Zuverlässigkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit adaptiver Tragwerke

Abstract

In dieser Arbeit wird eine Auslegungsmethode für adaptive Tragwerke unter dynamischen Lasten vorgestellt, die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit differenziert untersucht, bewertet und sicherstellt und darüber hinaus eine ganzheitliche, optimale Auslegung im Sinne der Nachhaltigkeit erzielt. Die seither durch Überdimensionierung der Tragstruktur erreichte zuverlässige Auslegung, die ein Sicherheitsniveau garantiert, setzt sich für adaptive Tragwerke aus der Absicherung der Adaptionsfunktion sowie der Tragstruktur zusammen. Die mit adaptiven Tragwerken einhergehenden mechatronischen Komponenten stellen potentielle Fehlerquellen dar, für welche ein Zuverlässigkeits- und Sicherheitsnachweis erforderlich ist. Die Abhängigkeit der Adaptionsfunktion von der Bemessung der Tragstruktur sowie die hohe Interdisziplinarität des Forschungsfelds erfordern einen ganzheitlichen Ansatz. Die ausgearbeitete, interdisziplinäre Auslegungsmethode berücksichtigt die aktive Kompensation von dynamischen Lasten unter Einbezug von Methoden und Modellen des Bauingenieurwesens, der Regelungstechnik und des Maschinenbaus. Im Gegensatz zu den bisher genutzten statischen Ersatzlasten wird ein auf örtlichen Windlasten basierendes Lastkollektiv bestehend aus Last-Zeit-Verläufen zur Lebensdaueranalyse der Tragstruktur und Ermittlung des Energiebedarfs der Aktoren genutzt. Die Bewertung dynamischer Einflüsse erfolgt mittels der Simulation eines linear-elastischen Tragwerksmodells auf Basis der Bewegungsgleichung mit Berücksichtigung der Massen und Steifigkeiten aus einer FE-Analyse. Aus der Simulation werden die Ermüdungsfestigkeit und Betriebsenergie bestimmt. Das Simulationsmodell dient zudem der Untersuchung von Fehlern und Ausfällen der Adaptionsfunktion als Grundlage der Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanalyse. Abhängig vom Grenzzustand ist eine differenzierte Auslegung anhand von Zuverlässigkeitsmethoden bzw. der Sicherheitsnorm EN 61508 für funktionale Sicherheit vorgesehen. Abschließend ergibt sich die Nachhaltigkeit aus den Auslegungsgrößen Material-, Energie- und Ersatzteilbedarf sowie der möglichen Nutzungsdauer. Neben dem Vergleich von Varianten wird das Potential einer adaptiven gegenüber einer passiven Ausführung des Tragwerks auf Grundlage des Einsparpotentials an Treibhausgasen ermittelt. Die Anwendung wird in einem Anwendungsbeispiel validiert und ein Einsparpotential an Treibhausgasen von über 50 % identifiziert.