02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften

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Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Leichtbau, Entwerfen und KonstruierenSubject: search.filters.subject.620

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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.)
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    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, Lucio
    Previous 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.
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    Zur konstruktiven Durchbildung ausschließlich zugbeanspruchter Membranränder
    (1985) Gropper, Hans; Sobek, Werner
    Über Randausbildungen von Membrantragwerken werden theoretische Überlegungen angestellt. Anschließend wird über die Neuentwicklung eines textilen Randelementes berichtet, von dem ein Prototyp in Zusammenarbeit mit einer Weberei verwirklicht werden konnte. Dieser Prototyp wurde unter Einsatz verschiedener Verankerungen getestet. Die Verankerung von Synthesefaserzuggliedern stellt sich dabei als problematisch heraus und wird deshalb näher untersucht.
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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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    Schalungen aus pneumatisch vorgespannten Membranen
    (1990) Sobek, Werner
    Zur Lagerung von Feststoffen und Flüssigkeiten werden zunehmend Überdachungen und Speicherbehälter mit großen Abmessungen benötigt. Aufgrund der spezifischen Anforderungsprofile dieser Anlagen kommt der Wahl geeigneter Bauwerkstypen erhebliche wirtschaftliche Bedeutung zu, wobei der jeweilige Kostenrahmen durch die Effizienz der tragenden Struktur und das gewählte Bauverfahren maßgebend beeinflußt wird. Im Stahlbetonbau, der mengenmäßig von besonderem Interesse ist, haben sich die Schalentragwerke aufgrund ihres günstigen Lastabtragungsverhaltens als besonders geeigneter Tragwerkstyp vielfach bewährt.
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    Technologische Grundlagen des textilen Bauens
    (1994) Sobek, Werner
    Ein tiefergehendes Verständnis des textilen Bauens wird durch die Kenntnis einer Reihe entwurfs-,material- und konstruktionsspezifischer Eigenarten der Bauweise möglich. Der nachfolgende Aufsatz gibt hierzu einen ersten Überblick. Er skizziert die grundlegenden, bei Entwurf, Materialwahl und Berechnung zu beachtenden Besonderheiten. Dabei wird eine Einschränkung auf textile Membranen vorgenommen.
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    Covering "Les Arènes de Nîmes" with an air-inflated fabric structure
    (1989) Bergermann, Rudolf; Sobek, Werner
    Together with a team of architects, we started to develop and to design a structure which should cover the central part of the arena. The design yielded to a lightweight structure which is able to be installed within 21 days, designed to withstand a windspeed of 200 km/h and able to carry a snow load of 360 to - more than twice the deadweight of the new building. The air inflated cushion consists out of PVC-coated PETP-fabric membranes.
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    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.
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    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, Werner
    An 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.
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    Using influence matrices as a design and analysis tool for adaptive truss and beam structures
    (2020) Steffen, Simon; Weidner, Stefanie; Blandini, Lucio; Sobek, Werner
    Due 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.