Universität Stuttgart
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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 Auslegung hybrider Querpressverbände für erhöhte Betriebstemperaturen(2020) Wagner, Miriam; Binz, HansgeorgDie vorliegende Veröffentlichung befasst sich mit der Auslegung hybrider Querpressverbände, d. h. der Verbindung von Stahlwellen und vollkeramischen Naben, bei Betriebstemperaturen oberhalb der Raumtemperatur. Zunächst wird in einer Einführung auf die Vorteile dieser Verbindung eingegangen. Es folgt ein Überblick über den Stand der Forschung und die erzielten Ergebnisse bei Raumtemperatur. Die zwei bisher vorhandenen Auslegungsverfahren bedienen sich strukturmechanischer bzw. thermomechanischer Simulationen, um die wirkenden Kräfte auf die Fügepartner und die daraus resultierenden Verformungen zu berechnen. Mit den Ergebnissen wird eine neue Wellenform definiert. So gefertigte Wellen führen im Pressverband zu einem annähernd konstanten Fugendruckverlauf. Simulationen zeigen jedoch, dass sich diese Wellen nicht für den Betrieb bei erhöhten Temperaturen eignen. Um einen ähnlich günstigen Spannungszustand zu erreichen und Spannungsspitzen zu vermeiden, muss das Vorgehen modifiziert werden. Die hierfür notwendigen Schritte werden ausführlich beschrieben. Darüber hinaus werden anwendungsnahe Hinweise zur Optimierung der Ergebnisse bzw. geometrischen Gestaltung des Pressverbands gegeben.Item Open Access Investigation of a large‐scale adaptive concrete beam with integrated fluidic actuators(2022) Burghardt, Timon; Kelleter, Christian; Bosch, Matthias; Nitzlader, Markus; Bachmann, Matthias; Binz, Hansgeorg; Blandini, Lucio; Sobek, WernerAs the world population keeps growing, so does the demand for new construction. Considering material resources are limited, it will be unfeasible to meet such demand employing conventional construction methods. A new resource‐saving approach is provided by adaptive structures. Using sensors, actuators and control units, structures are enabled to adapt to loads, for example, to compensate for deformations. Since deformations are dominant in the design of bending‐stressed load‐bearing structures, adaptivity enables such structures to be realized using less material and achieving the same load‐bearing capacity in comparison to conventional designs. This article presents a concrete beam of typical building dimensions that compensates deflections by means of integrated fluidic actuators. These actuators offer the possibility of reacting optimally to general loading. The investigation is carried out on an approximately 4‐m‐long beam with integrated hydraulic actuators. To ensure the overall functionality, accurate dimensioning of the beam as well as the hydraulic system is mandatory. Analytical design of the beam and actuation system are carried out for predimensioning. Experimental testing validates the function and demonstrates that the adaptive beam works as predicted. A fully compensation in deflection is possible. Therefore, a significant increase in load‐bearing capacity is possible with the same material input compared to conventional beams.Item Open Access Herleitung einer analytischen Optimierungsmethode für Beveloidräder durch lokale Anpassung der Verzahnungsdaten(2020) Marino, Daniel; Bachmann, Matthias; Binz, HansgeorgBei schneidend oder windschief angeordneter An- und Abtriebswelle (kleine Achswinkel bis 30°) bieten Beveloidverzahnungen, auch konische Verzahnungen genannt, eine Möglichkeit, Bauraum und Gewicht einzusparen. Aufgrund der zueinander geneigten Grundzylinder liegt jedoch keine gemeinsame Eingriffsebene vor, weshalb Beveloidradpaarungen im Allgemeinen nur punktförmig an einer Breitenposition der Zahnflanke abwälzen. Dieser punktförmige Kontakt führt bei nicht modifizierten Beveloidradpaarungen zu hohen lokalen Flankenpressungen. Um wie bei Zylinderrädern einen konjugierten, linienartigen Eingriff zu erzielen, sind bei Beveloidrädern derzeit komplexe, iterative Modifikationen der Flankenfeingeometrie notwendig. Daher wird in diesem Bericht ein analytischer Ansatz hergeleitet, der eine Bestimmung der modifizierten Flankenfeingeometrie für Beveloidräder in beliebiger Achslage ermöglicht. Grundlage dieses Optimierungsansatzes ist die stirnschnittweise Anpassung der Verzahnungsdaten, sodass ein konjugierter Eingriff erzielt wird. Erste Untersuchungen zeigen, dass eine zusätzliche tangentiale Modifikation die korrekte Position der Stirnschnitte entlang der Zahnbreite gewährleistet. Hierzu wird ein analytischer Ansatz basierend auf dem Verzahnungsgesetz verwendet, welcher die evolventische Zahnform im Stirnschnitt nicht verändert. Die Wirksamkeit der Modifikation wird mit lastfreien Kontaktsimulationen für drei exemplarisch modifizierte Beveloidradpaarungen gezeigt. Das Tragbild ist wie beim konjugierten Eingriff voll ausgebildet und der Drehfehler ist vergleichbar gering zu nicht modifizierten Beveloidrädern.Item Open Access An investigation of increased power transmission capabilities of elastic-plastic-designed press-fit connections using a detachable joining device(2024) Falter, Jan; Herburger, Daniel; Binz, Hansgeorg; Kreimeyer, MatthiasDrive systems are an important part of general mechanical engineering, automotive engineering, and various other fields, with shaft–hub connections being an important part of such systems. Decisive aspects in the development of such systems today are, for example, high transmittable forces and torques, low masses, and the cheapest possible production of components. A possibly threefold increase in the force and torque transmission capacity can be achieved by using press-fit connections with an elastic-plastic design as opposed to regular elastically designed alternatives. An elastic-plastic design of the press-fit connection is achieved by using a large interference. A large transition geometry on the shaft (which replaces the conventional chamfer) is required to join such an interference. The material and space requirements have a negative impact on lightweight applications and limited building spaces. Therefore, the objective of the research presented in this paper is to design and analyze a detachable joining device that substitutes this geometry. A simulation study was conducted to determine the geometry of the joining device that improves the stress state and consequently the force and torque transmission capacity of the connection. Moreover, the influence of manufacturing tolerances of the joining device and the shaft, corresponding risks, and measures to mitigate them are analyzed using finite element analysis. The results show that large transition radii, enabled by using a joining device, lead to a homogenous distribution of plastic strain and pressure in the press-fit connection, even for large interferences ξ and soft hub materials like wrought aluminum alloys. The influence of manufacturing tolerances on the stress state was quantified, leading to design guidelines that minimize the risk of, e.g., the front face collision of a shaft and hub, while maximizing the power transmission of the connection. The results show the capability of a detachable joining device to enable elastic–plastic press–fit connections and the corresponding threefold increase in the force and torque transmission capacity in lightweight applications, resulting from the substitution of the installation space consuming and mass increasing the transition geometry of the shaft.Item Open Access Experimentelle Untersuchung des Abwälzverhaltens von Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite(2022) Marino, Daniel; Bachmann, Matthias; Binz, HansgeorgZur Übertragung von Drehmoment und Drehzahl in beliebiger Achsanordnung eignen sich bei kleinem Achswinkel bis 30° Beveloidverzahnungen. Besonders die windschiefe Achslage bietet dabei Potenzial, Bauraum und Gewicht aufgrund eines möglichst direkten Leistungsfluss zu realisieren. Beveloidradpaarungen in nicht paralleler Achslage haben jedoch den Nachteil, dass aufgrund der geneigten Grundzylinder nur ein punktförmiger Kontakt vorliegt. Der auftretende Ease-Off kann ausschließlich durch komplexe Zahnflankenmodifikationen kompensiert werden, um so das Übertragungsverhalten zu verbessern. Zum Überprüfen der Wirksamkeit solcher Modifikation sind simulative Zahnkontaktanalysen unumgänglich. Zusätzlich sind Abwälzversuche erforderlich, um die simulativen Ergebnisse abzusichern. Durch Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite kann ein konjugierter Eingriff angenähert werden, was ein voll ausgebildetes Tragbild mit geringem Drehfehler in Kontaktsimulationen zeigt. In diesem Bericht sollen die vielversprechenden Ergebnisse der Kontaktsimulationen in Abwälzversuchen validiert werden. Zunächst wird mithilfe des Versuchskonzepts das Vorgehen definiert, um die Prüfstandsversuche durchzuführen und die erzielten Ergebnisse am Prüfstand mit den Simulationsergebnissen abzugleichen. Die exemplarisch ausgelegte Prüfverzahnung wird mittels Fünf-Achs-Fräsen gefertigt und kann mit drei Mikrogeometrien am Umfang verteilt ausgeführt werden. Zwei Ansätze zur Definition der Mikrogeometrien werden vorgestellt, mit denen ausgehend vom konjugierten Eingriff eine gezielte Positionierung und Skalierung des Tragbilds möglich ist. Die tatsächliche Zahnflankengeometrie wird topografisch vermessen und kann in Kontaktsimulationen untersucht werden. Der Vergleich zwischen diesen Simulationsergebnissen und den am Prüfstand ermittelten Ergebnissen zeigt beim Tragbild und lastfreien Drehfehlerverlauf eine hohe Übereinstimmung. Der Vergleich zwischen den Prüfstands- und Simulationsergebnissen validiert die analytische Berechnungsmethode zur Auslegung und Optimierung von Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite.Item Open Access Integration of LCA in the planning phases of adaptive buildings(2019) Schlegl, Friederike; Honold, Clemens; Leistner, Sophia; Albrecht, Stefan; Roth, Daniel; Haase, Walter; Leistner, Philip; Binz, Hansgeorg; Sobek, WernerThe high consumption of resources in the building industry requires a significant reduction of material in buildings and consequently a reduction of emissions over all phases of the life cycle. This is the aim of the Collaborative Research Centre 1244 Adaptive Skins and Structures for the Built Environment of Tomorrow, funded by the German Research Foundation (DFG), which addresses research on the development and integration of adaptive systems in building structures and skins. New approaches in building planning are required for the implementation of adaptive buildings. Therefore, a multidisciplinary team from various fields such as architecture, civil and mechanical engineering, and system dynamics is necessary. The environmental impacts of the whole life cycle have to be considered for an integral planning process for adaptive buildings right from the beginning. For the integration of the Life Cycle Assessment (LCA), four temporal and content-related interfaces were identified in the planning process. Inputs and outputs of the LCA were defined for the relevant planning stages in order to enable the greatest possible benefit for the planners and to minimize the environmental impacts as far as possible. The result of the research work is a methodology that can be used in the future to reduce life cycle-related environmental impacts in the planning process of adaptive buildings (ReAdapt).Item Open Access An actuator concept for adaptive concrete columns(2021) Steffen, Simon; Nitzlader, Markus; Burghardt, Timon; Binz, Hansgeorg; Blandini, Lucio; Sobek, WernerThe building industry accounts for half of the global resource consumption and roughly one third of global CO2 emissions. Global population growth and increasing resource scarcities require engineers and architects to build for more people with less material and emissions. One promising solution are adaptive load-bearing structures. Here, the load-bearing structure is equipped with actuators, sensors, and a control unit which allows the structure to adapt to different load cases, resulting in substantial material savings. While the first prototypes use industry standard actuators to manipulate deformations and stress states, it is essential to develop actuator concepts which fit the specific requirements of civil engineering structures. This paper introduces new concepts for linear actuators, developed within the Collaborative Research Centre (SFB) 1244 Adaptive Skins and Structures for the Built Environment of Tomorrow, which can be used as adaptive concrete columns. The concept of an actuator which actuates a concrete column by external compression through hydraulic pressure is discussed in further detail. This concept allows for controlled axial extension while also increasing the compressive strength of the concrete column.Item Open Access Investigation of pressure chambers for integrated fluidic actuators in adaptive slabs(2024) Bosch, Matthias J.; Nitzlader, Markus; Bachmann, Matthias; Binz, Hansgeorg; Blandini, Lucio; Kreimeyer, MatthiasA high proportion of the CO 2 emissions worldwide are caused by the construction sector or are associated with buildings. Every part of the industry needs to reduce its share of emissions, so the building sector must also do its part. One possible solution for achieving this reduction in the field of load-bearing structures is the use of adaptive structures. This research focuses on adaptive slab structures, which require specific actuators to be integrated into the system. Conventional actuators are not suitable due to the prevailing requirements, namely installation space and performance. For this investigation, the actuator is divided into different functional components. A rough description of the requirements for one component, namely the energy converter, is given. Different concepts are developed, tested, and compared with numerical results. Due to the requirements, the concepts are limited to hydraulics. The authors then present a comparison of different simulation strategies for the energy converter. Overall, this paper provides a new contribution to the design of energy converter concepts for integrated hydraulic actuators in slabs, along with experimental verification of the working principle of the energy converters to meet the requirements. A simplified numerical model is proposed to estimate the behavior of the energy converter during the early design phase.