A04 - Formfindung, Strukturoptimierung und Systemoptimierung von Flächentragwerken

Formfindung, Strukturoptimierung und Systemoptimierung von Flächentragwerken

Die klassische Formfindung von Flächentragwerken beruht auf einem dominanten, formbestimmenden Lastfall. Adaptive Tragwerke bieten aber das Potenzial, eine optimale Form nicht nur für einen einzigen Lastfall bereitzustellen, sondern für eine Vielzahl von veränderlichen Lastfällen stets die ideale Form einstellen zu können. Aus der Formfindung wird Formvielfaltsfindung. Das Teilprojekt verbindet Methoden von Tragwerksanalyse und -entwurf mit Konzepten zur konkreten konstruktiven Realisierung adaptiver Tragwerke im Rahmen einer ganzheitlichen Betrachtung als aktives System.

In der ersten Förderperiode hat sich gezeigt, dass aus Redundanzmatrizen – speziellen strukturbeschreibenden Matrizen, die die Verteilung von Redundanzen in Tragwerken quantifizieren – abstrakte Gütemaße abgeleitet werden können, die dabei helfen deren Adaptierbarkeit zu beurteilen. Sie werden in der zweiten Förderperiode auf Flächentragwerke sowie geometrisch nichtlineare und dynamische Probleme erweitert. In Umkehrung der Analyse werden auf dieser Basis inverse Entwurfskonzepte entwickelt, mit denen Matrizen für Tragwerke mit gewünschten Eigenschaften und daraus die Tragwerke selbst abgeleitet werden können.

Bei der Erweiterung konventioneller Formfindungsmethoden auf adaptive Strukturen hat sich gezeigt, dass das Aktuierungskonzept selbst einen entscheidenden Parameter für die Formfindung adaptiver Strukturen darstellt. Durch die Erforschung von Wirkmechanismen möglicher Aktuierungskonzepte für gekrümmte Flächentragwerke konnte eine exzentrische Manipulation der Struktur durch Integration von Aktoren innerhalb einer Rippenstruktur als Erfolg versprechender Ansatz identifiziert werden. Diesen gilt es in der zweiten Förderperiode zur Einbindung in Formfindungsmethoden weiterzuentwickeln. Mit Aktoren ausgestattete Rippen ermöglichen dabei auch mit kleinen Aktorstellwegen eine globale Manipulation des Tragwerks. Des Weiteren werden in der zweiten Förderperiode die Optimierungsstrategien und Zielfunktionen zur Homogenisierung von Spannungsfeldern und Reduktion von Verformungen um die Aspekte der Sicherheit gegen Stabilitätsversagen (Knicken, Beulen) erweitert.

In Zusammenarbeit mit den Teilprojekten A06, C02 und C07 wird das rippenbasierte Aktuierungskonzept weiterentwickelt. Mithilfe der entwickelten Methoden werden Beispielentwürfe als Funktionsmuster im Labormaßstab realisiert.

PROJEKTTEAM

Institut für Baustatik und Baudynamik
Axel Trautwein, M.Sc.
Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Bischoff

Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren
Dr.-Ing. Arka Prabhata Reksowardojo
Prof. Dr.-Ing. Lucio Blandini

PROJEKTFÖRDERUNG 
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)