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 Zur konstruktiven Durchbildung ausschließlich zugbeanspruchter Membranränder(1985) Gropper, Hans; Sobek, WernerÜber 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.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 Schalungen aus pneumatisch vorgespannten Membranen(1990) Sobek, WernerZur 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.Item Open Access Editorial - transformable structures and envelopes in architecture and civil engineering(2023) Phocas, Marios C.; Matheou, MariaItem Open Access Technologische Grundlagen des textilen Bauens(1994) Sobek, WernerEin 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.Item 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 Covering "Les Arènes de Nîmes" with an air-inflated fabric structure(1989) Bergermann, Rudolf; Sobek, WernerTogether 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.