Browsing by Author "Ostertag, Andreas"

Now showing 1 - 2 of 2

Open Access
Reliability as a key driver for a sustainable design of adaptive load-bearing structures
(2022) Efinger, Dshamil; Ostertag, Andreas; Dazer, Martin; Borschewski, David; Albrecht, Stefan; Bertsche, Bernd
The consumption of construction materials and the pollution caused by their production can be reduced by the use of reliable adaptive load-bearing structures. Adaptive load-bearing structures are able to adapt to different load cases by specifically manipulating internal stresses using actuators installed in the structure. One main aspect of quality is reliability. A verification of reliability, and thus the safety of conventional structures, was a design issue. When it comes to adaptive load-bearing structures, the material savings reduce the stiffness of the structure, whereby integrated actuators with sensors and a control take over the stiffening. This article explains why the conventional design process is not sufficient for adaptive load-bearing structures and proposes a method for demonstrating improved reliability and environmental sustainability. For this purpose, an exemplary adaptive load-bearing structure is introduced. A linear elastic model, simulating tension in the elements of the adaptive load-bearing structure, supports the analysis. By means of a representative local load-spectrum, the operating life is estimated based on Woehler curves given by the Eurocode for the critical notches. Environmental sustainability is increased by including reliability and sustainability in design. For an exemplary high-rise adaptive load-bearing structure, this increase is more than 50%.
Open Access
Zuverlässigkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit adaptiver Tragwerke
(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2021) Ostertag, Andreas; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)
In dieser Arbeit wird eine Auslegungsmethode für adaptive Tragwerke unter dynamischen Lasten vorgestellt, die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit differenziert untersucht, bewertet und sicherstellt und darüber hinaus eine ganzheitliche, optimale Auslegung im Sinne der Nachhaltigkeit erzielt. Die seither durch Überdimensionierung der Tragstruktur erreichte zuverlässige Auslegung, die ein Sicherheitsniveau garantiert, setzt sich für adaptive Tragwerke aus der Absicherung der Adaptionsfunktion sowie der Tragstruktur zusammen. Die mit adaptiven Tragwerken einhergehenden mechatronischen Komponenten stellen potentielle Fehlerquellen dar, für welche ein Zuverlässigkeits- und Sicherheitsnachweis erforderlich ist. Die Abhängigkeit der Adaptionsfunktion von der Bemessung der Tragstruktur sowie die hohe Interdisziplinarität des Forschungsfelds erfordern einen ganzheitlichen Ansatz. Die ausgearbeitete, interdisziplinäre Auslegungsmethode berücksichtigt die aktive Kompensation von dynamischen Lasten unter Einbezug von Methoden und Modellen des Bauingenieurwesens, der Regelungstechnik und des Maschinenbaus. Im Gegensatz zu den bisher genutzten statischen Ersatzlasten wird ein auf örtlichen Windlasten basierendes Lastkollektiv bestehend aus Last-Zeit-Verläufen zur Lebensdaueranalyse der Tragstruktur und Ermittlung des Energiebedarfs der Aktoren genutzt. Die Bewertung dynamischer Einflüsse erfolgt mittels der Simulation eines linear-elastischen Tragwerksmodells auf Basis der Bewegungsgleichung mit Berücksichtigung der Massen und Steifigkeiten aus einer FE-Analyse. Aus der Simulation werden die Ermüdungsfestigkeit und Betriebsenergie bestimmt. Das Simulationsmodell dient zudem der Untersuchung von Fehlern und Ausfällen der Adaptionsfunktion als Grundlage der Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanalyse. Abhängig vom Grenzzustand ist eine differenzierte Auslegung anhand von Zuverlässigkeitsmethoden bzw. der Sicherheitsnorm EN 61508 für funktionale Sicherheit vorgesehen. Abschließend ergibt sich die Nachhaltigkeit aus den Auslegungsgrößen Material-, Energie- und Ersatzteilbedarf sowie der möglichen Nutzungsdauer. Neben dem Vergleich von Varianten wird das Potential einer adaptiven gegenüber einer passiven Ausführung des Tragwerks auf Grundlage des Einsparpotentials an Treibhausgasen ermittelt. Die Anwendung wird in einem Anwendungsbeispiel validiert und ein Einsparpotential an Treibhausgasen von über 50 % identifiziert.