experimental 36.5 m tall high-rise building, called D1244, was designed and completed in 2021 to show the potential of adaptive structures and facades as well as to verify on a real scale the developed systems and the related numerical predictions. The building was designed to offer a flexible experimental platform: each component is dismountable so that structural as well as facades elements can be replaced with new ones introducing new functionalities to be investigated. The structure is currently equipped with twenty-four hydraulic actuators that are installed in the columns and diagonal bracers. Strain gauge sensors and an optical tracking system are employed to monitor the state of the structural system. This paper describes the design and construction of the adaptive tower as well as the preliminary experimental testing on different scaled structural prototypes. The research work on these prototypes provided relevant information for the final set-up of the high-rise building. An outlook on future research, including the planned first structural testing phase and the implementation of adaptive facade systems, is included at the end.
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Investigation of a large‐scale adaptive concrete beam with integrated fluidic actuators
(2022) Burghardt, Timon; Kelleter, Christian; Bosch, Matthias; Nitzlader, Markus; Bachmann, Matthias; Binz, Hansgeorg; Blandini, Lucio; Sobek, Werner
As the world population keeps growing, so does the demand for new construction. Considering material resources are limited, it will be unfeasible to meet such demand employing conventional construction methods. A new resource‐saving approach is provided by adaptive structures. Using sensors, actuators and control units, structures are enabled to adapt to loads, for example, to compensate for deformations. Since deformations are dominant in the design of bending‐stressed load‐bearing structures, adaptivity enables such structures to be realized using less material and achieving the same load‐bearing capacity in comparison to conventional designs. This article presents a concrete beam of typical building dimensions that compensates deflections by means of integrated fluidic actuators. These actuators offer the possibility of reacting optimally to general loading. The investigation is carried out on an approximately 4‐m‐long beam with integrated hydraulic actuators. To ensure the overall functionality, accurate dimensioning of the beam as well as the hydraulic system is mandatory. Analytical design of the beam and actuation system are carried out for predimensioning. Experimental testing validates the function and demonstrates that the adaptive beam works as predicted. A fully compensation in deflection is possible. Therefore, a significant increase in load‐bearing capacity is possible with the same material input compared to conventional beams.