A06 – Integration aktiver Elemente in Stabtragwerke

Integration aktiver Elemente in Stabtragwerke

In der Bemessung von konventionellen, passiven Hochhaustragwerken dominieren häufig Verformungsgrenzwerte die Bemessung. Untersuchungen in der ersten Förderperiode haben gezeigt, dass durch eine gezielte Verformungsadaption in solchen Fällen teilweise signifikante Masseneinsparungen resultieren [1]. Weiter wurde zusammen mit den Teilprojekten A04 und B01 herausgearbeitet, dass die Berücksichtigung der Adaptivität im Entwurfsprozess von vornherein effizientere adaptive Tragwerke erzeugt als eine nachträgliche Aktuierung passiv optimierter Tragwerke. 

Da die Adaptierbarkeit von Tragwerken eng mit den verwendeten Aktuierungskonzepten zusammenhängt werden in A06 für Stabtragwerke verschiedene Aktuierungskonzepte (Linear-, bzw. Normalkraftaktuierung, Querkraft- und Momentenaktuierung) erarbeitet und untersucht sowie mögliche Umsetzungen zu Aktorikkonzepten, die für die im Bauwesen erforderlichen Stellwege und Stellkräfte ausgelegt sind.

In einer anschließenden phänomenologischen Untersuchung der Aktuierungskonzepte in Stabtragwerken unterschiedlicher Topologie und Typologie können dann Eigenschaften, Vor- und Nachteile und Anwendungsszenarien der Aktuierungskonzepte erarbeitet werden sowie zeitgleich sinnhafte Typologien adaptiver Tragwerke abgeleitet werden.
Diese abstrahierten adaptiven Stabtragwerke werden abschließend zu praxisnahen optimalen Typologien adaptiver Hochhaustragwerke weiterentwickelt.

Die wesentlichen Ziele des Teilprojekts A06 sind somit:

• Erweiterung der Aktuierungs- und Aktorikkonzepte für Stabtragwerke
• Entwicklung bezüglich der Umweltwirkung optimierter Typologien adaptiver Hochhaustragwerke mit inhärenten Aktuierungskonzepten
• Ableitung einer Systematik in den anzusetzenden Bemessungslasten für adaptive Hochhaustragwerke, sodass bzgl. dem Ressourceneinsatz und Emissionsausstoß (der Umweltwirkung) optimierte Tragwerke resultieren
• Quantifizierung der Anforderungen an die Aktorik adaptiver Hochhaustragwerke
• Entwicklung umfassender Auslegungsalgorithmen zur Analyse und Synthese adaptiver Tragwerke anhand deren statischen, dynamischen, linearen und nichtlinearen Eigenschaften

In der ersten Förderperiode wurden bereits verschiedene Ansätze zur Analyse von Tragwerken und deren Adaptionspotential entwickelt, die in dieser Förderperiode weiterentwickelt und um neue Ansätze ergänzt werden sollen.

Zur Bestimmung der optimalen Aktorposition einer definierten Anzahl an Aktoren im Tragwerk wurde die Methode der Gramschen Matritzen angewandt. Die Auswahl der jeweiligen Position erfolgt über gewählte Gütekriterien und einem inversen Greedy-Algorithmus [2]. Darauf aufbauend sollen weitere Ansätze, beispielsweise genetische Algorithmen, untersucht werden. 

Um den Einfluss einer Aktuierung eines Elements auf unterschiedliche Tragwerksgrößen (Schnittkräfte, Verformungen, etc.) quantitativ zu ermitteln, wurde die Methode der Einflussmatrizen erarbeitet. Hierbei handelt es sich um eine numerische Programmierung der Methode der Einflusslinien aus der Baustatik. Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Matrizen in die Redundanzmatrizen von Teilprojekt A04 überführbar sind und ebenfalls in der Berechnung der Gramschen Matrizen enthalten sind [3].

Diese Methoden wurden bereits erfolgreich im Entwurf des Demonstrator-Hochhauses angewandt und die Konzepte zur seriellen und parallelen Linearaktuierung unter anderem am Prototyp-Rahmen experimentell validiert [4].

Besondere Herausforderungen bei der Adaption von Hochhaustragwerken sind die globale statische Bestimmtheit (vertikaler Kragträger), die nur eine bedingte Manipulation von Beanspruchungszuständen zulässt, bei gleichzeitig hoher innerer statischer Unbestimmtheit, die einen lokalen Kurschluss von induzierten Kräften zur Folge hat. So kann eine globale Verformungsmanipulation bei ungünstiger Topologie lokal zu unerwünschten oder nachteiligen Beanspruchungen führen.

Weiterhin sind Hochhäuser bei hoher Schlankheit entsprechend schwingungsanfällig. Neben einer quasi-statischen Adaption spielt somit auch die effiziente aktive Schwingungsdämpfung infolge von Windanregung oder Erdbeben eine wichtige Rolle.

PROJEKTTEAM

Institut für Systemdynamik (ISYS)
Amelie Zeller, M.Sc.
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Oliver Sawodny

Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK)
Simon Steffen, M. Sc. 
Prof. Dr.-Ing. Lucio Blandini
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h.c. Werner Sobek

PROJEKTFÖRDERUNG 
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

LITERATURVERZEICHNIS

[1] S. Steffen, M. Böhm, W. Haase, O. Sawodny und W. Sobek. „Masseneinsparungspotential beim Einsatz adaptiver Strukturelemente in Hochhaustragwerken“. In: Tagungsband zur Fachtagung Baustatik-Baupraxis. 2020

[2] J. Wagner, J. Gade, F. Geiger, M. Heidingsfeld, M. Böhm, M. von Scheven, M. Bischoff und O. Sawodny. „On steady-state disturbance compensability for actuator placement in adaptive structures“. In: at - Automatisierungstechnik (2018)

[3] S. Steffen, S. Weidner, L. Blandini und W. Sobek. „Using influence matrices as a design and analysis tool for adaptive truss and beam structures“. In: Frontiers in Built environment (2020).

[4] S. Weidner, S. Steffen und W. Sobek. „The integration of adaptive elements into high-rise structures”. In: Int. Journal of High-Rise Buildings (2019)