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Adaptive Strahlungstransmission von Verglasungen mit Flüssigkristallen
(2004) Haase, Walter; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing.)
Ziel der vorliegenden Arbeit war es zu untersuchen, ob und mit welchem Aufbau sich verdrillt-nematische Flüssigkristallzellen (zu englisch "twisted nematic",TN-Zellen) eignen, um als Licht- und Energiestrom regelnde Fensterelemente am Gebäude eingesetzt werden zu können. Es wurden hierzu Muster solcher TN-Zellen in diversen Aufbauten hergestellt, die Einwirkungen, resultierend aus der Bestrahlung auf ein solches Element qualitativ und quantitativ spezifiziert und die optischen Eigenschaften für ausgewählte Aufbauten der Funktionselemente charakterisiert. Versuche zur kurzzeitigen thermischen Belastung sowie Langzeit-Freilandversuche dienten zur Verifizierung der Schädigung der Funktionsschichten und der Elemente. Die Ergebnisse der Versuche waren Grundlage für die Auswahl geeigneter und langzeitstabiler Komponenten eines stufenlos schaltbaren Elementes.
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Adaptivität bei Flächentragwerken
(2008) Weilandt, Agnes; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing.)
Scheiben und Schalen sind nur in ihrer Ebene beanspruchte Tragwerke bzw. Tragwerkselemente. Aus diesem Grund sind sie für den Leichtbau von großer Bedeutung. Ihre hohe Tragfähigkeit wird jedoch bei Störung des homogenen Spannungszustandes, z.B. durch Ausschnitte, lokale Lasteinleitungen oder Zwängungen an den Auflagern, stark reduziert. Bisherige Optimierungsversuche mittels Formoptimierung der Ausschnitte oder lokaler Verstärkungen führten nur für einzelne, in ihrer Richtung konstante Belastungen zu einer Reduktion der Störungen. Adaptive Tragwerke sind eine neue Alternative für die Optimierung des Tragverhaltens von Scheiben und Schalen. Sie können mit Hilfe von Sensoren, Steuerungs- bzw. Regelungseinheiten und Aktuatoren verschiedene äußere Einwirkungen erfassen und sich an diese anpassen. Dieser Anpassungsprozess wird als Adaption bezeichnet und ermöglicht den adaptiven Tragwerken optimal auf unterschiedliche Beanspruchungen reagieren zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, inwiefern mittels adaptiver Systeme die Tragfähigkeit von Scheiben und Schalen erhöht werden kann. Hierbei werden Systeme betrachtet, deren Tragfähigkeit durch Störungen erheblich geschwächt ist. Ziel der Adaption ist eine Reduktion der Inhomogenitäten in den Spannungsfeldern, so dass die Scheiben bzw. Schalen bei konstanter Bauteildicke optimal ausgenutzt werden können. Es werden drei verschiedene Typen adaptiver Systeme bei Scheiben und Schalen betrachtet: 1. Dehnungsaktivierte Scheiben, die in Teilbereichen oder über ihre gesamte Ausstreckung so gestaltet sind, dass in sie ein stetiger Dehnungsverlauf induziert werden kann. Diese induzierten Dehnungen bewirken eine Umverteilung der Scheibenbeanspruchungen, so dass die maximal auftretenden Inhomogenitäten in den Spannungsfeldern der betrachteten Systeme minimiert werden können. Entscheidend für die Effizienz solcher Systeme ist der Verlauf der induzierten Dehnungen, für deren Ermittlung - neben einer analytischen Lösung für das Beispiel der Scheibe mit Ausschnitt - zwei Verfahren auf Basis der Finiten-Element-Methode vorgeschlagen werden. 2. Scheiben mit integrierten diskreten Dehnungsaktuatoren, deren Wirkungsweise mit lokal begrenzten flächigen Verstärkungen verglichen werden kann. Für die Effizienz dieser Systeme sind vor allem die Lage der Aktuatoren, sowie deren Materialkennwerte und deren Höhe der Aktivierung von Bedeutung. Diese Werte können mit einem mehrstufigen Verfahren, das in dieser Arbeit vorgestellt wird, ermittelt werden. 3. Systeme mit aktiven Randbedingungen, bei denen der innere Beanspruchungs-zustand von außen manipuliert wird, werden stellvertretend anhand einer Schale untersucht. Hierzu wird eines der Verfahren zur Berechnung dehnungsaktivierter Scheiben entsprechend an die untersuchte Problemstellung angepasst. Anhand von ausgewählten Beispielen wird zum einen die Effizienz der vorgeschlagenen Berechnungsverfahren zum anderen das hohe Potential der adaptiven Systeme bei Scheiben und Schalen aufgezeigt.
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Branding im Industriebau am Beispiel der Automobilfertigung : eine gebäudetypologische Betrachtung
(2009) Schönbeck, Dewi; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing.)
In der Automobilbranche nimmt das so genannte Branding zur Schaffung einer unverwechselbaren Markenidentität einen immer höheren Stellenwert ein. Dabei stellt auch die Architektur eines Unternehmens ein Medium zur Vermittlung von Markenwerten dar, das ein dreidimensionales, räumlich erfahrbares Markenerlebnis bietet. Gerade beim Lifestyle-Produkt Auto tritt die ursprüngliche Transportfunktion mehr und mehr in den Hintergrund. Vielmehr will der Kunde damit auch Lebensphantasien, sinnliche Werte und Sozialprestige einkaufen. Umso mehr kann deshalb die Unternehmensarchitektur dieses diffuse Kundenverlangen mit im eigentlichen Sinne begreifbaren Werten ästhetisch umsetzen und damit zu einer innigeren Kundenbindung entscheidend beitragen. Längst haben die Automobilhersteller die Architektur als Medium zur Vermittlung ihrer Markenwerte entdeckt. Beispiele wie der BMW "Vierzylinder" in München, die Autostadt Wolfsburg, das Mercedes-Benz Museum in Stuttgart sowie zahlreiche spektakuläre Mikroarchitekturen im Messebau zeigen, dass das Markenerlebnis durch Architekturerfahrung im Wettbewerb um den Kunden unverzichtbar geworden ist. Der bewusste Einsatz von Markenarchitektur im Industriebau ist jedoch nach wie vor eher ungewöhnlich und nur an vereinzelten Bauten realisiert worden. Pilotprojekte wie die Gläserne Manufaktur in Dresden oder der Zentralbau des BMW Werks in Leipzig geben eine Tendenz zu einer vollkommen neuartigen Gebäudeform im Industriebau vor. Die Automobilfabrik ist bei diesen Projektbeispielen nicht mehr als reine Produktionsstätte zu sehen, in der Mensch und Maschine möglichst effizient zusammenarbeiten, sondern bezieht den Kunden emotional in den Produktionsprozess mit ein. Diese Entwicklung hat zur Konsequenz, dass die Fabrik in Zukunft nicht mehr nur als reine Produktionsstätte fungiert, sondern gleichzeitig als Kunden-Erlebniszentrum gestaltet werden kann. Durch die theoretische Analyse der veränderten architektonischen Anforderungen sowie der Untersuchung von realisierten Beispielen wird in dieser Arbeit eine neuartige, funktionshybride Gebäudetypologie definiert und entsprechende Planungskriterien abgeleitet.
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Entwerfen adaptiver Strukturen
(2004) Teuffel, Patrick; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing.)
Im Rahmen der Arbeit wird ein Entwurfskonzept für adaptive Tragstrukturen entwickelt, mit dem gewichtsminimale Tragwerke unter Beibehaltung von Spannungs- und Verformungskriterien entworfen werden können. Die Adaption an verschiedene Belastungszustände wird durch den Einsatz von längen- und steifigkeitsvariablen Elementen ermöglicht. Dieses Verfahren wird als Lastpfadmanagement (LPM) bezeichnet. Unter adaptiven Tragstrukturen werden Systeme verstanden, die auf äußere Einwirkungen reagieren und ihren Beanspruchungszustand anpassen können. Um die Adaption zu ermöglichen, sind in die Systeme Sensoren, ein Steuerungs- bzw. Regelungssystem sowie Aktuatoren integriert. Das entwickelte Verfahren (LPM) besteht im Wesentlichen aus 3 Schritten: - Bestimmung der optimalen Kraftpfade für verschiedene Lastfälle - Ermittlung der Anzahl und Lage der erforderlichen Sensoren und Aktuatoren - Adaptionsvorgang Die optimalen Kraftpfade werden für verschiedene Lastfälle mit Hilfe der mathematischen Programmierung bestimmt: Ziel ist es, das Eigengewicht (bei gleichzeitiger Berücksichtung von Gleichgewichtsbedingungen und Einhaltung der zulässigen Spannungen) zu minimieren. Im Gegensatz zu einer „normalen“ statischen Berechnung werden die geometrischen Kompatibilitätsbedingungen in diesem Schritt nicht berücksichtigt. Neben der Querschnittsoptimierung kann auch eine Formoptimierung des Systems durchgeführt werden. Durch die nicht berücksichtigte geometrische Kompatibilität ergeben sich Differenzkräfte im System, die durch die adaptiven Elemente ausgeglichen werden müssen. Die Auswahl der hierfür notwendigen Aktuatoren erfolgt in zwei Schritten: Zuerst wird anhand eines Effizienzkriteriums untersucht, welchen Beitrag die einzelnen Elemente am Adaptionsprozess leisten können. Anschließend werden verschiedene Kombinationen der effizientesten Aktuatoren auf Regelbarkeit überprüft. Nach der Wahl der Anzahl und Position der adaptiven Elemente kann die erforderliche Reaktion derselben ermittelt werden. Die erforderlichen Längenänderungen der Elemente können mit Hilfe der geometrischen Kompatibilitätsbedingungen ermittelt werden. Die Kraft- und Verformungsadaption kann auf zweierlei Arten erfolgen, entweder durch eine direkte Längenvariation der Elemente (z. B. durch Linearaktuatoren) oder indirekt über eine Anpassung der Steifigkeiten (z. B. eine Variation der Materialeigenschaften). Weitere Untersuchungen berücksichtigen den Energiebedarf sowie die Tragwerkszuverlässigkeit dieser Systeme. Anhand von numerischen Beispielen wird das Tragverhalten verschiedener Systeme untersucht und hinsichtlich des Gewichtseinsparpotenzials bewertet.
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An intelligent genetic design tool (IGDT) : applied to the exploration of architectural trussed structural systems
(2007) von Bülow, Peter; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing.)
This dissertation proposes a new class of computational tool, an Intelligent Genetic Design Tool (IGDT), intended for use in the area of conceptual design of architectural and civil engineering structures. As a computer design aid the IGDT is innovative in its intelligent interaction with the designer. The IGDT allows the user to explore a solution space in a way which promotes the development of creative designs. Being based on Genetic Algorithms (GA's) the IGDT always submits a multiplicity of solutions (populations) for review by the designer, and is thus less likely to cause design fixation than most other optimization techniques. The use of GA's also allows the designer greater latitude in exploring hard-to-code design criteria such as aesthetics, expression or meaning. In this way it provides a service to the designer that is more useful than traditional design tools. For this dissertation, a specific application of an IGDT in the area of architectural engineering is developed. In order to exhibit the capabilities of the IGDT, examples are shown using different trussed systems under various design conditions. The ability of the IGDT to intelligently respond to the designer's preferences and assist in the discovery of useful truss topologies is demonstrated. Comparisons are made with other optimization tools and techniques. It is concluded that the IGDT offers a significantly different approach to computer aided structural design which has the potential to enhance the designer's own creativity in discovering a good solution.
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Topologieoptimierung von adaptiven Stabwerken
(2008) Lemaitre, Christine; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing.)
Im Rahmen der Arbeit wird eine Methode entwickelt, die es erlaubt, optimale Stabwerkstopologien für adaptive Tragwerke unter beliebigen, multiplen, statischen Belastungen zu entwerfen. Adaptive Tragwerke, die eine Sonderform des Leichtbaus darstellen, sind durch ihre Anpassungsfähigkeit in der Lage, sehr große unplanmäßige Einwirkungen durch eine interne Systemreaktion auf mehrere Elemente umzulagern und somit sicher abzutragen. Als Grundlage für die Entwicklung des Topologieoptimierungsalgorithmus für adaptive Stabwerke wird der Entwurf dieser Strukturen auf unterschiedlichen Ebenen diskutiert. Ausgehend von der Elastostatik, den verschiedenen Optimierungsverfahren sowie der Topologieoptimierung von Stabwerken werden die notwendigen Grundlagen und Zusammenhänge für die numerische Beschreibbarkeit von adaptiven Stabwerken vorgestellt. Im Rahmen dieser Ausführungen werden auch die notwendigen Begrifflichkeiten definiert und die Methodik der Systemaktivierung vorgestellt. Um eine wirkungsvolle Systemaktivierung zu gewährleisten, wird im Rahmen dieser Arbeit ein eigens entwickelter Aktuatorenpositionierungsalgorithmus verwendet. Des Weiteren wird eine Methodik vorgestellt, die es ermöglicht, die Anzahl der notwendigen Aktuatoren und des damit einhergehenden Energiebedarfs zu minimieren. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt jedoch auf der Entwicklung eines Topologieoptimierungsalgorithmus für die Generierung von adaptiven Stabwerken. Es wird dargestellt, dass mittels dieser Berechnungsmethodik der Entwurf von sehr leichten, adaptiven Stabwerken möglich wird. Diese Stabwerke zeichnen sich neben ihrer Gewichts- und Verformungsminimalität durch eine Unempfindlichkeit gegenüber zufällig auftretenden Belastungen aus. Dieser Topologieoptimierungsalgorithmus besteht aus einem passiven und einem adaptiven Teil, die über den Entwurfsraum als Schnittstelle miteinander interagieren. Der passive Teil basiert auf dem Verfahren der Inneren-Punkte-Methode, welches in dem hier beschriebenen Zusammenhang für die Identifikation der Lastpfade verwendet wird. In einem nächsten Schritt erfolgen die Systemaktivierung und die Ermittlung der lokalen Adaptionen. Diese dienen als Entscheidungsparameter für die Entwurfsraummanipulation, die iterativ solange durchgeführt wird, bis das globale Abbruchkriterium erreicht wird. Die Sonderfälle der reinen Kraft- und Verformungsadaption werden ebenfalls diskutiert. Um die Funktionsweise dieses Algorithmus zu überprüfen, wird der adaptive Entwurfsansatz in einen genetischen Algorithmus implementiert.