02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access 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.)Item Open Access Designing actuation concepts for adaptive slabs with integrated fluidic actuators using influence matrices(2022) Nitzlader, Markus; Steffen, Simon; Bosch, Matthias J.; Binz, Hansgeorg; Kreimeyer, Matthias; Blandini, LucioPrevious work has shown that floor slabs make up most of the material mass of building structures and are typically made of reinforced concrete. Considering the associated resource consumption and greenhouse gas emissions, new approaches are needed in order to reduce the built environment’s impact on the ongoing climate crisis. Various studies have demonstrated that adaptive building structures offer a potential solution for reducing material resource consumption and associated emissions. Adaptive structures have the ability to improve load-bearing performance by specifically reacting to external loads. This work applies the concept of adaptive structures to reinforced concrete slabs through the integration of fluidic actuators into the cross-section. The optimal integration of actuators in reinforced concrete slabs is a challenging interdisciplinary design problem that involves many parameters. In this work, actuation influence matrices are extended to slabs and used as an analysis and evaluation tool for deriving actuation concepts for adaptive slabs with integrated fluidic actuators. To define requirements for the actuator concept, a new procedure for the selection of actuation modes, actuator placement and the computation of actuation forces is developed. This method can also be employed to compute the required number of active elements for a given load case. The new method is highlighted in a case study of a 2 m × 2 m floor.Item Open Access 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.Item Open Access Gradientenbeton - Untersuchungen zur Gewichtsoptimierung einachsiger biege- und querkraftbeanspruchter Bauteile(2015) Herrmann, Michael; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr.h.c.)Die Gradierung von Betonbauteilen ermöglicht eine Anpassung des Bauteilinneren an das vorherrschende statische oder bauphysikalische Anforderungsprofil. Durch eine in bis zu drei Raumrichtungen kontinuierlich frei veränderbare Porosität lassen sich maßgeschneiderte Betonbauteile herstellen. Die Gradierung der Porosität von Beton kann zur Massenminimierung, zur Reduzierung der grauen Energie und zur Erzielung multifunktionaler Eigenschaften in einem Bauteil eingesetzt werden. Um das Potential der neuen Bauweise zu erschließen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Betonmischungen im gesamten Dichtespektrum von infraleicht bis hochfest entwickelt. Anschließend wurden Herstellungsverfahren untersucht, um diese Mischungen zielgenau im Bauteil zu positionieren. Das schichtweise Gießen ermöglichte die Herstellung von Bauteilen mit diskret gestuftem Schichtaufbau, welche nachfolgend experimentell untersucht werden konnten. Im Weiteren ließ die Automatisierung des Gradientensprühverfahrens die Herstellung von Bauteilen mit dreidimensionalen kontinuierlichen Eigenschaftsverläufen zu. Zur Bemessung von Bauteilen aus gradiertem Beton wurden die bestehenden Normansätze für Biegung, Querkraft und die Verbundfugen nach EC 2 und DIN EN 1520 untersucht und an die Besonderheiten des Gradientenbetons angepasst. Die Ermittlung der Biegetragfähigkeit erfolgte mit einem angepassten Reduktionsansatz für Plattenbalken. Der Querkraftbemessung kommt eine erhöhte Bedeutung zu, da Biege- und Querkraftversagen bei gradierten Bauteilen definitionsgemäß nahe beieinanderliegen. Für den Nachweis der beim geschichteten Aufbau bestehenden Verbundfugen unter Zwangsbeanspruchungen wurde ein analytischer Ansatz verwendet. Die Bauteilversuche erfolgten an Prüfkörpern in zwei Größenmaßstäben, die mithilfe der Bemessungsansätze ausgelegt wurden und deren Tragverhalten experimentell ermittelt wurde. Die zuerst durchgeführten Versuche an skalierten Bauteilen ermöglichten die Untersuchung des Einflusses des Gradientenaufbaus und der Bewehrungsmaterialien auf die Biegetragfähigkeit. Weiterhin wurden Untersuchungen zur Querkrafttragfähigkeit in Abhängigkeit der Schubschlankheit durchgeführt. Hierbei konnten die Bemessungsannahmen bestätigt werden. Es ließen sich Massenreduktionen von 59 % bei Erreichen der rechnerischen Tragfähigkeiten realisieren. Bei den anschließenden Versuchen an Bauteilen im Originalmaßstab konnte ein Maßstabseinfluss auf die Querkrafttragfähigkeit festgestellt werden. Im Vergleich zu den Versuchen an skalierten Bauteilen wurden Mischungen mit höherer Festigkeit im querkraftbeanspruchten Kernbereich erforderlich. Hierdurch reduzierte sich die Massenersparnis auf 43 %. Es konnte festgestellt werden, dass die Gradierung von Betonbauteilen einen maßgeblichen Einfluss auf deren Steifigkeit im Zustand I und auf die Erstrisslast hat. Die Steifigkeit der Bauteile im Zustand II hängt hingegen überwiegend von der eingesetzten Bewehrung ab. Die Bauteilversuche wurden anschließend mittels einer Simulation, unter Berücksichtigung des nichtlinearen Materialverhaltens, nachvollzogen. Zur Beschreibung des Materialverhaltens von Beton kam ein elastisch-plastisches Schädigungsmodell zum Einsatz, welches anhand der vorliegenden Prüfergebnisse kalibriert wurde. Es zeigte sich, dass die Beschreibung des Betons unter Zug einen maßgeblichen Einfluss auf die Risslast am Ende des Zustands I hat. Daher wurden die zwei möglichen Definitionen über die Spannungs-Dehnungs-Beziehung und über die Spannungs-Rissöffnungs-Beziehung verglichen. Das Tragverhalten der gradierten Bauteile konnte mithilfe der Simulation gut abgebildet werden und es kam zu einer guten Übereinstimmung der Last-Durchbiegungs-Kurven. Der Entwurf dichtegradierter Strukturen erfolgte mithilfe eines Verfahrens der Topologieoptimierung basierend auf dem SIMP-Ansatz. Als Entwurfsvariable diente die relative Dichte jedes Elements. Über diese wurden in jedem Iterationsschritt die Elementsteifigkeiten verändert. Zwischen der relativen Dichte und dem E-Modul besteht ein exponentieller Zusammenhang, der an die physikalischen Zusammenhänge des Gradientenbetons angepasst wurde. Mit diesem Ansatz gelang der Entwurf von Bauteilen mit kontinuierlich gradierten Materialeigenschaften. Im Vergleich zu den im Schichtenverfahren hergestellten Bauteilen ließ sich die Steifigkeit im Zustand I um ca. 30 % steigern. Bei der Optimierung einer 5 m spannenden Flachdecke konnte eine Gewichtsersparnis von bis zu 62% im Vergleich zu einem massiven Bauteil realisiert werden. Das digitale Dichtelayout dient zukünftig als Bauplan für die automatisierte Fertigung.Item Open Access Editorial - transformable structures and envelopes in architecture and civil engineering(2023) Phocas, Marios C.; Matheou, MariaItem Open Access A novel transformation model for deployable scissor-hinge structures(2010) Akgün, Yenal; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.)Primary objective of this dissertation is to propose a novel analytical design and implementation framework for deployable scissor-hinge structures which can offer a wide range of form flexibility. When the current research on this subject is investigated, it can be observed that most of the deployable and transformable structures in the literature have predefined open and closed body forms; and transformations occur between these two forms by using one of the various transformation types such as sliding, deploying, and folding. During these transformation processes, although some parts of these structures do move, rotate or slide, the general shape of the structure remains stable. Thus, these examples are insufficient to constitute real form flexibility. To alleviate this deficiency found in the literature, this dissertation proposes a novel transformable scissor-hinge structure which can transform between rectilinear geometries and double curved forms. The key point of this novel structure is the modified scissor-like element (M-SLE). With the development of this element, it becomes possible to transform the geometry of the whole system without changing the span length. In the dissertation, dimensional properties, transformation capabilities, geometric, kinematic and static analysis of this novel element and the whole proposed scissor-hinge structure are thoroughly examined and discussed. During the research, simulation and modeling have been used as the main research methods. The proposed scissor-hinge structure has been developed by preparing computer simulations, producing prototypes and investigating the behavior of the structures in these media by several kinematic and structural analyses.Item Open Access Eine neue materialgerechte Fügetechnologie für unidirektionale Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe mit Glas- und Carbonfasern(2015) Denonville, Jürgen; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr.-Ing. h.c.)Die Fügung von Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen ist noch nicht zufriedenstellend gelöst. In dieser Arbeit wird ein neuer materialgerechter Ansatz vorgestellt, untersucht und diskutiert, der auf der Verwendung eines metallischen Matrixwerkstoffs in der Fügezone eines Faser-Kunststoff-Bauteils basiert. Carbon- und Glasfasern werden hierfür bereits bei der Herstellung des Bauteils partiell in eine metallische Matrix eingebettet. Im Lasteinleitungsbereich liegt somit ein Faser-Metall-Verbundwerkstoff (oder auch Metall Matrix Composite - MMC), ansonsten ein Faser-Kunststoff-Verbund vor. Die Substitution der schwachen Kunststoffmatrix durch eine leistungsfähigere metallische Matrix soll eine gesteigerte Tragfähigkeit von einfach ausführbaren Lochleibungsverbindungen von unidirektionalen Faser-Kunststoff-Bauteilen ermöglichen. Diese Arbeit umfasst die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Herstellung der beschriebenen Bauteile auf der Grundlage von bestehenden Thixo-Schmiedeverfahren, die Bewertung der erreichten Materialqualität und -eigenschaften, die Quantifizierung der Bauteiltragfähigkeit und deren numerische Simulation anhand einer gewählten Fügekonfiguration.Item Open Access 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, WernerAn 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.Item Open Access Using influence matrices as a design and analysis tool for adaptive truss and beam structures(2020) Steffen, Simon; Weidner, Stefanie; Blandini, Lucio; Sobek, WernerDue to the already high and still increasing resource consumption of the building industry, the imminent scarcity of certain building materials and the occurring climate change, new resource- and emission-efficient building technologies need to be developed. This need for new technologies is further amplified by the continuing growth of the human population. One possible solution proposed by researchers at the University of Stuttgart, and which is currently further examined in the context of the Collaborative Research Centre (SFB) 1244 Adaptive Skins and Structures for the Built Environment of Tomorrow is that of adaptivity. The integration of sensors, actuators, and a control unit enables structures to react specifically to external loads, when needed (e.g., in the case of high but rare loads). For example, adaptivity in load-bearing structures allows for a reduction of deflections or a homogenization of stresses. This in its turn allows for ultra-lightweight structures with significantly reduced material consumption and emissions. To reach ultra-lightweight structures, i.e., adaptive load-bearing structures, two key questions need to be answered. First, the question of optimal actuator placement and, second, which type of typology (truss, frame, etc.) is most effective. One approach for finding the optimal configuration is that of the so-called influence matrices. Influence matrices, as introduced in this paper, are a type of sensitivity matrix, which describe how and to which extend various properties of a given load-bearing structure can be influenced by different types of actuation principles. The method of influence matrices is exemplified by a series of studies on different configurations of a truss structure.Item Open Access Zum Verbundverhalten von CFK-Bewehrungsstäben in Bauteilen aus ultrahochfestem Beton(2016) Pritschow, Andreas; Novák, Balthasar (Prof. Dr.-Ing.)Ultrahochfeste Betone (UHPC) bieten Vorteile, die zu neuen Anwendungsmöglichkeiten im Konstruktiven Ingenieurbau geführt haben. Bei herkömmlicher Betonstahlbewehrung mit vergleichsweise niedrigen Festigkeiten und deren Korrosionsanfälligkeit können jedoch die Vorteile von UHPC nicht in gleichem Maße ausgenutzt werden. Hier bieten sich CFK-Bewehrungsstäbe auf Grund ihrer mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit an. Hochleistungsbetone stellen jedoch besondere Anforderungen an das Bewehrungsmaterial, mit entsprechenden Auswirkungen auf das Verbundverhalten. Für FVK-Bewehrung liegen hierzu zahlreiche Untersuchungen in Normalbeton vor, in UHPC beschränken sich die Untersuchungen jedoch hauptsächlich auf Betonstahlbewehrung. Die vorliegende Arbeit setzt hier mit Untersuchungen zum Verbundverhalten von CFK-Bewehrungsstäben in Bauteilen aus UHPC an. Das Grundproblem von FVK-Bewehrungsstäben liegt im Versagen der Stabprofilierung bei bereits vergleichsweise niedrigen Verbundspannungen. Zwar ähneln die Verbundspannungs-Schlupf-Verläufe den für anderen FVK-Bewehrungsstäben sowie Betonstahl bekannten Verläufen, spätestens bei Erreichen der Höchstlast ändert sich das Verbundverhalten jedoch grundlegend. Das Tragverhalten basiert in diesem Bereich im Wesentlichen auf einer äußeren Reibungskomponente zwischen Beton und Stab sowie einer inneren Reibungskomponente zwischen Stabrippe und Stabkern. Für einen wirksamen Verbund ist jedoch das Abscheren der Betonkonsole und damit einhergehende Rissbildung im Beton erforderlich. Mittels Pull-out-Versuchen von CFK-Bewehrungsstäben mit maschinell eingebrachten Rippungen in UHPC-Bauteilen wurden Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen ermittelt und in Verbindung mit den Versagensmechanismen grundlegende Erkenntnisse zum Verbundverhalten von CFK-Bewehrungsstäben abgeleitet. Unter Verwendung der Versuchsergebnisse wurde eine Übertragbarkeit vorhandener, für Betonstahl- und FVK-Bewehrung in Normalbeton gültiger, analytischer Modelle auf CFK-Bewehrung in UHPC überprüft. In numerischen Untersuchungen mit dem FE-Programm MASA wurden Versuche mittels zweier Modellierungsvarianten nachgerechnet und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit bewertet. Aus den experimentellen und analytischen Untersuchungen wurden Profilgeometrien abgeleitet, mit denen theoretisch eine zum Betonstahl vergleichbare Wirksamkeit erzielt werden kann. Darauf aufbauend wurde der Einfluss der Stabprofilierung auf das globale Verbundverhalten untersucht. Dabei wurde besonders der Einfluss der theoretisch erforderlichen Profilgeometrieverhältnisse betrachtet. Es hat sich gezeigt, dass für FVK-Bewehrung in Normalbeton gültige analytische Modelle und Verbundgesetze auch auf CFK-Bewehrung in UHPC übertragbar sind. Globale, aus Versuchen gewonnene Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen, können mit ausreichender Genauigkeit zur Berechnung lokaler Verbundspannungs-Schlupf-Verläufe verwendet werden. Zudem ist die Verbundwirkung über vorgegebene Parameter der Stabprofilierung steuerbar. Zur Sicherstellung eines wirksamen Verbundes mit Rissbildung im Beton ist jedoch eine Stabprofilierung erforderlich, die sich signifikant von Betonstahlbewehrung unterscheidet. Es werden sehr kleine Rippentiefen und kurze Betonrippen sowie große Verhältnisse zwischen Stabrippen- und Betonrippenbreiten benötigt. Bei den analytischen Betrachtungen ergaben sich jedoch theoretische Stabrippengesamtbreiten, die das Maß der Verbundlänge im Versuchsprobekörper z. T. deutlich überschreiten. Eine experimentelle Überprüfung ist daher nur mit alternativen Versuchskörpern möglich. Anhand eines Anwendungsbeispiels wurde aufgezeigt, dass die Einbettungslängen, die zur vollständigen Krafteinleitung in den Beton erforderlich sind, meist die Stabrippenbreiten unterschreiten und daher in diesen Fällen ein maßgebendes Anforderungskriterium für das Stabprofil darstellen. Insgesamt hat sich gezeigt, dass eine alleinige Optimierung des Rippenprofils nicht ausreichend, sondern eine Kombination aus Profil- und Materialoptimierung erforderlich ist. Die vorliegende Arbeit liefert vielversprechende Erkenntnisse zum Verbundverhalten von CFK-Bewehrungsstäben in UHPC und bietet Ansätze für weiterführende Untersuchungen.