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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.