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 Editorial - transformable structures and envelopes in architecture and civil engineering(2023) Phocas, Marios C.; Matheou, MariaItem 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 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.Item Open Access 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.Item Open Access Analytical and numerical case studies on tailoring stiffness for the design of structures with displacement control(2023) Trautwein, Axel; Prokosch, Tamara; Senatore, Gennaro; Blandini, Lucio; Bischoff, ManfredThis paper discusses the role that structural stiffness plays in the context of designing adaptive structures. The focus is on load-bearing structures with adaptive displacement control. A design methodology is implemented to minimize the control effort by making the structure as stiff as possible against external loads and as flexible as possible against the effect of actuation. This rationale is tested using simple analytical and numerical case studies.Item Open Access Simulation-based investigations of the load-bearing behavior of concrete hollow sphere slabs exposed to fire(2022) Miller, Olga; Gericke, Oliver; Nigl, David; Kovaleva, Daria; Blandini, LucioThis paper concerns the investigations of the flexural capacity of concrete slabs with integrated concrete hollow spheres that are subjected to fire and their mass saving potential compared to solid slabs. (1) Background: The overuse of concrete in construction contributes considerably to global CO2 emissions; therefore, the potential for mass reduction in structural components must be fully exploited. However, the design regulations for weight-minimized components, particularly slabs with internal voids, are often not explicitly covered by standards, such as the fire design standard relevant to this paper. (2) Methods: Based on the design guidelines for statically determinate structures in Eurocode 2-2 and DIN 4102-4, a solid slab and a concrete slab with concrete hollow spheres are designed and evaluated with regard to their weight and flexural capacity when subjected to fire. The temperature profiles within the slab cross-section exposed to fire are simulated using ABAQUS finite element software, considering the physically nonlinear, temperature-dependent material behavior of concrete and steel. Using these results, the strain distribution corresponding to the maximum flexural moment is iteratively determined at the weakest cross-section, which exhibits the largest void. (3) Results: All components show sufficient flexural capacity for the target fire duration of 90 min. (4) Conclusion: In the context of this study, the design guidelines according to Eurocode 2-2 and DIN 4102-4 are proven to be fully applicable also for concrete hollow sphere slabs.Item Open Access Investigations of the fire behavior of functionally graded concrete slabs with mineral hollow spheres(2024) Strahm, Benedikt; Haufe, Carl Niklas; Blandini, LucioFunctionally Graded Concrete (FGC) allows for a significant reduction in the mass of concrete components while maintaining their structural and functional requirements and improving recycling capacity. This is achieved by inserting spherical mineral hollow bodies into the structure where no material is required. Within the scope of this work, the behavior of FGC slabs exposed to fire is investigated both experimentally and numerically and compared to a corresponding solid cross-section. Therefore, FGC specimens are placed in a test furnace and subjected to fire exposure for 90 min. The temperature distribution, bending load-bearing capacity, and spalling behavior are investigated. The results of the numerical simulation of the solid cross-section are in good agreement with the values provided in the building code. However, for the FGC cross-section, differences in temperature at characteristic measurement points between the experimental and numerical results are observed, presumably due to convection. The experimental results suggest that the bending load-bearing capacity of the investigated FGC cross-section could be potentially greater than that of a corresponding solid cross-section. Furthermore, as expected through analytical analysis, the fire tests confirm that no spalling of the FGC specimens occurred.