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Ableitung von Typologien adaptiver Hochhausstabtragwerke mittels der Methode der Einflussmatrizen
(2023) Steffen, Simon; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
Im Jahr 2015 haben 194 Länder und die Europäische Union im Pariser Klimaabkommen vereinbart, die Erderwärmung auf 1,5 °C zu beschränken. Um dies zu erreichen, müssen unter anderem alle produzierenden Industrien eine erhebliche Transformation umsetzen, um Produktion und Produkte nachhaltiger zu gestalten. Eine tragende Rolle kommt hierbei dem Bauwesen zu, da es für etwa die Hälfte der weltweiten Treibhausgas-Emissionen und ca. die Hälfte der weltweiten Energieaufwendung verantwortlich ist. Weiterhin führt der hohe Ressourcenverbrauch des Bauwesens zu einer Verknappung von wichtigen Baumaterialien, die zudem noch ungenügend rezykliert werden. In Verbindung mit der global wachsenden Bevölkerung und dem steigendem Wohlstand in den sogenannten „Entwicklungsländern“ wird deutlich, dass neue Technologien, Entwurfsmethoden und Tragwerkstypologien erforderlich sind, um die Umweltwirkung des Bauwesens zu verringern und das Pariser Klimaziel einzuhalten. Die vorliegende Arbeit greift den Lösungsansatz adaptiver Tragwerke auf. Adaptive Tragwerke sind mit Sensoren, Aktoren und Regelungseinheiten ausgestattet. Diese ermöglichen es, auf Basis einer hinterlegten Regelung das Tragverhalten der Tragwerke mechanisch an die aktuelle Belastungssituation anzupassen. Wird diese Anpassungsfähigkeit genutzt, um gezielt Beanspruchungszustände zu optimieren oder aktiv Verformungen zu reduzieren, können im Tragwerk Material und Emissionen eingespart werden. Der Fokus der Arbeit liegt auf adaptiven Hochhausstabtragwerken, da Hochhäuser eine mögliche Antwort auf die zunehmende Urbanisierung darstellen, sodass eine weitflächige Ausdehnung der Städte und die damit verbundene hohe Flächenversiegelung vermieden werden kann. Das Ziel dieser Arbeit ist die Ableitung von Typologien adaptiver Hochhausstabtragwerke, die zu Materialeinsparungen gegenüber konventionellen Tragwerken führen. Eine Bilanzierung der Emissionen erfolgt in dieser Arbeit nicht. Hieraus leiten sich die folgenden Forschungsfragen ab: • Was ist das Entwurfsproblem konventioneller passiver Hochhaustragwerke? Ermöglicht eine Adaption Materialeinsparungen? • Welches Aktuierungsziel führt bei Hochhaustragwerken zu Materialeinsparungen? Was ist das Entwurfsproblem adaptiver Hochhaustragwerke? • Mit welchem Aktuierungskonzept kann das Aktuierungsziel in unterschiedlichen Tragwerkstypologien erreicht werden? • In welcher Größenordnung liegen die potenziellen Materialeinsparungen? Die Beantwortung der Fragen erfolgt anhand von Literaturrecherchen sowie mit Hilfe von analytischer und numerischer Untersuchungen. Nach einer qualitativen Herleitung des primären Aktuierungsziels einer Verformungsadaption werden Aktuierungskonzepte für ausgewählte Hochhausstabtragwerkstypologien erarbeitet. Im ersten Schritt wird mithilfe von Einflussmatrizen die inhärente Adaptierbarkeit von vier Aussteifungsmodulen analysiert. Die mit Hilfe von verschiedener Aktuierungsprinzipien erzeugbaren Verformungsfiguren und zugehörigen Schnittgrößenverläufe werden untersucht und erklärt. Anschließend werden die Grundmodule zu abstrahierten Aussteifungssystemen zusammengesetzt und das Anwendungspotenzial unterschiedlicher Aktuierungskonzepte diskutiert. Im nächsten Schritt werden unterschiedliche Möglichkeiten erörtert, mit Hilfe derer die abstrahierten Aussteifungssysteme zu Hochhaustragwerken erweitert werden können. Auf dieser Basis wird als Viertes das Adaptionspotenzial ausgewählter konventioneller Hochhausstabtragwerkstypologien eingeordnet und neue Typologien abgeleitet. Abschließend werden für die untersuchten Hochhausstabtragwerkstypologien anhand von numerischen Parameterstudien die Materialeinsparungspotenziale abgeschätzt und die abgeleiteten Aktuierungskonzepte und Typologien simulativ validiert. Die Arbeit zeigt, dass Materialeinsparungen in erster Linie erzielt werden, wenn in der Bemessung des passiven Tragwerks ein Steifigkeitsproblem vorliegt. Je maßgebender das Steifigkeitsproblem, desto größer das Einsparungspotenzial durch Adaption, welches mit einer zunehmenden Schlankheit des Aussteifungssystems korrespondiert. Zwei grundlegende Aktuierungskonzepte werden entwickelt. Im ersten Aktuierungskonzept erfolgt die Verformungsadaption beanspruchungsfrei. Im zweiten Aktuierungskonzept ist die Verformungsadaption an eine Beanspruchungsmanipulation gekoppelt, welche zusätzliche Materialeinsparungen ermöglichen kann. Welches Aktuierungskonzept eingesetzt werden sollte, hängt von der Hochhaustragwerkstypologie ab und kann von dessen passivem Tragverhalten abgeleitet werden. Insgesamt kann aufgewiesen werden, dass eine mechanische Adaption von Hochhaustragwerken signifikante Materialeinsparungen ermöglicht und somit eine sinnvolle Lösung zur Reduktion der Umweltwirkung des Bauwesens darstellt, speziell in Anbetracht der zunehmenden Urbanisierung.
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Grundlagen für die Planung von ressourcenminimalen urbanen Strukturen
(2020) Weidner, Stefanie; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
Was zunächst als provokante Frage an seinen Schützling gedacht war, entwickelte sich zu seinem wohl berühmtesten Zitat. Bereits in den 1960er Jahren fragte Richard Buckminster Fuller: „How much does your building weigh?“ In den vorangegangenen Nachkriegsjahren stellte der Leichtbau bzw. das leichte Bauen eine Notwendigkeit dar, die für den Bausektor von essentieller Bedeutung bei der Bewältigung der bevorstehenden Herausforderungen war. Mit Einzug des Wohlstands stieg der Ressourcen- und Rohstoffverbrauch global und vor allem in den Industrienationen deutlich an und erreicht nun durch einen gleichzeitigen immensen Anstieg der Weltbevölkerung jährlich neue Höchstpunkte. Ausgehend vom Jahr 2019, werden bis 2050 weltweit 2,46 Mrd. zusätzliche Menschen in den Städten leben. Für diese Fülle von neuen Stadtbewohnern müssen dort mit den vorhandenen, begrenzten Rohstoffen und Ressourcen Lebensräume geschaffen werden. Es stellt sich die Frage, wie für mehr Menschen mit weniger Material gebaut werden kann. Daher liegt der Fokus dieser Arbeit in der Erforschung von Grundlagen zur Planung von ressourcenminimalen urbanen Strukturen zu Wohnzwecken. Die Forschungsfragen, die sich daraus ergeben, lauten: a) Welche Parameter sind für eine ressourcenspezifische Betrachtung urbaner Strukturen relevant? b) Wie verändert sich in Abhängigkeit von der Bebauungsstruktur der Ressourcen- und Flächenverbrauch von Verkehrsanlagen und Gebäuden, bei einheitlicher baulicher Dichte? c) Wie verändern sich diese Ergebnisse bei veränderter baulicher Dichte? Dazu werden die Parameter Ressourcenverbrauch Gebäude, Ressourcenverbrauch Verkehrsanlagen, Flächenverbrauch, Bebaute Dichte, Gebäudetypologie und Bebauungsstruktur als relevant in Hinblick auf eine ressourcenbezogene Betrachtung identifiziert und auf einem 1 km² großen Betrachtungsfeld in Bezug zueinander gesetzt. Dafür werden drei urbane Dichten von 400, 4.000 und 20.000 Einwohnern pro Quadratkilometer durch fünf unterschiedliche Bebauungsweisen gebildet. Diese bestehen aus einer sortenreinen Bebauung durch Einfamilienhäuser, 4-geschossige Mehrfamilienhäuser, 6-geschossige Mehrfamilien-häuser, 20-geschossige Hochhäuser und 40-geschossige Hochhäuser. Eine Untersuchung von 15 daraus entstehenden Szenarien liefert zum einen Kenntnisse über die zu berücksichtigenden Variablen und deren Auswirkungen und gibt zum anderen Aufschluss darüber, welche Bebauungsstrukturen und Gebäudetypologien unter den hier gewählten Rahmenbedingungen am ressourcenschonendsten sind. Ziel ist es, Grundlagen und -kenntnisse dafür zu schaffen, dass Städteplaner und Architekten in die Lage versetzt werden, die ressourcenspezifischen Auswirkungen unterschiedlich gewählter Bebauungsstrukturen und städtebaulicher Dichten zu begreifen. Es zeigt sich, dass unabhängig von der Dichte, eine Bebauung durch 6-geschossige Mehrfamilienhäuser stets die ressourcenschonendste Bebauungsart darstellt. Obwohl Hochhäuser durch ihren geringen Grund- und Verkehrsflächenbedarf die Ressource Boden am wenigsten beanspruchen, fallen sie aufgrund ihrer schlechten Nutzungsflächeneffizienz und durch den erhöhten Materialverbrauch hinter die Mehrfamilienhausbebauung zurück.
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Regelungskonzepte für schaltbare Verglasungen zur Optimierung des Innenraumkomforts
(2019) Husser, Marzena; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
Die Fassade, als Schnittstelle zwischen dem Innen- und dem Außenraum, wird mit zahlreichen Anforderungen konfrontiert. Wird im Innenraum eine thermische und eine visuelle Behaglichkeit angestrebt, so ist dies allein durch die Auslegung traditioneller Fassadenverglasungen mit invarianten Eigenschaften, ohne zusätzliche Funktionselemente und Energieeinsatz, meistens nicht möglich. Bei adaptiven Verglasungen kann die Licht- und Energietransmission in bestimmten Wellenlängenbereichen verändert werden, was neue bauphysikalische Potentiale zur Folge hat. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine elektrisch steuerbare Verglasung auf Flüssigkristallbasis (s.g. TN-Verglasung) behandelt. Das Ziel der Arbeit war die Untersuchung der Möglichkeiten einer Komfortsteigerung (Optimierung sowohl des visuellen als auch des thermischen Komforts) bei gleichzeitiger Minimierung des Raumenergiebedarfs durch die Anwendung unterschiedlicher Regelungsstrategien der genannten Verglasung.
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Untersuchung von verglasten, adaptiven, vorgespannten Seilfassaden unter Windbeanspruchung
(2021) Flaig, Christine; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
In dieser Arbeit wird eine Strategie für die Adaption sowie für die Bemessung von adaptiven, vertikal vorgespannten Seilfassaden mit Seilpaaren unter statischer Windbeanspruchung entwickelt. Aufgrund des nichtlinearen Tragverhaltens von Seiltragwerken wird zwischen Seilkraft- und Verformungsmanipulation differenziert. In Anlehnung an verschiedene Sicherheitskonzepte wird ein Adaptionskonzept erarbeitet, welches sich allgemein auf adaptive Seilfassaden anwenden lässt. Bei diesem Konzept werden drei Modi (A, B und C) mit verschiedenen Böenwindgeschwindigkeitsbereichen für das adaptive Fassadensystem definiert. Modus A: das System ist passiv und der Lastabtrag erfolgt ohne Aktivierung der Aktoren; Modus B: das System passt sich aktiv an die vorherrschende Beanspruchungssituation an, um die Verformungen normal zur Glasebene zu reduzieren; Modus C: das System reduziert aktiv die Seilkräfte, um die Tragfähigkeit des Tragwerks bei außergewöhnlichen Beanspruchungen zu gewährleisten. Dieser Modus garantiert, dass das System bei einem Systemausfall oder eventuellen Störfällen in einen sicheren Zustand überführt wird. Für vertikal vorgespannte Seilfassaden mit Seilpaaren werden verschiedene Adaptionsmöglichkeiten an einem geeigneten Ersatzsystem (Simulationsmodell) mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) analysiert. Dabei wird der Einfluss von Aktoren untersucht, die parallel und senkrecht zur Seilachse angeordnet sind. Des Weiteren werden mehrere Optimierungsziele definiert und das Zusammenwirken der verschiedenen Aktorpositionen wird mittels Sensitivitätsanalyse bewertet. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wird die Adaptionsstrategie für vertikal vorgespannte Seilfassaden mit Seilpaaren hergeleitet. Mit dieser Strategie können für definierte Böenwindgeschwindigkeiten sowohl die Verformungen normal zur Glasebene auf ein Minimum reduziert werden als auch die Seilkräfte bei Extremereignissen so manipuliert werden, dass die Grenzzugkraft nicht überschritten wird. Das Simulationsmodell wird experimentell validiert. Hierfür werden Versuche zur Verformungsadaption bei Winddruck an einem Prototyp eines adaptiven Fassadenmoduls durchgeführt. Im Rahmen einer Fallstudie werden passive (konventionelle) und adaptive, vertikal vorgespannte Seilfassaden mit Seilpaaren gegenübergestellt. Die Bemessung der passiven Fassaden erfolgt gemäß den gültigen Normen. Die Bemessung der adaptiven Fassaden erfolgt in Anlehnung an die gültigen Normen und wird entsprechend der Adaptionsstrategie angepasst. Der betrachtete Standort ist Stuttgart. Auf Grundlage von statistischen Methoden wird die Verteilungsfunktion der Böenwindgeschwindigkeit und der Grenzwert der Böenwindgeschwindigkeit für die einzelnen Modi berechnet. Die Grenzwerte werden zur Bemessung der adaptiven Systeme herangezogen. Die Systeme werden hinsichtlich des Tragverhaltens und der energetischen Aspekte miteinander verglichen. Hierbei werden die Verformungen normal zur Glasebene, die Seilkräfte sowie der Materialeinsatz ausgewertet.
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Untersuchungen zur Homogenisierung von Spannungsfeldern bei adaptiven Schalentragwerken mittels Auflagerverschiebung
(2014) Neuhäuser, Stefan; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
Schalentragwerke stellen eine der wichtigsten Konstruktionsformen im Leichtbau dar. Bei korrekter Formgebung und Lagerung tragen Schalen externe Lasten vorwiegend über die Ausbildung eines über die Schalendicke gleichmäßig verteilten Spannungszustands ab. Dieser sogenannte Membranzustand ermöglicht es Schalentragwerken, bei geringem Materialaufwand große Spannweiten zu überbrücken. Das effiziente Tragverhalten eines Schalentragwerks steht in einem engen Zusammenhang mit seiner Geometrie. Formfindungsmethoden dienen der Bestimmung annähernd idealer Geometrien unter Ansatz eines formbestimmenden Lastfalls. Üblicherweise wird für diesen maßgebenden Lastfall das Eigengewicht angesetzt. Erfolgt jedoch im Sinne der Ressourcenschonung eine weitestgehende Reduzierung des Eigengewichts, überwiegen zeitlich variable, ungleichmäßig verteilte Beanspruchungen. Diese vom formbestimmenden Lastfall abweichenden Lasten führen zu Biegebeanspruchungen, Inhomogenitäten in der Spannungsverteilung sowie Spannungskonzentrationen. Diese Spannungszustände führen bei der Dimensionierung der Tragstruktur zum Einsatz zusätzlichen Materials, welches weder zeitlich noch örtlich homogen beansprucht wird und nur unter seltenen Beanspruchungsfällen eine volle Ausnutzung erfährt. Das Konzept der adaptiven Tragwerke basiert auf dem Ansatz, das Tragverhalten einer Struktur nicht nur einmalig durch seine Auslegung festzulegen, sondern die Systemantwort durch die Integration aktiver Komponenten fortlaufend zu kontrollieren. Im Vordergrund stehen dabei die Manipulation der Kraft- und Spannungszustände, der Verformungen und des Schwingungsverhaltens. Dieser Ansatz ermöglicht eine Reaktion auf zeitlich und örtlich variable Beanspruchungen mit dem Ziel, den Lastabtrag zu optimieren. Die Dimensionierung erfolgt dementsprechend für deutlich reduzierte Beanspruchungen und resultiert idealerweise in einer signifikanten Materialeinsparnis im Vergleich zu passiven Strukturen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der aktiven Manipulation des Tragverhaltens punktgelagerter Schalentragwerke. Ziel der Manipulation ist die Homogenisierung der Spannungsfelder und die Minimierung der bemessungsrelevanten Maximalspannungen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird für diese Manipulation die aktive Verschiebung der gelenkigen Auflagerpunkte untersucht. Die Bestimmung der optimalen adaptiven Eingriffe erfolgt mittels numerischer Optimierungsverfahren. Dabei werden sowohl ein globales, stochastisches Verfahren (Simulated-Annealing-Verfahren) als auch ein deterministischer, gradientenbasierter Algorithmus untersucht und verglichen. Aufgrund der großen Verformungen wird bei der Bestimmung der optimalen Auflagerpositionen das nichtlineare Tragverhalten der Struktur berücksichtigt. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der methodischen Untersuchung der Optimierungsverfahren. Die dargestellten Vorgehensweisen bieten die Möglichkeit der Übertragbarkeit auf ähnliche Problemstellungen im Bereich der adaptiven Tragwerke. Die Betrachtung des Tragverhaltens und die Optimierung der Auflagerverschiebung erfolgt für eine ausgewählte Schalengeometrie unter Ansatz verschiedener Materialien. Unterscheidend sind dabei sowohl die Ansätze für die Materialgesetze in der Simulation (isotrop, orthotrop) als auch die Ausbildung der Zielfunktion bei der Minimierung der kritischen Spannung (von-Mises-Spannung, maximale Zugspannung, Spannung in Faserrichtung eines orthotropen Verbundwerkstoffs). Die Optimierung wird für eine Reihe von Belastungsszenarien in Kombination mit den betrachteten Materialien durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Abbau der Spannungsspitzen im Bereich von ca. 50–90%. Eine nähere Betrachtung der physikalischen Vorgänge beim Übergang vom passiven in den aktiven Zustand bestätigt die Zustandsänderungen hinsichtlich des Abbaus der Spannungsspitzen und der Homogenisierung der Spannungsfelder. Die Validierung der Optimierungsergebnisse erfolgt an einem großmaßstäblichen Prototyp (Schalentragwerk in Holzbauweise mit einem Grundriss von 10 m x 10 m). In einem praxisnahen Kontext ermöglicht der Prototyp den Vergleich zwischen Simulation und Realität hinsichtlich des Tragverhaltens der Struktur und der Auswirkung der adaptiven Vorgänge. Das tragstrukturelle Verhalten des Prototyps zeigt eine gute Übereinstimmung mit der Simulation. Die Struktur weist ein stark ausgeprägtes nichtlineares Tragverhalten auf. Dieses Verhalten wird in der Simulation erfasst und bestätigt den Ansatz, nichtlineare Effekte in der Optimierung zu berücksichtigen. Der Direktvergleich der am Prototyp gemessenen Dehnungen mit der Simulation zeigt teilweise signifikante Unterschiede. Untersuchungen zu den Ursachen der Abweichungen ergeben, dass das Tragverhalten des Schalentragwerks sehr stark durch Variationen in den Materialeigenschaften und der Geometrie beeinflusst wird. Insbesondere für den gewählten Werkstoff Holz ist die Bestimmung der Materialeigenschaften mit erheblichen Streuungen verbunden. Zusätzlich führen Quell- und Schwinderscheinungen zu geometrischen Veränderungen, die das Tragverhalten beeinflussen können. Grenzwertuntersuchungen zum Einfluss dieser Effekte plausibilisieren die Abweichungen beim Abgleich der Dehnungsmessungen mit der Simulation. Bei der experimentellen Untersuchung des Adaptionsprozesses zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Prototyp. Trotz der Abweichungen in den Absolutwerten der Dehnungen stellen sich der Homogenisierungseffekt und der Abbau der Spannungsspitzen beim Übergang vom passiven in den aktiven Zustand entsprechend den Optimierungsergebnissen ein. Somit bestätigt sich das Potential der Adaptivität, auf variable Belastungssituationen reagieren zu können und die maßgebenden Spannungsspitzen signifikant zu reduzieren.
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Untersuchungen zur Manipulation des Lastabtrages biegebeanspruchter Betonbauteile durch integrierte fluidische Aktoren
(2022) Kelleter, Christian; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)